Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние изучаемого вопроса и постановка задач исследования 8
1.1. Хлопчатобумажная ткань как объект промывки в отделочном производстве 8
1.2 Методы расчета процесса промывки текстильных материалов 11
1.3 Интенсификация процесса промывки хлопчатобумажные тканей 16
1.4 Патентный обзор изобретений, связанных с применением ультразвука в процессах жидкостной обработки 22
1.5 Цели и задачи исследования 32
ГЛАВА 2. Теоретические исследования процесса промывки тканей 33
2.1 Математическая модель процесса промывки хлопчатобумажной ткани 33
2.2 Аналитическое решение краевой задачи для процесса промывки тканей 38
2.3 Расчет интегральных характеристик процесса промывки хлопчатобумажных тканей 46
2.4 Метод оценки констант диффузионных процессов при промывке тканей 52
2.5 Численный алгоритм решения краевой задачи процесса промывки хлопчатобумажных тканей 53
2.6 Анализ результатов теоретических исследований 57
ГЛАВА 3. Экспериментальная часть 60
3.1 Характеристика объекта исследования 60
3.2 Описание лабораторной установки и методики проведения экспериментов по изучению кинетики процесса промывки 66
3.3 Исследование кинетики процесса промывки хлопчатобумажных тканей 70
3.4 Оценка коэффициента диффузии гидроксида натрия в хлопчатобумаж
ной ткани при промывке 73
ГЛАВА 4. Практические приложения результатов прове денных исследований по промывке хлопчатобумаж ных тканей 77
4.1.Оценка эффективности ультразвукового воздействия на процесс промывки тонких хлопчатобумажных тканей 77
4.2 Инженерный метод расчета процесса промывки тонких хлопчатобумажных тканей в высокоскоростных промывных машинах 94
4.3 Практические рекомендации по разработке нового технологического режима промывки хлопчатобумажные тканей после мерсеризации при использовании ультразвука 98
Основные результаты и выводы 103
Литература
- Интенсификация процесса промывки хлопчатобумажные тканей
- Аналитическое решение краевой задачи для процесса промывки тканей
- Описание лабораторной установки и методики проведения экспериментов по изучению кинетики процесса промывки
- Инженерный метод расчета процесса промывки тонких хлопчатобумажных тканей в высокоскоростных промывных машинах
Введение к работе
Промывка тканей - один из самых распространенных и энергоемких процессов отделочного производства в текстильной технологии. На реализацию процессов промывки расходуется значительное количество технологической воды (до 5 м /час на одну промывную машину), до 40% электроэнергии и до 15-20% тепловой энергии, потребляемой отделочными фабриками. Кроме того, работа промывного оборудования сопровождается сбросом сточных вод и загрязнением окружающей среды моющими средствами. Все это неблагоприятным образом отражается на технологических и экологических показателях работы отделочного производства. Указанные недостатки становятся все более значимыми в условиях возрастания дефицита и удорожания энергоресурсов, а также все более жестких требований к экологической чистоте производственных установок.
Изложенное свидетельствует, что задача повышения эффективности работы промывного оборудования является актуальной. Одним из перспективных способов решения этой задачи является интенсификация промывки ткани с помощью ультразвукового воздействия на этот процесс. Положительный эффект этого воздействия обусловлен, главным образом, снижением диффузионного сопротивления переносу загрязненных частиц из ткани в промывной реактор. Практическая же реализация этого способа интенсификации процесса промывки связана с необходимостью экспериментального определения его режимных и конструктивных параметров, что возможно на основе соответствующего математического описания.
Впервые планомерное изучение процесса промывки с позиций теории массопередачи было начато на кафедре «Процессы и аппараты химической технологии и безопасности жизнедеятельности» МГТУ им А.Н. Косыгина под руководством академика Б.С.Сажина. Проведенные исследования
позволили впервые количественно оценить влияние на скорость процесса промывки основных технологических факторов и интенсифицирующих воздействий. Продолжением исследований по этой проблеме является настоящая работа. Выбор объекта исследования обусловлен значительной ролью и удельным объемом, занимаемым хлопчатобумажными тканями в отделочном производстве.
Целью работы являлось снижение энергоемкости и улучшение экологических показателей работы промывного оборудования для хлопчатобумажных тканей путем использования ультразвукового воздействия на обрабатываемую ткань и промывной раствор.
