CC BY
64
УДК 677.31.021.156
НА ПУТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ВОДНОЙ ПРОМЫВКИ ШЕРСТИ
К.Л. Запорощенко, к.т.н., С.И. Мирошниченко, к.х.н., Л.А. Башеева (ГНУ СНИИЖК)
Технологический процесс промывки шерсти при ее первичной обработке является процессом с большим водопотреблением. Действующие нормативы ограничивают расход пресной воды на 1 тонну
о
промытой шерсти до 28-30 м3. В связи с изменением экологической обстановки в стране (обмеление и загрязнение рек, а также общее снижение запаса пресной воды) трудности обеспечения промышленности водой неизбежно возрастают. Поэтому разработка ресурсосберегающей технологии и малогабаритного, экономичного моечного оборудования в современных условиях становится актуальной и своевременной задачей, т.к. водная промывка в отечественной практике является преобладающей.
В традиционной машинной технологии водной промывки основная часть загрязнений удаляется из шерсти в процессе ее валкового отжима при давлении в зеве валков 0,30+0,45 мПа. Очевидно, что увеличение числа отжимов шерсти в моющем растворе позволит интенсифицировать процесс водной промывки, что и было подтверждено проведенными исследованиями.
При определении технологических, механических и энергетических характеристик интенсификации промывки исследования проводились в дискретном и непрерывном режимах. В дискретном режиме на лабораторном стенде были выявлены динамика отмыва загрязнений шерсти и определены для шерсти, находящейся в моющем растворе, зависимость давления от плотности сжатой массы шерсти, а также коэффициент трения массы шерсти по стали. В непрерывном режиме в лабораторных условиях определены динамика отмыва загрязнений и расходные и энергетические характеристики процесса интенсификации промывки шерсти.
В исследованиях использовалась овечья шерсть хозяйств Ставропольского края - тонкая мериносовая 64 качества, 1 и 2 длины, сорная и кроссбредная шерсть. Содержание шерстного жира от 10,10 до 18,10%, минеральных примесей от 5,64 до 18,74%, растительных примесей - от 1,17 до 16,9%. Выход шерсти от 54,9 до 74,9%. Прочность шерсти 7,07-7,14 сН/текс. Мочевино-бисульфитная растворимость исходной шерсти (МБР) 35-37%. Масса лабораторной пробы при дискретном режиме промывки была принята 2000 г.
Модуль ванны - отношение массы моющей жидкости в ванне к массе промываемой шерсти - в эксперименте составлял 20:1 против 200:1 на действующем моечном оборудовании. Температура в ваннах и концентрация моющих были приняты в соответствии с ОСТ 10-319.
В эксперименте общий расход моющих средств (мыла и соды) оставался неизменным. Выявлено, что в интервале исследованных параметров дискретного режима разница в содержании остаточных нешерстяных компонентов (жира и минеральных примесей) в промытых пробах статистически не значима, а содержание их соответствует действующей НД. Была определена минимальная частота циклов сжатие-разрыхление, а с целью максимально возможного снижения расхода воды - минимальная величина модуля ванны.
Результаты промывки проб шерсти с различным временем промывки в каждой секции представлены на рис.1. При изменении времени промывки шерсти в одной секции во всем исследованном интервале значений остаточное содержание жира в мытой шерсти практически не изменяется. Зависимость остаточного содержания минеральных примесей имеет оптимум.
Время промывки в ванне, мин.
Рисунок 1. Остаточное содержание нешерстяных компонентов после промывки шерсти (1 - шерстный жир, 2 - минеральные примеси).
При определении числа ванн для промывки шерсти до состояния, соответствующего нормам, исследовалась динамика отмыва нешерстяных компонентов. Каждая проба после промывки анализировалась на остаточное содержание жира, минеральных примесей и мыла на волокне. Результаты анализов усреднялись.
Совокупности результатов анализа проб шерсти, промытых в такой последовательности, представляют собой динамику процесса отмыва нешерстяных компонентов в дискретном режиме интенсивной промывки (рис.2а, 2б). Выявлено, что при относительно большом содержании минеральных примесей в немытой шерсти (более 18%), для достижения нормативного уровня их содержания (2,5%), требуется не менее 5 ванн, в остальных случаях - 3 ванны.
Осн овнои Основной Основной
Основной
ОсС^сувноИ
ОС^о^оИ
ОСноЁноИ о
Основной ОсС^овной Основной
Основной Основной Основной Основной Основной Основной
Номер ванны
Основной Основ ной
Основной Основной Основной Основной Ос&овной Основной
Основной
Основной
Основной
Основной Основной Основной Основной Основной Основной
Номер ванны
Рисунок 2. Изменение содержания остаточных нешерстяных компонентов в процессе интенсивной промывки шерсти по дискретному режиму (1 - проба 603; 2 - проба 17Д).
