Малюшевська Антоніна Павлівна

УДК 677.11:677.027.625.17

РОЗРОБКА ОСНОВ РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ГЛИБОКОЇ ПЕРЕРОБКИ ЛЬОНОВОЛОКНА ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ ЕЛЕКТРОРОЗРЯДНОЇ НЕЛІНІЙНОЇ ОБ’ЄМНОЇ КАВІТАЦІЇ

Спеціальність 05.19.03 - технологія текстильних матеріалів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Херсон 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті імпульсних процесів і технологій Національної академії наук України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Тіманов Віктор Миколайович

Херсонський національний технічний університет,

доцент кафедри “Механічна технологія і дизайн волокнистих матеріалів”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Малкін Едуард Семенович, Інститут технічної теплофізики НАН України (м. Київ), завідувач лабораторії

доктор фізико-математичних наук, професор Муленко Іван Олексійович, Національний університет кораблебудування ім. адмірала Макарова (м. Миколаїв), професор кафедри вищої математики

Провідна установа:

Хмельницький національний університет, кафедра машин та апаратів легкої промисловості, Міністерство освіти і науки України, м. Хмельницький

Захист відбудеться “22” червня 2005 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.02 у Херсонському національному технічному університеті за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського національного технічного університету за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24

Автореферат розісланий “20” травня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Сумська О.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В Україні існує понад 30 промислових виробництв легкої, текстильної і медичної промисловості, які працювали на бавовняній сировині, що ввозилася. Сучасна проблема нестачі бавовняної сировини може бути вирішена в Україні шляхом переводу її підприємств на вітчизняну сировину, зокрема льон. Необхідність наповнення ринку сировини вітчизняним, з високими потенціальними прядивними та споживчими показниками волокном, призвела до інтенсифікації робіт у напрямку пошуку новітніх способів котонізації.

Одним з найбільш перспективних способів котонізації є електророзрядна обробка льоноволокна в режимі електророзрядної об’ємної кавітації. Важливе місце у вирішенні питання покращення характеристик волокна льону під час підготовки його до виробництва вати чи до прядіння займає розробка основ ресурсозберігаючої маловідходної технології та обладнання для електророзрядного впливу на волокно льону у рідкому середовищі.

Актуальність електророзрядного способу котонізації лляних волокон полягає не тільки у створенні низькоенерго- і матеріаломісткого процесу, його високій екологічній безпеці, але й в реалізації можливості керування процесом котонізації, оскільки дозволяє одержувати волокно низької собівартості з високими заданими параметрами, що суттєво розширить асортимент тканин, що випускаються, створить можливість виготовлення з льоноволокна елітної групи виробів медичного призначення, дитячого асортименту, натільної білизни, а також медичної вати з пачосів лляного волокна при маловідходності виробництва і значному ресурсозберіганні.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає програмі реформування економіки і соціально-економічного розвитку Херсонської області "Проект стратегії соціально-економічного розвитку Херсонської області на період до 2011 року", відповідає плану науково-дослідної роботи ХДТУ за темою “Дослідження теоретичних та практичних аспектів опоряджування текстильних матеріалів з котонізованого лляного волокна” №ДР 0198U005489. Робота виконувалась відповідно до тематичного плану Інституту імпульсних процесів і технологій НАН України (ІІПТ НАН України); нижченаведені НДР відповідають основному науковому напряму діяльності ІІПТ НАН України: ”Дослідження імпульсної дії високоінтенсивних потоків енергії на багатофазні середовища, різноманітні матеріали та конструкції і створення на цій основі нових технологій”. Дисертант була виконавцем НДР “Дослідити механо-хімічні процеси в рідинно-волоконних структурах при електровибуховій обробці і створити електророзрядну технологію одержання високоякісних лляних волокон з метою застосування їх у текстильній промисловості та при виробництві медичної вати та інших стратегічних матеріалів”, №ДР 0197U000575 (1997-1999 роки) та НДР “Дослідити принципи створення і керування електророзрядною нелінійною, об’ємною кавітацією для використання в механо-хімічних процесах обробки льоноволокна для одержання текстильної нитки” №ДР 0100U004073 (2000-2002 роки).

Особистий внесок автора у виконанні зазначених НДР полягає в утворенні керованого механізму швидкого вилучення нецелюлозних речовин із лляного волокна за допомогою підводних електричних розрядів, що збуджують в реакторі великі кавітаційні зони, а також у запропонуванні основ реального маловідходного ресурсозберігаючого технологічного процесу і електророзрядного устаткування для виробництва високоякісного лляного волокна.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень в рамках дисертаційної роботи є встановлення основних закономірностей фізико- і механо-хімічних процесів у водоволоконних середовищах при їх електророзрядній обробці, створення основ маловідходної ресурсозберігаючої технології та обладнання для глибокої переробки лляного волокна, що забезпечує його необхідні споживчі властивості.

