Rozwój poglądów dotyczących procesu mielenia papierniczych mas włóknistych

Transkrypt

1 Rozwój poglądów dotyczących procesu mielenia papierniczych mas włóknistych Cz. I. Rozwój konstrukcji i funkcjonowania urządzeń oraz układów mielenia papierniczych mas włóknistych An Overview of Pulp Refining Concepts Par t I. Development of constr uction and operation of pulp refining installations and units PIOTR PRZYBYSZ, KAZIMIERZ PRZYBYSZ Do wytwarzania papieru do XIX w. stosowano włókna tekstylne (bawełniane, lniane, konopne) pozyskiwane ze szmat. Do tego surowca przystosowana była technologia jego przerobu na masę papierniczą. Technologia ta polegała na mechanicznym rozwłóknianiu i mieleniu szmat w środowisku wodnym w urządzeniach zwanych holendrami. W XIX wieku mocne i długie włókna tekstylne zostały zastąpione przez krótkie i bardziej subtelne (słabe) włókna pochodzenia drzewnego (ścieru i mas celulozowych). Pomimo, że w XX wieku wprowadzono nowe typy urządzeń mielących (młyny stożkowe i tarczowe), ogólna zasada mielenia tych mas pozostała niezmieniona. Według autorów, niedostosowanie istniejących urządzeń mielących do właściwości obecnie stosowanych mas włóknistych jest m.in. przyczyną niezwykle niskiej sprawności energetycznej procesu mielenia, nieprzekraczającej 30%. W efekcie jednostkowe zużycie energii w procesie mielenia mas włóknistych wynosi ok kwh/t, co stanowić może ok. 40% ogólnego zużycia energii elektrycznej papierni (22). W pracy wskazuje się na konieczność zmiany zasady działania urządzeń mielących w kierunku ich przystosowania do przerobu pierwotnych i wtórnych (makulaturowych) mas włóknistych pochodzenia drzewnego. Podejmowane dotychczas próby zastąpienia klasycznego sposobu mielenia przez różne niekonwencjonalne metody obróbki włókien papierniczych mas włóknistych, m.in. traktowania ultradźwiękami, enzymami, wymrażania, eksplozji parowej, pulsacji ciśnienia, kawitacji itp., nie przyniosły jednak istotnego postępu w tej dziedzinie. Up to 19 th century, paper was made from textile fibres (cotton, flax, hemp) obtained from rags. For processing those materials into papermaking pulp a special technology was developed. The technology was based on mechanical beating and defibering of rags in water in hollanders. In 19 th century, strong and long textile fibres were replaced by short and fine wood fibres (grounwood, cellulose pulp). Despite the fact that new types of refining equipment (conical and disk refiners) were introduced in 20 th, basic refining rules remained unchanged. According to the authors, the fact that existing refiners are not adjusted to properties of currently used pulp grades is a reason for extremely low energy efficiency of refining, not exceeding 30%. As a result, specific energy consumption in pulp refining process is in the region of kwh/t representing around 40% of total electric energy consumption in a paper mill (22). The article shows that it is necessary to change operation principles of refiners to adapt them to processing of primary and secondary fibres. Attempts to replace conventional refining by other methods of fibre treatment (ultrasound, enzymes, low temperature treatment, steam explosion, pressure fluctuation, cavitation, etc.) have not brought any significant progress in this area. Dr hab. P. Przybysz, prof. K. Przybysz, Instytut Papiernictwa i Poligrafii, Politechnika Łódzka, ul. Wólczańska 223, Łódź 383

2 Wprowadzenie Upowszechnianie maszynowej produkcji papieru i powstanie przemysłu papierniczego zwróciło uwagę badaczy na proces mielenia, stanowiący niezmiernie ważny etap wytwarzania papieru. Proces ten wpływa bowiem zarówno na właściwości papieru, jak i na koszty jego wytwarzania. O niezmiernie dużym znaczeniu procesu mielenia świadczy stare powiedzenie papiernicze, że papier wyrabia się w holendrze (najbardziej do połowy XX w. rozpowszechnionym urządzeniu mielącym). W procesie mielenia papierniczych mas włóknistych następuje swoista transformacja ich potencjalnej zdolności papierotwórczej w rzeczywistą zdolność papierotwórczą (1, 2). Zmiany zachodzące w mielonej masie włóknistej wpływają bowiem w decydującym stopniu na możliwe do uzyskania właściwości papieru, są więc miarą efektywności wykorzystania potencjalnej zdolności papierotwórczej stosowanej masy włóknistej (3, 4). Proces mielenia mas włóknistych w obecnie stosowanych urządzeniach mielących, ze względu na ich niską sprawność energetyczną, charakteryzuje się wysokim jednostkowym zużyciem energii ( kwh/t) (5, 6). Ten fakt skłonił autorów do podjęcia badań nad: określeniem wpływu zmian zachodzących w mielonej masie na zmiany jej zdolności papierotwórczej, określeniem mechanizmu przekazywania energii z elementów mielących do masy włóknistej, wpływającego na charakter jej obróbki i efektywność wykorzystania energii w urządzeniach mielących. Podstawą do badania tych zagadnień jest analiza dotychczasowego rozwoju procesu mielenia i ocena funkcjonowania stosowanych urządzeń i układów mielenia papierniczych mas włóknistych. Dlatego w I części pracy przedstawiono ewolucję historyczną procesu mielenia mas włóknistych i urządzeń do tego służących. Rys. 1. Stępa Początkowe sposoby mielenia papierniczych mas włóknistych Proces mechanicznego traktowania włókien roślinnych w wodzie, zwany niefortunnie mieleniem, jest stosowany od zarania papiernictwa, a więc od II w. n.e. W odróżnieniu od włókien niemielonych, które tworzą papier pulchny i słaby, z włókien mielonych można otrzymać papier mocny i o zwartej strukturze, dobrze nadający się do różnych zastosowań. W Europie od czasów upowszechnienia się papieru, a więc od XIII w., papiernie budowano nad rzekami, które dostarczały energii do napędu urządzeń oraz wody do celów technologicznych. W owym czasie charakterystycznym elementem każdej papierni, podobnie jak szeroko rozpowszechnionych już wcześniej klasycznych młynów zbożowych, były koła wodne stanowiące podstawowe źródło energii koniecznej do napędu urządzeń. Z tego powodu przez wiele wieków papiernie nazywano młynami papierniczymi, zaś obróbkę włókien stosowanych do wytwarzania papieru nazywano przez analogię mieleniem. Należy zaznaczyć, że są to błędne skojarzenia, bowiem istotą procesu mielenia m.in. zboża jest typowe rozdrabnianie tego materiału. Natomiast istotą mielenia włókien roślinnych stosowanych do wytwarzania papieru, jest rozluźnienie ich struktury zwane fibrylacją (7-9). Pomimo tych zastrzeżeń termin mielenie, zgodnie z tradycją, jest powszechnie stosowany nie tylko w Polsce, lecz również w innych krajach (ang. beating, refining, niem. die Mahlung, ros. razmoł) (10, 11). Od czasu ukształtowania się w XIII w. europejskiej sztuki wytwarzania papieru, podstawowym surowcem do produkcji tego wytworu były szmaty. Pozyskiwano je ze zużytych wytworów tekstylnych, składających się z włókien lnianych, konopnych i bawełnianych. Podstawowym zaś urządzeniem do przygotowania masy papierniczej były stępy (rys. 1) (12). Stępy stosowane w papiernictwie składały się zwykle z kamiennego naczynia lub koryta, do którego wkładano odpowiednio przygotowane szmaty, które przez wiele godzin, były uderzane tzw. stęporem ciężkim młotem. Urządzenia te napędzane były na ogół przez koła wodne, bądź wiatraki. Szmaty stosowane do wytwarzania papieru uprzednio sortowano i usuwano z nich niewłókniste zanieczyszczenia (guziki, haftki itp.). Ponieważ zawarte w przerabianym surowcu włókna były nadmiernie długie, zaś obróbka w stępach nie umożliwiała odpowiedniego ich skrócenia, szmaty były wstępnie cięte. Następnie poddawano je maceracji polegającej na wielodniowym moczeniu ich w wodzie. W trakcie tej operacji, w wyniku działania 384

3 mikroorganizmów wydzielających enzymy celulolityczne, następowało znaczne rozluźnienie struktury włókien celulozowych. W efekcie, obrabiane szmaty stawały się bardziej podatne na działanie rozwłókniające i mielące, ponadto następowało rozjaśnienie otrzymywanej masy włóknistej. W takcie maceracji, głównie wskutek rozpuszczania hemiceluloz i niskospolimeryzowanych frakcji celulozy, następował znaczny ubytek masy włóknistej. Zmacerowane szmaty poddawano następnie rozwłóknianiu i mieleniu w stępach. Proces rozwłókniania szmat odbywał się w stępach rozwłókniających. W urządzeniach tych stępory wyposażane były w gwoździe, które intensyfikowały proces rozwłókniania. Przez gniazda stępy przepływała woda, która usuwała wydzielane zanieczyszczenia oraz rozpuszczalne składniki masy włóknistej powstałe w trakcie maceracji szmat. Obróbka rozwłókniająca szmat trwała zwykle ok. 12 godzin (13). Rozwłóknioną masę przenoszono do stęp mielących. Urządzenia te wyposażone były w stępory gładkie, zaś gniazda wyłożone były grubymi płytami metalowymi. Przed procesem mielenia alkalizowano masę włóknistą dodatkiem mleczka wapiennego. Silnie alkaliczne środowisko niszczyło mikroorganizmy zawarte we włóknach, w tym również mikroorganizmy celulolityczne namnożone w procesie maceracji szmat. Podczas trwającej około jednej doby obróbki masy włóknistej gładkimi stęporami, włókna poddawane były głównie naprężeniom ściskającym, które w skrajnym przypadku prowadziły do ich miażdżenia. Powyższe warunki obróbki, zwłaszcza prowadzonej w środowisku alkalicznym, sprzyjały fibrylacji włókien. Zmieloną masę, po przemyciu wodą, przenoszono do kadzi czerpalnej, z której po odpowiednim rozcieńczeniu pobierano ją do formowania arkuszy papieru. Przedstawiony sposób mielenia papierniczych mas włóknistych umożliwiał wytwarzanie papierów o wysokiej jakości, Rys. 2. Schemat holendra o czym świadczą zachowane z tego okresu wytwory papierowe. Powyższy sposób mielenia mas składających się z włókien lniano-konopnych i bawełnianych, zwanych również masami szmacianymi bądź długowłóknistymi, stosowany był powszechnie w Europie do XVIII w., a także jeszcze w XIX, a nawet w początkach XX w. Sposób ten miał jednak wiele wad, m.in. dużą energo-, czaso- i pracochłonność, niską wydajność, uciążliwość dla otoczenia w postaci hałasu, wibracji, przykrych zapachów (maceracja) itp. Ok resow y sposób mielenia masy w holendrach W drugiej połowie XVII w. w 1682 r. zostało wynalezione w Holandii, znacznie doskonalsze niż stępa, urządzenie mielące zwane holendrem. Podstawowy typ holendra, tzw. holender otwarty, który stosowano jeszcze w XX w., przedstawiono na rysunku 2 (14). Urządzenie to składa się z betonowej lub żeliwnej wanny podzielonej na dwa kanały. W jednym z kanałów umieszczony jest walec nożowy współpracujący z nożowiskiem umieszczonym w dnie wanny. Wirujący walec nożowy stanowi jednocześnie element mielący i pompujący mieloną masę włóknistą. Odpowiednie ukształtowanie wanny holendra umożliwia cyrkulację masy. W trakcie kilkugodzinnej obróbki zawiesina papierniczej masy włóknistej o koncentracji włókien 6-9%, krążąc w wannie holendra podlega bardzo wielu cyklom obróbki w strefie mielenia. W każdym z tych cykli część włókien poddawana jest w strefie mielenia mechanicznej obróbce za pośrednictwem elementów mielących (noży), z których jedna część wiruje, zaś druga jest na ogół nieruchoma (rys. 2 powiększenie). Ruchome elementy mielące, mijając się z bardzo blisko nich położonymi nieruchomymi elementami mielącymi, powodują silne mieszanie masy włóknistej oraz wywierają różnego rodzaju dynamiczne działania mechaniczne na włókna, m.in. ściskanie, rozciąganie, zginanie itp. (15, 16). W wyniku tych działań zachodzą głębokie zmiany w strukturze mielonych włókien, m.in. fibrylacja, skracanie, wydzielanie frakcji drobnej itp. Zespół tych zmian wpływa pozytywnie na zdolność papierotwórczą mielonej masy włóknistej. W odróżnieniu jednak od stęp, w których na włókna oddziaływały głównie naprężenia ściskające, dominujące w holendrach. dynamiczne działania 385

4 Rys. 3. Układ okresowego mielenia mas włóknistych z wykorzystaniem holendrów ściskające i ścinające powodują, obok zostały zastąpione znacznie krótszymi fibrylacji włókien, również intensywne i mniej odpornymi na mielenie włóknami ich skracanie. Ten ostatni efekt mielenia pochodzenia drzewnego. Niestety, pomimo okazał się bardzo korzystny w przypadku wprowadzenia nowego typu mas włóknistych nie opracowano odpowiednich urzą- mielenia mas włóknistych składających się z nadmiernie długich włókien tekstylnych. dzeń mielących dostosowanych specjalnie Mielenie bowiem tych mas w holendrach do obróbki tych mas. Zatem drzewne masy eliminowało konieczność wstępnego skracania włókien, jak to miało miejsce w przydrach. Powyższy stan powodował, że włókniste były nadal obrabiane w holenpadku stosowania stęp. Holendry były więc obok korzystnego rozluźnienia struktury urządzeniami dobrze przystosowanymi włókien (fibrylacji), objawiającej się wzrostem stopnia ich spęcznienia, zachodziło do przerobu stosowanych ówcześnie mas długowłóknistych zawierających włókna również niepożądane w odniesieniu do lniano-konopne i bawełniane. Urządzenia tych mas, nadmierne skracanie włókien. te, w porównaniu ze stępami, charakteryzowały się również wielokrotnie wyższą zjawiska opracowano szereg modyfikacji W celu ograniczenia tego niekorzystnego wydajnością i sprawnością energetyczną. w budowie i działaniu holendrów, zmierzających do intensyfikacji fibrylacji włókien Różne odmiany konstrukcyjne holendrów wyparły więc stosowane uprzednio stępy i ograniczenia ich skracania. Spośród tych i stały się powszechnie stosowanymi modyfikacji na uwagę zasługuje m.in. urządzeniami do przygotowania masy zwiększenie szerokości noży, zastąpienie papierniczej z mas długowłóknistych; w niektórych przypadkach unożowienia lniano-konopnych i bawełnianych. metalowego unożowieniem bazaltowym, W II połowie XIX w., w wyniku dynamicznego wzrostu produkcji i zużycia wytworów itp. Działania te jednak w niewielkim stop- stopniowe zwiększanie ciśnienia mielenia papierowych, możliwa do pozyskania ilość niu wyeliminowały niekorzystne skracanie szmat nie zaspakajała potrzeb przemysłu włókien. papierniczego. W wyniku intensywnego Przez cały okres wykorzystywania poszukiwania surowców zastępczych dla holendrów, a więc przez prawie 3 stulecia szmat, opracowano szereg metod wytwarzania papierniczych mas włóknistych urządzeń działały w systemie równoległym układy mielenia składające się z tych z drewna, m.in. ścieranie lub roztwarzanie, (rys. 3). W każdym cyklu mielenia w holendrach, masa włóknista była rozwłókniana, metodę sodową, siarczynową, siarczanową itp. W wyniku tych zmian wytwarzane mielona, zaś pod koniec cyklu dodawane ze szmat, tekstylne masy papiernicze, były dodatki masowe i niektóre pomocnicze środki chemiczne. Po dokładnym zawierające długie i odporne na mielenie włókna lniane, konopne i bawełniane, wymieszaniu składników masa papiernicza była odprowadzana do kadzi masowej. W przedstawionym układzie mielenia, cykle mielenia poszczególnych holendrów były odpowiednio przesunięte w czasie, aby zmielona masa włóknista z poszczególnych jednostek w miarę równomiernie spływała do kadzi zbiorczej. W mniejszych zakładach o zróżnicowanym asortymencie produkcji, okresowe mielenie mas włóknistych wykazuje wiele zalet, m.in. ze względu na łatwiejszą kontrolę jakości mielonej masy przeznaczonej do poszczególnych asortymentów papieru. Generalnie jednak okresowe układy mielenia mas włóknistych wykorzystujące holendry wykazują małą przydatność w instalacjach o dużej wydajności. Charakteryzują się one bowiem dużą pracochłonnością, wahaniami jakości zmielonej masy itp. W połowie XX w. nastąpił zmierzch holendrów, które zostały stosunkowo szybko wyparte przez urządzenia ciągłego działania: młyny stożkowe i tarczowe. Urządzenia i układy mielenia ciągłego działania Wzrost zużycia wytworów papierowych, jaki następował od połowy XX w., skłonił inwestorów do zwiększania wydajności układów technologicznych produkcji papieru. Obok budowy maszyn o zwiększonej szerokości, a przede wszystkim prędkości, podjęto również działania nad usprawnieniem urządzeń i układów mielenia. W celu wyeliminowania podstawowych wad okresowego systemu mielenia, podjęto próby budowy ciągłych systemów mielenia. Początkowe działania zmierzające do wykorzystania do tego celu holendrów, m.in. pracujących w systemie kaskadowym, okazały się mało efektywne. Pod koniec I połowy XX w. zaczęto stosować młyny stożkowe i nieco później młyny tarczowe przydatne jako podstawowe elementy ciągłych układów mielenia. Aczkolwiek młyny te zostały wynalezione w XIX wieku (młyn stożkowy przez Jordana w 1858 r., zaś młyn tarczowy przez Kingslanda w 1856 r.), stosowane były sporadycznie jako urządzenia pomocnicze 386

5 do wstępnej obróbki masy przed mieleniem w holendrach lub do domielania masy po jej zmieleniu w holendrach. Dopiero rozwój techniki spowodował, że swoją dojrzałość eksploatacyjną (trwałość, niezawodność) osiągnęły w połowie XX w. Młyn stożkowy składa się ze stożkowego wirnika obracającego się w stożkowej osłonie (rys. 4). Zarówno wirnik, jak i osłona wyposażone są w unożowienie, które może różnić się kształtem, wymiarami oraz materiałem, z którego jest wykonane. Zawiesinę masy włóknistej wprowadza się przez węższy koniec młyna i wyprowadza górą szerszego końca. Intensywność mielenia regulowana jest za pomocą szczeliny międzynożowej, którą można zmieniać przez przesuwanie wirnika. Rys. 4. Schemat ideowy młyna stożkowego Na początku największe upowszechnienie znalazły dwa typy młynów stożkowych: rafinery stożkowe (zwany często hydrafinerami) oraz młyny Jordana. Hydrafinery były wyposażane w szerokie noże i wysokoobrotowe silniki; przeznaczone były do wstępnej obróbki masy, natomiast młyny Jordana wyposażone w wąskie noże pracujące z małą prędkością obwodową przystosowane są do domielania masy. Obecnie stosowanych jest wiele typów młynów stożkowych różniących się m.in. stożkowatością, geometrią i materiałem unożowienia, obrotami wirnika itp. Zasada działania młyna tarczowego polega na obróbce masy między żłobkowanymi tarczami, z których przynajmniej jedna znajduje się w ruchu wirowym (rys. 5). Na ogół zawiesina włóknista dopływa do strefy obróbki w pobliżu osi a wyrzucana jest na obwodzie. Istnieje wiele odmian konstrukcyjnych młynów tarczowych różniących się liczbą tarcz, kierunkiem przepływu masy wewnątrz młyna itp. Obecnie największe upowszechnienie zyskały tzw. młyny z pływającą tarczą. Młyny te wyposażone są w dwie stałe tarcze mielące połączone z korpusem młyna, między którymi umieszczony jest wirnik z zamocowanymi z obu stron tarczami mielącymi. Ułożyskowanie wirnika umożliwia jego swobodny przesuw między tarczami stałymi (17). Rys. 5. Schemat ideowy młyna tarczowego Intensywność obróbki masy regulowana jest przez zmianę wielkości szczeliny między tarczami mielącymi wirnika i statora. Realizuje się to przez przesuw jednej z tarcz stałych. Na skutek dążenia do osiągnięcia równowagi hydrodynamicznej wirnik zajmuje właściwe położenie poosiowe względem tarcz stałych (18, 19). Wprowadzenie młynów stożkowych i tarczowych umożliwiło realizowanie procesu mielenia w sposób ciągły, który dominuje obecnie w dużych i średnich zakładach papierniczych. W układach tych, składających się zwykle z wyspecjalizowanych zespołów urządzeń mielących, proces mielenia przebiega na ogół w następujących etapach: wstępna obróbka masy (rafinacja), mielenie właściwe, domielanie (egalizacja). Między tymi podstawowymi etapami mielenia masa jest magazynowana w kadziach retencyjnych, w których następuje proces jej pęcznienia. Przedstawiony układ mielenia z szeregowym ustawieniem urządzeń mielących, obok regulacji intensywności mielenia w poszczególnych urządzeniach, stwarza również szerokie możliwości regulacji przepływu masy przez urządzenia mielące. Można stosować m.in. cyrkulację lub dławienie przepływu masy po poszczególnych urządzeniach lub ich zespołach, wyłączanie poszczególnych urządzeń itp. Istotnym usprawnieniem w funkcjonowaniu układów mielenia ciągłego działania było wykorzystanie rozczyniaczy wirowych, tzw. hydropulperów, które umożliwiały przygotowanie zawiesiny masy włóknistej z odwodnionych bądź wysuszonych półproduktów włóknistych. W przypadku gdy wydajność maszyny papierniczej jest większa niż przepustowość stosowanych urządzeń mielących, buduje się szeregowo-równoległe połączenia urządzeń mielących. Gdy do produkcji określonego wytworu papierowego stosuje się dwa lub więcej rodzajów mas włóknistych, mielenie poszczególnych mas włóknistych może przebiegać: wspólnie (po ich uprzednim zmieszaniu w odpowiednich proporcjach) lub oddzielnie w wydzielonych równoległych liniach technologicznych. Literatura naukowa i praktyka przemysłowa wskazują, że proces oddzielnego mielenia mas włóknistych jest bardziej elastyczny i efektywny w stosunku do wspólnego mielenia tych półproduktów. Wymaga on jednak znacznie większych nakładów inwestycyjnych, z tego względu jest stosowany w większych instalacjach o ustalonym asortymencie produkcji. Mielenie mas włóknistych systemem ciągłym ma wiele zalet w stosunku do mielenia systemem okresowym, m.in. są nimi: mniejsze zapotrzebowanie miejsca, mniejsze pracochłonność, mniejsze jednostkowe zużycie energii, mniejsze wahania jakości zmielonej masy włóknistej, 387

6 Rys. 6. Uproszczony schemat ciągłego układu mielenia Rys. 7. Okresowo-cykliczne układy mielenia a) mono-cycling, b) duo-cycling możliwość ciągłej kontroli procesu, możliwość automatyzacji i komputeryzacji procesu. Mimo przedstawionych tu zalet ciągłego mielenia mas włóknistych, podstawową wadą tego systemu jest jego niska sprawność energetyczna. Wpływa to na wysokie jednostkowe zużycie energii, wynoszące zwykle kwh/t. W efekcie proces ten pochłania około połowy energii elektrycznej zużywanej przez papiernie. Ok resowo - cykliczne uk łady mielenia W zakładach o małej wydajności i zróżnicowanym asortymencie produkcji mielenie stosowanych mas włóknistych odbywa się z reguły systemem okresowym. W celu wyeliminowania nadmiernej pracochłonności związanej ze stosowaniem holendrów, opracowano okresowo-cykliczne układy mielenia mas włóknistych. Są to układy mielenia pracujące w systemie okresowym, które składają się z urządzeń ciągłego działania i kadzi cyrkulacyjnych i zbiorczych. W praktyce przemysłowej upowszechnienie zyskały układy technologiczne z jedną kadzią (mono-cycling) i dwoma kadziami (duo-cycling) (rys. 7). W systemie mono-cycling (rys. 7a) masę pobieraną z kadzi cyrkulacyjnej pompuje się do urządzenia mielącego, po czym spływa ona ponownie do kadzi cyrkulacyjnej. Mielona masa cyrkuluje w układzie kadź urządzenie mielące aż do uzyskania odpowiedniego stopnia zmielenia. Po zmieleniu masę pompuje się do kadzi zbiorczej. W systemie duo-cycling (rys.7b) w pierwszej części cyklu mielona masa włóknista z kadzi I przepływa przez urządzenie mielące do kadzi II. Po wyczerpaniu się masy w kadzi I przełącza się system zaworów. Zaczyna się druga część cyklu polegająca na obróbce masy przepływającej z kadzi II do kadzi I. Cykle te powtarzają się, aż do uzyskania przez masę włóknistą odpowiedniego stopnia zmielenia, po czym masę pompuje się do kadzi zbiorczej. Układy okresowo-cykliczne, stosowane w zakładach o małej wydajności, łączą w sobie wiele zalet ciągłego i okresowego mielenia. Podsumowanie Pomimo różnic konstrukcyjnych w obecnie stosowanych urządzeniach mielących, ogólna zasada obróbki mas włóknistych w tych urządzeniach jest podobna i nie uległa ona istotnym zmianom od czasu wynalezienia holendra, to jest od drugiej 388

7 połowy XVII w. Urządzenie to służyło doskonale do obróbki stosowanych wówczas niezmiernie mocnych i nadmiernie długich dla potrzeb papiernictwa włókien lnianych, konopnych i bawełnianych. Jednym zaś z podstawowych zadań tego urządzenia, obok fibrylacji, było intensywne skracanie obrabianych włókien. W XIX wieku radykalnej zmianie uległy stosowane w papiernictwie masy włókniste. Mocne masy długowłókniste zostały zastąpione masami pochodzenia drzewnego, zawierające włókna bardziej subtelne i praktycznie niewymagające skracania. Jednak z radykalną zmianą charakterystyki obrabianej masy włóknistej nie nastąpiła dotychczas odpowiednia zmiana stosowanych metod obróbki (mielenia) tych mas. Ujawnia się to szczególnie w XXI w., w odniesieniu do przerobu wtórnych mas włóknistych pochodzących z przerobu makulatury, które stanowią obecnie około połowy ogólnej ilości zużywanych papierniczych mas włóknistych. Masy te, podobnie jak masy wytwarzane z drzew liściastych, charakteryzują się niską średnią długością włókien. Dalsze więc skracanie włókien tych mas, które jest obecnie nieodłącznym efektem procesu mielenia, jest szkodliwe, wpływa bowiem negatywnie na ich zdolność papierotwórczą. Proces mielenia w obecnie stosowanych urządzeniach mielących charakteryzuje się również niezwykle niską sprawnością energetyczną, ocenianą przez różnych badaczy na poziomie kilkunastu procent (20), aczkolwiek istnieją publikacje szacujące ten wskaźnik nawet na poziomie 0,1% (21). Wpływa to na wysokie jednostkowe zużycie energii w tym procesie zawierające się na ogół w przedziale kwh/t. W efekcie proces mielenia mas włóknistych pochłania zwykle około połowy energii elektrycznej zużywanej przez papiernie. Należy wnioskować, że podstawową przyczyną niskiej sprawności energetycznej urządzeń i niepełnego wykorzystania zdolności papierotwórczej mielonych mas włóknistych jest niedostosowanie obecnie używanych urządzeń mielących do obróbki powszechnie stosowanych pierwotnych i wtórnych mas włóknistych zawierających włókna pochodzenia drzewnego. Podejmowane jednak dotychczas próby zastąpienia klasycznego sposobu mielenia przez różne niekonwencjonalne metody obróbki włókien papierniczych mas włóknistych, m.in. traktowania ultradźwiękami, enzymami, wymrażania, eksplozji parowej, pulsacji ciśnienia, kawitacji itp., nie przyniosły dotychczas istotnego postępu w tej dziedzinie. Należy sądzić, że radykalny postęp w usprawnieniu procesu mielenia nastąpić może w wyniku bardziej dokładnego poznania mechanizmu tego procesu. Pomimo jednak ogromnych nakładów ponoszonych na badanie procesu mielenia, uzyskany obecnie postęp w tej dzie dzinie jest niewspółmiernie mały. Od połowy XX w. nie dokonano bowiem istotnych fundamentalnych osiągnięć w tej dziedzinie (22). Literatura 1. Przybysz K.: Zdolność papierotwórcza półproduktów włóknistych, Przegl. Papiern. 31, 5, 226 (1975). 2. Przybysz K.: Rzeczywista zdolność papierotwórcza półproduktów włóknistych, Przegl. Papiern. 33, 4, 138 (1977). 3. Przybysz K.: Klasyfikacja wody zawartej w papierniczych masach włóknistych I wytworach papierniczych. Cz. III. Woda wolna zawarta w papierniczych masach włóknistych, Przegl. Papiern. 63, 4, 221 (2007). 4. Przybysz K.: Przem. Chem., 8-9 (2003). 5. Scheihing P.: Resources to Make Paper Mills More Energy Efficient, Paper Industry Energy Symposium, Appelton (2005). 6. Wang X., Paulapuro H., Maloney T.C, Nordic Pulp Paper Res. J. 20, 4, 442 (2005). 7. Alince B.: Nordic Pulp and Paper Res. J. 17, 1, 71 (2002). 8. Przybysz K.: Fibrylacja wewnętrzna włókien. Cz. II. Analiza przebiegu fibrylacji wewnętrznej, Przegl. Papiern. 56, 5, 285 (2000). 9. Kurhila A.: Developing a method for characterization of fiber external fibrillation. Measurement of external fibrillation, Master thesis, Helsinki University of Technology, Espoo, Finland, 96 (2005). 10. Giertz H.W.: The effect of beating on individual fibres. Fundamentals of Papermaking fibres, Transactions of the 1st Fundamental Research Symposium, Cambridge, U.K., 389 (1957). 11. Przybysz K.: Podstawowe efekty mielenia papierniczych mas włóknistych, Przegl. Papiern. 53, 7, 409 (1997). 12. Przybysz K., Przybysz P.: Rodzaje pisma i materiały do pisania przed upowszechnieniem papieru, Wydawnictwa Politechniki Łódzkiej, Łódź (2004). 13. Pfarr A.: Wbl. Papierfabr. 35 (1907). 14. Przybysz P.: Badanie Mechanizmu I kinetyki fibrylacji wewnętrznej włókien celulozowych, Wydawnictwa Politechniki Łódzkiej, Łódź (2012). 15. Page D.: Pulp Paper Mag. Can. 67, 1, T-2 (1966). 16. Batchelor W., Ouellet, D.: Estimating forces on fibers in refining, Fourth International Refining Confernce, 47 (2001). 17. Fox T.: Inside a disk refiner, International Symposium Fundamental Concepts of Refining Sept. Appelton USA (1981). 18. Fahey M.: Tappi 53, 11, 2050 (1970). 19. Lumiainen J.: Specific surface load theory, PIRA 3rd International Refining Conference Proceedings (1995) Van der Akker: Energy considerations in the beating of pulp, Fundamentals of Papermaking Fibres Symposium, Cambridge (1957). 21. Ebeling K.: Finnish Paper Engineers Association B2, 1 (1981). 22. Arjas A. i in.: The Influence of residence time distribution on pulp properties, International Symposium Fundamental Concepts of Refining Sept. Appleton USA (1981). Artykuł recenzowany 389