Nghiên cứu nâng cao hiệu quả nghiền bột giấy khi dùng máy nghiền dạng đĩa trong ngành công nghiệp giấy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN


NguyÔn Qu©n nhu

Ư
TRƢƠNG THỊ THU HƢƠNG
TTTRT
TRƢƠNG TTTCUẤN ANH
S



NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ
NGHIỀN BỘT GIẤY KHI DÙNG MÁY NGHIỀN DẠNG ĐĨA
TRONG NGÀNH CÔNG NGHIỆP GIẤY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT















THÁI NGUYÊN - 2014



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

NguyÔn Qu©n nhu
Ư
TRƢƠNG THỊ THU HƢƠNG




NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ
NGHIỀN BỘT GIẤY KHI DÙNG MÁY NGHIỀN DẠNG ĐĨA
TRONG NGÀNH CÔNG NGHIỆP GIẤY

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 62.52.01.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT






NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe
2. GS.TSKH Phạm Văn Lang







THÁI NGUYÊN - 2014
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên những
hƣớng dẫn của tập thể hƣớng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích
dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chƣa công bố trên bất cứ một công
trình nào khác.

Nghiên cứu sinh


Trƣơng Thị Thu Hƣơng

ii
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình của tập thể
hƣớng dẫn khoa học gồm GS.TSKH Phạm Văn Lang, PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe
đã tạo mọi điều kiện từ nghiên cứu mô hình, tổ chức thực nghiệm và hƣớng dẫn chi
tiết trong quá trình hoàn thành luận án. Đồng thời, tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối
với các nhà khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Dự, TS. Vũ Quốc Bảo đã tận tình giúp
đỡ, đặc biệt là trong quá tình điều tra, khảo sát, tìm hiểu thực tế, thu thập và xử lý số
liệu thực nghiệm.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Trƣờng ĐH Kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên, Viện Cơ - Điện nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch,
Trƣờng Đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Viện Công nghệ Giấy và Xenlulô Hà
Nội đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả cũng gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp và ngƣời
thân đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành đƣợc luận án.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên luận án không tránh khỏi sai sót,
tác giả mong nhận đƣợc sự góp ý kiến của các thầy cô giáo, các chuyên gia và các
bạn đồng nghiệp để luận án đƣợc hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

Nghiên cứu sinh


Trƣơng Thị Thu Hƣơng

iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục tiêu nghiên cứu 3
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 4
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5
5. Phƣơng pháp nghiên cứu 6
6. Cấu trúc luận án 7
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ NGHIỀN BỘT GIẤY 9
1.1. Giới thiệu 9
1.2. Các thông số đánh giá chất lƣợng bột giấy 9
1.2.1. Chiều dài sợi 10
1.2.2. Độ nghiền 10
1.2.3. Độ bền mẫu giấy thành phẩm 11
1.3. Khái quát về quá trình nghiền bột giấy 13
1.3.1. Khái quát về các giai đoạn nghiền 13
1.3.2. Thiết bị nghiền bột giấy 16
1.3.2.1. Các loại thiết bị nghiền 16
1.3.2.2. Đánh giá các thiết bị nghiền 19
1.4. Tƣơng tác cơ học trong nghiền tinh bằng đĩa nghiền 22
1.4.1. Nguyên lý nghiền tinh dùng đĩa nghiền 22
1.4.2. Chuyển động của dung dịch bột – gỗ 23
iv

1.4.3. Lực tác dụng trên răng đĩa nghiền 25
1.5. Cấu trúc xơ sợi và chất lƣợng bột giấy 27
1.5.1. Cấu trúc ngang của sợi gỗ 27
1.5.2. Cấu trúc dọc của sợi gỗ 29
1.6. Mức độ tiêu thụ năng lƣợng trong quá trình nghiền 30
1.7. Ảnh hƣởng của các thông số kết cấu và công nghệ đến chất lƣợng và năng
lƣợng nghiền 31
1.7.1. Tốc độ nghiền 31
1.7.2. Khe hở đĩa nghiền 31
1.7.3. Lƣu lƣợng bột 31
1.7.4. Nồng độ bột giấy 31
1.7.5. Ảnh hƣởng của các thông số kết cấu đĩa 32
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH NGHIỀN 36
2.1. Giới thiệu 36
2.2. Chuyển động của sợi gỗ trong dung dịch khi nghiền 36
2.2.1. Đặc tính dòng chảy của hỗn hợp bột gỗ 37
2.2.2. Tính đồng nhất của dòng dung dịch 37
2.3. Đặc tính cơ học của quá trình nghiền 40
2.3.1. Tƣơng tác lực trong quá trình nghiền 40
2.3.2. Tải trọng riêng trên cạnh răng nghiền 42
2.3.3. Tải trọng riêng trên bề mặt răng nghiền 43
2.4. Các ảnh hƣởng về kết cấu và vận hành 45
2.5. Cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm 55
2.5.1. Lý thuyết mô hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên 55
2.5.1.1. Lý thuyết mô hình 55
2.5.1.2. Lý thuyết đồng dạng 56
2.5.1.3. Lý thuyết thứ nguyên 59
2.5.2. Ứng dụng của lý thuyết mô hình – đồng dạng – thứ nguyên 61
Chƣơng 3. MÔ HÌNH VÀ KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM 65
v