Для досягнення мети роботи потрібно було вирішити наступні задачі:

- вивчити закономірності розвитку електричного розряду в режимі електророзрядної нелінійної об’ємної кавітації, принципи керування електророзрядною нелінійною об'ємною кавітацією;

- вивчити стан середовища і зміни його властивостей в умовах електророзрядної обробки водоволоконних суспензій льоноволокна;

- дослідити процеси, які супроводжують електророзрядну нелінійну об’ємну кавітацію у воді і суспензіях лляного волокна; визначити основні чинники дії електричного розряду на льоноволокно;

- дослідити закономірності розщеплювання та очищення лляного волокна, екстракцію водорозчинної нецелюлозної речовини;

- визначити оптимальні параметри джерела імпульсів і найбільш ефективні режими глибокої обробки льоноволокна; розробити основні конструктивні особливості розрядних реакторів для різних режимів роботи;

- розробити технічне завдання на створення високоекономічних установок періодичної та безперервної дії для виготовлення лляної вати;

- випробувати розроблену технологію глибокої переробки льоноволокна для одержання лляной вати.

Об’єкт дослідження – процес деінкрустації льоноволокна.

Предмет дослідження – льоноволокна, оброблені в електророзрядний спосіб.

Методи досліджень. При вирішенні поставлених задач використовували наступні теоретичні та експериментальні методи:

-

-

-

-

регресійного і кореляційного аналізу із застосуванням персонального комп’ютера в середовищах “Іmage Analizer Version 1.0”, “Microsoft Excel”, “Microsoft Word”;

-

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

- вперше в технології текстильних матеріалів науково обґрунтовано механізм електророзрядного розщеплювання льоноволокна та вилучення нецелюлозних речовин з нього для покращення споживчих властивостей шляхом використання електророзрядної нелінійної об’ємної кавітації;

- встановлено раніше не відомі особливості та параметри електророзрядної нелінійної об'ємної кавітації у водоволоконних суспензіях технологічних реакторів, такі як форма і структура кавітаційної області, розподіл кавітаційних міхурів за розмірами, інтенсивність кавітації, їх вплив на процеси очищення лляного волокна від нецелюлозних речовин шляхом інтенсифікації процесів деструкції пектинів і екстракції лігніну;

- вперше науково обґрунтовано механізм багаторазового підвищення швидкості процесу вилучення нецелюлозних речовин з льоноволокна без збитку для якості целюлозної складової із багаторазовим ресурсозберіганням, за рахунок дії електророзрядних кавітаційних чинників, які інтенсифікують рух робочих розчинів в капілярно-поровому масиві льоноволокна та забезпечують деструкцію лігновуглеводного комплексу;

- вперше докладно вивчено кінетику процесів електророзрядної обробки льоноволокна за умов зміні технологічних параметрів (енергії в імпульсі, частоти посилань імпульсів, загальних витрат енергії), отримано енергетичні та масові залежності процесу деінкрустації.

Практичне значення одержаних результатів. Використання електророзрядного способу обробки льоноволокна:

- вирішує науково-технічну задачу зростання швидкості процесу очищення лляного волокна від нецелюлозних речовин при збереженні якості кінцевого продукту;

- дозволяє повністю виключити використання хімреагентів, необхідних для вилучення нецелюлозних речовин з льоноволокна за діючими технологіями;

- дозволяє виключити витрати хімреагентів, що традиційно використовують для нейтралізації хімічних речовин основного процесу, зменшити забруднення стічних вод підприємством;

- вирішує науково-технічну задачу зменшення кількості хімреагентів для вибілювання льоноволокна за рахунок використання синергідного ефекту об’єднання хімічної та електрофізичної обробок сировини під час виготовлення лляної вати;

- забезпечує зменшення теплових витрат на одиницю ваги одержуваного льоноволокна за рахунок проведення технологічних операцій виготовлення якісного льоноволокна при температурі 18-20ОС;

- вирішує задачу збільшення виходу штапельних льоноволокон, що можуть бути використані для виготовлення якісних виробів;

- дозволяє виготовляти медичну гігроскопічну вату з пачосів лляного волокна.

Розроблену технологію перевірено в умовах стендових випробувань з використанням напівпромислових установок безперервної обробки волокон льону. Випробування здійснювались науково-технічним центром “ВЕГА” ІІПТ НАН України та показали позитивні результати (акт виробничих випробувань від 15.09.2004). Електророзрядна технологія одержання високоякісного льоноволокна забезпечить виготовлення медичної вати із споживчими властивостями, які будуть відповідати вимогам діючих стандартів: ГОСТ 5556-81 і ТУ 24.4-31301408-002-2001. Технічні рекомендації щодо виготовлення лляної медичної гігроскопічної вати і технічне завдання на створення обладнання для електророзрядної інтенсифікації льнопереробляючих виробництв розглянуто, обговорено і схвалено технічною радою Херсонського бавовняного комбінату (протокол № 4 від 15.08.2003, акт передачі технічних рекомендацій від 24.11.2004).

Згідно з економічним розрахунком, вартість вати, одержаної електророзрядним способом з пачосів лляного волокна, як готової до реалізації продукції, у 6,8 разів менше вартості аналогічної бавовняної. Електророзрядна інтенсифікація процессу виробництва котоніна з лляного волокна дозволить одержати економічний ефект 7000 грн. на 1 т. готової продукції.

Особистий внесок здобувача полягає у теоретичному та експериментальному обґрунтуванні використання підводних електричних розрядів для інтенсифікації руху робочих розчинів у капілярно-поровому середовищі льоноволокна в реакторі; визначенні ролі електророзрядної кавітації в процесах обробки малорозмірних об’єктів; вивченні кінетики вилучення нецелюлозних речовин з льоноволокна; розробці основ ресурсозберігаючої розрядно-імпульсної технології одержання високоякісного льоноволокна; розробці технічного завдання на проектування електророзрядної установки для промислового використання.

