Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị khử mực phục vụ cho công tác giảng dạy nghề công nghệ sản xuất bột giấy và giấy

Để đào tạo nghề công nghệ sản xuất bột giấy và giấy thì đây là một nội dung rất quan trọng và để đáp ứng được nhu cầu giảng dạy và học tập, nhà trường cần có các thiết bị thí nghiệm về c

BỘ CễNG THƯƠNG

Báo cáo tổng kết đề tài

Nghiờn cứu thiết kế, chế tạo thiết bị khử mực phục vụ cho cụng tỏc giảng dạy nghề Cụng nghệ sản xuất bột giấy và giấy

Cơ quan chủ trỡ đề tài: Trường Cao đẳng nghề

Cụng nghệ Giấy và Cơ điện

Chủ nhiệm đề tài: TS Vũ Thị Hồng Mận - Hiệu trưởng

MỤC LỤC Chương,

1 Tổng quan về công nghệ tái chế giấy loại và khử mực 9

1.5 Phương pháp khử mực bằng tuyển nổi 14

1.5.3 Quy trình khử mực giấy loại bằng phương pháp tuyển nổi 17

1.5.4 Tìm hiểu một số loại thiết bị tuyển nổi trên thế giới và Việt Nam 20

1.5.5 Thiết bị tuyển nổi trong phòng thí nghiệm 23

2 nghệ tái chế giấy loại tại trường Định hướng chung và thực trạng giảng dạy môn Công 24

2.1 Những định hướng chung trong hoạt động đào tạo nghề 25

2.2 Thực trạng giảng dạy môn Công nghệ tái chế giấy loại tại trường 25

2.2.3 Nội dung tổng quát của môn học (đào tạo Cao đẳng nghề) 25

2.2.4 Điều kiện thực hiện chương trình 26

2.2.5 Thực tế giảng dạy phần thực hành 26

1.1 Sơ đồ nguyên lý chung của thiết bị 30

2 Tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị 31

2.2 Phân tích đặc tính công nghệ của thiết bị 33

2.3 Thiết kế, chế tạo, lắp ráp thiết bị 34

2.3.1 Xác định phương pháp chế tạo phôi 34

2.1 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tuyển 47

2.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tuyển 49

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ

AOX Absorbable Organic Halides

Hợp chất halogen hữu cơ CEPI Confederation on European Paper Industries

Liên đoàn các ngành giấy Châu Âu COD Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxy hóa học DIP Deinked Pulp

Bột giấy loại đã khử mực ERIC Effective Residual Ink Concentration

Hàm lượng mực còn lại trong bột FAS Formamidine Sulfinic Acid

ISO International Standardization Organization

Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế TAPPI Technical Association of the Pulp and Paper Industry

Hiệp hội kỹ thuật công nghiệp bột giấy và giấy WRV Water Retention Value

Mức độ giữ nước

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 Nhu cầu nguyên liệu bột của thế giới năm 1996 và năm

Hình 2 Sự thay đổi cấu trúc thành thớ sợi trong quá trình sấy 13

Hình 3 Cơ chế tuyển nổi bằng bong bóng khí 15

Hình 4 Cơ chế bám của mực vào bong bóng 16

Hình 5 Quá trình sản xuất và thu hồi giấy và cáctông 17

Hình 6 Quy trình công nghệ tái chế giấy loại 19

Hình 7 Kích thước hạt và phương pháp tách loại 19

Hình 8 Sự phân bố kích thước của tạp chất 20

Hình 9 Thiết bị tuyển nổi Denver đứng và nằm ngang 20

Hình 10 Quá trình tách mực của thiết bị tuyển nổi 21

Hình 11 Thiết bị tuyển nổi kiểu Ahlstrom 22

Hình 12 Thiết bị tuyển nổi của hãng Beloit PDM 2 22

Hình 13 Thiết bị tuyển nổi kiểu Comer CYBERCEL 23

Hình 14 Thiết bị tuyển nổi phòng thí nghiệm của hãng Voith Sulzer 24

Hình 15 Quy trình tái chế giấy loại trong phòng thí nghiệm 27

Hình 16 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thiết bị khử mực 29

Hình 17 Mô hình hệ thống điều khiển hệ thống thiết bị khử mực 36

Hình 18 Màn hình điều khiển hệ thống thiết bị 38

Hình 19 Hệ thống thiết bị khử mực 42

Hình 20 Bể đánh tơi 43 Hình 21 Bể trộn 44 Hình 22 Bể tuyển nổi 45 Hình 23 Bể chứa bột sau tuyển 46

DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG

Bảng 1 Các dạng tạp chất trong giấy loại 11

Bảng 12 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình

khử mực đối với giấy loại văn phòng

47

Bảng 13 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình khử mực đối với giấy báo 48

Bảng 14 Kết quả tẩy bột sau tuyển đối với giấy báo 49

Bảng 15 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới quá trình khử

mực đối với giấy loại văn phòng

49

Bảng 16 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới quá trình khử mực đối với giấy báo 50

Bảng 17 Kết quả tẩy bột sau tuyển đối với giấy báo 51

MỞ ĐẦU

Trên thế giới việc tái chế chất thải trong đó có tái chế giấy loại là một ngành công nghiệp phát triển và có những đóng góp to lớn vào nền kinh tế và việc bảo vệ môi trường, bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên Các quốc gia và các công ty giấy ngày càng nhận thức được lợi ích kinh tế và môi trường của việc tái chế giấy loại Chính vì vậy các chính sách khuyến khích và phát triển công nghệ tái chế không ngừng được hoàn thiện và mục tiêu đề ra ngày càng cao

Ở Việt Nam hiện nay công nghệ tái chế giấy loại cũng đang được quan tâm và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất Để đào tạo nghề công nghệ sản xuất bột giấy và giấy thì đây là một nội dung rất quan trọng và

để đáp ứng được nhu cầu giảng dạy và học tập, nhà trường cần có các thiết bị thí nghiệm về công nghệ tái chế giấy loại như hệ thống tuyển nổi Các thiết bị này nếu mua từ các nhà cung cấp thiết bị thí nghiệm thì rất đắt tiền trong khi điều kiện kinh phí của trường không cho phép Vì vậy việc nghiên cứu đề tài

"Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị khử mực phục vụ cho công tác giảng dạy nghề Công nghệ sản xuất bột giấy và giấy" là rất cần thiết nhằm trang bị

thiết bị phục vụ cho việc giảng dạy và học tập của sinh viên để cho các em có thể tiếp cận được với các công nghệ mới một cách có hiệu quả nhất, đảm bảo trình độ lao động qua đào tạo đáp ứng tốt hơn yêu cầu nguồn nhân lực của ngành giấy trong tương lai

Sau khi chế tạo thành công thiết bị sẽ được dùng cho việc làm các bài tập thực hành của học sinh về tuyển nổi và làm các thí nghiệm nghiên cứu về quá trình khử mực Thông qua đó, giáo viên và học sinh, sinh viên có điều kiện nghiên cứu thêm về các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khử mực, nghiên cứu để xây dựng quy trình khử mực cho từng loại nguyên liệu đầu vào khác nhau và nghiên cứu về các loại hoá chất dùng cho khử mực, một lĩnh vực đang rất được quan tâm hiện nay của ngành giấy thế giới và của Việt Nam Việc nghiên cứu và chế tạo thành công hệ thống thiết bị tuyển nổi là cơ sở để việc giảng dạy môn công nghệ tái chế giấy loại trong nhà trường đạt hiệu quả tốt hơn, giúp cho việc giảng dạy lý thuyết gắn với thực hành, đảm bảo việc thực hiện chương trình khung đào tạo do Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội ban hành Tổng số giờ giảng dạy thực hành cho một năm khoảng 700 giờ

Việc thực hiện đề tài cần sự tham gia của đông đảo đội ngũ cán bộ, giáo viên, sinh viên của nhà trường Việc này tạo nên phong trào tham gia nghiên cứu khoa học sôi nổi trong toàn trường, tạo tiền đề để đội ngũ cán bộ, giáo viên, sinh viên trong trường tham gia tích cực hơn nữa vào nhiệm vụ nghiên cứu khoa học của nhà trường trong những năm tiếp theo

Mục tiêu của đề tài là chế tạo hệ thống thiết bị tuyển nổi sử dụng để nghiên cứu công nghệ tái chế giấy loại và giảng dạy môn học Công nghệ tái chế giấy loại cho nghề "Công nghệ sản xuất bột giấy và giấy" Hệ thống thiết

bị chế tạo được phải hoạt động chính xác, có khả năng khử mực tốt, đảm bảo hiệu suất cao, chất lượng bột sau tái chế đảm bảo các yêu cầu công nghệ, có hình thức đẹp, gọn nhẹ, công suất phù hợp cho nghiên cứu và giảng dạy, tiêu hao năng lượng thấp và độ bền cao, vận hành đơn giản, điều khiển tự động được các thông số nhiệt độ và mức

