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

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả nghiền bột giấy khi dùng máy nghiền dạng đĩa trong ngành công nghiệp giấy

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯƠNG THỊ THU HƯƠNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ NGHIỀN BỘT GIẤY KHI DÙNG MÁY NGHIỀN DẠNG ĐĨA TRONG NGÀNH CÔNG NGHIỆP GIẤY Chuyên ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 62520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên - 2014
2. Công trình được hoàn thành tại: Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Đăng Hòe 2. GS.TSKH. Phạm Văn Lang Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Đại học Thái Nguyên họp tại Vào hồi giờ, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
3. CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Trương Thị Thu Hương, Nguyễn Đăng Hoè (2012) “Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng răng đĩa nghiền tới tải trọng riêng trên các máy nghiền bột giấy dạng đĩa”, Tạp chí Công nghiệp nông thôn - ISSN 1859 - 4026, số 5/2012. 2. Trương Thị Thu Hương, Đỗ Thị Tám (2013) “Ứng dụng phương pháp mô hình đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên trong nghiên cứu nghiền bột giấy trên máy nghiền bột giấy dạng đĩa”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số Đặc biệt 1/2013. 3. Trương Thị Thu Hương (2013) “Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu tạo đĩa nghiền đến chất lượng nghiền bột giấy”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, số 12 (tập 112), 2013. 4. Truong Thi Thu Huong, Do Thi Tam (2013) “Application of the modeling, similitude and dimensional analysis to study paper refiner models”, International Workshop on Agricultural Engineering and Post Harvest Technology for Asia Sustainabitlity - AEPAS.
4. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Giấy là sản phẩm không thể thiếu trong hoạt động xã hội của bất kỳ quốc gia nào. Năm 2013, Việt Nam tiêu thụ khoảng 655.000 tấn giấy in, giấy viết. Tuy nhiên, ngành công nghiệp giấy mới chỉ đáp ứng khoảng 50% nhu cầu. Một trong những khó khăn lớn nhất của việc sản xuất giấy in, giấy viết là đảm bảo chất lượng bột giấy dùng cho sản xuất giấy. Bột giấy là dạng bột được tạo thành bởi giai đoạn nghiền tinh. Giai đoạn nghiền tinh (nghiền nồng độ thấp) có nhiệm vụ thay đổi hình thái của sợi gỗ nhằm đạt được các tính chất cơ, lý yêu cầu của sản phẩm giấy. Đây là giai đoạn chế biến có ý nghĩa quyết định đến chất lượng sản phẩm giấy được tạo thành. Chất lượng bột giấy phụ thuộc vào các yếu tố chính như điều kiện nghiền, hệ thống nghiền, đĩa nghiền và dạng nguyên liệu xơ sợi. Trong đó, các yếu tố kết cấu đĩa, hình dáng hình học của răng đĩa có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bột giấy cũng như năng lượng tiêu hao trong quá trình nghiền. Bên cạnh chất lượng nghiền, năng lượng tiêu tốn cho quá trình nghiền là yếu tố chính quyết định tính cạnh tranh của sản phẩm giấy. Cấu tạo đĩa nghiền và các thông số vận hành có ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng tiêu tốn cho quá trình nghiền, và do đó ảnh hưởng quyết định đến khả năng cạnh tranh của sản phẩm giấy. Ở Việt Nam, nguyên liệu dùng cho quá trình nghiền tinh thường được trộn giữa bột sợi ngắn (trong nước) và bột sợi dài (nhập ngoại). Đĩa nghiền hầu như được nhập ngoại hoàn toàn và được sản xuất hàng loạt, với các thông số kết cấu được tính toán dựa trên những tham số có thể dùng chung cho nhiều dạng bột khác nhau. Điều này có thể làm giảm chất lượng bột giấy, tăng thời gian, chi phí năng lượng và giá thành sản xuất giấy. Đến nay, chưa có nghiên cứu nào thực hiện việc xác định các thông số kết cấu, hình học của răng đĩa nghiền phù hợp với bột giấy được làm từ cây nguyên liệu của Việt Nam. Nghiên cứu này được thực hiện nhằm đóng góp, bổ sung lời giải cho bài toán tối ưu đa mục tiêu, cân bằng lợi ích giữa nâng cao chất lượng bột giấy và giảm tiêu thụ năng lượng nghiền khi sử dụng nguyên liệu đặc thù ở Việt Nam. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xác định quan hệ giữa các thông số thiết kế chính của đĩa nghiền, một số thông số công nghệ cơ bản đến chất lượng bột giấy và tiêu thụ năng lượng riêng của quá trình nghiền tinh bột nguyên liệu giấy đang được sử dụng tại
5. 2 Việt Nam. Trên cơ sở đó, xác định bộ thông số phù hợp nhằm nâng cao chất lượng bột giấy và giảm tiêu thụ năng lượng nghiền bột giấy trên các máy nghiền dạng đĩa. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là ảnh hưởng của các thông số vận hành và thông số kết cấu của đĩa trong quá trình nghiền tinh bột giấy sử dụng máy nghiền đĩa với nguyên liệu đặc thù ở Việt Nam. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Đề tài chỉ khảo sát quá trình nghiền tinh bột giấy, sử dụng bột hỗn hợp đang được dùng trong sản xuất giấy thực tế tại Việt Nam. - Một số thông số kết cấu đĩa nghiền, thông số công nghệ vận hành máy nghiền có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bột giấy và năng lượng nghiền. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4.1. Ý nghĩa khoa học - Ứng dụng thành công lý thuyết mô hình, đồng dạng để xây dựng mô hình thực nghiệm mô tả xác thực thiết bị làm việc thực tế, giảm chi phí thí nghiệm. - Giải quyết được bài toán tối ưu đa mục tiêu, chứa các hàm mục tiêu có xung đột lợi ích nhờ sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn - Bộ thông số kết cấu đĩa nghiền và vận hành máy tìm được bằng thực nghiệm có thể triển khai, ứng dụng vào quá trình nghiền bột giấy thực. - Bài toán nâng cao chất lượng bột giấy và tiết kiệm năng lượng trong sản xuất giấy ở Việt Nam đã được giải quyết tương đối trọn vẹn. - Kết quả của nghiên cứu có thể được nhân rộng nhanh chóng và dễ dàng nhờ sử dụng phép biến đổi mô hình đồng dạng, thứ nguyên, đồng thời mang lại ý nghĩa kinh tế, kỹ thuật lớn. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp điều tra, lấy ý kiến chuyên gia. - Phương pháp mô hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên. - Phương pháp quy hoạch thực nghiệm. 6. Cấu trúc luận án Chương 1. Tổng quan về quá trình và thiết bị nghiền bột giấy Chương 2. Cơ sở lý thuyết quá trình nghiền Chương 3. Mô hình và kế hoạch thực nghiệm Chương 4. Kết quả và thảo luận.