Указанная цель достигается решением следующих задач:
Исследованием и разработкой математического описания процесса промывки хлопчатобумажных тканей, позволяющего определить оптимальные параметры работы промывных машин при использовании в них ультразвука в качестве интенсификатора;
Выбором на основе сопоставительного анализа эффективности работы альтернативных вариантов рациональной схемы и конструктивного оформления промывной линии для хлопчатобумажных тканей;
Количественной оценкой интегрального эффекта от применения ультразвукового воздействия в качестве интенсификатора в процессах промывки хлопчатобумажных тканей.
Диссертация состоит из введения, 4 глав и приложения.
В первой главе анализируются результаты исследований по тематике работы, опубликованные в специальной литературе. На этой основе формулируются вопросы, решение которых связано с достижением поставленной цели. Во второй главе изложены результаты теоретических исследований по теме диссертации. Третья глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям. Их целью являлась оценка адекватности выдвинутых в процессе теоретических исследований гипотез и моделей
7 реальным закономерностям процесса промывки хлопчатобумажных тканей в производственных условиях. В процессе экспериментов были также получены численные значения параметров математических моделей и равновесные характеристики системы "ткань-промывной раствор". Четвертая глава диссертации содержит описание практических приложений результатов проведенных исследований, позволяющих реализовать основную цель -повышение эффективности промывки хлопчатобумажных тканей с помощью ультразвука.
Интенсификация процесса промывки хлопчатобумажные тканей
Промывка - одна из наиболее распространенных операций отделочного производства, для проведения которой расходуется 10 - 20 % тепловой и до 40 % электрической энергии от общих затрат на отделку тканей [6].
В условиях красильно-отделочного производства большинство мокрых обработок тканей химическими реактивами или красителями требуют последующей промывки, интенсификация которой оказывает существенное влияние на экономическую эффективность всего процесса отделки тканей [14,16,19]. Интенсификация процесса промывки имеет большое значение и с экологической точки зрения, поскольку позволяет уменьшить объем сточных вод и содержание в них вредных примесей, то есть перейти к малоотходной технологии [20,21,22].
Интенсификация промывки тканей позволяет уменьшить расход промывной воды, понизить концентрации промывных растворов и вследствие этого облегчить очистку сточных вод, регенерацию химических материалов [16].
Методы интенсификации процесса промывки классифицируются следующим образом [23,24,19]:
1. Методы интенсификации, связанные с подготовкой материала ткани (прогревание, запаривание, вылеживание, намагничивание, обработка плазмой),
2. Методы интенсификации, связанные с различной заправкой и транспортировкой ткани (горизонтальные петли, заправка "петля в петле", уплотненная заправка, транспортировка складками).
3. Методы интенсификации, связанные с механическим воздействием на ткань (прополаскивание, отжим, динамический напор жидкости на ткани, вибраторы, била, скребки, щетки).
4. Методы интенсификации с применением гидродинамического воздействия на ткань (качающаяся стенка, неподвижные отсекатели, ребристые стенки, подвижные лопасти, бесконечные ремни и ленты).
5. Методы интенсификации, связанные с гидравлическим воздействием на ткань (отсос или вакуумирование, спрыски, фильтрация и водяной клин, противоток, импульсные механизмы и гидроакустические устройства).
6. Методы интенсификации, связанные с физическим изменением свойств раствора (барботаж, применение ультразвука, магнитизация, электроактивация, высоковольтные разряды).
7. Методы интенсификации, связанные с химическим изменением свойств раствора (CMC и ПАВ, окислители, кислоты и щелочи, азеотропы, аммиачные растворы и органические растворители).
В настоящее время трудно назвать область техники, где бы ни применялись ультразвуковые (УЗ) колебания. Особенно эффективно использование ультразвука для проведения и интенсификации ряда технологических процессов. Например, ультразвук используют для очистки изделий, сверления и резки твердых материалов, сварки, при изучении структуры вещества и др. [25,26,27,28].
Большой интерес представляет применение ультразвуковых воздействий на рабочие растворы и текстильные материалы [29, 30, 31, 32]. Ультразвук при жидкостных обработках текстильных материалов существенно активизирует процессы массопереноса на границе раздела фаз «волокнистый материал - раствор» и в самом обрабатываемом материале и способствует интенсификации различных технологических процессов отделки, таких как беление, крашение, промывка и др. [34,25].
