Nghiên cứu nâng cao hiệu quả nghiền bột giấy khi dùng máy nghiền dạng đĩa trong ngành công nghiệp giấy

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 62.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe 2. GS.TSKH Phạm Văn Lang THÁI NGUYÊN - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên những hƣớng dẫn của tập thể hƣớng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chƣa công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Nghiên cứu sinh Trƣơng Thị Thu Hƣơng 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 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 3 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 4 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5 5. Phƣơng pháp nghiên cứu 6 6. Cấu trúc luận án 7 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ NGHIỀN BỘT GIẤY 9 1.1. Giới thiệu 9 1.2. Các thông số đánh giá chất lƣợng bột giấy 9 1.2.1. Chiều dài sợi 10 1.2.2. Độ nghiền 10 1.2.3. Độ bền mẫu giấy thành phẩm 11 1.3. Khái quát về quá trình nghiền bột giấy 13 1.3.1. Khái quát về các giai đoạn nghiền 13 1.3.2. Thiết bị nghiền bột giấy 16 1.3.2.1. Các loại thiết bị nghiền 16 1.3.2.2. Đánh giá các thiết bị nghiền 19 1.4. Tƣơng tác cơ học trong nghiền tinh bằng đĩa nghiền 22 1.4.1. Nguyên lý nghiền tinh dùng đĩa nghiền 22 1.4.2. Chuyển động của dung dịch bột – gỗ 23 iv 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 3.1. Giới thiệu 65 3.2. Các thông số cơ bản của mô hình thực nghiệm 65 3.2.1. Các thông số ảnh hƣởng đến quá trình nghiền 65 3.2.2. Chọn lọc các thông số thí nghiệm 66 3.3. Thiết lập mô hình thực nghiệm 69 3.3.1. Thiết bị nghiền 69 3.3.1.1. Đĩa nghiền 69 3.3.1.2. Máy nghiền thực nghiệm 75 3.3.2. Bột nguyên liệu thí nghiệm 78 3.3.3. Cách thu thập dữ liệu đầu ra 79 3.3.3.1. Đo công suất tiêu thụ N 79 3.3.3.2. Cách đánh giá chất lƣợng nghiền 81 3.4. Cách vận hành hệ thống 85 3.5. Xây dựng kế hoạch thực nghiệm 86 3.5.1. Bộ thông số thí nghiệm 86 3.5.2. Lập ma trận thí nghiệm, chọn phƣơng án quy hoạch thực nghiệm 88 3.6. Nguyên tắc xử lý số liệu 90 3.6.1. Xác định dạng mô hình hồi quy 90 3.6.2. Kiểm nghiệm mức độ phù hợp của mô hình 91 3.6.3. Giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu 94 Chƣơng 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 97 4.1. Kết quả thực nghiệm 97 4.2. Xây dựng mô hình hồi quy của các hàm mục tiêu 100 4.3. Tối ƣu hoá đa mục tiêu 103 4.3.1. Tối ƣu hóa mục tiêu hàm Y N : 103 4.3.2. Tối ƣu hóa mục tiêu hàm Y K 104 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 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa Đơn vị a s Chiều rộng răng đĩa cố định mm a r Chiều rộng răng đĩa quay mm b s Chiều rộng rãnh đĩa cố định mm b r 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 kg/s N Công suất nghiền kWh N d Số các răng nghiền giao nhau - n(r) Số lƣợng dao trên đĩa nghiền - r 1 (D) Bán kính ngoài của đĩa nghiền mm r 2 (d) Bán kính trong của đĩa nghiền mm SEL Tải trọng riêng trên lƣỡi cắt J/m SSL Tải trọng riêng trên bề mặt dao J/m 2 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 Khe hở đĩa nghiền mm φ Hệ số điền đầy - K Độ nghiền 0 SR ∆ Định thức đặc trƣng của phƣơng trình thứ nguyên - G i Ký hiệu thay thế cho các đại lƣợng a,b,c - BKHP Bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ cứng - BKSP Bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ mềm - Y N Hàm biểu diễn năng lƣợng nghiền - Y K Hàm biểu diễn độ nghiền - [...]