дисковый рафинер (варианты), пара рафинирующих элементов для дискового рафинера (варианты), комбинированная плита дискового рафинера и способ термомеханического рафинирования древесной щепы

Формула изобретения

1. Дисковый рафинер для рафинирования древесной щепы, содержащий плоские вращающиеся относительно друг друга диски, каждый из которых содержит установленную на нем рабочую плиту, причем рабочие плиты устанавливают соосно одна напротив другой так, чтобы между ними был образован зазор рафинера, проходящий по существу в радиальном направлении от внутреннего края дисков к наружному краю дисков и образующий пространство для потока щепы, подлежащей рафинированию, отличающийся тем, что каждая плита содержит внутреннее в радиальном направлении разволокняющее кольцо и периферийное в радиальном направлении фибриллирующее кольцо, причем каждое кольцо содержит внутреннюю область подачи и периферийную рабочую область, при этом рабочая область внутреннего кольца образована первым рисунком чередующихся ножей и канавок, а область подачи периферийного кольца образована вторым рисунком чередующихся ножей и канавок, причем упомянутое пространство для потока увеличивается непосредственно от внутренней рабочей области в периферийную область подачи.

2. Рафинер по п.1, отличающийся тем, что зазор рафинера содержит периферийный зазор, образованный противолежащими периферийными кольцами, и внутренний зазор, образованный противолежащими внутренними кольцами, причем

рафинер представляет собой рафинер для выработки термомеханической древесной массы, в периферийном зазоре которого между рабочими областями периферийных колец генерируется пар; и

по меньшей мере, одна из противолежащих плит содержит канал для обратного потока пара для направления некоторого количества упомянутого пара из периферийного зазора во внутренний зазор около внутренней области подачи или выше по ходу технологического процесса, в обход внутреннего зазора у внутренней рабочей области.

3. Рафинер по п.2, отличающийся тем, что канал для обратного потока пара содержит проход сквозь плиту, выход которого находится ниже внутренней рабочей области плиты.

4. Рафинер по п.2, отличающийся тем, что одна из плит установлена на диске статора, а канал для обратного потока содержит проход сквозь диск статора.

5. Рафинер по п.2, отличающийся тем, что канал для обратного потока пара выполнен в виде канавки, проходящей по поверхности рабочей области внутреннего кольца и направленной диагонально относительно ножей и канавок упомянутого рисунка ножей и канавок.

6. Рафинер по п.2, отличающийся тем, что содержит кольцевое пространство между внутренним кольцом и периферийным кольцом.

7. Рафинер по п.6, отличающийся тем, что канал для обратного потока пара имеет вход, расположенный около кольцевого пространства между внутренним и периферийным кольцами.

8. Рафинер по п.1, отличающийся тем, что внутреннее и периферийное кольца являются отдельными компонентами, прикрепленными к общему диску рафинера.

9. Рафинер по п.1, отличающийся тем, что внутреннее и периферийное кольца выполнены за одно целое на общем основании.

10. Рафинер по п.1, отличающийся тем, что

каждая плита имеет общий радиус, проходящий к наружному краю периферийного кольца, каждое кольцо имеет соответствующую ширину в радиальном направлении; и

ширина в радиальном направлении внутреннего кольца меньше ширины в радиальном направлении периферийного кольца.

11. Рафинер по п.10, отличающийся тем, что ширина в радиальном направлении внутреннего кольца меньше примерно 35% длины упомянутого общего радиуса.

12. Рафинер по п.10, отличающийся тем, что

ширина в радиальном направлении области подачи внутреннего кольца больше ширины в радиальном направлении рабочей области внутреннего кольца; и

ширина в радиальном направлении области подачи периферийного кольца меньше ширины в радиальном направлении рабочей области периферийного кольца.

13. Рафинер по п.10, отличающийся тем, что

рисунок ножей и канавок в рабочей области периферийного кольца содержит, по меньшей мере, две зоны, причем одна из упомянутых зон граничит с областью подачи периферийного кольца, а другая из упомянутых зон граничит с наружным краем упомянутого периферийного кольца; и

рисунок ножей и канавок упомянутой одной зоны менее плотный, чем рисунок ножей и канавок упомянутой другой зоны.

14. Рафинер по п.13, отличающийся тем, что рисунок ножей и канавок по всей рабочей области внутреннего кольца имеет одинаковую плотность.

15. Рафинер по п.1, отличающийся тем, что канавки по всей рабочей области внутреннего кольца уже канавок области подачи периферийного кольца.

16. Рафинер по п.1, отличающийся тем, что

вращающиеся относительно друг друга диски содержат диск ротора и противоположный диск статора;

периферийное кольцо ротора содержит изогнутые ножи для подачи в области подачи; и

область подачи периферийного кольца на статоре содержит по существу плоскую часть, образующую углубление для размещения изогнутых ножей для подачи.

17. Рафинер по п.1, отличающийся тем, что

зазор рафинера включает в себя внутренний зазор для подачи между противолежащими внутренними областями подачи; внутренний рабочий зазор между противолежащими внутренними рабочими областями; периферийный зазор для подачи между противолежащими периферийными областями подачи и периферийный рабочий зазор между противолежащими периферийными рабочими областями; и

внутренний рабочий зазор имеет минимальный размер непосредственно перед переходом к большему периферийному зазору для подачи.

18. Рафинер по п.17, отличающийся тем, что

ширина в радиальном направлении области подачи внутреннего кольца больше ширины в радиальном направлении рабочей области внутреннего кольца; и

ширина в радиальном направлении области подачи периферийного кольца меньше ширины в радиальном направлении рабочей области периферийного кольца.

19. Дисковой рафинер для обработки лигноцеллюлозного материала, имеющий пару противолежащих вращающихся относительно друг друга дисков, содержащих плиты рафинера, включающий в себя

первую плиту, имеющую внутренний и наружный радиусы и рабочую лицевую сторону, содержащую рисунок возвышающейся и рельефной структуры, которая при рассмотрении ее в направлении, перпендикулярном оси ее вращения, имеет изменяющийся профиль в радиальном направлении;

вторую плиту, имеющую внутренний и наружный радиусы и рабочую лицевую сторону, содержащую рисунок возвышающейся и рельефной структуры, которая при рассмотрении ее в направлении, перпендикулярном оси ее вращения, имеет изменяющийся профиль в радиальном направлении, причем упомянутая вторая плита противостоит в осевом направлении и отдалена от первой плиты, посредством чего образован зазор рафинера, проходящий в радиальном направлении, причем упомянутый зазор, если смотреть в направлении, перпендикулярном оси вращения, имеет переменный профиль от внутреннего к наружному радиусу плит, при этом

внутренняя в радиальном направлении подающая часть сходится в радиальном направлении наружу к внутренней рабочей части;

внутренняя рабочая часть проходит в радиальном направлении с минимальным зазором в диапазоне около 1,5-3,0 мм к переходной части;

переходная часть имеет резкое увеличение зазора, составляющее более примерно 4,0 мм, в направлении к периферийной рабочей части; и

периферийная рабочая часть сходится в радиальном направлении к периферийному минимальному зазору, находящемуся в диапазоне примерно 0,5-1,0 мм.

20. Дисковый рафинер по п.19, в котором

лицевая сторона, по меньшей мере, одной из плит в зазоре в области внутренней подающей части содержит крупный рисунок ножей для подачи и канавок;

лицевая сторона плит у зазора в области внутренней рабочей части содержит мелкий дефибрирующий рисунок ножей и канавок;

лицевая сторона, по меньшей мере, одной из плит у переходной части зазора содержит крупный подающий рисунок ножей и канавок; и

лицевая сторона плит у периферийной рабочей части зазора содержит мелкий фибриллирующий рисунок ножей и канавок.

21. Дисковый рафинер по п.20, в котором канавки дефибрирующего рисунка в области, где внутренний рабочий зазор является минимальным, уже канавок крупного подающего рисунка у переходной части зазора.

22. Дисковый рафинер для обработки лигноцеллюлозного материала, имеющий пару противолежащих вращающихся относительно друг друга дисков, содержащих соответствующие рафинирующие плиты, включающий в себя

первую плиту, имеющую внутренний и наружный радиусы R_i и R₀ и рабочую лицевую сторону, содержащую рисунок из возвышающихся и рельефных структур;

вторую плиту, имеющую внутренний и наружный радиусы R_i и R₀ и рабочую лицевую сторону, содержащую рисунок из возвышающихся и рельефных структур;

в соответствии с чем выступающая в радиальном направлении область А для потока лигноцеллюлозного материала проходит от внутреннего радиуса R _i до наружного радиуса R₀ так, что

dA/dr<0 на отрезке от R_i до R_a,

dA/dr>0 на отрезке от R_a до R_b,

dA/dr<0 на отрезке от R_b до R₀,

где R _i<R_a<R_b<R₀.

23. Дисковый рафинер по п.22, в котором диаметр плит составляет, по меньшей мере, 36 дюймов, величина А частично определена проходящим в радиальном направлении зазором между противолежащими плитами, а dA/dr при радиусе непосредственно снаружи от R_a определяется сочетанием упомянутого зазора и перехода от относительно мелкого рисунка ножей и канавок на каждой из противолежащих плит на R_a к крупному рисунку ножей, канавок или углублений непосредственно снаружи R_a.

24. Пара противолежащих взаимодействующих рафинирующих элементов в виде плит, предназначенных для рафинера с плоскими дисками для размалывания и рафинирования лигноцеллюлозного материала в рафинирующем зазоре между двумя противолежащими вращающимися относительно друг друга рафинирующими дисками, в которой элементы в виде плит предназначены для их непосредственного расположения друг перед другом на противолежащих рафинирующих дисках, отличающаяся тем, что оба элемента в виде плит выполнены с внутренним кольцом, включающим в себя ножи и канавки, и периферийным кольцом, включающим в себя ножи и канавки, причем ножи и канавки на каждом из внутренних колец образуют внутреннюю область подачи, вслед за которой идет периферийная рабочая область, причем ножи и канавки на каждом периферийном кольце образуют внутреннюю область подачи, вслед за которой идет периферийная рабочая область, а зазор, образованный при установке одной плиты напротив другой, увеличивается между внутренней рабочей областью и периферийной областью подачи.

25. Пара рафинирующих элементов по п.24, отличающаяся тем, что канавки во внутренней рабочей области уже канавок периферийной области подачи.

26. Пара рафинирующих элементов по п.24, отличающаяся тем, что зазор увеличен около кольцевого пространства между внутренним и периферийным кольцами.

27. Пара противолежащих взаимодействующих рафинирующих элементов в виде плит, предназначенных для рафинера с плоскими дисками для размалывания и рафинирования лигноцеллюлозного материала в рафинирующем зазоре между двумя противолежащими вращающимися относительно друг друга рафинирующими дисками, в которой элементы в виде плит предназначены для их непосредственного расположения друг перед другом на противолежащих рафинирующих дисках и, таким образом, образуют проходящий в радиальном направлении путь для прохода потока материала, отличающаяся тем, что оба элемента в виде плит выполнены кольцом, включающим в себя ножи и канавки, и периферийным кольцом, включающим в себя ножи и канавки, причем ножи и канавки на каждом из внутренних колец образуют внутреннюю область подачи, вслед за которой идет периферийная рабочая область, а ножи и канавки на каждом периферийном кольце образуют внутреннюю область подачи, вслед за которой идет периферийная рабочая область, и площадь потока пути радиального потока, образованного в результате установки плит одна напротив другой, увеличивается между внутренней рабочей областью и периферийной областью подачи.

28. Пара рафинирующих элементов по п.27, отличающаяся тем, что канавки внутренней рабочей области уже канавок периферийной области подачи.

29. Пара рафинирующих элементов по п.27, отличающаяся тем, что зазор увеличен у кольцевого пространства между внутренним и периферийным кольцами.