Разнообразное воздействие ультразвука объясняется его особенностями. Ультразвук вызывает упругие колебания среды с частотой f=2-104...2-l(f Гц, не воспринимаемые слухом и не сопровождающиеся переносом вещества. Важной характеристикой ультразвука является интенсивность колебаний, представляющая собой силу звукового давления, выражаемого в Вт/м (Вт/см ) [7].
Следует отметить что, ультразвуковая аппаратура довольно дорога и отличается сложностью и большими энергетическими затратами, поэтому в каждом конкретном случае рекомендуется проанализировать целесообразность ее использования [31,26,27].
Опыты отраслевых институтов показывают, что применение ультразвука в процессах промывки является очень эффективным: промывка при воздействии ультразвука ускоряется в 2 - 3 раза при меньшем расходе воды.
Аналитическое решение краевой задачи для процесса промывки тканей
В соответствии с методом Фурье [65] на первом этапе решения краевой задачи (2.15)-(2.18) для процесса промывки находятся ее частные решения, удовлетворяющие соответствующим граничным условиям. Для этого искомое решение ищется в виде произведения двух функций, каждая из которых зависит только от одной переменной, т.е.: С(х,0) = Х(х)-Т(в) (2.19) Подставив функцию (2.19) в уравнение (2.15), получим Х(х) Г (в)=Х"(х) Т{9) (2.20) Т(в) Х(х) Tie) ХНх) Щ-Щ (2.21) [Т(Є) X(x) = const: — 4- = const {127)
Уравнения (2.22) являются следствием основного уравнения (2.20). Действительно, если функция С(х,6) является решением рассматриваемой краевой задачи, то равенство (2.21) должно выполняться при любых значениях Хи в. Последнее возможно только в случае, если обе части равенства (2.21) не зависят ни от X, ни от в, т.е. являются постоянными. Это означает равносильность уравнения (2.20) системе (2.22). Оба уравнения системы являются обыкновенными дифференциальными уравнениями. Решением первого уравнения системы (2.22) являются функции: Г = Мехр(С 9) (2.23) где М- константа интегрирования, С- характеристическая постоянная системы (2.22)
Анализ общего решения первого уравнения системы (2.23) показывает, что при #-»оо и при условии С 0 значения функции Т становятся бесконечно большими. Это противоречит физическому смыслу рассматриваемого процесса. Следовательно характеристическая постоянная С должна быть отрицательна. Для обеспечения этого условия положим: С = -Я2, где Я є R (2.24) С учетом введенного обозначения, решение первого уравнения системы (2.23) принимает вид: Т = Мехр(-Я2в) (2.25)
Второе уравнение системы (2.22) является обыкновенным дифференциальным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами и его обшее решение можно представить в виде: X(0) = NcosAx + KsmAx (2.26) щеЫяК- произвольные коэффициенты. С учетом полученных выражений для функций Т(в) и Х(х) решениями основного уравнения рассматриваемой краевой задачи являются функции: С(х,0) = Мехр{- X20J(N COS Я Х + К sin Я х) = (р cos Я х + q sin Я х)ехр (- Л2 в) (2.27) где константы р = MN и q = МК
Задавая параметру X произвольное значение, можно получать различные частные решения вида (2.27) для рассматриваемой краевой задачи. Однако наличие граничных условий (2.17)-(2.18) накладывает определенные ограничения на этот параметр. Действительно, из указанных граничных условий следует:
С учетом второго уравнения системы (2.29) частные решения рассматриваемой краевой задачи могут быть представлены в виде: ( D Л C(x,$)=q Я—cos Я х + sin Я х ехр(-Я2#) (2.32) \ Р ) где собственные числа X удовлетворяют условно (2.31). Нетрудно заметить, что полученные частные решения зависят от массообменного критерия Bi, т.е. от условий реализации процесса промывки. Последние определяются соотношением внутреннего и внешнего сопротивления переносу распределяемого компонента из ткани в промывной раствор.
