BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN NguyÔn Qu©n nhu
Ư
TRƢƠNG THỊ THU HƢƠNG
TTTRT
TRƢƠNG TTTCUẤN ANH
S
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ
NGHIỀN BỘT GIẤY KHI DÙNG MÁY NGHIỀN DẠNG ĐĨA
TRONG NGÀNH CÔNG NGHIỆP GIẤY
NguyÔn Qu©n nhu
Ư
TRƢƠNG THỊ THU HƢƠNG
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ
NGHIỀN BỘT GIẤY KHI DÙNG MÁY NGHIỀN DẠNG ĐĨA
TRONG NGÀNH CÔNG NGHIỆP GIẤY
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
ii
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình của tập thể
hƣớng dẫn khoa học gồm GS.TSKH Phạm Văn Lang, PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe
đã tạo mọi điều kiện từ nghiên cứu mô hình, tổ chức thực nghiệm và hƣớng dẫn chi
tiết trong quá trình hoàn thành luận án. Đồng thời, tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối
với các nhà khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Dự, TS. Vũ Quốc Bảo đã tận tình giúp
đỡ, đặc biệt là trong quá tình điều tra, khảo sát, tìm hiểu thực tế, thu thập và xử lý số
liệu thực nghiệm.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Trƣờng ĐH Kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên, Viện Cơ - Điện nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch,
Trƣờng Đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Viện Công nghệ Giấy và Xenlulô Hà
Nội đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả cũng gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp và ngƣời
thân đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành đƣợc luận án.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên luận án không tránh khỏi sai sót,
tác giả mong nhận đƣợc sự góp ý kiến của các thầy cô giáo, các chuyên gia và các
bạn đồng nghiệp để luận án đƣợc hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Nghiên cứu sinh Trƣơng Thị Thu Hƣơng
1.4.3. Lực tác dụng trên răng đĩa nghiền 25
1.5. Cấu trúc xơ sợi và chất lƣợng bột giấy 27
1.5.1. Cấu trúc ngang của sợi gỗ 27
1.5.2. Cấu trúc dọc của sợi gỗ 29
1.6. Mức độ tiêu thụ năng lƣợng trong quá trình nghiền 30
1.7. Ảnh hƣởng của các thông số kết cấu và công nghệ đến chất lƣợng và năng
lƣợng nghiền 31
1.7.1. Tốc độ nghiền 31
1.7.2. Khe hở đĩa nghiền 31
1.7.3. Lƣu lƣợng bột 31
1.7.4. Nồng độ bột giấy 31
1.7.5. Ảnh hƣởng của các thông số kết cấu đĩa 32
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH NGHIỀN 36
2.1. Giới thiệu 36
2.2. Chuyển động của sợi gỗ trong dung dịch khi nghiền 36
2.2.1. Đặc tính dòng chảy của hỗn hợp bột gỗ 37
2.2.2. Tính đồng nhất của dòng dung dịch 37
2.3. Đặc tính cơ học của quá trình nghiền 40
2.3.1. Tƣơng tác lực trong quá trình nghiền 40
2.3.2. Tải trọng riêng trên cạnh răng nghiền 42
2.3.3. Tải trọng riêng trên bề mặt răng nghiền 43
2.4. Các ảnh hƣởng về kết cấu và vận hành 45
2.5. Cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm 55
2.5.1. Lý thuyết mô hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên 55
2.5.1.1. Lý thuyết mô hình 55
2.5.1.2. Lý thuyết đồng dạng 56
2.5.1.3. Lý thuyết thứ nguyên 59
2.5.2. Ứng dụng của lý thuyết mô hình – đồng dạng – thứ nguyên 61
Chƣơng 3. MÔ HÌNH VÀ KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM 65