30. Комбинированная плита, прикрепляемая к плоскому диску рафинера с вращающимися дисками, содержащая

внутреннее кольцо, снабженное внутренней областью подачи, образованной первым крупным рисунком ножей и канавок, и периферийной рабочей областью, образованной первым мелким рисунком ножей и канавок;

периферийное кольцо, снабженное внутренней областью, образованной вторым крупным рисунком ножей и канавок, и периферийной рабочей областью, образованной вторым мелким рисунком ножей и канавок; причем

канавки второго крупного рисунка ножей и канавок уже канавок первого крупного рисунка ножей и канавок, а канавки второго мелкого рисунка ножей и канавок уже канавок первого мелкого рисунка ножей и канавок.

31. Комбинированная плита по п.30, содержащая кольцевое пространство между внутренним и периферийным кольцами.

32. Комбинированная плита по п.31, в которой некоторые, но не все, ножи области подачи периферийного кольца проходят в упомянутое кольцевое пространство.

33. Комбинированная плита по п.30, в которой внутреннее и периферийное кольца являются отдельными компонентами.

34. Комбинированная плита по п.33, в которой внутреннее и периферийное кольца прикреплены к общему диску.

35. Комбинированная плита по п.30, в которой внутреннее и периферийное кольца выполнены за одно целое на общем основании.

36. Комбинированная плита по п.30,

имеющая общий радиус, проходящий к наружному краю периферийного кольца, каждое кольцо имеет соответствующую ширину в радиальном направлении; и

ширина в радиальном направлении внутреннего кольца меньше ширины в радиальном направлении периферийного кольца.

37. Комбинированная плита по п.36, в которой ширина в радиальном направлении внутреннего кольца меньше приблизительно 35% длины упомянутого общего радиуса.

38. Комбинированная плита по п.36, в которой

ширина в радиальном направлении области подачи внутреннего кольца больше ширины в радиальном направлении рабочей области внутреннего кольца; и

ширина в радиальном направлении области подачи периферийного кольца меньше ширины в радиальном направлении рабочей области периферийного кольца.

39. Комбинированная плита по п.38, в которой

рисунок ножей и канавок рабочей области периферийного кольца содержит, по меньшей мере, две зоны, причем одна из упомянутых зон граничит с областью подачи периферийного кольца, а другая из упомянутых зон граничит с наружным краем упомянутого периферийного кольца; и

рисунок ножей и канавок упомянутой одной зоны менее плотный, чем рисунок ножей и канавок упомянутой другой зоны.

40. Комбинированная плита по п.39, в которой рисунок ножей и канавок по всей рабочей области внутреннего кольца имеет равномерную плотность.

41. Комбинированная плита по п.36, в которой

рисунок ножей и канавок рабочей области периферийного кольца содержит, по меньшей мере, две зоны, причем одна из упомянутых зон граничит с областью подачи периферийного кольца, а другая из упомянутых зон граничит с наружным краем упомянутого периферийного кольца; и

рисунок ножей и канавок упомянутой одной зоны менее плотный, чем рисунок ножей и канавок упомянутой другой зоны.

42. Комбинированная плита по п.30, в которой крупный рисунок ножей и канавок внутренней области подачи периферийного кольца содержит множество изогнутых ножей.

43. Комбинированная плита по п.42, в которой ножи области подачи и рабочей области периферийного кольца имеют соответствующие высоты, а изогнутые ножи области подачи имеют высоту, большую высоты ножей рабочей области.

44. Комбинированная плита по п.30, в которой область подачи периферийного кольца имеет более крупный рисунок, чем рабочая область внутреннего кольца.

45. Способ термомеханического рафинирования древесной щепы при повышенных температуре и давлении, при котором

выдерживают щепу в среде пара для ее размягчения;

вымачивают и частично разволокняют размягченную щепу в сжимающем устройстве;

подают измельченную и частично дефибрированную щепу при повышенном давлении в первичный рафинер с вращающимися дисками, в котором

каждый из противолежащих дисков имеет рисунок ножей и канавок внутреннего кольца и рисунок ножей и канавок периферийного кольца;

каждое кольцо содержит внутреннюю область подачи и периферийную рабочую область;

по существу завершают разволокнение щепы в рабочей области внутреннего кольца;

фибриллируют волокна в рабочей области периферийного кольца, при котором генерируется пар;

поддерживают повышенное давление при упомянутой подаче путем направления части упомянутого генерированного пара вокруг рабочей области внутреннего кольца.

46. Способ по п.45, при котором кольца образуют в плитах, прикрепляемых к дискам, а при направлении части пара пропускают пар по каналу, выполненному в плите, в месте, находящемся по радиусу внутри периферийной рабочей области периферийного кольца.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу изготовления термомеханической древесной массы из лигноцеллюлозного сырья, в частности из древесной щепы, и к оборудованию для его осуществления.

За последние десятилетия качество механической древесной массы, получаемой способом термомеханической варки целлюлозы (ТМВЦ), было повышено, но растущая стоимость энергии, используемой в этих энергоемких технологиях, приводит к возникновению необходимости эффективного использования электроэнергии при сохранении качества продукции. Принцип, лежащий в основе дальнейшего развития достигнутых в последнее время усовершенствований в направлении эффективного использования энергии при сохранении качества, заключается в определении различий и в выполнении на специальном оборудовании таких операций, как осевая сепарация волокна и фибризация материала щепы, отличных от фибриллирования волокна для получения древесной массы. Упомянутые первыми этапы выполняют на предназначенном для этого оборудовании, располагаемом выше по ходу технологического процесса от рафинера, характеризующемся малым потреблением энергии, что согласуется с относительно низкой степенью переработки и сепарации волокна, тогда как рафинер, отличающийся большим потреблением энергии, освобождают от энергетически неэффективного процесса дефибризации, и это позволяет более эффективно использовать энергию, направляя ее целиком на выполнение функции фибриллирования. Это необходимо, так как процесс фибриллирования требует даже большей затраты энергии, чем процесс разволокнения древесины (известный также как дефибризация).

Эти усовершенствования действительно позволили повысить эффективность использования энергии, особенно в оборудовании, где применяют высокоскоростные диски. Однако, что особенно касается оборудования, в котором не применяли высокоскоростные рафинеры, эффективность использования энергии в долгосрочном плане была в некоторой мере затенена краткосрочной потребностью в более дорогом или занимающем большие производственные площади оборудовании, располагаемом выше по ходу технологического процесса от первичного рафинера.

Задачей изобретения является создание конструкции плиты рафинера, посредством которой можно осуществлять выработку высококачественной термомеханической древесной массы (ТМДМ) при более низком потреблении энергии.

В основном, с помощью изобретения достигают существенного повышения эффективности использования энергии даже там, где в оборудовании не применяют высокоскоростной рафинер, так как уменьшают объем и сложность необходимого оборудования, располагаемого выше по ходу технологического процесса от рафинера.

Указанная задача решается посредством создания устройств согласно пунктам 1-44 формулы изобретения и способа согласно пунктам 45-46 формулы изобретения.

В широком смысле изобретение направлено на создание элементов в виде плит, конструкции плиты и соответствующей установки для термомеханического рафинирования древесной щепы, в которой измельченную и частично разволокненную щепу подают в первичный рафинер с вращающимися дисками и в которой каждый из противолежащих дисков содержит рисунок ножей и канавок внутреннего кольца и рисунок ножей и канавок периферийного кольца, причем конструкция их такова, что посредством этого достигают по существу полного разволокнения (дефибрации) щепы во внутреннем кольце, а полученное при этом волокно фибриллируют в периферийном кольце.

Один вариант воплощения направлен на создание пары противолежащих взаимодействующих рафинирующих элементов в виде плит, предназначенных для рафинера с плоскими дисками для измельчения и рафинирования лигноцеллюлозного материала в рафинирующем зазоре между двумя противолежащими вращающимися относительно друг друга рафинирующими дисками, при этом элементы в виде плит предназначены для расположения непосредственно один перед другим на противолежащих дисках, причем усовершенствование заключается в том, что оба элемента в виде плит выполнены с внутренним кольцом, включающим ножи и канавки, и периферийным кольцом, включающим ножи и канавки, причем ножи и канавки каждого из внутренних колец образуют внутреннюю область подачи, за которой следует периферийная рабочая область, причем ножи и канавки каждого из периферийных колец образуют внутреннюю область подачи, вслед за которой идет периферийная рабочая область, и зазор и/или пространство для потока материала, образующиеся при установке плит друг перед другом, увеличиваются между внутренней рабочей областью и периферийной областью подачи.

Предпочтительно, чтобы рабочая область внутреннего кольца была образована первым рисунком чередующихся ножей и канавок, а область подачи периферийного кольца была образована вторым рисунком чередующихся ножей и канавок. Первый рисунок рабочей области внутреннего кольца содержит относительно более узкие канавки, чем канавки второго рисунка области подачи периферийного кольца так, что создается разрыв в геометрии. Разволокнение щепы по существу завершают в рабочей области внутреннего кольца посредством малоинтенсивного рафинирования; тогда как фибриллирование волокна выполняют в рабочей области периферийного кольца при меньшем зазоре между плитами и посредством более высокой интенсивности рафинирования.

Связанный с этим способ предпочтительно содержит следующие этапы: выдерживания щепы в среде пара для размягчения щепы; измельчения при сжатии и обезвоживание размягченной щепы до концентрации, большей примерно 55%; разбавления измельченной и обезвоженной щепы до концентрации в пределах около 30-55%; подачу разбавленной измельченной щепы в рафинер с вращающимися дисками, в котором каждый из противолежащих дисков имеет рисунок ножей и канавок внутреннего кольца и рисунок ножей и канавок периферийного кольца; разволокнения (дефибрацию) щепы в зоне внутреннего кольца и фибриллирования полученного волокна в зоне периферийного кольца.

Измельчение при сжатии, обезвоживание и разбавление можно производить в одном интегрированном объекте оборудования, расположенном непосредственно выше по ходу технологического процесса от первичного рафинера, при этом разволокнение и фибриллирование производят только одним комплектом вращающихся относительно друг друга дисков в первичном рафинере.

Было показано, что применение нового упрощенного способа рафинирования термомеханической древесной массы, в котором сочетают использование измельчающего шнекового разгрузчика с подпором и разволокняющих плит, позволяет эффективно улучшить качество термомеханической древесной массы при сопоставимых расходах энергии в сравнении с обычными способами изготовления термомеханической древесной массы. Применение способа позволяет улучшить соотношение: свойства древесной массы/расход энергии, по меньшей мере, при использовании установки для изготовления термомеханической древесной массы и рафинирующей установки для изготовления термомеханической древесной массы, в которой обеспечивают малую продолжительность удерживания при высоком давлении. Установки, в которых обеспечивают малую продолжительность удерживания при высоком давлении, обычно работают при избыточном давлении в пределах 75-95 фунт/кв.дюйм либо при стандартных, либо при более высоких скоростях вращения диска рафинера.

Эффективность дефибрации, осуществляемой посредством внутреннего кольца, повышается при более высоком давлении во время рафинирования. Степень дефибрации дополнительно повышается с увеличением скорости вращения диска рафинера.

Термомеханическая древесная масса, полученная с применением удерживающих периферийных колец, обладает более высокими общими показателями прочностных свойств по сравнению с древесной массой, полученной с применением вытесняющих периферийных колец. При использовании последней конфигурации требовалось меньше энергии для достижения заданной садкости (степени помола) и обеспечения более низкого содержания пучков волокон.

Удельная экономия энергии при обеспечении заданной садкости и при использовании предложенного согласно изобретению способа в сочетании с применением вытесняющих периферийных колец составляла 15-32% в сравнении с контрольными экспериментами по получению термомеханической древесной массы и экспериментами на установке, в которой обеспечивают малую продолжительность удерживания при более высоком давлении.

