На пути интенсификации технологии водной промывки шерсти

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

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.

— 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.