Теорія процесу сушіння паперу

У процесі сушіння здійснюється не тільки остаточне зневоднення паперового полотна шляхом випаровування з нього води, але і протікають інші процеси, що визначають якість готової продукції, яка багато в чому залежить від режиму сушіння. У міру видалення води з вологого полотна відбувається подальше зближення волокон за рахунок поверхневого натягу його з утворенням міжволоконних водневих зв'язків, від кількості яких залежить його щільність та міцність. Під час сушіння завершується процес проклеювання паперу і картону за рахунок гідрофобізації проклеювальних речовин, що вводяться в паперову масу або наносяться на їх поверхню, а також відбувається процес полімеризації речовин, які вводяться в паперову масу, таких як сечовино- і меламіноформальдегідних смол, латексів та інших речовин, в результаті чого папір і картон стають більш вологоміцні. Тому від температурного режиму сушіння сильно залежать властивості паперу і картону.

Сушильна частина машини складається з ряду оборотних циліндрів, які обігріваються зсередини парою і розташовані в два або три яруси в шаховому порядку під витяжним ковпаком. Вона має також сукна, сукно сушильні циліндри, сукно тягові валики, механізми заправки полотна, натягу і правки сукон та інше допоміжне обладнання. Замість сукон можуть використовуватися синтетичні сітки.

З усіх відомих методів сушіння паперу широке розповсюдження отримав контактний спосіб, за якого тепло передається вологому полотну безпосередньо від поверхні сушильних циліндрів, що нагріваються зсередини парою. Цей спосіб, у порівнянні з іншими, – найбільш ефективний, так як має низку переваг, до яких слід віднести економічність і високу якість полотна, зокрема, відсутність викривлення і гладкість його поверхні.

На процес сушіння паперу впливають такі фактори: температура поверхні сушильних циліндрів, швидкість машини, властивості навколишнього повітря, загальний коефіцієнт теплопередачі від пари до полотна, властивості полотна, його товщина, композиція і ступінь млива волокна, конструктивні особливості сушильної частини та її стан, вид сукон або сіток, їх натяг, вологість, температура та ін. фактори.

Температура поверхні сушильних циліндрів знаходиться у прямій залежності від температури пари. Загальна кількість тепла, Дж, що може бути передана від пари до висушуваного полотну протягом 1 год., може бути визначена за формулою:

де К – загальний коефіцієнт теплопередачі від пари до полотна, кВт/(м² ч∙ º С); – поверхня контакту полотна з циліндрами, м²: t_n, t_k – середня наведена температура відповідно пари в середині сушильного циліндра в шарі, суміжному зі стінкою циліндра, й полотна під час сушінні, º С.

Зі збільшенням швидкості машини інтенсивність процесу сушіння зростає за рахунок підвищення інтенсивності обдування полотна навколишнім повітрям на ділянках його вільного ходу між верхнім і нижнім циліндрами та більш швидкого «перевертання» полотна до стінок циліндра. Це призводить до вирівнювання вологості полотна по його товщині, що також сприяє поліпшенню теплопередачі від стінки циліндра до полотна. Однак слід зазначити, що чергування нагрівання полотна то з одного, то з іншого боку і наявність ділянок його вільного ходу неминуче призводить до теплових втрат.

Властивості навколишнього повітря особливо впливають на ділянках вільного ходу полотна паперу та картону (конвективне сушіння), де видаляється до 20 – 30 % вологи. Сушіння супроводжується рясним виділенням пари і, якщо її не відводити від висушуваного полотна, то процес сушіння може припинитися.

Для першого періоду сушіння, який займає 50 – 60 % від загальної тривалості процесу, коли видаляється вільна волога з полотна, швидкість випаровування води визначається в основному різницею вологовмісткості насиченої водяної пари за температури сушіння і в навколишнього повітрі.

Повітря, яке оточує полотно в процесі його сушіння, повинне бути теплим з невеликою вологомісткістю. Щоб не настало його насичення водяної парою, потрібна хороша вентиляція сушильної частини машини.

Загальний коефіцієнт теплопередачі від пари до полотна. У рівняння, що характеризує загальну кількість тепла, яке може бути передане від пари до полотна, входить коефіцієнт К, який дорівнює:

Де – коефіцієнт теплопередачі за концентрації пари на внутрішній поверхні циліндра; = 3500 – 4000 Вт / (м² ∙ º С); – коефіцієнт теплопередачі на зовнішній поверхні циліндра; = 600 – 700 Вт / (м² ∙ º С); – коефіцієнт теплопередачі стінки циліндра; для чавуну = 47 – 50 Вт / (м2 ∙ º С); – товщина стінки циліндра, м.

З наведених даних видно, що термічний опір стінки циліндра порівняно невеликий. Він є постійною величиною, яка залежить від його конструкції, тому загальний коефіцієнт теплопередачі залежить в основному від коефіцієнтів і В результаті великого значення коефіцієнта різниця температури пари, яка гріє, і стінки циліндра може досягати 10 – 20 º С.

Наявність на внутрішній поверхні стінки циліндра різного роду забруднень: іржі, накипу, масла та інших речовин, які мають низьку теплопровідність, також знижує загальний коефіцієнт теплопередачі. Важливе значення на розмір теплового опору має товщина конденсаторного шару в циліндрі, тому теплопровідність води приблизно в 80 разів менша теплопровідності стінки циліндра з чавуну.

Властивості полотна паперу і картону. Фізико-хімічні властивості полотна значно впливають на процес його сушіння на машині, особливо в період видалення зв'язаної вологи. З усіх властивостей полотна найбільший вплив мають такі його показники, як товщина і маса 1 м², вид волокна і ступінь його млива, наявність наповнювачів та інших добавок. З підвищенням товщини полотна погіршуються умови теплопередачі, крім того зростає опір проходженню пари з контактного шару до зовнішньої поверхні. Природно, що чим щільніше буде полотно, тим важче з нього буде віддалятися волога при сушінні.

Папір та картон, які виробляються з деревної маси і макулатури, висушуються на машині значно легше, ніж зі звичайних целюлозних волокон того самого ступеня млива. Це пояснюється тим, що з підвищенням ступеня млива волокна з деревної маси і макулатури гірше набухають, менш гнучкі, при формуванні з них полотна утворюється пориста структура, яка полегшує видалення вологи з неї. Наявність в полотні з макулатури мінеральних наповнювачів також сприяє прискоренню його сушіння, тому що наповнювачі підвищують пористу структуру полотна, а крім того вони, як правило, мають вищу теплопровідність і меншу гідрофобність, ніж рослинне волокно.

Каніфольного клей, що часто використовується для проклеювання паперу і картону, практично не робить помітного впливу на швидкість сушіння, оскільки його вміст в композиції відносно невеликий. Проте в деяких випадках, під час порушення температурного режиму, частини каніфольного клею, можуть відкладатися на перших сушильних циліндрах, викликаючи тим самим погіршення теплопередачі і зниження швидкості процесу сушіння.

Процес сушіння йде інтенсивніше, якщо над окремими циліндрами є ковпаки швидкісного сушіння, в яких полотно піддається одночасно контактному і конвективному сушінні.

Процес сушіння паперу можна розділити на наступні стадії: підігрів вологого полотна, перший період сушіння з постійною швидкістю випаровування вологи і другий період сушіння – з швидкістю, що знижується.

На першій стадії відбувається підігрів полотна. Пара, яка частково утворюється, в цей період в зоні контакту з гарячим циліндром під дією градієнта тиску проникає всередину вологого полотна і там конденсуючись, віддає своє тепло, сприяючи тим самим інтенсивному його прогріванню. Цей період триває недовго, не більше 10 % від загального періоду сушіння, і випаровування вологи під час цього незначне. Температура полотна при цьому підвищується від початкової до температури мокрого термометра.

Перший період сушіння починається тоді, коли пара, яка утворюється з вологи, проникає через всю товщину полотна і виходить назовні. Цей період характеризується видаленням вільної вологи з полотна, він протікає з постійною швидкістю випаровування з усієї його поверхні при практично постійній температурі, рівній температурі випаровування води при даних барометричних умовах, тобто не більше 100 º С незалежно від температури поверхні сушильних циліндрів. Тривалість першого періоду сушіння становить 50 – 65 % від загальної тривалості сушіння.

Після видалення вільної вологи, тобто з досягненням першої критичної точки, яка розділяє періоди постійної і період зниження швидкості сушіння і сухості полотна, що відповідає 55 – 60 %, швидкість сушіння безперервно зменшується, а температура поверхні полотна починає збільшуватися. Це відбувається тому, що зв'язана волога сильніше, ніж вільна, утримується на волокні та інтенсивність її переходу з внутрішніх шарів до поверхні сповільнюється. Швидкість процесу сушіння в цей період визначається не швидкістю випаровування води з поверхні, а швидкістю її дифузії з товщини полотна до його поверхні, яка зменшується у міру збільшення його сухості. Вона залежить від товщини полотна, його пористості і композиції, ступеня млива волокна, наявності наповнювачів, проклеювальних речовин та ін. По мірі протікання другого періоду сушіння її швидкість знижується до нуля і вологість полотна наближається до другої критичної точки, яка відповідає гігроскопічній вологості (рівноважній) за даних умов сушіння 6 – 7 %, а її температура – до температури поверхні сушильних циліндрів. Тому пересушування паперу на кінцевій стадії сушіння може призвести до температурної деструкції волокна.