6. 3 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ NGHIỀN BỘT GIẤY 1.1. Giới thiệu 1.2. Các thông số đánh giá chất lượng bột giấy 1.2.1. Chiều dài sợi Chiều dài sợi là thông số quan trọng quyết định đến độ bền của bột giấy. Nghiền làm tăng tính chất của bột giấy nhưng làm giảm chiều dài sợi. Việc lựa chọn hợp lý kết cấu thiết bị, thông số vận hành là một cách tiếp cận phù hợp để vừa có thể đảm bảo được chiều dài sợi mà vẫn không làm giảm đi những tính chất cần thiết khác của bột giấy. 1.2.2. Độ nghiền Độ nghiền (còn gọi là độ thoát nước) của bột giấy, thường được đo bằng độ SR. Bột giấy được gọi là có chất lượng tốt khi độ nghiền SR tăng. Tuy nhiên, chất lượng bột càng cao (độ SR càng lớn) càng đòi hỏi thời gian và chi phí nghiền lớn. Việc lựa chọn hợp lý kết cấu thiết bị, thông số vận hành là một cách tiếp cận hiệu quả để vừa có thể nâng cao chất lượng bột giấy, vừa hạn chế chi phí năng lượng. 1.2.3. Độ bền mẫu giấy thành phẩm Độ bền (độ bền kéo, độ bền xé) của giấy thành phẩm có mối quan hệ chặt chẽ với chiều dài sợi và độ nghiền của bột giấy. Thời gian nghiền tăng, sợi gỗ được chổi hoá nhiều, độ bền kéo của giấy tăng. Tuy nhiên, sợi sẽ bị cắt ngắn nhiều và độ bền xé của giấy có xu hướng giảm. Vì vậy, cần lựa chọn các thông số kết cấu và thông số vận hành của thiết bị nghiền phù hợp để nâng cao chất lượng của bột giấy và giảm năng lượng nghiền. 1.3. Khái quát về quá trình nghiền bột giấy 1.3.1. Khái quát về các giai đoạn nghiền Việc sản xuất giấy từ cây nguyên liệu, sợi gỗ thường được trải qua hai giai đoạn nghiền là giai đoạn nghiền sơ bộ và giai đoạn nghiền tinh. Giai đoạn nghiền tinh có nhiệm vụ nghiền bột thô đã được tẩy trắng nhằm làm thay đổi hình thái của sợi gỗ, làm cho bột có các tính chất cơ, lý đáp ứng yêu cầu của sản phẩm giấy. Nghiền tinh là giai đoạn chế biến có ý nghĩa quyết định đến chất lượng sản phẩm giấy được tạo thành 1.3.2. Thiết bị nghiền bột giấy Giới thiệu các loại thiết bị nghiền như: nghiền bằng lô dao bay, lô nghiền dạng côn, nghiền đĩa và đánh giá các thiết bị nghiền về mức độ tiêu thụ năng lượng và chất lượng nghiền. Nghiền đĩa là thiết bị quan trọng trong các cơ sở sản xuất giấy. Việc nghiên cứu tìm ra các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả
7. 4 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. 1.4. Tương 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 - nước, làm phân tơ chổi hóa, cắt ngắn và tăng diện tích bề mặt sợi để đạt được các tính chất yêu cầu của sản phẩm giấy. 1.4.2. Chuyển động của dung dịch bột - gỗ Khả năng tạo dòng xoáy cho dung dịch bột - nước trong rãnh là nguyên nhân làm cho các sợi gỗ bám dính và tạo thành búi trên cạnh răng đĩa và được kéo vào vùng nghiền để được nghiền. 1.4.3. Lực tác dụng trên răng đĩa nghiền Lực tác dụng trên răng đĩa nghiền bao gồm lực pháp tuyến, lực tiếp tuyến và lực cạnh tạo nên các tác động va đập, chà xát, kéo, nén sợi, làm tăng diện tích liên kết giữa các sợi. Các lực tác động này là nguyên nhân chính tạo nên sự thay đổi hình dạng, cấu trúc của xơ sợi. 1.5. Cấu trúc xơ sợi và chất lượng bột giấy 1.5.1. Cấu trúc ngang của sợi gỗ Cấu trúc sợi gỗ gồm bốn phần: lõi (W), vách tế bào thứ cấp (S1,2,3), vách tế bào sơ cấp (P) và vách tế bào trung gian (M). Nghiền đĩa là thiết bị quan trọng được sử dụng để tách bỏ vách tế bào sơ cấp (P) và lớp ngoài của vách tế bào thứ cấp (S1) để làm tăng khả năng liên kết giữa các sợi gỗ, cắt ngắn, phân tơ chổi hóa bên trong và bên ngoài, thay đổi hình thái và cấu trúc sợi để tạo ra các tính chất cần thiết. 1.5.2. Cấu trúc dọc của sợi gỗ Độ bền của giấy tỷ lệ thuận với chiều dài của xơ sợi - được quyết định bởi loại cây, điều kiện thổ nhưỡng, khí hậu, tuổi cây nguyên liệu, và phương pháp sản xuất bột. Để tăng độ bền của giấy thành phẩm thì quá trình nghiền nên thực hiện chủ yếu sự chổi hóa sợi và hạn chế việc cắt ngắn làm giảm chiều dài sợi. Một cách hiệu quả để thực hiện mục tiêu này là lựa chọn thông số kết cấu và vận hành phù hợp với dạng nguyên liệu đặc thù để nâng cao chất lượng bột giấy và hạn chế năng lượng nghiền. 1.6. Mức độ tiêu thụ năng lượng trong quá trình nghiền Nghiền là một quá trình cơ học tiêu tốn năng lượng. Trung bình để có 1 tấn bột giấy thì cần 50-100kW điện. Năng lượng tiêu thụ là một yếu tố quan trọng đánh giá hiệu quả của quá trình nghiền. Hai quá trình nghiền xử lý
8. 5 cùng một lượng nguyên liệu, có chất lượng bột được nghiền như nhau, quá trình nào tiêu thụ năng lượng ít hơn thì có hiệu quả cao hơn. 1.7. Ảnh hưởng của thông số kết cấu và công nghệ đến chất lượng và năng lượng nghiền 1.7.1. Tốc độ nghiền Tốc độ nghiền tăng có lợi cho sự phân tơ sợi, hạn chế sự cắt ngắn xơ sợi nhưng làm tăng năng lượng nghiền. 1.7.2. Khe hở đĩa nghiền Khe hở đĩa ảnh hưởng đến cường độ, năng lượng nghiền riêng và chất lượng bột. 1.7.3. Lưu lượng bột Lưu lượng bột ảnh hưởng đến năng lượng được chuyển đến bột và tính chất bột. 1.7.4. Nồng độ bột giấy Nồng độ nghiền là thông số quan trọng khi lựa chọn vận tốc biên của đĩa để đảm bảo khả năng vận chuyển bột trong vùng nghiền và năng lượng nghiền. Vận tốc biên của đĩa ở giai đoạn nghiền tinh ở nồng độ thấp yêu cầu là 15-25 m/s. 1.7.5. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu đĩa Mặc dù có nhiều mẫu đĩa, tuy nhiên không có mẫu nào có thể phù hợp với mọi loại nguyên liệu để đạt được yêu cầu nghiền xác định. Việc lựa chọn đĩa nghiền tối ưu cho một quy trình công nghệ vẫn phải tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Vì vậy, việc nghiên cứu, thiết kế đĩa nghiền phù hợp với đặc điểm nguyên liệu của Việt Nam là vấn đề cần thiết. Kết luận chương 1 Chất lượng bột giấy được quyết định bởi các thông số chính là chiều dài sợi, độ nghiền SR của bột và độ bền của giấy thành phẩm. Trong quá trình sản xuất giấy, nghiền bột là khâu quan trọng có ý nghĩa quyết định đến chất lượng giấy. Quá trình nghiền hiệu quả phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như nguyên liệu, thông số hình học và thông số vận hành của thiết bị nghiền. Để sản xuất giấy chất lượng cao, yêu cầu về độ nghiền của bột giấy sau giai đoạn nghiền tinh là từ 35-380SR. Tại các cơ sở sản xuất bột giấy hiện nay, độ nghiền của bột nguyên liệu thường chỉ đạt từ 34 - 360SR nhưng tiêu hao năng lượng cho giai đoạn nghiền bình thường từ 50-100kWh cho mỗi tấn sản phẩm. Với độ nghiền ở mức dưới như vậy, các sản phẩm giấy có thể dễ bị dắt hoặc rách khi in, làm giảm giá trị thương phẩm của giấy.