У наукових працях, які опубліковано у співавторстві, авторові належить напрацювання експериментальних даних, узагальнення результатів та їх теоретичне обґрунтування, висновки.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались, обговорювались, одержали позитивну оцінку:

- на XI Міжнародному науковому семінарі “Физика импульсных разрядов в конденсированных средах”, м. Миколаїв, серпень 2003 р.;

- на засіданні технічної ради відкритого акціонерного товариства “Херсонський бавовняний комбінат”, протокол № 4 від 15.08.2003;

- на Міжнародній науковій конференції "Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины", м. Херсон, квітень 2004 р.;

- на засіданні кафедри “Механічної технології і дизайну волокнистих матеріалів” Херсонського державного технічного університету, м. Херсон, 11.06.2004;

- на засіданні технічної ради науково-технічного центру "ВЕГА" Інституту імпульсних процесів і технологій Національної академії наук України, м. Миколаїв, протокол від 25.06.2004;

- на міжкафедральному науковому семінарі Херсонського державного технічного університету, м. Херсон, протокол № 3 від 11.11.2004;

- на Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих наукових робітників “Електротехніка і електромеханіка”, м. Миколаїв, листопад 2004 р;

- на розширеному науковому семінарі Наукового відділу електрофізичних досліджень Інституту імпульсних процесів і технологій НАН України, м.Миколаїв, протокол від 03.02.2005.

Публікації. Положення дисертаційної роботи викладено в 15 публікаціях, у тому числі статей у наукових фахових журналах – 10; статей у збірниках наукових праць – 2; тез доповідей на наукових конференціях – 3.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів основної частини, висновків, списку літературних джерел і двох додатків. Дисертація викладена на 154 машинописних сторінках, містить 20 таблиць, 27 рисунків, список використаних літературних джерел з 118 найменувань. Обсяг додатків - 29 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено можливість наповнення сировинної бази текстильної бавовнопереробної промисловості України вітчизняним, відносно дешевим, з високими прядивними і споживчими показниками льоноволокном. Визначено показники, якими повинна характеризуватися сировина з льону, як замінювач бавовни. Показано, що одним із найперспективніших способів обробки льоноволокна для досягнення таких показників є електророзрядний спосіб, у режимі електророзрядної нелінійної, об'ємної кавітації. Сформульовано актуальність теми, мету і задачі дисертаційної роботи, визначено межи досліджень, розкрито наукову новизну, практичну значущість роботи.

У першому розділі наведено результати аналізу науково-технічної і патентної інформації, з яких можна зробити висновок, що найменш дослідженою складовою залишається фізико-механо-хімічний спосіб котонізації лляного волокна шляхом електророзрядної дії. Доведено, що забезпечити зменшення витрат теплової енергії, хімічних реактивів і часу обробки льоноволокна при високій якості вилучення нецелюлозних речовин і відносно невеликих первинних витратах, може тільки фізико-механо-хімічний спосіб котонізації лляного волокна, насамперед, електророзрядна дія на льоноволокно.

Застосування електророзрядного способу для вилучення (екстракції) нецелюлозних компонентів з рослинної сировини може значно поліпшити умови вилучення, набагато скоротити час процесу, забезпечити екологічну безпеку виробництва. Але ж, практично відсутня системна інформація для вибору оптимальних параметрів імпульсів, які забезпечують необхідну електророзрядну кавітацію; режиму роботи установок, характеристик і конструкцій робочих камер та ін., що дозволило б розробляти технологічні схеми і апарати для реалізації процесу. Таке положення пов'язане з відсутністю науково обґрунтованої концепції щодо впливу різних чинників, які супроводжують електричний розряд у рідині, їх дії на стан суспензії, особливо при імпульсній обробці. Рівень вивчення процесу на цей час недостатній для його широкого впровадження в практику, і це підтверджується відсутністю в літературі інформації про промислове використання способу, конструкції установок і результатів їх випробувань, не дивлячись на безсумнівну перспективність його застосування для обробки рослинної сировини з метою вилучення інкрустів.

Сформульовано мету роботи і визначено задачі, які необхідно розв’язати для її досягнення.

Другий розділ присвячений методам виконання експериментальних досліджень, опису електророзрядних джерел імпульсів, систем вимірювань і робочих камер, використаних в роботі, статистичним методам обробки одержаних результатів, а також інформації про використану в роботі рослинну сировину. Дослідження виконувались на трьох дослідних установках, які були укомплектовані апаратурою для вимірювання струмів і напруги в електророзрядних колах, швидкісної кінореєстрації процесів у рідині розрядних камер, вимірювань електрофізичних властивостей робочої рідини, морфологічних вимірювань характеристик льоноволокна до і після електророзрядної обробки, точного зважування тощо. Генератор імпульсних струмів дозволяв варіювати початкову напругу Uo від 5 до 50 кВ, енергію в імпульсі Wo від 1 до 300 Дж, частоту посилань імпульсів f до 10 Гц і використовувався для вивчення явищ електричного пробою води і розчинів, кавітаційних явищ, динаміки парогазової порожнини розряду.