3.1. Giới thiệu 65
3.2. Các thông số cơ bản của mô hình thực nghiệm 65
3.2.1. Các thông số ảnh hƣởng đến quá trình nghiền 65
3.2.2. Chọn lọc các thông số thí nghiệm 66
3.3. Thiết lập mô hình thực nghiệm 69
3.3.1. Thiết bị nghiền 69
3.3.1.1. Đĩa nghiền 69
3.3.1.2. Máy nghiền thực nghiệm 75
3.3.2. Bột nguyên liệu thí nghiệm 78
3.3.3. Cách thu thập dữ liệu đầu ra 79
3.3.3.1. Đo công suất tiêu thụ N 79
3.3.3.2. Cách đánh giá chất lƣợng nghiền 81
3.4. Cách vận hành hệ thống 85
3.5. Xây dựng kế hoạch thực nghiệm 86
3.5.1. Bộ thông số thí nghiệm 86
3.5.2. Lập ma trận thí nghiệm, chọn phƣơng án quy hoạch thực nghiệm 88
3.6. Nguyên tắc xử lý số liệu 90
3.6.1. Xác định dạng mô hình hồi quy 90
3.6.2. Kiểm nghiệm mức độ phù hợp của mô hình 91
3.6.3. Giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu 94
Chƣơng 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 97
4.1. Kết quả thực nghiệm 97
4.2. Xây dựng mô hình hồi quy của các hàm mục tiêu 100
4.3. Tối ƣu hoá đa mục tiêu 103
4.3.1. Tối ƣu hóa mục tiêu hàm Y
N
: 103
4.3.2. Tối ƣu hóa mục tiêu hàm Y
K
104

4.3.3. Giải bài toán thƣơng lƣợng giữa hàm chi phí năng lƣợng riêng Y
N
và
hàm độ nghiền Y
K
105
4.4. Triển khai kết quả cho dãy máy thực 111
vi
4.4.1. Xác định bộ chỉ số đồng dạng theo công suất nghiền 111
4.4.2. Xác định bộ chỉ số đồng dạng theo năng suất nghiền 114
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 122
TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Ý nghĩa
Đơn vị
a
s
Chiều rộng răng đĩa cố định
mm
a
r

Chiều rộng răng đĩa quay
mm
b
s
Chiều rộng rãnh đĩa cố định
mm
b
r

Chiều rộng rãnh đĩa quay
mm
c
s
Chiều cao răng đĩa cố định
mm
c
r

Chiều cao răng đĩa quay
mm
C
Nồng độ bột giấy
%
IN
Số lƣợng các tác động nghiền
km/kg
L
s
Tốc độ nghiền
km/s
L
Chiều dài nghiền
km/v
IL
Chiều dài tiếp xúc của hai răng nghiền đối diện
km
M
Khối lƣợng dòng sợi

kg/s
N
Công suất nghiền
kWh
N
d
Số các răng nghiền giao nhau
-
n(r)
Số lƣợng dao trên đĩa nghiền
-
r
1
(D)

Bán kính ngoài của đĩa nghiền
mm
r
2
(d)

Bán kính trong của đĩa nghiền
mm
SEL
Tải trọng riêng trên lƣỡi cắt
J/m
SSL
Tải trọng riêng trên bề mặt dao
J/m
2

Q
Năng suất máy nghiền
kg/h
viii
q
Lƣu lƣợng huyền phù
m
3
/s
ω
Vận tốc góc
s
-1

n
Tốc độ quay
v/ph
θ
Góc quạt răng
[
0
]

α
Góc nghiêng răng nghiền
[
0
]

h

Khe hở đĩa nghiền
mm
φ
Hệ số điền đầy
-
K
Độ nghiền
0
SR
∆
Định thức đặc trƣng của phƣơng trình thứ nguyên
-
G
i

Ký hiệu thay thế cho các đại lƣợng a,b,c
-
BKHP
Bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ cứng
-
BKSP
Bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ mềm
-
Y
N
Hàm biểu diễn năng lƣợng nghiền
-
Y
K
Hàm biểu diễn độ nghiền

-








ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Kích thƣớc răng nghiền với các loại xơ sợi 50
Bảng 3.1. Các thông số của quá trình nghiền 65
Bảng 3.2. Các giá trị số mũ trong công thức thứ nguyên của các thông số 67
Bảng 3.3. Các thông số đĩa nghiền thí nghiệm 70
Bảng 3.4. Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy nghiền thực nghiệm 76
Bảng 3.5. Tính chất của bột giấy thực nghiệm 78
Bảng 3.6. Cơ sở xây dựng phần cơ bản của kế hoạch Box - Behnken 88
Bảng 3.7. Kế hoạch Box - Behnken khi n = 4 89
Bảng 4.1. Các thông số vào – ra của các thí nghiệm 97
Bảng 4.2. Bảng kết quả thí nghiệm 98
Bảng 4.3. Kết quả phân tích số liệu thực nghiệm 101
Bảng 4.4. Bảng thông số tối ƣu trên máy nghiền mô hình 106
Bảng 4.5. Thông số lựa chọn tối ƣu cho máy nghiền và đĩa nghiền mô hình 107
Bảng 4.6. Các thông số ảnh hƣởng đến công suất nghiền bột giấy 112
Bảng 4.7. Các thông số ảnh hƣởng đến năng suất nghiền bột giấy 114
Bảng 4.8. Dãy máy nghiền 118