9. 6 Việc nghiên cứu để xác định các thông số kết cấu và thông số vận hành thiết bị nghiền hợp lý nhằm đạt được những chỉ tiêu kỹ thuật tối ưu về năng suất, chất lượng và giảm mức tiêu thụ điện năng là vấn đề quan trọng đối với ngành công nghiệp giấy và bột giấy. Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH NGHIỀN 2.1. Giới thiệu 2.2. Chuyển động của sợi gỗ trong dung dịch khi nghiền 2.2.1. Đặc tính dòng chảy của hỗn hợp bột gỗ Huyền phù bột giấy được nạp vào máy nghiền tại vùng trung tâm đĩa. Dưới tác động của lực ly tâm, bột giấy được đẩy ra phía ngoài theo phương bán kính. Chuyển động quay của đĩa rotor làm thay đổi vận tốc của huyền phù bột giấy trong rãnh đĩa rotor và đĩa stator. 2.2.2. Tính đồng nhất của dòng dung dịch Huyền phù bột giấy thường được phân loại là chất lỏng phi Newton. Tuy nhiên, tại nồng độ 4%, huyền phù bột giấy có thể được coi là chất lỏng Newton. Các phương trình Navie - Stock được viết cho dòng huyền phù bột giấy có dạng: vzv  v z  v z 1 1 () r rz 1  z  zz vvrz (2.3) r r   z  z r  r r    z Phương trình năng lượng được viết như sau: 2 2 TTTTTv   11     Tzz Cv v r v z k r 2 2 2 r r   z r  r  r r   z (2.4) vr1 v  v z  v  1  v r  1  v z  v  ,,, rr  v r  zz  r   r  rz q r r   z  r r r    r    z Trong các nghiên cứu ứng dụng, nhiều nhà khoa học đã khuyến nghị, sử dụng phương trình Navie-Stokes có thể gặp phức tạp, khó khăn khi giải ở dạng toàn phương. Một trong các giải pháp có giá trị khi nghiên cứu về các dạng chất lỏng là ứng dụng lý thuyết đồng dạng, thứ nguyên dựa trên cơ sở phương trình Navie-Stokes. 2.3. Đặc tính cơ học của quá trình nghiền 2.3.1. Tương tác lực trong quá trình nghiền Phương chiều và giá trị lực tác dụng ảnh hưởng quyết định đến khả năng cắt ngắn, dát mỏng, tạo xơ trên sợi gỗ nguyên liệu.
10. 7 2.3.2. Tải trọng riêng trên cạnh răng nghiền Năng lượng nghiền riêng (SRE) được tính toán theo công thức sau: P SRE hd (2.9) qxC Tải trọng riêng trên mép răng nghiền: PPPhd hd hd SEL (2.10) nr n s l n L n L s 2.3.3. Tải trọng riêng trên bề mặt răng nghiền (SSL) Năng lượng riêng khi nghiền: SRE IN SSL IL (2.12) SEL SEL SSL .cos (2.13) IL a b rs SEL và SSL là các thành phần chính của tổng tiêu hao năng lượng nghiền, phụ thuộc trực tiếp vào các thông số kết cấu và vận hành thiết bị nghiền. Bên cạnh đó, các thông số kết cấu như chiều rộng răng, chiều rộng rãnh, chiều cao răng, góc nghiêng răng, lưu lượng sợi bột gỗ, khe hở và tốc độ nghiền cũng đóng vai trò quyết định diện tích vùng nghiền, xác suất các bó sợi được đi vào vùng nghiền, do đó có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nghiền. Vì vậy, kết cấu đĩa và thông số vận hành đóng vai trò các biến đầu vào quan trọng khi nghiên cứu về chất lượng và mức độ tiêu hao năng lượng nghiền. 2.4. Các ảnh hưởng về kết cấu và vận hành Dạng profin răng khả năng cắt ngắn (nghiền sơ bộ) hay chổi hóa sợi (nghiền tinh). Việc bố trí vị trí răng nghiền trên bề mặt đĩa sẽ ảnh hưởng đến chế độ vận chuyển bột, thời gian bột được xử lý trong vùng nghiền do đó ảnh hưởng đến cả chất lượng bột và tiêu thụ năng lượng khi nghiền. Giai đoạn nghiền tinh thực hiện tại nồng độ thấp, khe hở nhỏ, sự sinh hơi và sinh nhiệt ít nên đĩa nghiền không cần vùng nghiền phá. Mặt khác, để tăng chiều dài nghiền, đơn giản chế tạo và vận chuyển bột thuận lợi, thiết kế đĩa nên dùng loại răng thẳng và song song. Chiều rộng của răng là quyết định số lượng răng và số lần cắt qua giữa hai răng nghiền đối diện. Nghiền bột sợi ngắn hoặc nghiền nhằm cắt ngắn sợi, chiều rộng răng nghiền thường hẹp. Nghiền sợi dài hoặc nghiền nhằm chổi hóa sợi, chiều rộng răng nghiền thường lớn hơn. Chiều rộng và chiều cao rãnh ảnh hưởng đến dòng bột giấy chảy trong máy nghiền. Chiều rộng và chiều sâu của rãnh giảm sẽ thúc đẩy quá trình