Для проведення досліджень використовувалися такі розрядні камери, які дозволяли проводити оптичну швидкісну зйомку процесів за допомогою швидкісних кінокамер СКС, Пуск-16, ВФУ-1м в необхідних режимах. Інтенсивність кавітації також вимірювалась йодометричним методом, який дозволяв кількісно оцінювати концентрацію хімічно активних часток-окислювачів, що генеруються з молекул води, коли колапсирують кавитаційні бульбашки.

У ході досліджень використовувалися штапельки та пачоси стандартного льоноволокна. Вибір сировини визначався спроможністю встановлення загальних закономірностей процесу електророзрядного вилучення нецелюлозних речовин для широкого спектра варіювання параметрами розрядів і геометрії камер, а також можливістю практичного використання розробленої технології та швидкого її використання у промисловісті. Характеристики льоноволокон встановлювались за стандартними методиками. Аналіз вилученої інкрустуючої речовини виконували ваговим методом після обробки та просушування волокна. Якість виготовленого волокна оцінювалась в лабораторіях Херсонського бавовняного комбінату. Детально описано дослідження впливу електророзрядної обробки льоноволокна на процес очищення целюлозних волокон від інкрустуючих органічних речовин методом контролю зміни електропровідності водного середовища кондуктометричним методом. У процесі обробки експериментальних даних використовувалися методи математичної статистики.

У третьому розділі наведено результати досліджень стану рідини електророзрядних реакторів під час обробки електричними розрядами в режимі електророзрядної кавітації, вивчено основні чинники, які діють на вихідні показники руйнування рослинної сировини і вилучення водорозчинних супутників целюлози.

Вивчення зміни електричної міцності води, як основної компоненти технологічної суспензії, при імпульсній дії на неї показало, що час запізнення розряду змінюється у процесі обробки, а такі показники як рН, питома електропровідність, середня температура води мало змінюються. Значна зміна часу запізнення розряду є наслідком газоутворення в робочому об'ємі. Рідина тут вже являє собою псевдокиплячу систему, яка підходить для виникнення кавітаційних процесів. Уявлення про те, що основним діючим фактором при розщепленні рослинної сировини є стискуюча фаза ударної хвилі, яка генерується каналом розряду, є необґрунтованим. Розрахунком показано, що у пружно-в'язкому середовищі та у двофазній рідині її роль незначна, у зв'язку з великими дісипативними втратами енергії і малими розмірами твердої фази. Проте, одним з головних діючих чинників, які призводять до розщеплення або руйнування волокна, є кавітаційні процеси, які формуються у фазі розтягування за фронтом ударної хвилі або відбитих від вільної поверхні, чи стінок розрядної камери хвиль.

Експериментально доведено, що кавітаційні зародки з'являються у великій кількості ще у передпробивній стадії за рахунок значного газовиділення у розрядному проміжку в середовищі з підвищеною електропровідністю, оскільки вода насичується органічною речовиною. Це більш-менш компактне газоутворення, яке і формує електричний пробій рідини, розбивається на мікробульбашки ударною хвилею розряду, сформованого вслід за цим пробоєм. Саме вони служать зародками електророзрядної кавітації. Вперше експериментально на кінограмі зареєстровано повний цикл зародження, розвитку, згасання та зникнення електророзрядної кавітаційної області в реакторі, час життя якої значно перевищує час активної стадії електричного розряду і може досягати 500 мс і більше. Кінограми аналізувалися покадрово з використанням програмної комп'ютерної фільтрації з метою найбільш повного та чіткого виявлення структури: фільтри "Рельєф поверхні" і "Лапласа". Таким чином був оброблений кожний кадр фільму, який зафіксував увесь спектр кавітаційного явища, що дозволило встановити кінетику розвитку кавітаційної області. Аналіз виконувався за комп'ютерною програмою "Іmage Analizer Version 1.0". Вимірюванням зміни рівня вільної поверхні при спокійній рідині в розрядній камері і при розвиненій кавітації було розраховано яку долю загального об'єму рідини займають кавітаційні бульбашки. Визначено, що ця доля становить 3-5 %. За допомогою йодометричного методу встановлено: інтенсивність кавітації росте пропорційно кількості розрядів і залежить від ємності батареї конденсаторів С (рис. 1).

Рис. 1. Залежність інтенсивності кавітації від кількості розрядів (імпульсів): 1- С=0,1 мкФ; 2 – С=0,25 мкФ; 3 – С=0,5 мкФ.

Ще однією важливою характеристикою електророзрядної кавітації є її залежність від частоти посилань імпульсів, що показано на рис. 2 (С = 0,5 мкФ). Це є важливий результат досліджень, такий, що підтверджує гіпотезу про генерування електророзрядної кавітації, дає ключ для вирішення проблеми керування кавітацією, а також демонструє шлях до підвищення інтенсивності кавітації, якого немає практично у жодного з відомих способів генерування кавітації. Окрім цього, необхідно враховувати при проектуванні, що частоту посилань імпульсів не слід призначати більшою ніж 8-10 Гц.

Рис. 2. Залежність інтенсивності кавітації від кількості та частоти імпульсів:

1 - f = 1 імп./с; 2 - f = 6 імп./с; 3 – f =10 імп./с.

Значну роль для процесів очищення і диспергування рослинної сировини можуть відігравати турбулентні рухи рідини в реакторі, що пов'язані з динамікою післярозрядної порожнини. Швидкість руху рідини при розщеплені цієї сировини може бути 40-50 м/с. Рідина закипає, коли віддається від стінок камери та виходить на поверхню, цим самим добре перемішуючи волокно, що обробляється.