В большинстве случаев ножи и канавки в рабочей зоне периферийных колец (в зоне фибриллирования) должны быть меньших размеров, чем в рабочей зоне внутренних колец (в зоне дефибрации). Для изготовления механической древесной массы волокно должно быть сначала дефибрировано (т.е. отделено от древесной структуры), а затем фибриллировано (т.е. должен быть отделен материал стенки волокна). Ключевая особенность этого изобретения заключается в том, что в рабочей зоне внутренних колец в основном производят дефибрацию, а в рабочей зоне периферийных колец в основном производят фибриллирование. Существенный аспект новизны изобретения заключается в максимизации разделения этих двух процессов в одной машине и достижении посредством этого более эффективной оптимизации длины волокна и свойств древесной массы при эффективном использовании энергии. Так как дефибрацию в зоне внутренних колец производят посредством перерабатывания относительно крупно измельченной щепы, то в связанной с этим рабочей области рисунок ножей и канавок не может быть очень мелким. В противном случае измельченная щепа не будет должным образом проходить по канавкам внутренних колец и не будет распределяться равномерно. Дефибрированный материал, поступающий в область подачи периферийного кольца от внутреннего кольца и распределяемый по рабочей области периферийного кольца, является относительно более мелким, чем тот, который находится во внутреннем кольце подачи и, следовательно, рисунок ножей и канавок рабочей области периферийного кольца может быть более мелким, чем во внутреннем кольце. Другое преимущество изобретения заключается в том, что происходит более равномерное распределение материала (т.е. более полное покрытие волокном плит рафинера) как во внутренних кольцах, так и в периферийных кольцах по сравнению с обычными процессами. Улучшенная подача означает большую стабильность подачи, что способствует уменьшению колебаний при загрузке рафинера, что, в свою очередь, способствует поддержанию более равномерного качества древесной массы.

Для совместимости с обычными установками для получения термомеханической древесной массы комбинированные плиты согласно настоящему изобретению могут быть модифицированы для обеспечения возможности обратного потока пара несмотря на более плотный зазор в рабочей области внутренней плиты. В основном, по меньшей мере, одна из противолежащих плит может содержать канал для обратного потока пара для направления некоторого количества пара из периферийного зазора во внутренний зазор у внутренней области подачи или для подачи его еще выше по ходу технологического процесса, в то же время обходя внутренний зазор у внутренней рабочей области.

Важное преимущество настоящего изобретения заключается в снижении до минимума времени удерживания на каждом функциональном этапе всего процесса получения термомеханической древесной массы. Это оказалось возможным потому, что значительно уменьшены размеры частиц волокнистого материала на каждом этапе процесса так, что при рабочих давлениях можно почти мгновенно нагревать и размягчать волокно до требуемого уровня. Способ можно рассматривать как процесс, включающий три функциональных этапа: (1) приготовление измельченной щепы; (2) дефибрация измельченной щепы; и (3) фибриллирование дефибрированного материала. Конструкция оборудования должна быть такой, чтобы обеспечивать минимальное время удерживания на участке от разгрузки из вымачивающего шнекового разгрузчика с подпором на этапе (1) до впуска рафинера. Устройство подачи рафинера (например, ленточное подающее устройство или боковое подающее устройство) действует почти мгновенно, обеспечивая начало этапа (2) во внутренних кольцах. Конструкция внутренних колец должна быть такова, чтобы обеспечивать время удерживания материала, при котором он проходил бы без задержек. Конструкция некоторых внутренних колец может содержать более длинные, чем другие, участки для эффективной дефибрации, но чистое время удерживания все равно меньше, чем если бы разволокнение производили в отдельном компоненте. Дефибрированный материал почти мгновенно проходит к периферийному кольцу, где выполняется этап (3). Здесь также время удерживания является малым. Реальное время удерживания в периферийном кольце определяется конструкцией плит, выбираемых из соображений оптимизации свойств древесной массы и потребления энергии. Преимуществом этого очень малого удерживания (минимального) на каждом этапе процесса (при достижении необходимого умягчения волокна для поддержания прочностных свойств древесной массы) является обеспечение максимальных оптических свойств. Ключевая особенность этих плит заключается в том, что они содержат внутреннее кольцо для дефибрации, и периферийное кольцо для фибриллирования, и область разрыва между кольцами, за счет чего образуется область релаксации.

В установке, описанной в Международной заявке на патент PCT/US2003/022057, в которой измельченную щепу дефибрировали в меньшем разволокняющем рафинере перед подачей материала в основной первичный рафинер для фибриллирования, давления были намного ниже на этапе разволокнения (дефибрации). Время удерживания при разволокнении под давлением было значительно более продолжительным в полностью отдельном рафинере. Было желательным поддерживать более низкую температуру, чтобы способствовать сохранению степени белизны древесной массы, так как низкая интенсивность рафинирования была слабой. По этой причине высокие температуры не были как необходимыми, так и желательными в отдельном разволокняющем рафинере для сохранения прочности древесной массы. В настоящем изобретении разволокнение и фибриллирование выполняют в том же самом корпусе рафинера под давлением. Интенсивность рафинирования в зоне разволокнения (дефибрации) внутреннего кольца все равно остается низкой, а достигается она при высоком давлении и малом времени удерживания. Отсутствует отрицательное воздействие на степень белизны несмотря на высокое давление (температуру) благодаря столь малой продолжительности времени удерживания. Это явление аналогично эффекту малого времени удерживания при предварительном нагреве при высокой температуре, описанному в патенте США № 5776305.

Когда настоящее изобретение осуществляют на установке, на которой обеспечивают малое время удерживания и высокое давление при рафинировании, нет необходимости в отдельном конвейере с предварительным нагревом непосредственно выше по ходу технологического процесса от устройства подачи рафинера, так как измельченная щепа быстро нагревается при обычной транспортировке от заглушаемого пробкой шнекового разгрузчика к рафинеру. Избыточное давление в окружающей среде на участке от объема или камеры расширения к вращающимся дискам равно избыточному рабочему давлению в рафинере, например 75-95 фунт/кв.дюйм, а «время удерживания» при соответствующей температуре пропитки при транспортировке на участке между заглушаемым пробкой шнековым разгрузчиком и рафинером составляет существенно меньше 10 секунд, предпочтительно в пределах 2-5 секунд, что соответствует предпочтительному времени удерживания при предварительном нагреве при рафинировании с применением установки, в которой обеспечивают малое время удерживания и высокое давление.

В более общей форме преимущество способа в достижении эффективного использования энергии при производстве качественной термомеханической древесной массы при минимальных периодах времени на каждом этапе осуществления способа может быть достигнуто на широком ряде установок для рафинирования и включает дополнительное преимущество, заключающееся в минимизации требуемых компонентов, производственного пространства и стоимости оборудования для осуществления способа. Геометрия со сдвоенными кольцами с областью разрыва плит рафинера согласно одному аспекту изобретения может быть использована в установках различных типов с плоскими плитами без ограничения применения, а наоборот, включая рафинеры с однонаправленными плоскими вращающимися в противоположных направлениях дисками, и рафинеры типа «два в одном», и двухдисковые рафинеры.

Фиг.1 - схематический вид установки с рафинером для производства термомеханической древесной массы согласно настоящему изобретению;

Фиг.2А и 2В - схематические альтернативные варианты воплощения вымачивающего шнекового разгрузчика с подпором со средствами для ввода разбавителя, предназначенные для использования в настоящем изобретении;

Фиг.3 - схематический вид части плиты диска рафинера, на котором показано внутреннее разволокняющее кольцо и отдельное периферийное фибриллирующее кольцо;

Фиг.4А и 4В - вид пары примеров внутренних разволокняющих колец для ротора и статора соответственно, содержащих наклоненные ножи и канавки;

Фиг.5 - взаимное расположение пары внутренних разволокняющих колец и пары периферийных фибриллирующих колец в области перехода;

Фиг.6А и 6В - вид другого примера пары разволокняющих колец, содержащих по существу радиально расположенные ножи и канавки;

Фиг.7А и 7В - вид примера периферийного фибриллирующего кольца (виды спереди и сбоку соответственно);

Фиг.7C, 7D и 7E - сечения ножей и канавок в периферийной, средней и внутренней зонах соответственно;

Фиг.8А, 8В и 8С - вид другого примера периферийного фибриллирующего кольца (вид спереди и разрезы соответственно);

Фиг.8D - вид примера периферийного кольца для роторного диска, содержащего изогнутые ножи для подачи (виды сбоку и спереди соответственно);

Фиг.8Е - вид примера противолежащего периферийного кольца для статора (виды сбоку и спереди соответственно), которое используют с периферийным кольцом, показанным на Фиг.8D;

Фиг.9 - схематический вид плиты, которую использовали в лабораторных исследованиях для моделирования и измерения рабочих характеристик внутренней разволокняющей плиты;

Фиг.10 - схематический вид плиты, которую использовали в лабораторных исследованиях для моделирования и измерения рабочих характеристик периферийной фибриллирующей плиты;

Фиг.11-18 - диаграммы, иллюстрирующие показатели свойств древесной массы, полученной при выполнении различных серий экспериментов при данном исследовании;

Фиг.19 - вид внутренней пары колец для ротора и статора, содержащей проход во внутреннем кольце для статора для направления обратного потока пара, генерируемого при рафинировании;

Фиг.20 - вид, подобный показанному на Фиг.19, на котором представлен другой вариант воплощения направления обратного потока пара по каналу в диске, несущем внутреннее кольцо для статора;

Фиг.21 - вид, подобный показанному на Фиг.19, на котором представлен другой вариант воплощения направления обратного потока пара через канавки на поверхности рабочей области внутреннего кольца;

Фиг.22 - вид, подобный показанному на Фиг.4В, с добавлением канавок для реверсного потока пара на лицевой стороне рабочей области внутреннего кольца согласно варианту воплощения, показанному на Фиг.21.

На Фиг.1 изображена установка 10 рафинера для производства термомеханической древесной массы согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения. В стандартный заглушаемый пробкой шнековый питатель 12 подают при атмосферных условиях предварительно пропаренную (умягченную) щепу от источника S при избыточном атмосферном давлении Р ₁=0 и перемещают предварительно пропаренную древесную щепу при избыточном давлении Р₂=0 к паровой трубе 14, где щепу подвергают воздействию насыщенного пара при давлении Р ₃. В зависимости от конструкции установки избыточное давление Р₃ может быть в диапазоне от атмосферного до около 15 фунт/кв.дюйм или в диапазоне около 15-25 фунт/кв.дюйм при периодах времени удерживания в пределах от нескольких секунд до нескольких минут. Щепу подают в вымачивающий заглушаемый пробкой шнековый разгрузчик 16 с подпором.

Вымачивающий заглушаемый пробкой шнековый разгрузчик 16 с подпором содержит впускную часть 18, находящуюся под избыточным давлением Р ₄ в диапазоне 5-25 фунт/кв.дюйм для приема пропаренной щепы. Предпочтительно, чтобы избыточное давление на впуске Р ₄ вымачивающего шнекового разгрузчика с подпором было таким же, как и давление Р₃ в паровой трубе 14. Вымачивающий шнековый разгрузчик с подпором содержит рабочее отделение 20, в котором щепу подвергают обезвоживанию и вымачиванию под воздействием больших механических сжимающих сил в среде насыщенного пара, и выпускную часть 22, где вымоченную, обезвоженную и спрессованную щепу выгружают в виде выдержанной щепы в область или камеру расширения при давлении Р₅, в которой выдержанная щепа расширяется. В выгружающей части шнекового устройства имеются форсунки или подобные средства для подачи пропиточной жидкости и воды для разбавления, где вода для разбавления проникает в расширяющуюся щепу и вместе со щепой в патрубке 24 для подачи образует материал для подачи в рафинер с концентрацией твердого вещества в диапазоне около 30-55%. В альтернативном варианте осуществления, особенно в тех случаях, если не требуется пропитка, а только разбавление, то разбавление может быть осуществлено в камере разбавления, соединенной с вымачивающим шнековым разгрузчиком, но не обязательно выполненной за одно целое с ним. В данном контексте вымачивание или измельчение щепы означает, что осевое отделение волокна превышает примерно 20%, но при этом не происходит фибриллирование.

