РЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДНО-ВОЛОКНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ НИТРАТОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ ПЕРЕМЕШИВАНИИ

РЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ВОДНО-ВОЛОКНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ
НИТРАТОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ ПЕРЕМЕШИВАНИИ
Д.В. Чащилов, В.А. Куничан
БТИ АлтГТУ, г. Бийск
Для заводов баллиститных порохов перспективной является организация в рамках
конверсии производства лаковых коллоксилинов на основной технологической нитке
производства нитратов целлюлозы (НЦ). Это возможно при условии проведения стадии
стабилизации НЦ в крупнообъёмных емкостных автоклавах [1] вместо применяемого ранее на
этой стадии трубчатого автоклава. Использование такого аппаратурного оформления позволяет
получать широкий ассортимент продукции надлежащего качества.
При стабилизации в автоклавах процесс нагрева массы (водно-волокнистой суспензии
НЦ) острым паром происходит довольно интенсивно. В связи с этим большое значение имеет
усреднение по объёму обрабатываемой массы по температуре. Для этого наиболее подходящим
представляется механическое перемешивающее устройство. Кроме того, для управления
процессом загрузки массы в аппарат и её сгущением необходимо следить за увеличением
концентрации массы с 2...3 % до рабочей концентрации 6...12 %. Большая по величине загрузка
аппарата позволит увеличить производительность участка. Но ввиду трудности перемешивания
водно-волокнистой суспензий такой концентрацией необходима достоверная количественная
информация о реологических свойствах массы.
В связи с вышесказанным целью данной работы является определение реологических
характеристик водно-волокнистых суспензий НЦ различных концентраций. Для этого требуется
экспериментальное изучение механического перемешивания массы мешалками различных
типов.
Из водно-волокнистых суспензий наиболее полно изучены суспензии целлюлозы
различных видов. Поэтому особый интерес представляет опыт, накопленный в целлюлознобумажной отрасли [2-4]. Известно, что водно-волокнистые суспензии являются
неньютоновскими жидкостями. Чаще всего они характеризуются как псевдопластичные среды с
проявлением свойств тиксотропных сред и (или) бингамовских пластиков. Течение
волокнистых суспензий чаще всего описывается уравнением Оствальда-де-Вилля
m
 dw 
(1)
  K  .
 d 
Ввиду отсутствия подробной теоретической проработки реологии волокнистых
суспензий в зависимости от их физико-механических характеристик в большинстве случаев
требуется экспериментальное исследование сред. При перемешивании волокнистых масс
механическими мешалками обычно определяют эффективную вязкость среды, которая, исходя
из уравнения (1), определяется выражением
m1
 dw 
.
(2)
 эф  K  
 d 
Для
исследования
перемешивания
массы
использовалась
специальная
экспериментальная установка. Она представляет собой стеклянный гладкий вертикальный
цилиндрический сосуд внутренним диаметром 0,3 м и оборудована механическим
перемешивающим устройством с регулируемым электроприводом.
В качестве жидкой фазы суспензии использовали дистиллированную воду. В качестве
твёрдой фазы использовали образец НЦ, приготовленный по технологии, обычно применяемой
для получения лаковых коллоксилинов [5]. Для получения НЦ использовали целлюлозу марки
ХЦ, поскольку наиболее трудно перемешиваются суспензии на её основе [3,6]. После нитрации
продукт промывали водой до нейтрального уровня pH и отдельными навесками загружали в
сосуд.
Высота заполнения сосуда равнялась его диаметру. Температура массы в ходе
экспериментов была на уровне 23...26 0C. Эксперименты проводили при концентрации массы в
диапазоне 0,7...8,5 %. Перед проведением экспериментов массу перемешивали мешалкой в
течение 10...15 минут с целью усреднения концентрации по объёму и равномерного набухания и
разрыхления продукта.
В экспериментах использовали несколько типов мешалок - лопастную, рамную,
ленточную, шнековую и многоярусную лопастную. В ходе экспериментов мешалка
располагалась по оси сосуда, на расстоянии от днища, равном 0,1 диаметра мешалки.
Исследования проводили при скорости вращения мешалки в диапазоне 3...25 с -1, при правом и
левом вращении мешалки. Для мешалок предварительно определяли зависимость вида
 
