朱小林 劉煥彬

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室,510640;2.華南理工大學(xué)造紙與污染控制國家工程研究中心,510640)

盤式熱分散機膠黏物分散作用機理模型的研究

朱小林1,2劉煥彬1,2

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室,510640;2.華南理工大學(xué)造紙與污染控制國家工程研究中心,510640)

依據(jù)兩相流理論,對盤式熱分散機膠黏物分散作用的機理進行了研究。重點分析了盤式熱分散機工作時纖維與膠黏物在熱分散過程中的受力狀況。結(jié)果表明,在漿料流動過程中,由于液相對固相的阻力以及固相在流動中的加速度力的作用,使黏附在纖維上的膠黏物從纖維上剝離,并分散成細小顆粒。

兩相流;盤式熱分散機;纖維;膠黏物;分散作用

廢紙制漿過程中,經(jīng)過篩選、凈化等工序后,還存在少量的膠黏物,黏附在纖維上的黏狀物和微小油墨點是造成紙面 “油斑”的根源。因而,在廢紙制漿生產(chǎn)線上,特別在以廢紙為原料生產(chǎn)中、高檔紙時,普遍采用盤式熱分散機[1-3]把黏附在纖維上的油墨粒子、黏狀物和熱熔物從纖維上剝離出來,并把它們分散為肉眼看不到的微小顆粒。這些分散了的塵埃、黏狀物和熱熔物在紙機上不再會以塵埃點或斑點出現(xiàn)[4],一個良好的分散系統(tǒng)可使膠黏物的去除率達99.5%[4]。

盤式熱分散機的操作溫度為 90～130℃,漿料濃度 25%～35%,在此工藝條件下,漿料中的膠黏物被加熱軟化,易于分散。在熱分散研究方面,至今沒有任何關(guān)于廢紙回收工藝中熱分散機理研究的詳細報道。但有一種較普遍的看法,那就是需要一個快速切變區(qū)。在這個區(qū)域中將產(chǎn)生足夠大的切變力以克服膠黏物內(nèi)在的結(jié)合力或膠黏物與纖維表面的結(jié)合力[5]。也有人認(rèn)為,在討論剪切力的情況下,把熱分散濃度條件下的漿料以牛頓流體的形式進行推導(dǎo),從而得出齒盤刀距、漿料濃度、速度等之間的關(guān)系[6]。前者只是說明熱分散的效果,后者因為熱分散條件下,高濃漿料無法達到流態(tài)化所需條件,因而其假定的牛頓流體是不存在的,也不能準(zhǔn)確解釋熱分散發(fā)生的機理。

本課題依據(jù)兩相流理論,對盤式熱分散機膠黏物分散作用的機理進行了研究。分析了盤式熱分散機工作時,纖維與膠黏物在熱分散過程中的受力狀況,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

1 熱分散條件下漿料特性與盤式熱分散機的工作原理

熱分散的工藝條件要求漿料濃度在 20%～35%之間,此時的漿料是一種固、液、氣三相混合物,與中濃紙漿相比,這種漿料流態(tài)化更難,紙漿中的膠黏物被纖維絮團包覆現(xiàn)象明顯,對漿料中的膠黏物(例如對黏附在纖維上或摻合在漿料中的油墨和膠黏物)的機械作用,不能僅通過盤齒等機械元件直接對膠黏物作用來粉碎或從纖維上剝離,更主要的是纖維和膠黏物在運動中受到 “迎面阻力”,把漿料中的膠黏物從纖維表面分離,把大顆粒的膠黏物剪切成小顆粒的膠黏物。因而,對高濃漿料的處理,首先應(yīng)實現(xiàn)高濃漿料纖維絮團的細小化,直至單根纖維化、漿料流態(tài)化,才能有效地實現(xiàn)對高濃漿料纖維性質(zhì)的改變和對纖維中膠黏物的細小化處理。

廢紙制漿過程中熱分散的主要作用是:將黏附在纖維上的油墨粒子、膠黏物和熱熔物等膠黏物從纖維上剝離[7](由于膠黏物的表面張力比纖維表面張力要小很多,膠黏物總能夠與纖維分開),并將大粒徑的顆粒分散成細小粒徑的膠黏物,從而實現(xiàn)在成紙表面不再有肉眼看得見的 “臟點”。

分析熱分散作用把膠黏物顆粒從纖維上剝離并分散成小顆粒的過程,實際上就是纖維表面和膠黏物表面受力作用的過程,在此過程中,磨齒對纖維的機械作用必須限定在一定范圍,否則會引起纖維切斷等作用,從而造成不必要的打漿度升高,改變纖維的形態(tài)和物性。為了保護好纖維,同時又實現(xiàn)膠黏物、油墨等顆粒的剝離和細小化,人們往往把熱分散磨齒設(shè)計成如圖1所示的齒型。