Первичный рафинер 26 для переработки массы высокой концентрации содержит диски, вращающиеся относительно друг друга, в корпусе 28, в котором поддерживают давление Р₅, причем на каждом диске имеется рабочая плита, и рабочие плиты расположены в противолежащих соосных положениях, таким образом образуя пространство, проходящее по существу радиально наружу от внутреннего края дисков к периферийному краю дисков. Каждая плита содержит в радиальном направлении внутреннее кольцо и периферийное кольцо, причем каждое кольцо имеет рисунок чередующихся выступов и канавок. Рисунок внутреннего кольца содержит выступы и канавки относительно большего размера, а рисунок периферийного кольца содержит выступы и канавки относительно меньшего размера. С помощью устройства 30 подачи рафинера, например ленточного устройства подачи, принимают подаваемый материал из зоны разбавления, связанной с вымачивающим шнековым разгрузчиком с подпором (непосредственно или посредством промежуточного резервного контейнера), и подают материал под давлением Р ₅ в пространство между дисками по существу у внутреннего края дисков. Как описано более подробно ниже, с помощью внутреннего кольца завершают разволокнение (дефибрацию) материала щепы, а с помощью периферийного кольца выполняют фибриллирование волокна.

Установка может быть встроена в обычную установку для производства термомеханической древесной массы или в установку, в которой обеспечивают малую продолжительность удерживания при высоком давлении. Этот диапазон условий осуществления способа или работы компонентов может быть представлен в виде следующей Таблицы:

Таблица Диапазон условий работы установки в соответствии с объемом изобретения
Условия в компоненте	Диапазон	Предпочтительный диапазон
Избыточное давление Р1 (источник щепы S), фунт/кв.дюйм	0	0
Давление Р2 (на выпуске из заглушаемого пробкой шнекового питателя 12), фунт/кв.дюйм	0-30	0-30
Избыточное давление Р2 (в паровой трубе 14), фунт/кв.дюйм	0-30	0-30
Время удерживания в паровой трубе 14, сек	10-180	10-40
Избыточное давление Р4 (на впуске вымачивающего шнекового разгрузчика 16 с подпором), фунт/кв.дюйм	0-30	0-30
Время обработки в вымачивающем шнековом разгрузчике 16 с подпором, сек	<15	<15
Избыточное давление Р5 (в камере расширения 22, подающем устройстве 30 рафинера и корпусе 28), фунт/кв.дюйм	30-95	75-95
Время набухания в камере расширения 22, подающем устройстве 30 рафинера и корпусе 28, сек	<10	<10

На Фиг.2А и 2В схематически изображен вымачивающий шнековый разгрузчик 16 с подпором с приспособлением для инжекции разбавителя, пригодный для использования в настоящем изобретении. Согласно варианту воплощения, представленному на Фиг.2А, щепа 32 показана в центральной обезвоживающей части рабочего отделения 20, где диаметры перфорированной трубчатой стенки 34, вращаемого соосного вала 36 и витков 38 шнека постоянны. Пробку 40 из щепы формируют в части для образования пробки в рабочем отделении, следующем непосредственно за частью, в которой производят обезвоживание, где стенка не перфорирована и вал шнека не содержит витков, но диаметр вала существенно увеличивается, в результате чего получается зауженное поперечное сечение прохода для потока и, таким образом, высокое обратное давление, благодаря которому улучшают процесс выдавливания жидкости из щепы через дренажные отверстия, выполненные в стенке центральной части. Ограничение потока и вымачивающий эффект могут быть еще больше усилены или отрегулированы путем использования трубчатой ограничительной вставки (не показана), вводимой внутрь неперфорированной стенки, или жестких стержней, или подобных средств (не показаны), выступающих из стенки внутрь сжатого в пробке материала. Пробку сильно сжимают, воздействуя механическим давлением, обычно

составляющим 1000-3000 фунт/кв.дюйм или больше. Большая часть, если не все, вымачивания происходит в пробке. Щепу по существу полностью размалывают, при этом ее частично дефибрируют, причем доля дефибрированного волокна составляет свыше приблизительно 20%, обычно достигая 30% или более.

В конце пробки разгрузочная часть 22 вымачивающего шнекового разгрузчика с подпором имеет увеличенную площадь поперечного сечения, образованную между расширяющейся наружу стенкой 42 и противолежащей отстоящей конической поверхностью 44 спускного клапана 46. Положение спускного клапана 46 можно регулировать в осевом направлении от закрытого положения, уплотненного в коническом углублении 48 в конце вала 36 вымачивающего шнекового разгрузчика с подпором, до максимально открытого положения. Этим способом можно регулировать площадь сечения потока в зоне 50 или объеме расширения, в то же время поддерживая мягкое уплотнение в зоне 52 посредством материала щепы между клапаном, противостоящим наружному краю расширяющейся стенки, которое можно регулировать в ответ на давление в переходном режиме перепада давления между патрубком 24 для подачи и вымачивающим шнековым разгрузчиком 16 с подпором.

В зону 50 расширения подают пропиточную жидкость под высоким давлением, либо через множество напорных шлангов 54 и соединенных с ними форсунок (как показано на чертеже), либо посредством кругового кольца под давлением. Обезвоженная щепа, поступающая в зону 50 расширения, быстро поглощает пропиточную жидкость и расширяется, способствуя образованию слабо уплотненной зоны в конце зоны расширения.

На Фиг.2В представлен альтернативный вариант воплощения, в котором пропитку в зоне 50 расширения обеспечивают путем выполнения отверстий 56 для потока жидкости в лицевой поверхности конического спускного клапана и в котором жидкость может быть подана по напорным шлангам через вал 58 спускного клапана.

Патрубок 24 для подачи предпочтительно представляет собой вертикальный патрубок гравитационного действия, предназначенный для направления и смешивания разбавленной щепы из вымачивающего шнекового разгрузчика 16 с подпором к устройству 30 подачи рафинера. Однако следует иметь в виду, что давление Р₅ в патрубке 24 для подачи является тем же давлением, что и в устройстве 30 подачи и в корпусе 28 рафинера. Небольшой подъем или падение давления могут быть желательными между устройством 30 подачи рафинера и корпусом 28 рафинера, что обычно наблюдается на практике при изготовлении термомеханической древесной массы, несмотря на то что избыточное давление во всей этой области вслед за вымачивающим шнековым разгрузчиком с подпором до корпуса рафинера обычно существенно превышает 30 фунт/кв.дюйм, обычно выше 45 фунт/кв.дюйм, что намного выше давления Р₄ пара на впуске вымачивающего шнекового разгрузчика с подпором. Однако пробку 40 так сильно механически сжимают, что даже при избыточном давлении в патрубке, достигающем 95 фунт/кв.дюйм или больше, сжатая пробка быстро расширяется в зоне расширения из-за расширения пор в волокнах в несжатом состоянии. Поэтому можно считать, что патрубок для подачи может выполнять функцию камеры расширения и вносить свой вклад в эффективность объема расширения. Специалисты в данной области могут легко изменить конструкцию и взаимоотношения зоны расширения и патрубка для подачи так, чтобы расширение и разбавление происходило преимущественно в предназначенной для этого камере расширения, присоединенной к вымачивающему шнековому разгрузчику с подпором, но не выполненной с ним за одно целое.

В качестве примера, но не ограничения, концентрация в зоне трубы для образования пробки обычно находится в диапазоне 58-65%, а в зоне расширения со средствами пропитки и разбавления - в диапазоне около 30-55%. Кроме того, целью является достижение оптимальной концентрации для рафинирования, обычно в диапазоне около 35-55%, при подаче в устройство подачи для ввода между плитами рафинера.

На Фиг.3 схематически показаны части дисковой плиты 100 рафинера, на котором показано внутреннее разволокняющее кольцо 102 и периферийное фибриллирующее кольцо 104. Каждое кольцо может представлять собой отдельный элемент плиты, прикрепляемый к диску, или кольца могут быть выполнены за одно целое на общем основании, прикрепляемому к диску. Каждое кольцо содержит внутреннюю область 106, 108 подачи и периферийную рабочую область 110, 112. Рабочая (дефибрационная) область внутреннего кольца образована первым рисунком чередующихся ножей 114 и канавок 116, а область подачи периферийного кольца образована вторым рисунком чередующихся ножей 118 и канавок 120. С помощью очень крупных ножей 122 и канавок 124 в области 106 подачи внутреннего кольца направляют предварительно измельченную щепу в дефибрационную область 110 значительно более узких ножей и канавок. Разволокненный материал затем перемешивается и пересекает переходное кольцевое пространство 126, где он проходит в область 108 подачи периферийного кольца. В основном, первый рисунок рабочей области 110 внутреннего кольца содержит относительно более узкие канавки, чем канавки второго рисунка области 108 подачи периферийного кольца. Рабочая (фибриллирующая) область 112 периферийного кольца имеет рисунок ножей 128 и канавок 130, в котором канавки 130 уже канавок 116 рабочей области 110 внутреннего кольца.

Более крупные ножи и канавки области 106 подачи внутреннего кольца одного диска могут быть наложены на область подачи противолежащего диска, не содержащую ножей и канавок, поскольку форма траектории подаваемого потока такова, что позволяет легко направлять подаваемый материал с ленточного устройства подачи в рабочую область 110 противолежащих внутренних дисков. Таким образом, каждое внутреннее кольцо 102 имеет периферийную разволокняющую область 110 с рисунком чередующихся ножей и канавок 114, 116, но связанная с ней внутренняя область 106 не обязательно содержит рисунок из ножей и канавок. Периферийная область 112 фибриллирующего кольца 104 может содержать множество радиально упорядоченных зон, например 132, 134, и/или множество отличающихся, но чередующихся в поперечном направлении областей, хорошо известных как «рафинирующие зоны» в рафинерах для производства термомеханической древесной массы, например 136, 138. Периферийное кольцо 104 (см. Фиг.3) содержит внутреннюю область 108 подачи чередующихся ножей и канавок, а рабочая область 112 содержит первый рисунок чередующихся ножей и канавок 128, 130, имеющий вид повторяющихся в поперечном направлении трапеций в зоне 132, и другой рисунок чередующихся ножей и канавок 140, 142, имеющий вид повторяющихся в поперечном направлении трапеций в зоне 134, которая проходит до наружного края 144 плиты.

Кольцевое пространство 126 между внутренним и периферийным кольцами 102, 104 может быть совершенно свободным или, как показано на Фиг.3, некоторые из ножей, например ножи области 146 подачи периферийного кольца, могут проходить в кольцевое пространство. Кольцевым пространством 126 ограничены размеры внутреннего и периферийного колец в радиальном направлении, причем ширина внутреннего кольца 102 в радиальном направлении меньше ширины периферийного кольца 104 в радиальном направлении, предпочтительно меньше приблизительно на 35% всего радиуса плиты от внутреннего края 148 внутреннего кольца 102 до наружного края 144 периферийного кольца 104. Кроме того, ширина области 106 подачи внутреннего кольца 102 в радиальном направлении больше ширины рабочей области 110 внутреннего кольца в радиальном направлении, тогда как ширина области подачи 108 периферийного кольца 104 в радиальном направлении меньше ширины рабочей области 112.

Измельченную и частично разволокненную щепу подают во внутреннюю область 106 подачи, где не происходит существенного дополнительного разволокнения, а материал подают в рабочую область 110, где посредством малоинтенсивного воздействия ножей и канавок 114, 116, эффективного в отношении использования энергии, разволокняют по существу весь материал. Такие плиты могут быть использованы в качестве сменных плит в рафинерах, которые могут не содержать связанного с ними вымачивающего разгрузчика с подпором. Если используют вымачивающий шнековый разгрузчик с подпором, то сочетание полного измельчения и частичного разволокнения вместе с сильным нагревом выше по ходу технологического процесса от рафинера позволяет конструктору плиты минимизировать ширину в радиальном направлении и минимизировать использование энергии в рабочей области 110 внутреннего кольца для завершения процесса разволокнения. Рисунок ножей и канавок 114, 116 и ширину рабочей области 110 можно изменять для регулирования интенсивности и времени удерживания. Даже при меньшем, чем идеальный, уровне измельчения выше по ходу технологического процесса и частичном разволокнении конструктор плиты может увеличить ширину внутренней рабочей зоны 110 в радиальном направлении и выбрать рисунок, который позволял бы удерживать материал в некоторой степени для обеспечения улучшенной разработки, в то же время все еще достигая удовлетворительной степени фибриллирования в уменьшенном высокоинтенсивном периферийном кольце 112 и общей экономии энергии для получения заданного качества первичной древесной массы.