11. 8 nghiền nhưng khả năng vận chuyển bột giảm và ngược lại, sẽ làm cho dòng huyền phù đi qua máy nghiền mà không được nghiền. Góc nghiêng răng ( ) ảnh hưởng đến số lượng và chiều dài răng nghiền cũng như quá trình vận chuyển bột giữa các đĩa nghiền. Góc dao tăng sẽ làm tăng chiều dài nghiền do đó sẽ tăng cường quá trình nghiền và tăng lượng xơ sợi. Mặt khác, giả sử xét trường hợp hai răng nghiền đối diện tiếp xúc với nhau, vận tốc tạo ra sự cắt sợi và phân tơ sợi khi nghiền như sau: 2 2 2  0 sin vg ; với rs 0 (2.17) sin rs 0 sin  cos rs arcsin vt ; với rs 0 (2.18) sin rs Nhận xét: Trong giai đoạn nghiền tinh, cần ưu tiên tăng vg bằng cách giảm α. Tuy nhiên, khi quá nhỏ thì quá trình dịch chuyển của dòng sợi bột giấy trong đĩa nghiền khó khăn và chiều dài nghiền giảm. Hiện tượng này làm giảm số sợi bột giấy được đi qua máy nghiền và giảm cơ hội sợi bột giấy được tiếp xúc với răng đĩa nghiền để được nghiền. Do đó, đây có thể là một nguyên nhân làm giảm năng suất nghiền và chất lượng bột nghiền. Từ những phân tích trên đây có thể thấy rằng, góc nghiêng răng nghiền là một thông số quan trọng cần được quan tâm đầy đủ, cẩn thận để phù hợp với đặc thù nguyên liệu của Việt Nam. Việc xác định được thông số phù hợp là một công việc quan trọng nhằm nâng cao hiệu quả nghiền bột giấy cho các cơ sở sản xuất giấy trong nước hiện nay. 2.5. Cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm 2.5.1. Lý thuyết mô hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên 2.5.2. Ứng dụng của lý thuyết mô hình – đồng dạng – thứ nguyên Kết kuận chương 2 Bột giấy được sử dụng trong thực nghiệm có nồng độ 4%. Tại nồng độ này, bột giấy được coi là dòng chất lỏng Newton. Khi đó, sử dụng lý thuyết mô hình, đồng dạng để nghiên cứu sẽ thuận tiện hơn so với các phương pháp khác. Những kết quả phân tích này góp phần củng cố giả thuyết khoa học về sự ảnh hưởng trực tiếp của các thông số kết cấu và công nghệ đến chất lượng và năng lượng nghiền.
12. 9 Mô hình thực nghiệm được xây dựng trên cơ sở lý thuyết mô hình, đồng dạng và thứ nguyên là công cụ hữu hiệu để kiểm chứng giả thuyết khoa học và để triển khai các kết quả nghiên cứu trên mô hình thực sang các hệ thống thực. Điều này đảm bảo tính thực tế của nghiên cứu, đồng thời cho phép có thể kiểm chứng dễ dàng và nhanh chóng các kết quả thông qua thực tế. Chương 3. MÔ HÌNH VÀ KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM 3.1 Giới thiệu 3.2. Các thông số cơ bản của mô hình thực nghiệm 3.2.1. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình nghiền Qua điều tra, khảo sát thực tế và xin ý kiến chuyên gia, đã xác định được 14 thông số có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và năng lượng nghiền. Danh sách các thông số này được liệt kê trong bảng 3.1: Bảng 3.1. Các thông số của quá trình nghiền Đơn Đơn STT Tên Tên thông số STT Tên Tên thông số vị vị 1 D Đường kính đĩa nghiền m 8 c Chiều cao răng nghiền m 2 v Vận tốc đĩa nghiền m/s 9 Ls Tốc độ nghiền m/s Góc nghiêng răng 3 độ 10 Q Năng suất t/h nghiền 4 h Khe hở đĩa nghiền m 11 ρ Khối lượng riêng bột kg/m3 5 Hệ số điền đầy - 12 p Áp suất nghiền N/m2 Độ nhớt huyền phù bột 6 a Chiều rộng răng nghiền m 13 μ g/m.s giấy 7 b Chiều rộng rãnh nghiền m 14 g Gia tốc trọng trường m/s2 3.2.2. Chọn lọc các thông số thí nghiệm Năng suất nghiền Q phụ thuộc vào các yếu tố chính sau: Q fDv ,,,,,,,,,,,,) h  abcLs pg  (2.3) Áp dụng lý thuyết thứ nguyên, các giá trị số mũ trong công thức thứ nguyên xác định được là:
13. 10 Bảng 3.2. Các giá trị số mũ trong công thức thứ nguyên của các thông số Thứ Thứ Các đại lượng nguyên: Các đại lượng nguyên: M.L.T M.L.T Ký Ký Tên    Tên    hiệu hiệu D Đường kính đĩa 0 1 0 c Chiều cao răng 0 1 0 Vận tốc đĩa v 0 1 -1 L Tốc độ nghiền 0 1 -1 nghiền s Góc nghiêng 0 0 0 Q Năng suất 1 0 -1 răng Khe hở đĩa Khối lượng h 0 1 0 ρ 1 -3 0 nghiền riêng bột Hệ số điền đầy 0 0 0 p Áp suất nghiền 1 -1 -2 Chiều rộng a 0 1 0 μ Độ nhớt bột giấy 1 -1 -1 răng Chiều rộng Gia tốc trọng b 0 1 0 g 0 1 -2 rãnh trường Áp dụng lý thuyết thứ nguyên, xác định được các chuẩn số đồng dạng: Qp 1 1 22 Qu;  2 E ;  3 ; v D v v D Re L ha  ;  ;  s ;  ;  ; (3.2) 4 5 6v 7 D 8 D b c g.1 D 9 ;  10 ;  11 2 . D D v Fr Trong đó: Π2 là chuẩn số Ơle (Eu); Π3 là chuẩn số Reynol (Re) và Π11 là chuẩn số Frut. Theo định lý Π, phương trình biểu diễn Π 1 được viết dưới dạng: Q p Ls gD h a b c 1 2 2,,,,,,,,,  2 (3.3) vD v vD vvDDDD Khi tiến hành thực nghiệm, các chuẩn số đồng dạng trên máy nghiền mô hình được thực hiện ở cùng một điều kiện (D, a, b, c, μ, ρ, g, p không đổi). Các thông số thay đổi là n, α, φ, và h, lần lượt đặc trưng cho các chuẩn số: p 1 h Π 3= 2 = ; Π 4 = α, Π 5 = φ và Π 7 = và được chọn làm các thông số v Re D “đầu vào” thực nghiệm.