v
4.3.3. Giải bài toán thƣơng lƣợng giữa hàm chi phí năng lƣợng riêng Y
N
và
hàm độ nghiền Y
K
105
4.4. Triển khai kết quả cho dãy máy thực 111
vi
4.4.1. Xác định bộ chỉ số đồng dạng theo công suất nghiền 111
4.4.2. Xác định bộ chỉ số đồng dạng theo năng suất nghiền 114
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 122
TÀI LIỆU THAM KHẢO 123
Chiều rộng rãnh đĩa quay
mm
c
s
Chiều cao răng đĩa cố định
mm
c
r
Chiều cao răng đĩa quay
mm
C
Nồng độ bột giấy
%
IN
Số lƣợng các tác động nghiền
km/kg
L
s
Tốc độ nghiền
km/s
L
Chiều dài nghiền
km/v
IL
Chiều dài tiếp xúc của hai răng nghiền đối diện
km
M
Khối lƣợng dòng sợi
Q
Năng suất máy nghiền
kg/h
viii
q
Lƣu lƣợng huyền phù
m
3
/s
ω
Vận tốc góc
s
-1
n
Tốc độ quay
v/ph
θ
Góc quạt răng
[
0
]
α
Góc nghiêng răng nghiền
[
0
]
h
- ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Kích thƣớc răng nghiền với các loại xơ sợi 50
Bảng 3.1. Các thông số của quá trình nghiền 65
Bảng 3.2. Các giá trị số mũ trong công thức thứ nguyên của các thông số 67
Bảng 3.3. Các thông số đĩa nghiền thí nghiệm 70
Bảng 3.4. Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy nghiền thực nghiệm 76
Bảng 3.5. Tính chất của bột giấy thực nghiệm 78
Bảng 3.6. Cơ sở xây dựng phần cơ bản của kế hoạch Box - Behnken 88
Bảng 3.7. Kế hoạch Box - Behnken khi n = 4 89
Bảng 4.1. Các thông số vào – ra của các thí nghiệm 97
Bảng 4.2. Bảng kết quả thí nghiệm 98
Bảng 4.3. Kết quả phân tích số liệu thực nghiệm 101
Bảng 4.4. Bảng thông số tối ƣu trên máy nghiền mô hình 106
Bảng 4.5. Thông số lựa chọn tối ƣu cho máy nghiền và đĩa nghiền mô hình 107
Bảng 4.6. Các thông số ảnh hƣởng đến công suất nghiền bột giấy 112
Bảng 4.7. Các thông số ảnh hƣởng đến năng suất nghiền bột giấy 114
Bảng 4.8. Dãy máy nghiền 118
Hình 1.24. Các yếu tố cơ bản của đĩa nghiền bột 32
Hình 1.25. Một số dạng hƣ hỏng răng đĩa nghiền thƣờng gặp 33
Hình 2.1. Chiều dài tác động nghiền 44
Hình 2.2. Các dạng profin của dao nghiền 45
Hình 2.3. Các kiểu bố trí răng nghiền 46
xi
Hình 2.4. Các dạng đĩa nghiền 47
Hình 2.5. Một số kiểu đĩa nghiền 48
Hình 2.6. Chiều dài nghiền của các mẫu đĩa khác nhau 49
Hình 2.7. Tiếp xúc giữa hai dao nghiền 52
Hình 2.8. Sự dịch chuyển của răng đĩa nghiền quay trên răng đĩa nghiền cố định
trong quá trình nghiền 53
Hình 3.1. Cụm đĩa cố định 70
Hình 3.2. Cụm đĩa quay 71
Hình 3.3. Mẫu đĩa nghiền thí nghiệm 1 71
Hình 3.4. Mẫu đĩa nghiền thí nghiệm 2 72
Hình 3.5. Mẫu đĩa nghiền thí nghiệm 3 72
Hình 3.6. Đĩa nghiền bột giấy dùng trong thực nghiệm 75
Hình 3.7. Bản vẽ tổng thể máy nghiền bột giấy thực nghiệm 77
Hình 3.8. Máy nghiền bột giấy dạng đĩa dùng trong thực nghiệm 77
Hình 3.9. Máy đánh tơi tiêu chuẩn 79
Hình 3.10. Công tơ điện 3 pha có tích hợp bộ truyền dẫn thông tin vào máy tính 80
Hình 3.11. Sơ đồ thí nghiệm đo tiêu thụ năng lƣợng nghiền 81
Hình 3.12. Máy đo độ nghiền 81
Hình 3.13. Máy nghiền PFI 82
Hình 3.14. Máy xeo Rapid - Kothen 82
Hình 3.15. Thiết bị đo độ bền kéo (Hounfield) 83
Hình 3.16. Thiết bị đo độ bền xé của giấy (Frank) 83
Hình 3.17. Các yếu tố ảnh hƣởng và các chỉ tiêu cần đạt trong thực nghiệm 86
Hình 4.1. Đồ thị tối ƣu Y
đoạn nghiền tinh tiếp theo.
