/
26 февраля 2025
906

Математическое моделирование механического обезвоживания в прессовой секции

Математическое моделирование механического обезвоживания в прессовой секции

Материал подготовлен Содиковым Исмоилом, инженером инновационно-технологического центра "Современные технологии переработки биоресурсов Севера".  


Если вы нашли неточности в переводе, свяжитесь, пожалуйста, с Исмоилом. Вы можете написать Исмоилу, какие темы в области ЦБП вам интересны, и мы о них напишем. С Исмоилом можно связаться по телеграмму



Если у вас есть интересные материалы и наработки, которыми вы хотели бы поделиться с коллегами, мы с радостью их опубликуем. Также мы ищем редакторов направлений Целлюлоза, Лайнеры, Другие картоны (специальные виды картонов). Если бы вы хотели писать и редактировать статьи на технические темы, свяжитесь с Ириной Летягиной.  


В последние годы устойчивое развитие стало ключевым направлением в промышленности, а текущая ситуация на мировом рынке ускорила этот процесс, особенно из-за резкого роста цен на ископаемое топливо. Концепция устойчивого развития включает как декарбонизацию энергетических источников, так и снижение потребления энергии и ресурсов.


Повышенная механическая фильтрация (дренирование) в прессовой секции существенно снижает потребление тепловой энергии в сушильной части машины, что, в свою очередь, повышает энергоэффективность процесса бумагоделания. Кроме того, механическое обезвоживание играет важную роль в формировании структуры и качества бумаги. Однако физические процессы, происходящие в прессовом зазоре, остаются недостаточно изученными и требуют сложных измерительных методик.


Развитые математические модели и высокопроизводительные вычислительные методы позволяют получить ценную информацию о процессах, происходящих в прессовой секции. Это открывает новые возможности для оптимизации конструкции оборудования и технологических параметров производства бумаги.


Процесс сушки бумажного полотна является основной причиной высокой энергоемкости целлюлозно-бумажной промышленности. В интегрированных целлюлозно-бумажных комбинатах энергопотребление сушильной секции занимает одно из ведущих мест среди всех этапов производства, а на ее долю приходится около 20% от общего энергопотребления бумагоделательного процесса. Увеличение сухого остатка бумажного полотна до поступления в сушильную секцию позволяет добиться значительных энергосбережений (см. рисунок 1).


Рисунок 1. Сравнение прессовой секции с формовочной и сушильной секциями по общему количеству удаленной воды и потребляемой энергии .


Для достижения этой цели необходимо оптимизировать механическое обезвоживание в прессовой секции. В прессовой секции сухое содержание бумажного полотна увеличивается за счет приложения механического давления, что приводит к удалению свободной воды из его пористой структуры. Эффективное механическое обезвоживание не только значительно снижает расход пара в сушильной секции, но и повышает прочность бумажного полотна, что критически важно для предотвращения его разрывов.


Несмотря на экономическую и экологическую значимость процессов прессового обезвоживания, механизмы, происходящие в прессовом зазоре, остаются недостаточно изученными. Они включают сложное взаимодействие двухфазного потока воды и воздуха, а также механическую компрессию и последующее расширение пористых материалов прессового полотна и бумажного полотна.


Моделирование и симуляция этапов процесса обезвоживания бумажного полотна позволяют получить важную информацию о механизмах удаления воды и формировании структуры листа, которая недоступна при проведении только экспериментальных измерений. Кроме того, виртуальные исследования параметров позволяют выявить ключевые факторы, влияющие на процесс, что служит основой для выбора оптимальных условий тестирования.


В данной работе мы покажем, что наши численные модели дают новые импульсы для улучшения технологических процессов и модернизации компонентов прессовой секции. Мы начнем с представления нашего подхода к моделированию, затем продемонстрируем результаты проведенных симуляций, которые используются для поддержки и ускорения разработки новых продуктов для прессовой секции. Также мы обсудим вызовы, связанные с этим методом, в частности проблемы идентификации эффективных материальных параметров, описывающих поведение влажного бумажного полотна и прессовых тканей.


Рисунок 2. Пресс Tandem NipcoFlex компании Voith, объединяющий два линейных башмачных пресса, представляет собой концепцию пресса с широким спектром применения.



Рисунок 3. Многомасштабный подход к моделированию процесса производства бумаги.


Подход к моделированию


Наше моделирование охватывает весь процесс изготовления бумаги — от начального обезвоживания бумажной суспензии до механического удаления воды из предварительно сформированного бумажного полотна и термической обработки в сушильной секции. Для достижения этой цели мы применяем мультимасштабный подход, представленный схематически в источнике (см. Рис. 3), который учитывает весь диапазон длин масштабов — от микрометрового уровня волокон и наполнителей до нескольких сотен метров всей бумагоделательной машины.


Для получения геометрии и параметров, необходимых для моделей, используются лабораторные измерения, в частности, томографическая визуализация, а также виртуально сгенерированные структуры. На микрометровом уровне влияние мелких частиц и наполнителей учитывается путем модификации параметров, таких как поведение обезвоживания и распределение порового объема.


Различные математические модели и инструменты симуляции для разных масштабов позволяют нам определять требуемые параметры и разрабатывать соответствующие модели материалов, как описано в следующих разделах.


На масштабе бумагоделательной машины мы используем внутреннюю библиотеку процессного моделирования, которая позволяет симулировать отдельные секции машины. Этот подход основан на модульной концепции, начиная от базовых модулей течения и переноса материалов, которые затем комбинируются в более крупные узлы, например, вакуумные ящики или прессовые зазоры. Такой метод обеспечивает быструю и эффективную обработку данных, снижая уровень детализации и определяя эффективные параметры, описывающие ключевые характеристики материалов. В конечном итоге различные модели секций объединяются для описания всей бумагоделательной машины в целом.


Структурный и гидродинамический анализ на основе изображений


Для моделирования процесса обезвоживания в прессовой секции требуются реалистичные параметры материалов как для прессовых сукон, так и для бумажного полотна. Современные высокоточные томографические методы визуализации в сочетании с быстрыми и эффективными численными методами позволяют подробно изучать механические и гидродинамические свойства волокнистой структуры и материалов бумагоделательной машины.


В CFD-симуляциях решаются уравнения баланса массы, импульса и энергии, используя численные методы на расчетной сетке, описывающей пористые структуры прессового сукна или бумажного полотна. В результате можно детально визуализировать распределение скоростей потока vv, концентраций cc и давления pp внутри порового объема прессовых тканей (см. рисунок 4).


Исследования прессовых тканей на различных стадиях сжатия позволяют определить структуру сжатых пор и их физические свойства. Абсолютная и относительная проницаемость κ и κr, которые связаны с распределением размеров пор и степенью насыщения водой, вычисляются на основе закона Дарси:



где μ — динамическая вязкость жидкости, а ∂p/∂x — локальный градиент давления. Закон Дарси описывает двухфазный поток воды и воздуха, причем вода считается несжимаемой, а воздух подчиняется уравнению состояния идеального газа.


Эти параметры используются для описания способности пористого материала к обезвоживанию в процессе механического удаления воды.


Анализ изображений дополнительно предоставляет информацию о распределении размеров пор, пористости и капиллярном давлении в зависимости от степени насыщения водой. Важно отметить, что пористость и проницаемость связаны между собой, например, через степенные законы, в зависимости от результатов анализа изображений. Это соотношение играет ключевую роль в моделировании прессовой секции бумагоделательной машины.


Рисунок 4. Поле течения прессовой ткани, подверженной ламинарному потоку


Эффективные модели материалов


Моделирование маломасштабных процессов, описанное в предыдущем разделе, позволяет получить эффективные параметры для имитации обезвоживания бумаги. Эти параметры описывают ключевые свойства материалов, участвующих в процессе обезвоживания. Полное моделирование данного процесса с высокой степенью детализации невозможно, поэтому используются приближенные модели, описывающие основные механизмы.


Одной из таких моделей является принцип Терцаги, согласно которому полное давление разделяется на гидростатическое давление и структурное напряжение. Таким образом, создается связь между потоком жидкости и механическими свойствами пористого материала.


Другие примеры моделей материалов, представленные на Рис. 5, включают зависимости капиллярного давления и относительной проницаемости. Эти характеристики потока получены путем аппроксимации, например, модели Брукса-Корит на основе результатов CFD-симуляций, рассмотренных ранее. Эти модели позволяют учесть влияние структуры материала на процесс фильтрации воды и предсказать эффективность обезвоживания в прессовой секции.


Рисунок 5. Примеры эффективных моделей материалов, описывающих различные аспекты взаимодействия жидкость-жидкость, жидкость-структура и структура-структура, которые используются при моделировании.


Для учета сжатия бумажного полотна и прессовой одежды в качестве эффективных моделей материалов используются либо вязкоупруго-пластическая модель волокнистого матриала, либо эмпирическая модель, основанная на кривых сжатия, полученных в лабораторных испытаниях.


Для исследования тепловых эффектов, таких как испарение и конденсация воды в порах, а также температурно-зависимые изменения вязкости воды, был включен тепловой модуль, основанный на моделировании теплопереноса в частично насыщенной пористой среде.


Описанные выше эффективные модели материалов используются в качестве строительных блоков для процессного моделирования работы всей прессовой секции. Они позволяют прогнозировать такие параметры, как содержание сухого вещества, гидравлическое давление и степень насыщения водой, при этом не требуется детальное воспроизведение микроскопических процессов потока и сжатия.


Мы используем язык моделирования Modelica и реализуем модульный подход, начиная с базовых уравнений потоков и переноса материала, которые затем объединяются в более крупные функциональные блоки. Эти блоки описывают, например, слой прессовой одежды или слой бумажного полотна, которые могут быть скомбинированы в любую требуемую конфигурацию прессовой секции, включая бумажное полотно, прессовую одежду и покрытие валов.


Различные модули взаимодействуют через соединители, передающие физические данные о механических, гидравлических, пневматических и тепловых состояниях и потоках (см. Рис. 6). Мы также учитываем такие технологические параметры, как скорость машины, линейное давление и конфигурация прессового узла (валковый или башмаковый пресс). Это позволяет анализировать эффективность обезвоживания в различных схемах прессовой секции, а также сравнивать характеристики прессовых одежд в заданных условиях прессования.


Рисунок 6. Схематический вид имитационной модели процесса прессования с двойным валянием, показывающий модульный подход к слоям пористой среды, а также граничные условия для пресса.


Применение


Для проверки достоверности нашей процессной модели была разработана симуляционная установка, аналогичная испытательной установке в наших экспериментальных и пилотных лабораториях. Конфигурация установки включает в себя валковый прессовый зазор с одной прессовой одеждой, имеющей заданную начальную степень насыщения, постоянную скорость и постоянную линейную нагрузку.


В экспериментальной установке были проведены измерения для двух различных прессовых одежд, а затем они были смоделированы в процессной симуляции путем изменения параметров прессовой одежды, таких как проницаемость, пористость и сжимаемость. Эти параметры были получены из лабораторных данных и малоразмерных численных расчетов, как описано в предыдущих разделах.


В качестве критерия эффективности обезвоживания прессовой одежды была использована накопленная массовая скорость потока воды, выходящей с нижней стороны прессовой одежды после прохождения прессового зазора (см. рисунок 7).


Результаты показали, что прессовая одежда A обладала значительно лучшими характеристиками обезвоживания по сравнению с прессовой одеждой B. Эти данные были также подтверждены в ходе экспериментов, где наблюдалась аналогичная тенденция.


Рисунок 7. Результаты процессной симуляции: профиль давления и поведение обезвоживания двух различных прессовых одежд в зоне зажима рулонного пресса.


Кроме того, был проведён анализ влияния параметров машины, таких как линейное давление, а также исходных параметров, например, начальной насыщенности прессовой одежды. Результаты подтверждают, что применение математического моделирования и симуляции позволяет глубже понять взаимодействие различных элементов в прессовом зазоре. Таким образом, процессная симуляция помогает нам переоценивать существующие прессовые одежды и концепции прессового зазора, а также разрабатывать новые, адаптированные под конкретные потребности заказчиков. При каждом применении текущей библиотеки моделей мы постоянно пересматриваем и уточняем существующие модели, расширяя их область применения и достоверность.


Заключение


Благодаря своей способности оптимизировать текущие процессы с точки зрения ресурсной эффективности и качества продукции, процессная симуляция находится на пересечении двух мегатрендов: цифровой трансформации и устойчивого развития. В отличие от виртуальных сенсоров или чисто данных моделей, которые достигают высокой точности предсказания параметров процесса за счёт предварительного обучения, многомасштабное моделирование сохраняет прочную физическую основу на каждом этапе, обеспечивая глубокое понимание процессов и материалов.


В контексте декарбонизации и повышения уровня автоматизации процессов, когда обсуждаются новые прорывные технологии, но отсутствует долгосрочный опыт их применения, научно обоснованное прогнозирование стабильности процессов, их эффективности и себестоимости производства становится ключевым фактором при выборе стратегического направления.


Кроме того, с появлением новых экологически чистых материалов в разработке прессовых одежд для бумагоделательных машин и покрытий валов процессное моделирование позволяет прогнозировать их эксплуатационные характеристики в реальных условиях на производственных мощностях заказчика.


Постоянное расширение области применения и улучшение качества нашей библиотеки процессного моделирования не только способствует развитию новых решений, но также обеспечивает сохранение и передачу технических знаний с применением современных инструментов и передовых методов.

Для иллюстрации использованы материалы Paper Technology International
Источник: Paper Technology International

Документы

Paper-Technology-International-2023-2.pdf

Другие новости