Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния воіipoca 12
1.1 Лубо-волокнистые материалы, их характеристики и использование 12
1.1.1. Лен как объект обработки 13
1.1.2 Оценка волокна 20
1.2. Существующие технологические приемы получения волокна льна 29
1.3 Интенсификация процессов первичной обработки 49
1.4 Выводы по главе 56
2. Теоретическое обоснование процессов первичной переработки льна в активной водокислороднои среде 59
2.1. Влияние ультразвука на кавитационные процессы и прохождение химических реакций 59
2.1.1. Кавитационные процессы 59
2.1.2. Ударные волны 63
2.1.3. Пульсация газовых пузырьков 66
2.1.4. Электрические явления в пузырьках 71
2.1.5. І идратация в поле УЗИ 79
2.2. Окислительный гидролиз углеводородов в поле СВЧ 83
2.2.1. Радиолиз пароводяной смеем 85
2.2.1.1 Радиолиз воздушной среды 85 2.2.1.2. Радиолиз воды 91
2.2.2. Окисление органических веществ 94
2.2.2.1. Лигнин и его аналоги 94
2.2.2.2. Пектиновые вещества 98
2.2.3. Математическое описание окислительного гидролиза в
поле СВЧ 100
2.3. Выводы по главе 107
3. Экспериментальные исследования процессов окислительного гидролиза при звуковой и сверхвысокочастотной обработке льносоломы 108
3.1. Исследование звуковой гидратации 108
3.1.1. Ванна для ультразвуковой обработки 108
3.1.2. Насыщение влагой растительного сырья в поде УЗ 109
3.2. Пдазмолитический распад растительных тканей 112
3.2.1. Экспериментальный реактор 1 12
3.2.2. Окислительно-гидролитическое расщепление льносоломы в электромагнитном поле 115
3.2.2.1. Диэлектрическое лропаривание стеблей льна 115
3.2.2.2. Пропаривание льна в СВЧ поле с предварительным УЗ замачиванием I17
3.3. Методы испытаний тресты 120
3.3.1. Определение содержания волокна в тресте 120
3.3.2. Определение отделяемости волокна от древесины 122
3.3.3. Отдедяемость волокна как показатель качества 123
3.4. Прочность волокна 124
3.4.1. Методика испытания волокна на прочность І 24
3.4.2. Зависимость прочности волокна от способов его
получения 126
3.5. Методы определения лигнина 127
3.6. Выводы по главе 128
4. Разработка оборудования но результатам теоретических и практических изысканий 129
4.1. Разработка установки для первичной обработки льносоломы 129
4.1.1. Система звуковой обработки 129
4.1.2. Система окислительного гидролиза
4.1.3. Система СВЧ нагрева
4.1.4. Система пропаривания
4.1.5. Система водного распыления
4.1.6. Транспортно-выгрузочная сие гема
4.1.7. Система управления
4.1.8. Алгоритм работы установки
4.2. Технико-экономические характеристики установки для поточной переработки лыгасоломы
4.2.1. Технические характеристики
4.2.2. Эффективность разработки
4.3. Выводы по главе
Общие выводы
Список использованных источников
- Существующие технологические приемы получения волокна льна
- Окислительный гидролиз углеводородов в поле СВЧ
- Пдазмолитический распад растительных тканей
- Технико-экономические характеристики установки для поточной переработки лыгасоломы
Введение к работе
В докладе кафедры технологии и структуры пряжи Политехнического института, в Польше, дается прогноз потребления текстильных волокон, который к 2020 г. достигнет 8,5 кг на душу населения. При этом доля натуральных волокон будет увеличиваться в большей степени, чем искусственных. К основным натуральным волокнам относятся: хлопок, шерсть, являющиеся готовыми природными материалами, и требующие первичной переработки лубяные культуры, в том числе лен. При отделении неволокнистой части стебля льна получается волокно с высоким содержанием целлюлозы, характеризующееся высокими гигиеничными и гигроскопичными свойствами, низкой теплопроводностью.