Chương I TỔNG QUAN

1 Tổng quan về công nghệ tái chế giấy loại và khử mực

1.1 Giới thiệu chung

Công nghệ tái chế giấy loại thực sự được quan tâm trong những năm đầu thế kỷ 20 khi vấn đề ô nhiễm môi trường sống và sự cạn kiệt về nguyên liệu sản xuất xảy ra, tác động trực tiếp đến các ngành công nghiệp Công nghệ tái chế giấy loại xuất phát từ sự tiết kiệm nguyên, nhiên vật liệu của các nhà máy

và xí nghiệp sản xuất bột giấy và giấy nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất, giảm giá thành sản phẩm, đồng thời tránh lãng phí các vật liệu sản xuất quý giá

Ngành công nghệ sản xuất giấy phát triển qua nhiều thời kỳ, từ những năm đầu khi chưa phát minh ra bột cơ học, việc tái sử dụng lại nguyên liệu cho sản xuất giấy chủ yếu được thực hiện ở việc tận thu lại rẻ rách, sợi vải để sản xuất ra những chủng loại giấy chất lượng thấp hơn, từ khi ngành giấy chuyển sang sử dụng nguyên liệu thực vật và với sự phát triển của bột cơ học và bột hóa học thì khái niệm tái chế giấy loại mới thực sự được ra đời Vào những năm 1774, Claproth in Göttingen, người Đức đã đưa ra một quy trình cơ bản

và thô sơ để loại bỏ mực in ra khỏi giấy, từ đó người ta gọi phương pháp này của ông là khử mực (Deinking) [1]

Vào những năm 1800, Matthias Koops đã xây dựng một nhà máy sản xuất giấy từ nguyên liệu chủ yếu là xơ sợi tái chế, nhà máy đó có tên là Neckinger, kể từ đó tái chế giấy loại bắt đầu có vị trí thương mại trong ngành sản xuất giấy Đến những năm 1960-1970, ngày càng có nhiều nghiên cứu tìm hiểu về ảnh hưởng của quá trình tái chế tới chất lượng bột giấy và giấy, nghiên cứu về các tác động của tái chế tới quá trình chạy của máy xeo giấy Có nhiều nghiên cứu đã được ứng dụng vào thực tế sản xuất và đã đạt được thành công Ngành công nghệ sản xuất bột giấy gặp nhiều khó khăn về nguồn nguyên liệu gỗ, đồng thời dưới áp lực của của ô nhiễm môi trường sống, đặc biệt là sự ô nhiễm do các phế thải tạo ra từ quá trình sản xuất bột giấy với môi trường nước và môi trường khí, tái chế giấy loại mới thực sự được công nghiệp hóa và phát triển mạnh trong ngành sản xuất giấy

Mức tái sử dụng giấy loại của thế giới năm 1997 là 128 triệu tấn đạt trên 42% tổng số bột sử dụng cho sản xuất giấy trong khi đó lượng bột hoá sử dụng

là 140 triệu tấn chiếm 46% và bột cơ học là 35 triệu tấn chiếm gần 12% Dự kiến đến năm 2010 mức sử dụng bột tái chế có thể đạt tới 50% tổng số bột sử dụng cho sản xuất giấy Hình 1 cho thấy mức sử dụng bột tái chế của thế giới năm 1996 và dự kiến mức sử dụng vào năm 2010

Hình 1: Nhu cầu nguyên liệu bột của thế giới năm 1996 và năm 2010 [1]

Từ những năm cuối của thập kỷ 50, nhu cầu sử dụng giấy trên thế giới ngày càng đa dạng và phong phú, chính vì vậy ngành giấy ngày càng tập trung vào nghiên cứu công nghệ tái chế giấy loại áp dụng với các loại sản phẩm giấy mới Việc đa dạng hóa các sản phẩm giấy mới là động lực lớn nhất để tái chế ngày càng phát triển hơn, trước đây bột tái chế thường chỉ được sử dụng để sản xuất giấy in báo và giấy tạp chí, nhưng ngày nay bột giấy tái chế đã được sử dụng cho hầu hết các loại giấy khác nhau

Hiện nay, các nước phát triển trên thế giới đều có hệ thống thu hồi giấy

và quá trình tái chế giấy loại rất hiện đại và chuyên nghiệp, giấy loại được thu gom, phân loại thành những nhóm riêng biệt, một phần nguồn giấy loại này phục vụ cho nền công nghiệp giấy trong nước, một phần có thể đem xuất khẩu sang các nước khác Quy trình tái chế giấy loại ngày càng được cải tiến, hiện đại hóa, tự động hóa hoàn toàn

Ở Việt Nam, do điều kiện kinh tế chậm phát triển, chuyên môn ngành giấy phát triển chưa cao, tái chế giấy loại ở Việt Nam chưa thực sự được quan tâm cho tới những năm gần đây Việc nghiên cứu, xây dựng và áp dụng các quy trình tái chế giấy loại áp dụng và sản xuất giấy vẫn là công nghệ mới với ngành giấy Việt Nam Do vậy việc tìm hiểu, nghiên cứu và đưa ra quy trình tái chế giấy loại phù hợp với chủng loại giấy ở Việt Nam cũng là một vấn đề cấp thiết nhằm mục đích đưa công nghệ tái chế giấy loại áp dụng rộng rãi hơn nữa cho sản xuất bột giấy và giấy ở Việt Nam

Việc tái chế giấy loại ở Việt Nam hình thành ở những nhà máy giấy địa phương nhỏ lẻ đã lâu, nhưng đều là những nơi không đủ khả năng sản xuất bột

Sơ sợi nguyên thuỷ 53,5%

Sơ sợi

tái chế

36,5%

Chất độn, mầu 10%

Sơ sợi nguyên thuỷ 42,5%

Sơ sợi tái chế 42,5%

Chất độn, mầu 15%

máy khác hoặc từ nước ngoài Các sản phẩm giấy đi từ bột tái chế ở các nhà máy này đều là các sản phẩm có chất lượng rất thấp như giấy bao gói, giấy bìa Dưới áp lực ngày càng lớn về luật môi trường và sự khan hiếm nguồn nguyên liệu từ gỗ và thực vật, ngành giấy Việt Nam đang tìm cách thay thế phương pháp sản xuất bột nguyên thủy bằng con đường tái chế giấy loại Ngày nay bột tái chế không chỉ dùng sản xuất các chủng loại giấy chất lượng thấp nữa mà đã chuyển sang các chủng loại giấy chất lượng cao hơn như giấy Tissues, giấy in

và giấy viết [2] Từ năm 2000 đến nay, nhiều dây chuyền hiện đại, đồng bộ sản xuất bột từ giấy thu hồi đã được lắp đặt ở Việt Nam Một số đơn vị như Công

ty Cổ phần Tập đoàn Giấy Tân Mai, Công ty Cổ phần Giấy Sài Gòn đã có dây chuyền tái chế giấy loại đang hoạt động và một số đơn vị khác như Công ty Giấy Tissue Sông Đuống, Công ty Cổ phần Giấy Diana đang chuẩn bị đưa dây chuyền tái chế giấy loại vào sản xuất

Sự ra đời các nhà máy tái chế giấy loại đã thu hút nguồn nhân lực có kỹ thuật đã qua đào tạo để vận hành dây chuyền thiết bị Từ đó nhu cầu đào tạo về nghề Công nghệ sản xuất bột giấy và giấy nói chung và thợ vận hành công nghệ cho các nhà máy có sử dụng công nghệ này cũng tăng lên Vấn đề đầu tư

về cơ sở vật chất kỹ thuật phục vụ cho việc nghiên cứu của giáo viên, phục vụ cho công tác giảng dạy môn Công nghệ tái chế giấy loại trong nhà trường trở nên cấp thiết hơn

1.2 Các loại giấy loại

Giấy loại là các sản phẩm giấy hoặc cáctông đã qua sử dụng, được loại

bỏ và trở thành rác thải Thành phần của giấy loại khá phong phú, phụ thuộc phần lớn vào công nghệ sản xuất giấy, công nghệ in ấn và các loại mực được

sử dụng Việc xác định thành phần của giấy loại sẽ quyết định đến công nghệ tái chế cũng như việc sử dụng các tác nhân tái chế