14. 11 Tóm lại, từ 14 thông số đầu vào, áp dụng lý thuyết mô hình, đồng dạng, thứ nguyên đã làm giảm số lượng thông số đầu vào cần khảo sát xuống còn 04. Cách làm này cho phép giảm số thí nghiệm mà vẫn đưa được nhiều thông số “đầu vào” làm cơ sở để xác định và đánh giá ảnh hưởng của các thông số đó đến độ nghiền của bột giấy và năng lượng tiêu thụ của máy nghiền. 3.3. Thiết lập mô hình thực nghiệm 3.3.1. Thiết bị nghiền 3.3.1.1. Đĩa nghiền a. Kết cấu đĩa Đĩa nghiền thí nghiệm được đề xuất có dạng răng thẳng, các răng trên một múi răng được bố trí song song với nhau. Bảng 3.3. Các thông số hình học của đĩa nghiền thí nghiệm Góc Đường kính (d) Bộ Góc Chiều Chiều Chiều mảnh Đường Đường đĩa nghiên rộng rộng cao dao kính kính thí g răng rãnh răng nghiền trong ngoài nghiệm α(0) a(mm) b(mm) c(mm) θ(0) (mm) (mm) BĐ1 12 22.5 80 240 3 4 6 BĐ2 18 22.5 80 240 3 4 6 BĐ3 24 22.5 80 240 3 4 6 Một mẫu đĩa nghiền thí nghiệm được minh hoạ trên hình 3.3. Hình 3.3. Một mẫu đĩa nghiền thí nghiệm
15. 12 b. Vật liệu đĩa Vật liệu để chế tạo đĩa nghiền là thép không gỉ loại Martensitic với mác thép là 2X13. c. Quy trình công nghệ chế tạo đĩa nghiền 3.3.1.2. Máy nghiền thực nghiệm Đặc tính kỹ thuật cơ bản của máy nghiền thực nghiệm được liệt kê trong bảng 3.4. Bảng 3.4. Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy nghiền thực nghiệm Stt Thông số Kích thước Đường kính ngoài 1 240mm đĩa nghiền Đường kính trong 2 80mm đĩa nghiền 3 Năng suất nghiền Qmax = 466 (kg/h) và Qmin = 216 (kg/h). 4 Công suất lắp đặt 7kW 5 Tốc độ máy 1600, 1200, 1000, 800, 700 (v/ph) 6 Bánh đai 290 - 216-180-145-126 (mm) Đai hình thang: Đường kính đai: D = 260 7 Truyền động (mm), vận tốc của đai: v=23.9 (m/s) và số đai: z = 2.0 d = 34.14 (mm) Đường kính trục của + Đoạn lắp puli đai thang: d = 35 mm. 8 1 máy nghiền + Đoạn lắp ổ bi: d2 = 40 mm. + Đoạn từ gối bi đến đĩa: d3 = 50 mm. + Đường kính trong: d = 40 mm; + Đường kính ngoài: D = 90 mm + Bề rộng bi: B = 23 + Khả năng tải trọng động: C = 61,0 (kN). + Khả năng tải trọng tĩnh: C0 = 46,0 (kN). 9 Ổ bi lắp trục nghiền - Ổ bi đỡ 1 dãy 308 - lắp phía sau: + Đường kính trong: d = 40 mm. + Đường kính ngoài: D = 90 mm. + Bề rộng bi: B = 23 + Khả năng tải trọng động: C = 31,9 (kN). + Khả năng tải trọng tĩnh: C0 = 21,7 (kN) Thiết bị thực nghiệm được minh họa trên hình 3.8:
16. 13 Hình 3.8. Máy nghiền bột giấy dạng đĩa dùng trong thực nghiệm 3.3.2. Bột nguyên liệu thí nghiệm Tính chất của hai loại bột giấy sử dụng trong thực nghiệm được cho trong bảng 3.5. Bảng 3.5. Tính chất của bột giấy thực nghiệm Bột giấy STT Các chỉ số BKHP BKSP 1 Chiều dài xơ sợi, mm 0,64 1,05 2 Hàm lượng xơ sợi có chiều dài nhỏ hơn 0,2mm 17,7 13,4 2 Chỉ số độ bền kéo, Nm/g 60,7 80,5 3 Chỉ số độ bền xé, mN.m2/g 6,8 9,7 4 Chỉ số độ chịu bục, kPa.m2/g 3,6 5,5 6 Độ nghiền của bột giấy sau đánh tơi, 0 SR 13 12 3.3.3. Cách thu thập dữ liệu đầu ra 3.3.3.1. Đo công suất tiêu thụ N Việc đo công suất được thực hiện tại Trường đại học Giao thông vận tải - Hà Nội. Quá trình đo được tiến hành theo sơ đồ hình 3.11. SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM NGUỒN ĐIỆN BA PHA ĐIỆN KẾ ĐIỆN TỬ ĐỘNG CƠ BA PHA MÁY TÍNH MÁY NGHIỀN ĐĨA Hình 3.11. Sơ đồ thí nghiệm đo tiêu thụ năng lượng nghiền
17. 14 3.3.3.2. Cách đánh giá chất lượng nghiền a. Thiết bị đo Để kiểm chứng hiệu quả nghiền, tiến hành song song việc nghiền mẫu bột giấy đối chứng trên máy nghiền PFI. Máy đo độ nghiền, máy nghiền PFI, máy xeo, máy đo độ bền kéo, độ bền xé như hình 3.12- 3.16. Hình 3.12. Máy đo độ nghiền Hình 3.13. Máy nghiền PFI Hình 3.14. Máy xeo Rapid - Kothen Hình 3.15. Thiết bị đo độ bền kéo (Hounfield) Hình 3.16. Thiết bị đo độ bền xé của giấy (Frank) b. Phương pháp đo xác định độ nghiền của bột giấy 3.4. Cách vận hành hệ thống 3.5. Xây dựng kế hoạch thực nghiệm 3.5.1. Bộ thông số thí nghiệm Sơ đồ kế hoạch thực nghiệm được thể hiện trên hình 3.17: x1 = 4 = α 0 yN: Độ nghiền ( SR) x2= 7 = h Q p  Ls gD h a b c   , , , , , , , , 1 2 2 2 yK: Mức tiêu thụ điện x3 = 3 = n vD v vD v v D D D D năng riêng (ws/kg) x4 = 5 = q Hình 3.17. Các yếu tố ảnh hưởng và các chỉ tiêu cần đạt trong thực nghiệm 3.5.2. Lập ma trận thí nghiệm, chọn phương án quy hoạch thực nghiệm (Kế hoạch Box - Behnken khi n = 4) 3.6. Nguyên tắc xử lý số liệu h thực nghiệm 3.6.1. Xác định dạng mô hình hồi quy
