6. Cấu trúc luận án
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].
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 là lô dao bay quay trên gối đỡ và dao đế cố định ở đáy bể (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 nhau, có khe hở từ 2 - 5mm. Lô nghiền dạng côn thƣờng đƣợc dùng để nghiền liên tục các bán thành phẩm xơ sợi. Dạng phổ biến nhất của thiết bị này là trục truyền nằm ngang và góc côn nhỏ (xem minh hoạ trên hình 1.9).
Trên hình 1.9, có thể thấy rõ, lô nghiền côn gồm đĩa côn quay và đĩa côn cố định có răng nghiền trên bề mặt đĩa. Nguyên liệu đƣợc nạp ở đầu côn bé, lực li tâm sẽ 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 đồng đều và tiêu hao năng lƣợng thấp hơn các thiết bị nghiền khác có cùng công suất [46]. Thiết bị nghiền đĩa đƣợc minh hoạ trên hình 1.10.
Hình 1.10. Thiết bị nghiền đĩa [9], [46]
Trên hình 1.10, bột giấy thô đƣợc đƣa vào khu vực bao quanh tâm của đĩa cố định. Chuyển động của đĩa nghiền quay sẽ cuốn dung dịch bột gỗ (gồm nƣớc và các sợi gỗ, nồng độ khoảng 2-6 %), liên tục chảy qua đi qua khe hở hẹp giữa hai đĩa nghiền theo phƣơng hƣớng kính. Một số sợi gỗ quấn vào nhau và bị chèn vào khe hở giữa hai đĩa và đƣợc phân tơ, chổi hoá (xem phần nguyên lý nghiền tinh dƣới đây). Một số sợi đơn lẻ bị va vào răng đĩa, đƣợc cắt ngắn hoặc/và trƣợt trên bề mặt răng đĩa và do vậy, cũng đƣợc phân tơ, chổi hoá.
1.3.2.2. Đánh giá các thiết bị nghiền
Việc lựa chọn thiết bị nghiền dùng trong quá trình sản xuất giấy cần đƣợc dựa trên cơ sở đánh giá đầy đủ ƣu nhƣợc điểm của nó so với thiết bị khác. Trong đó, mức độ tiêu hao điện năng và chất lƣợng nghiền là những chỉ tiêu quan trọng nhất cần đƣợc quan tâm [22], [46]. Ƣu, nhƣợc điểm của từng loại thiết bị xét theo các tiêu chí năng lƣợng tiêu hao và chất lƣợng nghiền sẽ đƣợc phân tích chi tiết nhƣ dƣới đây.
a. Mức độ tiêu thụ năng lƣợng
Mức độ tiêu thụ năng lƣợng cho quá trình nghiền có sự khác biệt đáng kể giữa việc sử dụng thiết bị nghiền côn và thiết bị nghiền đĩa [41]. Điều này đƣợc thể hiện rõ trên hình 1.11.
Hình 1.11. So sánh mức tiêu hao điện năng 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 luôn cao hơn nghiền côn. Các nguyên nhân của ƣu việt này bao gồm: 1) Ảnh hƣởng của dòng chảy
ngƣợc; 2) hiệu quả xé tơi sợi do đặc tính kết cấu và 3) ảnh hƣởng của mòn. Các nguyên nhân này đƣợc giải thích lần lƣợt nhƣ dƣới đây.
1. Trong quá trình nghiền, dòng chảy ngƣợc của dung dịch nghiền làm ảnh hƣởng đến tính đồng đều của dòng bột trong vùng nghiền [9]. Ở nghiền côn , dòng chảy ngƣợc của bột ở vùng giữa và vùng đầu côn lớn nên chất lƣợng bột nghiền thƣờng không đồng đều [9]. Trái lại, trong nghiền đĩa, hiện tƣợng dòng chảy ngƣợc gần nhƣ không đáng kể . Do vậy, quá trình nghiền dùng lô nghiền dạng côn thƣờng không đƣợc đồng đều nhƣ khi nghiền trên thiết bị nghiền đĩa . Xem minh hoạ trên hình 1.12.
a) b)
Hình 1.12. Sơ đồ chuyển động của bột giấy
a) Trong thiết bị nghiền côn [9] b) Trong thiết bị nghiền đĩa [41]
2. Tác dụng xé tơi sợi ở nghiền đĩa đƣợc thực hiện rất tốt, thêm nữa, xơ sợi ít bị cắt ngắn. Hiện tƣợng này hầu nhƣ không có ở nghiền côn [9]. Những khác biệt này làm cho giấy đƣợc sản xuất từ bột của nghiền đĩa có độ bền cao hơn đáng kể so với giấy làm từ bột của nghiền côn. Cũng do đặc điểm này, bột đƣợc nghiền qua thiết bị nghiền đĩa có khả năng thoát nƣớc tốt trên máy xeo so với bột đƣợc nghiền bằng lô nghiền dạng côn [41].
