Proces prasowania wstęgi papieru w maszynie papierniczej ma duże znaczenie zarówno ze względów ekonomicznych, jak i technologicznych: wywiera istotny wpływ na właściwości papieru. Intensyfikacja procesu odwadniania papieru w części prasowej powoduje obniżenie kosztów jego produkcji, bowiem wzrost suchości wstęgi po części prasowej maszyny papierniczej o 1% przyczynia się do zmniejszenia ilości ciepła potrzebnego do wysuszenia papieru o 3 5%. Również odwadnianie wstęgi papieru w części prasowej jest 7 12 razy tańsze niż w części suszącej (1). Proces prasowania wstęgi papieru jest bardzo złożony i uzależniony od wielu czynników, wśród których można wymienić m.in.: rodzaj prasy, średnicę i rodzaj walców, twardość i grubość okładziny elastycznej walców, docisk, prędkość wstęgi, rodzaj wstęgi, jej wilgotność i gramaturę. Bardzo duże znaczenie mają również filce prasowe, a szczególnie ich liczba, rodzaj, gramatura, wilgotność i przepuszczalność (1). Zasada procesu prasowania papieru nie zmieniła się znacznie w ciągu ostatnich 100 lat. Wstęga papieru jest wciąż prasowana w strefie prasowania w obecności jednego lub dwóch filców (2). Jednakże prędkość maszyn wzrosła nawet 20-krotnie, do wartości powyżej 2000 m/min w przypadku papierów higienicznych. Natomiast suchość wstęgi po części prasowej wynosi obecnie często 50-55%, a na początku XX w. wynosiła poniżej 30% (2). Dr inż. R. Rogut, Instytut Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej, ul. Wólczańska 223, 93-005 Łódź Rys. 1. Przepływ wody w prasie o przepływie poprzecznym 1, 2, 3, 4 fazy odwadniania w strefie docisku walców prasowych, różniące się wartością ciśnienia hydraulicznego i kierunkiem przepływu wody Rodzaje pras Początkowo wstęga była prasowana między dwoma gładkimi walcami na tkanym filcu wełnianym. Woda wyciskana ze wstęgi przepływała do filcu, dalej w samym filcu w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu filcu, a następnie po walcu dolnym. Wprowadzenie walców ssących znacznie skróciło drogę przepływu wyciskanej wody (do otworów walca), a wprowadzenie elastycznych pokryć tych walców umożliwiło zwiększenie docisków i otrzymanie wyższych suchości wstęgi. W latach 60. zostały opracowane prasy o przepływie poprzecznym (z dodatkowym sitem, Venta-Nip, a następnie prasy ślepowiercone). W prasach tych wyciskana ze wstęgi woda przepływa po najkrótszej drodze do przestrzeni magazynowych walców (rowków lub otworów) (rys. 1). Umożliwiło to dalsze zwiększenie docisków liniowych (do ok. 180 kn/m), bez obawy o przegniatanie wstęgi. Wprowadzenie w latach 50. walców o regulowanym ugięciu zapewniło równomierność ciśnienia w kierunku poprzecznym maszyny, niezależnie od obciążenia. Dalszy rozwój konstrukcji tych walców umożliwił również regulację profilu ciśnienia w kierunku poprzecznym. W późnych latach 60. wprowadzono prasowanie między dwoma filcami (rys. 2) (2) dla papierów o gramaturach powyżej 100 110 g/m 2. Obecność dwóch filców przyczynia się do rozszerzenia strefy prasowania o ok. 40% (3), a więc i przedłużenia czasu prasowania. Przy grubszych wstęgach, gdzie ilość wody, którą należy usnąć, jest duża, wpływ przedłużonego czasu prasowania na suchość po prasie jest bardzo duży. Ilość usuwanej wody w prasie zależy również od odległości, którą musi pokonać woda płynąca ze wstęgi, aby osiągnąć filc prasowy. W przypadku prasy z jednym filcem, woda znajdująca się na górnej stronie wstęgi musi przepłynąć przez całą grubość wstęgi, aby osiągnąć filc. W prasie z dwoma filcami odwadnianie następuje na obydwie strony i dlatego droga przepływu wody zmniejsza się o ok. 50%. To przyczynia się z kolei do znacznego zmniejszenia ciśnienia hydraulicznego we wstędze, które spada do ok. 25% wartości ciśnienia hydraulicznego dla przypadku jednego filcu. Umożliwia to więc znaczny wzrost docisku liniowego bez obawy o zmiażdżenie wstęgi. Zastosowanie pras z dwoma filcami przyczyniło się do przyrostu suchości wstęgi po części prasowej o 1 9%, w zależności od rodzaju papieru i liczby pras z dwoma filcami (4). Wśród tych pras należy wyróżnić tzw. prasy wysokoobciążone (np. prasy Jumbo firmy Beloit) z walcami o średnicach dochodzących do 1900 mm, z dwoma filcami i z dociskami rzędu 200 360 kn/m, które były wprowadzone na początku lat 80. (2, 5). W prasach tych szerokość strefy docisku dochodzi do 80 120 mm (6). 187
Rys. 2. Prasa z dwoma filcami Rys. 5. Prasa gorąca Rys. 3. Skrzynka parowa Rys. 6. Zależność suchości wstęgi po IV prasie od temperatury powierzch- ni walca prasy gorącej (papier gazetowy 48 g/m 2 ) Rys. 4. Zastosowanie skrzynki nadmuchowej pary na prasie Sym-Press II Skrzynki parowe i prasy gorące Podwyższenie temperatury wstęgi w części mokrej maszyny papierniczej prowadzi do obniżenia lepkości i napięcia powierzchniowego wody zawartej we wstędze, a tym samym do poprawy odwadniania (7). Dlatego też w latach 70. zaczęto stosować podgrzewanie wstęgi za pomocą skrzynek parowych (rys. 3) lub tzw. pras gorących. Najbardziej ekonomicznym miejscem zastosowania podgrzewania wstęgi za pomocą pary jest część prasowa, a szczególnie przed ostatnią prasą. W badaniach przeprowadzonych w firmie Beloit (8) stwierdzono, że otrzymuje się przyrost suchości wstęgi od 0,6 do 1,4% na każde 11 C wzrostu temperatury wstęgi. Wartości te zależą głównie od rodzaju papieru i składu surowcowego. Przykład zastosowania skrzynki nadmuchowej pary na walcu ssącym prasy typu Sym-Press II w maszynie produkującej papier gazetowy jest przedstawiony na rysunku 4. Po zainstalowaniu tej skrzynki temperatura wstęgi po trzeciej prasie wzrosła z 30 35 do 60 65 C, co spowodowało przyrost suchości o 2 4% i zmniejszenie całkowitego zużycia pary w maszynie o 5 10% (9). Dla dobrze zaprojektowanych jednostek nadmuchowych pary w części prasowej otrzymuje się przeważnie oszczędność pary w ilości 1,8 2,0 kg w przeliczeniu na każdy kilogram pary zużytej w części prasowej. Osiągano również wzrost prędkości o 5 25% na maszynach z limitowaną wydajnością części suszącej (10). Podgrzewać wstęgę można również przez zastosowanie tzw. prasy gorącej (rys. 5) (6). Głównym elementem takiej prasy jest cylinder o dużej średnicy, pokryty specjalnym stopem i ogrzewany od wewnątrz parą o ciśnieniu do 3 bar lub gorącą wodą przez wewnętrzne otwory w płaszczu (11, 12). Do tego cylindra dociskanych jest kilka walców prasowych przy wzrastającym docisku liniowym. Dzięki dużej średnicy cylindra, szerokości stref docisku są większe niż zazwyczaj, nie występuje również niepodparte prowadzenie wstęgi. Zużycie pary przez taki cylinder wynosi 0,1 0,2 kg pary na 1 kg papieru (13). Na rysunku 6 przedstawiony jest wpływ skrzynki nadmuchowej pary i prasy gorącej na suchość papieru gazetowego (12, 14). Przy produkcji papieru pokryciowego tektury falistej osiągnięto po takiej prasie suchość 52 55% (11). 188
Filce prasowe Wprowadzenie filców igłowanych na podłożu sitowym znacznie usprawniło pracę pras. W ostatnich latach dokonano dalszych usprawnień w konstrukcji i wytwarzaniu filców prasowych (rys. 7), co przyczyniło się do zwiększenia intensywności odwadniania na prasach. Wśród tych usprawnień można wymienić (15 23): zastosowanie na podłoże sit i tkanin wielowarstwowych z górną warstwą wykonaną z nitek o mniejszej średnicy, zapewniających dużą pojemność magazynową na wodę wyciśniętą ze wstęgi, a jednocześnie zmniejszających markowanie wstęgi przez podłoże, zastosowanie skręconych linek i nitek wyczeskowych oprócz pojedynczych nitek, co zapewnia dużą równomierność rozkładu nacisków i zmniejsza ryzyko wibracji walców, wprowadzenie runka dwuwarstwowego, którego górna część jest wykonana z nitek o mniejszej średnicy, ułożonych w kierunku wzdłużnym zapewnia to lepszą gładkość papieru i ułatwia przepływ wody, zastosowanie filców ze szwem, co przyczyniło się do znacznego zmniejszenia czasu wymiany filców i wzrostu suchości wstęgi. Konfiguracja pras Konfiguracja części prasowej jest w dużym stopniu zależna od rodzaju produkowanego papieru. Przy projektowaniu części prasowej powinny być rozważone następujące kryteria (6): efektywność odwadniania wstęgi (suchość po części prasowej), jakość papieru, sprawność ruchowa, koszty inwestycyjne, koszty eksploatacyjne. Konfiguracja części prasowej jest kompromisem między powyższymi kryteriami. Najważniejszymi z nich są: jakość papieru, usuwanie wody i sprawność ruchowa. Z punktu widzenia usuwania wody zasadnicze znaczenie ma liczba stref docisku, kombinacja różnych typów stref docisku i wtórne nawilżanie. Najczęściej stosowaną jeszcze konfiguracją dla papierów drukowych i do pisania jest część prasowa z trzema strefami docisku (three-nip press). Jest ona czasem wyposażona w czwartą strefę (rys. 8), w celu zmniejszenia dwustronności papieru (6). W prasie zespolonej pierwszy i czwarty walec są przeważnie walcami o regulowanym ugięciu. Również w czwartej prasie jeden z walców jest walcem o regulowany ugięciu. Dla papierów o wyższych gramaturach często stosowane są prasy wysokoobciążone dwufilcowe (rys. 9). Rys. 7. Struktura nowoczesnych filców prasowych Rys. 8. Część prasowa wyposażona w prasę three-nip i prasę czwartą Rys. 9. Część prasowa dla papierów o wyższych gramaturach Przełom w rozwoju części prasowej nastąpił w 1982 r., gdy firma Beloit zainstalowała pierwszą prasę o rozszerzonej strefie prasowania (ENP Extended Nip Press) typu otwartego. Następnie zastosowano zamknięte prasy ENP, w których długość strefy prasowania wynosiła 250 mm, a docisk liniowy dochodził do 1500 kn/m. W wyniku zastosowania tych pras suchość wstęgi papieru po części prasowej wzrosła o 4 8% (2). Dwa rozwiązania nowoczesnych pras o rozszerzonej strefie prasowania przedstawione są na rysunkach 10 i 11. W pierwszych prasach o rozszerzonej strefie prasowania położenie elementu dociskowego było ustalone, dlatego też kształt krzywej ciśnienia w strefie prasowania był stały. W obecnych nowoczesnych prasach ENP położenie elementu dociskowego można zmieniać i regulować kształt krzywej ciśnienia w strefie prasowania(rys. 12). Początkowo prasy ENP pracowały z dwoma filcami i były stosowane dla papierów pokryciowych i na warstwy pofalowane tektury falistej. Zastosowanie pokryć ceramicznych na twarde walce oraz żłobkowaych i ślepowierconych taśm (rys. 13) umożliwiło pracę tych pras z jednym filcem i zastosowanie ich do papierów o niższych gramaturach, np. do papierów drukowych i do pisania, gazetowych, workowych. Przez pracę z jednym filcem unikano nadmiernego wtórnego nawilżania wstęgi papieru. Dla papierów cieńszych typową była prasa typu Tri-nip (rys. 14), w której walec ENP jest ostatnim walcem. Takie rozwiązanie stosowano zarówno dla nowych maszyn jak i modernizowanych, zastępując ostatni walec w prasie Tri-nip walcem ENP. Wraz ze wzrostem możliwości regulacji profilu ciśnienia w strefie prasowania pras ENP (rys. 12) stało się możliwe takie ukształtowanie tego profilu, aby występował szybki spadek ciśnienia na 189
Rys. 13. Rodzaje taśm dla pras o rozszerzonej strefie prasowania Rys. 10. Prasa o rozszerzonej strefie prasowania firmy Voith Paper Rys. 14. Prasa Tri-nip z ostatnią strefą prasowania typu ENP Rys. 11. Prasa o rozszerzonej strefie prasowania firmy Metso Paper, Rys. 12. Możliwości regulacji profilu ciśnienia w prasie ENP firmy Metso Paper, końcu tej strefy. Dzięki temu czas, w którym występuje spadek ciśnienia i wtórne nawilżanie, jest stosunkowo krótki w stosunku do całego czasu przebywania wstęgi papieru w strefie prasowania. W ten sposób udało się ograniczyć wtórne nawilżanie dla papierów o niższych gramaturach w prasach ENP z dwoma filcami. Obecnie typową konfiguracją części prasowej w nowych maszynach zarówno dla papierów o wyższych jak i o niższych gramaturach jest część prasowa składająca się z dwóch pras ENP z dwoma filcami (rys. 15). Dla papierów o niższych gramaturach w pozycji dolnej drugiej prasy może być zastosowana, zamiast filcu, taśma transferowa, aby ograniczyć wtórne nawilżanie. Przy zastosowaniu takiej części prasowej dla papierów drukowych uzyskuje się mniejszą ich dwustronność. Dla papierów o niższych gramaturach zaczęto również stosować część prasową wyposażoną tylko w jedną prasę ENP dwufilcową (24). Okazało się, że dla tych papierów otrzymano prawie taką samą wydajność odwadniania, jak i z dwiema prasami. Część prasową wyposażoną w jedną prasę ENP można również stosować dla maszyn pracujących z mniejszymi prędkościami (6). Prasy o rozszerzonej strefie prasowania zastosowano też dla papierów higienicznych, które wymagają stosowania stref prasowania o mniejszych szerokościach i mniejszych dociskach liniowych. W badaniach nad zastosowaniem tych pras do papierów higienicznych (przeprowadzonych w firmach Voith Paper i Metso Paper (25 28)) stosowano dociski liniowe do 270 kn/m i strefy prasowania o szerokości 50 120 mm. Dzięki zastosowaniu prasy o rozszerzonej strefie prasowania przy produkcji papierów higienicznych można otrzymać przyrost suchości wstęgi po prasie nawet o 4 7% (przy docisku liniowym ok. 200 kn/m) (25), a w efekcie wzrost produkcji o 16 25%. Oczywiście jest to możliwe wtedy, gdy nie jest wymagana wysoka objętość właściwa. W przeciwnym przypadku należy zastosować mniejsze dociski liniowe na prasie o rozszerzonej strefie docisku (rzędu 90 kn/m). Można wtedy spodziewać się wzrostu objętości właściwej, np. o 20 30% w stosunku do prasowania za pomocą prasy ssącej. Możliwości podwyższania suchości wstęgi po części prasowej przy zastosowaniu konwencjonalnych części prasowych są małe (2). Zwiększając impuls prasowania dziesięciokrotnie można uzyskać przyrost suchości o 6 10% (2). Dla większości maszyn i rodzajów produkowanych papierów zastąpienie pras walcowych 190
Chociaż pozostaje wiele problemów do rozwiązania, to wydaje się, że w przyszłości będzie zastosowana wybrana forma prasowania impulsowego. Potencjalne korzyści zastosowania tego procesu są bowiem duże i stanowią siłę napędową intensywnych badań, które pozwolą w rezultacie na wdrożenie tego procesu. Rys. 15. Część prasowa składająca się z dwóch dwufilcowych pras ENP prasami o rozszerzonej strefie prasowania może przynieść znaczną poprawę. Część prasowa bez swobodnych przebiegów wstęgi, z dwoma filcami na każdej prasie, lub z taśmą transferową, zależnie od rodzaju papieru, będzie chyba standardem. Część prasowa może być uproszczona w oparciu o prasy z rozszerzoną strefą docisku. Dla pewnych rodzajów papierów, takich jak cienkie papiery drukowe, gazetowe i LWC, wystarczająca będzie część prasowa z jedną prasą o rozszerzonej strefie prasowania (2). Proces prasowania impulsowego wydaje się jedynym możliwym postępowaniem, które może zapewnić uzyskiwanie suchości po części prasowej o wartości powyżej 60% (29). Prasowanie impulsowe jest procesem, w którym woda jest usuwana z wilgotnego papieru podczas przechodzenia przez strefę prasowania z jednym mocno podgrzewanym walcem (30, 31). Stosowane są przy tym ciśnienia w kierunku z prostopadłym do powierzchni wstęgi o wartościach do 5 MPa i temperatury powierzchni walca do 500 C (6). Badania nad procesem prasowania impulsowego prowadzone są od wczesnych lat 70. minionego stulecia. Wprowadzenie prasowania impulsowego może przyczynić się do znacznego zmniejszenia kosztów inwestycyjnych, zużycia masy papierniczej i energii oraz do zwiększenia wydajności maszyn papierniczych i polepszenia fizycznych właściwości papieru (32). W miarę postępu badań pojawiło się wiele problemów związanych z jakością wstęgi papieru (rozwarstwianie papieru, spadek białości i nieprzezroczystości), przywieraniem wstęgi do powierzchni walców oraz płynnością ruchową (6, 33). Trudności te są stopniowo pokonywane na drodze zaawansowanych prac teoretycznych i badawczo-rozwojowych. Efektem prac badawczych są znaczne osiągnięcia w rozwiązaniach technicznych, takich jak np. prasy o rozszerzonej strefie styku z regulowanym kształtem profilu ciśnienia, czy pokrycia ceramiczne, które mogą być pomocne w uniknięciu zjawiska rozwarstwiania wstęgi papieru. Suchość po jednej strefie impulsowej (po jednej strefie docisku) może wynosić np. dla papieru gazetowego prawie 70%, przy suchości wejściowej w granicach 40 50% (33). W innych badaniach uzyskano umiarkowane przyrosty suchości do 50 65% (32, 34), czyli o 4 20% większe niż przy prasowaniu konwencjonalnym. Potencjalne oszczędności energii są siłą napędową rozwoju prasowania impulsowego. Intensywność odwadniania można ocenić za pomocą wskaźnika jednostkowego zużycia energii, które definiuje się jako stosunek energii dostarczonej wstędze do masy wody odprowadzonej ze wstęgi. Przy prasowaniu impulsowym to jednostkowe zużycie energii wynosi 550 1400 kj/kg (6). Dla porównania, ciepło parowania wody wynosi 2250 kj/kg. W najbardziej sprawnych suszarniach cylindrowych jednostkowe zużycie ciepła wynosi ok. 2700 kj/kg, ale spotyka się również wartości 3500 5500 kj/kg, w zależności od rodzaju układu rekuperacji ciepła (33). LITERATURA 1. Rogut R.: Niektóre aspekty procesu odwadniania wstęgi papieru w prasach, Materiały Konferencji INPAP 2000, Rogowiec 2000, Bełchatów, 20-22.09.2000. 2. Wahlstrom B.: Wet pressing in the 20t century: Evolution, understanding and future, Pulp Paper Mag. Can. 102, 12, T333 (2001). 3. Riekert Ch.: Erfahrungen mit doppelbefilzten Pressen, Wbl. Papierfabr. 110, 5, 163-165 (1982). 4. Kawka W., Rogut R., Ingielewicz H.: Energooszczędne technologie w przemyśle papierniczym, Sprawozdanie z projektu badawczego, Łódź 1996. 5. Kotische G.: Neue Generation von Nasspressen für Kraftliner und Testliner, Wbl. Papierfabr. 112, 22, 831 (1984). 6. Paulapuro H i in.: Papermaking Science and Technology, Book 8 Papermaking, Part 1. Stock Preparation and Wet End, Fapet Oy, Helsinki 2000. 7. Kugele M.: Verbesserung in der Entwässerung durch Einsatz eines Dampfblaskastens auf dem Sieb, Wbl. Papierfabr. 111, 5, 153 (1982). 8. Busker L.H., Cronin D.C.: The relative importance of wet press variables in water removal, Pulp Paper Mag. Can. 85, 6, T138-T147 (1987). 9. Schmidt S., Eckert H.: Zjawisko wtórnego nawilżania wstęgi, Przegl. Papiern. 36, 9, 332 (1980). 10. Reese R.A.: Why put a steam shower in the press section?, Tappi 68, 6, 120 (1985). 11. Garcia E.: Press drying can lower energy costs, PPI 29, 10, 71-73 (1987). 12. Yli-Kauppila J.: How to improve wet pressing, Paper Technol. 34, 5, 29-33 (1993). 13. Greimel R., Mayer I., Pinter R.: Escher Wyss Correcta Dampfblaskasten zur Leistungssteigerung und Energieeinsparung bei Papier- und Kartonmachinen, Wbl. Papierfabr. 113, 19, 703-710 (1984). 14. Rogut R.: Możliwości obniżenia zużycia energii w papierniach Materiały Sympozjum Energetyków, Łódź, 9-10.12.1993. 15. Anon.: Focus: High tech in paper machine clothing, Pulp Paper Mag. Can. 103, 2, 17-19 (2002). 16. Loda F.: Improving the dryness and smoothness of the paper through new felt technologies, Materiały XI Międzynarodowej Konferencji PROGRESS 93, Łódź, 27-30.09.1993. 17. Rexfelt J.: Multiaxial press fabrics: from evolution to revolution, Materiały Konferencji CPPA, 30.01.-2.02. 1996, Montreal, Kanada. 18. Ashworth T.: Improved press performance with composite fabrics, Paper Technol. 42, 4, 50-59 (2001). 19. Rodden G.: Press felts, Pulp Paper Mag. Can. 101, 3, 19-23 (2000). 20. Shaw M.: Mills Work with Clothing suppliers to Reduce Power Use, Downtime, Pulp a. Paper 76, 4, 51-55 (2002). 21. Shaw M.: Clothing Suppliers Show Long-running Press Felts as Key in Efficiency Puzzle, Pulp a. Paper 77, 11, 46-51 (2003). 22. Mason M.: Pressing and drying of multiply air laid structures. Materiały II Międzynarodowej Konferencji PIRA, Anglia, 14-16.05.1991. 23. Karlsson K., Ashworth T., I Anson S.: Press Fabric Performance-the Step Chance, Materiały Konferencji SPCI, 1-4.06.1999, Sztokholm, Szwecja. 24. Atkins J.: Single-Nip, Shoe Press=The Single Choice, Solutions for People, Processes a. Paper 85, 7, 40-41 (2002). 25. Pelan P., Ahrens F, Worry G.: Laboratory study of shoe pressing for low basis weight paper applications,tappi 84, 4, 73 (2001). 26. Scherb T.T.: New developments with the Tissueflex, Twogether,nr 11, s. 50-53. 27. Scherb T.T.: TissueFlex-die neue revolutionare Technologie zur Tissue- Herstellung, Twogether nr 8, s. 58-61. 28. Rogut R, Klepaczka A.: Tendencje w prasowaniu i suszeniu papierów higienicznych. Wymagania jakościowe a nowe konstrukcje, Przegl. Papiern. 57, 10, 623-627 (2001). 29. Rogut R., Klepaczka A.: Rozwój procesów jednoczesnego prasowania i suszenia papieru, Przegl. Papiern. 57, 5, 307-313 (2001). 30. Talja R.A.: Press Developments a big jump, or step by step change?, Paper Technol. 33, 6, 18-23 (1992). 31. Orloff D.I., Sobczynski S.F.: Impulse drying pilot press demonstration: Ceramic surfaces inhibit delamination, Paper Technol. 34, 12, 24-32 (1993). 32. Orloff D.I., Phelan P.M., Crouse J.W.: Impulse drying of board grades: pilot production trials, Tappi 83, 9, 57 (2000). 33. Karlsson I. in.: Papermaking Science and Technology, Book 9 Papermaking, Part 2. Drying, Fapet Oy, Helsinki 2000. 34. Rigdahl M.: Impulse technology on the EuroFEX machine, Tappi 83, 8, 90 (2000). 192