Giai đoạn nghiền tinh (nghiền nồng độ thấp - low consistency) có nhiệm vụ
nghiền bột thô đã đƣợc tẩy trắng, nhằm thay đổi hình thái của sợi gỗ, làm cho bột có
các tính chất cơ, lý đáp ứng yêu cầu của sản phẩm giấy. Giai đoạn này có các nhiệm
vụ chính là tách bề mặt phía trong của sợi thành nhiều sợi nhỏ (chổi hoá nội vi),
chải các lớp ngoài của sợi thành các sợi nhỏ hơn (chổi hoá ngoại vi), tạo thêm nhiều
2
sợi mịn và ngắn hơn. Thêm nữa, vách ngăn giữa các sợi đƣợc làm yếu đi, mềm ra
và giảm độ dày nhờ sự thâm nhập của các phân tử nƣớc trong quá trình nghiền. Kết
quả là làm tăng khả năng liên kết sợi và độ bền của giấy thành phẩm. Vì vậy, đây là
giai đoạn chế biến có ý nghĩa quyết định đến chất lƣợng sản phẩm giấy đƣợc tạo
thành. Chính vì vậy, các chuyên gia ngành giấy thƣờng nói: “Giấy đƣợc hình thành
từ trong máy nghiền”.
Giai đoạn nghiền tinh có thể đƣợc thực hiện trên thiết bị nghiền Hà Lan, thiết
bị nghiền côn hoặc nghiền đĩa [17], [9], [16], [46]. Công nghệ sản xuất giấy hiện đại
ngày nay chủ yếu sử dụng thiết bị nghiền dạng đĩa [5], [46], [49]. Thiết bị nghiền
dạng đĩa có khả năng nghiền ở nhiều nồng độ, nghiền nhiều loại nguyên liệu khác
nhau, năng suất nghiền cao, chất lƣợng bột đồng đều và tiêu hao năng lƣợng thấp
hơn các thiết bị nghiền Hà Lan, nghiền côn có cùng công suất. Ở Việt Nam, thiết bị
nghiền dạng đĩa có mặt tại tất cả các nhà máy sản xuất giấy.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, chất lượng bột giấy (sản phẩm của giai đoạn
nghiền tinh) phụ thuộc vào các yếu tố chính nhƣ điều kiện nghiền, hệ thống nghiền,
đĩa nghiền [40], [42], [46], [54] và dạng nguyên liệu xơ sợi [3], [16], [19]. Trong
đó, các yếu tố kết cấu đĩa, hình dáng hình học của răng đĩa có ảnh hƣởng trực tiếp
đến chất lƣợng bột giấy cũng nhƣ năng lƣợng tiêu hao trong quá trình nghiền [21],
[22], [35]. Bài toán tối ƣu đa mục tiêu giải quyết hài hoà cả hai lợi ích: Chất lượng
bột giấy và năng lượng nghiền đã và đang nhận đƣợc nhiều quan tâm [11], [13],
[18], [31], [47], [48], [49]. Trong hầu hết các nghiên cứu, các tác giả thƣờng hoặc
khảo sát các dạng sợi gỗ nguyên liệu có những đặc tính cơ lý trung bình, hoặc khảo
sát trên một dạng sợi gỗ cụ thể. Thực tế, gỗ từ các vùng miền có khí hậu, điều kiện
cứu đƣợc thực hiện trên bột nguyên liệu thực tế đang đƣợc dùng trong công nghiệp
sản xuất giấy tại Việt Nam; sử dụng các máy móc, thiết bị thực nghiệm của Việt
Nam. Kết quả của nghiên cứu, do vậy, có thể đƣợc ứng dụng trực tiếp vào sản xuất
giấy ở Việt Nam.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu cơ sở khoa học, xác định các yếu tố ảnh hƣởng của máy nghiền
bột giấy dạng đĩa đến chất lƣợng bột giấy và tiêu thụ năng lƣợng riêng.
4
Các mục tiêu cụ thể là:
- Khảo sát các loại nguyên liệu nghiền, so sánh và đánh giá chất lƣợng theo
tiêu chuẩn.
- Lựa chọn các thông số cơ bản của kết cấu đĩa nghiền, thông số vận hành máy
có ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng và năng lƣợng nghiền.
- Xây dựng bộ thông số chế tạo mô hình thực nghiệm, mô tả đƣợc điều kiện
làm việc của các máy nghiền thực tế.
- Xác định quan hệ giữa góc nghiêng răng nghiền, khe hở đĩa nghiền, tốc độ
nghiền, lƣu lƣợng bột giấy và chất lƣợng, năng lƣợng nghiền.
- Xác định bộ thông số tối ƣu.