Анализ трансцендентного уравнения (2.31), решения которого находятся графически, показывает, что последовательность корней, этого уравнения с увеличением их числа близка к последовательности корней уравнения tg(SA)=0 (2.33)
Следует отметить, что числа X могут принимать и отрицательные значения, но так как X входит в решения в четной степени, эти значения новых решений задачи не дают.
Описание лабораторной установки и методики проведения экспериментов по изучению кинетики процесса промывки
Экспериментальное исследование проводилось на модельных лабораторных установках. Принципиальная схема лабораторных установок приведена на рис.3.3. Модельная лабораторная установка (рис. 3.3а) представляет собой совокупность устройства ультразвуковой очистки УЗО 1-01 "Реут 001V проволочного цилиндрического каркаса (на который помещается исследуемая ткань) и электродвигателя постоянного тока.
Устройство ультразвуковой очистки УЗО 1-01 "Реут 001" выполнено в настольном герметичном исполнении. Оно содержит ванну из нержавеющего материала, на днище которой закреплены два пьезоэлектрических преобразователя, и питающий их ультразвуковой генератор, выполненный на транзисторах. Все устройство размещено в металлическом кожухе і ультразвука; 2, 3 поддоном. Ультразвуковая ванна встроена в кожух, снизу к нему прикрепляется поддон, на котором размещена печатная плата генератора. Для улучшения теплоотвода радиатор с транзисторами приварен к днищу поддона. На передней стенке кожуха расположен глазок лампы индикатора работы генератора. На боковой стенке поддона расположен тумблер СЕТЬ. Устройство подключается к сети с помощью шнура с вилкой. Принцип работы устройства заключается в интенсификации процесса промывки тканей путем создания в моющем растворе акустических колебаний ультразвуковой частоты. Эти колебания создаются двумя пьезопреобразователями, закрепленными на днище ванны с моющим раствором, в который погружена обрабатываемая ткань.
В процессе опытов исследуемая ткань закреплялась на проволочном цилиндрическом каркасе, установленном на оси мешалки, соединенной с электродвигателем постоянного тока, позволяющим плавно регулировать скорость вращения мешалки (ткань размещается на каркасе таким образом, чтобы ее точки находились на одинаковом расстоянии от оси вращения) и помещается в промывную ванну. Промывка ткани на данной лабораторной установке может осуществляться как при использований интенсифицирующего ультразвукового воздействия на промывной раствор (при включенном ультразвуковом устройстве), так и без использования ультразвука (при выключенном ультразвуковом устройстве).
В работах доц. Кошелевой М.К., проф. Реутского В.А. [14, 68] было показано, что используемая установка позволяет моделировать процесс промывки ткани на башенной промывной машине. Кроме этого экспериментальные исследования кинетики процесса промывки проводились на лабораторной установке с одной петлей ткани (рис.33.б) для выбора оптимальной частоты акустических колебаний помимо установок 3.3.а и 3.3б использовались погружные ультразвуковые излучатели фирмы «Техносоник» при этом применялась ванна без ультразвукового воздействия. Частота ультразвуковых колебаний в опытах менялась от 22 до 35 кГц (область изменения была выбрана с учетом литературных данных), при этом мощность ультразвукового устройства составляла 70-120 Вт.
В опытах изучалось влияние модуля ванны и расстояния источника ультразвука на кинетику промывки хлопчатобумажной ткани после мерсеризации при использовании ультразвука для интенсификации процесса.
В процессе эксперимента образцы ткани площадью 132 см2 взвешивались на аналитических весах АДВ-200, для создания необходимого модуля ванны. Далее образцы пропитывались раствором гидроксидз натрия с концентрацией 100 кг/м . Время пропитки определялось из условия г травн . После пропитки образцы вынимались из раствора, отжимались до степени отжима ц = 100 % и методом обратного титрования определялась начальная концентрация щелочи в ткани. Для определения начальной концентрации щелочи в образце бралась его часть массой до 2 г для анализа.
Далее образцы ткани промывались в течение 120 сек при этом через определенные интервалы времени (5, 10, 20, 40, 60, 80, 100, 120 сек) из ткани вырезался образец размером 15 см2, отжимался до ц - 100 % и анализировался на содержание щелочи, при этом на место вырезанного образца подшивался кусок исследуемой ткани такого же размера.