Доведено вплив на електророзрядну кавітацію геометрії реактора, взаєморозташування вільної поверхні, електродних систем і дна реактора. Зокрема встановлено, що в реакторах з жорсткими стінками кавітація розвивається значно слабше, ніж в реакторах з достатньо піддатливими стінками. Це дуже важливий висновок для практичної реалізації електророзрядної кавітації в технологічних процесах, як інструмент впливу на речовину. Наявність вільної поверхні в розрядній камері це обов'язкова умова генерування повноцінної електророзрядної кавітації.

Четвертий розділ присвячений дослідженням кінетики розщеплення й очищення лляного волокна за рахунок електророзрядної дії на водоволоконні системи і капілярні процеси в полі такої дії і наведено основні результати таких досліджень. Використання всієї сукупності фізичних та фізико-хімічних явищ, які є при електричному розряді в рідині, інтенсифікує процес вилучення нецелюлозної речовини, дозволяє знизити температуру робочого розчину і суттєво зменшити час обробки.

При обробці лігніновмісних волокон відбуваються глибокі якісні зміни структури природного лігніну: розрив різних, в тому числі валентних зв'язків, конверсія сітки лігніну з виникненням С?С зв'язків; модифікація функціональних груп і ароматичних структурних одиниць. Розщеплення зв'язків приводить до фрагментації та розчинення лігніну. При делігніфікації відбувається фрагментація лігніну за рахунок розриву алкіл-арильних ефірних зв'язків і розчинення низькомолекулярних фракцій лігніну. Реакції деметоксілірування підвищують гідрофільність лігніну.

Деалкіювання лігніну викликає значну деструкцію його макромолекули, тому що більш ніж половина зв'язків проміж структурними одиницями відноситься до такого типу. Активно діють окислювачі [O], що виникають під час електричного розряду у воді. Таким чином, процес делігніфікації під дією електричного розряду здійснюється як за рахунок електророзрядної активації розчинених реагентів (наприклад, NaClO Na*+ ClO*), так і за рахунок виникнення активних окислювачів з молекул води (Н*, ОН*, О*, Н2О2*), виникаючих як результат інтенсивної електророзрядної нелінійної кавітації. Причому в останньому випадку активних окислювачів більше, ніж при використанні хімреагенту.

Взаємодія лігніну з окислювачами, що утворюються при електророзрядній обробці води, може протікати за наведеним нижче рівнянням реакції, де [O] - активні окислювачі.

Аналіз результатів експериментальних досліджень руху рідини в капілярних системах, а також при розчиненні лігніну і пектинів виконано з точки зору кавітаційно-акустичної інтенсифікації процесу.

Механізм процесу заснований на виникненні так званого звукокапілярного тиску, що має місце при високоамплітудних коливаннях кавітаційної бульбашки або групи кавітаційних бульбашок у близькій зоні устя капіляра або навіть у самому капілярі. Формула для оцінення руху рідини в капілярі в електророзрядному акустичному полі:

, (1)

де g - прискорення вільного падіння; Rmin - мінімальний радіус бульбашки при схлопуванні; Rk- радіус капіляра; pm - амплітуда тиску ударної хвилі, що виникає при схлопуванні бульбашки; r - відстань від центру бульбашки до капіляра; з – динамічна в'язкість. Оцінка показує, що для рm= 35 МПа, Rmin= 10-5 м, Rk= 10-5 м, = 10-3 Па·с, g= 9,81 м/с2 висота підйому рідини в капілярі h = 35 мм; що по порядку величини відповідає значенням, одержаним експериментально.

Аналіз дифузійного процесу при електророзрядній кавітації вказує, що на швидкість процесу впливає як вирівнювання концентрації, яке відбувається під дією кавітаційно-акустичних та мікротечій, так і зняття дифузійних обмежень на кордоні рідина-тверде тіло, що викликають кавітаційні бульбашки. Вже при замалих швидкостях конвективна дифузія має значну перевагу над молекулярною. Збільшення швидкості розчинення часток пектинів та лігніну в імпульсних кавітаційно-акустичних полях пояснюється також виникненням специфічних умов поблизу кавітуючої бульбашки: потоки довкола нього періодично змінюються як за розміром, так і за напрямком. Частинки розчиненої речовини знаходяться у цих знакозмінних потоках, тому в цьому разі швидкість розчинення може зростати на порядок величини і більше, якщо брати до уваги генерування нових поверхонь, як результат диспергування розчинюваних часток. У деякій частині матеріалу розчиняється лігнін, що знаходиться у вигляді шару на підстильній поверхні з целюлози. Тут прискорення процесу в кавітаційно-акустичному полі здійснюється двома способами. По-перше, утворювані акустичні течії на кордоні розподілу середовищ переводять процес з області молекулярної дифузії в область конвективної дифузії, яка значно прискорює загальний дифузійний процес. По-друге, потік кавітаційних бульбашок до поверхні створює умови, які сприяють руйнуванню дифузійного прикордонного шару та збільшенню поверхні розчинення. У цьому ж розділі наведено результати досліджень осадку в рідині електророзрядних реакторів після обробки льоносировини.

