На правах рукописи - Ижевская Государственная

На правах рукописи
ДАНЫШЕВА НАТАЛЬЯ СЕМЕНОВНА
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ
ЩЕЛОЧНОЙ ВАРКИ ЛЬНЯНОГО ВОЛОКНА
В СВЧ-ПОЛЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ВАТЫ
Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование в
сельском хозяйстве
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ИЖЕВСК 2010
Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и
перерабатывающих производств»
в Федеральном государственном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО
Ижевская ГСХА)
Научный руководитель:
кандидат технических наук,
Бадретдинова Ирина Владимировна
Официальные оппоненты:
доктор технических наук,
профессор
Кондратьева Надежда Петровна
кандидат технических наук,
доцент
Федосова Наталья Михайловна
Ведущая организация:
ГНУ ВНИПТИМЛ
Россельхозакадемии
Защита состоится «21» мая 2010 г. в 11.00 часов на заседании
диссертационного совета КМ 220.030.02 в ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА по
адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 11, ауд.2.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГОУ ВПО Ижевская
ГСХА, с авторефератом на сайте www.izgsha.ru
Автореферат разослан «20» апреля 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
Кандидат технических наук, доцент
2
Н.Ю. Литвинюк
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Актуальность темы. Годовая потребность в вате в России составляет до
78 тысяч тонн, из них 33% ввозится из-за границы, а 67% - производится в
нашей стране из импортируемого хлопка.
Исследованиями проведенными в Институте хирургии имени
Вишневского РАМН, Институте химии растворов РАН, ВНИИЦЛКА,
установлено, что показатели качества ваты из льна превосходят аналогичные
показатели хлопковой ваты. Лен – традиционная техническая культура,
возделываемая в России еще с древних времен, так как наша страна
располагает благоприятными условиями для ее выращивания, и сырьевая база
для производства льняной ваты составляет до 84 тысяч тонн в год льняного
волокна.
Имея
значительные
объемы
натурального
ежегодно
воспроизводимого сырья, лен, в противовес импортируемому хлопку, может
стать стратегически важным материалом не только для текстильной
промышленности, но и для производств материалов медицинского назначения.
В соответствии с Целевой Программой ведомства «Развитие льняного
комплекса России на 2008 – 2010 годы» Министерства сельского хозяйства
Российской Федерации и Республиканской Целевой Программой «Развитие
льняного комплекса Удмуртской Республики на 2010 – 2014 годы» для
динамичного развития отрасли предусмотрено освоение инновационных
технологий переработки льна, в том числе и медицинской льняной ваты.
В настоящее время при производстве льняной ваты используется
традиционное оборудование для изготовления хлопковой ваты. Для
жидкостной
обработки
применяются
аппараты
с
конвективным
энергоподводом типа АКДУ, АКДН, АКДС. Учитывая особенности строения
льняного волокна и отличие его от хлопка, для достижения высокого качества
продукта необходим двукратный цикл щелочной варки или длительный
процесс. Все это ведет к увеличению расходов реагентов, ухудшению
качественных характеристик ваты и высоким энергозатратам.
Большой вклад в области технологий производства льняной ваты, сделан
учеными Осиповой Н.Н., Рыжовым А.И., Марыгановым А.П., Губиной С.М.,
Стокозенко В.Г. и другими, исследования которых направлены на сокращение
продолжительности варки и повышение качества ваты. Поэтому важной и
актуальной проблемой является исследование процесса щелочной варки, как
наиболее сложной технологической операции, определяющей качество ваты.
Предложенная в работе модель технологии щелочной варки позволяет
интенсифицировать процесс за счет СВЧ-энергии, сократить длительное
тепловое воздействие на волокно, вызывающее его разрушение.
Цель настоящей работы состоит в научном обосновании и разработке
модели технологии щелочной варки льняного волокна в СВЧ-поле,
позволяющей сократить продолжительность процесса.
Для достижения поставленной цели в работе требовалось решить
следующие основные задачи:
3
 исследовать процессы разрушения нецеллюлозных комплексов льняного
волокна при щелочной варке в СВЧ-поле и определить факторы, влияющие
на эффективность щелочной варки в СВЧ-поле;
 исследовать диэлектрические характеристики льняного волокна и
щелочного раствора;
 разработать математическую модель процесса щелочной варки льняного
волокна в СВЧ-поле, позволяющую оценить продолжительность варки;
 разработать лабораторную установку для исследования кинетики процесса
щелочной варки льняного волокна в СВЧ-поле;
 обосновать экономическую эффективность применения щелочной варки
льняного волокна в СВЧ-поле при производстве ваты.
Объект исследования – процесс щелочной варки льняного волокна в
СВЧ-поле.
Предмет исследования – влияние СВЧ-поля на продолжительность
щелочной варки льняного волокна.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и
экспериментальные методы исследования. Для решения поставленных задач
использовались базовые положения теории электромагнитного поля,
традиционные методы интегрального и дифференциального исчислений,
компьютерные средства решения дифференциальных уравнений с
использованием
математического
пакета
Maple
9.0.
Обработка
экспериментальных данных проведена с использованием электронных таблиц
Excel 2000.
Достоверность и обоснованность подтверждается апробацией работы
на научно-практических конференциях, испытанием результатов исследования
в производственных условиях. Результаты экспериментальных исследований
хорошо согласуются с теоретическими. Достоверность экспериментальных
исследований обеспечены проведением их в аккредитованных лабораториях с
использованием аттестованных средств измерения. Проделанные в работе
расчеты осуществлялись
корректным применением теории высшей
математики и статистического анализа.
Научную новизну работы составляют:
 применение энергии СВЧ-поля при щелочной варки льняного волокна в
производстве ваты;
 кинетические закономерности процессов разрушения нецеллюлозных
комплексов льняного волокна при щелочной варке в СВЧ-поле;
 математическая модель, позволяющая определить закономерности
изменения концентрации щелочи в процессе варки льняного волокна в
СВЧ-поле и оценить продолжительность варки.
Практическая значимость работы определяется следующими
основными результатами:
 разработан математический аппарат, основанный на общепринятом в
промышленности критерии завершенности процесса варки – изменение
концентрации щелочи в растворе;
4
 разработан и испытан образец лабораторной установки периодического
действия для щелочной варки льняного волокна в СВЧ-поле УВ-СВЧ -04Л,
производительностью 4 кг/ч, на основе которой может быть создан
опытный образец установки;
Реализация результатов исследований:
 технология щелочной варки льняного волокна в СВЧ-поле при
производстве ваты (подтверждена положительным решением о выдачи
патента России по заявке № 2008121784/12 (025855) от 30.05.2008 года);
 разработанная
технология
испытана
на
ООО
«Агрокомплекс
«Мичуринский» Кизнерского района, на ОАО «Можгинский льнозавод»
Можгинского района Удмуртской республики и передано к внедрению на
ОАО «Можгинский льнозавод».
На защиту вынесены следующие положения:
 технология щелочной варки льняного волокна в СВЧ-поле, позволяющая
сократить продолжительность процесса в 2,5 раза;
 математическое описание щелочной варки льняного волокна в СВЧ-поле,
позволяющее оценить продолжительность варки по изменению
концентрации щелочи в растворе;
 результаты экспериментальных исследований щелочной варки льняного
волокна в поле СВЧ-энергии на лабораторной установке УВ-СВЧ-04Л с
оценкой экономической эффективности предлагаемой технологии.
Апробация работы. Основные положения диссертации опубликованы в
10 научных статьях и обсуждены на конференциях: Всероссийская научнопрактическая конференция «Научное обеспечение реализации национальных
проектов в сельском хозяйстве» (Ижевск, 2006), Всероссийская научнопрактическая конференция «Инновационное развитие АПК. Итоги и
перспективы»
(Ижевск,
2007),
Всероссийская
научно-практическая
конференция, посвященная 450-летию вхождения Удмуртии в состав России
«Научный потенциал аграрному производству» (Ижевск, 2008), Региональная
научно-практическая конференция «Актуальные проблемы растениеводства и
кормопроизводства» (Пермь, 2008), Международная научно-практическая
конференция «Современные наукоемкие инновационные технологии развития
промышленности региона. Лен – 2008» (Кострома, 2008), Всероссийская
научно-практическая конференция «Научный потенциал современному АПК»
(Ижевск, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, в том числе
– 2 в изданиях, указанных в перечне ВАК; имеется положительное решение о
выдачи патента России по заявке № 2008121784/12(025855).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих
выводов, списка литературы и 5 приложений, содержит 31 рисунков, 13
таблиц. Общий объем работы 133 страница. Библиографический список
включает 148 источников, в том числе 12 на иностранном языке.
5
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель
исследований, положения, выносимые за защиту, отмечена научная новизна и
практическая значимость работы.
В первой главе «Основные предпосылки и задачи исследования»
проведен анализ технологий производства льняной ваты, выявлены наиболее
сложные, энергоемкие операции.
Технологическая цепочка производства ваты состоит из трех основных
этапов: механическая подготовительная обработка волокна, жидкостная
обработка волокна, механическая заключительная обработка волокна.
Жидкостная обработка включает варку в щелочных растворах, кисловку
и отбелку. Щелочная варка, как определяющая стадия, направлена на
очищение целлюлозы от сопровождающих ее компонентов, лигнина,
пектиновых и воскообразных веществ и других, с целью химического
облагораживания волокна и увеличения его сорбционных способностей.
Особенность химического состава льна такова, что разрушительному
воздействию щелочных растворов при определенных температурновлажностных режимах подвергаются нецеллюлозные составляющие, сохраняя
при этом целостность самой целлюлозы. Этот принцип используется при
варке.
Патентный поиск и анализ существующих способов варки волокнистых
материалов и оборудования для реализации данного процесса показал, что
необходимая степень очистки волокна достигается при жестких температурновременных режимах, что негативно сказывается на качестве ваты.
Традиционная варка осуществляется в варочных котлах с конвективным
эднегроподводом при температуре 1350С в течение 2,5 часов. Известно, что
при температуре свыше 130 0С, давлении 3…4 атм. и продолжительности
варки более 2,5 часов создаются благоприятные условия для деструкции
целлюлозы: происходит обезжиривание волокна, повышается его жесткость,
электризуемость, что отрицательно сказывается при последующей
механической обработке, способствуя дроблению и образованию волокон-пуха
менее 5 мм.
В большинстве случаев интенсивность варки определяется не только
скоростью тепловых процессов, но и характером протекания химических
реакций. В процессе варки волокна сначала происходит поглощение щелочи
группами молекул лигнина, затем наступает химическая реакция между
лигнином и щелочью, далее осуществляется гидролиз лигнина. Исследования
Утехина В.Д., Бахира В.М., Курика М.М. и других показали, что повышенной
реакционной СП особностью обладают активированные водные среды. В
работе, для интенсификации процесса варки предлагается использовать
энергию электромагнитного поля сверхвысокой частоты.
Проведенный обзор литературных источников позволил установить:
 целесообразность
разработки
нового
способа
щечной
варки,
ориентированного на снижение энергозатрат и температурно-временных
режимов;
6
 возможность интенсификации процесса щелочной варки путем
использования СВЧ-энергии;
 цель и задачи исследования.
Во второй главе «Исследование физических основ варки волокна в
поле СВЧ-энергии» рассмотрена сущность процесса варки и кинетика тепломассообменных процессов, выявлены факторы, влияющие на эффективность
варки в поле СВЧ-энергии, исследованы диэлектрические характеристики
льняного волокна, щелочного раствора и двухкомпонентной системы.
Механизм диэлектрического нагрева материалов СВЧ-энергией основан
на возникающих токах проводимости и смещения, которые обеспечивают
нагрев материала во всем объеме. Кроме эффекта, связанного прямо с
температурными факторами, наблюдается ряд явлений, которые обусловлены
воздействием электромагнитного поля на объекты, проявляющиеся на
клеточном уровне и ведущие к изменению межмолекулярных связей. При
наличии электромагнитного поля генерируются валентно-ненасыщенные
радикалы, имеющие повышенную электрохимическую активность, которые
участвуют в разрушении труднорастворимых органических соединений,
ускоряя процессы расщепления лигнина. На рисунке 1 представлены факторы
определяющие эффективность варки в СВЧ-поле.
Эффективность варки в поле СВЧ-энергии
Химические
факторы
Химический состав
волокна
Концентрация
реагентов в
растворе
Физические
факторы
Мощность
диэлектрических
потерь:
•Диэлектрические
свойства материала
•Частота излучения
•Напряженность
электрического поля
Мощность
необходимая для
нагрева
Температура
обработки
Время обработки
Рисунок 1 - Факторы, влияющие на эффективность варки в СВЧ-поле
Нагрев диэлектрических материалов в электромагнитном поле
сверхвысоких частот количественно определяется диэлектрическими
свойствами материала и параметрами электромагнитного поля. Объект
обработки представляет собой неоднородную среду, состоящую из водного
раствора щелочи и льняного волокна, и имеет неравномерно распределенные
электрические свойства. Для определения диэлектрических характеристик
двухкомпонентной
среды
как
системы,
необходимо
исследовать
диэлектрические свойства как каждой составляющей отдельно, волокна и
раствора, так и системы в целом.
7
Исследования диэлектрических свойств льняного волокна в области
сверхвысоких частот проводились методом объемного резонатора (рисунок 2).
диэлектрическая
проницаемость
30
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
влажность волокна W, %
Рисунок 2 - Зависимость диэлектрической проницаемости волокна от его влажности
при температуре 220С
Проведенные
исследования
позволили
установить
зависимость
диэлектрической проницаемости волокна от его влажности. Волокно в сухом виде
(W≤12%) является диэлектриком, в результате увлажнения оно становиться
полупроводником, так как удельное сопротивление его уменьшается. Это
объясняет, то, что при увеличении влажности увеличивается диэлектрическая
проницаемость волокна. Неоднородность диэлектрика при наличии в нем влаги
сказывается не только на увеличение проводимости, но и на качественные
особенности проводимости. При этом характер зависимости удельной
электропроводности материала от содержания влаги определяется распределением
влаги в нем, зависящим в свою очередь от пористой структуры материала.
Поэтому для дальнейших расчетов, с учетом того, что волокно обрабатывается в
жидкой среде, используется установленное значение диэлектрической
проницаемости мокрого волокна (относительная влажность W=100%) εв=24,2.
Для определения диэлектрических характеристик щелочного раствора
применялся метод измерения физических свойств жидкости, заключающийся в
измерении добротности СВЧ-резонатора.
диэлектрическая
проницаемость
85
80
75
70
65
60
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
концентрация щелочи С, %
Рисунок 3 - Зависимость диэлектрической проницаемости раствора
от концентрации едкого натра при температуре 220С
Результаты проведенных исследований, представленные на рисунке 3,
позволили установить зависимость диэлектрической проницаемости раствора от
8
концентрации едкого натра, которая показывает, что при увеличении содержания
щелочи в растворе уменьшается его проницаемость. Для дальнейших расчетов
используется установленное значение εж=72 при концентрации едкого натра в
растворе 2%.
Согласно работам Коробейникова С.М., при обработке сложных
гетерогенных систем необходимо учитывать, что диэлектрическая
проницаемость двухкомпонентных сред пропорциональна диэлектрической
проницаемости жидкости и зависит от объемной доли твердых веществ.
  f  æ ;  â ;Vâ ; À
(1)
где εв – диэлектрическая проницаемость волокна;
εж – диэлектрическая проницаемость раствора;
Vв - объемная доля волокна;
А – коэффициент, характеризующий форму частиц твердой фазы.
Введенная зависимость (1) позволяет определить диэлектрическую
проницаемость системы (ε=64,8), а также оценить рациональное соотношение
волокна и раствора, которое обеспечит достаточную мощность
диэлектрических потерь и наиболее полное растворение в водной среде
продуктов распада реакций гидролиза лигнина, не допускаю оседания их на
волокно. С учетом проведенных расчетов, модуль обработки составляет 1:4.
Оценка влияния фактора продолжительности воздействия СВЧ-энергии
ограничивается интервалом: с одной стороны, минимальное значение
определяется необходимостью наиболее полного разрушения нецеллюлозных
компонентов, с другой стороны - максимальное значение ограничивается
возможностью разрушения капиллярно-пористого каркаса волокна льна. Для
определения максимально разрешенного воздействия СВЧ-поля воспользуемся
интегралом летальности, который характеризует устойчивость к разрушению.
к
L
 exp B  t    Ad
 1,
(2)
0
где А и В - коэффициенты резистентности,
к - конечное время обработки (с).
Решение уравнения (2) для выбранных констант показывает, что
деструкция материала в процессе обработки под действием температуры
наступает при обработке свыше 97 минут ( max = 97 минут). Следовательно,
фактическое время варки должно быть меньше.
В результате проведенных исследований установлены численные
значения диэлектрических проницаемости мокрого волокна, 2-х% раствора
едкого натра и системы в целом. Установлены факторы, влияющие на
эффективность варки в СВЧ-поле, на основе которых предложен способ
щелочной варки с использованием СВЧ-энергии при следующих режимах:
 давление, обеспечивающее необходимые температурные режимы – 105 Па;
 температура среды обработки, определенная условиями химических
реакций гидролиза лигнина – 100 0С;
9
 концентрация раствора едкого натра NaOH, обеспечивающая наиболее
полное расщепление нецеллюлозных компонентов – 2%;
 время обработки, определенное максимально разрешенным воздействием
СВЧ-поля – до 97 минут;
 модуль обработки, обусловленный диэлектрическими свойствами объекта
обработки и рациональным соотношением волокна и раствора – М 1:4.
В третьей главе «Теоретическое обоснование продолжительности
варки в поле СВЧ-энергии» представлено математическое описание
процесса щелочной варки в электромагнитном поле сверхвысоких частот.
Процесс управления щелочной варкой волокна в значительной степени
опирается на определение критерия, позволяющего оценить степень
завершенности процесса. В промышленности продолжительность варки
оценивается по остаточному содержанию щелочи в растворе, если
концентрация щелочи в растворе уменьшилась на 45…50%, то процесс
завершен.
Очищение льняного волокна при щелочной варки от нецеллюлозных
компонентов происходит за счет диффузии щелочи (едкого натра) в волокно
(рисунок 4).
Рисунок 4 - Направление диффузионного потока в единичном волокне
Для определения содержания щелочи в растворе в процессе варки в поле
СВЧ-энергии воспользуемся законом Фурье – Фика, описывающий процесс
диффузии щелочи в волокно:
C
 2C
D 2 ,

x
 ã
где С – концентрация щелочи в растворе,   ;
 ë
D – коэффициент диффузии щелочи,
(3)
 1 ;
 
C 
τ – время, (с);
Граничные условия третьего рода:
C
0
x
Начальные условия:
10
при
х=0
(4)
C=0
при x=h
(5)
С=С0
при τ=0
(6)
На рисунке 5 показан процесс передачи тепла от источника на глубину
обрабатываемого объекта h, с учетом того, что энергия полностью
поглощается, и задано направление координатной оси х.
x
q
q
q
q
q
q
q
x=h
q
q
СВЧ- излучение
Рисунок 5 - Схема расположения волокна в камере обработки
Решение уравнения (3) с учетом начальных и граничных условий, при
постоянном объеме получено методом разделения переменных и имеет вид:

2n  1 m  1

C
cos
n



e

2
 n1
2h R 2n  1
 ã
где С0 – начальная концентрация едкого натра,   ;
 ë
4C0
2
 2 n1 
  D
2h 
n1
n 
.
(7)
 êã 
3 ;
ì 
ρ – плотность объекта обработки в камере обработки, 
R – радиус камеры обработки, (м);
m – масса объекта обработки, (кг);
D – коэффициент диффузии;
h – высота слоя волокна, (м);
τ – время обработки (с).
Коэффициент диффузии определим из уравнения Аррениуса:
D  D0 exp
Ea
kT
,
(8)
1
где D0–предэкспонентциальный множитель (коэффициент самодиффузии),   ;
c
Еа – энергия активации диффузии, (Дж);
;
к – постоянная Больцмана,  Äæ

0
 Ñ 
Т – температура в камере обработки при установившемся режиме, (0С).
Энергия активации молекул определяет скорость диффузионных
потоков, и, следовательно, осуществление химических превращений. При
11
варке в СВЧ-поле кроме термоактивной диффузии, возникают диффузионные
процессы, стимулируемые электромагнитным полем. В этом случае энергия
активации включает энергию, необходимую для образования вакансий и
перемещения атомов, в виде энергии СВЧ-поля. Тогда выразим энергию
активации молекул Еа, как мощность СВЧ-поля Qу, поглощаемую
технологической средой объемом V за время, необходимое для химических
превращений τ.
С учетом вышеизложенного коэффициент диффузии D примет вид:
Q óV
D  D0 exp
kT
.
(9)
Âò
где Qу – мощность диэлектрических потерь,  3  ;
ì

V – объем среды обработки, (м );
3
Зная коэффициент диффузии, определим изменение концентрации
щелочи в любой момент времени.
 Q yV 

kT 
  2 n 1  D0 exp 
2n  1 m  1

C
cos n


e

2
 n 1
2h R
2n  1
4C 0
n 1
n 
2
. (10)
Процесс моделирования проведен в водной среде 2-х% раствора едкого
натра при температуре 1000С.
Графический вид уравнения (9) представлен на рисунке 6 в виде кривой
изменения концентрации щелочи в процессе варки в зависимости от
продолжительности обработки при заданной массе волокна.
концентрация, г/л
25
20
15
10
5
0
0
15
30
45
60
75
90
время, мин
Рисунок 6 - Кривая изменения концентрации щелочи в процессе варки волокна
В результате математического описания процесса варки льняного
волокна в электромагнитном поле сверхвысоких частот получено
аналитическое решение, позволяющее:
 адекватно, с надежностью 95%, описывать процессы диффузии щелочи из
раствора в волокно;
 строить кривые изменения концентрации щелочи раствора в процессе варки;
 оценивать продолжительность варки при заданных условиях с учетом
внутреннего источника тепла.
12
В четвертой главе «Экспериментальные исследования процесса
щелочной варки в поле СВЧ-энергии»
представлены результаты
экспериментальных исследований процесса щелочной варки льняного
волокна.
Для исследования щелочной варки волокна в поле СВЧ-энергии
разработана лабораторная установка УВ-СВЧ-04Л (рисунок 7,8).
Камера установки снабжена внутренним корпусом (2) для
предотвращения перегрева внешнего корпуса камеры (1) за счет
теплопроводности материала. В дно камеры
встроен прямоугольный
волновод, предназначенный для передачи энергии от магнетрона (5) к
нагрузке. Отверстие волновода закрыто диэлектрической панелью (3).
Магнетрон охлаждается вентилятором (6). Управление лабораторной
установкой осуществляется с панели управления.
8
7
Р
1
2
3
4
5
6
СВЧ
Рисунок 7 - Лабораторная установка УВ-СВЧ-04Л
1-внешний корпус камеры; 2- внутренний корпус камеры; 3- панель; 4- волновод; 5магнетрон; 6-вентилятор; 7 – клапан; 8 – манометр.
RY2
C4
RY1
R2
D1
C2
380 V
C1
Д
R1
C3
R3
М
Рисунок 8 - Принципиальная электрическая схема лабораторной установки
13
Источник СВЧ-излучения выбирался из условия наилучшего
прохождения электромагнитной волны в обрабатываемый материал,
находящийся в зоне воздействия СВЧ-энергии, а также с учетом
диэлектрических характеристик волокна и раствора, найденных во второй
главе. Для того чтобы энергия электромагнитного поля полностью
трансформировалась в технологической среде во внутреннюю энергию
вещества, необходимо чтобы высота слоя диэлектрика была больше глубины
проникновения электромагнитных волн в данное вещество. СВЧ-генератор
выбран расчетным путем, мощность 5 кВт, частотой излучения 2450 МГц.
Эксперимент
проводился
в
следующей
последовательности.
Приготавливался 2-х% раствор едкого натра в количестве 16 литров. Раствор
заливался в рабочую камеру, в которую, затем помещалось короткое льняное
волокно 4 кг в соотношении с раствором 1:4. Крышка камеры закрывалась, на
панели управления устанавливалось время обработки, и включался магнетрон.
Время варки изменялось от 15 до 90 минут с интервалом в 15 минут. После
окончания обработки отключалась установка, волокно извлекалось, рабочий
раствор сливался в емкость для определения кислотности. Обработанное
волокно промывалось водой температурой 180С до нейтральной среды и
исследовалось на убыль массы, поглотительную способность, капиллярность.
На рисунке 9 представлены кривые кинетики варки волокна.
120
18
16
80
1
2
60
40
убыль массы, %
температура, С
100
20
14
1
12
10
8
2
6
4
2
0
0
0
2
4
6
8
0
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
15
30
45
60
75
90
время, мин
время, мин
а
б
Рисунок 9 - Кривые кинетики щелочной варки волокна:
1 – СВЧ-варка; 2 – традиционная варка
а – кривая нагрева среды обработки; б – кривая убыли массы волокна.
При СВЧ-нагреве среда обработки в исследуемом объеме нагревается на
12 минут быстрее, чем при конвективном нагреве. Следовательно,
интенсивней протекают химические реакции, которые сопровождаются
убылью массы волокна. Это связано с тем, что кроме теплового фактора
стимулирующего массоперенос, оказывает воздействие СВЧ-поле.
О завершенности степени химической очистки волокна в процессе варки
судят по тому, насколько снизилась общая щелочность рабочего раствора
(рисунок 9). Принято считать варку завершенной при сокращении
концентрации щелочи в растворе на 45…50%, что связано, с диффузионным
равновесием.
14
концентрация, %
2,5
2
1
1,5
2
1
0,5
0
0
15
30
45
время, мин
60
75
90
Рисунок 9 - Зависимость изменения концентрации раствора от времени обработки
1 – традиционная варка; 2 –СВЧ-варка
Проанализировав кривую изменения концентрации щелочи в растворе
видно, что при варке в поле СВЧ-энергии после 60 минут концентрация
уменьшилась на 50%, при традиционной варке – лишь на 35%. Таким образом,
при
наличии
электромагнитного
поля
сверхвысоких
частот
продолжительность варки сокращается в 2,5 раза.
Основными показателями качества медицинской ваты является ее
поглотительная способность и капиллярность. Данные показатели
определяются степенью чистоты целлюлозы и характеризуют способность
ваты впитывать жидкие среды (рисунок 10).
80
16
1
14
60
12
3
50
40
10
8
4
30
6
2
20
4
10
2
0
0
1
2
3
4
время, мин
5
6
пологительная
способность, г
капиллярность, мм
70
7
Рисунок 10 - Кривые изменения поглотительной способности
и капиллярности волокна в процессе варки
1 – капиллярность при СВЧ-варке; 2 – капиллярность при традиционной варке;
3 - поглотительная способность при СВЧ-варке;
4 –.поглотительная способность при традиционной варке
Результаты исследования качественных характеристик волокна после
варки, представленные на рисунке 10, свидетельствуют о том, что СВЧэнергия способствует повышению поглотительной способности на 25 мм, а
капиллярности на 4,8 г/г.
15
На рисунке 11 представлены теоретические и экспериментальные
кривые щелочной варки волокна в электромагнитном поле сверхвысоких
частот.
2,5
концентрация, %
2
1
1,5
2
1
0,5
0
0
15
45
30
60
75
90
время, мин
Рисунок 11 - Кривые щелочной варки льняного волокна в электромагнитном поле
сверхвысоких частот
1 – теоретические данные; 2 – экспериментальные данные
В результате сравнения расчетных данных с экспериментальными по
критерию Фишера, теоретическая модель адекватна с надежностью 95 %.
В результате экспериментальных исследований щелочной варки волокна
в электромагнитном поле сверхвысоких частот:
 разработана и испытана лабораторная установка УВ-СВЧ-04 для щелочной
варки волокна в электромагнитном поле сверхвысоких частот с
использованием которой исследовалась кинетика щелочной варки волокна в
СВЧ-поле;
 исследовано влияние СВЧ-поля на качественные характеристики волокна –
капиллярность и поглотительная способность, - в процессе варки;
 исследована зависимость изменения концентрации щелочи в процессе варки,
что позволило установить рациональную продолжительность щелочной варки
– 60 минут;
 определена адекватность математической модели, путем сравнения
теоретических данных с экспериментальными.
В пятой главе определена экономическая эффективность производства
ваты с применением способа щелочной варки льняного волокна в СВЧ-поле на
лабораторной установке. Величина чистого дисконтированного дохода за
расчетный период три года при объеме производства 8 тонн ваты в год может
составить 606 тыс. рублей. Срок окупаемости проекта равен 1 году 15 дней,
это краткосрочные вложения.
Таким
образом,
приведенные
показатели
эффективности,
свидетельствуют об экономической целесообразности внедрения щелочной
варки в СВЧ-поле.
В
Приложениях
изложены
результаты
экспериментальных
исследований, расчет адекватности математической модели, акты о
производственных испытаниях.
16
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:
1. Проведен анализ технологий щелочной варки; установлено, что жесткие
температурно-временные режимы способствуют деструкции целлюлозы, ухудшая
качество готового продукта; температурно-временные режимы варки должны
соответствовать следующим значениям:
 температура не более Т=130оС;
 давление не более Р=3…4105Па;
 продолжительность не более =130 минут.
2. Установлено, что активация водных сред энергией СВЧ-поля позволяет
интенсифицировать щелочную варку; определены факторы, влияющие на
эффективность щелочной варки в СВЧ-поле: химический состав волокна;
концентрация щелочи в растворе, температура варки; продолжительность варки;
мощность излучения, определяемая частотой излучения, диэлектрическими
характеристиками обрабатываемой среды.
3. Исследованы диэлектрические характеристики волокна, щелочного
раствора и гетерогенной системы волокно-раствор; установлены следующие
значения:
 диэлектрическая проницаемость волокна εв=24,2 при влажности W=100% и
температуре Т=220С;
 диэлектрическая проницаемость 2-х% раствора едкого натра εж=72 при
температуре Т=220С;
 диэлектрическая проницаемость гетерогенной системы волокно-раствор ε=64,8
при температуре Т=220С.
4. Разработана математическая модель процесса щелочной варки в СВЧполе, которая позволяет:
 адекватно, с надежностью 95%, описывать процессы диффузии щелочи из
раствора в волокно;
 строить кривые изменения концентрации щелочи раствора в процессе варки;
 оценивать продолжительность варки при заданных условиях с учетом
внутреннего источника тепла.
5. Разработана и испытана лабораторная установка УВ-СВЧ-04Л
периодического действия для щелочной варки льняного волокна в СВЧ-поле,
позволившая исследовать кинетику процесса варки.
6. Исследовано влияние СВЧ-поля на качественные характеристики
льняного волокна (капиллярность, поглотительная способность); установлено,
что используемые режимы позволяют увеличить капиллярность на 4,8 г/г,
поглотительную способность на 25 мм.
7. Разработана и обоснована модель технологии щелочной варки льняного
волокна в СВЧ-поле, позволяющая сократить продолжительность варки со 130 до
60 минут при следующих режимах:
 температура среды обработки Т=1000С;
 давлении Р=105 Па;
 концентрация раствора едкого натра 2%;
 модуль обработки 1:4 (волокно : раствор);
 характеристика СВЧ-излучения: частота 2450 МГц, мощность СВЧ-генератора
5 кВт.
17
8. Обоснована экономическая эффективность применения щелочной варки
льняного волокна в СВЧ-поле при производстве ваты; величина чистого
дисконтированного дохода за расчетный период три года при объеме
производства 8 тонн ваты в год может составить 606 тыс. рублей; срок
окупаемости проекта равен 1,02 лет.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ РАБОТАХ:
Издания, указанные в перечне ВАК:
1.
Агафонова, Н.М. Применение СВЧ-технологий при производстве льняной ваты /
Н.М. Агафонова, Н.С. Данышева // Вестник Алтайского государственного аграрного
университета. - № 10(48). – 2008. – С.62 – 66.
2.
Данышева Н.С. Математическое описание диффузии щелочи при варке волокнистых
материалов / Н.С. Данышева, И.В. Бадретдинова // Вестник Алтайского государственного
аграрного университета. - № 1. – 2010. – С.59 – 61.
3.
В.В. Касаткин Способ производства льняной ваты. Положительное решение о
выдачи патента России по заявке № 2008121784/12(025855) / В.В. Касаткин, Н.М.
Агафонова, Н.С. Данышева, Е.С. Вересова.
Другие публикации:
4.
Агафонова, Н.М. Длительность и интенсивность действия СВЧ-поля на растительные
материалы / Н.М. Агафонова, В.В. Касаткин, И.И. Павлова, Н.С. Данышева // Научное
обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве: Материалы
Всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА,
2006. – III Т. – С.3 – 6.
5.
Агафонова, Н.М. Моделирование процесса СВЧ-обработки растительных материалов
/ Н.М. Агафонова, И.И. Павлова, Н.С. Данышева, М.В. Кунгурова // Научное обеспечение
реализации национальных проектов в сельском хозяйстве: Материалы Всероссийской
научно-практической конференции. – Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2006. – III Т. –
С.6 – 11.
6.
Агафонова, Н.М. Электротехнические способы предпосевной обработки семян / Н.М.
Агафонова, И.И. Павлова, Н.С. Данышева // Молодые ученые в реализации национальных
проектов: Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых,
посвященной 450—летию вхождения Удмуртии в состав России. 24 – 27 октября 2006 г. –
Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2006. – С. 311 – 313.
7.
Данышева, Н.С. Влияние СВЧ-энергии на продолжительность щелочной варки
льняного волокна / Н.С. Данышева // Современные наукоемкие инновационные технологии
развития промышленности региона. Лен-2008: сб. трудов Международной научнотехнической конференции. – Кострома: Издательство КГТУ, 2008. – С.32 – 34.
8.
Данышева Н.С. Совершенствование методов варки волокна при производстве ваты /
Н.С. Данышева // Научный потенциал – современному АПК: Материалы Всероссийской
научно-практической конференции. Том III. – Ижевск, 2009. – С. 169 – 174.
9.
Данышева Н.С. Повышение экологической безопасности химических процессов в
текстильной промышленности при использовании нетрадиционных источников тепла / Н.С.
Данышева // Проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса:
Материалы Всероссийской научно-практической конференции 20 – 21 октября 2009 г. –
Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2009. – С. 211 – 212.
10.
Бадретдинова И.В. Критерии управления процессом щелочной варки льняного
волокна / И.В. Бадретдинова, Н.С. Данышева // Вестник Ижевской ГСХА. - № 3-4(20-21). –
2009. – С.4 – 6.
11.
Данышева Н.С. Способ повышения энергии активации химических реакций
очищения целлюлозных волокон / Н.С. Данышева // Вестник Ижевской ГСХА. - № 3(20). –
2009. – С.2 – 4.
18
Подписано в печать 04.12.09 г.
Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60х841/16.
Объем 1 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ № 9548
Изд-во ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА
426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 11
19
20