содержание   ..  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  ..

§ 45.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ СУШКИ БУМАГИ

При обычной сушке бумаги на бумагоделательной машине процесс сушки; осуществляется последовательно двумя чередующимися циклами: контактной сушкой во время соприкосновения бумажного полотна с горячей поверхностью сушильного цилиндра и конвективной сушкой во время прохождения полотном участка свободного хода между нижним и верхним сушильным цилиндрами. Соотношение количеств влаги, испаряемой при контактном и конвективном циклах сушки, в основном зависит от скорости бумагоделательной машины и конструктивных особенностей ее сушильной части, т. е. от соотношения длины дуги охвата бумажным полотном горячей поверхности сушильного цилиндра к длине участка свободного хода полотна между нижним и верхним цилиндрами. Хотя основное количество воды удаляется во время соприкосновения бумажного полотна с горячей поверхностью цилиндров, тем не менее по мере повышения скорости бумагоделательной машины возрастает доля воды, удаляемой конвективной сушкой, при которой испарение воды происходит в основном за счет заряда тепла, полученного бумагой от горячей поверхности сушильных цилиндров. При конвективном цикле сушки вода испаряется с обеих сторон бумажного полотна и его температура при этом несколько понижается.

Скорость сушки бумаги на бумагоделательной машине определяется влиянием ряда факторов, среди которых температура поверхности сушильных цилиндров является одним из главных переменных факторов. Температура поверхности сушильных цилиндров зависит от давления используемого пара. Повышение давления насыщенного пара с 206 до 519 кПа уве-личивает эффективность сушки на 30—35 %, а повышение давления пара с 206 до 862 кПа — примерно на 50%. Казалось бы, что для повышения эффективности сушки необходимо повсеместно применять пар высокого давления. Однако, как уже отмечалось выше, чрезмерно высокая температура сушки отрицательно сказывается на некоторых показателях высушиваемой бумажной продукции, в первую очередь на показателе удлинения бумаги до разрыва. Поэтому высокое давление пара 780 кПа и более применяется в ограниченных случаях: при сушке тонких видов бумаги из сульфатной целлюлозы и некоторых видов картона, запас механической прочности которых допускает осуществление подобной сушки. Нужно помнить, что при чрезмерно высокой температуре поверхности сушильных цилиндров возможно коробление поверхности бумаги. Следует иметь в виду, что применение высокого давления пара при сушке бумаги влечет за собой сокращение срока службы сушильных цилиндров, которые должны быть рассчитаны на возможность работы под высоким давлением.

На участке контактной сушки бумаги фактором, определяющим эффективность сушильного процесса, является теплопередача от греющего пара через стенку сушильного цилиндра к высушиваемому полотну бумаги. Коэффициент теплопередачи

В основном коэффициент теплопередачи К зависит от величин a1 и а2, так как термическое сопротивление чугунной стенки цилиндра относительно невелико. На уменьшение величины a1 оказывает влияние наличие в цилиндре конденсата и воздуха, а также окалины, накипи и масла.

Все эти примеси существенно снижают теплоотдачу от пара к стенке цилиндра и для эффективной сушки бумаги должны быть приняты все необходимые меры для полного удаления из цилиндров конденсата и воздуха, а также для предотвращения образования окалины и накипи и попадания с паром масла. В качестве примера вредного влияния содержания в цилиндре посторонних примесей укажем лишь на то, что наличие в паре 10 % по объему воздуха снижает эффективность сушки на 8 % и если бы в паре содержалось по объему 30 % воздуха, то эффективность сушки снизилась бы на 26%. Поэтому при пуске бумагоделательной машины после очередной остановки скопившийся в сушильных цилиндрах воздух должен быть вытеснен предварительной сквозной продувкой паром. Непрерывный отвод пара из цилиндров с обеспечением циркуляции пара в сушильной части бумагоделательной машины предотвращает скопление воздуха в цилиндрах в процессе работы машины.

Для улучшения теплопередачи через стенку сушильного цилиндра к бумаге финская фирма «Тампелла» рекомендует внутри цилиндров иметь продольные ребра, препятствующие образованию водяной пленки на внутренней поверхности цилиндров при их вращении.

