黏膠長絲多層絲餅壓洗均勻性及其影響因素仿真研究

張 婷,李 俊*,胡云均,陳 曄,黃仁杰

(1.四川輕化工大學,四川 自貢 643000;2.宜賓海絲特纖維有限責任公司,四川 宜賓 644000)

2021年,國內黏膠纖維的產能已突破4 031 kt/a,其中黏膠長絲憑借其強度高、耐磨、密度小、彈性好及優異的可降解性受到國際市場的青睞,出口量同比增長60.76%[1-4]。壓洗是黏膠長絲卷繞成絲餅后的重要后處理工序,目的是洗滌絲條中附著的硫化物等,減少絲條黃斑的產生和保證絲條韌性,提高產品質量[5]。多層分布式壓洗工藝因設備結構緊湊、效率高,一直沿用至今。分布式壓洗過程的均勻性和洗滌時間影響產品質量和生產效益。目前,因缺乏理論支撐,絲餅排布和洗滌時間的確定以經驗為主,制約了黏膠纖維產業的高質量、智能化發展,開展多層分布式壓洗過程洗滌均勻性及其影響因素、影響規律的研究對于優化絲餅排布和洗滌時間的確定,保障分布式洗滌的均勻性至關重要。

滲透率是用來表征絲餅在壓洗過程中洗滌難易程度的一個參數,直接決定了絲餅壓洗過程的效率和質量[6]。H.CHO等[7]采用Boltzman網格法研究了纖維排列方式對滲透率的影響,發現重疊纖維的滲透率比非重疊纖維的滲透率提高了250%。何奎等[8]通過實驗和理論分析研究了纖維管束內流量分配不均勻程度隨組件入口風速的變化規律,得出隨著入口速度的增大,管束內的流量分配不均勻度呈現出先增大后減小的趨勢。方良超[9]釆用理論分析模型和實驗方法分別研究了層間偏移對厚向滲透率的影響規律,結果顯示單向布的厚向滲透率的分布趨于正態分布,而0°/90°經編織物小于6層時,厚向滲透率的分布范圍較廣。對于絲餅的研究主要集中于外部缺陷的檢測。暢攀人等[10]利用神經網絡算法替代了人工依靠肉眼和經驗檢測絲餅外觀的方式,減少了檢測人員數量。景軍鋒等[11]提出了一種機器視覺的算法對絲餅表面污漬、壓痕、起毛等缺陷進行了精確的檢測,結果表明該方法對缺陷具有較好的檢測效果,缺陷識別準確率高、速度快。

目前,針對絲餅壓洗過程的流場分布規律和多層絲餅壓洗均勻性的研究鮮有述及。由于實驗條件的限制,作者根據黏膠長絲企業的M155型絲餅壓洗車實際情況,以水為洗滌介質,基于Fluent仿真建立絲餅壓洗模型,重點對長絲線密度、絲餅內徑(ds)和凸臺孔徑(dk)3個主要參數對多層絲餅壓洗均勻性的影響進行模擬研究,以期為黏膠長絲絲餅壓洗的優化布置、洗滌效果和洗滌效率的提升提供支撐。

1 黏膠長絲絲餅壓洗工藝

在黏膠長絲生產中,絲餅壓洗工序由水洗、除鋅、脫硫、除雜、漂白等組成[5],絲餅壓洗工藝流程如圖1所示。

圖1 絲餅壓洗工藝流程Fig.1 Press washing process for yarn packages1—壓力表;2—絲餅;3—托盤;4—水箱;5—蓄水池;6—泵

在壓洗工藝中,將絲餅從下往上依次疊放在壓洗車托盤上,洗滌介質以一定的壓力從壓洗車下端經托盤孔注入絲餅的內腔,壓洗車頂部封閉,使洗滌介質以壓力滲透的形式從絲餅內腔向外側滲出,壓洗過程中保持頂部壓力不變,從而達到洗滌絲餅的目的。

2 絲餅壓洗模型的建立

2.1 幾何模型

黏膠長絲絲餅的幾何模型如圖2所示,絲餅外徑為170 mm,內徑為(120±10) mm,高度為130 mm。

圖2 絲餅的幾何模型Fig.2 Geometric modeling of yarn packages

M155型絲餅壓洗車共11層,每層有84個絲餅,經空車試驗發現,流體自壓洗車底部水箱流入各列絲餅的流速相等,因此選取其中一列絲餅進行研究。結合數值計算的實際需求,對絲餅壓洗幾何模型進行了適當的簡化和假設：(1)各層絲餅的結構尺寸及性能參數均相同;(2)將絲餅視為中空的圓筒模型,且絲餅壓洗過程中的結構變化不予考慮;(3)忽略溫度對流場的分布規律和絲餅滲透性能的影響;(4)忽略壓洗過程中絲餅中所含物質對流體的濃度、密度和黏性等參數的影響,符合Boussinesq假設[12];(5)忽略壓洗過程中絲餅孔隙率和滲透性能的變化,且絲餅內部各個方向的阻力相同。

基于上述簡化,多層分布式絲餅壓洗幾何模型如圖3所示。采用ICEM軟件對模型進行網格劃分,網格數量分別為147×104、228×104和335×104,相比于網格數量335×104,網格數量為228×104的誤差僅有0.16%。為了減少計算量,本研究選用網格數量為228×104進行分析。

《指南》中提出，幼兒早期數學認知能力的發展包含了對集合、量、數、時間/空間、形狀的認知的發展。《幼兒園教育指導綱要》（以下簡稱《綱要》）也明確要求：“引導幼兒對周圍環境中的數、量、形、時間和空間等現象產生興趣，建構初步的數概念，并學習用簡單的數學方法解決生活和游戲中某些簡單的問題。”結合幼兒的學習特征與心理發展特點，幼兒數學教學活動可從集合、量、時間/空間、數、形狀五方面著手，在教學設計、教學活動、教學實施過程中滲入生活化理念，讓幼兒在親自操作與探索中感受數學的魅力，從而激發幼兒學習數學的好奇心、求知欲，不斷提高幼兒學習數學的興趣，最終能用簡單的數學方法解決生活中的簡單問題。

圖3 絲餅壓洗三維幾何模型Fig.3 Three dimensional geometric modeling of press washing process for yarn packages1—托盤;2—凸臺1(2-11層);3—絲餅;4—凸臺2(第1層)

2.2 多孔介質模型

由于絲餅具有多孔介質的特征,本研究中采用多孔介質模型。多孔介質模型是定義一個多孔介質區域,設置該區域的孔隙率和流體的流動阻力和慣性阻力系數。孔隙率的大小在數值上等于多孔物體內微小孔隙的體積與整個物體總體積的比值,孔隙率越大,說明多孔介質內部的空隙越多,流體通過該處越容易;反之則排列越緊密,流體通過多孔介質所受的阻力越大[13]。孔隙率的計算見式(1)。

(1)

式中：ε為孔隙率(無量綱),Vk為多孔介質的孔隙體積,Vg為多孔介質固體骨架的體積,Vz為多孔介質的總體積。

從理論上講,多孔介質模型是在動量方程的右側增加一個動力源項[14-16]。源項包括黏性損失和慣性損失[16],其表達式見式(2)。

(2)

式中：Si表示i向(i為x,y,z)的動量源項,|v|為速度大小,μ為流體動力黏性系數,ρ為流體密度,vj為三個方向上的分速度,Dij、Cij為矩陣。

當多孔介質內部各個方向同性質時[13],則有式(3)。

(3)

式中：α為滲透性系數,C2為慣性阻力系數,vi為三個方向上的分速度。

流體在絲餅內腔中的流動狀態為湍流,在絲餅內為層流流動,則有式(4)。

(4)

式中：?p為流體流過絲餅前后的壓強差,Dp為黏膠長絲絲條的直徑,L為濾層厚度,v∞為過濾速度。

(5)

(6)

2.3 均勻性評價指標

多層絲餅在壓洗過程中由于流體的流動損失,各層絲餅內腔中的壓力會不同,導致各層絲餅的透液量存在差異,使得相同時間內各層絲餅的洗滌程度不同,輕度不均勻會導致絲餅的壓洗時間延長和生產效率降低,而嚴重不均勻會造成產品質量的降低,從而影響企業的經濟效益。因此,壓洗均勻性主要是指各層絲餅的平均透液量相等。參考文獻[17]中的流場均勻性評價方法,選取絲餅的出口流量標準偏差系數(Cq)來表征絲餅壓洗過程中的洗滌均勻程度,Cq越大,表示洗滌均勻程度越差,其計算見式(7)。

(7)

(8)

3 結果及討論

3.1 單因素對多層絲餅壓洗均勻性的影響

3.1.1 線密度

設定絲餅ds為116 mm、凸臺dk為28 mm等模擬條件不變,長絲線密度分別選取133,267,333,500,667 dtex,經水力直徑法計算得到各線密度下的絲條直徑分別為63,88,100,124,141 μm,不同長絲線密度下絲餅壓洗過程中各層絲餅的qi和壓洗均勻性變化如圖4和圖5所示。

圖4 不同線密度下絲餅的qi與n的關系Fig.4 Relationship between qi and n of yarn packages under different linear density■—133 dtex;●—267 dtex;▲—333 dtex;▼—500 dtex;◆—667 dtex

圖5 不同線密度下絲餅的壓洗均勻性Fig.5 Press washing uniformity of yarn packages with different linear density

由圖4和圖5可以看出：在一定線密度下,qi隨著壓洗層數的增加而減小,且整體變化趨勢呈單調遞減,原因是流體在流動過程中存在流動損失,導致絲餅內腔中的壓力逐漸降低,絲餅內外壓差減小;線密度越大,絲線間的間隙越大,絲餅的阻力系數越小,致使流體大量從底部絲餅流出,使得頂部絲餅的qi(i為5,6,…11)越小,當線密度為667 dtex時,q1最大,為0.441 m3/h,而q11最小,為0.05 m3/h;線密度越大,絲餅在壓洗過程中的Cq越大,致使絲餅的壓洗均勻性越差。因此,實際生產中可將線密度小的絲餅置于壓洗車下層,線密度大的絲餅置于壓洗車上層,有助于提高絲餅的壓洗效果。

3.1.2 絲餅ds

設定長絲線密度為267 dtex、凸臺dk為28 mm等模擬條件不變,絲餅ds分別選取112,116,120,124,128 mm,所對應的絲餅孔隙率分別為0.44、0.41、0.37、0.33、0.27,不同絲餅ds下絲餅壓洗過程中各層絲餅的qi和壓洗均勻性變化如圖6和圖7所示。

圖6 不同ds下絲餅的qi與n的關系Fig.6 Relationship between qi and n of yarn packages under different ds■—112 mm;●—116 mm;▲—120 mm;▼—124 mm;◆—125 mm

由圖6和圖7可以看出：qi隨著壓洗層數的增加而減小,整體變化趨勢呈單調遞減,且ds越大,頂部絲餅的qi(i為5,6,…11)越大,這是由于所有絲餅的質量相等,且外徑和高度受離心罐影響保持不變,當ds越大,絲餅的致密程度越大,孔隙率越小,流體流經絲餅時所受的阻力越大,導致底部絲餅的qi(i為1,2,3)減少,而頂部絲餅的qi增大;當ds從112 mm增大至128 mm時,q1從0.351 m3/h降低至0.216 m3/h,Cq從62.47%減小至24.53%,顯然,絲餅ds越大,絲餅在壓洗過程中的Cq越小,絲餅的壓洗均勻性越好。因此,實際生產中在絲餅卷繞時可以適當地提高離心罐的轉速,使絲餅纏繞更緊密,有助于提高多層絲餅的壓洗均勻性。

3.1.3 凸臺dk

設定長絲線密度為267 dtex、絲餅ds為116 mm等模擬條件不變,由于托盤開孔為40 mm,且凸臺為嵌入式結構,因此,分別取凸臺dk為20,24,28,32,36 mm,不同凸臺dk下絲餅壓洗過程中各層絲餅的qi和壓洗均勻性變化如圖8和圖9所示。

圖8 不同dk下絲餅的qi與n的關系Fig.8 Relationship between qi and n of yarn packages under different dk■—20 mm;●—24 mm;▲—28 mm;▼—32 mm;◆—36 mm

圖9 不同dk下絲餅的壓洗均勻性Fig.9 Press washing uniformity of yarn packages under different dk

從圖8和圖9可以看出：qi隨著壓洗層數的增加而減小,呈單調遞減的變化趨勢,且凸臺dk越大,頂部絲餅的qi(i為5,6,…11)越大,原因是凸臺處的流場可以等效為先突擴后突縮的過程,而能量損失系數隨著孔徑比的增大而逐漸減小[18],故凸臺dk越大,孔徑比越大,凸臺處的能量損失越小,流體越容易進入上層絲餅;當凸臺dk為20 mm時,q1最大,為0.428 m3/h,而q11最小,為0.036 m3/h,顯然,dk越小,各層絲餅透液量的偏差越大,而dk越大,各層絲餅透液量的偏差反而越小,故增大凸臺dk可降低多層絲餅在壓洗過程中的Cq,提高絲餅的壓洗均勻性。因此,在黏膠長絲多層絲餅實際壓洗過程中,將絲餅洗滌的均勻性控制在一定范圍內的同時要保證嵌入式凸臺的結構穩定,綜合考慮選擇凸臺dk最大為36 mm較為合適。

3.2 多因素對多層絲餅壓洗均勻性的影響

3.2.1 正交試驗方案設計

為了研究長絲線密度(A)、絲餅ds(B)和凸臺dk(C)3個影響因素對絲餅壓洗過程中洗滌均勻性的影響程度,采用正交試驗方法,將上述3個因素選取5個水平進行L25(53)正交試驗,各因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平Tab.1 Orthogonal experimental factor level

3.2.2 正交試驗結果

根據正交試驗L25(53),不同試驗得到的多層絲餅壓洗過程中的Cq模擬計算結果見表2。從表2可知：線密度、絲餅ds和凸臺dk3個因素的極差(R)分別為36.783、35.736和58.559,這說明在絲餅壓洗過程中凸臺dk對多層絲餅壓洗均勻性的影響最大,然后依次是線密度、絲餅ds;多層絲餅壓洗均勻性較好的因素水平組合分別為A1、B5、C5,即當長絲線密度為133 dtex、絲餅ds為128 mm、凸臺dk為36 mm時,多層絲餅壓洗過程中的Cq最小,為4.62%。因此,在實際壓洗工藝中,可主要通過改變壓洗車各層凸臺dk來提高多層絲餅的壓洗均勻性。

表2 正交試驗結果Tab.2 Orthogonal experimental results

4 結論

a.在黏膠長絲多層絲餅壓洗過程中,各層絲餅的qi隨著壓洗層數的增加而減小,整體變化趨勢呈單調遞減。

b.絲餅壓洗過程中的Cq隨線密度的增加而增大,隨絲餅ds和凸臺dk的增大而減小。實際生產中,可將線密度小的絲餅置于壓洗車下層,線密度大的絲餅置于壓洗車上層,在絲餅卷繞時可以適當地提高離心罐的轉速,適當增大凸臺dk,可降低多層絲餅在壓洗過程中的Cq,提高絲餅的壓洗均勻性。

c.正交試驗結果表明：線密度、絲餅ds、凸臺dk3個因素的R分別為36.783、35.736、58.559,對多層絲餅壓洗均勻性影響的主次順序依次為凸臺dk、絲餅ds、線密度;當長絲線密度為133 dtex、絲餅ds為128 mm、凸臺dk為36 mm時,多層絲餅的壓洗均勻性較好,Cq為4.62%。