Существующие способы первичной переработки льна имеют ряд недостатков, основные из них:
- при полевом расстиле:
• зависимость от погодных условий;
• длительность приготовления тресты;
• трудоемкость операций;
• сложность механизации;
- при вымачиваниии в жидкости:
• приобретение неприятного специфического запаха;
• значительное увеличение расхода воды;
• высокие затраты труда;
- при механической обработке стеблей льна:
• низкий выход длинного волокна;
• необходимость специальной обработки отходов;
- при пропаривании:
• неудовлетворительное качество волокна.
Использование электромагнитных и ультразвуковых колебаний в технологических процессах позволит снизить на 25...40% удельный расход энергии, обеспечить выход качественного готового продукта, а также создать условия для автоматизации производств. При этом площади производственных помещений сократятся до 40%, и на 10...50% снизится численность обслуживающего персонала.
Перспектива развития техники первичной переработки льна связана с переходом к установкам поточно-циклического и непрерывного действия, повышением эффективности оборудования за счет интенсификации процессов высокотемпературного гидролиза и окисления органических веществ стебля. На решение данной проблемы, на научные изыскания Правительство Удмуртской Республики выделяет средства. В рамках исследований на кафедре механизации переработки с/х продукции в ФГОУ ВПО ИжГСХА г. Ижевска изучалось влияние УЗИ и СВЧ на ход процессов пропаривания льносоломы.
Цель настоящей работы, повышение качества льноволокна путем использования энергосберегающих технологий с использованием СВЧ. УЗ и тепловой обработки льносоломы.
Научная новизна.
В результате работы: предложен способ непрерывного диэлектрического пропаривания льносоломы с использованием предварительного замачивания в озвучиваемой среде;
- установлены механизмы процессов ультразвукового гидролиза и диэлектрического окислительно-гидролитического расщепления стебля льна;
- найдены аналитические решения процессов гидратации в озвучиваемой среде и расщепления стебля льна в диэлектрическом поле.
Использование электромагнитных и ультразвуковых колебаний в технологических процессах позволит снизить на 25...40% удельный расход энергии, обеспечить выход качественного готового продукта, а также создать условия для автоматизации производств. При этом площади производственных помещений сократятся до 40%, и на 10...50% снизится численность обслуживающего персонала.
Перспектива развития техники первичной переработки льна связана с переходом к установкам поточно-циклического и непрерывного действия, повышением эффективности оборудования за счет интенсификации процессов высокотемпературного гидролиза и окисления органических веществ стебля. На решение данной проблемы, на научные изыскания Правительство Удмуртской Республики выделяет средства. В рамках исследований на кафедре механизации переработки с/х продукции в ФГОУ ВПО ИжГСХА г. Ижевска изучалось влияние УЗИ и СВЧ на ход процессов пропаривания льносоломы.
Цель настоящей работы, повышение качества льноволокна путем использования энергосберегающих технологий с использованием СВЧ, УЗ и тепловой обработки льносоломы.
Научная новизна.
В результате работы:
- предложен способ непрерывного диэлектрического пропаривания льносоломы с использованием предварительного замачивания в озвучиваемой среде;
- установлены механизмы процессов ультразвукового гидролиза и диэлектрического окислительно-гидролитического расщепления стебля льна;
- найдены аналитические решения процессов гидратации в озвучиваемой среде и расщепления стебля льна в диэлектрическом поле.
Существующие технологические приемы получения волокна льна
Первичная обработка лубяных волокон заключается в разрушении комплекса, соединяющего технические волокна с древесиной и последующим отделением волокна от древесины, что возможно осуществить благодаря хрупкости древесины и эластичности волокна. Обычно это мятье на многовальцовых рифленых мялках и трепание промятого сырца ударными воздействиями (отделения приклеенных кусочков древесины- костры от волокна). Мри мяльно-трепальном процессе получается длинное трепаное волокно и отходы, содержащие измельченную костру и отделившееся спутанное волокно. Чем хуже качество стеблей, тем прочнее связь волокна с кострой, тем относительно больше волокон идет в отходы трепания. Отходы трепания подвергаются дополнительной чистке (трепанию, сушке, дополнительному мятью, подтрепыванию в слое и окончательному протрясыванию). Обработанные отходы трепания называются коротким волокном. Сейчас в России выход длинного льняного волокна, зависящего от номера - сорта перерабатываемого сырья и режима трепания, достигает 25...28 % от всего волокна, содержащегося в стебле [12J.