18. 15 3.6.2. Kiểm nghiệm mức độ phù hợp của mô hình 3.6.3. Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu Kết luận chương 3 Mô hình thực nghiệm được xây dựng trên cơ sở tham khảo các mẫu máy công nghiệp, các mô hình thí nghiệm đã có. Nhờ sử dụng lý thuyết mô hình, đồng dạng, thứ nguyên, đã chọn lọc được bộ bốn thông số quan trọng dùng làm các biến thí nghiệm gồm tốc độ nghiền (n), khe hở giữa hai đĩa nghiền (h), góc nghiêng răng nghiền (α) và lưu lượng bột giấy (q) Mô hình thực nghiệm được chế tạo đã đảm bảo việc thay đổi giá trị các biến thí nghiệm được thực hiện trực tiếp trên mô hình thực nghiệm một cách đơn giản và thuận tiện, đáp ứng tốt yêu cầu đặt ra của nhiệm vụ nghiên cứu thực nghiệm. Các số liệu kết quả đầu ra được thu thập bằng các phương pháp và dụng cụ phù hợp. Kế hoạch thực nghiệm được xây dựng trên cơ sở lý thuyết khoa học thực nghiệm. Kế hoạch thí nghiệm Box-Benkn 4 yếu tố, 3 mức, bao gồm 27 thí nghiệm đã được xác lập, đảm bảo số lần thí nghiệm ít nhất nhưng lại thu được thông tin nhiều nhất (Bảng 3.7). Các nguyên tắc xử lý số liệu thực nghiệm được xác định dựa trên khoa học toán và lý thuyết thống kê. Điều này đảm bảo các mô hình hồi quy thu được phản ánh đúng đắn quan hệ của hàm mục tiêu với các biến thí nghiệm cũng như tính phù hợp của dạng mô hình. Chương 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. Giới thiệu 4.2. Kết quả thực nghiệm Sau khi thực hiện các thí nghiệm theo kế hoạch đã dược lập, kết quả thu được được thống kê trong bảng 4.2: Bảng 4.2. Bảng kết quả thí nghiệm Mã hóa Số thực u x1 x2 x3 x4 YN YK x ( ) x (h) x (n) x (q) 0 1 2 3 4 ( ) (mm) (v/ph) (l/ph) tn1 -1 -1 0 0 12 0.1 1200 12 15413.2 34.7 tn2 +1 -1 0 0 24 0.1 1200 12 15106.4 36.2 tn3 -1 +1 0 0 12 0.1 1200 12 15574.2 27.5 tn4 +1 +1 0 0 24 0.5 1200 12 15094.4 30.2 tn5 -1 0 -1 0 12 0.3 800 12 14679.4 30.7 tn6 +1 0 -1 0 24 0.3 800 12 15155.2 31.2
19. 16 tn7 -1 0 +1 0 12 0.3 1600 12 14796.8 32.5 tn8 +1 0 +1 0 24 0.3 1600 12 15821.4 30.6 tn9 0 -1 -1 0 18 0.1 800 12 15042 37.3 tn10 0 +1 -1 0 18 0.5 800 12 14673.2 29.8 tn11 0 -1 +1 0 18 0.1 1600 12 15522.2 38.2 tn12 0 +1 +1 0 18 0.5 1600 12 15082.2 31.5 tn13 -1 0 0 -1 12 0.3 1200 4 15083.8 33.1 tn14 +1 0 0 -1 24 0.3 1200 4 15139.4 31.8 tn15 -1 0 0 +1 12 0.3 1200 20 15865.8 30.8 tn16 +1 0 0 +1 24 0.3 1200 20 15965.6 33.6 tn17 0 -1 0 -1 18 0.1 1200 4 15340.8 36.6 tn18 0 +1 0 -1 18 0.5 1200 4 14890.6 31.5 tn19 0 -1 0 +1 18 0.1 1200 20 15942.4 37.1 tn20 0 +1 0 +1 18 0.5 1200 20 15661.8 32.5 tn21 0 0 -1 -1 18 0.3 800 4 15049.2 29.3 tn22 0 0 +1 -1 18 0.3 1600 4 15207 31.8 tn23 0 0 -1 +1 18 0.2 800 20 15455.2 35.4 tn24 0 0 +1 +1 18 0.3 1600 20 15604.8 38.3 tn25 0 0 0 0 18 0.3 1200 12 15088.2 36.1 tn26 0 0 0 0 18 0.3 1200 12 15090 35.4 tn27 0 0 0 0 18 0.3 1200 12 15086.4 36.3 4.2. Xây dựng mô hình hồi quy của các hàm mục tiêu Bảng 4.3. Kết quả phân tích số liệu thực nghiệm Box-Behnken Design Factors: 4 Replicates: 3 Base runs: 27 Total runs: 81 Base blocks: 1 Total blocks: 1 Center points: 9 Response Surface Regression: YN versus x1, x2, x3, x4 The analysis was done using coded units. Estimated Regression Coefficients for YN Term Coef SE Coef T P Constant 150146.10 15.117 169.304 0.000 x1 -93.33 7.558 -12.348 0.000 x2 20.77 7.558 2.748 0.008 x3 182.99 7.558 24.210 0.000 x4 100.06 7.558 13.239 0.000 x1*x1 31.29 11.337 2.760 0.007 x2*x2 99.11 11.337 8.742 0.000 x3*x3 89.47 11.337 7.891 0.000
20. 17 x4*x4 -48.38 11.337 -4.268 0.000 x1*x3 22.01 13.091 1.681 0.097 x3*x4 72.48 13.091 5.537 0.000 S = 45.3497 PRESS = 198899 R-Sq = 94.24% R-Sq(pred) = 92.04% R-Sq(adj) = 93.41% Analysis of Variance for YN Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F P Regression 10 2353781 2353781 235378 114.45 0.000 Linear 4 1895015 1895015 473754 230.36 0.000 Square 4 389908 389908 97477 47.40 0.000 Interaction 2 68858 68858 34429 16.74 0.000 Residual Error 70 143962 143962 2057 Lack-of-Fit 14 122375 122375 8741 22.68 0.080 Pure Error 56 21587 21587 385 Total 80 2497743 Hệ số có giá trị P lớn hơn mức ý nghĩa α thì cần loại bỏ khỏi mô hình. Chẳng hạn, thành phần xx13 trong phương trình hồi quy nên được loại bỏ do giá trị P tương ứng bằng 0.097, lớn hơn 0.05. Căn cứ các giá trị trong cột Coef, kết hợp với giá trị tham chiếu trong cột P, cho ta kết quả phương trình hồi quy của hàm YN theo các biến x1, x2, x3, x4 như sau: YN =150146.10 93.33x 1 20.77x 2 182.99x 3 100.06x 4 31.29x1  x 1 99.11x 2  x 2 89.47x 3  x 3 (4.1) 48.38x4  x 4 72.48x 3  x 4 Tiến hành tương tự, mô hình hồi quy cho hàm chất lượng nghiền YK theo x1, x2, x3, x4 là: YK =38.4352 2.486x 1 1.081x 2 2.175x 3 1.286x 4 3.810x1  x 1 4.910x 2  x 2 3.085x 3  x 3 (4.2) 4.235x4  x 4 1.158x 1  x 2 2.058x 1  x 3 1.242x 2  x 4 4.3. Tối ưu hoá đa mục tiêu 4.3.1. Tối ưu hóa mục tiêu hàm YN Chạy chức năng tối ưu hoá tương ứng của Minitab thu được kết quả như minh họa dưới đây. Response Optimization Parameters Goal lower Target Upper Weight Import YN Minimum 144502 152137 154800 1 1 Global Solution x1 = 1 x2 = - 0.111111