Комбинированная плита, показанная на Фиг.3, является лишь одним из примеров ее воплощения. На Фиг.4 и 6 показаны другие возможные варианты областей внутренних колец. На Фиг.4А показано одно внутреннее кольцо 150А, а на Фиг.4В - противолежащее внутреннее кольцо 150В. На Фиг.5 схематически показано взаимное расположение противолежащих внутренних колец 150А и 150В с частями связанных с ними периферийных колец 152А и 152В в том виде, как их устанавливают в рафинере. Зазор 154 для подачи между внутренними кольцами предпочтительно выполняют изогнутым для изменения направления подаваемого материала, поступающего в проем дисков, с осевого направления транспортирования на радиальное направление рабочего зазора 156 между внутренними кольцами. Предпочтительно, чтобы ножи питателя (очень крупные ножи) отстояли друг от друга на расстоянии, большем размера материала в подаваемой массе. Например, наименьший из трех размеров, определяющих размер щепы (толщина щепы), обычно составляет 3-5 мм. Такое условие выбирают для того, чтобы исключить жесткий удар, в результате которого происходило бы повреждение волокна в древесной матрице. В большинстве примеров минимальный зазор 154 во время работы должен составлять 5 мм. Единственной функцией более крупных ножей питателя является обеспечение периферийной части внутреннего кольца адекватным распределением подаваемой массы, и они не должны оказывать обрабатывающего воздействия на щепу. Ножи питателя располагают на внутреннем кольце ротора, а их наличие на внутреннем кольце статора совсем не обязательно.

Следует иметь ввиду, что геометрия обычной плиты, используемой в рафинере с плоскими дисками, имеет радиус, проходящий от внутреннего до наружного краев плиты. Две плоские плиты образуют противолежащую пару после их установки в рафинере, причем каждая имеет рабочую лицевую сторону, включающую в себя рисунок рельефной структуры (например, содержит ножи, канавки, углубления), которые при рассмотрении в перпендикулярном оси направлении, как показано на Фиг.5, образуют проходящий в радиальном направлении рафинирующий зазор между плитами. Зазор имеет профиль, который изменяется в направлении от внутреннего края к наружному краю плит. Зазор, а также профиль зазора ограничены размером между верхними поверхностями противолежащих выступающих структур (ножей) и непосредственно оказывает влияние на величину площади для прохода потока материала, когда его пропускают в радиальном направлении между плитами. В любом положении в радиальном направлении общая площадь для прохода потока включает площадь поперечного сечения любых углублений или канавок между ножами. Общее изменение площади прохода для потока, включая зазор, между плитами обычных плоских дисков может быть выражена как dA/dr<0 по всему радиальному расстоянию R_i внутреннего края до R₀ наружного края плиты.

Согласно настоящему изобретению скорость изменения площади для прохода потока можно выразить следующими выражениями:

dA/dr<0 на отрезке от R_i до R_a,

dA/dr>0 на отрезке от R_a до R_b,

dA/dr<0 на отрезке от R_b до R₀,

где R_i<R_a<R_b<R ₀.

Увеличение площади в диапазоне между R_a и R_b можно понимать как разрыв или объем релаксации между или на переходе от внутренних к периферийным кольцам у области подачи периферийного кольца. Материал, который был дефибрирован в рабочей области внутреннего кольца, поступает в объем релаксации, где он смешивается и распределяется под воздействием ножей для подачи и канавок в области подачи периферийного кольца.

Профиль зазора (см. Фиг.5) содержит транспортирующий внутренний участок 154 подачи, за которым следует зазор 156 внутренней рабочей области, предпочтительно сходящийся в направлении к внутреннему минимальному зазору, который может проходить в радиальном направлении в виде по существу постоянного зазора. После схождения на 10-30% на расстоянии до 1 дюйма зазор в рабочей области достигает минимума в диапазоне около 1,5-3,0 мм, а предпочтительно около 2,0 мм. Ширина канавки в этой рабочей области меньше примерно 4,0 мм, а предпочтительно не больше примерно 3,0 мм. Ориентация канавки предпочтительно способствует нагнетанию наружу материала по мере его разволокнения. Далее следует прерывистый переходный участок 160, после которого происходит резкое увеличение зазора до размера, превышающего 4,0 мм, связанного с областью подачи периферийного кольца. Этот зазор может сходиться в области подачи, и вслед за ним идет периферийный рабочий участок, который сходится в радиальном направлении к минимальному периферийному фибриллирующему зазору в диапазоне 0,5-1,0 мм. Зазор имеет проходящую в радиальном направлении прямолинейную среднюю линию, идущую от входа во внутреннюю рабочую область к выходу периферийной рабочей области.

Внутренний участок подачи зазора включает крупную лицевую структуру, содержащую крупный рисунок ножей для подачи и канавок, тогда как внутренний рабочий участок содержит относительно более мелкий разволокняющий рисунок ножей и канавок. Переходный участок, в котором достигают эффекта разрыва или релаксации, может включать в себя другой крупный рисунок питателя, содержащий ножи и канавки, тогда как периферийный рабочий участок содержит относительно более мелкий, фибриллирующий рисунок ножей и канавок. Во многих вариантах воплощения канавки в рабочей области внутреннего кольца должны быть меньше канавок в области подачи наружного кольца. Канавки в рабочей области внутреннего кольца должны быть крупнее канавок в рабочей области периферийного кольца. В основном, интенсивность воздействия, которую испытывает материал в рабочей области внутреннего кольца, меньше интенсивности, которую испытывает материал в рабочей области периферийного кольца.

Следует иметь в виду, что площадь для прохода потока увеличивается в зоне перехода и может быть обеспечена путем сочетания изменения ширины зазора и канавок. Если увеличение зазора большое, то область подачи периферийного кольца не обязательно крупнее рабочей области внутреннего кольца. Увеличение площади для прохода потока для релаксации материала dA/dr>0 наступает непосредственно после минимальной ширины зазора разволокняющей области (где площадь А также минимальна в разволокняющей области). Увеличение площади релаксации может быть достигнуто любым одним или большим количеством способов, включая: (а) выполнение противолежащих гладких кольцевых углублений в обеих плитах, расположенных радиально между внутренними и периферийными кольцами; (b) выполнение гладкого кольцевого углубления в одной плите и противоположных крупных и/или скошенных заходов некоторых ножей периферийного питателя на противоположной плите (см. Фиг.8D и Е); (с) выполнение кольцевой конфигурации на каждой из противолежащих плит и заходов некоторых ножей периферийного питателя (см. Фиг.7); (d) не выполнение кольцевой конфигурации, а выполнение крупных ножей питателя со скосами или без них или мелких ножей питателя с заходным скосом на всех ножах питателя.

В варианте воплощения, показанном на Фиг.4, ножи и канавки на внутреннем кольце располагают под углом к радиусу, благодаря чему препятствуют образованию потока свободной конфигурации во внутреннем кольце и способствуют увеличению времени удерживания, если ее вращают влево, или ускорению потока, если ее вращают вправо. В варианте воплощения, показанном на Фиг.6, внутренние кольца 162А и 162В по существу ориентированы в радиальном направлении, что не способствует усилению, но и не способствует подавлению центробежных потоков.

Как показано на Фиг.3 и 5, ножи на впуске дефибрационой области, например периферийной области внутренних колец, содержат длинный скос 164 или имеют постепенно нисходящую клинообразную форму. В основном, вход в разволокняющий зазор 156 между внутренними кольцами является радиально направленным или близким к радиальному направлению (нет существенного разброса в переходе). Это также способствует предотвращению сильных ударов по древесной щепе. Наклон скоса должен составлять, как правило, перепад в 5 мм по высоте на расстоянии в 15-50 мм в радиальном направлении. Результирующий наклон составляет 1:5-1:10, но наклоны, составляющие 1:3-1:15 с перепадом по высоте в 3-10 мм, также приемлемы. При такой форме клина имеет место низкая интенсивность «отслаивания» щепы в противоположность высокой интенсивности ударов обычных разбивных ножей, работающих при малом зазоре. Рабочий зазор 156 в рабочей области внутренней плиты может быть заужен плавно наружу на расстояние до 3 дюймов или более. Если скос 164 по форме находится в нижнем диапазоне угла (например, 1:3), то следует использовать зазор 156 большой конусности, например соответствующий соотношению, по меньшей мере, 1:40. Это позволит облегчить подачу в более плотный зазор. Периферийную часть внутреннего кольца предпочтительно сошлифовывают на конус в пределах приблизительно 2° в зависимости от применения. Использование больших конусов и больших рабочих зазоров приводит к сокращению количества работы, выполняемой внутренними кольцами. Конструкция периферийной области внутреннего кольца должна быть такой, чтобы минимизировать удар по подаваемому материалу и максимально сохранить длину волокна, в то же время правильно разделяя волокна.

Ширина канавки в разволокняющей области 110 должна быть меньше частиц древесины, а предпочтительно должна примерно соответствовать величине минимального рабочего зазора в разволокняющей области. Обычно ни одна канавка не должна быть шире 4 мм. Этим обеспечивают условия, при которых частицы древесины скорее подвергаются обработке в зазоре, чем заклиниваются между ножами и подвергаются ударам ножей противолежащего диска.

В разволокняющей внутренней области 110 щепу измельчают до волокон и пучков волокон до того, как они проходят через кольцевое пространство 126 и попадают в периферийное кольцо 104 у переходного участка 160. Это кольцо может сильно напоминать известную конструкцию плиты рафинера для обработки массы высокой концентрации. Когда волокна по большей части разделены, они не подвергаются высокоинтенсивным ударам. Понятно, при рассмотрении Фиг.3 и 5, что если бы необработанная щепа могла войти в область 108 подачи периферийного кольца, то она была бы подвергнута ударам, наносимым с высокой интенсивностью, когда она заклинивает между двумя крупными ножами 118, 120. Если щепа правильно расщеплена в разволокняющих внутренних кольцах 102, то не остается больших частиц, так что они не могут быть подвергнуты этому типу воздействия.

Впуск периферийной области внутреннего кольца содержит радиальный или близкий к радиальному переход (т.е. дуга имеет по существу постоянный радиус, как это показано на виде спереди). Большие колебания в радиальном направлении начала измельчающей поверхности обычно приводят к потерям в длине волокна, если в зазор с большой скоростью нагнетают частицы, размеры которых больше размера зазора. При длинном скосе в начале области (чем длиннее, тем лучше), размеры частиц поступающего материала постепенно уменьшаются до тех пор, пока они не станут достаточно малыми (уменьшение крупности) для прохождения в зазор, образованный рабочими поверхностями (не показано на Фиг.5). Для повышения эффективности действия и/или увеличения объема энергии, используемой внутренними плитами, могут быть предусмотрены перегородки, выполненные заподлицо с ножами или ниже уровня ножей.

Разделение функций между внутренними и периферийными кольцами может быть также осуществлено при использовании так называемого «конического диска», который содержит плоскую начальную рафинирующую зону, вслед за которой идет коническая рафинирующая зона в том же рафинере. В этом случае предложенные согласно изобретению разволокняющие кольца можно было бы заменить плоской рафинирующей зоной, за которой следовало бы обычное рафинирование «главной плитой» в конической части. Обычно коническую часть в таких рафинерах выполняют с углом конуса в 30° или 45°, например располагают ее под углом 15° или 22,5° к цилиндрической поверхности. Пример такого рафинера с коническим диском описан в патенте США № 4283016, выданном 11 августа 1981 г. Таким образом, под термином «диск» в данном контексте понимают и «конический диск», а термин «по существу радиально» включает в себя, в общем, понятие «зазор в коническом рафинере, направленный наружу, но выполненный конусным». Термин «плоский диск» используют в тех случаях, когда диск и/или плита являются по существу плоскими по всей рабочей поверхности, как это показано на прилагаемых чертежах.