Усредненные результаты промывки разных проб шерсти достаточно хорошо ложатся на прямые в координатах содержание жира - количество мыла (рис.3а), углы наклона прямых практически одинаковы. Это говорит о близости значений эффективных констант равновесия процесса промывки. Отрезки, отсекаемые прямыми на оси концентраций, находятся в прямой зависимости от исходного содержания жира в пробах шерсти. Таким образом, сильно упрощая, можно рассматривать поведение шерстного жира в конкретном случае промывки как поведение индивидуального вещества, которое можно охарактеризовать некоторыми средними значениями физических и химических свойств (плотность, температура плавления, содержание жирных кислот и спиртов и т.д.).
Для анализа динамики отмыва минеральных примесей приведенный подход не применим, что и подтверждается полученными
результатами (рис.Зб), не выявлено общей зависимости остаточного содержания минеральных примесей от количества мыла, использованного в промывке. Это объясняется тем, что весьма неоднородный состав и количество почвенных загрязнений немытой шерсти зависят от состава почв (черноземы, глиноземы, песчаные почвы), климата природно-экономического района разведения овец и состояния пастбищ.
По результатам проведенных исследований разработан дискретный технологический режим интенсификации водной промывки шерсти с целью его апробации и отработки в непрерывном процессе промывки. Определены параметры режима, приведенные в таблице 1.
Таблица 1. - Технологические параметры интенсификации водной промывки шерсти.__
Параметр Но мер ван ны
1 2 3 4 5
Модуль секции 20:1 20:1 20:1 20:1 20:1
Время промывки, мин. 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0
Число циклов сжатие-разрыхление 40 40 40 40 40
Барботаж: 1. Давление, кПа 2. Расход воздуха, л/мин. 20 15,0 20 15,0 20 15,0 20 15,0 20 15,0
Для управления непрерывным процессом интенсивной водной промывки шерсти и для выявления характера силового взаимодействия рабочих органов с промываемой шерстью были исследованы материаловедческие характеристики массы немытой шерсти в моющих жидкостях: зависимость давления на массу шерсти от ее плотности, модуль деформации, коэффициент бокового давления и коэффициент трения массы шерсти по стали в моющем растворе.
Обработка экспериментальных данных выполнена методом наименьших квадратов с помощью пакета «Анализ данных» в среде Microsoft Excel.
Получены аналитические зависимости давления на массу немытой тонкой шерсти в моющей жидкости от ее плотности (таблица 2), выражающиеся степенной функцией:
p = Ax/n,
где у - плотность массы немытой шерсти, сжатой в моющей жидкости, кг/м3;
A, n - эмпирические коэффициенты.
Графики зависимостей p = A x/n показаны на рис.4.
Общее количество мыла, г.
Основной Оссн о§ной Ос§о|ной
_ ^ а) Ос^свнои
Ос^оИной
Основной нн
Ос&о§ной
от а ОсС^озвной
и X
ОСйо^ной Основной
ОсновнбКсновнбйсновнбйсновнбйс новнбйсновнбйсновнбйсновной
Общее количество мыла, г.
Рисунок 3. Остаточное содержание нешерстяных компонентов в зависимости от количества мыла, использованного в промывке. 1 - проба 16И; 2- проба 15И; 3 - проба 6А; 4 - проба 14И.
Таблица 2. - Зависимость давления от плотности массы немытой тонкой мериносовой шерсти в моющей жидкости, кПа_
Выход шерсти, % Среда
Моющий раствор Полоскательная вода
55 р = 1,39 х 10х/'84 р = 1 , 40 х 10~4 ху1 88
70 р = 7,40 х 10~4 ху165 р = 3 , 04х10~4 ху183
75 р = 19,54 х10~4 ху160 р = 8 , 63 х 10~4 ху1 66
Основной
Основной а
1=
Основной
а) ^
н е
Основной а СГ
Основной
Основной
Основной Основной Основной Основной Основной
о
Плотность, кг/м3
Рисунок 4. Зависимость осевого давления от плотности сжимаемой массы шерсти в моющей жидкости (1 - выход шерсти 75%; 2 - 70%; 3 -55%).
Энергетические параметры силового взаимодействия рабочих органов и обрабатываемого материала зависят от упругих свойств материала и трения в зоне контакта. Упругие свойства массы волокнистого материала принято описывать модулем деформации "Е" и коэффициентом бокового давления "К". При нелинейной зависимости давления "р" от плотности массы шерсти "у" модуль деформации "е'" является первой производной функции осевого давления р = Аху".
Для выявления триботехнических характеристик взаимодействия промываемой шерсти с рабочими органами в процессе экспериментальных исследований была определена сила трения скольжения сжатой шерсти о стенки камеры как разность усилия сжатия РП шерсти в моющей жидкости и нагрузки на упоре РУ:
¥ = Р - Р
1 тр. 1 П РУ '
В общем случае сила трения скольжения
¥ = / х N,
тр. л '
где f - коэффициент трения скольжения;
N - сила нормального давления, Н.