圖1 熱分散磨齒

在盤式熱分散條件下,廢紙漿三相混合物中的氣相對漿料的流動性和漿料的分散性影響很小,所以,假定高濃漿料在盤式熱分散條件下,為固液兩相體,液相為水,固相為纖維顆粒及膠黏物顆粒,在盤式熱分散機工作時,混合物因磨齒施加的機械力而產(chǎn)生流動,此時兩相共存且具有明顯相界面的混合物流動力學(xué)關(guān)系。因此,可以認(rèn)為膠黏物顆粒在熱分散過程中,既受到了固液兩相流的動力,也受到了磨齒的直接作用力,兩者共同作用,使膠黏物顆粒因受力作用而被逐漸分散成細小顆粒。

2 熱分散過程纖維和膠黏物受力分析

如圖2所示,在此兩相流中,纖維、膠黏物等受到如下幾種力的作用:①相間阻力;②加速度力;③纖維之間、纖維與膠黏物之間的相互作用力;④磨齒對漿料的摩擦力。

圖2 熱分散磨齒間固液兩相混合物

漿料中膠黏物的相對數(shù)量少,可不考慮膠黏物之間的相互作用,只考慮纖維之間、膠黏物與纖維之間的相互作用。

就單根纖維和單個膠黏物而言,其在漿料中的存在是不可壓縮的固體顆粒,可用當(dāng)量球體表征纖維和膠黏物的質(zhì)量,如圖3所示。

圖3 纖維與膠黏物體積的當(dāng)量球化

因此,纖維和膠黏物顆粒在熱分散過程中受力可分為 3類:①相間作用力;②相內(nèi)作用力;③磨齒施加的外力。

2.1 相間作用力分析[8]

根據(jù)固-液兩相流理論,固體顆粒在流體中的受力如圖4所示。

圖4 固體顆粒在流體中的受力分析

圖4和各等式中符號的含義為:

Fd為流體對固體顆粒的阻力;

Fm為視質(zhì)量力;

FB為巴西特加速度力;

FML為流體不均勻產(chǎn)生的速度梯度橫向力;

FL為流體不均勻產(chǎn)生的速度梯度剪切力;

Fp為流體不均勻產(chǎn)生的壓強梯度力;

FN為固相顆粒之間的相互作用力;

FN1為纖維和膠黏物顆粒之間的相互作用力;

FN2為磨齒與纖維、膠黏物顆粒之間的相互作用力;

Vf為流體的速度;

ρf為流體的密度;

Vp為顆粒的速度;

mp為顆粒的質(zhì)量;

CD為阻力系數(shù);

ρmf為視質(zhì)量密度,等于流體的密度;

rP為固相顆粒當(dāng)量球體半徑。

設(shè)顆粒在流體的帶動下運動,則由牛頓第二定律得顆粒的運動方程為:

式中:

假設(shè)流體是均勻的,因而可以忽略因流體不均勻產(chǎn)生的 Fp、FL、FML[8],又由于在熱分散條件下,Fm》FB;所以,式 (1)簡化為:

令密度 ρf、ρmf等于 1,ΔV=Vf-Vp>0,將式(2)、(3)代入式 (8)得:

其中:FN=FN1+FN2

2.2 纖維之間、纖維與膠黏物間的相互作用力分析

當(dāng)漿流中的固相顆粒之間存在相對運動時,顆粒之間存在著相互作用力。由圖1和圖2可知,分散磨齒將漿料分成小塊的區(qū)域,在每個磨齒不相交的區(qū)域,可以認(rèn)為,固相物與磨齒的線速度近似相等,因此,固體顆粒之間的作用力可以忽略不計。

2.3 磨齒對纖維、膠黏物顆粒的作用力分析

磨齒交錯時漿料與磨齒之間的受力分析見圖5所示。

圖5 磨齒交錯時漿料與磨齒之間的受力分析

在磨齒交錯處,動定盤之間間隙很小,磨齒之間漿料所受的壓力較大,此處磨齒與漿料纖維之間存在摩擦力,其單個磨齒所受摩擦力用式 (11)表示。

式中:

Fdf為磨齒與漿料之間的摩擦力;

SH為單個磨齒之間的相交面積;

f為摩擦因數(shù);

p為磨齒對漿料的壓強。

假設(shè)漿料纖維可傳遞力,則對動盤磨齒,單個磨齒由磨擦力引起的摩擦阻力 F為:

式中:

F為單個磨齒受纖維的總摩擦阻力;

Fdf1為動盤磨齒受纖維的總摩擦阻力;

Fdf2為靜盤磨齒受纖維的總摩擦阻力。

假設(shè)磨齒單位面積接觸的纖維和膠黏物顆粒個數(shù)Ni相等,則:

3 熱分散過程纖維與膠黏物受力模型

由式 (9)、式 (10)、式 (13)得:

式 (14)就是熱分散過程纖維與膠黏物的受力模型。

式 (14)第 1項表明,漿料中的纖維和膠黏物顆粒在漿料中運動時所受的相間作用力與相間阻力系數(shù) CD、固液兩相的速度差ΔV、纖維和膠黏物顆粒大小有關(guān),在相同條件下,從纖維上剝離的膠黏物顆粒,體積較大的膠黏物顆粒由于所受作用力大,首先被分散成小顆粒,如需要繼續(xù)被分散成更小的顆粒,就應(yīng)增大固液兩相之間的速度差。為了增大固液兩相之間的速度差,熱分散磨片往往設(shè)計成兩片齒相錯的結(jié)構(gòu)形式 (見圖1),其目的就是為了當(dāng)纖維和膠黏物顆粒經(jīng)過兩齒相錯區(qū)間時,齒對固體顆粒起到阻滯作用,降低固體顆粒的速度,增大固體顆粒與流體之間的速度差,從而實現(xiàn)固體顆粒受到更大的相間作用力,使更多膠黏物從纖維上剝離并把較大體積的膠黏物分散成更小的顆粒,為了使更多的固體顆粒受到阻滯,可減少熱分散片之間的間隙,使齒之間的間隙變小,增大齒對固體顆粒的阻滯作用,使更多的固體顆粒受到阻滯。

式 (14)第 2項表明,膠黏物顆粒越大、速差提升時間越短,膠黏物顆粒所受的作用力越大。為了增大此項作用力,提高動定盤磨齒 (見圖1)的交錯頻率,即增加齒數(shù),有利于加大此項作用力,但齒數(shù)的增加應(yīng)適度,不能過密,即會引起式 (14)第 3項的增加過大,不利于控制打漿度的升高。由此項也可知,大的膠黏物由于受力大,首先會被分散成小顆粒的膠黏物。

式 (14)第 3項表明,纖維、膠黏物顆粒與磨齒之間的摩擦因數(shù)以及齒的單位表面上的顆粒數(shù)量,也是影響分散力的一個因素,如引起的作用力偏大,則會發(fā)生打漿作用,引起纖維形態(tài)的改變,為了降低此部分的影響,可提高漿料的濃度,使磨齒單位面積上的纖維顆粒數(shù)增加,降低打漿效果。

4 結(jié) 論

4.1 在盤式熱分散機工作時,纖維和膠黏物顆粒所受分散作用力主要來源于固液兩相之間的相間阻力和加速度力;兩相之間的速差以及速差增大的速度是決定分散作用力的關(guān)鍵因素。

4.2 磨齒的個數(shù)適當(dāng)增多將有利于增大兩相間的速差,從而增大兩相之間的相互作用力,有助于熱分散效果的提高,過密的齒數(shù)將會引起打漿度的升高。

4.3 磨齒與纖維和膠黏物之間的磨擦因數(shù)以及磨片與漿料之間的壓力,將影響分散力的大小,但此部分力應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi),以避免產(chǎn)生打漿效果。

4.4 漿料濃度的提高,有利于降低熱分散過程磨齒對纖維的直接作用力,從而減少對漿料纖維形態(tài)的改變。

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M odelling the StickiesD ispersingM echan ism in D isk D ispersers

ZHU Xiao-lin1,2,＊L IU Huan-bin1,2
(1.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640;2.National Engineeing Research Center of Paper m aking and Pollution Control,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)

Based on the theory of two-phase flow,the dispersion mechanis m of disk dispersers was investigated.The study focused on the analysis of stressing states of the fiber and stickieswhen the disk disperserwas in operation.The result showed that stickies are peeled from fibers and then dispersed into s mallparticles.Due to the resistance applied to fluid by the solid phase and the acceleration force produced by the flowing solid phase.

two-phase flow;disk disperser;fiber;stickies;dispersion

TS733+.8

A

0254-508X(2010)05-0010-04

朱小林先生,在職博士研究生,高級工程師;主要研究方向:制漿造紙設(shè)備、制漿造紙過程計算機模擬與控制。

(＊E-mail:zhuxlin@scut.edu.cn)

2009-10-21

(責(zé)任編輯:趙旸宇)