Аналіз дослідницьких даних дозволив встановити важливі факти:

зменшення електроопору при електророзрядній обробці води із сировиною здійснюється як за рахунок екстракції водорозчинних органічних сполук, так і за рахунок зміни властивостей самої води;

рівень передпробивних втрат енергії при електророзрядній обробці визначається параметрами розрядного контура і початковою електропровідністю води у реакторі;

чим більше концентрація сировини у реакторній воді, тим сильніше зростає електропровідність, що може вимагати уточнення режиму роботи генератора імпульсних струмів;

ударні хвилі підводних розрядів, проходячи скрізь товщу сировини, втрачають енергію. Чим більша товща волокна та його щільність, тим гірше оброблюваність його внутрішніх шарів. Товщина шару волокна не повинна перевищувати 100 мм;

після електророзрядної обробки в порційному режимі рідина реактора насичується колоїдними частками, що можуть знов осідати на поверхні волокон, тому потрібне промивання після обробки або використання безперервного подання волокна в розрядну зону з таким же безперервним відбором поза неї.

З метою вивчення кінетики процесів технологічного очищення та кондиціювання льоноволокна в умовах комплексної дії підводного електричного розряду для кількісних оцінок було обрано інтегруючий масово-енергетичний показник [m]. Його обчислювали точним зважуванням зразків волокна до обробки та після неї, встановленням унесеної маси, як різниці цих мас, віднесення її до первісної ваги зразка, вимірюванням сумарної енергії, витраченої за кожну таку операцію. Потім здійснювався розрахунок кількості таких операцій та розрахунок кількості виділених з волокон нецелюлозних речовин, які пришлися на одиницю витраченої на це енергії. Масо-енергетичний показник [m] має розмірність мг/г·Дж.

Цей показник дуже зручний і в прикладному значенні з його допомогою легко перераховувати суто технологічні показники процесів обробки льоноволокна і енергетичні характеристики генераторів імпульсних струмів.

В ході експерименту фіксувалися: число імпульсів дії n, частота посилань імпульсів f, енергія імпульсу W0 (шляхом перерахунку із зміряними робочою напругою та ємністю конденсатора), початкова і кінцева вага зразків m0, mk.

На рис. 3 показані зміни масово-енергетичного показника, як результат обробки сухого лляного волокна розрядами з енергією в імпульсі W0= 25 Дж. Найбільших значень [m] досягає в інтервалі 1-50 імпульсів (рис. 3), але потім у кожному інтервалі кратному 50 відбувається швидке зменшення масово-енергетичного показника. Це пояснюється тим, що з початку процесу очищення волокна загальна концентрація нецелюлозних речовин ще достатньо висока і легко зруйнована розрядом частина їх швидко переходить у розчин. Надалі співвідношення легко руйнованої речовини і тієї, що руйнується трудніше, зміщується вбік останніх, що в цілому уповільнює процес очищення волокна. Однак, більша частина інкрустуючої речовини видаляється саме за перші десятки імпульсів електророзрядної дії. Найбільша кількість нецелюлозної речовини видаляється із зразків волокна для при ємності конденсатора С = 0,4 мкФ, при цьому спостерігалася найбільша швидкість очищення волокна. Це підтверджує те, що в процесах електророзрядної очистки льоноволокна велика роль найпізніших стадій електророзрядної кавітації, коли вона переходить в стаціонарний режим і стає розвиненою післярозрядна пульсація кавітаційних бульбашок. Зі збільшенням енергії в імпульсі ефективність її використання зменшується і значення [m] також зменшуються. Найбільша швидкість видалення нецелюлозних речовин становила 12,8 мг/г·Дж·с для режиму W0= 25 Дж, С = 0,4 мкФ, f = 2 Гц. Відповідно в усіх інших досліджених режимах ця швидкість була значно меншою.

Рис. 3. Діаграма залежності масо-енергетичного показника від кількості імпульсів, частоти посилань імпульсів при W0=25Дж, С=0,4 мкФ: 1- f= 2 Гц; 2 - f= 4 Гц; 3 - f= 6 Гц.

Цікавими є результати досліджень кінетики видалення нецелюлозної речовини з льняного волокна після попереднього замочування. На рис. 4 показано результати досліджень кінетики очищення льоноволокна в різних діапазонах послідовностей імпульсів для різного часу попереднього замочування. З них випливає, що фактор замочування сильно впливає на кінетику очищення волокна: підсилюючи процес електророзрядного видалення нецелюлозних речовин; збільшуючи глибину очищення; свідчить про те, що в масиві волокна спостерігаються процеси вилучення з волокон інкрустів та повернення їх до вже очищеного волокна. Процес електророзрядного вилучення інкрустів із льоноволокна має хвилеподібний характер і доцільно будувати економічний технологічний процес електророзрядного очищення волокна в першій стадії хвилі.

Рис. 4. Залежність масо-енергетичного показника від діапазонів діючих імпульсів для різного часу попереднього замочування: 1 – 1 год.; 2 – 24 год.; 3 – 4 год.; 4 – 0 год.

В цілому аналіз кінетики очищення льоноволокна дозволяє стверджувати, що промислова обробка льоноволокна повинна проходити при невисоких рівнях енергії в імпульсі (25-30 Дж), при низькій частоті (2 Гц) посилання імпульсів у багатоелектродній системі з одногодинним замочуванням і в призначеному інтервалі послідовностей імпульсів (до 100 імпульсів на одиницю об’єму). Це є цілком можливим для обробки волокна, занурюваного під воду тонким шаром на сітчастій конвейєрній стрічці.