Значительное уменьшение величины а2 происходит при образовании на наружной поверхности сушильных цилиндров слоя приставших к ней частиц канифольного клея, минерального наполнителя и волокон. Наличие подобного слоя влечет за собой не только резкое ухудшение теплоотдачи от сушильного цилиндра бумаге, но и дефекты бумаги, связанные с ее прилипанием к этому слою. Чаще всего такой слой образуется в результате нарушения постепенности в подъеме температуры от цилиндра к цилиндру при сушке бумаги и применения уже на первых сушильных цилиндрах чрезмерно высокой температуры их поверхности. Соблюдение нормального температурного режима сушки бумаги и надлежащая работа шаберов сушильных цилиндров обеспечивают ликвидацию «шубы» на поверхности цилиндров.

Недостаточно плотный контакт высушиваемой бумаги с горячей поверхностью сушильного цилиндра и наличие между ними воздушной прослойки также является причиной уменьшения коэффициента теплоотдачи от цилиндра к бумаге. Этот ко-эффициент не является постоянным на всех цилиндрах сушильной части бумагоделательной машины: он выше на первых сушильных цилиндрах, где бумажное полотно наиболее влажное, и ниже в конце сушильной части, где бумажное полотно уже в значительной степени высохло.

На эффективность конвективной сушки бумаги при свободном движении бумажного полотна в промежутках между расположенными в два ряда сушильными цилиндрами оказывает влияние температура и влажность окружающего воздуха, а также скорость его движения в этих промежутках. Чем выше температура окружающего воздуха и меньше его влажность, тем интенсивнее будет проходить процесс сушки и тем больше влаги сможет поглотить воздух, вентилирующий сушильную часть бумагоделательной машины. Одной лишь организацией подачи подогретого воздуха в промежутки между сушильными цилиндрами можно повысить производительность сушильной части машины примерно на 10%; немаловажное значение при этом имеет и скорость подаваемого воздуха. Чем больше эта скорость, тем интенсивнее уносит воздух выделяющийся водяной пар из зоны испарения. Скорость воздуха, вентилирующего сушильную часть бумагоделательной машины, должна быть ограничена для того, чтобы не порвать при этом высушиваемое полотно бумаги.

На скорость сушки бумаги оказывают влияние также ее структура и состав. Тонкая бумага сохнет быстрее, чем толстая. Наблюдения показали, что с удвоением массы 1 м2 бумаги (с 65 до 130 г/м2) при прочих равных условиях скорость сушки замедляется на 15—19 %. Наличие в композиции бумаги минерального наполнителя способствует ускорению процесса сушки, так как наполнитель менее гигроскопичен, чем растительные волокна и легче при сушке отдает влагу. К тому же бумага, содержащая минеральный наполнитель, имеет большую пористость, что также способствует ускорению сушильного процесса.

Рис. 76. Влияние степени помола на скорость контактной сушки бумаги
Рис. 77. Типичные изменения при постоянной температуре сушильной поверхности
 

Проклейка бумаги канифольным клеем не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на скорость сушки бумажного полотна. Из фибриллированных волокон бумажной массы жирного помола обычно получается бумага повышенной сомкнутости и плотности. Это приводит к замедлению сушки подобной бумаги (рис. 76). При одной и той же степени помола массы волокна целлюлозы сохнут медленнее, чем волокна древесной массы. Последние, будучи более грубыми, образуют в бумаге капилляры с большим диаметром. Повышенная же пористость бумаги облегчает удаление из нее воды испарением. К тому же волокна древесной массы из-за содержания инкрустирующих веществ менее гигроскопичны, чем волокна целлюлозы и легче отдают воду при сушке, что также объясняет их повышенную скорость сушки.

В начале процесса сушки из-за испарения влаги с поверхности создается разность концентраций между поверхностным и следующим за ним слоем. Вследствие этого возникает диффузия влаги из толщи материала к его поверхности. Этот процесс носит название внутренней диффузии влаги в отличие от внешней диффузии влаги — процесса, при котором влага перемещается с поверхности материала в окружающую среду.

В первом периоде процесса сушки убыль влаги с наружной

поверхности бумаги компенсируется внутренней диффузией. Таким образом, на .всем протяжении первого периода наружная поверхность бумаги остается водонасыщенной и поэтому в условиях сушки при постоянной температуре сушка осуществляется с постоянной скоростью. Первый период процесса сушки получил название периода постоянной скорости сушильного процесса. Во втором периоде сушки из-за недостатка воды в бумаге внутренняя диффузия не может уже восполнить убыль влаги на наружной поверхности высушиваемой бумаги. Эта поверхность перестает быть водонасыщенной, и скорость сушки замедляется. Таким образом, второй период является периодом падающей скорости сушильного процесса.

Точка на кривых сушки (рис. 77), являющаяся границей между первым и вторым периодами процесса сушки, получила название критической точки. В общем случае физический смысл критической точки заключается в том, что она соответствует критическому влагосодержанию, ниже которого влаги в высушиваемой бумаге становится недостаточно для восполнения убыли ее на наружной поверхности.

Величина X, отложенная на оси ординат рис. 77, определяется аналогично проведенному выше расчету для количества воды, удаляемой в прессовой части машины. Применительно к сушильной части машины

Наблюдения показывают, что описанный механизм сушки остается в целом аналогичным как при длительной конвективной сушке картона, так и при быстро протекающей на поверхности цилиндра контактной сушке бумаги, в том числе и тончайшей. Отличие заключается лишь в том, что при конвективной сушке картона (особенно с повышенной массой его 1 м2) периоду постоянной скорости сушки предшествует кратковременный, занимающий 2—3 % от всего времени сушки период прогрева высушиваемого материала, тогда как при контактной сушке бумаги ее прогрев до заданной температуры практически осуществляется мгновенно. Кроме того, при конвективной сушке картона исследователи наблюдали в периоде падающей скорости на кривых сушки вторую критическую точку, которую обнаружить не удавалось при контактной сушке бумаги.

Общая влага в бумаге, поступающей на сушку, делится на внешнюю влагу, находящуюся в пространствах между волокнами и на их поверхности, внутреннюю свободную влагу, находящуюся в полостях волокнистых клеток, и связанную влагу, заключенную в стенке волокна.

Критическая точка при сушке тончайшего листа бумаги, характеризующая границу между периодами постоянной и падающей скоростью сушки, в данном частном случае отвечает влажности бумаги, из которой удалена вся свободная влага (внешняя и внутренняя) и в которой осталась связанная влага, удаляемая значительно труднее, чем свободная влага. Методом термогравиметрического анализа установлено, что энергия связи с целлюлозой связанной воды превышает энергию связи со свободной водой на 3,5—4,5 МДж/кг. Общее количество связанной волокнами влаги, определенное различными методами исследований (по кривой сушки тонкого листа бумаги, методом ядерной магнитной релаксации, вымораживанием, отжимом при сильном локализованном давлении и др.) составляет 27,8— 30 %, считая на абс. сухую целлюлозу, и незначительно изменяется в сторону некоторого повышения при изменении степени помола целлюлозы в пределах от 18 до 80 °ШР. С повышением толщины бумаги на замедление процесса ее сушки начинает оказывать влияние сопротивление удалению влаги, вызываемое структурой бумажного полотна. Поэтому с увеличением

толщины бумаги период постоянной скорости сушки сокращается.

В первом периоде сушки разные виды бумаги, приготовленные из массы различной степени помола, при постоянной температуре сушильной поверхности сохнут примерно с одинаковой скоростью. Во втором периоде сушки бумага из массы жирного помола сохнет медленнее, чем бумага из массы садкого помола.

Попеременное изменение в направлении движения испаряемой влаги в толще бумажного полотна при сушке его на цилиндрах, расположенных в шахматном порядке, приводит к некоторому замедлению процесса сушки по сравнению с условиями сушки, при которых влага удаляется все время в одном направлении (бумагосушильный цилиндр большого диаметра, расположение цилиндров в одном ярусе). Это различие в скорости сушки почти не наблюдается при сушке тонкой бумаги, и заметно при сушке папки или картона.

Пока удаляется вся свободная влага, свойства высушиваемых волокон обратимы после их набухания в воде. Однако1 с началом удаления связанной влаги происходят уже необратимые изменения свойств волокон. При этом следует иметь в виду, что сушка бумаги на бумагоделательной машине носит гетерогенный характер: в то время как поверхностный ее слой,, соприкасающийся с горячей сушильной поверхностью, уже пересушен, внутренние слои бумаги могут при этом содержать еще свободную влагу. Эта гетерогенность выражается ярче, если толще высушиваемая бумага.

содержание   ..  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  ..