Giấy loại được tái chế theo công nghệ tuyển nổi bao gồm các loại giấy

có nguồn gốc từ bột hoá (giấy in, giấy viết, giấy photocopy, giấy tráng phấn )

và các loại giấy có nguồn gốc từ bột cơ học (giấy báo, tạp chí, danh bạ điện thoại ) Các loại giấy này thường chứa từ 1,0-7,0 % mực in, từ 3-20 % các chất phụ gia và từ 1-3 % các chất ngoại lai như đinh gim, cát sạn [3]

Tạp chất trong giấy loại rất đa dạng và phong phú, nó phụ thuộc vào chủng loại nguyên liệu giấy loại Bảng 1 chỉ ra các loại tạp chất phổ biến có mặt trong giấy loại

Bảng 1 Các dạng tạp chất trong giấy loại [4]

Tạp chất bên trong Tạp chất bên ngoài

Tan trong nước Không tan trong nước

Cát sạn, đất đá, sỏi Tinh bột Chất độn

Mảnh thủy tinh Hợp chất của nhôm Hóa chất tăng độ bền

Mảnh kim loại lớn Nhóm chất keo Mực in

Vật liệu nhựa Nhóm chất dính Chất kết dính

Các loại sơi tơ, sợi vải Các phụ gia khác Các chất nhựa

Vật liệu có tính từ Các chất dạng sáp

Mực in là chất hữu cơ khi in ở dạng lỏng và dễ hoà tan vào các dung

môi như axeton, xăng Nhưng khi ở dạng khô lại khá bền vững với tác động

hoá học của dung môi và môi trường Mực in sách khác mực in báo về thành

phần hoá học Mực in sách không bị tan trong môi trường kiềm mạnh, còn mực

in báo lại tan nhanh trong ở môi trường kiềm mạnh và bám trở lại xơ sợi gây

khó khăn cho quá trình tái chế bằng công nghệ tuyển nổi Thành phần của mực

in trong giấy loại được biểu thị ở Bảng 2

1.3 Chất lượng của bột giấy tái chế

Giấy sau khi sử dụng có thể được tái chế lại nhiều lần, đây là một trong

những thế mạnh lớn nhất của công nghệ sản xuất giấy Các tính chất vật lý của

giấy đã qua tái chế khá ổn định khi được tái chế tới 4 lần do trong quá trình tái

chế bột giấy ít bị tác động bởi tác dụng của quá trình nghiền Sự thay đổi về độ

trắng và độ đục có thể xảy ra nhưng với tỷ lệ vừa phải, sự thay đổi này giữa

bột cơ học và bột hóa học cũng khác nhau, với bột tái chế từ bột giấy hóa học

sẽ thay đổi ít hơn, thay đổi nhiều hơn với bột giấy cơ học [3,4,5]

Tuy nhiên tái chế nhiều lần sẽ làm thay đổi một số tính chất cơ học của

giấy Sự thay đổi lớn nhất của quá trình tái chế tác động lên bột giấy là độ bền

kéo, độ dãn dài, lý do giải thích cho hiện tượng này là do số lần tái chế tác

động đến khả năng trương nở của thớ sợi Qua nhiều lần tái chế, thớ sợi trở nên

thô và cứng hơn, thớ sợi không còn linh động và mềm dẻo nữa Sự khác biệt

này được xác định bằng cách xác định giá trị giữ nước (WRV) của bột đã qua

tái chế (đã qua quá trình sấy) và bột chưa qua quá trình sấy Hình dáng thớ sợi

thay đổi rất lớn từ lúc nguyên thủy tới khi tái chế, thớ sợi nguyên thủy sẽ

co ngót của thớ sợi xảy ra nhanh và nhiều Khả năng co ngót và sự trương nở của bột sẽ giảm dần với sự tăng của số lần tái chế Hình 2 mô tả sự sự biến đổi cấu trúc lớp thành thớ sợi trong khi trương nở và sau khi bị co ngót bởi quá trình sấy

A: Thớ sợi ướt trước sấy khô B: Thớ sợi tại hàm lượng rắn 30% C: Thớ sợi co ngót trong khi tiếp tục sấy khô D: Thớ sợi co ngót sau sấy khô Hình 2 Sự thay đổi cấu trúc thành thớ sợi trong quá trình sấy [1]

Số lần tái chế sẽ làm cho bột tái chế thô và cứng hơn, điều này làm cho quá trình thoát nước của bột trên lưới dễ dàng hơn trong quá trình hình thành, làm cho giấy sẽ được hình thành nhanh hơn Ngoài ra tính chất của bột giấy tái chế còn phụ thuộc chủ yếu vào chủng loại giấy, chủng loại bột làm giấy ban đầu, cách thức sản xuất giấy Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tái chế giấy loại từ sáu đến tám lần thì chất lượng giấy còn có thể đáp ứng được các nhu cầu sản xuất và tiêu dùng [3,4,6]

1.4 Các phương pháp khử mực giấy loại

Việc tái chế giấy loại bằng các biện pháp khử mực là công nghệ phức tạp nhất trong các quá trình tái sinh giấy loại và ngày nay có thể xếp vào loại công nghệ cao trong các công nghệ sử dụng nguyên liệu thứ cấp Hiện tại có các phương pháp loại mực như sau:

- Các tính chất của bột tái chế cao

Tuy nhiên phương pháp khử mực bằng phương pháp rửa cho hiệu suất bột tái chế thấp do quá trình rửa không thể giữ lại phần xơ sợi kích thước nhỏ

Phương pháp khử mực bằng tuyển nổi

Bột giấy loại sau khi đã qua các công đoạn xử lý cơ, nhiệt, hoá chất được loại mực bằng quá trình tuyển nổi để giữ lại bột sạch Về bản chất phương pháp tuyển nổi là quá trình tách mực khỏi sơ sợi bằng hoá chất và ma sát trong quá trình đánh tơi sau đó mực được lấy ra từ phía trên bằng cách gạt hay hút mực nhờ các bọt khí

Các ưu điểm của việc khử mực bằng phương pháp tuyển nổi:

- Hiệu suất bột tái chế cao: Đạt 75-97 %

- Tính chất cơ lý của bột tái chế rất cao

Phương pháp tuyển nổi khử mực phát triển mạnh ở châu Âu, Nhật Bản, các nước công nghiệp mới như Đài Loan, Trung Quốc Hiện nay việc nghiên cứu để hoàn thành công nghệ khử mực bằng tuyển nổi ở các nước này vẫn đang được chú ý đặc biệt

Phương pháp khử mực sử dụng vi sinh

Việc sử dụng enzim trong quá trình khử mực giấy loại đang được phát triển và có thể áp dụng trong công nghiệp

Phương pháp khử mực sử dụng kết hợp hoá chất và vi sinh

Khử mực giấy loại sử dụng kết hợp hoá chất và enzym sẽ tăng mức độ loại mực Độ thoát nước của bột được cải thiện và độ bền cơ lý tốt Phương pháp này cũng thân thiện hơn với môi trường do sử dụng ít hoá chất hơn phương pháp sử dụng hoá chất không kết hợp với enzym [7]

1.5 Phương pháp khử mực bằng tuyển nổi

1.5.1 Cơ chế tuyển nổi

Tuyển nổi là một trong những giai đoạn quan trọng nhất của quá trình tái chế giấy loại nhằm tách loại được các tạp chất có kích thước nhỏ nằm trong bột giấy Thiết bị tách loại tạp chất dạng tuyển nổi đầu tiên được phát minh vào năm 1950 có tên là Denver [1] Nhưng mãi đến năm 1980, thiết bị tuyển nổi mới bắt đầu được cải tiến vượt bậc nhằm tách loại bỏ các hạt mực, tạp chất dạng sáp, tạp chất bám dính ra khỏi bột giấy tái chế

Cơ chế tách loại của thiết bị tuyển nổi dựa chủ yếu vào việc sử dụng các hóa chất và lực ma sát trong quá trình đánh tơi tách mực ra khỏi thớ sợi và dựa vào sức căng bề mặt của hợp chất lỏng với chất rắn, trong tuyển nổi người ta

sử dụng sức căng bề mặt của bong bóng khí, các bong bóng nhỏ được tạo ra trong quá trình tuyển nổi là do không khí và các hóa chất tạo bọt (chất hoạt động bề mặt hay xà phòng), các bong bóng khí này có sức căng bề mặt lớn sẽ liên kết các hạt tạp chất lại với nhau, sau đó sẽ kéo các tạp chất trong bột nổi lên trên bề mặt của huyền phù bột, chúng ta chỉ việc gạt bỏ lớp bong bóng ra khỏi huyền phù bột Các hóa chất bổ sung vào quá trình tuyển nổi để làm tăng tính kỵ nước cho tạp chất, đồng thời làm tăng sức căng bề mặt cho bong bóng

hạn chế bong bóng bị vỡ trong quá trình di chuyển hoặc khi đã lên trên bề mặt huyền phù bột