Определение концентрации щелочи на ткани проводилось по методу обратного титрования . Этот метод заключается в следующем: от промытого или пропитанного щелочью (NaOH) образца, предварительно отжатого на плюсовке до 100%-ой влажности, отрезают полоску ткани. Образец помещают в колбу с дистиллированной водой, добавляют несколько капель фенолфталеина и наливают избыток 0,1Н раствора серной кислоты. По Истечении 30 мин избыток кислоты титруют раствором щелочи. Образец промывают и высушивают до постоянной массы.
Инженерный метод расчета процесса промывки тонких хлопчатобумажных тканей в высокоскоростных промывных машинах
В основе разработанного метода расчета процесса промывки хлопчатобумажные тканей в высокоскоростных машинах лежит кинетическое уравнение (2.63), описывающее весь процесс в целом.
Исходными данными для расчета являются параметры ткани, характеризующие ее как промывного раствора в объеме одного аппарата или на одной рабочей петле, для объект промывки, а также технологаческие и конструктивные показатели промывного оборудования. При расчете процесса принимаются следующие допущения: Перед промывкой ткань пропитана раствором загрязнения и отжата до //=100%, Процесс осуществляется последовательно в нескольких аппаратах, соединенных между собой по принципу противотока (рис.4.14), Концентрация башенных машин постоянна.
Исходным данным расчета являются параметры, характеризующие ткань как объект промывки, а также конструктивные и технологические параметры промывного аппарата. К первыми относятся: поверхностная плотность ткани, ширина полотна материала, константа равновесия, начальная концентрация загрязнения в ткани, требуемая конечная концентрация загрязнения в материале. Наиболее существенными технологическими и конструктивными характеристиками промывного аппарата являются; скорость обработки ткани, длина заправки ткани, удельный расход промывного раствора, температура раствора, начальная концентрация загрязнения в промывном растворе [17,38].
Следует отметить, что в отделочном производстве ткань поступает на промывку после различных подготовительных операций, имея разную величину начальной концентрации загрязнения. При высоком значении начального содержания загрязнения С н С кр необходимое число промывных аппаратов в противоточной линии становится достаточно большим. Для сокращения числа аппаратов в состав промывной линии целесообразно включить аппарат предварительной промывки, снабжаемый чистым моющим раствором. При расчетах значение критической концентрации загрязнения в ткани принимается: С =150-10-3 кг 1кг
Алгоритм расчета процесса промывки реализован в виде готового программного продукта и зарегистрирован в отраслевом фонде алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий Федерального агентства по образованию. Указанная программа является интеллектуальной собственностью разработчиков и может быть использована по соглашению с ними.
Самостоятельный интерес представляет численный метод расчета процесса промывки, разработанный на основе решения краевой задачи (2.1-2.5). Он позволяет рассчитать поле концентраций загрязнений в ткани, а также интегральные показатели процесса промывки. Предложенный метод целесообразно использовать на стадии анализа и альтернативного сопоставления различных способов реализации процесса промывки. Разработанная численная процедура реализована на алгоритмическом языке Fortran и является составной частью методики расчета промывки хлопчатобумажных тканей зарегистрированной в отраслевом фонде алгоритмов и программ.
Результаты проведенных исследований говорят о высокой эффективности применения ультразвука в качестве интенсификатора промывки легких хлопчатобумажных тканей после мерсеризации.
Применение ультразвукового интенсифицирования процесса промывки после мерсеризации может быть реализовано на практике без существенных конструктивных и технологических изменений действующих промывных линий. Промывка тканей после мерсеризации на многих отделочных фабриках осуществляется в промывной части типовых мерсеризационных линий, в которую входят шесть промывных машин башенного типа ВМБ-180-10 [6,96].
По расчетам специалистов НТЦ «Техносоник» для повышения эффективности промывки на данной линии необходимо два комплекта ультразвукового оборудования для установки в две промывные машины: один комплект - в последнюю, другой - в промывную машину, где производится промывка с применением моющего средства. Один комплект включает: четыре погружных пьезоэлектрических преобразователя ПП-25/8, которые устанавливаются на боковые стенки емкости ванны по два с двух противоположных сторон, и ультразвуковой генератор (рис. 4.16), потребляемая данной ультразвуковой установкой мощность составит 5 кВт/час.