- Triển khai ứng dụng thực tế.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu chính của đề tài là quá trình nghiền tinh bột giấy sử
dụng máy nghiền đĩa ở Việt Nam. Bột nguyên liệu đầu vào của quá trình nghiền
tinh là bột trộn hỗn hợp giữa bột sản phẩm nội địa và bột nhập ngoại, hiện đang
đƣợc sử dụng phổ biến trong các nhà máy sản xuất giấy tại Việt Nam. Các thông số
vận hành cũng nhƣ thông số kết cấu của đĩa dùng cho quá trình nghiền là các đối
tƣợng nghiên cứu cụ thể của đề tài. Chất lƣợng bột giấy (đo theo tiêu chuẩn hiện
hành) và công suất tiêu thụ điện năng là các thông số chính đƣợc sử dụng để đánh
giá kết quả của đề tài.
Các thông số đánh giá mục tiêu
hoạch thực nghiệm trên máy mô hình; kết quả đƣợc kiểm chứng thực tế.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu có những ý nghĩa thực tiễn là:
6
- Bộ thông số kết cấu đĩa nghiền và vận hành máy tìm đƣợc bằng thực nghiệm
có thể triển khai, ứng dụng vào quá trình nghiền bột giấy.
- Bài toán nâng cao chất lƣợng bột giấy và tiết kiệm năng lƣợng trong sản xuất
giấy ở Việt Nam đã đƣợc giải quyết tƣơng đối trọn vẹn.
- Kết quả của nghiên cứu có thể đƣợc nhân rộng nhanh chóng và dễ dàng nhờ
sử dụng phép biến đổi mô hình đồng dạng, phép phân tích thứ nguyên. Điều này có
ý nghĩa kinh tế, kỹ thuật rất lớn.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp điều tra, lấy ý kiến chuyên gia:
Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng nhằm thu thập các thông tin về quá trình
nghiền bột giấy trong các cơ sở sản xuất giấy tại Việt Nam gồm nguyên liệu, điều
kiện nghiền, thiết bị nghiền, yêu cầu của sản phẩm bột giấy sau giai đoạn nghiền;
đồng thời những thông tin này là cơ sở để đánh giá vai trò và xác định yếu tố nghiên
cứu cơ bản đƣợc thực hiện trong luận án;
- Phƣơng pháp mô hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên:
Sử dụng phƣơng pháp này trong việc thiết kế, chế tạo máy nghiền bột giấy
dạng đĩa nhỏ gọn để thực hiện các nghiên cứu cần thiết mà không cần dừng máy,
dừng dây truyền sản xuất giấy. Do máy nghiền bột giấy dạng đĩa là một máy nghiền
liên tục đƣợc sử dụng trong các dây truyền sản xuất, cho nên việc dừng máy, ngừng
sản xuất để tiến hành nghiên cứu trên máy thật là việc rất khó khăn, thậm chí không
thực hiện đƣợc. Phƣơng pháp mô hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên
cho phép tái tạo thiết bị nghiền thực với kích thƣớc nhỏ gọn hơn nhiều lần mà vẫn
đảm bảo phản ánh trung thực điều kiện làm việc thực tế.
Sau khi xác định đƣợc các thông số tối ƣu về kết cấu và công nghệ trên mô
hình thực nghiệm, sử dụng phƣơng pháp mô hình, đồng dạng, phân tích thứ nguyên
cho phép chỉ ra các thông số thiết kế, chế tạo và vận hành cho các loại máy nghiền
8
sẽ trình bày cách thức xử lý dữ liệu và xác lập mô hình mô tả quan hệ vào - ra, đồng
thời tiến hành giải bài toán tối ƣu hoá đa mục tiêu: nâng cao chất lƣợng bột nghiền
và hạn chế năng lƣợng nghiền.
Phần cuối cùng của luận án trình bày những kết luận cơ bản, những đề xuất về
hƣớng nghiên cứu tiếp theo và những tài liệu tham khảo chính đƣợc sử dụng khi
thực hiện đề tài. 9
Chƣơng 1.
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
NGHIỀN BỘT GIẤY
1.1. Giới thiệu
Bột giấy là sản phẩm của quá trình nghiền, đồng thời là nguyên liệu chính yếu
một thông số quan trọng để đánh giá chất lƣợng bột giấy. Bột giấy đƣợc gọi là có
chất lƣợng tốt khi chiều dài sợi lớn. Đây là tính chất quan trọng để tăng độ bền cần
thiết của giấy thành phẩm, để giảm hiện tƣợng giấy bị đứt, rách trên trục máy in [3].
Để sản xuất giấy chất lƣợng cao (high quality paper) nhà sản xuất thƣờng yêu
cầu chiều dài của sợi bột giấy nằm trong khoảng 0.5-1mm. Ở Việt Nam, chiều dài
của sợi bột giấy thƣờng đƣợc chấp nhận ở khoảng 0.4-0.5mm, hoặc cao hơn. Để sản
xuất bột giấy chất lƣợng cao, nhà sản xuất mong muốn giữ đƣợc chiều dài nguyên
thuỷ của sợi gỗ nguyên liệu. Tuy nhiên, điều này không thể xảy ra vì trong quá trình
nghiền, nhờ các tác động cơ học, nhiều tính chất quan trọng của giấy đƣợc hình
thành, nhƣng các tác động này cũng là nguyên nhân cơ bản gây nên hiện tƣợng sợi
gỗ bị cắt ngắn [46], [57], [60]. Vì vậy, việc lựa chọn hợp lý kết cấu thiết bị, thông
số vận hành là một cách tiếp cận hiệu quả để vừa có thể đảm bảo đƣợc chiều dài sợi
mà vẫn không làm giảm đi những tính chất cần thiết khác của bột giấy. Đây là một
giải pháp mang ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo chất lƣợng của bột giấy.
1.2.2. Độ nghiền
Độ nghiền (còn gọi là độ thoát nƣớc) của bột giấy là một thông số quan trọng
đƣợc sử dụng trong ngành giấy. Giá trị của độ nghiền đƣợc coi là cơ sở để đánh giá
chất lƣợng bột giấy [3], [16].
Hai thông số thƣờng đƣợc các cơ sở sản xuất và các nhà nghiên cứu sử dụng
để đánh giá độ nghiền của bột giấy là độ CSF và độ SR.
+ Độ CSF (Canadian standard freeness): Độ thoát nƣớc tự do đƣợc xác định
theo tiêu chuẩn Canada. Độ CSF càng lớn thì khả năng thoát nƣớc của bột càng cao,
11
nghĩa là bột càng thô. Trong sản xuất giấy, mong muốn bột giấy có độ CSF càng
nhỏ càng tốt. Theo định nghĩa chuẩn, độ CSF là số mi-li-lít nƣớc chảy tích tụ từ lỗ
thoát bên hông thiết bị đo chuẩn hóa của huyền phù bột có nồng độ 0.3% ở 20
0
C
(theo tiêu chuẩn T227 om - 85ml). Trong quá trình nghiền, độ mịn của bột tăng còn
độ thoát nƣớc càng giảm và độ CSF giảm.
12
Khi độ nghiền càng lớn (SR càng cao), đồng nghĩa với sự phân tơ, chổi hóa
sợi tốt hơn, sự đan kết giữa các sợi trở nên chặt chẽ hơn và do đó, độ bền kéo của
giấy cao hơn [46]. Quan hệ này đƣợc minh hoạ trên hình 1.1.
Hình 1.1. Mối quan hệ giữa độ nghiền và độ bền kéo của bột giấy [46]
Theo thời gian nghiền, sợi có xu hƣớng bị cắt ngắn nên độ bền xé có xu hƣớng
giảm dần (Hình 1.2a). Tuy nhiên, độ chịu kéo của giấy phụ thuộc chủ yếu vào sự
liên kết giữa các sợi. Theo thời gian nghiền, sự phân tơ, chổi hoá sợi diễn ra mạnh
mẽ làm tăng liên kết sợi và do đó làm tăng độ bền kéo của giấy thành phẩm (Hình
1.2b). Hay nói cách khác, khi độ nghiền tăng, sợi bị chổi hóa nhiều và do đó độ bền
kéo của giấy tăng [46].
a) b)
Hình 1.2. Mối quan hệ giữa chiều dài sợi - độ bền kéo - độ bền xé của bột giấy [46]
a) Chiều dài sợi - độ bền kéo b) Độ bền kéo - độ bền xé
Có thể thấy rằng, độ bền của giấy thành phẩm có mối quan hệ chặt chẽ với
chiều dài sợi và độ nghiền của bột giấy. Ba thông số phản ánh chất lƣợng của giấy
và bột giấy này đều bị tác động trực tiếp bởi quá trình nghiền. Nếu thời gian nghiền
Copyright: Tài liệu đại học ©