Крім того, у розділі наведено дані по вивченню впливу різних чинників електричного розряду на процес очищення льоноволокна від нецелюлозних речовин за допомогою математичного планування методом Бокса-Уїлсона.

П'ятий розділ цілком присвячений теоретичному осмисленню механізму руху рідини у відносно товстому шарі волокна, а також в капілярах волокон. Це є цілком необхідним для поглибленого з'ясування кінетики руху рідини у волоконно-капілярній системі льоноволокно-рідина під впливом первинних хвиль тиску електричного розряду та вторинних, що генеруються пульсуючими і коллапсуючими кавітаційними бульбашками. Вищеописані експериментальні дані показали, що цей рух рідини відіграє головну роль у процесі обробки волокна підводними електричними розрядами.

Аналізувався процес руху рідини у волокно-капілярному масиві, що обіймає з усіх боків розрядний проміжок, лінійний розмір якого у радіальному напрямку R. Вода заповнює всю електророзрядну камеру і волокно-капілярний масив, який знаходиться в ній. Просування рідини у волоконно-капілярну систему відбувається під впливом зовнішнього тиску рв, який складається з гідростатичного тиску рг і змінного тиску імпульсного характеру рн, та під впливом капілярного тиску рк:

рг+ рн+ рк = рв (2)

Оскільки гідростатичний тиск незначний, то його величиною можна нехтувати. Тоді

рн+ рк = рв (3)

При тиску рідини у волоконно-капілярній системі, зовнішньому тиску рв протидіятиме тиск, пов'язаний з подоланням комплексного тертя рідини, що рухається в капілярній системі та із стисненням газової фази, що затиснена в цій системі

рв= р + ргд (4)

де р - перепад тиску, пов'язаний з опором тертя рідини в капілярі;

ргд - тиск паро-повітряної суміші, затисненої у волоконно-капілярній системі.

Отримано наступне рівняння для часу просунення фронту рідини на повний радіус R:

, (5)

де B=8/rк2 ( - в'язкість рідини; rк - середній радіус капілярів); R'- просунення фронту за 1 імпульс; - щільність рідини; U - напруга на обкладинках конденсатора; L - індуктивність розрядного контуру; lp – довжина розрядного проміжку; b1 – відома безрозмірна функція критерію подібності.

Аналіз цього рівняння дозволяє встановити, що величина просування фронту рідини у волокно-капілярному середовищі за один імпульс зростає з підвищенням амплітуди імпульсів тиску і зменшенням відстані фронту від осі розрядного проміжку. З наростанням загальної кількості імпульсів дії на заданий об'єм середовища прибуток просування фронту буде поступово зменшуватися. Це пов'язано із зростанням протитиску, як наслідку зростання комплексного тертя в капілярах і стискання пароповітряної суміші в окремих ділянках капілярів і, відповідно, не видаленої з волокно-капілярного середовища.

Тобто з наближенням фронту рідини, яка рухається до межі R, величина R' зменшується під дією капілярного тиску

У загальному вигляді приріст просунення фронту рідини з наростанням числа імпульсів дії на систему записується як

, (6)

де q - показник ступеня гіперболічного типу.

Інтегруючи рівняння (6) в межах від 0 до n, при q = 0,175, знайденим експериментально, маємо таке рівняння для приросту просунення фронту рідини з наростанням числа імпульсів дії на водо-льоноволоконну систему:

. (7)

Якщо ж розглядувати рух рідини у окремому капілярі, то стверджується, що під дією тиску на відокремлене волокно, що заповнене повітрям, відбувається стиснення зовнішнього шару, а потім, при подальшому розширенні цього шару волокна, воно починає як насос всмоктувати в себе рідину. При дії наступного імпульсу зовнішній шар із рідиною стискається слабо, але більше стискається наступний шар за глибиною маси. І так до тієї пори, поки не просочиться все волокно. З використанням акустичного підходу була зроблена оцінка поведінки межі розділу середовищ, яка дала змогу стверджувати, що межа не повертається в колишнє положення.

Таким чином, під дією інтенсивної кавітації в кожен капіляр льоноволокна швидко просувається активована рідина. Показано гідродинамічний механізм руху рідини в волокно-капілярному середовищі.

Шостий розділ присвячений прикладним дослідженням електророзрядної інтенсифікації льонопереробляючих виробництв, зокрема ватяного і прядивного.

Електророзрядна обробка здійснювалася в порційній розрядній камері (реакторі) при довільному взаєморозташуванні волокон і електродної системи (вертикальної). Варіювалися: енергія в імпульсі, частота посилань імпульсів, кількість імпульсів, обсяг оброблюваного розчину, концентрація оброблюваного волокна.

Експериментальні дослідження електророзрядної інтенсифікації ватяного виробництва показали, що задача отримання лляної вати розв'язується мінуючи стадію лужного відварювання, нейтралізації, кислотної і подальшої промивки. Головним процесом стає електророзрядне вибілювання, якому передує електророзрядна первинна обробка при повній відсутності хімічних реагентів, а укладає процес промивка волокна водою з електророзрядною активацією процесу. Особливо слід зазначити зменшення у 5 разів кількості використовуваних хімічних відбілювачів – гіпохлориту кальцію (концентрація розчину 2 %), а також двократне скорочення часу операції вибілювання. Разом з тим, повністю виключається штучний підігрів робочих розчинів.

Необхідно вказати, що при такій обробці існує оптимальна кількість електричних імпульсів, при якої забезпечуються високі характеристики вати. Подальше збільшення часу електророзрядної обробки призводить до зниження білизни вати, унаслідок реабсорбції забруднень на поверхню волокна. Проте, збільшення часу електророзрядної обробки знижує концентрацію пектинів, що може бути використане в тих випадках, коли вимоги до білизни не особливо великі.

Як результат встановлення оптимальних умов обробки льоноволокна з метою виготовлення лляної вати були одержані наступні параметри (табл. 1).

Таблиця 1

Параметри обробки льоноволокна з метою виготовлення лляної вати

Параметри обробки |

Час оброб-ки, хв. | Поча-ткова на-пруга, кВ | Ємність конден-сатора, мкФ | Об’єм раст-вору, л | Час-тота поси-лань імпу-льсів, Гц | Дов-жина розря-дного про-міжку, мм | Кон-цен-трація

Вибі-лювача % *)

Технологічна операція

Попередня

електророзрядна обробка | 5 | 20-25 | 0,25 | 2 | 2 | 10-15 | -

Електророзрядне вибілювання | 10 | 30-35 | 0,25 | 2 | 2,5 | 10-15 | 2

Електророзрядна промивка | 5 | 30-35 | 0,25 | 6 | 4 | 10-15 | -

*) в якості вибілювача використовувався кальцію гіпохлорит

За умов дотримання вищенаведених параметрів обробки льоноволокна одержано слідуючи показники обробки волокна: відносний вміст залишкових пектинів – 2 %, білість – 80 %.

Досягнення високих якісних показників лляної вати, отриманої електророзрядним способом разом із зниженням температури, часу обробки і концентрації хімічного реагенту при сумісному використанні хімреагентної та електророзрядної обробки обумовлено сумарною дією всіх чинників електричного розряду на льоноволокно.

Виконувалося також встановлення критеріїв оцінки оптимальної підготовки льону низьких номерів до процесу фізико-механічного котонування, при якому основним засобом дії був підводний електричний розряд. Був зроблений висновок, що волокно, котонізоване за допомогою електричного розряду у воді, близьке по штапельній довжині до бавовняного волокна. Кількість прядомих волокон (від 15 до 45 мм) складає близько 70 %. Таке волокно надалі може бути використане на бавовнопереробних підприємствах у кардній системі прядіння для вироблення пряжі середньої лінійної густини. Середній діаметр котонізованого електричними розрядами лляного волокна, рівний 15 мкм, відповідає поперечному діаметру тонковолокнистої і середневолокнистої бавовни. Міцність котонізованого електричним розрядом льоноволокна перевищує в 2 рази міцність бавовняного.

Таким чином, основні параметри і характеристики одержуваного підводними електричними розрядами (у оптимальному режимі) лляного волокна не гірше бавовняного, а за міцністю набагато перевершують його.

У додатках до дисертаційної роботи наведено технічне завдання на створення технологічної лінії з електророзрядної обробки льоноволокна; оцінка ринків збуту одержуваного високоякісного льоноволокна й оцінка економічної доцільності впровадження нової технології глибокої переробки лляного волокна із застосуванням електророзрядної нелінійної об’ємної кавітації, акти виробничих випробувань електророзрядного устаткування для виготовлення лляної вати.

ВИСНОВКИ

1. На основі експериментальних та теоретичних досліджень електричних розрядів у рідині розроблено основи ресурсозберігаючої технології глибокої переробки льоноволокна із застосуванням електророзрядної нелінійної об'ємної кавітації. Досліджено процеси вилучення нецелюлозних речовин з лляного волокна дією підводних електричних розрядів у режимі генерування інтенсивної нелінійної об'ємної кавітації.

2. Вивчено стан середовища та зміну його властивостей в умовах електророзрядної обробки льоноволокна у водоволоконих суспензіях. Показано, що диспергування та екстракція водорозчинних речовин з льоноволокна стабілізує електропровідність робочого середовища в діапазоні електричного пробою за тепловим механізмом. Це забезпечує необхідні умови генерування інтенсивної електророзрядної кавітації.

3. Встановлено основні закономірності генерування електророзрядної кавітації та запропоновано принципи керування нею в процесах обробки льоноволокна. Встановлено, що при дії електричних розрядів, які здійснюються за рахунок теплового пробою водяних розчинів у реакторі, оброблюване середовище насичується газовими мікробульбашками - зародками кавітації. Мікробульбашки під дією відбитих межами рідини ударних хвиль перетворюються в джерело інтенсивної кавітації. При пульсації й колапсі кавітаційних бульбашок у мікроб’ємах всієї рідини електророзрядного реактора виникає комплекс фізико- механо-хімічних чинників, що забезпечують глибоку обробку льоноволокна.

4. Встановлено основні чинники дії розряду на льоноволокно, що забезпечують вилучення нецелюлозних речовин з волокон і розщеплення технічних волокон до елементарних: зарядні й передпробивні струми; комплекс чинників кавітаційних процесів, у тому числі виникнення активних радикалів і радикальних груп; сильне масоперенесення, пов'язане з виникненням пульсуючої парогазової порожнини й турбулентний рух рідини в робочому