Cơ chế tuyển nổi được thể hiện ở Hình 3, đầu tiên các hạt mực in và tạp chất có kích thước nhỏ được tách ra khỏi xơ sợi bằng các công đoạn đánh tơi, phân tán, sàng và lọc cát

Hình 3 Cơ chế tuyển nổi bằng bong bóng khí [1]

Sau đó dưới tác dụng của hóa chất, quá trình tách loại mực xảy ra theo 3 giai đoạn [6]:

- Sự va chạm giữa hạt mực và bong bóng

- Sự kết hợp của hạt mực vào bề mặt của bong bóng

- Sự di chuyển của bong bóng từ dưới lên trên bề mặt của thiết bị tuyển

nổi

Trong quá trình tuyển nổi, sức căng bề mặt của bong bóng là nhân tố quan trọng nhất để tách loại được các tạp chất, những tạp chất có kích thước nhỏ sẽ được bám vào bề mặt của bóng bóng khí theo cách thức như mô tả trong Hình 4

Bong bóng

BBong bóng

Tạp chất

Hạt

phòng

Bong bóng

2+

Bong bóng khí

Hình 4 Cơ chế bám của mực vào bong bóng [1]

Hiệu quả tách loại mực phụ thuộc rất lớn vào sự kết hợp của hạt mực với bong bóng khí trong quá trình tuyển nổi Để cho quá trình kết hợp này có hiệu quả, phải làm cho các bong bóng có sức căng bề mặt đủ lớn để dễ dàng bám các hạt mực lại, kích thước của hạt mực cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình bám vào bong bóng, thông thường kích thước hạt mực nằm trong khoảng từ 15-250 µm Ngoài ra để tăng hiệu quả tách loại mực, chúng ta cần phải quan tâm tới các yếu tố cơ bản như tính chất của tạp chất (tỷ trọng, kích thước, hình dáng), tính chất của bong bóng (đường kính, sức căng bề mặt), mức độ khuấy trộn và điều kiện công nghệ khi tuyển nổi

1.5.2 Hóa chất trong quá trình khử mực

Hóa chất dùng cho quá trình tái chế thường được chia thành nhiều nhóm khác nhau với các công dụng phù hợp với từng yêu cầu cụ thể, các nhóm hóa chất được chia thành:

- Nhóm hóa chất có tác dụng giải phóng mực ra khỏi xơ sợi và tránh hiện tượng kết tụ quay trở lại xơ sợi

- Nhóm hóa chất dùng để tách loại mực khi tuyển nổi

- Nhóm hóa chất dùng cho tẩy trắng bột tái chế

- Nhóm hóa chất dùng để tăng khả năng tách nước

Bảng 3 biểu thị các nhóm hóa chất dùng cho các quá trình và được bổ

sung vào ở các giai đoạn khác nhau khi tái chế giấy loại

Hạt mực in

1.5.3 Quy trình tái chế giấy loại bằng phương pháp tuyển nổi

Nhiều nhà máy giấy hiện đại trên thế giới và nhiều nước tiên tiến trên thế giới đã đưa ra một quy trình chung cho việc tái sử dụng giấy, tạo một vòng liên hoàn giữa việc sản xuất và tiêu dùng để tái sử dụng lại giấy nhằm mục đích tiết kiệm, tránh lãng phí và tránh gây ô nhiễm môi trường Hình 5 mô tả một quy trình chung về mối quan hệ giữa sản xuất và tái chế giấy loại

Hình 5 Quá trình sản xuất và thu hồi giấy và cáctông [1]

Sản phẩm giấy và cáctông

Thu hồi giấy và cáctông

Nhập khẩu giấy và cáctông

Đối với những nhà máy không có công đoạn sản xuất bột giấy từ cây nguyên liệu thực vật thường phải thu mua giấy loại từ nơi khác về Quy trình tái sử dụng giấy loại được thể hiện ở Hình 6

Hình 6 Quy trình công nghệ tái chế giấy loại

Giấy loại sau khi thu gom từ các khu vực tiêu dùng được phân chia thành những nhóm riêng biệt theo từng mục đích sử dụng khác nhau và theo từng chủng loại bột giấy cần tái chế rồi đưa về nhà máy Tại nhà máy giấy, giấy loại được đánh tơi bằng thiết bị đánh tơi theo yêu cầu kỹ thuật, sau đó huyền phù bột giấy được đưa sang công đoạn làm sạch (sàng, lọc cát) để tách loại các loại tạp chất có kích thước lớn, tỷ trọng lớn ra khỏi bột Huyền phù bột sau đó được đưa qua thiết bị tuyển nổi, rửa, tẩy trắng trước khi đưa sang máy xeo giấy [1]

Dựa vào các loại tạp chất, đặc biệt là kích thước của tạp chất mà người

ta đưa ra các cách thức tách loại khác nhau trong quá trình tái chế Mục đích chính của tái chế giấy loại là tách tạp chất càng triệt để ra khỏi bột càng tốt, mức độ tách loại tạp chất đánh giá hiệu quả của các công đoạn trong quá trình tái chế Các tạp chất có kích thước lớn hơn 0,1mm có thể tách ra bằng phương pháp sàng và lọc cát, nhỏ hơn 0,1mm thì phải sử dụng thiết bị tuyển nổi và thiết bị rửa Hình 7 chỉ ra các cách thức tách loại tạp chất trong quá trình tái chế

(thô)

Làm sạch (tinh)

Tẩy trắng Phối trộn

Máy xeo

Hình 7 Kích thước hạt và phương pháp tách loại [9]

Sau khi được làm sạch sơ bộ bằng sàng và lọc cát, bột giấy được đưa qua giai đoạn tuyển nổi để tách loại các tạp chất nhỏ hơn Quá trình tuyển nổi

là quá trình tách loại dựa vào sự khác biệt về tỷ trọng của vật chất Tuyển nổi

là quá trình sử dụng các bong bóng chất hoạt động bề mặt (xà phòng) để kéo các tạp chất có kích thước hạt nhỏ ra khỏi bột Hình 8 dưới đây thể hiện sự phân bố tạp chất trong giấy loại, trong đó tạp chất có kích thước khoảng từ 10-30µm chiếm tỷ lệ rất lớn

Hình 8 Sự phân bố kích thước của tạp chất [10,11]

Tuyển nổi có thể tách loại được tạp chất có kích thước hạt từ 1mm, các loại tạp chất này thường nằm chủ yếu trong thành phần mực in Tuyển nổi là giai đoạn có sự kết hợp giữa không khí, các hóa chất để tách loại các tạp chất rắn trong mực in ra khỏi huyền phù bột Tuyển nổi là giai đoạn xử

0,001-lý quan trọng nhất của quá trình tái chế giấy loại

Kích thước hạt, µm

Sau khi được tuyển nổi, bột giấy được đưa qua giai đoạn rửa để tiếp tục quá trình làm sạch Rửa là công đoạn tách loại các tạp chất có kích thước rất nhỏ ra khỏi bột giấy Rửa sẽ giúp khuyếch tán các tạp chất nhỏ ra khỏi bột, các thiết bị rửa sử dụng trong công đoạn rửa thường là thiết bị rửa áp lực, rửa khuyếch tán và rửa ép vắt

Bột sau khi đi qua giai đoạn tuyển nổi và rửa vẫn còn có rất nhiều tạp chất của mực nằm sâu trong thành thớ sợi, các thành phần tạp chất này đều tồn tại ở dạng màu, các dạng chất màu này làm giảm độ trắng của bột giấy Muốn tăng độ trắng của bột giấy người ta thường phải tiến hành công đoạn tẩy trắng Tẩy trắng là giai đoạn sử dụng các hóa chất có tính oxy hóa hoặc tính khử để loại bỏ các dạng tạp chất mang màu có lẫn trong bột Các hóa chất thường sử dụng cho tẩy trắng bột tái chế bao gồm hydro peroxide, FAS, sodium hydrosulphite

1.5.4 Tìm hiểu một số loại thiết bị tuyển nổi trên thế giới và Việt Nam

Từ khi thiết bị tuyển nổi Denver được phát minh vào năm 1950 (Hình 9) ngày nay đã có rất nhiều thiết bị tuyển nổi hiện đại được dùng trong quá trình tái chế giấy loại

Thiết bị tuyển nổi là nơi xảy ra chủ yếu quá trình tách loại mực in ra khỏi huyền phù bột bằng các bong bóng khí Sau khi các hạt mực bám được vào bong bóng khí, nhờ vào tỷ trọng nhẹ hơn, các bong bóng khí sẽ nổi lên trên bề mặt của huyền phù bột, lớp bọt có chứa tạp chất sau đó được gạt ra khỏi bề mặt của huyền phù bột