Процесс первичной обработки льна состоит из ряда последовательных операций, характер и количество которых зависят от анатомического строения стеблей, а также от ряда экономических и организационных соображений. Промышленные методы обработки можно подразделить на: биологический (расстил, мочка); химический (пропаривание, варка в растворах химических реагентов); физический (механическая обработка с получением луба). Расстил. До настоящего времени большую часть льняной тресты (до 90 %) в хозяйствах получают способом расстила. Стланье (или растил) основано на использовании жизнедеятельности плесневых грибов и других микроорганизмов, необходимыми условиями существования и развития которых являются повышенная влажность среды, аэрация и определенная температура. При расстиле стебли расстилают тонким слоем на лугах или полях в осенний период, когда необходимая влажность стеблей обеспечивается за счет росы и дождей. При благоприятной температуре воздуха в коровой части стеблей развиваются особые плесневые грибы и аэробные бактерии, разрушающие покровные и паренхимные ткани коры. В результате волокнистые пучки в стеблях освобождаются от связи с окружающими их тканями.
Предполагается, что разрушение связи собственно пектинов с другими углеводами происходит при участии фермента прогопектазы. Отщепление метоксилов и переход пектинов в пектиновую кислоту осуществляется ферментом пектазой по следующей реакции, которую называют деметоксилированием: (С$Н704СОО-СНД+мН,0 - (С5Н704СООН )к+«СН,ОН; (1.2.1) в дальнейшем полигалактуроновая кислота подвергается гидролизу при помощи фермента пектазы: (С5Н,04СООН). +«H,0- /iC5H905COOH . (1.2.2) Наконец, образовавшаяся галактуроновая кислота под действием фермента галактуроназы переходит в кислоту масляную: С5Н905СООН - С,Н ,СООН + 2СО, + Н ,0 . (1.2.3) Если процесс лежки своевременно не приостановить, то грибы и бактерии разрушают также и более стойкие пектиновые вещества, склеивающие элементарные волокна в пучки. Это явление не желательно, так как полотно из перележалой тресты получается пухлявым, низкой прочности.
При росяной мочке льна под действием воздуха и солнца происходит некоторое отбеливание волокна, разрушение покровных тканей более полное, чем при мочке в воде. Естественно, при нормальных влажностно-температурных условиях волокно получается мягким и хорошо делимым.
Практика показала [10], что быстрее всего вылежка тресты проходит при температуре 14...20 С, без резких ее колебаний в течение суток и при равномерном увлажнении сырья кратковременными дождями и росами. При подобных условиях стебли превращаются в тресту в течение 10... 15 дней. В случае снижения температуры воздуха процесс замедляется, а при температуре 0 С полностью прекращается.
В средней полосе страны условия для росяной мочки льна наиболее благоприятны в конце лета и ранней осенью. Кроме того, в это время скошены луга, используемые обычно в качестве стлищ.
При нормальной агротехнике выращивания лен убирают в конце июля, а расстилают в нач&зе августа, когда температура воздуха близка к оптимальной, а влажность стеблей поддерживается обильно выпадающими росами. Если в августе треста бывает готова через 2...3 недели, то в более поздний период (в сентябре и октябре) — через 4...6 недель. При позднем расстиле уменьшается выход длинного волокна, ухудшается его качество.
Результаты расстила в значительной мере зависят от характера стлища. Лучшими площадями для стлищ являются луга с невысоким, но густым травяным покровом, берега рек и озер, поросшие низкой травой лесные поляны, где дольше держатся росы. Кроме того, площади, предназначенные для стлища, должны быть ровными, без бугров и рытвин. В противном случае, а также при неровном и высоком травостое между почвой и слоем стеблей образуется большое, легко проветриваемое пространство, что приводит к быстрому высыханию этих стеблей и ухудшению условий для развития грибов и бактерий.