x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mối quan hệ giữa độ nghiền và độ bền kéo của bột giấy 12
Hình 1.2. Mối quan hệ giữa chiều dài sợi - độ bền kéo - độ bền xé của bột giấy 12
Hình 1.3. Một quy trình sản xuất giấy 13
Hình 1.4. Giai đoạn nghiền trong quá trình sản xuất giấy 14
Hình 1.5. Nguyên liệu và sản phẩm của giai đoạn nghiền sơ bộ 15
Hình 1.6. Bột nguyên liệu dùng cho quá trình nghiền tinh 15
Hình 1.7. Ảnh chụp cấu trúc phân bố sợi trong giấy thành phẩm 16
Hình 1.8. Thiết bị nghiền Hà Lan 17
Hình 1.9. Thiết bị nghiền côn trục ngang 17
Hình 1.10. Thiết bị nghiền đĩa 18
Hình 1.11. So sánh mức tiêu hao điện năng giữa máy nghiền đĩa và nghiền côn 19
Hình 1.12. Sơ đồ chuyể n độ ng củ a bộ t giấ y 20
Hình 1.13. Sự tiếp xúc giữa các răng nghiền trong máy nghiền côn 21
Hình 1.14. Sợi bột giấy giữa các răng nghiền 22
Hình 1.15. Các giai đoạn nghiền 23
Hình 1.16. Dòng xoáy cho dung dịch bột - nƣớc trong rãnh nghiền 24
Hình 1.17. Sự tạo thành các búi sợi và các tác động nghiền 24
Hình 1.18. Lực tác động lên sợi bột giấy trong quá trình nghiền 26
Hình 1.19. Giản đồ về sự phân lớp ngoài của sợi do mỏi. 26
Hình 1.20. Cấu trúc của một sợi gỗ 27
Hình 1.21. Sự thay đổi hình thái và cấu trúc sợi nhờ quá trình nghiền 28
Hình 1.22. Xơ sợi bột giấy trƣớc và sau khi nghiền 29
Hình 1.23. Đặc tính chiều dài sợi của các loại cây nguyên liệu 30

Hình 1.24. Các yếu tố cơ bản của đĩa nghiền bột 32
Hình 1.25. Một số dạng hƣ hỏng răng đĩa nghiền thƣờng gặp 33
Hình 2.1. Chiều dài tác động nghiền 44
Hình 2.2. Các dạng profin của dao nghiền 45
Hình 2.3. Các kiểu bố trí răng nghiền 46
xi
Hình 2.4. Các dạng đĩa nghiền 47
Hình 2.5. Một số kiểu đĩa nghiền 48
Hình 2.6. Chiều dài nghiền của các mẫu đĩa khác nhau 49
Hình 2.7. Tiếp xúc giữa hai dao nghiền 52
Hình 2.8. Sự dịch chuyển của răng đĩa nghiền quay trên răng đĩa nghiền cố định
trong quá trình nghiền 53
Hình 3.1. Cụm đĩa cố định 70
Hình 3.2. Cụm đĩa quay 71
Hình 3.3. Mẫu đĩa nghiền thí nghiệm 1 71
Hình 3.4. Mẫu đĩa nghiền thí nghiệm 2 72
Hình 3.5. Mẫu đĩa nghiền thí nghiệm 3 72
Hình 3.6. Đĩa nghiền bột giấy dùng trong thực nghiệm 75
Hình 3.7. Bản vẽ tổng thể máy nghiền bột giấy thực nghiệm 77
Hình 3.8. Máy nghiền bột giấy dạng đĩa dùng trong thực nghiệm 77
Hình 3.9. Máy đánh tơi tiêu chuẩn 79
Hình 3.10. Công tơ điện 3 pha có tích hợp bộ truyền dẫn thông tin vào máy tính 80
Hình 3.11. Sơ đồ thí nghiệm đo tiêu thụ năng lƣợng nghiền 81
Hình 3.12. Máy đo độ nghiền 81
Hình 3.13. Máy nghiền PFI 82
Hình 3.14. Máy xeo Rapid - Kothen 82
Hình 3.15. Thiết bị đo độ bền kéo (Hounfield) 83
Hình 3.16. Thiết bị đo độ bền xé của giấy (Frank) 83
Hình 3.17. Các yếu tố ảnh hƣởng và các chỉ tiêu cần đạt trong thực nghiệm 86
Hình 4.1. Đồ thị tối ƣu Y

N
104
Hình 4.2. Đồ thị tối ƣu YK 105
Hình 4.3. Đồ thị tối ƣu hóa đa mục tiêu 106
Hình 4.4. Độ nghiền và chiều dài xơ sợi 108
Hình 4.5. Độ nghiền và tính chất cơ lý bột giấy 109
Hình 4.6. Bột giấy trƣớc (a) và sau khi nghiền (b) 111
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong xã hội hiện đại, mặc dù các phƣơng tiện tin học trong thông tin, lƣu trữ
phát triển mạnh nhƣng giấy vẫn là sản phẩm không thể thiếu trong hoạt động xã hội
của bất kỳ quốc gia nào, đặc biệt trong hoạt động giáo dục, in ấn, báo chí, văn học,
hội hoạ. Ở Việt Nam, ngành công nghiệp giấy là một ngành chiến lƣợc quan trọng
phục vụ trực tiếp sự nghiệp văn hoá, xã hội và phát triển đất nƣớc. Theo số liệu
thống kê cho thấy, năm 2013, Việt Nam tiêu thụ 655.000 tấn giấy in, giấy viết [1].
Tuy nhiên, ngành công nghiệp giấy mới chỉ đáp ứng khoảng 50% nhu cầu tiêu
dùng. Một trong những khó khăn lớn nhất của việc sản xuất giấy in, giấy viết là
đảm bảo chất lƣợng bột giấy dùng cho sản xuất giấy.
Trong thuật ngữ của ngành sản xuất giấy, có hai loại bột nguyên liệu: bột thô
và bột giấy. Bột thô là dạng bột đƣợc tạo thành bởi giai đoạn nghiền sơ bộ, thuật
ngữ ngành giấy gọi là nghiền nồng độ cao, có nhiệm vụ nghiền phôi gỗ dạng dăm,
mảnh thành dạng bột thô. Bột giấy là dạng bột đƣợc tạo thành bởi giai đoạn nghiền
tinh, thuật ngữ ngành giấy gọi là nghiền nồng độ thấp.
Trong giai đoạn nghiền sơ bộ (nghiền nồng độ cao - high consistency),
nguyên liệu đầu vào là dăm, mảnh gỗ có kích thƣớc 25x25x2mm. Dăm, mảnh gỗ
đƣợc chế biến tại các nhà máy, phân xƣởng chuyên dụng, độc lập với nhà máy,
phân xƣởng sản xuất giấy. Sản phẩm của quá trình nghiền sơ bộ là bột thô, bao gồm
các sợi gỗ có kích thƣớc chiều dài từ 1-3mm, đƣờng kính khoảng 10-30μm. Bột thô
tiếp tục đƣợc xử lý để thu hồi dịch đen, tẩy trắng và trở thành nguyên liệu cho giai

đoạn nghiền tinh tiếp theo.
Giai đoạn nghiền tinh (nghiền nồng độ thấp - low consistency) có nhiệm vụ
nghiền bột thô đã đƣợc tẩy trắng, nhằm thay đổi hình thái của sợi gỗ, làm cho bột có
các tính chất cơ, lý đáp ứng yêu cầu của sản phẩm giấy. Giai đoạn này có các nhiệm
vụ chính là tách bề mặt phía trong của sợi thành nhiều sợi nhỏ (chổi hoá nội vi),
chải các lớp ngoài của sợi thành các sợi nhỏ hơn (chổi hoá ngoại vi), tạo thêm nhiều
2
sợi mịn và ngắn hơn. Thêm nữa, vách ngăn giữa các sợi đƣợc làm yếu đi, mềm ra
và giảm độ dày nhờ sự thâm nhập của các phân tử nƣớc trong quá trình nghiền. Kết
quả là làm tăng khả năng liên kết sợi và độ bền của giấy thành phẩm. Vì vậy, đây là
giai đoạn chế biến có ý nghĩa quyết định đến chất lƣợng sản phẩm giấy đƣợc tạo
thành. Chính vì vậy, các chuyên gia ngành giấy thƣờng nói: “Giấy đƣợc hình thành
từ trong máy nghiền”.
Giai đoạn nghiền tinh có thể đƣợc thực hiện trên thiết bị nghiền Hà Lan, thiết
bị nghiền côn hoặc nghiền đĩa [17], [9], [16], [46]. Công nghệ sản xuất giấy hiện đại
ngày nay chủ yếu sử dụng thiết bị nghiền dạng đĩa [5], [46], [49]. Thiết bị nghiền
dạng đĩa có khả năng nghiền ở nhiều nồng độ, nghiền nhiều loại nguyên liệu khác
nhau, năng suất nghiền cao, chất lƣợng bột đồng đều và tiêu hao năng lƣợng thấp
hơn các thiết bị nghiền Hà Lan, nghiền côn có cùng công suất. Ở Việt Nam, thiết bị
nghiền dạng đĩa có mặt tại tất cả các nhà máy sản xuất giấy.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, chất lượng bột giấy (sản phẩm của giai đoạn
nghiền tinh) phụ thuộc vào các yếu tố chính nhƣ điều kiện nghiền, hệ thống nghiền,
đĩa nghiền [40], [42], [46], [54] và dạng nguyên liệu xơ sợi [3], [16], [19]. Trong
đó, các yếu tố kết cấu đĩa, hình dáng hình học của răng đĩa có ảnh hƣởng trực tiếp
đến chất lƣợng bột giấy cũng nhƣ năng lƣợng tiêu hao trong quá trình nghiền [21],
[22], [35]. Bài toán tối ƣu đa mục tiêu giải quyết hài hoà cả hai lợi ích: Chất lượng
bột giấy và năng lượng nghiền đã và đang nhận đƣợc nhiều quan tâm [11], [13],
[18], [31], [47], [48], [49]. Trong hầu hết các nghiên cứu, các tác giả thƣờng hoặc
khảo sát các dạng sợi gỗ nguyên liệu có những đặc tính cơ lý trung bình, hoặc khảo
sát trên một dạng sợi gỗ cụ thể. Thực tế, gỗ từ các vùng miền có khí hậu, điều kiện

thổ nhƣỡng khác nhau sẽ có những tính chất cơ, lý khác nhau. Lựa chọn kết cấu đĩa
nghiền, thông số hình học răng đĩa phù hợp với đặc thù sợi gỗ của từng vùng miền
sẽ có ảnh hƣởng quyết định đến chất lƣợng quá trình nghiền cụ thể [8], [13], [17].
Bên cạnh chất lƣợng nghiền, năng lượng tiêu tốn cho quá trình nghiền là một
trong hai yếu tố chính quyết định tính cạnh tranh của sản phẩm giấy. Điều này có ý
nghĩa sống còn đến việc ngành công nghiệp giấy của một quốc gia có thể phát triển
hay phải nhập khẩu thay vì sản xuất phục vụ tiêu dùng và xuất khẩu. Các nghiên
3
cứu đã chỉ ra rằng, cấu tạo đĩa nghiền và các thông số vận hành có ảnh hƣởng trực
tiếp không những đến chất lƣợng nghiền mà còn đến năng lƣợng tiêu tốn cho quá
trình nghiền [40], [42], [46], [54]. Nói cách khác, cấu tạo đĩa và thông số vận hành
có ảnh hƣởng quyết định đến khả năng cạnh tranh của sản phẩm giấy.
Nói chung, mục tiêu nâng cao chất lƣợng nghiền và giảm năng lƣợng tiêu thụ
thƣờng có mâu thuẫn lợi ích với nhau. Nhiều nghiên cứu đã và vẫn đang đƣợc tiếp
tục tiến hành để giải quyết bài toán đa mục tiêu này [25], [36], [37], [48].
Trong các cơ sở sản xuất giấy của Việt Nam, nguyên liệu dùng cho quá trình
nghiền tinh thƣờng đƣợc trộn giữa bột sợi ngắn (bột gỗ đƣợc sản xuất trong nƣớc)
và bột sợi dài (bột nguyên liệu nhập ngoại). Không những khác nhau về kích thƣớc,
hai dạng bột này còn khác nhau cả về các đặc tính cơ, lý. Đĩa nghiền đang dùng
trong các cơ sở sản xuất giấy hầu nhƣ đƣợc nhập ngoại hoàn toàn. Các đĩa nghiền
này đƣợc sản xuất hàng loạt, với các thông số kết cấu đƣợc tính toán dựa trên những
tham số có thể dùng chung cho nhiều dạng bột khác nhau trên thế giới. Việc sử
dụng đĩa nghiền nhƣ vậy cho dạng bột có cả hai thành phần sợi khác nhau nhƣ trên
có thể làm giảm chất lƣợng bột giấy, đồng thời làm tăng thời gian và chi phí năng
lƣợng, giá thành sản xuất giấy. Cho đến nay, chƣa có một nghiên cứu nào thực hiện
việc xác định các thông số kết cấu, thông số hình học của răng cho các đĩa nghiền
phù hợp với bột giấy đƣợc làm từ cây nguyên liệu của Việt Nam.
Nghiên cứu này đƣợc thực hiện nhằm đóng góp, bổ sung lời giải cho bài toán
tối ƣu đa mục tiêu, cân bằng lợi ích giữa nâng cao chất lƣợng bột giấy và giảm tiêu
thụ năng lƣợng cho giai đoạn nghiền tinh trong công nghiệp sản xuất giấy. Nghiên

cứu đƣợc thực hiện trên bột nguyên liệu thực tế đang đƣợc dùng trong công nghiệp
sản xuất giấy tại Việt Nam; sử dụng các máy móc, thiết bị thực nghiệm của Việt
Nam. Kết quả của nghiên cứu, do vậy, có thể đƣợc ứng dụng trực tiếp vào sản xuất
giấy ở Việt Nam.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu cơ sở khoa học, xác định các yếu tố ảnh hƣởng của máy nghiền
bột giấy dạng đĩa đến chất lƣợng bột giấy và tiêu thụ năng lƣợng riêng.
4
Các mục tiêu cụ thể là:
- Khảo sát các loại nguyên liệu nghiền, so sánh và đánh giá chất lƣợng theo
tiêu chuẩn.
- Lựa chọn các thông số cơ bản của kết cấu đĩa nghiền, thông số vận hành máy
có ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng và năng lƣợng nghiền.
- Xây dựng bộ thông số chế tạo mô hình thực nghiệm, mô tả đƣợc điều kiện
làm việc của các máy nghiền thực tế.
- Xác định quan hệ giữa góc nghiêng răng nghiền, khe hở đĩa nghiền, tốc độ
nghiền, lƣu lƣợng bột giấy và chất lƣợng, năng lƣợng nghiền.
- Xác định bộ thông số tối ƣu.
- Triển khai ứng dụng thực tế.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu chính của đề tài là quá trình nghiền tinh bột giấy sử
dụng máy nghiền đĩa ở Việt Nam. Bột nguyên liệu đầu vào của quá trình nghiền
tinh là bột trộn hỗn hợp giữa bột sản phẩm nội địa và bột nhập ngoại, hiện đang
đƣợc sử dụng phổ biến trong các nhà máy sản xuất giấy tại Việt Nam. Các thông số
vận hành cũng nhƣ thông số kết cấu của đĩa dùng cho quá trình nghiền là các đối
tƣợng nghiên cứu cụ thể của đề tài. Chất lƣợng bột giấy (đo theo tiêu chuẩn hiện
hành) và công suất tiêu thụ điện năng là các thông số chính đƣợc sử dụng để đánh
giá kết quả của đề tài.
Các thông số đánh giá mục tiêu

Mục tiêu nghiên cứu chính là nâng cao chất lƣợng bột giấy đƣợc nghiền và
giảm tiêu thụ năng lƣợng riêng khi nghiền.
Chất lƣợng bột giấy có thể đƣợc đánh giá qua một loạt thông số. Trong thực tế
sản xuất cũng nhƣ trong các nghiên cứu khoa học về bột giấy và nghiền bột giấy,
ngƣời ta thƣờng đánh giá chất lƣợng bột giấy thông qua độ nghiền (
0
SR), độ bền
5
kéo, và độ bền xé. Thiết bị cũng nhƣ nguyên tắc đánh giá chất lƣợng thông qua
thông số này sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng 4.
Năng lƣợng tiêu thụ khi nghiền đƣợc đánh giá tổng hợp, bao gồm năng lƣợng
tiêu tốn trực tiếp trong quá trình nghiền và các thành phần tiêu tốn khác, chẳng hạn:
năng lƣợng cơ tiêu tốn để thắng ma sát trong các hệ thống truyền động, động cơ
Năng lƣợng tiêu thụ có thể đo một cách đơn giản bằng công tơ điện hoặc đo mô
men trục nghiền. Chƣơng 4 sẽ phân tích chi tiết hơn về thông số này.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Trong điều kiện thực hiện đề tài, phạm vi nghiên cứu đƣợc giới hạn nhƣ sau:
- Đề tài chỉ khảo sát quá trình nghiền tinh bột giấy, sử dụng bột hỗn hợp đang
đƣợc dùng trong sản xuất giấy thực tế tại Việt Nam.
- Thiết bị thực nghiệm quá trình nghiền là mô hình đƣợc xây dựng dựa trên
thiết bị nghiền công nghiệp và thiết bị nghiền thí nghiệm thông dụng.
- Một số thông số kết cấu đĩa nghiền, thông số công nghệ vận hành máy
nghiền có ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng bột giấy và năng lƣợng tiêu hao, đƣợc xác
định trong quá trình nghiên cứu.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
4.1. Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu có những ý nghĩa khoa học là:
- Ứng dụng thành công lý thuyết mô hình, đồng dạng để xây dựng mô hình
thực nghiệm mô tả xác thực thiết bị làm việc thực tế, giảm chi phí thí nghiệm.
- Giải quyết đƣợc bài toán tối ƣu đa mục tiêu nhờ sử dụng phƣơng pháp quy

hoạch thực nghiệm trên máy mô hình; kết quả đƣợc kiểm chứng thực tế.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu có những ý nghĩa thực tiễn là:
6
- Bộ thông số kết cấu đĩa nghiền và vận hành máy tìm đƣợc bằng thực nghiệm
có thể triển khai, ứng dụng vào quá trình nghiền bột giấy.
- Bài toán nâng cao chất lƣợng bột giấy và tiết kiệm năng lƣợng trong sản xuất
giấy ở Việt Nam đã đƣợc giải quyết tƣơng đối trọn vẹn.
- Kết quả của nghiên cứu có thể đƣợc nhân rộng nhanh chóng và dễ dàng nhờ
sử dụng phép biến đổi mô hình đồng dạng, phép phân tích thứ nguyên. Điều này có
ý nghĩa kinh tế, kỹ thuật rất lớn.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp điều tra, lấy ý kiến chuyên gia:
Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng nhằm thu thập các thông tin về quá trình
nghiền bột giấy trong các cơ sở sản xuất giấy tại Việt Nam gồm nguyên liệu, điều
kiện nghiền, thiết bị nghiền, yêu cầu của sản phẩm bột giấy sau giai đoạn nghiền;
đồng thời những thông tin này là cơ sở để đánh giá vai trò và xác định yếu tố nghiên
cứu cơ bản đƣợc thực hiện trong luận án;
- Phƣơng pháp mô hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên:
Sử dụng phƣơng pháp này trong việc thiết kế, chế tạo máy nghiền bột giấy
dạng đĩa nhỏ gọn để thực hiện các nghiên cứu cần thiết mà không cần dừng máy,
dừng dây truyền sản xuất giấy. Do máy nghiền bột giấy dạng đĩa là một máy nghiền
liên tục đƣợc sử dụng trong các dây truyền sản xuất, cho nên việc dừng máy, ngừng
sản xuất để tiến hành nghiên cứu trên máy thật là việc rất khó khăn, thậm chí không
thực hiện đƣợc. Phƣơng pháp mô hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên
cho phép tái tạo thiết bị nghiền thực với kích thƣớc nhỏ gọn hơn nhiều lần mà vẫn
đảm bảo phản ánh trung thực điều kiện làm việc thực tế.
Sau khi xác định đƣợc các thông số tối ƣu về kết cấu và công nghệ trên mô
hình thực nghiệm, sử dụng phƣơng pháp mô hình, đồng dạng, phân tích thứ nguyên
cho phép chỉ ra các thông số thiết kế, chế tạo và vận hành cho các loại máy nghiền

thực (các dãy máy thực), với công suất tuỳ ý theo yêu cầu.
7
- Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm: đƣợc sử dụng nhằm thu thập và xử
lý số liệu để xác định đƣợc bộ thông số nghiền phù hợp trên mô hình thực nghiệm
cho quá trình nghiền dùng đĩa nghiền. Trên cơ sở đó, áp dụng phƣơng pháp mô
hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên để xác định đƣợc dãy máy nghiền
với các quy mô sản xuất khác nhau.
6. Cấu trúc luận án
Để đạt đƣợc các mục tiêu nghiên cứu đã xác định ở trên, các nhiệm vụ nghiên
cứu đã đƣợc triển khai và đƣợc thuyết minh cụ thể trong bốn chƣơng, gồm:
Chƣơng 1: Tổng quan về quá trình và thiết bị nghiền bột giấy
Chƣơng này trình bày các thông số cơ bản để đánh giá chất lƣợng bột giấy;
giới thiệu và đánh giá các thiết bị nghiền theo tiêu chí chất lƣợng bột giấy. Đặc biệt,
các nghiên cứu liên quan đến nguyên lý nghiền tinh, ảnh hƣởng của các thông số kết
cấu đĩa nghiền và các thông số vận hành quá trình nghiền đến chất lƣợng bột giấy là
những nội dung trọng tâm của chƣơng.
Chƣơng 2. Cơ sở lý thuyết quá trình nghiền
Chƣơng này sẽ trình bày những nội dung chi tiết về các cơ sở lý thuyết của
quá trình nghiền gồm tính chất chuyển động của sợi gỗ trong dung dịch khi nghiền,
sự tƣơng tác lực trong quá trình nghiền cũng nhƣ các ảnh hƣởng về kết cấu và vận
hành đến chất lƣợng bột giấy và năng lƣợng tiêu hao trong quá trình nghiền. Bên
canh đó, các cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm cũng đƣợc đề cập cụ thể.
Chƣơng 3. Mô hình và kế hoạch thực nghiệm
Chƣơng này sẽ cụ thể hoá tiến trình xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm;
xác định các đại lƣợng “vào” - “ra” cũng nhƣ cách thức, thiết bị đo các đại lƣợng
này. Kế hoạch triển khai thí nghiệm, xây dựng trên cơ sở lý thuyết quy hoạch thực
nghiệm, cũng đƣợc trình bày chi tiết.
Chƣơng 4: Kết quả và thảo luận
Trên cơ sở bộ dữ liệu chứa đầy đủ các thông tin về ảnh hƣởng của thông số kết
cấu và công nghệ nghiền đến chất lƣợng và năng lƣợng nghiền bột giấy, chƣơng 4

8
sẽ trình bày cách thức xử lý dữ liệu và xác lập mô hình mô tả quan hệ vào - ra, đồng
thời tiến hành giải bài toán tối ƣu hoá đa mục tiêu: nâng cao chất lƣợng bột nghiền
và hạn chế năng lƣợng nghiền.
Phần cuối cùng của luận án trình bày những kết luận cơ bản, những đề xuất về
hƣớng nghiên cứu tiếp theo và những tài liệu tham khảo chính đƣợc sử dụng khi
thực hiện đề tài.

















9
Chƣơng 1.
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
NGHIỀN BỘT GIẤY
1.1. Giới thiệu
Bột giấy là sản phẩm của quá trình nghiền, đồng thời là nguyên liệu chính yếu

để sản xuất giấy. Chất lƣợng bột giấy là một thông số cơ bản để đánh giá chất lƣợng
và hiệu quả của quá trình nghiền. Đồng thời, chất lƣợng bột giấy đóng vai trò quyết
định đến chất lƣợng của giấy thành phẩm. Cách thức và thiết bị nghiền có ảnh
hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng bột giấy.
Chƣơng này trình bày các thông số cơ bản để đánh giá chất lƣợng bột giấy;
giới thiệu và đánh giá các thiết bị nghiền theo tiêu chí chất lƣợng bột giấy. Đặc biệt,
các nghiên cứu liên quan đến nguyên lý nghiền tinh, ảnh hƣởng của các thông số kết
cấu đĩa nghiền và các thông số vận hành quá trình nghiền đến chất lƣợng bột giấy là
những nội dung trọng tâm của chƣơng.
Các nội dung nói trên sẽ đƣợc lần lƣợt trình bày chi tiết trong các phần riêng
của chƣơng. Trƣớc hết, các thông số cơ bản để đánh giá chất lƣợng bột giấy đƣợc
trình bày trong phần 1.2. Tiếp đó, phần 1.3 sẽ giới thiệu khái quát về các quá trình
nghiền để sản xuất bột giấy tinh, dùng trực tiếp cho quá trình tạo thành giấy viết.
Ƣu nhƣợc điểm, các lƣu ý về thiết kế, chế tạo, vận hành các thiết bị tƣơng ứng của
từng quá trình nghiền cũng đƣợc trình bày chi tiết.
Thông tin tổng quan về các nghiên cứu liên quan đến các thông số kết cấu đĩa
nghiền đƣợc trình bày trong phần 1.4. Tiếp đó, các đề xuất nghiên cứu, phát triển,
giả thuyết khoa học sẽ đƣợc trình bày trong phần 1.5. Phần cuối cùng của chƣơng,
phần 1.5, là phần tóm tắt nội dung của chƣơng.
1.2. Các thông số đánh giá chất lƣợng bột giấy
Bột giấy là sản phẩm cuối cùng của quá trình nghiền, đồng thời là nguyên liệu
chính cho quá trình sản xuất giấy. Chất lƣợng bột giấy không những là yếu tố quan
10
trọng dùng trong công nghiệp sản xuất giấy, mà còn là thông số chủ yếu dùng trong
các nghiên cứu về quá trình nghiền bột giấy [3], [16], [17], [19], [46], [49], [52].
Chất lƣợng bột giấy thƣờng đƣợc đánh giá thông qua ba thông số chính: Chiều dài
sợi, độ nghiền (độ thoát nƣớc) và độ bền mẫu giấy thành phẩm. Các thông số này sẽ
đƣợc phân tích chi tiết nhƣ dƣới đây.
1.2.1. Chiều dài sợi
Cùng với đặc tính thoát nƣớc và khả năng chổi hoá xơ sợi, chiều dài sợi gỗ là

một thông số quan trọng để đánh giá chất lƣợng bột giấy. Bột giấy đƣợc gọi là có
chất lƣợng tốt khi chiều dài sợi lớn. Đây là tính chất quan trọng để tăng độ bền cần
thiết của giấy thành phẩm, để giảm hiện tƣợng giấy bị đứt, rách trên trục máy in [3].
Để sản xuất giấy chất lƣợng cao (high quality paper) nhà sản xuất thƣờng yêu
cầu chiều dài của sợi bột giấy nằm trong khoảng 0.5-1mm. Ở Việt Nam, chiều dài
của sợi bột giấy thƣờng đƣợc chấp nhận ở khoảng 0.4-0.5mm, hoặc cao hơn. Để sản
xuất bột giấy chất lƣợng cao, nhà sản xuất mong muốn giữ đƣợc chiều dài nguyên
thuỷ của sợi gỗ nguyên liệu. Tuy nhiên, điều này không thể xảy ra vì trong quá trình
nghiền, nhờ các tác động cơ học, nhiều tính chất quan trọng của giấy đƣợc hình
thành, nhƣng các tác động này cũng là nguyên nhân cơ bản gây nên hiện tƣợng sợi
gỗ bị cắt ngắn [46], [57], [60]. Vì vậy, việc lựa chọn hợp lý kết cấu thiết bị, thông
số vận hành là một cách tiếp cận hiệu quả để vừa có thể đảm bảo đƣợc chiều dài sợi
mà vẫn không làm giảm đi những tính chất cần thiết khác của bột giấy. Đây là một
giải pháp mang ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo chất lƣợng của bột giấy.
1.2.2. Độ nghiền
Độ nghiền (còn gọi là độ thoát nƣớc) của bột giấy là một thông số quan trọng
đƣợc sử dụng trong ngành giấy. Giá trị của độ nghiền đƣợc coi là cơ sở để đánh giá
chất lƣợng bột giấy [3], [16].
Hai thông số thƣờng đƣợc các cơ sở sản xuất và các nhà nghiên cứu sử dụng
để đánh giá độ nghiền của bột giấy là độ CSF và độ SR.
+ Độ CSF (Canadian standard freeness): Độ thoát nƣớc tự do đƣợc xác định
theo tiêu chuẩn Canada. Độ CSF càng lớn thì khả năng thoát nƣớc của bột càng cao,
11
nghĩa là bột càng thô. Trong sản xuất giấy, mong muốn bột giấy có độ CSF càng
nhỏ càng tốt. Theo định nghĩa chuẩn, độ CSF là số mi-li-lít nƣớc chảy tích tụ từ lỗ
thoát bên hông thiết bị đo chuẩn hóa của huyền phù bột có nồng độ 0.3% ở 20
0
C
(theo tiêu chuẩn T227 om - 85ml). Trong quá trình nghiền, độ mịn của bột tăng còn
độ thoát nƣớc càng giảm và độ CSF giảm.

+ Độ SR (Shopper Riegler) biểu thị mức độ mịn của bột giấy. Bột giấy càng
mịn thì độ SR càng cao. Trái với độ CSF, độ SR càng cao thì khả năng thoát nƣớc
của bột giấy càng thấp. Độ SR đƣợc tính theo số ml nƣớc chảy tích tụ từ lỗ thoát
bên hông của thiết bị của huyền phù bột có nồng độ 2g/l ở nhiệt độ 20
0
C (theo tiêu
chuẩn SCAN - C19:65). Độ SR và độ CSF có giá trị ngƣợc nhau.
Độ CSF hoặc SR có nguyên tắc đo tƣơng tự nhau, đều đƣợc sử dụng để đo độ
nghiền của bột ở các quốc gia. Ở Việt Nam, độ nghiền
0
SR là thông số đƣợc sử
dụng phổ biến [5]. Nghiên cứu này sử dụng thang đo
0
SR để đánh giá độ nghiền của
bột giấy.
Bột giấy đƣợc gọi là có chất lƣợng tốt khi độ nghiền SR tăng. Thông thƣờng,
để sản xuất giấy chất lƣợng cao nhà sản xuất thƣờng yêu cầu độ nghiền bột giấy
nằm trong khoảng 36-38 SR. Ở Việt Nam, độ nghiền của bột giấy nguyên liệu
thƣờng đƣợc chấp nhận ở khoảng 34-36 SR, hoặc cao hơn. Tuy nhiên, chất lƣợng
bột càng cao (độ SR càng lớn) càng đòi hỏi thời gian và do đó, chi phí lớn. Việc lựa
chọn hợp lý kết cấu thiết bị, thông số vận hành là một cách tiếp cận hiệu quả để vừa
có thể nâng cao chất lƣợng bột giấy, vừa có thể hạn chế chi phí năng lƣợng [48].
1.2.3. Độ bền mẫu giấy thành phẩm
Một cách khác để đánh giá chất lƣợng bột giấy là sử dụng các thông số về độ
bền của mẫu giấy đƣợc tạo từ bột cần đánh giá. Hai thông số chính để đánh giá độ
bền của mẫu giấy là độ bền kéo đứt và độ bền kéo xé.
+ Độ bền kéo đứt: Chiều dài tối đa của băng giấy mà nó có khả năng chịu
đƣợc trọng lƣợng của chính nó.
+ Độ bền xé: Lực trung bình cần thiết (đơn vị đo là N hoặc mN) để xé tiếp
mẫu giấy đã đƣợc cắt trƣớc theo tiêu chuẩn.

12
Khi độ nghiền càng lớn (SR càng cao), đồng nghĩa với sự phân tơ, chổi hóa
sợi tốt hơn, sự đan kết giữa các sợi trở nên chặt chẽ hơn và do đó, độ bền kéo của
giấy cao hơn [46]. Quan hệ này đƣợc minh hoạ trên hình 1.1.

Hình 1.1. Mối quan hệ giữa độ nghiền và độ bền kéo của bột giấy [46]
Theo thời gian nghiền, sợi có xu hƣớng bị cắt ngắn nên độ bền xé có xu hƣớng
giảm dần (Hình 1.2a). Tuy nhiên, độ chịu kéo của giấy phụ thuộc chủ yếu vào sự
liên kết giữa các sợi. Theo thời gian nghiền, sự phân tơ, chổi hoá sợi diễn ra mạnh
mẽ làm tăng liên kết sợi và do đó làm tăng độ bền kéo của giấy thành phẩm (Hình
1.2b). Hay nói cách khác, khi độ nghiền tăng, sợi bị chổi hóa nhiều và do đó độ bền
kéo của giấy tăng [46].
a) b)
Hình 1.2. Mối quan hệ giữa chiều dài sợi - độ bền kéo - độ bền xé của bột giấy [46]
a) Chiều dài sợi - độ bền kéo b) Độ bền kéo - độ bền xé
Có thể thấy rằng, độ bền của giấy thành phẩm có mối quan hệ chặt chẽ với
chiều dài sợi và độ nghiền của bột giấy. Ba thông số phản ánh chất lƣợng của giấy
và bột giấy này đều bị tác động trực tiếp bởi quá trình nghiền. Nếu thời gian nghiền