3. Mòn trong giai đoạn mòn bình ổn của đĩa nghiền lại làm tăng chất lƣợng bột giấy. Trái lại, mòn của lô nghiền côn trong giai đoạn này lại làm giảm chất lƣợng bột.
Do cấu trúc hình dáng có dạng phẳng của đĩa nghiền, việc lắp ghép giữa hai đĩa nghiền sẽ dễ dàng bảo toàn đƣợc vị trí song song và độ chính xác tiếp xúc giữa
các bề mặt đĩa nghiền hơn so với lắp ghép các lô nghiền côn [9]. Hơn nữa, khi chiều cao của răng đĩa nghiền giảm đi do mòn, số lƣợng xơ sợi bột giấy chuyển dịch trên bề mặt và các mép răng nghiền tăng lên. Hiện tƣợng xơ sợi đi qua bề mặt và mép răng nghiền lại là tác động có lợi cho việc xử lý xơ sợi trong quá trình nghiền [46].
Trái lại, trong nghiền côn, khi bị mòn, đĩa côn quay sẽ có xu hƣớng di chuyển dọc trục so với vị trí của đĩa cố định. Sự di chuyển này dẫn đến làm giảm chiều dài phần tiếp xúc ăn dao, dẫn đến làm giảm diện tích tiếp xúc, có tác dụng nghiền, giữa các đĩa nghiền (xem minh hoạ trên hình 1.13). Thêm nữa, mòn không đều trên chiều dài răng cũng làm giảm diện tích tiếp xúc. Diện tích tiếp xúc càng nhỏ thì khả năng nghiền bột càng thấp, dẫn đến làm giảm năng suất, chất lƣợng và hiệu quả nghiền [9], [41].
Hình 1.13. Sự tiếp xúc giữa các răng nghiền trong máy nghiền côn [9]
c. Đánh giá chung
Các phân tích ở trên cho thấy, nghiền đĩa chiếm ƣu thế hơn hẳn nghiền côn cả về chỉ tiêu năng lƣợng và chất lƣợng bột nghiền. Ngoài ra, răng đĩa nghiền có thể đƣợc chế tạo dễ dàng với nhiều hình dạng, kích thƣớc khác nhau để phù hợp với công nghệ nghiền và tính chất khác nhau của các dạng xơ sợi nguyên liệu [3], [5], [33]. Tuy nhiên, khả năng mềm dẻo này không có ở lô nghiền côn.
Từ những phân tích trên có thấy, nghiền đĩa là một thiết bị quan trọng trong các cơ sở sản 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
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 tinh bằng đĩa nghiền
1.4.1. Nguyên lý nghiền tinh dùng đĩa nghiền
Bản chất của quá trình nghiền bột giấy khi sử dụng thiết bị nghiền đĩa là dùng lực cơ học tác động lên xơ sợi xenlulô trong dung dịch bột - nƣớc, làm biến đổi về mặt cấu trúc hoá lý (phân tơ chổi hóa, cắt ngắn xơ sợi, tăng diện tích bề mặt sợi), làm xơ sợi có kích thƣớc đồng đều hơn, liên kết xơ sợi của bột tốt hơn và do đó, làm cho sản phẩm giấy đạt chất lƣợng cao hơn [3], [40].
Trong quá trình nghiền, sợi bột giấy nhận tác động cơ học khi răng đĩa nghiền trƣợt trên nhau. Quá trình các răng nghiền tác động lên sợi bột giấy đƣợc minh hoạ trên hình 1.14.
Hình 1.14. Sợi bột giấy giữa các răng nghiền
Nguyên lý quá trình nghiền tinh dùng đĩa nghiền đƣợc trình bày chi tiết nhƣ dƣới đây (xem minh hoạ trên hình 1.15).
Trƣớc hết, quá trình chuyển động của dòng dung dịch bột - nƣớc trong khe hở giữa các răng đĩa sẽ tích tụ một lƣợng sợi gỗ có chiều dài đủ lớn thành từng bó trên cạnh đi trƣớc (Leading edge) của răng đĩa. Các sợi khác, có chiều dài ngắn hơn, không có khả năng bám dính vào các sợi khác sẽ bị cuốn theo dòng chảy của dung dịch. Chỉ những sợi đã đƣợc tự bện thành bó mới đƣợc nghiền.