На Фиг.7 и 8 показаны два варианта воплощения периферийного фибриллирующего кольца. Эти кольца могут быть как высокоинтенсивного, так и очень малоинтенсивного действия. С целью иллюстрации концепции на Фиг.7 показано кольцо, рисунок которого является типичным примером периферийного кольца 166 высокой интенсивности с одним направлением ножей и канавок. На Фиг.8 представлена двунаправленная конструкция 182 с очень низкой интенсивностью. Могут быть использованы и различные другие конфигурации ножей и канавок, например имеющие переменный шаг (см., например, патент США № 5893525).

Однонаправленное кольцо 166 имеет более крупный рисунок ножей и канавок и содержит переднюю область 172 подачи, посредством которой сокращают время удерживания и способность освоения энергии в этой области, понуждая большую часть энергии расходовать в периферийной части кольца, что, в свою очередь, способствует увеличению интенсивности работы, совершаемой здесь, и, таким образом, кольцо может работать при более узком зазоре. Рабочая область периферийного кольца содержит две зоны 168, 170, причем в наружной зоне 168 канавки более узкие, чем в предыдущей зоне 170. Некоторые или все канавки, например 176, в зоне 168 могут представлять собой сквозные каналы, которые слегка наклонены под углом к действительному радиальному направлению кольца, в то время как другие канавки, например 180, в другой зоне 170 могут содержать перегородки 174, 178, выполненные заподлицо с ножами или ниже уровня ножей. В основном, периферийный диск 166 подобен периферийному диску 112, показанному на Фиг.3.

В другом примере, показанном на Фиг.8, имеется рисунок 182, в котором канавки направлены по существу радиально по всей длине с переменным шагом и у которого нет никакого центробежного угла подачи. Область 190 подачи очень короткая, а в рабочей области 188 канавки могут быть одинаковой или переменной ширины или, как канавки 184 и 186, чередующейся или переменной глубины. Такая конструкция позволяет более продолжительное время удерживать обрабатываемый материал в плитах и в сочетании с большим количеством проходов ножей позволяет обеспечивать низкую интенсивность передачи энергии, благодаря чему можно устанавливать больший зазор между плитами.

В варианте воплощения периферийного кольца внутреннюю область подачи периферийного кольца проектируют так, чтобы предотвратить обратный поток волокна из периферийного кольца во внутреннее кольцо. На Фиг.8D показано периферийное кольцо 192 для диска ротора с областью 194 подачи, содержащей изогнутые ножи 195 для подачи. Противолежащее кольцо 196 статора (см. Фиг.8Е) не содержит ножей во внутренней области 198 подачи против скругленных ножей, и благодаря этому в этой области можно располагать противолежащие изогнутые ножи 195 для подачи, расположенные на периферийном кольце 192. Такое решение дополнительно обеспечивает полное разделение этапов разволокнения и фибриллирования во внутренних и периферийных кольцах соответственно.

Как показано на чертежах, изогнутые (инжектирующие) ножи 195 для подачи могут опционно иметь другую конструкцию в области подачи кольца ротора и/или статора (например, они могут быть пирамидальными и противолежащими радиальными ножами), чтобы способствовать распределению материала, поступающего от изогнутых ножей в рабочую область. Таким образом, поверхность области 194 подачи ротора в радиальном направлении может быть полностью или частично занята выступающими изогнутыми ножами 195, а поверхность области 198 подачи статора в радиальном направлении может быть полностью плоской или частично занятой распределительной структурой. Изогнутые ножи 195 кольца ротора выступают в области 194 подачи на величину, большую высоты ножей в рабочей зоне, но благодаря плоской конструкции противолежащей поверхности в области 198 подачи кольца статора эта большая высота может быть принята.

В основном, рисунок ножей и канавок по всей рабочей области внутреннего кольца имеет первую среднюю, предпочтительно равномерную, плотность, а рисунок ножей и канавок по всей области подачи периферийного кольца имеет вторую среднюю, предпочтительно равномерную, но меньшую, плотность.

Как показали исследования, проведенные на пилотной установке, на которой эффективный диаметр диска первичного рафинера составлял 36 дюймов, применение изобретения позволило достичь существенных преимуществ, что более подробно будет описано ниже. Изобретение особенно применимо в рафинерах больших габаритов, в которых диаметры дисков находятся в диапазоне около 45-60 дюймов или более.

Сочетание разволокняющих внутренних колец и высокоэффективных периферийных колец, таким образом, является важным компонентом предложенного способа. Оптимизацию этого способа производили путем использования однодискового рафинера с подпором модели 36-1СР компании Andritz в два этапа, причем сначала использовали только внутренние плиты, а на втором этапе использовали только периферийные плиты. В качестве внутренних плит использовали специальные трехзонные плиты рафинера модели D14B002 компании «Durametal», у которых половина наружной промежуточной зоны и вся периферийная зона были сошлифованы (см. Фиг.9). Внутреннюю половину промежуточной зоны использовали для разволокнения измельченной древесной щепы. В качестве периферийной плиты использовали однонаправленную плиту рафинера модели 36604 компании «Durametal» как для подачи (выталкивания), так и для ограничения подачи (удерживания) при рафинировании (см. Фиг.10).

Использовали три конфигурации рафинирующих устройств, в которых были установлены внутренние плиты для имитации следующих вариантов способа:

1. ТМДМА (ТМРА) [(i) продолжительность удерживания 2-3 сек; избыточное давление 85 фунт/кв.дюйм (586 кПа); скорость вращения 1800 мин^-1 ]; ii) А1 указано в таблицах.

2. ТМДМВ (TМРВ) [(i) продолжительность удерживания 2-3 сек; избыточное давление 85 фунт/кв.дюйм (586 кПа); скорость вращения 2300 мин^-1 ]; ii) А2 указано в таблицах.

3. ТМДМ (ТМР) [(i) продолжительность удерживания 2-3 сек; избыточное давление 50 фунт/кв.дюйм (344,7 кПа); скорость вращения 1800 мин^-1 ]; iii) А3 указано в таблицах.

i) Удерживание в зоне от шнекового разгрузчика с подпором к впуску рафинера.

ii) Давление в паровой трубе 5 фунт/кв.дюйм, время удерживания 30 сек.

iii) Давление в паровой трубе 20 фунт/кв.дюйм, время удерживания 180 сек.

Для представления сочетания измельчения на вымачивающем шнековом разгрузчике с подпором и разволокняющих внутренних плит использовали значок f-, располагаемый перед обозначением установки. Таким образом, номенклатура оборудования, использованная для осуществления указанных выше процессов, была следующей:

1) f-TМРА

2) f-TМРВ

3) f-TMP.

Разволокненный материал (f ) затем подвергали рафинированию с использованием периферийных рафинирующих плит при подобных соответствующих параметрах давления и скорости вращения диска рафинера, т.е.:

1) f-TМРА с периферийными плитами: избыточное давление 85 фунт/кв.дюйм, скорость вращения 1800 мин^-1;

2) f-TМРВ с периферийными плитами: избыточное давление 85 фунт/кв.дюйм, скорость вращения 2300 мин^-1;

3) f-TMP с периферийными плитами: избыточное давление 50 фунт/кв.дюйм, скорость вращения 1800 мин^-1.

Большая часть удельной энергии была затрачена во время работы периферийных плит рафинера. Испытания проводили при различных направлениях вращения плит рафинера (с выталкиванием и удерживанием) и определяли прикладываемую мощность во время работы периферийных плит.

Каждый образец первичной рафинированной древесной массы затем рафинировали во вторичном атмосферном рафинере модели Andritz 401 при трех уровнях прикладываемой удельной энергии.

Контрольные образцы термомеханической древесной массы были также выработаны без измельчения древесной щепы в вымачивающем разгрузчике с подпором. Эти контрольные прогоны проводили при уменьшенной производительности внутренних плит с 24,1 метрической тонны абсолютно сухого продукта (МТАСП) до 9,4 МТАСП. В результате этого эффективно уменьшалась закупорочная пробка из щепы в вымачивающем шнековом разгрузчике с подпором. Плиты во время контрольных прогонов с использованием внутренних плит были отодвинуты так, что уменьшение размеров было достигнуто только за счет действия разбивных ножей, т.е. без эффективного рафинирующего действия с помощью разволокняющих ножей рафинера вслед за разбивными ножами. Щепу после обработки внутренними плитами затем рафинировали в рафинере модели 36-1СР с использованием периферийных плит. Первично рафинированную древесную массу затем рафинировали в рафинере модели Andritz 401 при нескольких уровнях расхода удельной энергии.

В Таблице А представлена номенклатура оборудования, использованного в каждом из вариантов рафинирования, проведенных в этом исследовании. Представлена также соответствующая идентификация образцов.

Таблица А
Номенклатура* оборудования	Идентификация образцов
	Первичная обработка с использованием внутренних плит	Первичная обработка с использованием периферийных плит	Вторичная обработка
f-ТМРА: 1800 мин-1; удерживание; садкость 485 мл	А1	А4	А7, А8, А9
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 663 мл	А1	А5	А10, А11, А12
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 661 мл	А1	А6	А13, А14, А15
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 460 мл	А1	А16	А22, А23, А24
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 640 мл; (2,8% NaHSO 3)	А1	А17	A25, А26, А27
f-ТМРА: 1800 мин-1; удерживание; садкость 588 мл	А1	А18	А28, А29, А30
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 617 мл	А2	А19	А31, А32, А33
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 538 мл; (3,1% NaHSO3)	А2	А20	А34, А35, А36
f-ТМР: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 597 мл	А3	А21	А37, А38, А39
f-ТМР: 1800 мин -1; удерживание; садкость 524 мл	А3	А41	А46, А47, А48
ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 664 мл	А3-1	А44	А54, А55, А56, А57, А58
ТМР**: 1800 мин-1; удерживание; садкость 775 мл	А3-1	А43	А49, А50, А51, А52, А53
* Номенклатура = процесс, скорость первичного рафинера (1800 мин-1 или 2300 мин-1); конфигурация периферийных плит (режим выталкивания или удерживания), садкость (степень помола) после первичного рафинирования. ** Плохие результаты: садкость после первичного рафинирования была слишком велика.

В сериях испытаний, выполненных на рафинере с применением первичных периферийных плит в режиме удерживания, был установлен больший зазор между плитами и получено большее содержание длинных волокон, чем в соответствующих сериях, выполненных с использованием периферийных плит в режиме выталкивания. Это позволило провести серии испытаний по рафинированию в режиме удерживания до более низких уровней первичной садкости при сохранении содержания длинных волокон в древесной массе.

На Фиг.11-18 представлены диаграммы свойств древесной массы, полученной в ходе большинства серий экспериментов по рафинированию, выполненных в данном исследовании. Две серии, выполненные при очень низкой первичной садкости (<500 мл), были исключены из массива результатов из-за закупорки.

Фиг.11: диаграмма зависимости садкости от удельного расхода энергии.

При выполнении контрольных экспериментов по получению термомеханической древесной массы наблюдали самое высокое удельное потребление энергии для достижения заданной садкости. При выполнении серий экспериментов на установке f-TMP наблюдали следующие по величине самые высокие уровни удельного потребления энергии, затем шли результаты, полученные на установке f-TМРА. Серии, выработанные на установке f-TМРВ, показали самые низкие уровни потребления удельной энергии для достижения заданной садкости.

В Таблице В приведено сравнение удельного потребления энергии в каждой из представленных серий экспериментов по рафинированию при садкости 150 мл. Результаты получены путем линейной интерполяции.

