3. Расчет и подбор оборудования

РАЗМОЛЬНО-ПОДГОТОВИТЕЛЬНОГО ОТДЕЛА

3.1. Размалывающее оборудование

Определение потребности в технологическом оборудовании основывается на результатах расчета баланса воды и волокна. Для обеспечения бесперебойной работы, технологического потока, должна быть предусмотрена возможность бы-

строго переключения оборудования на резервные единицы. Поэтому, расчетное количество оборудования, устанавливаемого в размольно-подготовительном от-

деле (РПО), должно быть достаточным для обеспечения максимальной произво-дительности фабрики без остановов и аварийной перегрузки.

Современное размалывающее оборудование – дисковые и модифициро-

ванные конические мельницы. К основным параметрам дисковых мельниц отно-

сятся: диаметр и количество дисков размалывающей гарнитуры, частота враще-ния ротора, рисунок и геометрия гарнитуры, мощность приводного двигателя,

производительность, степень обработки полуфабриката. Первые параметры от-

носятся к категории конструктивных, последние три определяют важные потре-

бительские характеристики мельниц. Методика расчета дисковых мельниц пред-ставлена ниже. Исходные данные для расчета перечислены в таблице 3.1:

Таблица 3.1. – Исходные данные для расчета дисковых мельниц

	Показатель	Ед. изм.	Обозначение
1.	Производительность бумагоделательной машины	т/сут	Gmax
2.	Удельный расход воздушно-сухого волокна	т/т	В
	на выработку 1 т бумаги
3.	Коэффициент загрузки электродвигателя привода		K
4.	Установленная мощность привода мельницы	кВт	NУСТ
5.	Неэффективные затраты мощности при размоле (мощ-	кВт	NХХ
	ность холостого хода)
6. Частота вращения ротора		с-1	n
7.	Диаметр дисков (наружный)	мм	D
8.	Удельный полезный расход энергии на 1 т воздушно-	кВт·ч/т	qПОЛ
	сухого волокна
9.	Удельная нагрузка на кромку ножа	кВт·с/км	ВS

66

Согласно «Основным техническим направлениям в проектировании пред-

приятий целлюлозно-бумажного производства», размольное оборудование рас-

считывается, исходя из непрерывной работы бумагоделательной машины в тече-ние 24 часов работы в сутки на максимальной рабочей скорости.

Количество размалываемого волокна в сутки определяется как, т/сут:

QB  Gmax В .

(3.1)

Удельный расход волокна В определяется из данных расчета баланса воды и волокна или принимается из «Норм технологического проектирования пред-приятий ЦБП» [1], т/т:

В 	Вi	,	(3.2)
	880

где В_i – количество абсолютно-сухого волокна, поступающего на размол при выработке 1 т бумаги, кг/т.

Полезная мощность, затрачиваемая непосредственно на размол, определя-ется по формуле, кВт:

NПОЛ  BS LS j,

(3.3)

где j – число поверхностей размола (в однодисковой мельнице j = 1, в сдвоен-

ной j = 2).

Удельная нагрузка на кромку ножей В_S принимается в зависимости от ви-

да волокнистого полуфабриката и необходимого соотношения между фибрилли-

рованием и укорочением волокон при размоле. При меньших значениях В_S дос-

тигается лучшая фибрилляция и гидратация волокон, а при больших значениях – укорачивание. Для получения максимальной разрывной длины и сопротивления продавливанию рекомендуются значения В_S, приведенные в таблице 3.2.

Таблица 3.2. – Удельная нагрузка на кромку ножа, кВт·с/км

Вид волокнистого полуфабриката	Значение, ВS
Сульфитная небеленая хвойная целлюлоза	1,0…1,2
Сульфитная беленая хвойная целлюлоза	0,8…1,0
Сульфатная небеленая хвойная целлюлоза	1,5…2,0
Сульфатная беленая хвойная целлюлоза	1,2…1,4
Сульфитная небеленая лиственная целлюлоза	1,1…1,3
Сульфатная беленая лиственная целлюлоза	0,6…0,9
Бисульфитная хвойная полуцеллюлоза	1,3…1,4
Бисульфитная лиственная полуцеллюлоза	1,1…1,2
Моносульфитная полуцеллюлоза	0,8…1,2
Сульфатная целлюлоза из тростника	0,8

67

Для получения максимальных значений сопротивления излому и раздира-

нию величину В_S снижают на 25–30 %. При выравнивании степени помола и ра-

финировании	бумажной	массы	перед	бумагоделательной	маши-
ной ВS = 0,2...0,4 кВт·с/км.
Секундная режущая длина LS			зависит от размеров гарнитуры,		формы и

размеров ножей, и скорости вращения диска. При ширине ножей b = 3 мм, ши-

рине канавки а = 4 мм и d/D = 0,6 (D – наружный диаметр диска, d – внутренний диаметр диска) величину L_S для однодисковых мельниц вычисляют по форму-

ле 3.4:

L  0,346D3n, км/с	(3.4)
S

где n – частота вращения ротора, мин^-1;

D – диаметр диска, м.

Для сдвоенных мельниц результат, полученный по уравнению 3.4. удваи-

вается.

Расчетная производительность мельницы Q_Р, т/сут, определяется исходя из полезной мощности и удельного полезного расхода энергии на размол:

QР		NПОЛ	24	.	(3.5)
		qПОЛ

Удельный полезный расход энергии на размол некоторых видов полуфаб-

рикатов определяется по экспериментальным кривым зависимости q_ПОЛ от сте-пени помола массы, представленным на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1. – Эксперименталь-ные кривые удельного полезно-го расхода электроэнергии на размол волокнистых полуфаб-рикатов: 1 – моносульфитная целлюлоза высокого выхода; 2 – сульфитная хвойная беленая целлюлоза; 3 – сульфитная хвойная небеленая целлюлоза; 4 – сульфатная хвойная беленая целлюлоза; 5 – сульфатная ли-ственная беленая целлюлоза; 6 – сульфатная хвойная небеле-ная целлюлоза; 7 – хлопковая целлюлоза

68

Количество мельниц, необходимое для выполнения принятых условий

размола определяется по формуле:
n 	QB	.	(3.6)
	QP

Мощность, потребляемая мельницей (номинальная N_Н), кВт, расходуется на размол волокна и холостой ход:

NН  NПОЛ  NХХ .

(3.7)

Мощность холостого хода (N_ХХ), кВт, складывается из потерь мощности на вращение диска с гарнитурой в целлюлозной массе (трение о массу), перека-

чивание массы (перемещение ее вдоль ножей гарнитуры), потери в сальниках и подшипниках, и может быть ориентировочно определена по следующей форму-

ле:

NХХ  cn3D5 ,

(3.8)

где с – коэффициент сопротивления (коэффициент непроизводительных затрат) для однодисковых мельниц (0,75...0,95)·10^-6, для сдвоенных мель-

ниц (1,30...1,70)·10^-6 [6].

При размоле массы высокой концентрации (более 15 %) и в процессе про-

изводства древесной массы из щепы непроизводительные затраты энергии не-значительны. Они складываются из мощности на перемещение и ускорение во-

локнистого материала вдоль ножей гарнитуры (1…3 % от общей мощности) и

затрат на механические потери в подшипниках, сальниках и т.п. (4…5 % от об-

щей мощности). В связи с небольшим процентом потерь мощности в таких слу-чаях ими можно пренебречь или ввести поправочный коэффициент 0,95…0,90.

Опустив математические выкладки, номинальная мощность, затрачиваемая на размол массы при высокой концентрации, может быть определена по формуле:

NН  СР рnD3 (1 k3 ),

(3.9)

где C_Р – коэффициент размола при давлении 0,15…0,40 МПа находится в преде-

лах 4,5...7,5;

р – давление между дисками 0,15…0,40 МПа (давление массы на входе); n – частота вращения ротора, мин^-1;

D – диаметр диска, м

k – коэффициент, характеризующий отношение малого диаметра d разма-

лывающей зоны гарнитуры к большому D, (k = d/D = 0,45…0,50, однако оптимальным значением, реализуемым в современных мельницах явля-

ется 0,60) [7].

69

Определив мощность, потребляемую дисковой мельницей, необходимо проверить мощность приводного двигателя. Установочная мощность мельницы с учетом коэффициента загрузки двигателя K = 0,9 должна быть больше или равна потребляемой мощности:

KNУСТ  NПОЛ  NХХ , кВт.

(3.10)

Если это условие проверки не выполняется, необходимо провести пере-

расчет, приняв мельницу другого типоразмера или подобрав гарнитуру с другим рисунком ножей (т.е. изменив секундную режущую длину L_S). Значения секунд-

ной режущей длины для различных видов гарнитуры дисковых мельниц пред-

ставлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Секундная режущая длина гарнитуры дисковых мельниц, км/с

Показатели			Значения
Диаметр диска (D), мм	315	500	630	800	1000	1250
Частота вращения (n), мин-1	1500	1000	750	750	600	500
Секундная режущая длина:
однодисковые мельницы		39,5	50,0	89,0	173,0
		43,3	65,0	124,0	208,0
			73,5	133,0
сдвоенные мельницы		79,0	100,0	178,0	346,0
	29,6	86,6	130,0	248,0	416,0	676,0
			147,0	266,0

Правильность выбора параметров мельниц в достаточной степени может характеризовать условный коэффициент эффективности мельниц, иногда назы-

ваемый коэффициентом полезного действия η:

η 	NН  NХХ		NПОЛ	.	(3.11)
	NН
			NН

Технические характеристики некоторых мельниц приведены в приложе-

нии, таблицы 1...6.

ПРИМЕР 1. Рассчитать количество дисковых мельниц для размола небе-

леной сульфатной хвойной целлюлозы при выработке мешочной бумаги на бу-

магоделательной машине мощностью G_max=300 т/сут. Начальная степень помола целлюлозы 14 ºШР, конечная – 30 ºШР. Размол проводится в две ступени: на первой ступени с 14 до 20 ºШР при концентрации массы 25 %. На второй ступе-ни с 20 ºШР до 28 ºШР при концентрации 4,5 %. Удельный расход волокна равен

В = 1,048 т/т.

70

1. Рассчитаем количество размалываемого волокна в сутки по уравне-

нию 3.1:

Q_B  G_max В  300 1,048  314,40 т/сут .

2. Проведем расчет дисковых мельниц первой ступени размола, рабо-тающих при высокой концентрации.

Для размола примем дисковые мельницы марки МД-4Ш6 со шнековой подачей массы (техническую характеристику см. в приложении таблица 1). Но-

минальную мощность определим по формуле 3.9:

N_Н  С_Р рnD³ (1 k³ )  4,5 0,2 10001,25³ 1 0,6³  1378,12 кВт

Если ввести поправочный коэффициент на потери мощности холостого хода, полезная мощность первой ступени размола составит:

NПОЛ  NН (0,95...0,90)  1378,12  0,90  1240,31кВт
Таким образом, производительность потока, рассчитанная по уравне-
нию 3.5, составит:
QР		NПОЛ	24		1240,31 24		 396,90 т/сут .
						75
		qПОЛ

здесь q _ПОЛ – принят по графику представленному на рисунке 3.1 для хвойной небеленой сульфатной целлюлозы при степени помола после размола 20 ºШР.

Следовательно, количество мельниц на первой ступени размола составит:

_{n } ^QB _ ^314,40 _{ 0,79} Q_P 396,90

Принимаем для установки одну мельницу, плюс одну резервную.

Проверку приводного двигателя проводим по уравнению 3.10.

^KNУСТ ^{ N}ПОЛ ^{ N}ХХ

0,9 1600  1440  1378,12

Принятая для установки мельница удовлетворяет условиям проверки, ус-

ловный коэффициент эффективности составит (см. уравнение 3.11):

η 	NН  NХХ		NПОЛ		1240,31	 0,90.
	NН		NН 1378,12

3. Проведем расчет дисковых мельниц второй ступени размола.

Для размола хвойной небеленой сульфатной целлюлозы при концентра-

ции 4,5 % примем мельницы марки МД-31 (техническую характеристику см. в

71

приложении таблица 1). Для расчета полезной мощности затрачиваемой на раз-

мол, определим секундную режущую длину ножей по уравнению 3.4:

L_S  0,346D³n  0,3461,0³  600  207,6 км/с .

Приняв удельную нагрузку на кромку ножа, из таблицы 3.2, рав-

ной 1,5 кВт·с/км, полезная мощность составит:

N_ПОЛ  B_S L_S j  1,5 207,61  311,4 кВт

Определим удельный полезный расход энергии необходимый для размола целлюлозы с 20 до 28 ºШР, по рисунку 3.1:

q_ПОЛ  q₂₈  q₂₀  140  75  65 кВт ч / т

Следовательно, производительность потока составит

_{QР } ^NПОЛ ²⁴ _ ^{311,4 24} _{ 114,98 т/сут .}

q_ПОЛ 65

Количество мельниц составит:

_{n } ^QB _ ^314,40 _{ 2,73} Q_P 114,98

Принимаем для установки три мельницы, плюс одну резервную. Проведем проверку приводного двигателя, для этого необходимо рассчи-

тать мощность холостого хода, использую уравнение 3.8:

N_ХХ  cn³D⁵  0,75 10^6  600³ 1,0⁵  162,0 кВт

^{K  N}УСТ ^{ N}ПОЛ ^{ N}ХХ

0,9  500  311,40 162,0

450  473,4

Условия проверки не выполняются, поэтому примем решения изменить гарнитуру выбранной мельницы МД-31 со значением L_S  173,0 км/с .

Проведем перерасчет. Полезная мощность составит:

N_ПОЛ  1,5173,0  259,5 кВт

Производительность потока будет равна:

_{QР } ^NПОЛ ²⁴ _ ^{259,5 24} _{ 95,82 т/сут .}

^qПОЛ ⁶⁵

Количество мельниц составит:

_{n } ^QB _ ^314,40 _{ 3,28} Q_P 95,82

72

Проверка:

^{K  N}УСТ ^{ N}ПОЛ ^{ N}ХХ

0,9 500  259,5 162,0

450  421,5

Условия проверки выполняются, следовательно, принимаем к установке на второй ступени размола 4 мельницы типа МД-31 (плюс одна в резерве).

Большим интересом у производителей бумаги и картона пользуются мо-дифицированные конические мельницы. Распространение получили конические мельницы с коротким конусом типа OptiFiner^TM (или Conflo) фирмы Metso. Наи-

больший эффект достигается при использовании мельниц Conflo для размола вторичных волокон [8]. В настоящее время на отечественных предприятиях ко-нические мельницы встречаются редко. При необходимости, алгоритм расчета мощности, потребляемой конической мельницей можно найти в справочнике бумажника [9].

Технические характеристики некоторых мельниц представлены в табли-цах 1…6 приложения.