Hình 1.15. Các giai đoạn nghiền [3], [46]
Tiếp theo, khi cạnh làm việc của răng đĩa quay gặp cạnh phía trƣớc của răng đĩa cố định (Leading edge), bó sợi dính trên cạnh đi trƣớc của răng đĩa quay sẽ chịu tác động va đập và tác động nén. Do tác động của lực ép, thể tích nƣớc trong búi sợi sẽ bị đẩy ra ngoài.
Trong giai đoạn tiếp theo (hình 1.15c), cạnh đi trƣớc của đĩa quay chuyển động đến vị trí đối diện với bề mặt răng đĩa cố định. Búi sợi chịu tác động của ma sát giữa các sợi với nhau và ma sát với bề mặt răng đĩa. Tình trạng này tiếp diễn cho đến khi cạnh đi sau của răng đĩa quay vƣợt qua cạnh sau của răng đĩa cố định (xem minh hoạ trên hình 1.15 d,e,f).
1.4.2. Chuyển động của dung dịch bột – gỗ
Chuyển động tƣơng đối giữa răng đĩa quay và răng đĩa cố định gây hiệu ứng dòng xoáy cho dung dịch bột - nƣớc trong rãnh răng đĩa. Hiện tƣợng dòng xoáy này chính là nguyên nhân làm cho các sợi gỗ bám dính và tạo thành búi trên cạnh răng đĩa. Điều này đƣợc minh hoạ trên hình 1.16.
Hình 1.16.Dòng xoáy cho dung dịch bột - nước trong rãnh nghiền[15], [41]
Chuyển động của các sợi gỗ trong dòng chảy của dung dịch giữa khe hở của các đĩa nghiền đã đƣợc giải thích thông qua giả thuyết khoa học và đƣợc nhiều nhà nghiên cứu chấp nhận từ những năm 1920 đến nay [45], [55]. Theo giả thuyết này, các sợi gỗ ít có cơ hội dễ dàng chuyển động đơn lẻ trong dòng chảy. Chúng thƣờng quấn vào nhau, tạo thành các búi và bị nghiền khi đang ở trạng thái búi (xem minh hoạ trên hình 1.17).
Hình 1.17. Sự tạo thành các búi sợi và các tác động nghiền [10],[55]
Các nghiên cứu cũng chứng tỏ rằng, chất lƣợng nghiền phụ thuộc nhiều vào xác suất tạo thành búi trên cạnh răng đĩa và ứng xử cơ học của búi sợi trong quá trình bị nghiền. Sợi gỗ mềm và dài sẽ dễ tạo thành búi trên cạnh răng, nhƣng lại tạo thành búi có độ dai lớn, khó bị cắt đứt. Các sợi gỗ cứng và ngắn sẽ khó tạo búi trên cạnh răng, nhƣng các búi dạng này lại dễ dàng bị bẻ gãy trong quá trình nghiền. Các thông số kết cấu của đĩa (chiều rộng răng, chiều rộng rãnh, góc nghiêng răng…) có ảnh hƣởng quyết định đến diện tích tiếp xúc khi nghiền, xác suất tạo búi trên cạnh răng. Chẳng hạn, nếu chiều rộng rãnh quá nhỏ, sợi hoặc búi sợi không thể quay trong rãnh và do vậy không có cơ hội mắc vào cạnh răng đĩa đang quay để đƣợc
nghiền. Những búi hoặc sợi này nằm im và quay cùng rãnh cho đến khi ra khỏi vùng tiếp xúc rồi đƣợc cuốn ra ngoài. Thêm nữa, khoảng cách giữa các đĩa cũng có ảnh hƣởng quan trọng. Khoảng cách quá nhỏ hoặc quá lớn so với búi sợi đều có thể làm tăng thời gian nghiền. Khoảng cách nhỏ dễ gây hiện tƣợng tiếp xúc trực tiếp giữa các đĩa làm mẻ hoặc mòn răng. Cùng một chiều rộng răng, chiều rộng rãnh răng, đĩa nghiền có góc nghiêng răng lớn hơn sẽ có chiều dài răng nghiền lớn hơn, do đó, cơ hội các sợi bột giấy đƣợc tiếp xúc với bề mặt răng nghiền và đƣợc nghiền sẽ lớn hơn.
Nhận xét: Qua phân tích ở trên, rõ ràng, việc lựa chọn thông số kết cấu của răng đĩa, tốc độ quay của đĩa, khoảng các khe hở, lƣu lƣợng bột giấy… tốt nhất nên đƣợc xác định dựa trên các thông số đặc trƣng của sợi gỗ nguyên liệu (chiều dài, đƣờng kính, độ cứng của sợi gỗ…). Việc tính toán xác định mối quan hệ này bằng lý thuyết là cực kỳ phức tạp và gần nhƣ bất khả thi. Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hƣởng của các thông số kết cấu đĩa và thông số vận hành đến năng lƣợng tiêu hao và chất lƣợng bột giấy phù hợp với bột nguyên liệu cụ thể là một hƣớng tiếp cận phù hợp và hiệu quả cho công nghiệp giấy ở các nƣớc đang phát triển.
1.4.3. Lực tác dụng trên răng đĩa nghiền
Lực tác dụng trên răng đĩa nghiền là một đại lƣợng quan trọng, đƣợc nhiều nghiên cứu quan tâm [12], . Hầu hết các nghiên cứu đều cho rằng, lực tác dụng trên răng đĩa khi nghiền bao gồm ba thành phần: lực pháp tuyến (lực nén), lực tiếp tuyến (lực cắt) và lực cạnh (edge force). Tƣơng quan của các thành phần lực trên răng đĩa khi nghiền đƣợc minh hoạ trên hình 1.18 [55].
Lực pháp tuyến có tác dụng gây nén búi sợi trong quá trình nghiền [55]. Thành phần lực tiếp tuyến chính là lực ma sát thuỷ động (hydrodynamical force) giữa bề mặt răng và búi sợi. Thành phần lực cạnh (conner/edge force) tác động lên sợi khi cạnh của răng đĩa tiếp xúc với búi sợi. Thông thƣờng, lực này tác động trong thời gian ngắn và có cƣờng độ lớn. Các giá trị lực đã đƣợc mô hình hoá và tính toán thông qua nhiều nghiên cứu [55].
Hình 1.18. Lực tác động lên sợi bột giấy trong quá trình nghiền [55]
Trong quá trình nghiền, tác động cơ học của răng nghiền lên bó sợi làm cho sợi bị va đập, bị chà xát, bị kéo, nén. Những tác động này làm cho các sợi nhỏ trên bề mặt sợi bị mỏi và bị phân lớp (delamination) (xem minh hoạ trên hình 1.19).
Hình 1.19. Giản đồ về sự phân lớp ngoài của sợi do mỏi [55].
Việc hiểu rõ bản chất lực tƣơng tác giữa răng đĩa và búi sợi khi nghiền có thể giúp cho việc tính toán, thiết kế, kiểm nghiệm răng đĩa theo độ bền. Tuy nhiên, các giá trị lực này khá nhỏ để có thể gây nguy hiểm về độ bền cho răng đĩa. Thông thƣờng, phân tích lực đƣợc quan tâm nhƣ một cách tiếp cận khác để tính toán xác định năng lƣợng riêng trên răng đĩa nghiền. Hầu hết các nghiên cứu đều sử dụng thông số năng lƣợng tiêu thụ để đánh giá hiệu quả năng lƣợng khi nghiền.
Các lực tác động lên xơ sợi là nguyên nhân chính tạo nên sự thay đổi hình dạng, cấu trúc của xơ sợi. Chính hình dạng, cấu trúc xơ sợi quyết định đến chất lƣợng bột nghiền và độ bền của giấy thành phẩm. Sự thay đổi cấu trúc xơ sợi dƣới các tác động cơ học của quá trình nghiền đƣợc trình bày trong phần dƣới đây.
1.5. Cấu trúc xơ sợi và chất lƣợng bột giấy
Sợi gỗ là thành phần cơ bản trong cấu trúc của giấy thành phẩm. Đặc tính cấu trúc và tính chất cơ học của sợi gỗ có ảnh hƣởng rất lớn đến sản phẩm nghiền. Phần này sẽ phân tích khái quát các đặc tính này cũng nhƣ sự ảnh hƣởng của chúng đến chất lƣợng bột giấy.
1.5.1. Cấu trúc ngang của sợi gỗ
Nhiều nghiên cứu đều thống nhất [3], [22], [46] cho rằng, sợi gỗ gồm bốn phần: Phần lõi (W), vách tế bào thứ cấp (S1,2,3), vách tế bào sơ cấp (P) và vách tế bào trung gian (M). Cấu trúc của sợi gỗ đƣợc minh hoạ trên hình 1.20.
Hình 1.20. Cấu trúc của một sợi gỗ [3], [22]
Các thành phần hoá học của một sợi gỗ gồm xenlulô, hêmixenlulô và lignin. Các phân tử xenlulô và hêmixenlulô có khả năng tạo thành liên kết hyđrô với các phân tử khác kề sát với nó. Chính các liên kết hyđrô giữa các sợi gỗ tạo nên các liên kết bên trong của giấy thành phẩm. Các liên kết giữa các sợi gỗ càng chặt chẽ thì độ bền của giấy càng tăng.