淀粉表面膠制備裝置的改進(jìn)

曾金枝　張華東

（中冶紙業(yè)銀河有限公司，　山東　聊城　252600）

淀粉表面膠制備裝置的改進(jìn)

曾金枝張華東

（中冶紙業(yè)銀河有限公司，山東聊城252600）

介紹了傳統(tǒng)淀粉表面膠制備裝置的結(jié)構(gòu)、存在的問題及對(duì)表面膠制備作業(yè)和表面膠質(zhì)量的影響。然后從攪拌器、桶體、加熱管三個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，加強(qiáng)了膠液制備過程中攪拌渦流、紊流，減輕了攪拌器質(zhì)量，加快了熱傳遞，從而提高了膠液質(zhì)量，降低了蒸汽損耗，延長(zhǎng)了攪拌器使用壽命。

淀粉熬膠桶通汽加熱管桶體攪拌器

0　前　言

為提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本，提高紙機(jī)運(yùn)行性能，在造紙上使用了多種輔料。淀粉作為造紙的主要輔料之一，用量?jī)H次于填料。淀粉用于漿內(nèi)，可以起到增加纖維助留率的作用，提高紙機(jī)的運(yùn)行性能，還可以改善紙張的質(zhì)量。淀粉用于表面施膠，可以提高紙張的表面強(qiáng)度，降低紙張的Cobb值，提高紙張的平滑度，從而改善紙張質(zhì)量和提高紙張的感官效果。除此之外，使用淀粉，如酶改性淀粉，還可以降低紙張生產(chǎn)成本。

淀粉在用于造紙之前，通常需要將其熬制成膠。淀粉膠質(zhì)量好壞，不但影響紙張產(chǎn)品質(zhì)量，也影響紙機(jī)的運(yùn)行性能。淀粉膠如果熬制不均勻，夾生，會(huì)造成粘成型網(wǎng)、毛布、烘缸、干網(wǎng)，引起紙機(jī)斷頭，產(chǎn)生紙面料子、孔洞，影響紙張使用。因此，淀粉膠的熬制至關(guān)重要。在淀粉熬膠工藝成熟的條件下，淀粉表面膠的制備裝置的結(jié)構(gòu)對(duì)熬膠質(zhì)量好壞起著決定性的作用。為提高淀粉膠質(zhì)量，我公司摸索，對(duì)淀粉表面膠制備裝置的各部件不斷地進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造。通過改造，不但提高了淀粉膠的質(zhì)量，還降低了熬膠能耗。

1　傳統(tǒng)淀粉熬制表面膠制備裝置

1.1結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)淀粉表面膠制備裝置主要包括通汽加熱管、桶體、攪拌器和動(dòng)力裝置四部分，下端深入至桶體下部的通汽加熱管位于桶體內(nèi)壁，攪拌器裝在固定在桶體上沿的動(dòng)力裝置下端，位于桶體中部，見圖1。所述的通氣加熱管是下端部開口，蒸汽從下端部開口流出，加熱淀粉與水的混合液；所述的桶體內(nèi)壁光滑；所述的攪拌器由主軸和兩轉(zhuǎn)子組成，兩轉(zhuǎn)子呈30°～70°夾角相交裝在主軸下端。

圖1　傳統(tǒng)淀粉熬膠桶

1.2存在問題

傳統(tǒng)淀粉表面膠制備裝置存在如下問題:

(1)攪拌不均勻。桶中淀粉和水的懸浮液在主軸下端轉(zhuǎn)子的作用下旋轉(zhuǎn)起來，形成層流現(xiàn)象，沒有渦流、紊流或者很少，懸浮液中質(zhì)子沿著各自的固定軌道旋轉(zhuǎn)，彼此間不能很好地混合，從而使攪拌淀粉懸浮液不充分，熬出的淀粉膠質(zhì)量不穩(wěn)定。

(2)加熱不均勻。由于攪拌不均勻，從通汽加熱管下端部開口流出的蒸汽不能快速分散到桶體中懸浮液各處，桶體中下部淀粉懸浮液已熬好，而上部淀粉懸浮液還是“生的”。

(3)熬制時(shí)間長(zhǎng)，汽耗量大。由于加熱不均勻，上部淀粉懸浮液主要靠溫差來傳遞熱量，傳遞熱量慢，為保證整桶淀粉懸浮液熬好，必須延長(zhǎng)熬制時(shí)間，從而加大了蒸汽消耗量。