... giấy dùng cho sản xuất giấy Trong thuật ngữ của ngành sản xuất giấy, có hai loại bột nguyên liệu: bột thô và bột giấy Bột thô là dạng bột đƣợc tạo thành bởi giai đoạn nghiền sơ bộ, thuật ngữ ngành giấy gọi là nghiền nồng độ cao, có nhiệm vụ nghiền phôi gỗ dạng dăm, mảnh thành dạng bột thô Bột giấy là dạng bột đƣợc tạo thành bởi giai đoạn nghiền tinh, thuật ngữ ngành giấy gọi là nghiền nồng độ thấp Trong. .. trong công nghiệp sản xuất giấy Nghiên 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. .. trong máy nghiền 1.3.2 Thiết bị nghiền bột giấy 1.3.2.1 Các loại thiết bị nghiền Các loại thiết bị nghiền đƣợc sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp giấy gồm có: Nghiền bằng lô dao bay, nghiền côn và nghiền đĩa [9], [46] 17 a Nghiền bằng lô dao bay Lô dao bay là một thiết bị nghiền bột giấy, đƣợc đặt trong thùng nghiền có dạng bể (cấu trúc này thƣờng đƣợc gọi là máy nghiền Hà Lan) Cơ cấu công tác... 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... Các thông số đánh giá mục tiêu Mục tiêu nghiên cứu chính là nâng cao chất lƣợng bột giấy đƣợc nghiền và giảm tiêu thụ năng lƣợng riêng khi nghiền Chất lƣợng bột giấy có thể đƣợc đánh giá qua một loạt thông số Trong thực tế sản xuất cũng nhƣ trong các nghiên cứu khoa học về bột giấy và nghiền bột giấy, ngƣời ta thƣờng đánh giá chất lƣợng bột giấy thông qua độ nghiền (0SR), độ bền 5 kéo, và độ bền xé... 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... giữa máy nghiền đĩa và nghiền côn Nhƣ có thể thấy trên hình 1.11, mức tiêu hao điện năng khi sử dụng thiết bị nghiền đĩa luôn thấp hơn so với khi sử dụng thiết bị nghiền côn Ở hầu hết các dạng sản phẩm nghiền, mức tiêu hao điện năng khi sử dụng đĩa nghiền thấp hơn khoảng 20% so với khi sử dụng lô nghiền dạng côn [41] b So sánh về chất lƣợng nghiền Chất lƣợng nghiền của bột đƣợc nghiền bằng đĩa nghiền. .. xuất giấy Việc nghiên cứu tìm ra các giải pháp nhằm nâng cao chất lƣợng và hiệu quả nghiền bột giấy khi sử dụng thiết bị nghiền dạng đĩa là vấn đề có 22 ý nghĩa quan trọng đối với ngành công nghiệp giấy Việt Nam Để làm đƣợc điều đó, sự hiểu biết về các tác động cơ học xảy ra trong quá trình nghiền là rất cần thiết Nội dung này sẽ đƣợc trình bày chi tiết trong phần 1.4 1.4 Tƣơng tác cơ học trong nghiền. .. (Hình 1.8) Thiết bị nghiền này đòi hỏi thời gian nghiền dài, diện tích lắp đặt lớn, năng lƣợng nghiền cao và năng suất nghiền thấp Tuy vậy, chất lƣợng bột nghiền khi nghiền bằng lô nghiền khá cao, cho nên, chúng vẫn thƣờng đƣợc sử dụng trong các phòng thí nghiệm nghiền bột giấy Hình 1.8 Thiết bị nghiền Hà Lan [9], [46] b Lô nghiền dạng côn Lô nghiền dạng côn gồm có hai phần có dạng hình côn lồng vào... đẩy bột giấy vào khe hở giữa hai đĩa, đƣợc nghiền và đƣợc thoát ra ở đầu côn lớn Khe hở làm việc đƣợc điều chỉnh bằng cách điều chỉnh trục chính của máy c Nghiền đĩa Nghiền đĩa là thiết bị đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong các dây chuyền sản xuất bột giấy hiện nay 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 . HƢƠNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ NGHIỀN BỘT GIẤY KHI DÙNG MÁY NGHIỀN DẠNG ĐĨA TRONG NGÀNH CÔNG NGHIỆP GIẤY Chuyên ngành: Kỹ thuật. 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 LUẬN. 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