Окислительный гидролиз углеводородов в поле СВЧ
Физико-химические процессы, протекающие при воздействии ионизирующего излучения на молекулы О:, а в случае воздуха и на молекулы N?, можно подразделить на три основные стадии.
В первой стадии за время -10"15 с при соударении с быстрой заряженной частицей — электроном, например, происходит возбуждение электронов молекул.
Во второй — молекулы, находящиеся в возбужденном неустойчивом состоянии, диссоциируют либо на положительный ион и электрон, либо на два осколка — атомы и осколочные ионы. Эта стадия завершается за время 10" с.
В третьей стадии, химической, происходят реакции ионов и атомов с молекулами. Продолжительность этой стадии зависит от состава, температуры и давления газовой среды.
Диссоциация молекул в основном происходит из возбужденных электронных состояний, возникающих при ударе электронов с энергией, меньшей энергии их ионизации. Для диссоциативной ионизации требуется значительно большая энергия, чем для диссоциации в результате возбуждения молекул. Вероятность диссоциации при электронном ударе зависит также от колебательного возбуждения молекулы, поскольку, чем выше колебательный уровень, тем меньше пороговая энергия диссоциации.
Состояние атомов, образующихся в процессе диссоциации, зависит от характера этого процесса и энергии воздействующей частицы или кванта. При фотодиссоциации молекулы СЬ (Х 176 нм) возникают атомы О как в основном (3Р), так и в возбужденном ( D) состояниях, а при больших длинах волн (Х 195 нм) только невозбужденные атомы О ( Р). При диссоциативной ионизации молекулы От электронным ударом обычно получаются атом О в основном состоянии Р и ион О в возбужденном состоянии. При диссоциации молекулы в результате электронного удара атомы часто возникают в возбужденных электронных состояниях. Хотя эффективное сечение таких процессов гораздо меньше, чем сечение процессов с образованием атомов в основном состоянии, они могут иметь значение, так как константы скорости реакций возбужденных атомов выше, чем атомов в основном состоянии. Например, константа скорости реакции атомов О в возбужденном состоянии D обычно на 2—3 порядка больше, чем в основном состоянии "Р.
В таблице 2.2. приведены данные, характеризующие образование возбужденных атомов при диссоциации молекул. При концентрировании энергии возбуждения у одного из электронов возможна автоионизация в том случае, когда энергия возбужденного состояния превышает потенциал ионизации (сверхвозбужденное состояние).
При прохождении быстрых заряженных частиц или квантов электромагнитного излучения (у-кванты, рентгеновские лучи) через среду наряду с возбуждением происходит ионизация молекул. Энергия, затрачиваемая на образование пары ионов азота или кислорода, превышает энергию, соответствующую потенциалу ионизации, и в среднем близка к 30 эВ. Избыток энергии идет на возбуждение ионов, атомов или молекул.
Возникающие при электронном ударе молекулярные ионы иногда находятся как в электронном, так и колебательном состояниях возбуждения.
При фотоионизации молекул квантами, соответствующими потенциалам ионизации, появляющиеся молекулярные ионы находятся в основном состоянии. Поэтому масс-спектры фотоионизации отличаются от масс-спектров при электронном ударе. Эффективность диссоциативной ионизации при электронном ударе меньше, чем при фотоионизацни. В масс-спектре кислорода преобладает молекулярный ион СЬ над ионом О . Эффективность ионизации падает с увеличением энергии электронов и растет с увеличением числа электронов в молекуле.
Кроме положительных ионов и атомов при действии ионизирующего излучения образуются также отрицательные ионы. Отрицательные ионы кислорода представляют интерес в связи с их биологической активностью. Ионы 0 " возникают при радиационном захвате медленных электронов молекулами О: или при тройных соударениях.
Пдазмолитический распад растительных тканей
В полученной после обработки тресте анализируются такие показатели, как выход длинного волокна, отделяемость волокна от древесины. Все анализы проводятся согласно требованиям ГОСТ 25133-82 « Волокна лубяные. Метод определения влажности».