Таблица В Удельное потребление энергии при садкости 150 мл
	Удельное потребление энергии, кВт·ч/метрическая тонна (МТ)
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 661 мл	1889
f-ТМРА: 1800 мин-1; удерживание; садкость 588 мл	1975
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 617 мл	1626
f-ТМР: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 597 мл	2060
f-ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 524 мл	2175
ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 664 мл	2411
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 640 мл; (2,8% NaHSO 3)	2111*
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 538 мл; (3,1% NaHSO 3)	1411*
* Путем экстраполяции

При выполнении серий экспериментов на установке f-TМРВ (2300 мин^-1; выталкивание; сочетание разволокнения, TМРВ и плит высокой интенсивности) имело место снижение потребления энергии на 32% по сравнению с контрольными сериями выработки термомеханической древесной массы при садкости 150 мл. При выполнении серий экспериментов на установке f-TМРА (1800 мин ^-1; удерживание) и f-TМРА (1800 мин^-1 ; выталкивание) имело место снижение потребления энергии на 18% и 22% соответственно в сравнении с контрольными сериями выработки термомеханической древесной массы при садкости 150 мл. При выполнении серий экспериментов на установке f-TMP (удерживание) и f-TMP (выталкивание) имело место снижение потребления энергии на 10% и 15% соответственно в сравнении с контрольными сериями выработки термомеханической древесной массы при садкости 150 мл. Результаты указывают на то, что реконструкция/замена шнекового разгрузчика с подпором и плит рафинера может привести к существенной экономии капитальных вложений в существующие линии для производства термомеханической древесной массы.

Фиг.12: диаграмма зависимости индекса прочности от удельного расхода энергии.

Древесная масса, полученная на установке f-TМРВ (выталкивание), обладала самым высоким индексом прочности при заданном удельном потреблении энергии, затем шли серии, полученные на установке, затем - серии, полученные на установке f-TМРА, а далее - серии, полученные на установке f-TMP. Контрольные образцы термомеханической древесной массы имели самые низкие индексы прочности при заданном удельном потреблении энергии.

Добавление приблизительно 3% раствора гидросульфита натрия (NaHSO₃) в продукт, выгружаемый из шнекового разгрузчика с подпором, приводило к увеличению индекса прочности в сравнении с соответствующими сериями, в которых не применяли химическую обработку.

Индекс прочности 52,5 Нм/г был достигнут в сериях, выработанных на установке f-TМРВ (2300 мин^-1; выталкивание; 3,1% NaHSO₃; 1754 кВт·ч/метрическая тонна абсолютно сухого продукта (МТАСП).

Фиг.13: диаграмма зависимости индекса прочности от садкости (химическую обработку не производили).

Наблюдали две группы результатов индексов прочности. Нижняя группа представляет серии экспериментов, выполненные с использованием выталкивающих периферийных плит. Верхняя группа представляет серии экспериментов, выполненные с использованием удерживающих периферийных плит. Среднее увеличение индекса прочности при использовании удерживающих плит составляло приблизительно 10%. Следует отметить, что в этих исследованиях испытания на установке f-TМРВ (удерживание) не были проведены из-за укорочения волокна в разволокненном материале А3.

Добавление приблизительно 3% раствора гидросульфита в серии экспериментов, проведенной на установках f-TМРА (выталкивание) и f -TМРВ (выталкивание), приводило к повышению индексов прочности до такого же или более высокого уровня, что и при выработке древесной массы с удерживанием.

В Таблице С проведено сравнение свойств рафинированной древесной массы при садкости 150 мл. Уравнения регрессии, использованные при интерполяции, представлены на Фиг.13.

Таблица С Индекс прочности при садкости 150 мл
	Индекс прочности, Нм/г
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 661 мл	43,8
f-ТМРА: 1800 мин-1; удерживание; садкость 588 мл	47,7
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 617 мл	42,4
f-ТМР: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 597 мл	43,5
f-ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 524 мл	48,1
ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 664 мл	48,2
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 640 мл; (2,8% NaHSO3)	47,0*
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 538 мл; (3,1% NaHSO3)	47,9*
* Путем экстраполяции

Фиг.14: диаграмма зависимости индекса сопротивления надрыву от садкости.

В сериях экспериментов по рафинированию, выполненных с использованием удерживающих периферийных плит, были достигнуты самые высокие показатели индекса сопротивления надрыву и содержания длинного волокна.

В Таблице D проведено сравнение индексов сопротивления надрыву материалов, полученных в сериях экспериментов по рафинированию, при садкости 150 мл. Значения индекса сопротивления надрыву были получены с использованием линейной интерполяции.

Таблица D Индекс сопротивления надрыву при садкости 150 мл
	Индекс сопротивления надрыву, мН·м2/г
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 661 мл	9,0
f-ТМРА: 1800 мин-1; удерживание; садкость 588 мл	9,9
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 617 мл	8,7
f-ТМР: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 597 мл	8,6
f-ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 524 мл	9,3
ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 664 мл	9,1
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 640 мл; (2,8% NaHSO 3)*	9,7
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 538 мл; (3,1% NaHSO 3)*	8,8
* Путем экстраполяции

Древесная масса, полученная на установке f-TМРА (удерживание), обладала самым высоким значением индекса сопротивления надрыву. Древесная масса, полученная на установках f-TМРА (выталкивание) и f-TМРВ (выталкивание), обладала сопоставимыми свойствами по индексу сопротивления надрыву.

Фиг.15: диаграмма зависимости индекса сопротивления прорыву от садкости.

В сериях экспериментов, проведенных на установках f-TМРА (1800 мин^-1; удерживание) и f-TMP (1800 мин ^-1; удерживание) с удерживающими периферийными плитами, древесная масса обладала самым высоким индексом сопротивления прорыву при заданной садкости. В сериях экспериментов, проведенных с применением выталкивающих периферийных плит на установках f-TМРА (1800 мин^-1; выталкивание), f-TMP (1800 мин^-1; выталкивание) и f-TМРВ (2300 мин ^-1; выталкивание), древесная масса обладала более низкими индексами сопротивления прорыву при данной садкости.

Добавление приблизительно 3% раствора гидросульфита приводило к увеличению индекса сопротивления прорыву древесной массы, выработанной с использованием выталкивающих периферийных плит, до того же уровня, что и в сериях, где не применяли химическую обработку, выработанных с использованием удерживающих периферийных плит.

В Таблице Е проведено сравнение результатов испытаний на сопротивление прорыву, интерполированных относительно садкости, составлявшей 150 мл.

Таблица Е Индекс сопротивления прорыву при садкости 150 мл
	Индекс сопротивления прорыву, кПа·м2/г
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 661 мл	2,51
f-ТМРА: 1800 мин-1; удерживание; садкость 588 мл	2,85
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 617 мл	2,30
f-ТМР: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 597 мл	2,38
f-ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 524 мл	2,76
ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 664 мл	2,45
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 640 мл; (2,8% NaHSO 3)*	2,98
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 538 мл; (3,1% NaHSO 3)*	2,67
* Путем экстраполяции

Фиг.16: диаграмма зависимости содержания пучков волокон от садкости.

Контрольные образцы термомеханической древесной массы обладали самыми высокими уровнями содержания пучков волокон. Образцы, выработанные с использованием выталкивающих периферийных плит, обладали меньшими уровнями содержания пучков волокон, чем соответствующие образцы, выработанные с использованием удерживающих периферийных плит. Было четко показано, что предварительная обработка типа f способствует снижению содержания пучков волокон.

В Таблице F проведено сравнение уровней содержания пучков волокон в каждой серии образцов рафинирования, интерполированных до садкости 150 мл.

Таблица F Cодержание пучков волокон при садкости 150 мл
	Содержание пучков волокон, %
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 661 мл	0,70
f-ТМРА: 1800 мин-1; удерживание; садкость 588 мл	1,35
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 617 мл	0,31
f-ТМР: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 597 мл	0,37
f-ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 524 мл	1,61
ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 664 мл	2,63
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 640 мл; (2,8% NaHSO3)*	0,59
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 538 мл; (3,1% NaHSO 3)*	0,18
* Путем экстраполяции

В серии образцов, выработанных на установке f-TМРВ (выталкивание) с добавлением и без добавления гидросульфита, древесная масса обладала самыми низкими уровнями содержания пучков волокон. Добавление гидросульфита вело к снижению содержания пучков волокон.

Фиг.17: диаграмма зависимости коэффициента разброса от садкости.

В серии образцов, выработанных на рафинере с использованием выталкивающих периферийных плит, древесная масса обладала самыми высокими уровнями коэффициента разброса.

В Таблице G представлены коэффициенты разброса каждой серии образцов при садкости 150 мл.

Таблица G Зависимость коэффициента разброса от садкости
	Коэффициент разброса, м2/кг
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 661 мл	57,1
f-ТМРА: 1800 мин-1; удерживание; садкость 588 мл	55,1
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 617 мл	56,8
f-ТМР: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 597 мл	56,3
f-ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 524 мл	53,6
ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 664 мл	54,4
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 640 мл; (2,8% NaHSO3)*	55,9
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 538 мл; (3,1% NaHSO 3)*	53,8
* Путем экстраполяции

Добавление приблизительно 3% раствора гидросульфита приводило к снижению коэффициента разброса приблизительно на 1-3 м ²/кг.

Фиг.18: диаграмма зависимости степени белизны от садкости.

Во всех сериях экспериментов f древесная масса обладала более высокой степенью белизны, чем контрольные образцы термомеханической древесной массы.

В Таблице Н проведено сравнение степени белизны древесной массы в каждой серии образцов, интерполированной относительно садкости 150 мл.

Таблица Н Степень белизны по ISO при садкости 150 мл
	Степень белизны по ISO
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 661 мл	52,0
f-ТМРА: 1800 мин-1; удерживание; садкость 588 мл	51,3
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 617 мл	52,8
f-ТМР: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 597 мл	49,4
f-ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 524 мл	48,9
ТМР: 1800 мин-1; удерживание; садкость 664 мл	47,3
f-ТМРА: 1800 мин-1; выталкивание; садкость 640 мл; (2,8% NaHSO3)*	56,5
f-ТМРВ: 2300 мин-1; выталкивание; садкость 538 мл; (3,1% NaHSO 3)*	59,1
* Путем экстраполяции

В серии экспериментов, проведенных на установке f-TMP, древесная масса обладала приблизительно на 2% более высокой степенью белизны, чем контрольные образцы термомеханической древесной массы. Более высокая степень извлечения древесных экстрактивов, достигаемая при обработке на шнековом разгрузчике с подпором с более сильным сжатием при предварительной обработке типа f, наиболее вероятно, вносила свой вклад в повышение степени белизны.

В серии экспериментов, проведенных на установке f-TМРВ, древесная масса обладала самой высокой степенью белизны (52,8), вслед за которыми шли образцы, выработанные на установке f-TМРА (в среднем - 51,7), а затем на f-TMP (в среднем - 49,2).

Добавление 3% гидросульфита приводило к значительному повышению степени белизны, вплоть до 59,1 в сериях образцов, выработанных на установке f-TМРВ (выталкивание).

В Таблице I проведено сравнение свойств разволокненного материала после обработки внутренними плитами. Как говорилось выше, было исследовано три варианта технологий разволокнения: А1, А2, А3, чтобы имитировать конфигурации f-TМРА, f-TМРВ и f-TMP. В каждом из этих вариантов измельченную щепу, полученную после шнекового разгрузчика с подпором, пропускали через внутренние кольца.

Таблица I Свойства разволокненного материала после обработки во внутренних плитах
Материал, полученный на разволокняющей установке (f-)	Процесс	Давление, фунт/кв.дюйм	Производительность, МТАСП	Удельное потребление энергии, кВт·ч/МТАСП	Содержание пучков волокон, %	Сито +28, %
А1	ТМРА	85	23,3	152	66,5	75,4
А2	ТМРВ	85	23,3	122	35,6	79,4
А3	ТМР	50	24,1	243	88,7	82,4

Исследования показывают, что условия процесса оказывают основное влияние на эффективность дефибрации при рафинировании во внутренней зоне. Измельченная щепа, рафинированная при более высоком давлении (А1, А2), содержит значительно меньше пучков волокон (что соответствует большему количеству дефибрированного волокна) по сравнению с рафинированием при типичном давлении (50 фунт/кв.дюйм) при термомеханическом способе получения древесной массы. Потребность в энергии для дефибрации была также ниже при высоком давлении. Самый высокий уровень дефибрации был достигнут тогда, когда сочетали высокое давление и высокую скорость (А2).