Hình 9 Thiết bị tuyển nổi Denver đứng và nằm ngang [1]

Thiết bị tuyển nổi có cấu tạo tương đối đơn giản, hầu hết các thiết bị tuyển nổi bao gồm các bộ phận sau: Bể chứa có thể tích lớn, một bơm cấp và tháo bột, bơm tuần hoàn bột, thiết bị phân phối khí, thiết bị khuấy, thiết bị gia nhiệt, thiết bị gạt bọt và thiết bị tách bọt Ngày nay thiết bị tuyển nổi đã cải tiến

và hiện đại hơn, tuy nhiên các thiết bị tuyển nổi chỉ khác nhau ở một số điểm

cơ bản:

- Số lượng vòi khí và các phần phụ trợ trong thiết bị tuyển nổi

- Kiểu khí cấp để tạo bong bóng: Khí tự nhiên hoặc khí nén

- Cách thức tách bọt khí: Kiểu gạt, kiểu hút chân không hoặc kiểu áp lực

- Sử dụng tuyển nổi hai giai đoạn

- Kiểu thiết kế và cách thức bố trí thiết bị

Quá trình tách mực của thiết bị tuyển nổi được minh hoạ trên Hình 10 Huyền phù bột được bơm cấp vào thiết bị tuyển nổi theo hướng từ dưới đi lên trên, dòng bột cấp vào phải được khống chế lưu lượng bột và tốc độ dòng chảy Không khí được cấp từ dưới đi lên trên để tạo ra bong bóng khí, bong bóng khí yêu cầu phải có kích thước đủ nhỏ và đủ bền để khi di chuyển từ dưới lên trên không bị vỡ Bọt khí sau khi liên kết được với các hạt mực do vẫn có tỷ trọng nhỏ hơn nước nên nổi dần lên trên bề mặt của huyền phù bột, sau đó được cánh gạt tách sang thiết bị phá bọt

Do quá trình khử mực hiệu suất thấp, nên dòng bột thường được bơm tuần hoàn nhiều lần cho đến khi lượng mực có mặt trong huyền phù bột đảm bảo ở mức yêu cầu thì được bơm ra ngoài

Hình 10 Quá trình tách mực của thiết bị tuyển nổi [1]

Có nhiều thiết bị tuyển nổi của các nhà sản xuất thiết bị khác nhau được

sử dụng cho quá trình tái chế giấy loại, dưới đây là một số thiết bị điển hình của các hãng Ahlstrom (Hình 11), Beloit (Hình 12) và Comer (Hình 13)

Bột vào

Mực thải

Bột ra Khí

Hình 11 Thiết bị tuyển nổi kiểu Ahlstrom [1]

Hình 12 Thiết bị tuyển nổi của hãng Beloit PDM 2 [1]

Hình 13 Thiết bị tuyển nổi kiểu Comer CYBERCEL [1]

Thiết bị CYBERCEL được hãng Comer của Ý giới thiệu vào những năm

1996 và ngày càng trở nên được sử dụng khá phổ biến ở các dây chuyền tái chế giấy loại và thiết bị tuyển nổi nói chung Thiết bị tuyển nổi loại này lần đầu tiên được sử dụng ở Việt Nam tại Công ty Giấy Tissue Sông Đuống

1.5.5 Thiết bị tuyển nổi trong phòng thí nghiệm

Thiết bị tuyển nổi trong phòng thí nghiệm là thiết bị tiêu chuẩn dùng để nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình tuyển nổi tới độ trắng và tính chất của bột sau tái chế

Thiết bị tuyển nổi trong phòng thí nghiệm thường là thiết bị làm việc gián đoạn, với thể tích nhỏ phù hợp với nhiều loại giấy loại khác nhau (thể tích hữu hiệu 25-30 lít) Để tăng khả năng tách loại tạp chất, đặc biệt là mực in, thông thường thiết bị tuyển nổi làm việc ở điều kiện kỹ thuật như sau [2,3,4]:

Mực thải

Bột ra Bột vào

Tuần hòan

Hình 14 mô tả thiết bị tuyển nổi của hãng Voith Sulzer đang được sử dụng tại phòng thí nghiệm ở Học viện Công nghệ Châu Á, Thái Lan

Hình 14: Thiết bị tuyển nổi phòng thí nghiệm của hãng Voith Sulzer

Thiết bị có thể tích hữu hiệu 25 lít, nồng độ làm việc tối đa 2 %, chiều cao bể tuyển 400 mm, đường kính 300 mm, tốc độ làm việc của cánh khuấy

1470 vòng/phút, công suất khuấy 400 W, tốc độ gạt mực 10 vòng/phút

2 Thực trạng giảng dạy môn Công nghệ tái chế giấy loại trong nhà trường 2.1 Những định hướng chung trong hoạt động đào tạo nghề

Công tác dạy nghề là lĩnh vực đang được Đảng và Nhà nước quan tâm, đặt vào vị trí ưu tiên trong các chính sách phát triển giáo dục - đào tạo nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về số lượng và chất lượng nhân lực cho thị trường lao động kỹ thuật Theo chỉ đạo của Thủ tưởng Chính phủ tại cuộc họp Hội đồng giáo dục Quốc gia ngày 12/1/2007, dạy nghề phấn đấu đến năm 2010 đảm bảo đạt từ 40-50 % nhân lực qua đào tạo Để đạt được mục tiêu đó, cần thực hiện nhiều giải pháp trong đó việc đầu tư cơ sở vật chất, trang thiết bị cho công tác đào tạo có ảnh hưởng rất lớn đến việc hình thành kỹ năng nghề cho nguồn nhân lực qua đào tạo nghề

Một trong những quan điểm về định hướng quan trọng đối với dạy nghề

ở nước ta là phải chuyển đổi nhanh từ dạy nghề theo hướng cung sang hướng cầu của thị trường sức lao động và nhu cầu đa dạng của xã hội, gắn dạy nghề với chiến lược, quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế xã hội của cả nước, từng ngành, từng địa phương và gắn với tạo việc làm, thu nhập cho người lao động Đổi mới và nâng cao chất lượng dạy nghề theo hướng chuẩn hoá, hiện đại hoá một cách toàn diện đồng bộ từ mục tiêu, nội dung, chương trình, phương pháp đào tạo, đánh giá kết quả học tập, đội ngũ giáo viên, cán bộ quản lý dạy nghề,

cơ sở vật chất và trang thiết bị dạy nghề Để định hướng nói trên đi vào thực

là cấp thiết, là cơ sở cho việc hình thành kỹ năng nghề cho người học nghề

trong quá trình đào tạo

Trong những năm qua, nhà trường đã rất tích cực đầu tư kinh phí mua

sắm trang thiết bị dạy học bằng cả nguồn kinh phí hỗ trợ của nhà nước và kinh

phí tự có Đội ngũ cán bộ giáo viên của nhà trường tích cực tìm tòi, nghiên cứu

để tự làm các thiết bị, đồ dùng, phương tiện phục vụ cho giảng dạy và nghiên

cứu khoa học Tuy nhiên do nguồn kinh phí hạn hẹp cho nên việc triển khai

nghiên cứu ở phạm vi lớn, nghiên cứu chiều sâu vẫn còn hạn chế và gặp nhiều

khó khăn

2.2 Thực trạng giảng dạy môn Công nghệ tái chế giấy loại tại trường

2.2.1 Thời gian, vị trí của môn học

- Thời gian của môn học: Môn học Công nghệ tái chế giấy loại dùng cho

học sinh, sinh viên học nghề “Công nghệ sản xuất bột giấy và giấy”, “Kiểm

nghiệm bột giấy và giấy” với thời gian giảng dạy là 120 giờ, trong đó có 45 giờ

lý thuyết và 75 giờ thực hành

- Vị trí của môn học: Môn học được bố trí sau khi sinh viên đã học xong

môn Công nghệ sản xuất bột giấy và giấy

2.2.2 Mục tiêu môn học

Sau khi học xong môn học này người học có khả năng:

- Trình bày được quy trình xử lý và tái chế giấy loại, đặc biệt là quy

trình khử mực của giấy loại

- Vận dụng kiến thức đã học để vận hành công đoạn tái chế giấy loại

hoặc dây chuyền DIP của các nhà máy

- Mô tả được cấu tạo, trình bày được nguyên lý làm việc và nguyên tắc

vận hành của các thiết bị chính trong dây chuyền tái chế giấy loại

- Trình bày được ảnh hưởng của các yếu tố trong quá trình tái chế đến

tính chất của giấy

- Đề ra được các biện pháp phòng ngừa sự cố và giải quyết được các sự

cố thường gặp trong quá trình tái chế

2.2.3 Nội dung tổng quát của môn học (đào tạo Cao đẳng nghề)

Bảng 4 Nội dung chương trình môn học Công nghệ tái chế giấy loại

Thời gian (giờ)

số

Lý thuyết

Thực hành, Bài tập

Kiểm tra

3 Công nghệ làm sạch giấy loại 12 4 8

2.2.4 Điều kiện thực hiện chương trình

- Sinh viên phải có đầy đủ tài liệu và dụng cụ học tập

- Sinh viên được học tập và làm thí nghiệm trên thiết bị quy mô phòng

thí nghiệm

- Sinh viên được tham quan thực tế dây chuyền công nghệ tái chế giấy

loại

- Giáo viên chuẩn bị chu đáo bài giảng, sử dụng phương tiện giảng dạy

hiện đại vào giảng dạy nhằm giúp sinh viên dễ hiểu bài và gây hứng thú trong

học tập

2.2.5 Thực tế giảng dạy phần thực hành

Trường Cao đẳng nghề Công nghệ Giấy và Cơ điện hiện tại là trường

duy nhất trong cả nước có đào tạo hệ Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề cho

nghề "Công nghệ sản xuất bột giấy và giấy" Năm học 2008-2009, toàn trường

có 651 học sinh, sinh viên học nghề "Công nghệ sản xuất bột giấy và giấy",

trong đó 310 em (tương ứng với 7 lớp học) cần được đào tạo môn Công nghệ

tái chế giấy loại với tổng thời gian trên 700 giờ

Trong thời gian qua việc giảng dạy môn Công nghệ tái chế giấy loại tại

trường vẫn còn gặp nhiều khó khăn Cơ sở vật chất trang thiết bị, phương tiện

phục vụ cho môn học còn thiếu và lạc hậu, chưa đảm bảo điều kiện để nâng

cao tay nghề cho cả giáo viên và học sinh trong quá trình dạy học Chính vì

vậy việc giảng dạy chủ yếu vẫn dạy lý thuyết là chính, thực hành, thực tập ít

chưa đáp ứng được yêu cầu của môn học

Để có trang bị thiết bị phù hợp với yêu cầu đào tạo của môn học thì việc

đầu tư mua thiết bị mới là khá tốn kém trong khi nguồn kinh phí thu từ học phí

của nhà trường hiện tại là rất thấp và từ năm 2008 đến nay nhà trường cũng

không được cấp ngân sách từ Chương trình mục tiêu quốc gia dành cho Giáo

dục - Đào tạo để mua sắm trang thiết bị

Việc thiếu trang thiết bị dạy học đã ảnh hưởng đến giáo viên trong quá

trình nghiên cứu, chuẩn bị bài giảng, tìm hiểu một cách đầy đủ hơn những nội

dung công nghệ cần thiết để truyền đạt cho học sinh, sinh viên Sự hợp tác liên

sản xuất gặp nhiều khó khăn do hiện tại số cơ sở có thiết bị cũng không nhiều, học sinh đến kiến tập và thực tập tại các doanh nghiệp cũng không được trực tiếp vận hành thiết bị, đặc biệt là không có điều kiện làm các thí nghiệm ở quy

mô phòng thí nghiệm Điều này cũng ảnh hưởng đến chất lượng đào tạo

Từ thực tế trên, cho thấy tính bức thiết của việc chế tạo thiết bị tuyển nổi phục vụ cho giảng dạy môn Công nghệ tái chế giấy loại trong nhà trường Trên

cơ sở lý thuyết quá trình khử mực và các thiết bị khử mực được sử dụng thực

tế trong các dây chuyền sản xuất và phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị khử mực bằng phương pháp tuyển nổi gồm các công đoạn theo quy trình như trên Hình 15

Hình 15 Quy trình tái chế giấy loại trong phòng thí nghiệm

Tẩy trắng Rửa

Xác định tính chất Xeo giấy

Trộn hoá chất

và ủ

Chương II NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Thiết kế công nghệ

1.1 Sơ đồ nguyên lý chung của thiết bị:

Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống thiết bị tuyển nổi được minh hoạ trên Hình 16

Thuyết minh sơ đồ:

Nguyên liệu sử dụng là giấy loại đã qua in ấn, copy, viết có nguồn gốc từ bột hoá và bột cơ cũng như hỗn hợp của 2 loại bột trên Nguyên liệu và nước được cho vào bể đánh tơi theo tỉ lệ tính toán để đảm bảo nồng độ bột đánh tơi tõ 2% - 4%, thời gian đánh tơi bột là 40 phút, tại đây bổ sung EDTA,

Na2SiO3, NaOH, H2O2 theo tỷ lệ dùng đã cho Khi hết thời gian đánh tơi, bơm bột sang bể trộn, tại đây huyền phù bột tiếp tục được bổ sung chất hoạt động bề mặt theo tỷ lệ đã cho, sau đó trộn đều và ủ bột trong thời gian 90 phút ở nhiệt

độ thường Khi hết thời gian ủ, pha loãng huyền phù bột tới nồng độ 1 % và bơm lên thiết bị tuyển Tại đây huyền phù bột được gia nhiệt tới nhiệt độ tuyển theo yêu cầu nhờ thanh gia nhiệt lắp ở thành của thiết bị tuyển và khí nén được cấp vào đáy của thiết bị tạo thành các bong bóng khí nhỏ chuyển động từ đáy

bể đi lên bề mặt của huyền phù bột Trong khi các bong bong khí chyển động, các hạt mực bám vào các bong bóng khí và cùng chuyển động lên bề mặt của huyền phù bột, các hạt mực cùng bọt khí được hệ thống cánh gạt gạt ra máng thải mực và đi sang bể chứa mực thải nhờ hệ thống vòi nước phun tia Trong thời gian tuyển, bột liên tục được chuyển động tuần hoàn nhờ bơm tuần hoàn Khi hết thời gian tuyển, dừng thiết bị tuyển và tháo bột xuống bể chứa bột sau tuyển, sau đó bơm nước sạch vào để vệ sinh bể, bơm và thiết bị tuyển

1.2 Đặc điểm công nghệ của thiết bị

Qua nghiên cứu các thiết bị phục vụ cho nghiên cứu hiện có trên thế giới

và mục tiêu đề tài cần nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã thống nhất đây là thiết

bị hoạt động gián đoạn với công suất thiết kế cho hệ thống thiết bị khử mực là

300 gam bột khô tuyệt đối/1mẻ tuyển Trên cơ sở công suất chung của hệ thống, nhóm nghiên cứu đề xuất công suất các thiết bị trong hệ thống cụ thể như sau:

- Thiết bị đánh tơi: 600 gam giấy loại khô tuyệt đối (KTĐ)/mẻ

- Thiết bị trộn và ủ: 600 gam giấy loại KTĐ/mẻ

- Thiết bị tuyển: 300 gam giấy loại KTĐ/mẻ

Thời gian làm việc cho 1 mẻ tuyển từ 150 phút đến 180 phút Hệ thống thiết bị làm việc trong điều kiện môi trường có hoá chất, thường xuyên tiếp xúc với nước và làm việc ở các nhiệt độ khác nhau Yêu cầu chất lượng sản phẩm bột sau tuyển có độ trắng tăng so với bột trước khử mực từ 8% ISO trở lên

1.3 Các thông số công nghệ chủ yếu

Trên cơ sở công suất thiết kế và nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết

bị, kết quả khảo sát, nghiên cứu và điều kiện làm việc của từng thiết bị phụ trợ phục vụ cho quá trình khử mực dùng cho các phòng thí nghiệm trong và ngoài nước, nhóm nghiên cứu đã thống nhất về các yêu cầu kỹ thuật cho từng bộ phận và yêu cầu điều khiển hệ thống thiết bị như sau:

+ Bể đánh tơi:

Thể tích thực của bể 40 lít, thể tích làm việc 20-30 lít, khối lượng bột khô tuyệt đối cho một mẻ 600 gam, nồng độ bột đánh tơi 2-4 %, tốc độ khuấy 1300-1400 vòng/phút, có đường bổ sung hoá chất, hệ thống điều khiển mức bể, phần mềm điều khiển tự động thời gian đánh tơi, bơm để bơm bột sang bể trộn hoá chất và ủ sau khi kết thúc đánh tơi

+ Bể trộn hoá chất và ủ:

Thể tích hữu hiệu của bể 60 lít, có hệ thống đo mức và tự động điều khiển mức theo thời gian đã đặt trước, có cánh khuấy và có thể điều chỉnh được tốc độ theo yêu cầu công nghệ, nồng độ bột trong khi ủ 2-4 %, trước khi bơm lên bể tuyển pha loãng đến 1 %, có bơm để bơm bột lên bể tuyển và có thể bơm tuần hoàn trong quá trình tuyển