21. 18 x3 = - 0.737374 x4 = - 1 Predicted Responses YN = 7498.65, desirability = 0.876683 Composite Desirability = 0.876683 Kết quả cho ta giá trị tối ưu riêng lẻ của hàm mục tiêu YN là: YNmin 144502, hàm kỳ vọng (desirability) d = 0.87668. Vì chỉ xét riêng lẻ, nên hàm kỳ vọng chung (Composite Desirability) cũng có giá trị bằng hàm kỳ vọng riêng. Đồ thị tối ưu hoá như trên hình 4.1 Optimization Plot Hình 4.1. Đồ thị tối ưu YN 4.3.2. Tối ưu hóa mục tiêu hàm YK Tiến hành hoàn toàn tương tự như đối với hàm mục tiêu YN, kết quả cho ta giá trị tối ưu riêng lẻ của hàm mục tiêu YK là: YKmax = 38.218, Hàm kỳ vọng (desirability) d = 0.904761. Vì chỉ xét riêng lẻ, nên hàm kỳ vọng chung (Composite Desirability) cũng có giá trị bằng hàm kỳ vọng riêng. Hình 4.2. Đồ thị tối ưu YK
22. 19 4.3.3. Giải bài toán thương lượng giữa hàm năng lượng riêng YN và hàm độ nghiền YK Chạy chức năng giải bài toán thương lượng giữa hàm chi phí năng lượng riêng YN và hàm độ nghiền YK bằng phần mềm Minitab, thu được kết quả như minh họa dưới đây: Response Optimization Parameters Goal Lower Target Upper Weight Import YK Maximum 36 37 38 1 1 YN Minimum 144502 152137 154800 1 1 Global Solution x1 = - 0.431220 x2 = - 0.0303030 x3 = - 0.162994 x4 = - 0.756556 Predicted Responses YK = 37.1052, desirability = 0.999942 YN = 76320, desirability = 0.955651 Composite Desirability = 0.977546 Kết quả có giá trị chấp nhận được cho hàm mục tiêu YK là: YK = 37.1052, hàm kỳ vọng đạt được là desirability = 0.999942. Giá trị chấp nhận được cho hàm mục tiêu YN = 152640, hàm kỳ vọng đạt được là desirability = 0.955651. Hàm kỳ vọng tổng, D = 0.977546. Các giá trị này đều rất gần 1, nghĩa là mức độ đạt được của từng hàm mục tiêu, cũng như của hàm mục tiêu chung, so với kỳ vọng là rất hoàn hảo. Hình 4.3 minh họa đồ thị tối ưu hóa đa mục tiêu. Optimization Plot Hình 4.3. Đồ thị tối ưu hóa đa mục tiêu
23. 20 Từ đồ thị ta xác định được bảng thông số tối ưu trên máy nghiền và đĩa nghiền mô hình: Bảng 4.4. Bảng thông số tối ưu trên máy nghiền mô hình Dạng thực YK YN 0 x1( ) x2() x3(n) x4(q) ( SR) (ws/kg) 16.27 0.25 950.16 6.4 37.1052 152640 Các thông số hợp lý khi nghiền bột giấy: Bảng 4.5. Thông số lựa chọn tối ưu cho máy nghiền và đĩa nghiền mô hình Thông số máy Số liệu Góc nghiêng răng nghiền 16.270 Khe hở giữa hai đĩa nghiền 0.25 mm Tốc độ quay trục nghiền 950 vòng/phút. Lưu lượng huyền phù bột giấy 6.4 l/ph Chất lượng nghiền 37.10520SR Năng lượng nghiền 42.4 kWh/tsp Nhận xét: Tại góc nghiêng răng nghiền là 16.270 yêu cầu khe hở là 2.5 (mm), tốc độ 950 (v/ph) và lưu lượng huyền phù bột là 6.4 (l/ph), độ nghiền bột giấy đạt được là 37.10SR và tiêu hao năng lượng là 42.4 (kWh/tsp). Có thể thấy, so với kết quả nghiền trong thực tế (đã phân tích trong chương 1) thì tại giá trị góc nghiêng răng là 16.270, chiều rộng răng là 3 (mm) cho phép đạt được độ nghiền bột giấy yêu cầu (cao hơn so với thực tế từ 1-30SR) trong khi đó có thể cho phép tiết kiệm được khoảng 7.6 (kWh/tsp). So sánh chất lượng bột giấy khi nghiền trên máy tiêu chuẩn và máy thực nghiệm: * Ảnh hưởng của thời gian nghiền tới độ nghiền và chiều dài sợi Ảnh hưởng của thời gian nghiền đến độ nghiền Ảnh hưởng của độ nghiền đến chiều dài xơ sợi 45 42 0.8 40 0.7 40 36 0.6 35 30 0.5 24 25 0.4 Mẫu TN 20 18 Độ Nghiền SR 0.3 16 Mẫu nghiền PFI 15 13 xơ Chiều sợidài 0.2 0.1 10 5 0 13 20 30 35 40 45 50 0 Thời gian, phút Độ nghiền, SR 0 0.7 1.4 2.1 2.8 3.5 4.2 Hình 4.4. Thời gian nghiền và độ nghiền (a) và chiều dài sợi (b)
24. 21 Độ nghiền bột giấy tăng khi thời gian nghiền tăng. Độ nghiền tăng chậm vào đầu và cuối giai đoạn nghiền. Độ nghiền của bột giấy tăng và chiều dài sợi bột giấy giảm dần theo thời gian nghiền. * Ảnh hưởng của quá trình nghiền tới tính chất bột giấy Ảnh hưởng của độ nghiền Ảnh hưởng của độ nghiền đến chỉ số kéo đến chỉ số xé 100 10 50 5 Mẫu TN Mẫu TN 0 0 13 20 30 35 40 45 50 Mẫu nghiền PFI 13 2030 35404550 Mẫu nghiền PFI Độ nghiền, SR mN.m2/g số xé, Chỉ Độ nghiền, SR Chỉ số kéo, Nm/g số kéo, Chỉ Hình 4.6. Ảnh hưởng của độ nghiền đến chỉ số kéo (a) Ảnh hưởng của độ nghiền đến chỉ số xé (b) Theo thời gian nghiền, độ nghiền của bột giấy tăng (từ 13 đến 400SR). Độ nghiền đạt được giữa máy nghiền thực nghiệm và máy nghiền tiêu chuẩn tương đối như nhau. Điều này chứng tỏ dạng đĩa nghiền thực nghiệm là hiệu quả. Ảnh kết quả sự thay đổi của sợi trước và sau khi nghiền được minh hoạ ở hình sau: a) b) Hình 4.7. Bột giấy trước (a) và sau khi nghiền (b) Nhờ quá trình nghiền tinh, cấu trúc sợi trở nên mềm mại hơn, khả năng đan dệt các lớp sợi tốt hơn và giấy trở nên bền hơn. Đây là các tính chất mong muốn của bột giấy để tạo thành giấy thành phẩm có chất lượng tốt. 4.4. Triển khai kết quả cho dãy máy thực 4.4.1. Xác định bộ chỉ số đồng dạng theo công suất nghiền Cơ sở xác định công suất nghiền dựa trên quan hệ sau [44]: N f(D,v,r, ,g)
25. 22 Xác định được các chuẩn số sau: N N1 p  .; E 1 v3 D 2 vD 2 v 2 v 2 u (4.6)  1 11gD . 1 23 RFer;  2 D v Rer v F Công cần thiết cho quá trình nghiền bột giấy xác định theo phương trình: m N vD (4.10) 35 f vD  Đây là chuẩn số Eu đối với nghiền bột giấy trên máy nghiền dạng đĩa. 4.4.2. Xác định bộ chỉ số đồng dạng theo năng suất nghiền Dạng tổng quát xác định năng suất để nghiền được thể hiện [44]: Q f D,,,, h n  (4.11) Các chuẩn số được tính theo biểu thức: Qh  ;;   R 1 (4.12) 1 n D32 2 D 3 n D v D e Trong đó: Re là chuẩn số Reynold. 2 2 nD cnD c c Từ chuẩn số: Re ta có chỉ số đồng dạng: Lc1 1  c Trong cùng một điều kiện thực nghiệm, độ nhớt và khối lượng riêng của dung dịch bột gỗ không đổi nên: c 1 và c 1. Khi đó, xác định được mối quan hệ giữa D và n: D n 0 M  (4.18) DnM 0 h Q a Từ chuẩn số  ,  ,  (xác định từ chương 3) lần 2 D 1 nD3 8 D lượt xác định được các mối quan hệ giữa khe hở và đường kính đĩa, giữa năng suất, tốc độ và đường kính đĩa, giữa chiều rộng răng và đường kính đĩa lần lượt là: 3 aD hD00 Q0 n 0 D 0 5 00  ;  và hDMM QMMM n D aDMM N Q Cuối cùng, từ chuẩn số công suất: E và  u nD35 1 nD3 Áp dụng lý thuyết đồng dạng, xác định được mối quan hệ giữa N và Q là:
26. 23 NQ 00  23 (4.26) NQMM Từ kết quả thực nghiệm tối ưu đã được chỉ ra trong phần 4.2, áp dụng lý thuyết mô hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên, dãy máy thực được xác định như bảng 4.8. Bảng 4.8. Dãy máy nghiền Máy nghiền TT Các chỉ tiêu MN-2 MN-2 MN-1 1 Công suất cần thiết, kW 8.86 15 45 Năng suất nghiền Q (t/d) 5 9 30 2 Năng suất nghiền Q, t/h) 0.209 0.37 1.24 Chi phí năng lượng riêng, 3 42.4 39.6 36.2 kWh/tsp 4 Tốc độ quay n, v/ph 950 800 650 5 Góc nghiêng răng, 0 16.27 16.27 16.27 6 Đường kính đĩa nghiền, mm 240 260 480 7 Khe hở đĩa nghiền, mm 0.2 0.3 0.35 8 Chiều rộng răng nghiền, mm 3 3.3 2.8 Nhận xét: Công suất nghiền phụ thuộc bậc ba đối với tốc độ quay đĩa n và bậc năm đối với đường kính đĩa nghiền vì vậy đây là hai thông số quan trọng cần phải xác định khi lắp đặt hệ thống máy nghiền. Trên cơ sở các thông số tối ưu của máy nghiền bột giấy được xác định thông qua thực nghiệm, áp dụng lý thuyết mô hình, đồng dạng cho phép xác định được dãy máy nghiền có quy mô từ 6-50 tấn/ngày với công suất nghiền cần thiết từ 9-45kW. Trong đó, tỷ lệ giữa đường kính, chiều rộng răng của đĩa máy thực và đĩa mô hình phụ thuộc bậc một với λ, tỷ lệ giữa công suất máy thực và máy mô hình phụ thuộc bậc ba với λ và tỷ lệ giữa năng suất của máy nghiền thực và máy mô hình phụ thuộc bậc năm với λ  nnM 0 , nM là tốc độ quay của máy mô hình và n0 là tốc độ qua của máy thực. Với cùng một góc nghiêng răng nghiền, việc tăng đường kính đĩa, khe hở giữa hai đĩa nghiền theo tỷ lệ trên có thể cho phép tăng năng suất nghiền và giảm năng lượng tiêu hao.
27. 24 Kết luận chương 4 Kết quả của 27 thí nghiệm, được tiến hành theo kế hoạch Box - Benkn, đã được xử lý bằng phần mềm Minitab. Các mô hình hồi quy thu đựơc có tính phù hợp với dữ liệu tốt (phương trình 4.1 và 4.2) Mô hình hồi quy thu được, được sử dụng cho việc tìm lời giải cho bài toán tối ưu đa mục tiêu (hình 4.3). Bài toán tối ưu giải quyết hài hoà lợi ích cho hai mục tiêu có xung đột là: năng lượng tiêu thụ và chất lượng bột nghiền đã được giải quyết trọn vẹn. Giá trị hàm kỳ vọng đạt được của hàm mục tiêu chung đạt tới 0.977, xấp xỉ bằng 1, cho thấy các lợi ích xung đột của các hàm mục tiêu thành phần đã được cân bằng một cách hợp lý (hình 4.3). Từ kết quả nghiên cứu thu được, đã tính toán xác định được thông số cần thiết (bảng 4.5) để chế tạo, vận hành của năm máy nghiền thực (bảng 4.8), bằng cách sử dụng mô hình, đồng dạng và phân tích thứ nguyên. Điều này khẳng định khả năng ứng dụng, triển khai kết quả nghiên cứu ra thực tiễn của đề tài là rất hứa hẹn và thuận tiện. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận - Trên cơ sở phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền bột giấy trên máy nghiền dạng đĩa, đã xác định được các chuẩn số đồng dạng và phương trình chuẩn số mô tả đầy đủ quá trình vật lý xảy ra khi nghiền (hệ phương trình 3.2), đồng thời lựa chọn được bốn chuẩn số cơ bản trong số 14 thông số ban đầu, dùng làm thông số “vào” trong thực nghiệm (n,h,α,q) - Bài toá tối ưu đa mục tiêu cho quá trình nghiền bột giấy dùng đĩa nghiền đã được giải quyết trọn vẹn nhờ phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Các số liệu được xử lý bằng công cụ hiện đại, có uy tín, cho độ tin cậy cao. Kết quả của bài toán tối ưu này đã được sử dụng để tiếp tục tính toán xác định dãy máy nghiền bột giấy nhờ phương pháp mô hình, đồng dạng (bảng 4.8). 2. Kiến nghị - Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của góc quạt răng, góc giao nhau giữa các răng nhằm đảm bảo phản ảnh đầy đủ các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến quá trình nghiền bột giấy. - Tiếp tục nghiên cứu quá trình nghiền đối với một số loại nguyên liệu khác như nguyên liệu bột giấy từ gỗ bạch đàn, tre nứa - những loại nguyên liệu phổ biến ở Việt Nam.