Из разных мест каждой горсти после прочеса при определении пригодности отбирается, без выбора пучок стеблей, весом около 3 Г » и делится пополам. Каждые десять половин объединяются в одну навеску повторності». При отборе лучков следят за тем, чтобы в пучок попадали стебли с наиболее сохранившейся древесиной. Обе навески подсушивают в сушильном шкафу до влажности примерно 8...10%. Затем вес каждой навески на технических весах доводится точно до 10 г, навески проминаются на лабораторной мялке типа ЛМ-3, раскладываются стебли по всей рабочей ширине мялки. Давление упорного винта на пружину мялки должно быть 12 кг. Пропущенные 4-рех кратно через мялку стебли протряхиваются вручную до прекращения выделения костры, затем вновь проминаются 3...4 раза и снова протряхиваются. Промин и протряхивание повторяются до тех пор, пока содержание костры в волокне не понизится примерно до 10%. При промине стеблей не допускается повреждение волокна, вызывающее его потерю. Остатки костры выбираются вручную на столе, покрытом темной бумагой или стеклом. Выпавшие вместе с кострой волоконца подбираются и присоединяются к пробе. Взвешивание волокна производится сразу же после его очистки с точностью до 0,01 г. Содержание волокна в тресте (С) выражается в процентах и вычисляется по формуле: С = 100 . (3.3.1) где с?, - вес тресты, равный 10 г; С2 - вес волокна, выделенного из тресты, г. Содержание волокна в тресте вычисляют как среднее арифметическое из двух повторностей с точностью до 0,1 % с последующим округлением результата до 1%.
При расхождении повторностей более чем на 3 % анализ считается проведенным неправильно и повторяется.
Отделяемость волокна от древесины определяется при влажности тресты 16...20 %. После определения пригодности и отбора проб на содержание волокна от каждой из 10 горстей отбирались без выбора по 40 стеблей- Все отобранные стебли делились на 4 части, по 100 стеблей в каждой. В первых двух пучках стебли выравнивались так; чтобы середины их совпадали (лежали в одной плоскости), в третьем - вершины, в четвертом - комли. После этого каждый пучок связывался посредине.
В первом пучке вырезался ножницами участок длиной 10 см, отступив от середины стеблей на 9,5 см в сторону комля и на 0,5 см в другую сторону от него. Третий и четвертый пучки вторично связывались, отступая от середины на 20 см: в третьем - в сторону вершины, в четвертом - в сторону комля. При горстевой длине тресты 50...65 см третий и четвертый пучки вторично связывались на 15 см от середины, а при горстевой длине 41 ...50 - на 10 см от середины. В третьем пучке вырезался участок длиной 10 см, отступая от места связки в сторону вершины на 0,5 см и на 9,5 в сторону середины
Полученные из пучков участки, каждый в отдельности, укладывался на приборе типа ООВ одностебельным слоем с параллельным расположением стеблей так, чтобы меньшие по длине концы от места связки пучков выступали за край рабочей плоскости прибора на 10 мм. а большие касались упора. Затем отрезки закреплялись прижимной планкой и их концы обрабатывались рабочей планкой прибора, опускавшейся и поднимавшейся пять раз.
Отделившиеся при этом волокна удалялись пинцетом, а сами отрезки стеблей откладывались для подсчета. Отрезки с неотдел ив шимися волокнами, а также с заусеницами, удалялись (не подсчптывались).
При подсчете отрезки с полностью отделившимися волокнами принимались за единицу, а отрезки, с концов которых полностью отделилась хотя бы одна полоска волокна, принимались за половину единицы. Полученные таким образом показатели для всех четырех пучков суммировались и делились на 40. Результат дает величину показателя отлеляемости волокна тресты от древесины.
Вычисление показателя отлеляемости проводились с точностью до 0,01 и последующим округлением до 0,1.
В процессе технологической обработки было получено волокно, превосходящее по качеству паренповос.