+ Bể tuyển nổi:

Thể tích hữu hiệu của bể 30 lít, nồng độ làm việc 1 %, bể có cánh gạt để gạt bọt mực nổi lên, có máng thải mực và có đường nước phun tia để thải mực, trong bể có lắp cánh khuấy để khuấy trộn bột và có cửa trong suốt để có thể

lượng từ 2-5 lít/phút, có hệ thống gia nhiệt có thể điều chỉnh được nhiệt độ đến

600C, có đường lấy mẫu và đường tháo bột sang bể sản phẩm

+ Bể chứa bột sau tuyển:

Dung tích 60 lít có cánh khuấy

+ Bể chứa mực thải:

Dung tích 20 lít có van thải ở đáy bể

2 Tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị

2.1 Tính toán

ƒ Bể đánh tơi:

Để đảm bảo các yêu cầu về thể tích, thể tích sử dụng, các yêu cầu về hoạt động công nghệ, yêu cầu về độ bền và độ ổn định trong quá trình làm việc của thiết bị, kích thước của bể được xác định có tỉ lệ giữa chiều cao/đường kính là nằm trong phạm vi 1,2 - 1,5 lần Nhóm nghiên cứu đã thảo luận và tính toán các thông số làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo bể đánh tơi như sau:

- Thông số đầu vào bể đánh tơi

Đường kính: D = 350 mm

Chiều cao: H = 450 mm

Trọng lượng riêng của hỗn hợp: ρ = 0,00138 kg/cm3

Vật liệu: Thép không gỉ SUN 304

Nhiệt độ làm việc: t = 25-600C

Ứng suất cho phép: [σ] = 1450 kg/cm2

- Tính toán chiều dày bể đánh tơi

Ta có áp suất tính toán của bể là: P = ρ.H

Trong đó:

ρ là khối lượng riêng của hỗn hợp: ρ = 0,00138 kg/cm3

H là chiều cao của cột chất lỏng: H = 450 mm = 45 cm

= 0,000749 cm = 0,00749 mm Trong đó:

P áp suất tác dụng lên bể: p = 0,0621 kg/ cm2

R bán kính bể R = 350/2 = 175 mm = 17,5 cm

[σ] ứng suất cho phép của vật liệu làm bể [σ] = 1450 kg/cm2

Để đảm bảo độ cứng vững ta chọn chiều dày thành bể s1 = 2 mm, chiều dày phần đáy s2 = 2,5 mm

- Kiểm tra sức bền thành bể

5 , 17 0621 ,

= 5,43 kg/cm2 <1450 kg/cm2 = [σ] Vậy điều kiện bền của thân bể được thoả mãn

- Tính toán cánh khuấy

+ Các thông số đầu vào:

Tốc độ cánh khuấy n = 1340 v/p

Độ nhớt µ = 0,55 Ns/m2

Tỷ trọng của hỗn hợp dung dịch khuấy γc = 0,00138 kg/cm3= 1380 kg/m3

+ Tính toán công suất máy khuấy:

Công suất máy khuấy được xác định theo công thức:

N = N =K1.K2.(∑k+ 1 ).N M

Trong đó:

NM : Công suất yêu cầu đối với hỗn hợp khuấy

K1: Hệ số tính đến độ đẩy tải của máy khuấy trong hỗn hợp

K2 : Hệ số tính đến động tăng công suất khi khởi động máy Σk: Tổng các hệ số tính động tăng công suất

H K

Ta chọn công suất của động cơ là: N = 0,37 kW

+ Tính toán các thông số của máy khuấy:

Đường kính cánh khuấy: dm = 0,34.Db = 0,34.350 = 119 mm

Bề rộng cánh khuấy: b = 0,168.dm = 0,168.119 = 19,99 mm

Khoảng cách cho phép từ đáy đến cánh: h = 1,4.b = 1,4.19,99 = 27,9 mm

Bề rộng thanh chống xoáy: B = 0,08.Db = 0,08.350 = 28 mm

Chiều dày cánh khuấy:

Ta có momen uốn theo mặt cắt A-A được xác định theo công thức:

43 , 5 10 23 ,

4 ⋅ − 9 ⋅

Để đảm bảo độ cứng vững ta chọn chiều dày cánh khuấy S = 3mm

Đường kính trục cánh khuấy được tính theo đường kính trục ra của động

cơ Ta chọn dtk = 16mm

- Chọn động cơ

Chọn động cơ kiểu: GL711 - 483

Công suất động cơ 0,37 kW; tốc độ đầu ra n1 = 1340 v/p

Trên cơ sở tính toán cho bể đánh tơi, nhóm nghiên cứu đã tính toán cho

các bể khác để làm cơ sở cho thiết kế chế tạo

2.2 Phân tích đặc tính công nghệ chế tạo của thiết bị

Trên cơ sở các yêu cầu về công nghệ và tính toán nêu trên, nhóm nghiên cứu đã đưa ra những yêu cầu cụ thể về chế tạo cho từng bộ phận chính của thiết bị như sau:

M1 =

n

N' 0813 ,

33 , 22

170 0813 ,

x = 4,23.10-9 ( m3 )

4 , 793 55

, 0

119 , 0 33 , 22 1380 Re

+ Bể đánh tơi: Chế tạo bằng thép không gỉ SUN 304 hình trụ đặt thẳng đứng, đáy hình côn có sàng ở đáy để loại bỏ tạp chất, bể có thể tích 0,04m3, đường kính bể 350 mm, chiều cao 450 mm Tốc độ tối đa của máy đánh tơi

1340 vòng/phút, công suất đánh tơi 0,37kW

+ Bể trộn: Chế tạo bằng thép không gỉ SUN 304 hình trụ đặt thẳng đứng,

bể có thể tích 0,06m3, đường kính bể 400 mm, chiều cao 500 mm Phía trên đỉnh lắp máy khuấy tạo sự đồng đều liên tục của bột trong bể, tốc độ của máy khuấy 1345 vòng/phút, công suất khuấy tối đa 0,25kW Hệ thống nước pha loãng cho bể được điều khiển tự động, bể được gắn thiết bị đo mức

+ Bể tuyển: Chế tạo bằng thép không gỉ SUN 304 hình trụ đặt thẳng đứng, bể có thể tích 0,03m3, đường kính bể 330 mm, chiều cao 400 mm Phía trên có máng thải mực, có dàn phun nước phá bọt và có vòi khí hỗ trợ cho quá trình thổi bọt, bột trong bể được bơm tuần hoàn và được lắp thiết bị gia nhiệt

tự động, phía trước bể có cửa trong suốt để phục vụ quan sát trong quá trình tuyển, bể có thể tích 0,03m3, tốc độ làm việc của cánh khuấy và cánh gạt mực

là 10 vòng/phút, công suất khuấy 0,1kW

+ Bể chứa bột sau tuyển: Chế tạo bằng thép không gỉ SUN 304 hình trụ đặt thẳng đứng, bể có thể tích 0,06m3, đường kính bể 400 mm, chiều cao 500

mm Phía trên đỉnh lắp máy khuấy tạo sự đồng đều liên tục của bột trong bể, tốc độ của máy khuấy 1345vòng/phút, công suất khuấy tối đa 0,25kW

+ Bể chứa mực thải: Chế tạo bằng thép không gỉ SUN 304 hình trụ đặt thẳng đứng, bể có thể tích 0,02m3, đường kính bể 260 mm, chiều cao cao 400

mm Phía gần đáy có lắp van thải bỏ nước phá bọt

+ Giá đỡ thiết bị: Chế tạo bằng thép không gỉ SUN 304 ở giữa thiết kế cao hơn tránh đọng nước và tăng cứng cho hệ thống có kích thước (2000x800)

mm và chân cao hơn mặt sàn (80-100) mm

2.3 Thiết kế, chế tạo, lắp ráp thiết bị

2.3.1 Xác định phương pháp chế tạo

Trên cơ sở quá trình làm việc của thiết bị ta nhận thấy thiết bị chủ yếu là các bể, để đơn giản hóa các kết cấu ta chọn phương pháp gia công bể chứa và lắp đặt hệ thống đường ống bằng kết cấu hàn, sử dụng phương pháp hàn TIG Trục máy khuấy được gia công trên máy tiện vạn năng, cánh khuấy được gia công bằng phương pháp mài và hàn trực tiếp lên trục Hệ thống đường ống và van được lắp ghép ren ống tiêu chuẩn Do yêu cầu của thiết bị làm việc trong môi trường tiếp xúc với nước và hóa chất cho nên ta chọn thiết bị được làm từ vật liệu thép không gỉ SUN 304 Bể được chế tạo từ phôi tấm, có chiều dày thành bể 2 mm và đáy bể 2,5 mm, được gia công trên máy cắt tấm thủy lực,