Нормальное давление на стенки камеры можно выразить через осевое давление "р" и коэффициент бокового давления "К", так как сила трения зависит от величины бокового давления "д" на стенки камеры и коэффициента трения Т' массы шерсти по стали в моющей жидкости. Зависимость бокового давления "д" в интервале исследованных изменений осевого давления "р" линейная, т.е. коэффициент бокового
давления, как отношение к = ^ в условиях эксперимента, величина
р
практически постоянная.
В эксперименте коэффициент трения определяли из выражения:
р - р
г _ РП РУ
= К х р х Б '
где Э - боковая поверхность камеры, контактирующая с шерстью,
м2.
Все величины регистрировались в процессе эксперимента. Анализ результатов эксперимента с воздушно-сухой немытой шерстью показал, что зависимость коэффициента бокового давления от влажности массы немытой тонкой шерсти выражается степенной функцией:
К = 0,235 х Ж031,
где W - влажность массы немытой шерсти, %.
Расчетный коэффициент бокового давления для шерсти, сжимаемой в моющих жидкостях при W = 100%, составляет К = 0,98.
Обработка экспериментальных данных показала, что зависимость коэффициента трения массы шерсти по стали в моющей жидкости от плотности сжатой шерсти выражается линейной функцией:
/м = 1,2х 10 3 ху-0,008 - для шерсти с выходом 55%;
/м = 0,011 х 10 3 ху-0,049 - для шерсти с выходом 70%.
Графики функций показаны на рис.5.
С использованием результатов исследования в дискретном режиме силового взаимодействия рабочих органов с промываемой шерстью был изготовлен лабораторный стенд для непрерывной промывки шерсти по интенсивной технологии с многовалковым отжимом.
Экспериментальные исследования непрерывной промывки шерсти последовательно в трех или пяти ваннах по оСт 10-319 с регистрацией давления на слой, расхода воды, моющих и числа отжимов показали, что качество промывки соответствует действующим нормативам (табл.3). Давление на шерсть в зеве валков устанавливалось 30+40 кПа.
о
Плотность, кг/м
Рисунок 5. Зависимость коэффициента трения от плотности массы немытой шерсти в моющей жидкости (1 - выход шерсти В=55%; 2 -В=70%).
Таблица 3. - Качественные показатели шерсти, промытой на лабораторном стенде___
Код пробы и количеств о анализов Наименов ание шерсти Содержание остаточных нешерстяных компонентов, %, тт-тах Прочност ь, сН/текс Мочевино-бисульфит ная растворим ость шерсти, %
Жир Минераль ные примеси Мыло Щелочь
Трехванная промывка
1А; 24 Мер.64к 1с 0,22-0,66 1,28-1,87 1,11-1,31 0,25-0,30 6,54-7,38 33,0-35,24
Пятиванная промывка
1Б, 7 Мер. 64-70к 1-11 сп 0,23-0,27 1,20-1,34 0,60-0,97 0,30-0,36 6,25-6,81 35,0-36,6
1Ч, 13 Крос.58-56к II мз 0,61-1,78 1,63-1,96 0,42-0,68 0,01-0,19 6,93-8,22 33,0-33,8
Разница в величине прочности и мочевино-бисульфитной растворимости шерсти до и после промывки свидетельствует о том, что в процессе промывки шерсть практически не повреждается. Свойлачивания шерсти не выявлено.
В каждой ванне шерсть исследовали после каждой пары валкового отжима путем отбора проб на остаточные нешерстяные компоненты, а также отжатые моющие растворы - на сухой остаток. Динамика промывки шерсти многократным отжимом показана на рис.6, где горизонталями 1,15 и 2,5 показано нормативное содержание остаточных жира и минеральных примесей в мытой шерсти по ГОСТ 26383. Отдельным графиком показана динамика перехода минеральных загрязнений из шерсти в моечные растворы (сухой остаток).
Рисунок 6. Динамика отмыва нешерстяных компонентов, % и сухой остаток, г/л. (Шерсть мер. 64 1-11 сп. Вых. 43%)
— остаточный жир; - - ■ остаточные минеральные примеси; ■ х сухой остаток.
Результаты стендовых исследований показали, что при трехкратном валковом отжиме шерсти в одной ванне расчетная энергоемкость промывки по интенсивной технологии составляет 0,011 кВт/кг против 0,095 кВт/кг мытой шерсти по традиционной технологии.
По результатам проведенных исследований подготовлены исходные требования на проектирование и разработан комплект конструкторской документации на секцию для водной промывки шерсти по интенсивной технологии, обеспечивающей ожидаемые сокращения расхода воды и моющих средств в 1,5-2 раза, энергоресурсов - в 2 раза, объема сточных вод - в 1,5-2 раза, металлоемкости оборудования - в 5 раз, экономии производственных площадей и строительных объемов - в 5 раз. Исследования продолжаются.