При анализе отделяемости волокна от древесины за основу сравнения выбрана треста, полученная пропариванием на ООО «Ижлен-1» г. Ижевска УР. Зависимость отделяемости от способа получения тресты показана на рисунке 3.13. и в приложении 3.
Технико-экономические характеристики установки для поточной переработки лыгасоломы
Существующие приёмы выделения лигнина основаны или на гидролизе целлюлозы и других углеводов (при этом лигнин остаётся негидролизованным и нерастворимым), или на растворении самого лигнина (остаются нерастворёнными углеводы целлюлоза и гемицеллюлозы).
При гидролизе применяли обычно 80%-пый раствор серной кислоты. Для ЭТОГО высушенный материал, предварительно обезжиренный, обрабатывали серной кислотой при постоянном перемешивании до образования желе, затем смесь разбавляли водой и кипятили для проведения гидролиза. Целлюлоза при этом гидролизуется до глюкозы. Лигнин отфильтровывали и промывали горячей водой. Добавление пиридина или диметиланилина к серной кислоте способствует ускорению процесса растворения целлюлозы. Для исследования свойств лигнина его получают обычно гидролизом измельчённых растительных материалов с помощью сверхконцентрированной (42%-ной) соляной кислоты (метод Вильштеттера). К более мягким способам выделения лигнина следует отнести попеременную обработку материала (после удаления жиро- воскообразных веществ и настаивания в 5%-ном растворе едкого натра) 1%-ным раствором серной кислоты при кипячении, а затем взбалтыванием с медно-аммиачиым раствором: описанные операции повторяют четыре раза. Получаемый при этом порошок лигнина должен иметь светло-жёлтый цвет.
1. Разработаны и изготовлены установки: ультразвуковая ванна для экспериментального исследования процессов гидролитического насыщения льносоломы водой, диэлектрический реактор для исследования процессов гидролитического распада растительных тканей.
2. Установлено влияние влажности на процесс диэлектрического пропаривания; при влажности стеблей льна менее 70 % эффект травления не наблюдается, при влажности же 80 % и более имеет место значительное уменьшение массы за счет перехода органических веществ льна в водо-растворимое и коллоидное состояния. Максимальная убыль массы наблюдается при ультразвуковом замачивании, когда растворимые вещества экстрагируют в раствор, разрыхляется пористая структура стебля и окисляются высокомолекулярные соединения, и при промывании и отжиме пропаренной в СВЧ поле льносоломы, когда идет интенсивное удаление продуктов распада коллоидной природы.
3. Освоены методы испытания тресты и волокна, методики определения лигнина и перекиси водорода.
4. Проведены эксперименты, показано соответствие экспериментальных данных и математической модели, что позволило разработать технические требования для создания установки непрерывного пропаривания льносоломы с применением ультразвука и СВЧ.
По результатам теоретических и практических изысканий разработана установка ультразвуковой диэлектрической обработки льносоломы.
Установка конструктивно состоит из четырех частей: агрегат ультразвукового влагонасыщения, агрегат сверхвысокочастотного окислительного гидролиза, отжимно-промывной агрегат и стойка управления и энергопитания, в которые вмонтированы узлы и блоки систем. Установка (рисунок 4.1.) включает в себя: -ультразвуковую систему; -систему окислительного гидролиза; -систему СВЧ нагрева; -систему инфракрасного нагрева; - транспортно-выгрузочную систему; -систему управления. Схема установки представлен на рисунке 4.2. Система звуковой обработки состоит из: -ультразвукового генератора: -ванны; - пьезоэлемента; -субблока управления системой озвучивания (СУСО); -системы транспортирования. - диэлектрической камеры, являющейся основным технологическим сосудом, в котором происходит процесс окислительного гидролиза, а также и конструктивно - несущим узлом» на котором размещаются исполнительные элементы и необходимые датчики технологических и управляющих систем; - насоса вакуумного типа НВПР16-066; - вакуумметра теплоэлектрнческого типа I3BT3-0O3; - комплекта датчиков; - натекателей воздуха и воды; - субблока управления диэлектрической камерой (СУДК); - вакуумно-запорной арматуры, трубопроводов и соединительных кабелей:
