Trong một dây chuyền máy xeo giấy tissue hiện đại, bộ phận ép (press section) đóng vai trò then chốt trong việc loại bỏ nước cơ học từ băng giấy ướt trước khi băng giấy bước vào khu vực sấy (thường là sấy trên lô Yankee).

Việc tăng độ khô của băng giấy thêm chỉ 1% tại phần ép có thể giúp giảm từ 4% đến 5% năng lượng hơi nước tiêu thụ tại phần sấy hơi, tương đương với hàng tỷ VNĐ tiết kiệm chi phí năng lượng mỗi năm. Ở vị trí trung tâm của quy trình loại bỏ nước cơ học này chính là lô ép hút (Suction Press Roll - SPR).

Lô ép hút không chỉ đơn thuần thực hiện nhiệm vụ truyền động hay tạo áp lực nén vật lý, mà nó còn là một hệ thống thiết bị phức tạp kết hợp giữa cơ học chất lưu, khoa học vật liệu tiên tiến và động lực học chân không. Nó tiếp xúc trực tiếp với mặt trong của mền xeo, phối hợp cùng lô sấy Yankee tạo thành một khe ép vắt nước (press nip). Lô ép hút phải đồng thời thực hiện ba chức năng cơ học và khí động học phức tạp:

Thứ nhất, nó đóng vai trò dẫn hướng và truyền màng giấy (Sheet Transfer). Ở tốc độ quay có thể lên tới 2200 m/phút, lực ly tâm sẽ có xu hướng hất văng màng giấy ẩm ra khỏi mền. Lực hút chân không từ bên trong lô ép giúp giữ chặt màng giấy áp sát vào mền cho đến khi nó được chuyển giao an toàn lên bề mặt lô Yankee nóng.

Thứ hai, nó thực hiện quá trình tách nước bằng chân không (Vacuum Dewatering) trước khe ép, rút bớt lượng nước tự do trong mền và giấy để đưa mền về trạng thái tối ưu trước khi bị nén.

Thứ ba, nó cung cấp bề mặt chịu lực để tạo ra sự tách nước cơ học tại khe ép (Mechanical Nip Dewatering), vắt kiệt nước từ cấu trúc xơ sợi dưới một áp lực tuyến tính khổng lồ.

Động lực học khu vực tách nước bằng chân không (Vacuum Dewatering)

Quá trình tách nước bằng chân không diễn ra chủ yếu dọc theo cung ôm (wrap angle) của chăn (mền) ép lên bề mặt lô hút, ngay trước khi mền và giấy tiến vào khe ép với lô Yankee. Bên trong thân lô ép là một hộp hút tĩnh (stationary suction box) được kết nối với hệ thống bơm chân không bên ngoài. Khi lô quay và mang theo mền cùng màng giấy đi ngang qua khu vực miệng hộp hút, sự chênh lệch áp suất (thường được duy trì ở mức -40 kPa đến -65 kPa) sẽ tạo ra một dòng khí tốc độ cao đâm xuyên qua mạng lưới xơ sợi và sợi nỉ, kéo theo nước đi vào các lỗ khoan (drilled holes) trên vỏ lô.

Theo lý thuyết thủy động lực học màng mỏng, lực hút này có nhiệm vụ vô hiệu hóa lực cản mao dẫn (capillary resistance) bên trong cấu trúc giấy, cưỡng bức lượng "nước tự do" (free water) dịch chuyển vào mền và sau đó xuyên qua mền lọt vào vỏ lô. Đối với giấy tissue, do định lượng rất thấp nên sức cản cấu trúc không quá lớn, nước dễ thoát nhưng đổi lại, liên kết sợi rất yếu. Nếu áp dụng lực hút chân không quá đột ngột hoặc quá cao, dòng khí có thể làm xáo trộn sự phân bố xơ sợi, hút các hạt độn mịn và xơ sợi ngắn ra khỏi màng giấy (gây hiện tượng hai mặt - two-sidedness), hoặc thậm chí xé rách màng giấy (sheet crushing/pinholes).

Khả năng tách nước phụ thuộc vào hệ số chân không (Vacuum Factor - tính bằng cfm/in² hoặc m³/hr/cm² diện tích khe hở hộp hút) và thời gian lưu (dwell time) của giấy trên miệng hộp hút. Sự gia tăng tốc độ máy làm giảm tuyến tính thời gian lưu này, buộc các nhà thiết kế phải mở rộng góc hút hoặc tăng cường lưu lượng dòng khí để bù đắp. Việc hút nước hiệu quả ở giai đoạn này có thể giúp độ khô của giấy tăng lên ngưỡng 25% trước khi thực sự chịu lực ép cơ lý, làm giảm tải thủy lực tại điểm ép (nén).

Động lực học và Cơ chế Thoát nước tại Khu vực Ép (Nip Dewatering)

Ngay sau vùng hút chân không thuần túy là khe ép (Press Nip), nơi lô ép hút và lô sấy Yankee nghiến vào nhau.

Để có thể đưa ra các quyết định kỹ thuật chính xác khi lựa chọn thông số cho lô ép hút, cần phải có một sự am hiểu sâu sắc về các hiện tượng thủy động lực học diễn ra bên trong khe ép (nip). Theo các nghiên cứu nền tảng của Wahlstrom và sự phát triển của công nghệ giấy hiện đại, quá trình băng giấy và chăn đi qua khe ép giữa lô ép hút và lô Yankee được chia thành bốn pha riêng biệt, diễn ra chỉ trong khoảng thời gian vài phần nghìn giây.

Ghi chú: Một số tài liệu chỉ chia thành 03 giai đoạn: Hội tụ, phân kỳ, thoát nước sau khe ép.

Bốn pha của quá trình ép cơ học như sau:

Pha (Giai đoạn nén ban đầu): Băng giấy và chăn bắt đầu tiến vào khu vực khe ép. Lực nén cơ học tác động lên cấu trúc mạng xơ sợi bắt đầu tăng lên, làm thoát phần không khí chứa trong các lỗ hổng của giấy và chăn. Trong pha này, hệ thống mới chỉ bị nén lại về mặt vật lý, chưa có đủ áp suất thủy lực được tạo ra để ép các phân tử nước di chuyển.

Pha (Giai đoạn bão hòa và dịch chuyển nước): Khi sự nén tiếp tục gia tăng, băng giấy đạt đến điểm bão hòa. Lúc này, áp suất thủy lực bắt đầu hình thành mạnh mẽ. Nước bị ép mạnh từ cấu trúc băng giấy chuyển sang lớp chăn ép. Khi chăn ép (mền) đạt đến điểm bão hòa, lượng nước thừa tiếp tục bị đẩy vào các khoảng trống dự trữ trên bề mặt lô ép hút—bao gồm các lỗ hút xuyên thấu (suction holes), lỗ mù (blind-drilled holes) và các rãnh xẻ (grooves). Trên máy tissue hiện đại, với tốc độ vươn tới 2000 m/phút, thời gian cư trú tại khe ép (nip residence time) cực kỳ ngắn, thường dưới 1,5 mili-giây. Sự ép vắt tức thời này tạo ra trở kháng dòng chảy (flow resistance) lớn, dẫn đến việc áp lực ép đỉnh (peak pressure) có thể vọt lên ngưỡng 2,5 MPa dưới tải trọng tuyến tính 90-120 kN/m. Đây được định nghĩa là vùng ép kiểm soát bằng dòng chảy (flow-controlled nip), nơi khả năng thoát nước phụ thuộc vào độ thấm của mền và dung lượng chứa của vỏ lô.

Pha (Giai đoạn mở rộng khe ép - phân kỳ): Vượt qua điểm áp suất nén cực đại, khe ép bắt đầu mở rộng khi bề mặt hai lô dần tách ra. Mặc dù áp suất nén vật lý giảm dần, nhưng áp suất thủy lực bên trong màng nước vẫn còn tồn tại. Giấy bắt đầu vượt qua điểm cực đại của sự bão hòa nhưng nước vẫn có thể tiếp tục thoát ra khỏi hệ thống nếu gradient áp suất thủy lực vẫn hướng từ giấy sang chăn. Tại thời điểm này nảy sinh một rủi ro lớn là hiện tượng tái thấm ướt (rewetting) – khi một phần nước từ mền và vỏ lô bị mao dẫn hút ngược trở lại băng giấy. Việc duy trì áp suất chân không âm tại các lỗ hút xuyên thấu đóng vai trò quan trọng trong việc giữ chặt lượng nước này, kéo nó ra xa bề mặt tiếp xúc, qua đó bảo toàn độ khô đã đạt được.

Pha (Giai đoạn tách rời và giãn nở): Cả giấy và chăn đều thoát ra khỏi khe ép và bắt đầu quá trình giãn nở phục hồi cấu trúc ban đầu. Tại thời điểm này, băng giấy và chăn đều ở trạng thái chưa bão hòa, tạo ra lực mao dẫn. Đây là giai đoạn vô cùng nhạy cảm. Áp suất chân không (vacuum) được duy trì bên trong hộp hút của lô ép hút đóng vai trò quyết định, giữ chặt lượng nước đã thoát ra nằm gọn bên trong các lỗ của vỏ lô. Nếu hệ thống chân không yếu, nước từ chăn hoặc từ các lỗ của lô ép sẽ bị hút ngược trở lại vào băng giấy do chênh lệch áp suất mao dẫn, gây ra hiện tượng giảm độ khô nghiêm trọng. Sau điểm này, băng giấy được truyền lên bề mặt lô Yankee, trong khi chăn quay trở lại vòng lặp, và lượng nước bên trong các lỗ của lô ép hút sẽ bị lực ly tâm hất văng ra ngoài (trên các máy xeo tốc độ cao từ 1500 m/phút thì lực ly tâm là rất lớn) vào các khay thu hồi nước (save-all pans) khi lô tiếp tục quay.

Tổng hòa của quá trình ép hút này nâng độ khô của màng giấy từ mức 20%÷25% lên tới 40% ÷ 45%. Mức độ khô này là yếu tố quyết định hiệu quả kinh tế của toàn bộ nhà máy, bởi mỗi 1% độ khô tăng thêm ở phần ép có thể giúp giảm tới 4% mức tiêu thụ năng lượng hơi nước đắt đỏ tại lô sấy Yankee.

Các hiện tượng thủy động lực học: Thấm ướt ngược và Hằn bóng

Sự thành bại của quá trình thoát nước tại lô ép hút phụ thuộc vào việc quản lý hai hiện tượng tiêu cực chính:

Thấm ướt ngược (Rewetting): Xảy ra ở Pha 4 của quá trình ép, khi nước đã bị ép ra khỏi giấy lại thấm ngược trở lại băng giấy do sự phục hồi thể tích của xơ sợi tạo ra lực mao dẫn hút nước. Hiện tượng này làm lãng phí công sức ép và tăng tải trọng sấy. Ở các máy xeo chạy chậm, lực ly tâm sinh ra do trục quay là rất yếu, không đủ động năng để văng nước ra khỏi các lỗ hút, khiến nước đọng lại trên bề mặt lô và gây thấm ướt ngược trầm trọng.

Hằn vết bóng (Shadow Marking): Hiện tượng này là một lỗi chất lượng nghiêm trọng, đặc biệt rõ ràng trên các loại giấy tissue mịn. Nó xảy ra do sự chênh lệch áp suất thủy lực giữa phần bề mặt phẳng của lô và phần không gian mở (open area - các lỗ hút). Khi băng giấy đi qua khu vực có lỗ hút, nước dễ dàng thoát đi, nhưng ở khu vực liền, áp suất nước tích tụ phá vỡ sự phân bố đều đặn của xơ sợi, tạo ra các dấu vết bóng mờ mang hình dáng của hoa văn lỗ khoan trên tờ giấy thành phẩm. Cách khắc phục truyền thống là sử dụng lớp bọc lô mềm hơn để kéo dài thời gian ép và giảm áp lực đỉnh (peak pressure), giúp dòng nước có thêm thời gian phân tán.

Trên đây là phân tích của VIET HUNG TECHNOLOGY dựa trên các tài liệu tổng hợp được. Nếu quý vị có ý kiến nhận định khác xin vui lòng góp ý ở phần bình luận .

Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ phân tích về cấu tạo, lựa chọn vật liệu chế tạo lô ép hút.

Xin chân thành cảm ơn!

#suctionpressroll #ephutchankhong #mayxeogiay #giaytissue #viethungtech