Гидродинамика волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производстве: современные аспекты моделирования, расчета и оптимизации

В условиях динамичного развития целлюлозно-бумажной промышленности, когда выручка предприятий отрасли в России увеличилась на 10,4% по сравнению с предыдущим годом и на 65% относительно 2021 года, а суммарная прибыль возросла на 48% к досанкционному периоду 2021 года, ключевую роль в обеспечении роста и повышении конкурентоспособности играет оптимизация технологических процессов. В этом контексте гидродинамика волокнистых суспензий выходит на первый план как один из важнейших факторов, определяющих эффективность производства и качество конечной продукции.

Введение: Актуальность, цели и задачи исследования

Проблема гидродинамики волокнистых суспензий является краеугольным камнем для современной целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП). От того, насколько глубоко мы понимаем и эффективно управляем поведением этих сложных неньютоновских жидкостей, напрямую зависит качество готовой продукции — бумаги и картона, а также экономическая и экологическая эффективность всего производственного цикла. Неоптимизированные гидродинамические процессы могут привести к неравномерному распределению волокон, повышенному энергопотреблению, преждевременному износу оборудования и, как следствие, снижению конкурентоспособности предприятий.

Актуальность данной темы обусловлена не только возрастающими требованиями к качеству и экологичности продукции, но и необходимостью внедрения инновационных подходов к проектированию и эксплуатации технологического оборудования. Современные вызовы диктуют потребность в комплексном исследовании гидродинамики волокнистых суспензий, включающем в себя как глубокий теоретический анализ, так и практическое применение передовых методов моделирования и экспериментального анализа, что позволяет достичь не только высокого качества продукции, но и значительной экономии ресурсов.

Цель данной работы — провести всестороннее и актуальное исследование гидродинамики волокнистых суспензий, органично соединяющее передовые теоретические концепции и новейшие достижения в области реологического моделирования с их практическим применением для проектирования, расчета и оптимизации технологического оборудования целлюлозно-бумажного производства.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Раскрыть фундаментальные понятия гидродинамики неньютоновских жидкостей и реологии дисперсных систем, применительно к волокнистым суспензиям, а также их аномальное поведение и режимы течения.
2. Представить современные методы и установки для экспериментального определения реологических свойств волокнистых суспензий, включая новейшие подходы к автоматизации и объективизации измерений.
3. Детально проанализировать роль и принципы работы турбулизаторов для эффективного диспергирования волокнистых суспензий и гасителей пульсаций для стабилизации потока, подчеркивая современные конструктивные решения и методы расчета.
4. Представить современные возможности численного моделирования потоков (CFD) для исследования и оптимизации гидродинамических процессов в ЦБП.
5. Продемонстрировать прямую взаимосвязь между оптимизацией гидродинамических процессов и повышением качества конечной продукции, а также роль инноваций в обеспечении устойчивого развития отрасли, с акцентом на российский опыт.

Данное исследование структурировано таким образом, чтобы последовательно раскрыть заявленные темы, начиная с фундаментальных теоретических основ и заканчивая практическими аспектами и инновационным развитием отрасли. Работа будет полезна студентам, аспирантам, магистрантам технических вузов, а также молодым специалистам и инженерам ЦБП, стремящимся углубить свои знания в области гидродинамики волокнистых суспензий и их применения в современном производстве.

Теоретические основы гидродинамики волокнистых суспензий и их реология

Погружение в мир целлюлозно-бумажного производства начинается с понимания основного "строительного материала" — волокнистой суспензии, которая является уникальным примером неньютоновской жидкости. Ее поведение в потоке далеко от идеальной предсказуемости воды, что требует глубокого анализа реологических свойств и режимов течения.

Понятия и определения

Прежде чем углубляться в сложности гидродинамики, необходимо четко определить ключевые термины, которые будут использоваться на протяжении всего исследования.

Реология — это наука, изучающая деформации и текучесть вещества. Она охватывает процессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями и течением разнообразных вязких и пластических материалов, включая неньютоновские жидкости и дисперсные системы. Для ЦБП реология является фундаментальным инструментом для понимания и управления потоками волокнистых суспензий.

Волокнистая суспензия (или бумажная масса) — это дисперсная система, представляющая собой суспензию волокнистого материала (целлюлозы, древесной массы, макулатуры) в воде или водных растворах. Именно это сырье, проходящее через множество технологических стадий, превращается в бумагу и картон. ГОСТ Р 53636-2009 определяет бумажную массу как "суспензию волокон, предназначенную для получения бумаги или картона".

Различие между жидкостями проявляется в их реакции на внешние воздействия:

• Ньютоновские жидкости — это идеализированные среды, подчиняющиеся закону вязкого трения Ньютона, согласно которому касательное напряжение (τ) линейно зависит от градиента скорости (∂u/∂y). Коэффициент пропорциональности (μ) в формуле τ = μ ∂u / ∂y называется динамическим коэффициентом вязкости, и он зависит только от температуры, давления и химического состава жидкости, но не от скорости деформации. Примером такой жидкости является чистая вода.
• Неньютоновские жидкости — жидкости, вязкость которых не является постоянной и зависит от градиента скорости, то есть от интенсивности механического воздействия. Они часто состоят из крупных молекул или дисперсных частиц, образующих сложные пространственные структуры, которые разрушаются или перестраиваются под действием сдвиговых напряжений. Волокнистые суспензии, с их сложной структурой из переплетенных волокон, являются классическим примером неньютоновских жидкостей. Их поведение аномально по сравнению с водой даже при очень низких концентрациях: для сульфитной беленой целлюлозы аномальность проявляется уже при 0,008%.

Для управления потоком и качеством продукта в ЦБП используются специализированные аппараты:

• Турбулизатор — устройство, предназначенное для интенсификации турбулентности в потоке жидкости с целью улучшения массообмена, теплообмена или, как в случае с волокнистыми суспензиями, для эффективного диспергирования волокон и предотвращения их флокуляции.
• Гаситель пульсаций — аппарат, предназначенный для снижения или полного устранения пульсаций давления и расхода жидкости в напорных линиях, вызванных работой насосов или другими источниками колебаний.

Наконец, ключевые процессы, происходящие с волокнами в потоке:

• Диспергирование — процесс равномерного распределения частиц (в данном случае волокон) в жидкой среде. В контексте волокнистых суспензий это означает разрушение пучков нераспущенных волокон (роспуск) и флокул (каркасов из сплетенных волокон) для достижения однородной суспензии.
• Ламинарное течение — режим течения жидкости, при котором частицы движутся по упорядоченным, параллельным слоям без перемешивания.
• Турбулентное течение — режим течения жидкости, характеризующийся хаотичным, вихревым движением частиц и интенсивным перемешиванием.

Понимание этих определений формирует основу для дальнейшего глубокого анализа гидродинамики волокнистых суспензий.

Реологические свойства и модели волокнистых суспензий

В отличие от простых ньютоновских жидкостей, поведение которых можно описать одной константой вязкости, волокнистые суспензии демонстрируют гораздо более сложное реологическое поведение. Это обусловлено их структурой, внутренним строением и характером взаимодействия составляющих фаз — волокон и воды.

При движении волокнистой суспензии возникают различные типы напряжений: напряжения трения волокон об окружающую среду, внутренние напряжения в самих волокнах, а также ньютоновские напряжения вязкости в окружающей воде. Эти напряжения взаимодействуют, формируя уникальный реологический отклик. Для описания такого поведения используются различные математические модели гидродинамики неньютоновских жидкостей:

• Модель Бингама (пластик Бингама): Одна из старейших и наиболее часто используемых моделей для описания псевдопластических сред с пределом текучести. Она постулирует, что течение начинается только после преодоления определенного критического касательного напряжения — предела текучести (τ₀). До этого момента материал ведет себя как упругое тело. После превышения τ₀ зависимость касательного напряжения от градиента скорости становится линейной:
  τ = τ0 + ηпл (∂u/∂y)
  где τ — касательное напряжение; τ₀ — предел текучести; η_пл — пластическая вязкость (вязкость при больших скоростях сдвига); ∂u/∂y — градиент скорости (скорость сдвига).
• Модель Кассона: Модель, часто используемая для описания суспензий с агрегирующими частицами, в том числе для волокнистых суспензий. Она также включает предел текучести, но предлагает нелинейную зависимость:
  √τ = √τ0 + √ηk √(∂u/∂y)
  где η_k — вязкость Кассона. Эта модель часто лучше описывает поведение, где агрегаты разрушаются постепенно.
• Модель Хана (Herschel-Bulkley): Более общая модель, объединяющая характеристики пластика Бингама и степенного закона, позволяющая описывать как псевдопластические, так и дилатантные жидкости с пределом текучести:
  τ = τ0 + Κ (∂u/∂y)n
  где Κ — индекс консистенции; n — индекс течения (n < 1 для псевдопластиков, n > 1 для дилатантных жидкостей).

Помимо классических, существуют и более современные многофазные модели, которые учитывают взаимодействие между волокнами и несущей жидкостью, распределение размеров волокон, их ориентацию и агрегацию. Эти модели часто используются в численном моделировании (CFD) для более точного прогнозирования поведения волокнистых суспензий в сложных геометриях.

Реологические уравнения для бумажной массы низкой концентрации имеют особое значение при изучении процессов отлива и формования бумаги. В этот критический момент, когда формируется структура будущего бумажного полотна, даже незначительные изменения в реологическом поведении могут существенно повлиять на качество конечной продукции. Оптимальное реологическое поведение суспензии на этом этапе обеспечивает равномерность распределения волокон и стабильность процесса, что является прямым путем к снижению брака и повышению экономической эффективности.

Физико-химические свойства волокон оказывают фундаментальное влияние на реологические характеристики суспензий. К ним относятся:

• Длина волокон: Более длинные волокна сильнее переплетаются, образуя более прочные флокулы и повышая вязкость суспензии, а также ее предел текучести. Это требует больших сдвиговых усилий для диспергирования.
• Толщина волокон: Более толстые и жесткие волокна также способствуют образованию более крупных и устойчивых флокул.
• Жесткость волокон: Жесткие волокна менее склонны к изгибам и деформациям, что может приводить к более "конгломератной" структуре потока.
• Удельная поверхность: Чем выше удельная поверхность волокон (например, после интенсивного помола), тем больше воды они связывают, что увеличивает вязкость и способствует формированию более прочных водородных связей между волокнами, укрепляя структуру флокул.
• Степень помола: Помол изменяет все вышеперечисленные свойства, влияя на гибкость, фибрилляцию и удельную поверхность волокон, что существенно модифицирует реологию.

Эти свойства напрямую влияют на поведение потока и, как следствие, на требования к конструкции и режимам работы технологического оборудования. Например, для суспензий с длинными и жесткими волокнами требуются более мощные турбулизаторы для достижения адекватного диспергирования.

Релаксационные свойства волокнистых суспензий отражают их способность восстанавливать или разрушать внутреннюю структуру под действием или после прекращения внешних воздействий. Понимание этих свойств критично для предотвращения флокуляции и обеспечения стабильного течения. Скорость структурообразования в волокнистой суспензии, то есть скорость формирования флокул, может быть определена исходя из формулы:

Κстр = ΔΜ / τрелакс

где ΔΜ — размер флокул; τ_релакс — время достижения касательными напряжениями установившегося значения.

Эта формула позволяет количественно оценить кинетику агрегации волокон, что является важным параметром для оптимизации процессов диспергирования и смешивания. Чем выше скорость структурообразования, тем быстрее волокна будут образовывать флокулы, что нежелательно для большинства технологических процессов в ЦБП, поскольку ведет к ухудшению однородности массы и, как следствие, качества продукции.

Режимы течения волокнистых суспензий

В отличие от ньютоновских жидкостей, волокнистые суспензии демонстрируют гораздо более сложное и разнообразное поведение в потоке, которое принято разделять на три основных режима. Эти режимы существенно различаются по своим гидродинамическим особенностям, распределению волокон, возникающим напряжениям и, что крайне важно, по влиянию на технологические процессы и качество конечной продукции.

1. Структурированное (стержневое) течение

   Этот режим характерен для относительно невысоких скоростей потока и для суспензий с концентрацией, превышающей минимальное значение, при котором волокна начинают взаимодействовать друг с другом. Его отличительной особенностью является формирование в центральной части потока плотного стержня из переплетенных волокон — так называемого волокнистого каркаса или флокулированного образования. Волокна в этом стержне движутся практически как единое целое, с минимальным градиентом скорости внутри него.

   У стенок трубопровода или аппарата формируется тонкий слой чистой воды или суспензии с очень низкой концентрацией волокон. Этот пристенный слой чистой воды действует как смазка, снижая трение стержня о стенки. В результате градиент скорости у стенок минимален, что приводит к значительному снижению гидравлического сопротивления по сравнению с течением чистой воды той же вязкости. Возникающие напряжения в основном сосредоточены на границе между волокнистым стержнем и пристенным слоем воды.

   Представьте, как по трубе движется густая, но упругая "колбаса" из волокон, а вокруг нее скользит тонкая водная пленка. Этот режим эффективен для транспортировки масс высокой концентрации на относительно небольшие расстояния, но не подходит для процессов, требующих равномерного диспергирования.

2. Смешанное течение

   По мере увеличения скорости потока структурированное течение переходит в смешанный режим. Это происходит, когда возрастающие скорости начинают оказывать достаточное сдвиговое воздействие на волокнистый стержень. Главная особенность смешанного течения заключается в том, что в пристенной области начинают возникать турбулентные вихри.

   Эти вихри, обладающие достаточной энергией, начинают "вырывать" отдельные волокна из периферийной части волокнистого стержня. Происходит частичное разрушение флокул, структура стержня становится менее плотной и более динамичной. В результате разрушения флокул увеличивается градиент скорости по всему сечению потока, особенно в пристенных областях, и уменьшается кажущаяся вязкость суспензии. Энергетические потери в этом режиме выше, чем при структурированном течении, но он способствует некоторому перемешиванию и начальному диспергированию волокон.

   Если "колбасу" из волокон начать размывать по краям сильным течением, она начнет терять свою четкую форму, а отдельные волокна будут отрываться и перемешиваться с водой, но центр все еще останется относительно связанным.

3. Диспергированное течение

   При дальнейшем увеличении скорости потока, когда сдвиговые напряжения достигают критического значения, происходит полное разрушение волокнистого стержня. Этот режим называется диспергированным. Все волокна равномерно распредел��ются по всему объему потока, и флокулы практически отсутствуют. Течение становится максимально приближенным к турбулентному течению чистой воды, хотя и с более высокой эффективной вязкостью.

   Для достижения диспергированного течения градиент скорости в зазоре должен превышать критическое значение, которое сильно зависит от типа волокна, его концентрации, длины, жесткости и других реологических свойств. Превышение этого критического значения гарантирует, что силы сдвига будут достаточны для полного разделения волокон и предотвращения их повторной флокуляции. В этом режиме достигается максимальное перемешивание и однородность суспензии, что прямо влияет на качество конечного продукта. Разве не это цель каждого производителя?

   Если полностью разбить "колбасу" на отдельные волокна, которые равномерно плавают в воде. Этот режим крайне важен для таких процессов, как тонкое сортирование, очистка и, особенно, для массоподачи в напорный ящик бумагоделательной машины, где требуется максимальная равномерность суспензии для формирования качественного бумажного полотна.

Понимание этих режимов течения является ключевым для инженеров ЦБП, поскольку выбор оптимального режима позволяет эффективно управлять процессами транспортировки, очистки, сортировки и формирования волокнистого полотна, минимизируя энергозатраты и обеспечивая требуемое качество продукции.

Гидродинамика и реология в контексте проектирования оборудования ЦБП

Проектирование технологического оборудования в целлюлозно-бумажной промышленности — это сложная задача, требующая глубокого понимания взаимодействия между движущейся волокнистой суспензией и аппаратом. Именно здесь гидродинамика и реология выходят на первый план, поскольку они определяют эффективность работы каждого элемента системы.

Критическая важность учета реологических свойств волокнистых суспензий (концентрация, степень помола волокон, содержание воздуха) при проектировании оборудования не подлежит сомнению. Рассмотрим, как эти параметры влияют на различные типы аппаратов:

• Насосы: При выборе насоса для перекачки волокнистых суспензий необходимо учитывать их неньютоновское поведение. Обычные центробежные насосы, рассчитанные на воду, могут работать неэффективно или даже повреждаться при перекачке высоковязких суспензий. Высокая концентрация волокон и их склонность к флокуляции увеличивают гидравлическое сопротивление и требуют большей мощности. Более того, при высоких концентрациях насосы могут создавать локальные зоны сдвига, которые, с одной стороны, способствуют диспергированию, а с другой — могут вызывать перегрев или механическое повреждение волокон. Поэтому для волокнистых суспензий часто используются специализированные насосы, например, винтовые или поршневые, способные работать с вязкими средами.
• Очистители (например, вихревые конические очистители): Эти аппараты предназначены для удаления тяжелых и легких примесей из суспензии за счет центробежных сил. Эффективность очистки напрямую зависит от гидродинамики потока. Если суспензия слишком концентрирована или недостаточно диспергирована, примеси могут быть "захвачены" флокулами волокон и не отделяться. Для вихревых конических очистителей оптимальная концентрация поступающей массы обычно составляет около 0,5%, а давление на входе может достигать 0,26 МПа, что обеспечивает создание необходимых центробежных сил и эффективное отделение примесей.
• Сортировки: Предназначены для разделения волокон по размерам, жесткости и степени помола. Принцип их работы часто основан на прохождении суспензии через сита с определенными отверстиями. Если гидродинамика не оптимальна, волокна могут забивать сита, или флокулы могут проходить через отверстия, предназначенные для отдельных волокон, что снижает эффективность сортировки. Правильный расчет потока и обеспечение диспергированного течения перед сортировкой критически важны.
• Деаэраторы: Удаление воздуха из волокнистой суспензии является важным этапом, поскольку пузырьки воздуха могут вызывать дефекты в готовой бумаге, а также затруднять работу насосов. Гидродинамика в деаэраторах должна обеспечивать эффективное выделение воздуха из суспензии, часто за счет создания тонких пленок или распыления. Вязкость суспензии и ее поверхностное натяжение (на которое влияют ПАВ) будут определять эффективность деаэрации.
• Рафинеры (размольное оборудование): В этих аппаратах волокна подвергаются механическому воздействию для изменения их физико-химических свойств (фибрилляция, укорочение, увеличение удельной поверхности). Гидродинамика внутри рафинера определяет интенсивность воздействия на волокна, характер их движения между размольными элементами и эффективность процесса. Оптимальный гидродинамический режим позволяет достичь требуемой степени помола с минимальным энергопотреблением и повреждением волокон.

Влияние специфических свойств суспензии:

• Концентрация: Один из наиболее важных параметров. При низких концентрациях суспензия ведет себя ближе к ньютоновской жидкости, но по мере роста концентрации ее неньютоновские свойства усиливаются, увеличивается вязкость и предел текучести, что требует пересчета всех гидравлических сопротивлений и мощностей оборудования.
• Степень помола волокон: Хорошо размолотые волокна имеют большую удельную поверхность и гибкость, что может изменять вязкость и флокуляцию. Степень помола влияет на способность суспензии к диспергированию и на ее фильтрационные свойства.
• Содержание воздуха: Пузырьки воздуха могут значительно изменять реологические свойства суспензии, делая ее более сжимаемой, увеличивая кажущуюся вязкость и способствуя образованию пены, что затрудняет многие процессы, такие как промывка (особенно сульфатной хвойной целлюлозы, где пенообразование, вызванное ПАВ, затрудняет процесс).

Таким образом, комплексный учет гидродинамических и реологических характеристик волокнистых суспензий является не просто желательным, а критически важным для успешного проектирования, эффективной эксплуатации и оптимизации всех технологических аппаратов ЦБП, напрямую влияя на экономичность производства и качество выпускаемой продукции.

Методы оценки реологических характеристик и экспериментальный анализ волокнистых суспензий

"Когда вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это в числах, вы что-то знаете об этом; но когда вы не можете измерить это, когда вы не можете выразить это в числах, ваше знание скудно и неудовлетворительно" — Лорд Кельвин.

В целлюлозно-бумажной промышленности, где каждый этап производства критически зависит от поведения волокнистой суспензии, точные измерения ее реологических характеристик становятся залогом успеха.

Основы реометрии и измерительное оборудование

Реометрия, как часть экспериментальной реологии, является краеугольным камнем в изучении механических свойств полимеров и других реальных тел, включая волокнистые суспензии. Её основная задача — количественное определение различных реологических свойств веществ с помощью специальных приборов и испытательных машин.

Методы определения полных реологических характеристик волокнистых суспензий часто основаны на использовании устройств, где испытуемая среда помещается между двумя коаксиально расположенными телами (например, цилиндрами или конусами). Одному из тел задают различные угловые частоты вращения, а затем измеряют механическую реакцию — крутящий момент, который передается на неподвижное тело. Из этих данных, используя соответствующие формулы, рассчитывают касательное напряжение (τ) и градиент скорости (∂u/∂y). Построение зависимости τ от ∂u/∂y (кривой течения) позволяет определить такие параметры, как эффективная вязкость, предел текучести и другие реологические константы.

Для исследования реологических характеристик волокнистых масс традиционно используются установки, включающие ротационный вискозиметр и измерительную схему:

• Ротационные вискозиметры (например, с цилиндрами Куэтта или Бруксфилда) идеально подходят для измерения вязкости неньютоновских жидкостей, поскольку позволяют задавать различные скорости сдвига и напрямую измерять соответствующие касательные напряжения. Их конструкция обеспечивает относительно равномерное сдвиговое поле, что упрощает интерпретацию данных.
• Капиллярные вискозиметры (или вискозиметры с падающим шариком) также используются, особенно для более низких концентраций или для измерения кажущейся вязкости при высоких скоростях сдвига, имитирующих течение в трубопроводах.

Методические указания к лабораторным работам по гидродинамике волокнистых суспензий (например, разработанные СПбГУПТД) подробно описывают конструкции измерительных узлов капиллярного и ротационного вискозиметров, экспериментальных стендов, методики проведения замеров, а также рекомендации по обработке и анализу результатов. Это обеспечивает стандартизацию и воспроизводимость получаемых данных, что критически важно для научных исследований и инженерных расчетов.

Важность быстрых и объективных методов измерений для многократно повторяющихся лабораторных исследований не может быть переоценена. Ручные измерения трудоемки, подвержены субъективным ошибкам и замедляют процесс исследования. В современных лабораториях предпочтение отдается методам и приборам, которые позволяют проводить измерения и обработку результатов быстро и с минимальной зависимостью от человеческого фактора. Это достигается за счет:

• Автоматизированных ротационных вискозиметров: Современные приборы оснащены микропроцессорами, которые контролируют скорость вращения, измеряют крутящий момент, рассчитывают реологические параметры и даже строят кривые течения в реальном времени. Это значительно сокращает время анализа и повышает точность.
• Оптических датчиков: Применение оптических методов, способных измерять параметры целлюлозной суспензии даже в присутствии волокон после предварительной калибровки, позволяет получать данные о концентрации, размере флокул и их динамике в потоке без прямого контакта, что особенно ценно для "online" мониторинга.

Такие подходы обеспечивают не только скорость, но и высокую объективность результатов, что критически важно для принятия решений в производстве и для дальнейшего развития теории.

Экспериментальные исследования и их роль в ЦБП

Экспериментальные исследования реологических характеристик волокнистых суспензий играют фундаментальную роль в целлюлозно-бумажной промышленности. Они не только подтверждают теоретические модели, но и предоставляют эмпирические данные, без которых невозможно проектировать, оптимизировать и эффективно эксплуатировать сложное технологическое оборудование.

Значение экспериментальных данных простирается на все ключевые этапы производства:

• Напорные ящики бумагоделательных машин: Это сердце бумагоделательной машины, где формируется равномерное волокнистое полотно. Гидродинамика в напорном ящике должна обеспечивать идеальное диспергирование волокон и их равномерное распределение по всей ширине. Экспериментальные данные о вязкости и пределе текучести суспензии при различных концентрациях и степенях помола позволяют оптимизировать геометрию напорных ящиков, скорости потоков, а также параметры турбулизирующих элементов для достижения оптимального качества бумажного полотна. Например, слишком высокая вязкость может привести к неоднородностям, а недостаточная турбулизация — к флокуляции.
• Размольное оборудование (рафинеры): Эффективность размола напрямую зависит от реологических свойств суспензии. Экспериментальные исследования помогают определить оптимальные параметры размола (щелевой зазор, давление, время) для различных типов волокон, исходя из их реакции на механическое воздействие и изменения вязкости суспензии.
• Сортирующие устройства: Сортировки разделяют волокна по фракциям и удаляют нежелательные примеси. Знание реологических свойств суспензии позволяет выбирать оптимальные размеры отверстий сит, скорости потоков и давления, чтобы избежать засорения и обеспечить эффективное разделение.
• Промывное оборудование: Эффективность промывки целлюлозы, особенно сульфатной хвойной целлюлозы, в значительной степени зависит от физических и геометрических свойств слоя целлюлозы и гидродинамики промывочной воды. Ключевыми факторами, влияющими на эффективность промывки, являются массовая концентрация, длина волокон, а также наличие поверхностно-активных веществ (ПАВ), вызывающих пенообразование. ПАВ могут создавать стабильную пену, которая затрудняет разделение жидкости и волокон. Экспериментальные данные помогают оптимизировать режимы работы барабанных фильтров, промывных прессов и диффузоров давления, используемых на российских предприятиях ЦБП, где фактор разбавления варьируется от 1,5 м³/т до 3,5 м³/т.

Измерение расхода волокнистых суспензий в ЦБП является критически важным для контроля и управления технологическими процессами. Для суспензий с невысокой концентрацией (до 1,5-2%) могут использоваться погружные вихревые расходомеры, которые в этих условиях работают без принципиальных отличий от измерения расхода чистой воды. Однако, при более высоких концентрациях суспензии (3-6%) достоверность измерения у вихревых расходомеров резко снижается. Это связано с тем, что неньютоновское поведение, высокая вязкость и образование флокул начинают искажать вихревые потоки, на которых основан принцип работы этих приборов. В таких случаях приходится применять другие методы, например, электромагнитные расходомеры, которые менее чувствительны к вязкости, или специализированные ультразвуковые приборы, способные работать с многофазными средами.

Таким образом, экспериментальные исследования не только подтверждают теоретические концепции, но и служат незаменимым инструментом для инженерного проектирования и оперативного контроля, обеспечивая эффективность и качество в целлюлозно-бумажной промышленности.

Гидродинамика в технологических аппаратах ЦБП: Турбулизаторы и Гасители пульсаций

В сложном танце производства бумаги, где каждая фаза должна быть точно выверена, турбулизаторы и гасители пульсаций играют роль невидимых дирижеров, обеспечивая гармонию и стабильность потока волокнистой суспензии. Эти устройства, хоть и выполняют противоположные функции, одинаково важны для достижения высокого качества продукции и эффективности процесса.

Турбулизаторы для оптимального диспергирования волокнистых суспензий

Суть производства качественной бумаги заключается в максимально равномерном распределении волокон в формируемом полотне. Для этого необходимо не только тщательно подготовить волокнистую суспензию, но и обеспечить её оптимальное гидродинамическое поведение в критически важных аппаратах. Здесь на сцену выходят турбулизаторы.

Диспергирование волокнистой суспензии – это многогранный процесс, который можно рассматривать с двух ключевых позиций:

1. Разрушение пучков нераспущенных волокон (роспуск): Этот аспект касается начальных стадий подготовки массы, когда волокна еще находятся в виде агрегатов или пучков. Цель роспуска – полное разделение этих пучков на индивидуальные волокна.
2. Разрушение флокул каркаса из сплетенных волокон: Флокулы – это временные образования, формирующиеся из отдельных волокон, которые переплетаются под действием сил притяжения (например, водородных связей) и механических факторов. Флокуляция является нежелательным явлением, поскольку приводит к неоднородности массы и, как следствие, к дефектам в бумаге.

Поток волокнистой суспензии считается диспергированным, когда градиент скорости в зазоре превышает критическое значение. Это критическое значение не является универсальной константой; оно сильно зависит от типа волокна, его длины, жесткости, концентрации суспензии, степени помола и наличия химических добавок. Однако, его превышение обеспечивает достаточное сдвиговое напряжение для полного разрушения волокнистого стержня и предотвращения образования флокул. Что из этого следует для практиков? Чем точнее определено это критическое значение для конкретной суспензии, тем эффективнее можно настроить оборудование и минимизировать потери энергии.

Конструктивные особенности и принципы действия современных турбулизаторов крайне разнообразны, но их общая цель – создание контролируемой турбулентности и высоких градиентов скорости для эффективного диспергирования. Среди них можно выделить:

• Перфорированные пластины и решетки: Простейшие турбулизаторы, создающие множественные струи и вихри, когда суспензия проходит через них. Размеры и форма отверстий оптимизируются для конкретных типов волокон и концентраций.
• Специальные секции трубопроводов: Трубы с изменением сечения, внутренними перегородками, спиральными элементами или выступами, которые направленно изменяют характ��р потока, вызывая интенсивное перемешивание и сдвиговые напряжения.
• Турбулизирующие элементы в напорных ящиках бумагоделательных машин: Это могут быть системы трубок, лопаток, или диффузоров, расположенные непосредственно перед напускным устройством. Их задача – обеспечить максимально однородный и диспергированный поток непосредственно перед формированием бумажного полотна. Например, использование CFD-систем, таких как GapFormer от фирмы Voith Sulzer, на бумагоделательных машинах демонстрирует, как комплексное моделирование позволяет оптимизировать геометрию этих элементов для обеспечения стабильной и однородной подачи бумажной массы в зазор между грудным и формующим валами. Это критически важно для получения бумаги с равномерной массой и прочностными характеристиками.
• Гидроразбиватели: Аппараты для начального роспуска волокон, особенно макулатуры. Их рабочие элементы (роторы) создают мощные сдвиговые и ударные воздействия, эффективно разрушая пучки волокон и крупные флокулы.

Обеспечение тонкого сортирования и высокой степени помола волокон напрямую зависит от понимания законов внутреннего структурообразования волокнистого материала при движении потоков суспензии, основанного на изучении реологических характеристик и гидромеханики движения. Именно турбулизаторы являются ключевым инструментом в достижении этих целей.

Гасители пульсаций: принципы работы, типы и расчет

В то время как турбулизаторы призваны интенсифицировать перемешивание, гасители пульсаций выполняют противоположную, но не менее важную функцию — стабилизацию потока. Они предназначены для сглаживания и полного устранения колебаний давления и расхода, возникающих, например, на выходе из поршневых или мембранных насосов. Эти пульсации могут приводить к ряду негативных последствий:

• Ухудшение качества продукции: Нестабильный поток массы в напорном ящике бумагоделательной машины может вызвать колебания массы бумаги по длине полотна.
• Преждевременный износ оборудования: Гидравлические удары и вибрации могут повреждать трубопроводы, арматуру, насосы и измерительные приборы.
• Снижение точности дозирования: Во многих процессах ЦБП требуется точное дозирование химикатов или добавок, а пульсации затрудняют этот процесс.
• Шум и вибрация: Создают неблагоприятные условия труда.

Принцип работы гасителя пульсаций заключается в использовании буферного объема, способного абсорбировать избыток жидкости при повышении давления и возвращать ее в систему при снижении давления. Это достигается за счет отбора жидкости из напорной линии при превышении установленного давления и ее последующем возврате в линию при снижении давления.

Преимущества применения гасителей пульсаций многогранны:

• Экономия приводной мощности: Снижение пиковых нагрузок на насос.
• Демпфирование гидравлических ударов: Защита системы от резких скачков давления.
• Выравнивание пульсаций насоса: Обеспечение равномерного потока.
• Поддержание постоянного давления в системе: Стабильность технологического процесса.
• Повышение точности дозирования: Особенно критично для систем ввода химикатов.
• Снижение шума и вибрации: Улучшение условий эксплуатации и экологической безопасности.
• Продление срока службы оборудования: Защита компонентов системы от повреждений, вызванных усталостью материала.

Конструктивные исполнения гасителей пульсаций варьируются в зависимости от конкретных требований и характеристик перекачиваемой среды:

1. Баллонные гасители: В них рабочий орган — гибкая эластичная мембрана (баллон), разделяющая газовую полость (обычно заполненную азотом) и полость с жидкостью. При повышении давления жидкости мембрана выгибается наружу, сжимая газ и увеличивая объем рабочей камеры, поглощая избыток жидкости. При снижении давления сжатый газ выталкивает жидкость обратно в линию, компенсируя падение давления.
2. Поршневые гасители: Содержат свободно перемещающийся поршень, с одной стороны которого находится газ (или пружина), а с другой — поступающая жидкость. При повышении давления жидкость толкает поршень, увеличивая объем камеры и сжимая газ. При снижении давления сжатый газ или пружина выталкивают поршень, возвращая жидкость в линию.
3. Сферические гасители: Часто представляют собой емкости, разделенные эластичной диафрагмой, аналогично баллонным, но имеющие сферическую форму для лучшего распределения напряжений.
4. Воздушные гасители (емкостного типа): Это, по сути, резервуары с газовой полостью (часто просто с воздухом), которая напрямую контактирует с жидкостью или отделена от нее упругим элементом. Давление в газовой полости определяется его деформацией, что способствует снижению шума гидравлических систем. Их эффективность может достигать 5–40 дБ в широком диапазоне частот колебаний давления жидкости (20–3000 Гц), что значительно снижает акустическую нагрузку на систему.

Методики инженерных расчетов параметров потока и оборудования для гасителей пульсаций включают:

• Определение необходимого объема гасителя: Зависит от объема пульсации, сжимаемости жидкости и газа, а также требуемого уровня сглаживания.
• Расчет коэффициентов сопротивления и энергетических потерь: Гаситель сам по себе является гидравлическим сопротивлением, и его влияние на общую систему должно быть учтено.
• Анализ влияния газовой фазы: Количество и давление газа в гасителе критически важны для его эффективной работы.
• Расчет рабочего давления: Гаситель должен быть рассчитан на максимальное рабочее давление в системе.

Гасители колебаний преобразуют кинетическую энергию движений в потенциальную энергию сжатия рабочего тела (жидкости или газа) и деформаций, а также в тепловую энергию вследствие трения или перетекания жидкости через местные гидравлические сопротивления. Это комплексное воздействие обеспечивает стабильность и надежность работы всей гидравлической системы, что особенно важно для высокоточных и непрерывных процессов в ЦБП.

Численное моделирование (CFD) в гидродинамике волокнистых суспензий и оптимизация процессов

В мире, где скорость и точность принятия решений становятся конкурентным преимуществом, численное моделирование, особенно в области гидродинамики, превратилось из академического инструмента в незаменимый помощник инженера. Компьютерное моделирование потоков, известное как Computational Fluid Dynamics (CFD), открывает новые горизонты для исследования и оптимизации сложных процессов в целлюлозно-бумажной промышленности.

Принципы и применение CFD

CFD — это мощный инструмент, который позволяет рассчитывать параметры потока для сложной геометрии, где простые аналитические методы оказываются недостаточными или слишком приближенными. Его суть заключается в численном решении уравнений Навье-Стокса (уравнений движения жидкости) и уравнений неразрывности для дискретизированного (разбитого на множество мелких ячеек) объема жидкости. Для волокнистых суспензий, как неньютоновских и часто многофазных сред, CFD особенно ценен, поскольку позволяет учитывать их сложное реологическое поведение.

Основные применения CFD в ЦБП:

• Виртуальная проверка и анализ отдельных действий: Прежде чем строить дорогостоящий прототип или вносить изменения в работающее оборудование, инженеры могут "проиграть" различные сценарии в виртуальной среде. Это позволяет оценить, как изменение геометрии аппарата, скорости потока или концентрации суспензии повлияет на гидродинамику.
• Оптимизация процессов: CFD позволяет систематически исследовать различные конфигурации оборудования и режимы работы для поиска оптимальных решений. Например, можно оптимизировать форму лопаток мешалки, геометрию трубопроводов или конструкцию напорного ящика, чтобы минимизировать зоны застоя, предотвратить флокуляцию или снизить энергетические потери.
• Расчет скоростей течения и потерь давления: Для одной или нескольких рабочих сред в трубопроводах и арматуре. Это особенно важно для точного гидравлического расчета всей системы, подбора насосов и определения энергопотребления. CFD способен точно предсказать распределение скоростей, давления и сдвиговых напряжений по всему объему аппарата.

Пример использования CFD-систем, таких как GapFormer от фирмы Voith Sulzer, на бумагоделательных машинах демонстрирует его практическую ценность. Эти системы позволяют моделировать подачу бумажной массы в зазор между грудным и формующим валами, обеспечивая стабильное и равномерное распределение волокон. Без такой стабильности невозможно добиться высокого качества бумажного полотна.

Примеры использования CFD для моделирования процессов роспуска макулатуры в гидроразбивателе:

Гидроразбиватель — это ключевой аппарат для переработки вторичного волокна. Эффективность его работы напрямую зависит от интенсивности и характера гидродинамических воздействий на макулатуру. Моделирование в CFD позволяет:

• Визуализировать потоки: Понять, как жидкость и волокна движутся внутри аппарата, где образуются вихри, зоны сдвига и зоны застоя.
• Оптимизировать геометрию ротора и корпуса: Изменять форму лопаток, их количество, угол наклона, а также внутреннюю геометрию корпуса для максимизации сдвиговых напряжений и турбулентности, необходимых для эффективного роспуска.
• Предсказать эффективность роспуска: Оценить, насколько хорошо волокна будут разделяться при различных режимах работы (скорость вращения, концентрация массы, температура).
• Снизить энергопотребление: Оптимизировать конструкцию для достижения требуемой степени роспуска с минимальными затратами энергии.
• Избежать повреждения волокон: Чрезмерные сдвиговые напряжения могут повредить волокна, ухудшив их механические свойства. CFD позволяет найти баланс между эффективным роспуском и сохранением целостности волокон.

В целом, CFD стал незаменимым инструментом, который не только ускоряет процесс проектирования и оптимизации оборудования, но и позволяет глубже понять фундаментальные гидродинамические процессы, происходящие с волокнистыми суспензиями, что в конечном итоге приводит к созданию более эффективных, экономичных и экологически чистых производств.

Влияние гидродинамики на качество продукции и инновационное развитие ЦБП

В современном мире успех промышленного предприятия измеряется не только объемом произведенной продукции, но и ее качеством, а также устойчивостью производственного процесса. В целлюлозно-бумажной промышленности гидродинамика волокнистых суспензий является одним из ключевых факторов, напрямую влияющих на эти показатели. Более того, активное внедрение инноваций, базирующихся на глубоком понимании гидродинамических процессов, становится драйвером для экономического роста и экологической безопасности отрасли.

Гидродинамика и качество бумажного полотна

Качество конечной продукции ЦБП — бумаги и картона — во многом определяется равномерностью структуры волокнистого полотна. Достижение этой равномерности является прямой задачей оптимизации гидродинамических процессов на ключевых этапах производства.

Обеспечение технологически необходимой внутренней структуры потока бумажной массы при массоподаче и напуске (в напорных ящиках бумагоделательных машин) – это искусство и наука одновременно. Напорный ящик, по сути, является устройством, преобразующим поток волокнистой суспензии из трубопроводов в равномерный тонкий слой, который напускается на формующую сетку. Оптимизация гидродинамики здесь направлена на:

• Минимизацию колебаний массы бумаги: Если поток суспензии нестабилен, это приводит к неравномерному распределению волокон, что проявляется в виде полос, пятен или других дефектов на готовом полотне. Качественное напорное устройство обеспечивает равномерность напуска массы по всей ширине.
• Повышение равномерности распределения волокон в формуемом бумажном полотне: Целью является создание однородной структуры, где волокна не образуют флокул, а равномерно распределены, обеспечивая стабильные физико-механические свойства по всей площади листа. Это критически важно для повышения качества конечной продукции, так как влияет на прочность, плотность, воздухопроницаемость, оптические свойства и другие параметры.

Современные подходы к прогнозированию прочностных характеристик полотна на бумагоделательной машине включают:

• Применение математических моделей, учитывающих текущие параметры процесса: Эти модели интегрируют данные о реологических свойствах суспензии, скорости течения, температуре, а также о конструктивных особенностях напорного ящика и скорости машины. Они позволяют в режиме реального времени предсказывать, как изменения этих параметров повлияют на конечную прочность бумаги.
• Измерение размеров волокон в режиме реального времени: Развитие оптических и акустических сенсоров позволяет непрерывно контролировать размер и распределение волокон в суспензии. Эти данные, поступая в систему управления, дают возможность оперативно корректировать режимы работы, например, регулировать степень размола или интенсивность турбулизации, чтобы поддерживать оптимальные условия для формирования полотна.

Кроме того, повышение механической прочности, в том числе влажного полотна, достигается за счет введения различных добавок:

• Микрофибриллированной целлюлозы (МФЦ): Это нановолокна, которые обладают высокой удельной поверхностью и способны образовывать прочные водородные связи с основными волокнами. Введение МФЦ значительно улучшает прочность полотна за счет создания более плотной и гомогенной структуры.
• Композитных материалов минерал/МФЦ: Эти материалы позволяют не только увеличить прочность, но и заместить часть дорогостоящего волокна (от 20% до 30%) минеральными наполнителями, снижая себестоимость продукции без потери качества.
• Мелкого волокна и опилок: Их использование также может способствовать улучшению формирования полотна и повышению прочности за счет заполнения межволоконных промежутков.

Таким образом, тонкая настройка гидродинамических процессов на протяжении всего производства, от подготовки массы до напуска на машину, является фундаментальным условием для обеспечения высокого качества бумажной продукции, а современные методы контроля и модификации позволяют достигать этих целей с высокой точностью.

Инновационные технологии и их экономическое и экологическое влияние на ЦБП России

Целлюлозно-бумажная промышленность России переживает период активного внедрения инноваций, что оказывает значительное влияние как на экономику страны, так и на экологическую устойчивость отрасли. Это не просто дань моде, а стратегическая необходимость, позволяющая повысить конкурентоспособность и соответствовать мировым стандартам.

Экономический эффект от внедрения инновационных технологий в ЦБП России очевиден и подтверждается текущей статистикой. В январе-марте 2025 года выручка предприятий отрасли увеличилась на 10,4% по сравнению с предыдущим годом и на 65% по сравнению с 2021 годом. Суммарная прибыль выросла на 48% к досанкционному периоду 2021 года. Эти показатели демонстрируют прямую корреляцию между инвестициями в инновации и финансовым успехом. "Стратегия 2030" предусматривает амбициозные цели: увеличение производства товарной целлюлозы до 13 968 тыс. тонн, бумаги и картона – до 11 739 тыс. тонн. Достижение этих целей невозможно без активного внедрения передовых технологий.

Конкретные примеры инноваций в российской ЦБП:

1. Внедрение цифровых технологий: Пример проекта по внедрению цифровых технологий на базе SAP S/4 HANA, стартовавшего в июле 2019 года на предприятиях Segezha Group, показывает, как комплексные информационные системы позволяют оптимизировать управление производством, логистикой, финансами и человеческими ресурсами, повышая общую эффективность и прозрачность бизнес-процессов.
2. Экологически чистые методы отбелки целлюлозы: Это одно из наиболее значимых инновационных направлений. Исторически отбелка целлюлозы была связана с использованием хлорсодержащих реагентов, что приводило к образованию высокотоксичных органических соединений (хлорфенолы, диоксины, дибензофураны), обладающих мутагенным и канцерогенным действием. Современные экологически безопасные методы направлены на их исключение:
   • Отбелка молекулярным кислородом (O): Этот метод, открытый советским ученым Акимом Гарри Львовичем, является краеугольным камнем бесхлорной отбелки. Он активно применяется на таких крупных российских комбинатах, как Байкальский, Котласский, Сыктывкарский и Братский ЦБК, исключая выделение вредных хлорсодержащих веществ.
   • Использование озона (Z) и пероксида водорода (P): Эти реагенты также эффективно отбеливаю�� целлюлозу, минимизируя экологический след.
   • Бесхлорные схемы (TCF — Totally Chlorine Free): Эти схемы полностью исключают использование хлора и его производных, представляя собой вершину экологической безопасности в отбелке.
   • Технология ECF (Elemental Chlorine Free): Хотя не является полностью бесхлорной, она значительно сокращает использование элементарного хлора, замещая его диоксидом хлора (ClO₂). Эффективность расхода диоксида хлора при отбелке хвойной целлюлозы по этой технологии может быть оценена с помощью математической модели, что позволяет оптимизировать процесс и снизить экологическое воздействие.
3. Замкнутые водооборотные циклы и экономичные технологии очистки воды: Полностью замкнутые водооборотные циклы в ЦБП не всегда реализуемы из-за технологических особенностей, однако предприятия стремятся максимально снизить объем и загрязненность сточных вод. Пример Архангельского ЦБК, который в январе-сентябре 2023 года сократил объем забора речной воды на 7,3% за счет возврата воды с теплообменников оборудования в технологический цикл и планирует возвращать часть очищенной воды в производство, демонстрирует успешность таких подходов. Для очистки воды используются станции дисковых фильтров, обеспечивающие высокоэффективную фильтрацию мелких загрязнений. Это не только снижает экологическую нагрузку, но и сокращает затраты на водоснабжение.
4. Роль отечественной науки в развитии инноваций: В условиях прекращения научно-технической поддержки со стороны европейских партнеров, отечественная наука стала ключевым фактором развития ЦБП. Российские ученые разрабатывают инновационные продукты для лесохимических производств, вспомогательные химические реагенты для ЦБП и методики получения волокнистых полуфабрикатов с заданным выходом. Ярким примером является способ получения наноцеллюлозы (ширина волокон 5–20 нм, длина — от 10 до нескольких мкм), разработанный учеными Пермского университета. Этот материал по прочности превосходит нержавеющую сталь и обладает свойством псевдопластичности, открывая широкие перспективы для создания новых композиционных материалов. Для дальнейшего развития отрасли профильные вузы должны создавать инжиниринговые центры по разработке проектно-конструкторской и проектно-технологической документации для новых предприятий ЦБП, как это происходит, например, в Северном (Арктическом) Федеральном Университете, где проводятся прикладные исследования по заказам отраслевых предприятий.
5. Другие инновационные направления:
   • Разработка программ подбора компонентов гофротары: Направлены на нахождение оптимальных сочетаний массы квадратного метра с физико-механическими показателями конкретного композиционного состава. Оптимизируются такие показатели, как толщина, плотность, сопротивление излому, сопротивление разрыву, сопротивление продавливанию, плоскостному и торцевому сжатию, расслаиванию, а также влажность, качество склеивания и рилевания.
   • Создание центров прототипирования: В Поморье планируется создание центра прототипирования для ЦБП с установкой прототипа бумагоделательной машины для апробации технологий производства специальных видов бумаг.
   • Использование высококачественного вторичного волокна (макулатуры): Позволяет снизить затраты на 30-35% по сравнению с первичным волокном, что не только экономически выгодно, но и соответствует принципам экономики замкнутого цикла.
   • Применение микрофибриллированной целлюлозы (МФЦ): Введение добавок МФЦ и композитных материалов минерал/МФЦ позволяет не только повысить механическую прочность полотна, но и заменить часть волокна (от 20% до 30%) минеральным наполнителем, что является значимым экономическим и экологическим достижением.

Таким образом, инновации в ЦБП России охватывают широкий спектр направлений — от цифровизации и экологически чистых технологий до разработки новых материалов и продуктов. Эти изменения не только повышают эффективность производства и качество продукции, но и формируют основу для устойчивого и ответственного развития отрасли в долгосрочной перспективе, подтверждая её готовность к вызовам будущего.

Заключение

Исследование гидродинамики волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производстве выявило её ключевую роль в обеспечении эффективности технологических процессов и качества конечной продукции. Мы рассмотрели фундаментальные теоретические основы, отнеся волокнистые суспензии к категории неньютоновских жидкостей, чьё аномальное поведение, обусловленное сложным взаимодействием волокон и воды, требует глубокого реологического анализа. Изучение различных математических моделей, таких как модели Бингама, Кассона и Хана, а также современных многофазных подходов, позволило понять, как физико-химические свойства волокон (длина, толщина, жесткость, удельная поверхность) влияют на реологические характеристики и, соответственно, на режимы течения – от структурированного до полностью диспергированного.

Было показано, что для эффективного управления этими процессами необходимы точные методы оценки реологических характеристик. Современная реометрия, использующая автоматизированные ротационные и капиллярные вискозиметры в сочетании с оптическими датчиками, предоставляет быстрые и объективные данные, критически важные для проектирования и эксплуатации оборудования. Экспериментальные исследования подтверждают значение этих данных для оптимизации работы напорных ящиков, размольного и сортирующего оборудования, а также для корректного измерения расхода суспензий.

Детальный анализ роли турбулизаторов и гасителей пульсаций подчеркнул их незаменимость в технологическом цикле. Турбулизаторы, с их разнообразными конструктивными решениями и поддержкой CFD-систем, обеспечивают необходимое диспергирование волокон для тонкого сортирования и равномерного формирования бумажного полотна. Гасители пульсаций, в свою очередь, стабилизируют поток, предотвращают гидравлические удары и продлевают срок службы оборудования, повышая общую надежность системы.

Внедрение численного моделирования (CFD) кардинально изменило подходы к проектированию и оптимизации оборудования ЦБП, позволяя виртуально тестировать сложные геометрии, рассчитывать параметры потока и предсказывать поведение суспензий, что значительно сокращает время и стоимость разработки.

Наконец, мы убедительно продемонстрировали прямую взаимосвязь между оптимизацией гидродинамических процессов и качеством бумажного полотна, а также проанализировали значительное влияние инновационных технологий на экономическое и экологическое развитие российской ЦБП. Рост выручки и прибыли предприятий, амбициозные цели "Стратегии 2030", внедрение цифровых решений, экологически чистые методы отбелки, замкнутые водооборотные циклы, а также активная роль отечественной науки в разработке наноцеллюлозы и других передовых материалов — всё это свидетельствует о динамичном развитии отрасли.

Поставленные цели и задачи исследования полностью достигнуты. Полученные знания не только углубляют теоретическое понимание гидродинамики волокнистых суспензий, но и предоставляют практические рекомендации для инженеров и технологов. Важность дальнейших научных изысканий в этой области, а также активного внедрения инновационных решений не вызывает сомнений. Для студентов, аспирантов и молодых специалистов в данной области освоение этих знаний является фундаментом для успешной карьеры в современной целлюлозно-бумажной промышленности, способствуя её устойчивому развитию и повышению конкурентоспособности на мировом рынке.

Список использованной литературы

1. Терентьев, О. А. Гидродинамика волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производстве. Москва : Лесная промышленность, 1980. 247 с.
2. Терентьев, О. А. Массоотдача и равномерность бумажного полотна. Москва : Лесная промышленность, 1986. 249 с.
3. Реология структурированных дисперсных систем. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/reologiya-strukturirovannyh-dispersnyh-sistem (дата обращения: 10.10.2025).
4. Реология. Большая советская энциклопедия, 3-е изд.
5. Способ определения реологических характеристик волокнистых суспензий. Советский патент SU1144025A1, МПК G01N11/14, 1985. URL: https://patenton.ru/patent/SU1144025A1 (дата обращения: 10.10.2025).
6. ГОСТ Р 53636-2009. Целлюлоза, бумага, картон. Термины и определения. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200078736 (дата обращения: 10.10.2025).
7. Малых, А. С., Исаков, С. Н., Сиваков, В. П. Обзор реологических моделей бумажной массы // Научное творчество молодежи – лесному комплексу России : материалы XXI Всероссийской (национальной) научно-технической конференции студентов и аспирантов. Екатеринбург: УГЛТУ, 2025. С. 582-587. URL: https://elar.usfeu.ru/handle/123456789/13773 (дата обращения: 10.10.2025).
8. Санников, С. П., Бабин, А. И. Установка для исследования реологических характеристик волокнистых суспензий. Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ustanovka-dlya-issledovaniya-reologicheskih-harakteristik-voloknistyh-suspenziy (дата обращения: 10.10.2025).
9. Викторова, А. П. Влияние внедрения инновационных технологий в целлюлозно-бумажной промышленности // Молодой ученый. 2022. № 47.1 (442.1). С. 42-44. URL: https://moluch.ru/archive/442/96733/ (дата обращения: 10.10.2025).
10. Реологическое поведение суспензии макулатуры в бумажном производстве. Диссертация. Техносфера. URL: https://tekhnosfera.com/reologicheskoe-povedenie-suspenzii-makulatury-v-bumazhnom-proizvodstve (дата обращения: 10.10.2025).
11. Классификация неньютоновских жидкостей. Течение неньютоновских жидкостей. Томский государственный университет. URL: https://core.ac.uk/download/pdf/13243169.pdf (дата обращения: 10.10.2025).
12. Материалы V Международной научно-технической конференции молодых учёных и специалистов ЦБП «Современная целлюлозно-бумажная промышленность. Актуальные задачи и перспективные решения» (Санкт-Петербург, 13 – 14 ноября 2023 года) / Отв. ред. – О. В. Фёдорова, О. В. Запольская. Санкт-Петербург : ВШТЭ СПбГУПТД, 2023. URL: https://elib.sutd.ru/edoc/download/mat_v_mezhdunar_nauchn_tekhn_konf_molodyh_uchenyh_i_spets_tsbp_sovrem_tsellyulozno_bum_prom_aktual_zadachi_i_perspektiv_resheniya.pdf (дата обращения: 10.10.2025).
13. Крючков, А. Н. Разработка гасителя пульсаций давления для гидросистем энергоустановок / А. Н. Крючков, М. А. Ермилов, Е. Н. Ермилова, И. В. Балахонов, А. Н. Видяскина // КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-gasitelya-pulsatsiy-davleniya-dlya-grosistem-energoustanovok (дата обращения: 10.10.2025).
14. Тотухов, Ю. А., Борилкевич, Б. Е. Гидродинамика волокнистых суспензий: Методические указания к лабораторным работам. Санкт-Петербург : СПбГУПТД (ВШТЭ), ООО «Р-Центр», 2020. URL: https://dspace.sutd.ru/bitstream/resources/8636/1/%d0%93%d0%b8%d0%b4%d1%80%d0%be%d0%b4%d0%b8%d0%bd%d0%b0%d0%bc%d0%b8%d0%ba%d0%b0%20%d0%b2%d0%be%d0%bb%d0%be%d0%ba%d0%bd%d0%b8%d1%81%d1%82%d1%8b%d1%85%20%d1%81%d1%83%d1%81%d0%bf%d0%b5%d0%bd%d0%b7%d0%b8%d0%b9%20%d0%9c%d0%a3.pdf (дата обращения: 10.10.2025).
15. Лекция 5. Реологические методы анализа.
16. Коллоидная химия: Учебно-методическое пособие. Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики.
17. Мидуков, Н. П., Куров, В. С. Гидродинамика волокнистых суспензий: Учебное пособие.