Материал А2 (f-TМРВ) обладал самым высоким разделением волокна, после которого шел материал А1 (f-TМРА). Материал А3 (f -TMP) был отчетливо самым грубым из разволокненных образцов.

Было отмечено, что направленность ножей не являлась существенным фактором рафинирования во внутренней зоне, так как внутренние плиты были двунаправленными.

Потребление энергии на дефибрацию снижалось с повышением давления. Потери энергии были очень существенными, когда дефибрацию проводили при обычных условиях. Например, для изготовления разволокненного материала при избыточном давлении 50 фунт/кв.дюйм с тем же уровнем содержания пучков волокон, что и при рафинировании при избыточном давлении 85 фунт/кв.дюйм, было бы необходимо дополнительное удельное потребление энергии, существенно превышавшее 100 кВт·ч/МТАСП.

Для выработки этих образцов использовали щепу из древесины белой канадской ели из шт. Висконсин. Идентификация материала, содержание твердого вещества и объемная плотность щепы из древесины ели представлены в Таблице II.

Сначала несколько прогонов было произведено на рафинере модели 36-1СР под давлением с переменной скоростью, с использованием плиты с рисунком модели D14В002, у которой периферийная зона и половина промежуточной зоны были сошлифованы. Это было сделано для того, чтобы имитировать внутренние кольца однодисковых рафинеров больших размеров. Первый вариант материала А1 получали с предварительной выдержкой в среде пара в течение 30 секунд в паровой трубе при давлении 0,4 бара (давление в корпусе рафинера составляло 5,87 бара); скорость машины составляла 1800 мин^-1. При выработке материала А2 скорость машины увеличивали до 2300 мин ^-1. Выработку материала А3 производили с предварительной выдержкой в среде пара в течение 180 секунд в паровой трубе при давлении 1,38 бара (давление в корпусе рафинера составляло 3,45 бара); скорость машины составляла 1800 мин^-1. Выработку материала А3-1 также производили при условиях, аналогичных условиям выработки материала А3, за исключением того, что производительность была снижена с 24,1 МТАСП до 9,4 МТАСП для того, чтобы предотвратить измельчение щепы перед ее подачей в рафинер. Зазор между плитами для этого образца был также увеличен, чтобы исключить какое-либо эффективное воздействие, оказываемое промежуточной зоной ножей, чтобы щепа была обработана только разбивными ножами. Анализ качества образца А1-1 не был возможен, так как щепа, обработанная только разбивными ножами, не была получена в разволокненном виде; поэтому анализ на содержание пучков волокон, или анализ по Бауэру не было возможности провести.

Каждый из этих материалов (древесной массы) использовали для наработки дополнительных серий образцов. Шесть серий было выполнено на материале А1. Периферийные плиты (модель 36604 компании «Durametal») были установлены в рафинере модели 36-1СР для имитации периферийной зоны рафинирования. Все шесть первичных прогонов через периферийную зону были выполнены на модели 36-1СР при давлении в корпусе рафинера 5,87 бара и при скорости диска 1800 мин^-1. Эти проходы выполняли на установке TМРА. В материал А17 добавляли раствор гидросульфита натрия, выполняя химическую реакцию, в количестве 2,8% NaHSO ₃ (в расчете на абсолютно сухое вещество древесины). Три вторичных прогона через рафинер было выполнено с использованием материала каждой серии.

Две серии прогонов было выполнено с использованием материала А2. Оба прогона через периферийную зону модели 36-1СР, которые были выполнены (А19 и А20), были проведены при давлении в корпусе рафинера 5,87 бара и при скорости машины 2300 мин^-1. Эти прогоны выполняли на установке RTS. В материал А20 добавляли раствор гидросульфита натрия (3,1% NaHSO₃). Снова три вторичных прогона через рафинер было выполнено с использованием материала каждой серии.

Несколько серий прогонов было также выполнено с использованием материала А3, каждый при давлении в корпусе рафинера 3,45 бара и при скорости машины 1800 мин^-1. Три вторичных прогона через рафинер было выполнено с использованием материала каждой серии. Эти прогоны выполняли на установке TMP. Многие из прогонов на вторичном рафинере модели 36-1СР были выполнены в реверсивном режиме, показанном в Таблице IV.

Две контрольные серии прогонов ТМР были выполнены (А43 и А44) с использованием щепы А3-1, которую подвергали обработке только разбивных ножей при рафинировании во внутренней зоне. Оба материала А43 и А44 рафинировали под давлением в среде пара 3,45 бара и при скорости машины 1800 мин^-1. Затем было проведено несколько прогонов через рафинер в атмосферных условиях с использованием этих образцов древесной массы для уменьшения садкости до сравнимого уровня, как и в ранее выполненных сериях экспериментов.

Все образцы древесной массы подвергли испытаниям согласно стандарту ТАPPI (Техническая ассоциация бумагоделательной промышленности (США)) и в соответствии с Деловым регламентом компании Andritz Inc. в тех случаях, когда они были применимы. Испытания включали: определение садкости (степени помола) на канадском приборе, определение содержания пучков волокон по стандарту Pulmac (сито 0,10 мм); классификацию по Бауэру; определение длины волокна оптическим способом; определение физических и оптических свойств. Эта информация приведена в Таблице III.

Как было описано выше со ссылками на Фиг.3, 4 и 5, плиты рафинера устанавливали соосно в противолежащих положениях, таким образом определяя зазор рафинера, который проходит по существу радиально наружу от внутреннего радиуса дисков к наружному радиусу дисков. Зазор рафинера включает периферийный зазор 158 между противолежащими периферийными кольцами, например 152А и 152В, и внутренний зазор 156 между противолежащими внутренними кольцами, например 150А и 150В. Для идеального разволокнения измельченного материала щепы рабочая область 110 одного внутреннего кольца должна быть близко расположена около рабочей области 110 противоположного внутреннего кольца. Этот зазор находится в пределах 1,5-30 мм, а идеально составляет около 2 мм. Однако плотный зазор между внутренними кольцами рабочей области, которая содержит достаточно мелкий рисунок ножей и канавок для достижения желаемого эффекта разволокнения, может вызвать блокирование движения потока пара обратно к ленточному устройству 30 подачи и любому предварительному нагревателю, расположенному выше по ходу технологического процесса (см. Фиг.1). В некоторых известных установках для выработки термомеханической древесной массы обратный поток пара, генерируемый во время фибриллирования, используют для поддержания повышенного давления в предварительном нагревателе рафинера и ленточного устройства подачи. Согласно настоящему изобретению пар генерируется в периферийном зазоре 158 между рабочими областями 112 периферийных колец. Для совместимости с такими известными установками, как установка для изготовления термомеханической древесной массы, комбинированные плиты согласно настоящему изобретению могут быть модифицированы так, чтобы обеспечивать возможность обратного потока пара несмотря на более плотный зазор в рабочей области внутренней плиты.

В основном, по меньшей мере, одна из противолежащих плит может содержать канал для обратного потока пара для направления некоторого количества пара из периферийного зазора во внутренний зазор у внутренней области 154 подачи или к месту, расположенному еще выше по потоку, но в то же время в обход внутреннего зазора 156 около внутренней рабочей области.

Одно решение, показанное на Фиг.19, заключается в раскрывании задней стороны 202 внутренних плит 204 на статоре 200, что позволяет пару 210 проходить в канал 206 вверх по направлению технологического процесса, позади рабочей области 208 внутреннего кольца. Этот обходной путь пара не будет пагубно влиять на время удерживания волокна во внутренних кольцах (время удерживания во внутренних кольцах следует сохранить непродолжительным для того, чтобы исключить слишком большое скопление волокна, при котором повышаются потери на трение и, следовательно, повышается потребление энергии). Обычной практикой является образование каждой плиты рафинера из множества, например из десяти сегментов, или элементов, диска, которые (каждый) прикрепляют болтами к диску. Согласно настоящему изобретению внутреннее кольцо может состоять из комплекта сегментов внутреннего кольца, а периферийное кольцо может быть выполнено из другого комплекта сегментов периферийного кольца. Некоторые или все сегменты внутреннего кольца могут содержать сквозной канал или канавку 206 (в межповерхностной области с диском) для прохождения пара в обход рабочей области соответствующего сегмента, с входом 212, расположенным в зазоре 126 рафинера дальше в радиальном направлении от рабочей области внутреннего кольца.

Как показано на Фиг.20, вариант воплощения содержит проход 214, выполненный в самом диске, предпочтительно в статоре. Это решение может быть особенно эффективным в том случае, если плита образована из отдельного внутреннего кольца и отдельного периферийного кольца, прикрепляемых к диску так, что между кольцами образуется кольцевое пространство 126. Вход 212 в обходные каналы для пара может быть расположен в диске в этом кольцевом пространстве. Такой путь пара через диск рафинера может в альтернативном варианте воплощения быть образован посредством обеспечения одного или множества отверстий в диске, совмещенных с соответствующими отверстиями в плитах, где-то в радиальном направлении вне внутренней рабочей области 208. Отверстия должны быть соединены со стороной подачи рафинера посредством трубопровода, и подвод может быть выполнен к одной или более точек, расположенных где-то вблизи зоны разгрузки заглушаемого пробкой шнекового питателя (или сальника к системе подачи), а вход - около середины в радиальном направлении плит рафинера.

Другое решение, показанное на Фиг.21 и 22, содержит канал 216 для пара, расположенный у поверхности рабочей области 208 внутреннего кольца, предпочтительно на статоре. Этот канал образуют с единственной целью обеспечения возможности прохода пара обратно в систему подачи вместо того, чтобы он был захвачен между внутренним и периферийным кольцами. Такой канал для экстрагирования выполняют диагональным или наклонно направленным относительно рисунка ножей и канавок в рабочей области внутреннего кольца либо на роторе, либо на статоре, либо на обоих скосах 164 ножей рабочей области, либо к зазору 154 для подачи. Обходной канал для пара имеет вход 218 около кольцевого пространства 126 между внутренним и периферийным кольцами. Расположение канала на статоре обеспечивает путь наименьшего сопротивления для прохода пара. Ротор, даже при наличии канала, имел бы тенденцию нагнетать пар вперед, а при выполнении канала в статоре пар может проходить в обратном направлении. Как и в описанном ранее варианте воплощения, посредством поверхностного обходного канала можно направлять пар от наружного в радиальном направлении конца в рабочей области 208, который обычно находится в пространстве между внутренним и периферийным кольцами. Канавки выполняют в направлении, противоположном направлению вращения, так что подаваемый материал не нагнетается в канавки внутреннего кольца статора, позволяя необработанной щепе проходить через эти канавки. В показанном на чертежах варианте воплощения угол канавок выбран таким образом, чтобы вся поступающая щепа была бы вынуждена проходить по зазору рафинера и достигать периферийной рафинирующей области. Обходной канал 216 для пара на виде сбоку представляет собой просто проточку в рисунке плиты, проходящую под углом примерно 20-30° к горизонтальному направлению к ножам, направленным к наружному краю кольца, и с минимальным наклоном к ножам, выступающим к внутреннему краю (диаметру). Такая геометрия способствует понуждению к перемещению древесной щепы назад в зазор под воздействием механических сил при попадании материала в эти канавки для отвода пара. Канавки для пара могут быть глубже окружающего рисунка (в данном случае они имеют ту же самую глубину), а канал может быть прямым (как в данном случае) или изогнутым.

Хотя в прошлом проводили эксперименты с использованием канавок для пара различных форм и даже канавок, проходящих через заднюю сторону сегментов, их делали так, чтобы способствовать проходу пара вперед, а не назад. Автору неизвестны работы по модификации плит рафинера для увеличения потока пара назад, т.е. в обратном направлении, вверх по ходу технологического процесса.