Các mô tơ dẫn động máy khuấy, cánh gạt mực, hệ thống van, biến tần, cảm biến, bộ vi xử lý, được tính toán công suất và lựa chọn các hãng cung cấp có uy tín trên thế giới, có xuất xứ từ các nước phát triển

2.3.4 Thiết kế hệ thống điện điều khiển

+ Cấu trúc hệ thống điều khiển

Hệ điều khiển của mô hình được xây dựng trên cơ sở của hệ điều khiển phân tán hiện đại Cấu trúc được phân thành 3 lớp (Hình 17):

INV 01-03: Các biến tần MASTERDRIVER 420 của SIEMENS dùng

để thực hiện việc hoạt động của động cơ đánh tơi, động cơ tuyển, động cơ khuấy bể trộn

CT 01-03: Công tắc tơ điều khiển quá trình hoạt động của bơm số 1 và 2 V1 và V2: Van điện từ điều khiển mức của bể đánh tơi và bể trộn

THER: Thiết bị gia nhiệt bể trộn

TIT01: Cảm biến nhiệt độ kiểu PT100

LIT01: Cảm biến mức bể trộn để thực hiện việc điều khiển nồng độ bột giấy

TIC01 và LIC01: Thiết bị điều khiển nhiệt độ và mức của bể trộn và tuyển

PU01 và PU02: Bơm số 1 và bơm số 2

Hình 17 Mô hình hệ thống điều khiển hệ thống thiết bị khử mực

+ Thiết kế phần mềm điều khiển hệ thống thiết bị

Chương trình phần mềm ứng dụng

Mô hình sử dụng phần mềm ứng dụng viết trên cơ sở chương trình SIEMENS/STEP7 với các chức năng đầy đủ của hệ thống điều khiển như tiếp điểm NO/NC, bộ đếm (counter), bộ định thời (timer), các rơ le, công tắc tơ Ngôn ngữ lập trình sử dụng một cách linh hoạt theo mục đích sử dụng

như LADDER, STATEMENT

Chương trình giao diện vận hành

Chương trình giao diện vận hành được viết trên cơ sở phần mềm PC ACCESS V1.6 và WINCC 6.0 như trong hình 18

- Thiết lập các giao diện vận hành: Toàn bộ giao diện vận hành được viết trên cơ sở WINCC 6.0 từ các thư viện hình ảnh sống động, sát thực tế, dễ quan sát và thân cận thực tiễn

- Thiết lập các chức năng vận hành: Các biến của quá trình được truy xuất qua phần mềm PC ACCESS sau đó kết nối với các biến của quá trình để thực hiện việc điều khiển

Hình 18 Màn hình điều khiển hệ thống thiết bị

+ Hoạt động của hệ thống điều khiển:

- Các động cơ đánh tơi, trộn, tuyển sẽ được điều khiển tốc độ mong muốn bằng biến tần thông qua PLC

- Sự hoạt động của 2 bơm số 1 và 2 phụ thuộc liên động vào quá trình khử mực

- Bơm số 1 chỉ được hoạt động khi kết thúc quá trình đánh tơi (40 phút), bơm số 2 sẽ hoạt động cùng quá trình tuyển đảm bảo có dòng bột tuần hoàn trong quá trình tuyển

- Khi thực hiện công đoạn ủ bột với hóa chất, động cơ trộn phải hoạt động nhằm đáp ứng khả năng đồng đều và hiệu quả cao của quá trình ủ

- Mức của bể trộn được điều khiển qua thiết bị điều khiển mức nhằm đảm bảo nồng độ không thay đổi khi thực hiện thí nghiệm với các loại nguyên liệu, hóa chất khác nhau

- Nhiệt độ của quá trình tuyển được cảm nhận và điều khiển thông qua mạch điều khiển nhiệt độ

2.3.5 Chế tạo, lắp ráp thiết bị

Trên cơ sở các bản vẽ thiết kế, nhóm nghiên cứu đã chuẩn bị các điều kiện cần thiết để tiến hành chế tạo và lắp ráp hệ thống thiết bị Danh mục các thiết bị máy móc, các loại vật tư, nguyên liệu, linh kiện được liệt kê trong Phụ lục 2

+ Gia công bể đánh tơi:

Bước 1: Khai triển và gia công thân bể

Kích thước (φ350 x 350 x 2) mm

Sau khai triển ta được kích thước tấm:

- Chiều dài khai triển: L = π.D = 3,14.350 = 1099,5 mm

- Chiều cao H = 350 mm

- Bề dày tấm thân bể S = 2 mm

Sử dụng máy cuốn tròn để cuốn thành thân φ350mm, cao 450 mm và dày 2 mm Hàn đính đường ghép thân bể (mối hàn đính cách nhau 50 mm)

Bước 2: Khai triển và gia công phần côn:

Kích thước: (φ350 x φ200 x 100 x 2)mm

Bước 3: Khai triển và gia công phần miệng bể:

Kích thước: (φ350 x φ250 x 5)mm

Bước 4: Khai triển và và gia công phần chân bể theo bản vẽ

Bước 5: Khai triển và gia công giá lắp động cơ theo bản vẽ

Bước 6: Gá lắp các chi tiết tạo thành vỏ bể theo bản vẽ

Bước 7: Hàn bể: Sử dụng phương pháp hàn TIG

Bước 8: Làm sạch, đánh bóng vỏ bể tuyển

Bước 9: Gia công trục máng đánh tơi

Bước 10: Gia công cánh đánh tơi theo bản vẽ tính toán

Bước 11: Gá lắp, hàn cánh với trục

+ Gia công bể trộn, bể tuyển, bể chứa bột sau tuyển, bể mực thải, giá đỡ thiết

bị được tính toán, thiết kế, chế tạo theo các bước tương tự như bể đánh tơi Các thiết bị trong hệ thống được chế tạo và được định vị cố định vào giá

đỡ thiết bị theo mô hình nguyên lý công nghệ Việc di chuyển dung dịch huyền phù bột trong hệ thống được thực hiện thông qua hệ thống bơm, các van và các đường ống Các bơm, van và đường ống dẫn đều được làm từ vật liệu không gỉ (chủ yếu là thép không gỉ SUN 304) có thể chịu được môi trường hoá chất, nước và nhiệt độ cao Tất cả các van sử dụng cho hệ thống đều có xuất xứ từ

Mỹ, trong đó van pha loãng tại bể trộn có thể điều khiển tự động được, các van còn lại được điều khiển bằng tay Đầu vào và đầu ra của bơm được thiết kế theo tiêu chuẩn của bơm, cụ thể các ống đầu vào bơm có đường kính Φ = 30

mm, các ống đầu ra của bơm có đường kính Φ = 25 mm Các đường nước pha loãng và nước vệ sinh có đường kính Φ = 15-20 mm

3 Chạy thử thiết bị

3.1 Mục tiêu

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian tuyển tới quá trình khử mực để đánh giá chất lượng, hiệu quả, kỹ thuật công nghệ của thiết bị, từ đó xây dựng quy trình vận hành cho thiết bị

3.2.1 Công tác chuẩn bị:

- Nguyên liệu: Giấy loại văn phòng, giấy báo cũ

- Hoá chất: Na2SiO3, EDTA, NaOH, H2O2, chất hoạt động bề mặt

- Thiết bị:

Hệ thống tuyển nổi chế tạo tại trường Máy xeo tay và các thiết bị đi kèm, giấy đế

Các thiết bị kiểm tra tính chất giấy

- Dụng cụ: Các dụng cụ thí nghiệm thông thường

Danh mục các loại thiết bị, nguyên liệu, hoá chất phục vụ cho chạy thử

và nghiên cứu được liệt kê trong Phụ lục 3

3.2.2 Điều kiện thực hiện:

a Điều kiện cố định:

- Mức dùng hoá chất:

Bảng 5 Mức dùng hoá chất

Mức dùng (%) Hoá chất

b Điều kiện biến thiên

- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tuyển:

Bảng 6 Biến thiên điều kiện nhiệt độ

Nhiệt độ ( 0 C)

30 40 50 60

- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tuyển:

Bảng 7 Biến thiên điều kiện thời gian

Thời gian (phút)

3.2.3 Quy trình thực hiện:

Quy trình thực hiện bao gồm các bước sau:

a Đánh tơi giấy loại:

- Giấy loại được ngâm với nước trong 12 giờ sau đó mới đem đi đánh tơi

- Khối lượng giấy loại khô tuyệt đối: 600g/mẫu

- Nồng độ bột: 3 %

- Thời gian: 40 phút

- Hoá chất: EDTA, Na2SiO3, NaOH, H2O2

b Ủ bột sau khi đánh tơi: