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基于孔隙尺度的纸张干燥过程热质耦合传递机理与模型研究

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

孔令波

项目受资助机构

陕西科技大学

立项年度

2018

立项时间

未公开

项目编号

21808135

研究期限

未知 / 未知

项目级别

国家级

受资助金额

22.00万元

学科

化学科学-化学工程与工业化学-生物质转化与轻工制造

学科代码

B-B08-B0811

基金类别

青年科学基金项目

关键词

热质传递 ; 纸张干燥 ; 数学模型 ; 造纸过程 ; 孔隙结构 ; 热质传递 ; 纸张干燥 ; 数学模型 ; 造纸过程 ; 孔隙结构

参与者

袁越锦；杨琸之；张肖肖；刘育晟；席银联

参与机构

陕西科技大学

项目标书摘要：纸张干燥是传质与传热相互耦合的复杂物理过程，受内部和外部因素的共同作用，但由于对内部水分迁移机理认识的局限，很多干燥模型无法准确反映其热质传递的本质，导致模拟结果与实际过程偏差较大。本项目拟在研究纸张内部结构因素的基础上，采用DSC、SEM、LF-NMR等手段定量分析孔隙尺度及其分布规律，运用分形理论研究微观结构特征对纸张内部流体流动和传热过程的影响。在考虑孔隙结构变化和纤维表面特性影响的前提下，综合力平衡、相平衡和热分析动力学等理论研究纸张内水分的不同存在形式及其分布和蒸发次序。在此基础上，借助毛细管现象与吸附现象研究纸页内不同形式水分的迁移机理，构建相应的传质本构关系。通过接触/对流干燥实验分析纸张干燥热质耦合传递规律，结合相应的外部因素，建立纸机干燥部的解析数学模型，并运用数值分析技术开展干燥动力学模拟。本项目对于造纸干燥过程的工艺优化与节能降耗将具有重要的理论指导意义和应用价值。

Application Abstract: Paper drying is a complicated physical process involved coupled heat and mass transfer mechanism.It is influenced by internal and external factors.However,there is still not a consensus on the moisture migration mechanism which determine the drying rate.As a result,many paper drying models could not reflect the nature of heat and mass transfer and simulate the drying process correctly.In this proposal,we will mainly focus on the internal factors.Differential scanning calorimetry(DSC),scanning electron microscope(SEM),and low-field nuclear magnetic resonance(LF-NMR)will be employed to measure the pore size and its distributions.Fractal theory will be used to characterize the effect of pore structure on fluid movement and heat transfer.Force balance analysis,phase balance analysis,and thermal analysis kinetics will be combined to study the different status and distribution as well as the evaporate order of water within paper web.In addition,the influence of pore structure changes in drying and cellulose fiber surface characteristics will also be considered.Then,moisture transfer mechanism are studied from the perspective of capillarity theory and adsorption theory,based on which,the related constitutive relations will be developed for various kinds of water.The proposed moisture migration mechanism will be coupled with different heat transfer mechanism and will be validated via contact/convection paper drying experiment at laboratory.Finally,the analytical mathematical model of the paper drying process will be constructed based on the proposed mechanism and the specific external factors.Numerical technology will be utilized to simulate the drying kinetic during paper drying.This study will have a significant influence on optimizing the operation conditions and energy saving for industrial paper machine drying process.

项目受资助省

陕西省

项目结题报告(全文)

项目主要以纸张(纸板或浆板)为研究对象，研究在干燥过程中发生在其内部的水分迁移蒸发特性和热质耦合传递机理。主要研究了纸张内水分分布形态及其孔隙结构变化特性，建立了描述水分迁移的传质本构关系；实验确定纸张干燥过程的动力学特性，并对其动力学模型进行了综合分析；通过结合传统的纸张不同干燥方式，建立热质耦合传递模型，考察了不同干燥因素的影响规律，研究阐明了干燥过程中纸张孔隙结构特性决定的水分传递机制；建立了造纸干燥实际过程的能量模型，实现了对造纸干燥过程的数值模拟；根据纸机干燥部实地测试数据，对比分析了数值模拟结果与实验结果的差距，验证了热质传递模型，通过模型仿真，研究了干燥部结构和操作参数对造纸干燥性能和能效水平的影响，阐明了某些关键变量对纸页干燥过程性能的影响，为指导实际纸张干燥过程的节能降耗工作提供了理论支持。

  • 排序方式：
  • 1
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  • 1.基于热分析的纸张干燥特性及动力学研究

    • 关键词：
    • 纸张;水分;孔隙;干燥特性;动力学
    • 赵静怡
    • 指导老师：陕西科技大学 孔令波
    • 学位论文

    造纸作为典型的资源和能源密集型产业一直以来是产业优化升级和节能减排所关注的热点,而干燥作为能源消耗最高、碳排放密度最大的操作单元则是实现造纸过程节能降耗的关键,同时也是影响纸张物理性能的重要工序。纸张干燥特性及其动力学的研究对于实现造纸过程提质增效和节能减碳有着重要的意义。本文以不同打浆度和浆料配比抄造的定量为60g/m2的纸张为研究对象,采用差示扫描量热分析（DSC）和热重分析（TGA）方法,通过干燥过程中水分分布和孔隙分布的定量分析,对纸张的干燥特性和动力学开展了以下几方面的研究:采用DSC技术对纸张干燥过程不同类型水分分布特性进行了探究。结果表明,根据不同状态水分的热力学特性,可将纸张内部水分划分为非结合水、冷冻结合水和非冷冻结合水;随着打浆度的升高,或在低打浆度（20±3°SR）条件下添加阔叶木纤维,纸张中非冷冻结合水的占比逐渐升高,冷冻结合水的占比则逐渐下降;而在高打浆度下（80±3°SR）,非冷冻结合水与冷冻结合水的占比均随阔叶木纤维含量的增加而减小,不同工艺参数对水分分布的影响变化幅度均在20%以内。基于DSC技术研究了干燥过程纸张内部孔隙分布情况。结果表明,18°SR纯针叶木浆抄造的纸张孔隙中水分总量在干燥过程中逐渐减少,由0.6893降至0.0538g水/g纤维,并且伴随着孔径缩小,孔径为28.42～81.26nm孔隙的占比约减少58%;打浆度和纤维种类是影响纸张孔隙结构的重要因素,研究发现当打浆度由18°SR升高至77°SR时,孔隙总量明显减少;当浆料中阔叶木浆与针叶木浆配比为40:60时,孔隙总量最少。采用TGA技术对纸张在不同温度（80～120℃）下的等温干燥特性和动力学进行了研究。结果表明,纸张等温干燥过程包括升速、恒速和降速三个阶段;温度对纸张干燥过程影响明显,当由80℃升高至120℃时,干燥时间约缩短56%;打浆度或阔叶木浆占比越高,干燥速率越小,所需干燥时间越长;基于常见的8个干燥动力学模型,提出了与实验数据拟合度最高的新模型,可以用来描述纸张等温干燥过程水分的变化情况;计算得到纸张等温干燥平均活化能为23.997～26.638kJ/mol,且随着含水率的降低干燥活化能由21.896kJ/mol升高至54.094kJ/mol;另外,打浆度主要影响非冷冻结合水干燥阶段活化能大小,浆料配比则对冷冻结合水与非结合水干燥阶段影响更大。应用TGA-DSC技术对纸张在不同升温速率（5、10、15K/min）下的非等温干燥特性和动力学进行了研究。结果表明,纸张非等温干燥过程包含升速和降速两个干燥阶段;当升温速率由5K/min提高至15K/min时,可缩短约58%的干燥时间,并节省约8%的干燥能耗;相同升温速率条件下,打浆度越高、阔叶木浆占比越高,所需干燥时间越长,干燥能耗就越高;Midilli and Kucuk模型可较为准确地描述非等温干燥过程中纸张内部水分的变化规律;分析发现F1模型可用于表达纸张非等温干燥过程失重特性,在实验条件下,纸张干燥过程降速阶段干燥活化能明显高于升速阶段,15K/min升温速率下18°SR的纯针叶木浆纸张升速阶段干燥活化能约为47.993kJ/mol,降速阶段则为63.997kJ/mol,并且随着升温速率降低至5K/min、打浆度提升至77°SR或者阔叶木纤维含量的升高至80%,干燥活化能呈现上升的趋势。本文基于热分析方法对纸张等温和非等温过程的干燥特性及动力学展开了研究,揭示了干燥过程中纸张内部水分分布和孔隙分布的变化特性,研究了干燥条件和浆料工艺参数对纸张干燥特性和动力学的影响,可以为建立合理的干燥模型提供科学依据。

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