(4)動(dòng)力消耗大。傳統(tǒng)的淀粉熬膠桶攪拌器轉(zhuǎn)子呈實(shí)心，不但轉(zhuǎn)子質(zhì)量大，而且淀粉懸浮液對(duì)轉(zhuǎn)子的阻力也較大，所以需要較大動(dòng)力帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而消耗較大的動(dòng)力。

（5）攪拌器折斷。隨著紙機(jī)向高速、寬幅方向發(fā)展，相應(yīng)的淀粉熬膠桶也變得高大起來，對(duì)應(yīng)的攪拌器主軸延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子加長(zhǎng)，而實(shí)心轉(zhuǎn)子受淀粉懸浮液阻力大，故攪拌器受到扭矩較大，其結(jié)果是攪拌器主軸易折斷。

（6）淀粉膠“夾生”。由于傳統(tǒng)的淀粉熬膠桶攪拌不均勻，加熱不均勻，導(dǎo)致熬出的淀粉膠質(zhì)量不均勻、不穩(wěn)定，有“夾生”現(xiàn)象。

（7）影響紙機(jī)運(yùn)行。紙機(jī)使用“夾生”淀粉膠時(shí)，會(huì)出現(xiàn)粘成型網(wǎng)、毛布、烘缸、干網(wǎng)的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)引起紙機(jī)斷頭。

（8）產(chǎn)生紙病。紙機(jī)使用“夾生”淀粉膠時(shí)，不斷影響紙機(jī)運(yùn)行，還會(huì)產(chǎn)生紙頁孔洞、紙面料子等紙病。

2　淀粉表面膠制備裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)淀粉熬膠出現(xiàn)的問題以及對(duì)紙機(jī)運(yùn)行和紙張品質(zhì)的影響，經(jīng)過多次探討后認(rèn)為，熬膠質(zhì)量的不穩(wěn)定不應(yīng)是工藝問題，而是淀粉表面膠制備裝置結(jié)構(gòu)不合理造成的，故臨時(shí)成立了專門的淀粉熬表面膠制備裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)攻關(guān)小組，以對(duì)淀粉熬表面膠制備裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)化設(shè)計(jì)分三部分:

2.1攪拌器優(yōu)化

要減小攪拌器所受阻力而減小攪拌器所受扭矩，可避免攪拌器折斷；提高攪拌效果，要產(chǎn)生更多的渦流、紊流，以使懸浮液中各質(zhì)子互相碰撞，從而提高熱交換效果、加快淀粉糊化、縮短熬膠時(shí)間、節(jié)約能耗。攻關(guān)小組以此為切點(diǎn)，經(jīng)過深入研究后，首先在攪拌器兩轉(zhuǎn)子上均勻開孔眼。開孔眼作用有三:一是減輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量，從而減小動(dòng)力消耗；二是減小轉(zhuǎn)子所受的阻力，淀粉懸浮液碰到轉(zhuǎn)子后，部分懸浮液從轉(zhuǎn)子的孔眼中穿過，從而能減小轉(zhuǎn)子所受的阻力，也就減小了轉(zhuǎn)子所受的扭矩，轉(zhuǎn)子折斷的可能性也就降低；三是增強(qiáng)攪拌效果，淀粉懸浮液碰到帶孔眼的轉(zhuǎn)子時(shí)，形成眾多的渦流，使淀粉懸浮液質(zhì)子碰撞機(jī)會(huì)增多，從而加強(qiáng)了攪拌效果。然后改變兩轉(zhuǎn)子的安裝位置，一個(gè)轉(zhuǎn)子仍安裝在攪拌器主軸下端，另一個(gè)轉(zhuǎn)子上移安裝在攪拌器主軸中部，并改變兩轉(zhuǎn)子的投影夾角，使兩轉(zhuǎn)子在水平面上的投影夾角為90°。兩轉(zhuǎn)子分開安裝，能使桶中的淀粉懸浮液有兩個(gè)攪拌中心，形成兩次攪拌，而兩轉(zhuǎn)子的水平投影夾角為90°，從而使兩攪拌中心帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)懸浮液的相位差為90°，避免了旋轉(zhuǎn)同步，而形成的層流，而異步旋轉(zhuǎn)的上下懸浮液互相碰撞影響，可形成更多紊流，從而加強(qiáng)攪拌，使攪拌更均勻充分。為保護(hù)公司技術(shù)，淀粉熬膠桶攪拌器的優(yōu)化已申請(qǐng)并授權(quán)了國(guó)家實(shí)用新型專利，其專利號(hào)和專利名稱分別為“ZL201120487760.1”和“一種用于淀粉熬膠的新型攪拌器”。

2.2通汽加熱管的優(yōu)化

要加快蒸汽的分散，須使從通汽加熱管中流出的蒸汽能快速地與淀粉懸浮液均勻混合。攻關(guān)小組從這個(gè)角度出發(fā)，改變了通汽加熱管蒸汽的流出方式，將原通汽加熱管下端開口封閉，改在將桶中通汽加熱管的下部2/3長(zhǎng)度1/4側(cè)面上開孔眼，孔眼與通汽加熱管壁面成一定傾斜角，使剛從孔眼流出的蒸汽運(yùn)動(dòng)方向與相遇淀粉懸浮液旋轉(zhuǎn)方向一致。由于蒸汽流出口增多，與淀粉懸浮液始接觸面積增大，所以使分布更均勻，并且蒸汽流出的方向與相遇淀粉懸浮液旋轉(zhuǎn)方向一致，加快了蒸汽分散，從而保證了淀粉懸浮液快速受熱均勻。為保護(hù)公司技術(shù)，淀粉熬膠桶通汽加熱管的優(yōu)化已申請(qǐng)并授權(quán)了國(guó)家實(shí)用新型專利，其專利號(hào)和專利名稱分別為“ZL201120490641.1”和“一種用于淀粉熬膠的新型通汽加熱管”。

2.3桶體優(yōu)化

要控制攪拌器轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度，控制轉(zhuǎn)子所受的扭矩，避免轉(zhuǎn)子折斷；同時(shí)須加強(qiáng)外層淀粉懸浮液的攪拌，使其產(chǎn)生更多的渦流、紊流，保證攪拌的均勻，保證熬膠的質(zhì)量。攻關(guān)小組以此為優(yōu)化的目的，經(jīng)過多次論證后，決定在桶體內(nèi)壁焊接3～4條不銹鋼三角鐵。攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)，攪動(dòng)淀粉懸浮液旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的淀粉懸浮液碰到不銹鋼三角鐵形成繞流，充分加大了攪拌，從而穩(wěn)定并提高了熬制淀粉膠的質(zhì)量。為保護(hù)公司技術(shù)，淀粉熬膠桶桶體的優(yōu)化已申請(qǐng)并授權(quán)了國(guó)家實(shí)用新型專利，其專利號(hào)和專利名稱分別為“ZL201320260442.0”和“一種用于淀粉熬膠的新型桶體”。

3　新型淀粉表面膠制備裝置

3.1結(jié)構(gòu)及工作方式

經(jīng)過上述三部分優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成了新型的淀粉表面膠制備裝置。新型淀粉表面膠制備裝置主要包括通汽加熱管、桶體、攪拌器、三角鐵和動(dòng)力裝置五部分，伸至桶體下部的通汽加熱管置于三角鐵與攪拌器間，桶體內(nèi)壁均勻焊接3～4個(gè)不銹鋼三角鐵，攪拌器裝在固定在桶體上沿的動(dòng)力裝置上，置于桶體中部，見圖2。所述的通汽加熱管下端口封閉，桶體中通汽加熱管下部2/3長(zhǎng)度、1/4側(cè)面均勻開有孔眼，孔眼與通汽加熱管壁面成一定傾斜角，使剛從孔眼里流出的蒸汽運(yùn)動(dòng)方向與始接觸的淀粉懸浮液旋轉(zhuǎn)方向一致，見圖3。所述的桶體內(nèi)壁均勻焊接3～4條不銹鋼三角鐵，三角鐵與桶體內(nèi)壁是弧形焊接，弧形焊接的三角鐵使旋轉(zhuǎn)的淀粉懸浮液發(fā)生繞流，見圖4。所述的攪拌器由主軸和兩個(gè)轉(zhuǎn)子組成，一個(gè)轉(zhuǎn)子裝在主軸下端，一個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子主軸中部，兩個(gè)轉(zhuǎn)子在水平面的投影夾角為90°，兩個(gè)轉(zhuǎn)子均勻開有孔眼，見圖5。

工作時(shí)，動(dòng)力裝置帶動(dòng)攪拌器旋轉(zhuǎn)，攪拌器兩個(gè)轉(zhuǎn)子推動(dòng)、帶動(dòng)淀粉懸浮液旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的淀粉懸浮液將從通汽加熱管孔眼流出蒸汽帶到桶體中各個(gè)部分，加熱淀粉懸浮液。

圖2　新型淀粉熬膠桶

圖3　通汽加熱管

圖4　桶體

圖5　攪拌器

3.2創(chuàng)新點(diǎn)

新型淀粉表面膠制備裝置主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下。

（1）利用水體力學(xué)的原理。在轉(zhuǎn)子上開孔眼，利用孔眼的孔壁產(chǎn)生壁流，形成眾多的渦流，加強(qiáng)攪拌。

（2）利用流體運(yùn)動(dòng)原理。在桶體內(nèi)壁焊接弧度三角鐵，當(dāng)?shù)矸蹜腋∫哼\(yùn)動(dòng)碰到弧度三角鐵，產(chǎn)生繞流，加強(qiáng)攪拌。

（3）以兩個(gè)攪拌中心取代一個(gè)攪拌中心。通過兩個(gè)攪拌中心運(yùn)動(dòng)的相位差，產(chǎn)生紊流，加強(qiáng)攪拌。

（4）通過將實(shí)心轉(zhuǎn)子開孔眼。減輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量，減小轉(zhuǎn)子所受的阻力，從而降低動(dòng)力消耗，同時(shí)，轉(zhuǎn)子所受阻力減小，剪切力減小，相應(yīng)轉(zhuǎn)子承受扭矩減小，從而降低轉(zhuǎn)子折斷的可能性。

（5）以多孔通蒸汽代替單孔通蒸汽。使蒸汽流出時(shí)分布更均勻，并利用蒸汽流出方向與淀粉懸浮液旋轉(zhuǎn)方向一致，加快蒸汽在桶中的分布，使加熱更均勻。

3.3關(guān)鍵技術(shù)

在新型淀粉表面膠制備裝置設(shè)計(jì)安裝過程中，需要注意以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù):

（1）轉(zhuǎn)子孔眼孔徑。轉(zhuǎn)子孔眼大小要合適，孔眼過小，易堵塞，孔眼過大，形成層流，起不到應(yīng)有的作用。

（2）轉(zhuǎn)子開孔率。在孔眼孔徑確定后，開孔率越大，渦流越強(qiáng)，攪拌效果越好，但開孔率過大，轉(zhuǎn)子易損壞。

（3）不銹鋼三角鐵與桶體內(nèi)壁的弧度。不銹鋼三角鐵與桶體內(nèi)壁以一定的弧度焊接，在保證淀粉懸浮液旋轉(zhuǎn)至此時(shí)產(chǎn)生繞流，但同時(shí)盡可能減小對(duì)轉(zhuǎn)子的沖擊。

（4）不銹鋼三角鐵與桶體內(nèi)壁的垂直距離。在桶體內(nèi)壁焊接不銹鋼三角鐵，有利于縮短攪拌器轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度，保護(hù)轉(zhuǎn)子不被折斷，但若該不銹鋼三角鐵與桶體內(nèi)壁垂直距離過大，則攪拌器轉(zhuǎn)子無法帶動(dòng)外層淀粉懸浮液旋轉(zhuǎn)，外層淀粉懸浮液處于靜止?fàn)顟B(tài)，不利于攪拌混和；若此垂直距離過小，則不利于縮短攪拌器轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度，產(chǎn)生的繞流作用也有限，同樣不利于攪拌混合。

（5）通汽加熱管的安裝位置和安裝角度。安裝位置應(yīng)與不銹鋼三角鐵保持一定的距離，此處淀粉懸浮液應(yīng)呈層流狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)方向比較單一，這樣從通汽加熱管流出的蒸汽易被淀粉懸浮液帶走，從而有利于加速蒸汽擴(kuò)散；安裝角度應(yīng)保證從通汽加熱管流出的蒸汽運(yùn)動(dòng)方向與淀粉懸浮液旋轉(zhuǎn)方向一致，以利于蒸汽快速與淀粉懸浮液混合。

3.4應(yīng)用效果

經(jīng)過優(yōu)化后的新型淀粉熬表面膠制備裝置在公司的其中一機(jī)臺(tái)試用取得成功后，迅速在公司得到了全面推廣，取得了下列良好效果。

（1）熬膠時(shí)間縮短。使用原淀粉熬表面膠制備裝置熬膠，常用工藝是:升溫至70～80℃，保溫15～20 min，升溫至95～100 ℃，保溫25～30 min。使用新型淀粉表面膠制備裝置后，熬膠質(zhì)量得到明顯改善，相應(yīng)的熬膠工藝也進(jìn)行了優(yōu)化，其常用工藝是:升溫至70～80℃，保溫10～15 min，升溫至95～100 ℃，保溫15～20 min。

（2）膠液質(zhì)量穩(wěn)定。使用原淀粉表面膠制備裝置，膠液黏度合格率低于95%，使用新型淀粉表面膠制備裝置后，膠液黏度合格率高于98%，膠液夾生情況明顯減少。

（3）能耗下降。使用新型淀粉表面膠制備裝置后，在開機(jī)率、產(chǎn)量相當(dāng)，紙種變化不大的情況下，各藥品車間的平均汽耗下降10%，電耗下降2%。

（4）紙機(jī)運(yùn)行情況得到改善。使用新型淀粉表面膠制備裝置后，車間反映粘成型網(wǎng)、毛布、烘缸、干網(wǎng)的情況明顯減少。特別是輕型紙生產(chǎn)車間，使用原淀粉熬膠桶，施膠機(jī)后第一缸粘缸較嚴(yán)重，刮刀處于長(zhǎng)期落下狀態(tài)，有時(shí)需要人工清理缸面。使用新型淀粉表面膠制備裝置后，施膠機(jī)后第一缸粘缸情況明顯得到改善，刮刀只需定期落下，也不需要人工清理。

（5）紙病減少。使用原淀粉表面膠制備裝置時(shí)，經(jīng)常有紙張因孔洞、料子等紙病不入庫，特別是輕型紙生產(chǎn)車間，幾乎每班都有因料子等紙病不入庫的情況，有時(shí)還有因料子等紙病造成用戶退紙的現(xiàn)象。從使用新型淀粉表面膠制備裝置后，紙張因孔洞、料子等紙病不入庫的現(xiàn)象大為減少，也很少發(fā)生用戶因料子等紙病發(fā)生退紙的現(xiàn)象。

4　結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)淀粉表面膠制備裝置結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致淀粉熬制質(zhì)量不穩(wěn)定、夾生，影響紙機(jī)運(yùn)行，產(chǎn)生紙病等問題，我公司對(duì)淀粉表面膠制備裝置的攪拌器、通汽加熱管、桶體分別進(jìn)行了優(yōu)化，形成了新型的淀粉表面膠制備裝置。通過對(duì)攪拌器和桶體的優(yōu)化，加強(qiáng)了攪拌，通過對(duì)通汽加熱管的優(yōu)化，加速了蒸汽擴(kuò)散，從而提高并穩(wěn)定了淀粉膠質(zhì)量，改善了紙車運(yùn)行，減少了紙病，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

為保護(hù)公司技術(shù)，通汽加熱管的優(yōu)化、攪拌器的優(yōu)化和桶體的優(yōu)化分別申請(qǐng)并授權(quán)國(guó)家實(shí)用新型專利，其專利號(hào)分別為“ZL201120490641.1”、“ZL201120487760.1”、“ZL201320260442.0”，專利名稱分別為“一種用于淀粉熬膠的新型通汽加熱管”、“一種用于淀粉熬膠的新型攪拌器”、“一種用于淀粉熬膠的新型桶體”。

[1]一種用于淀粉熬膠的新型通汽加熱管:ZL201120490641.1 [P].2012.7.1.

[2]一種用于淀粉熬膠的新型攪拌器:ZL201120487760.1 [P].2012.7.25.

[3]一種用于淀粉熬膠的新型桶體:ZL201320260442.0 [P].2013.12.11.

[4]天津輕工業(yè)學(xué)院造紙專業(yè).第一講調(diào)料[J].造紙技術(shù)通訊，1975(6):39-47.