K N  f Re ц , проводя перемешивание ньютоновских жидкостей, в качестве которых
использовали воду и водные растворы сахарозы. Вязкость этих модельных жидкостей
находилась в диапазоне 0,9...732 мПа.с.
В ходе экспериментов определяли полезную мощность (крутящий момент)
потребляемую на перемешивание. Для этого измеряли электрическую мощность, потребляемую
электроприводом, с учётом его кпд, определённого ранее. Кроме того, определяли частоту
вращения мешалки, а также крутящий момент на валу мешалки, используя для этого
предварительно тарированную тензометрическую балочку. Два метода измерений использовали
для повышения точности определения мощности.
Полученные в ходе экспериментов данные готовили к математической обработке
следующим образом. Для каждого опыта по потребляемой мощности и скорости вращения
N
мешалки рассчитывали критерий мощности при перемешивании K N  3 5 .
n d м
(3)
 
Используя критерий мощности и в соответствии с графиком зависимости K N  f Re ц
определяли центробежный критерий Рейнольдса. Затем вычисляли эффективную вязкость
массы
 эф 
nd м2 
.
Re ц
(4)
Скорость сдвига определяли в зависимости от частоты вращения мешалки [7]
(5)
  4n .
Полученные данные, представляющие собой зависимость эффективной вязкости от
скорости сдвига и концентрации массы математически обрабатывали методом наименьших
квадратов с целью получения коэффициентов уравнения (2). Для коэффициента консистенции
K и индекса неньютоновского поведения m нашли описывающие их математические
зависимости
2
K  3 *10 8 e 0,25c  c 4 ,
m  0,007939  0,039c .
(6)
(7)
Проведённые исследования реологических характеристик водноволокнистых суспензий
НЦ показали, что характер аномалии вязкости исследованных сред подтверждает их
принадлежность к псевдопластикам. Наиболее эффективным при перемешивании оказалось
применение четырехъярусной лопастной мешалки при симплексе геометрического подобия,
равном 1,5. Полученные данные позволяют разработать систему управления процессом загрузки
массы в аппарат по мощности, потребляемой электроприводом мешалки.
Обозначения:
K - коэффициент консистентности;
K N - критерий мощности;
N - мощность, потребляемая на перемешивание, Вт;
Re ц - центробежный критерий Рейнольдса;
 - скорость сдвига, с-1;
c - концентрация массы, %;
d м - диаметр мешалки, м;
m - индекс неньютоновского поведения;
 эф - эффективная вязкость массы, мПа.с;
 - плотность массы, кг/м3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Автоклав: Свидетельство на полезную модель 3398, РФ, B 01 J 3/04 / Куничан В.А.,
Светлов С.А., Осин А.И., Чащилов Д.В. (все - РФ). 1997. - 2 с.
2. Терентьев О.А. Гидродинамика волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном
производстве. -М.: Лесная промышлен-ность, 1980. - 128 с.
3. Сердюк В.И., Федотов В.В., Шебатин В.Г., Мильченко А.И. Энергетический расчёт
аппарата для перемешивания волокнистых суспензий. В книге «Современные аппараты для
обработки гетерогенных сред. Межвуз. сб. научн. тр.» - Л.: ЛТИ, 1980. с.117-125.
4. Бабурин С.В., Киприанов А.И. Реологические основы процессов целлюлознобумажного производства. - М.: Лесная промышленность, 1983. - 192 с.
5. Закощиков А.П. Нитроцеллюлоза. - М.: Оборонгиз, 1950. - 372 с.
6. Миляев В.Д., Федотов В.В., Мильченко А.И. Реологические свойства водноволокнистых суспензий азотнокислых эфиров целлюлозы в процессах перемешивания и
гидротранспортирования. В книге «Современные аппараты для обработки гетерогенных сред.
Межвуз. сб. научн. тр.» - Л.: ЛТИ, 1986. с.107-117.
7. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Польша, 1971. Пер. с польского под ред.
Щупляка И.А. - Л.: Химия, 1975. - 384 с.