黏胶长丝多层丝饼压洗均匀性及其影响因素仿真研究.pdf

设备与控制合成纤维工业,2023,46(4):72CHINA SYNTHETIC FIBER INDUSTRY 收稿日期:2023-03-21;修改稿收到日期:2023-06-10。作者简介:张婷(1998),女,硕士研究生,研究方向为智能化系统安全保障及低位能源利用。E-mail:。基金项目:四川省高校重点实验室项目(GK201910、GK202009)。通信联系人。E-mail:58501323 。黏胶长丝多层丝饼压洗均匀性及其影响因素仿真研究张 婷1,李 俊1,胡云均2,陈 晔1,黄仁杰1(1.四川轻化工大学,四川 自贡 643000;2.宜宾海丝特纤维有限责任公司,四川 宜宾 644000)摘 要:为了探究黏胶长丝多层丝饼压洗过程中的洗涤均匀性及其影响因素,以黏胶长丝丝饼为研究对象、水为流体介质,以 M155 型丝饼压洗车为例,采用流体动力学仿真方法建立丝饼压洗模型,对多层分布式丝饼压洗过程中的透液量进行模拟研究,重点研究了长丝线密度、丝饼内径和凸台孔径对多层分布式丝饼压洗均匀性的影响。结果表明:在丝饼压洗过程中,各层丝饼的透液量随压洗层数的增加呈单调递减的变化趋势;丝饼的压洗均匀性随线密度的增大而提高,随丝饼内径和凸台孔径的增大而降低;凸台孔径是影响多层丝饼压洗均匀性的主要因素,其次是丝饼内径和长丝线密度,当长丝线密度为 133 dtex、丝饼内径为 128 mm、凸台孔径为 36 mm 时,丝饼的出口流量标准偏差系数最小,为 4.62%,多层丝饼的压洗均匀性好。关键词:黏胶纤维 丝饼 压洗 压洗均匀性 影响因素中图分类号:TQ341+.1 文献标识码:A 文章编号:1001-0041(2023)04-0072-06 2021 年,国内黏胶纤维的产能已突破 4 031 kt/a,其中黏胶长丝凭借其强度高、耐磨、密度小、弹性好及优异的可降解性受到国际市场的青睐,出口量同比增长 60.76%1-4。压洗是黏胶长丝卷绕成丝饼后的重要后处理工序,目的是洗涤丝条中附着的硫化物等,减少丝条黄斑的产生和保证丝条韧性,提高产品质量5。多层分布式压洗工艺因设备结构紧凑、效率高,一直沿用至今。分布式压洗过程的均匀性和洗涤时间影响产品质量和生产效益。目前,因缺乏理论支撑,丝饼排布和洗涤时间的确定以经验为主,制约了黏胶纤维产业的高质量、智能化发展,开展多层分布式压洗过程洗涤均匀性及其影响因素、影响规律的研究对于优化丝饼排布和洗涤时间的确定,保障分布式洗涤的均匀性至关重要。渗透率是用来表征丝饼在压洗过程中洗涤难易程度的一个参数,直接决定了丝饼压洗过程的效率和质量6。H.CHO 等7采用 Boltzman 网格法研究了纤维排列方式对渗透率的影响,发现重叠纤维的渗透率比非重叠纤维的渗透率提高了250%。何奎等8通过实验和理论分析研究了纤维管束内流量分配不均匀程度随组件入口风速的变化规律,得出随着入口速度的增大,管束内的流量分配不均匀度呈现出先增大后减小的趋势。方良超9釆用理论分析模型和实验方法分别研究了层间偏移对厚向渗透率的影响规律,结果显示单向布的厚向渗透率的分布趋于正态分布,而0/90经编织物小于 6 层时,厚向渗透率的分布范围较广。对于丝饼的研究主要集中于外部缺陷的检测。畅攀人等10利用神经网络算法替代了人工依靠肉眼和经验检测丝饼外观的方式,减少了检测人员数量。景军锋等11提出了一种机器视觉的算法对丝饼表面污渍、压痕、起毛等缺陷进行了精确的检测,结果表明该方法对缺陷具有较好的检测效果,缺陷识别准确率高、速度快。目前,针对丝饼压洗过程的流场分布规律和多层丝饼压洗均匀性的研究鲜有述及。由于实验条件的限制,作者根据黏胶长丝企业的 M155 型丝饼压洗车实际情况,以水为洗涤介质,基于 Flu-ent 仿真建立丝饼压洗模型,重点对长丝线密度、丝饼内径(ds)和凸台孔径(dk)3 个主要参数对多层丝饼压洗均匀性的影响进行模拟研究,以期为黏胶长丝丝饼压洗的优化布置、洗涤效果和洗涤效率的提升提供支撑。1 黏胶长丝丝饼压洗工艺在黏胶长丝生产中,丝饼压洗工序由水洗、除锌、脱硫、除杂、漂白等组成5,丝饼压洗工艺流程如图 1 所示。图 1 丝饼压洗工艺流程Fig.1 Press washing process for yarn packages1压力表;2丝饼;3托盘;4水箱;5蓄水池;6泵 在压洗工艺中,将丝饼从下往上依次叠放在压洗车托盘上,洗涤介质以一定的压力从压洗车下端经托盘孔注入丝饼的内腔,压洗车顶部封闭,使洗涤介质以压力渗透的形式从丝饼内腔向外侧渗出,压洗过程中保持顶部压力不变,从而达到洗涤丝饼的目的。2 丝饼压洗模型的建立2.1 几何模型黏胶长丝丝饼的几何模型如图 2 所示,丝饼外径为 170 mm,内径为(12010)mm,高度为130 mm。图 2 丝饼的几何模型Fig.2 Geometric modeling of yarn packages M155 型丝饼压洗车共 11 层,每层有 84 个丝饼,经空车试验发现,流体自压洗车底部水箱流入各列丝饼的流速相等,因此选取其中一列丝饼进行研究。结合数值计算的实际需求,对丝饼压洗几何模型进行了适当的简化和假设:(1)各层丝饼的结构尺寸及性能参数均相同;(2)将丝饼视为中空的圆筒模型,且丝饼压洗过程中的结构变化不予考虑;(3)忽略温度对流场的分布规律和丝饼渗透性能的影响;(4)忽略压洗过程中丝饼中所含物质对流体的浓度、密度和黏性等参数的影响,符合 Boussinesq 假设12;(5)忽略压洗过程中丝饼孔隙率和渗透性能的变化,且丝饼内部各个方向的阻力相同。基于上述简化,多层分布式丝饼压洗几何模型如图 3 所示。采用 ICEM 软件对模型进行网格划分,网格数量分别为 147104、228104和 335104,相比于网格数量 335104,网格数量为 228104的误差仅有 0.16%。为了减少计算量,本研究选用网格数量为 228104进行分析。图 3 丝饼压洗三维几何模型Fig.3 Three dimensional geometric modeling of presswashing process for yarn packages1托盘;2凸台 1(2-11 层);3丝饼;4凸台 2(第 1 层)2.2 多孔介质模型由于丝饼具有多孔介质的特征,本研究中采用多孔介质模型。多孔介质模型是定义一个多孔介质区域,设置该区域的孔隙率和流体的流动阻力和惯性阻力系数。孔隙率的大小在数值上等于多孔物体内微小孔隙的体积与整个物体总体积的比值,孔隙率越大,说明多孔介质内部的空隙越多,流体通过该处越容易;反之则排列越紧密,流体通过多孔介质所受的阻力越大13。孔隙率的计算见式(1)。=VkVz=Vz-VgVz(1)式中:为孔隙率(无量纲),Vk为多孔介质的孔隙体积,Vg为多孔介质固体骨架的体积,Vz为多孔介质的总体积。从理论上讲,多孔介质模型是在动量方程的37第 4 期 张 婷等.黏胶长丝多层丝饼压洗均匀性及其影响因素仿真研究右侧增加一个动力源项14-16。源项包括黏性损失和惯性损失16,其表达式见式(2)。Si=-3j=1Dij vj+3j=1Cij12|v|vj()(2)式中:Si表示 i 向(i 为 x,y,z)的动量源项,|v|为速度大小,为流体动力黏性系数,为流体密度,vj为三个方向上的分速度,Dij、Cij为矩阵。当多孔介质内部各个方向同性质时13,则有式(3)。Si=-vi+C212|v|vi()(3)式中:为渗透性系数,C2为惯性阻力系数,vi为三个方向上的分速度。流体在丝饼内腔中的流动状态为湍流,在丝饼内为层流流动,则有式(4)。|p|L=150(1-)2v?D2p3(4)式中:p 为流体流过丝饼前后的压强差,Dp为黏胶长丝丝条的直径,L 为滤层厚度,v?为过滤速度。联立以上各式,可以计算出多孔介质模型的 和 C2,其表达式分别见式(5)、(6)。1=150(1-)2D2p3(5)C2=3.5(1-)Dp3(6)2.3 均匀性评价指标多层丝饼在压洗过程中由于流体的流动损失,各层丝饼内腔中的压力会不同,导致各层丝饼的透液量存在差异,使得相同时间内各层丝饼的洗涤程度不同,轻度不均匀会导致丝饼的压洗时间延长和生产效率降低,而严重不均匀会造成产品质量的降低,从而影响企业的经济效益。因此,压洗均匀性主要是指各层丝饼的平均透液量相等。参考文献17中的流场均匀性评价方法,选取丝饼的出口流量标准偏差系数(Cq)来表征丝饼压洗过程中的洗涤均匀程度,Cq越大,表示洗涤均匀程度越差,其计算见式(7)。Cq=q 100%(7)=ni=1(qi-q)2n(8)式中:为丝饼透液量的标准偏差,q 为 11 层丝饼透液量的平均值,qi为第 i(i 为 1,2,11)层丝饼的透液量,n 为丝饼层数(此处为 11)。3 结果及讨论3.1 单因素对多层丝饼压洗均匀性的影响3.1.1 线密度设定丝饼 ds为 116 mm、凸台 dk为 28 mm 等模拟条件不变,长丝线密度分别选取 133,267,333,500,667 dtex,经水力直径法计算得到各线密度下的丝条直径分别为 63,88,100,124,141 m,不同长丝线密度下丝饼压洗过程中各层丝饼的 qi和压洗均匀性变化如图 4 和图 5 所示。图 4 不同线密度下丝饼的 qi与 n 的关系Fig.4 Relationship between qi and n of yarn packages under different linear density133 dtex;267 dtex;333 dtex;500 dtex;667 dtex图 5 不同线密度下丝饼的压洗均匀性Fig.5 Press washing uniformity of yarn packages withdifferent linear density由图 4 和图 5 可以看出:在一定线密度下,qi随着压洗层数的增加而减小,且整体变化趋势呈单调递减,原因是流体在流动过程中存在流动损失,导致丝饼内腔中的压力逐渐降低,丝饼内外压差减小;线密度越大,丝线间的间隙越大,丝饼的阻力系数越小,致使流体大量从底部丝饼流出,使得顶部丝饼的 qi(i 为 5,6,11)越小,当线密度为 667 dtex 时,q1最大,为 0.441 m3/h,而 q11最47 合 成 纤 维 工 业 2023 年第 46 卷小,为 0.05 m3/h;线密度越大,丝饼在压洗过程中的 Cq越大,致使丝饼的压洗均匀性越差。因此,实际生产中可将线密度小的丝饼置于压洗车下层,线密度大的丝饼置于压洗车上层,有助于提高丝饼的压洗效果。3.1.2 丝饼 ds设定长丝线密度为 267 dtex、凸台 dk为 28 mm 等模拟条件不变,丝饼 ds分别选取 112,116,120,124,128 mm,所对应的丝饼孔隙率分别为0.44、0.41、0.37、0.33、0.27,不同丝饼 ds下丝饼压洗过程中各层丝饼的 qi和压洗均匀性变化如图 6 和图 7 所示。图 6 不同 ds下丝饼的 qi与 n 的关系Fig.6 Relationship between qi and n of yarn packages under different ds112 mm;116 mm;120 mm;124 mm;125 mm图 7 不同 ds下丝饼的压洗均匀性Fig.7 Press washing uniformity of yarn packagesunder different ds 由图 6 和图 7 可以看出:qi随着压洗层数的增加而减小,整体变化趋势呈单调递减,且 ds越大,顶部丝饼的 qi(i 为 5,6,11)越大,这是由于所有丝饼的质量相等,且外径和高度受离心罐影响保持不变,当 ds越大,丝饼的致密程度越大,孔隙率越小,流体流经丝饼时所受的阻力越大,导致底部丝饼的 qi(i 为 1,2,3)减少,而顶部丝饼的 qi增大;当 ds从 112 mm 增大至 128 mm 时,q1从 0.351 m3/h 降低至 0.216 m3/h,Cq从 62.47%减小至 24.53%,显然,丝饼 ds越大,丝饼在压洗过程中的 Cq越小,丝饼的压洗均匀性越好。因此,实际生产中在丝饼卷绕时可以适当地提高离心罐的转速,使丝饼缠绕更紧密,有助于提高多层丝饼的压洗均匀性。3.1.3 凸台 dk设定长丝线密度为 267 dtex、丝 饼 ds为116 mm 等 模 拟 条 件 不 变,由 于 托 盘 开 孔 为40 mm,且凸台为嵌入式结构,因此,分别取凸台dk为 20,24,28,32,36 mm,不同凸台 dk下丝饼压洗过程中各层丝饼的 qi和压洗均匀性变化如图 8和图 9 所示。图 8 不同 dk下丝饼的 qi与 n 的关系Fig.8 Relationship between qi and n of yarn packages under different dk20 mm;24 mm;28 mm;32 mm;36 mm图 9 不同 dk下丝饼的压洗均匀性Fig.9 Press washing uniformity of yarnpackages under different dk57第 4 期 张 婷等.黏胶长丝多层丝饼压洗均匀性及其影响因素仿真研究 从图 8 和图 9 可以看出:qi随着压洗层数的增加而减小,呈单调递减的变化趋势,且凸台 dk越大,顶部丝饼的 qi(i 为 5,6,11)越大,原因是凸台处的流场可以等效为先突扩后突缩的过程,而能量损失系数随着孔径比的增大而逐渐减小18,故凸台 dk越大,孔径比越大,凸台处的能量损失越小,流体越容易进入上层丝饼;当凸台dk为 20 mm 时,q1最大,为 0.428 m3/h,而 q11最小,为 0.036 m3/h,显然,dk越小,各层丝饼透液量的偏差越大,而 dk越大,各层丝饼透液量的偏差反而越小,故增大凸台 dk可降低多层丝饼在压洗过程中的 Cq,提高丝饼的压洗均匀性。因此,在黏胶长丝多层丝饼实际压洗过程中,将丝饼洗涤的均匀性控制在一定范围内的同时要保证嵌入式凸台的结构稳定,综合考虑选择凸台 dk最大为36 mm 较为合适。3.2 多因素对多层丝饼压洗均匀性的影响3.2.1 正交试验方案设计为了研究长丝线密度(A)、丝饼 ds(B)和凸台 dk(C)3 个影响因素对丝饼压洗过程中洗涤均匀性的影响程度,采用正交试验方法,将上述 3 个因素选取 5 个水平进行 L25(53)正交试验,各因素水平见表 1。表 1 正交试验因素水平Tab.1 Orthogonal experimental factor level水平因素A/dtexB/mmC/mm1133112202267116243333120284500124325667128363.2.2 正交试验结果根据正交试验 L25(53),不同试验得到的多层丝饼压洗过程中的 Cq模拟计算结果见表 2。从表 2 可知:线密度、丝饼 ds和凸台 dk 3 个因素的极差(R)分别为 36.783、35.736 和 58.559,这说明在丝饼压洗过程中凸台 dk对多层丝饼压洗均匀性的影响最大,然后依次是线密度、丝饼 ds;多层丝饼压洗均匀性较好的因素水平组合分别为A1、B5、C5,即当长丝线密度为 133 dtex、丝饼 ds为 128 mm、凸台 dk为 36 mm 时,多层丝饼压洗过程中的 Cq最小,为 4.62%。因此,在实际压洗工艺中,可主要通过改变压洗车各层凸台 dk来提高多层丝饼的压洗均匀性。表 2 正交试验结果Tab.2 Orthogonal experimental results序号ABCCq/%111184.935212257.304313330.717414413.80451554.620621281.392722356.172823432.040924515.8251025163.0171131369.5141232446.0491333526.2261434186.2731535246.6351641463.8161742543.74318431101.7571944274.2552045337.7412151565.42822521112.6572353294.6472454368.1732555434.391k138.27673.01789.728k249.68963.18570.847k354.94057.07752.463k464.26251.66638.020k575.05937.28131.169R36.78335.73658.5594 结论a.在黏胶长丝多层丝饼压洗过程中,各层丝饼的 qi随着压洗层数的增加而减小,整体变化趋势呈单调递减。b.丝饼压洗过程中的 Cq随线密度的增加而增大,随丝饼 ds和凸台 dk的增大而减小。实际生产中,可将线密度小的丝饼置于压洗车下层,线密度大的丝饼置于压洗车上层,在丝饼卷绕时可以适当地提高离心罐的转速,适当增大凸台 dk,可降低多层丝饼在压洗过程中的 Cq,提高丝饼的压洗均匀性。c.正交试验结果表明:线密度、丝饼 ds、凸台dk 3 个因素的 R 分别为 36.783、35.736、58.559,对多层丝饼压洗均匀性影响的主次顺序依次为凸台 dk、丝饼 ds、线密度;当长丝线密度为 133 dtex、丝饼 ds为 128 mm、凸台 dk为 36 mm 时,多层丝67 合 成 纤 维 工 业 2023 年第 46 卷饼的压洗均匀性较好,Cq为 4.62%。参 考 文 献1 中国纺织工业联合会.2021/2022 中国纺织工业发展报告M.北京:中国纺织出版社有限公司,2022.2 崔益怀,吉宜军,孙振国,等.国内外不同黏胶混纺针织物的性能分析J.棉纺织技术,2022,50(12):54-58.3 姚穆,来侃,孙润军.纺织检测技术与仪器发展的回顾与前瞻J.棉纺织技术,2003,31(2):16-19.4 周世川,党虎,谢峰,等.1.11 dtex 超细旦黏胶短纤维的生产工艺探讨J.合成纤维工业,2020,43(3):77-80.5 徐绍贤,周红梅,孙文冲,等.一种丝饼快速洗涤工艺:201410382960.9P.2014-11-12.6 李树成,崔胜军.离心纺酸性丝饼的渗透性探讨J.人造纤维,2005,35(3):5-6.7 CHO H,JEONG N,SUNG H J.Permeability of microscale fi-brous porous media using the lattice Boltzmann methodJ.In-ternational Journal of Heat and Fluid Flow,2013,44(12):435-443.8 何奎,赵媛媛,张立志.双尺度密集纤维管束的多孔介质渗透特性J.工程热物理学报,2018,39(10):2301-2306.9方良超.嵌套效应对织物压缩性及渗透性的影响研究D.西安:西北工业大学,2016.10 畅攀人,王勇,汪灵瑶,等.智能外检系统在涤纶长丝自动包装线中的应用J.制造业自动化,2019,41(4):156-158,172.11 景军锋,张君扬,张缓缓,等.梯度空间下的丝饼表面缺陷检测J.纺织学报,2020,41(2):44-51.12 任晓芬,郭军霞,郜玉聪,等.铁渣转运廊道粉尘分布规律及其影响因素模拟研究J.安全与环境工程,2022,29(6):184-191.13 陈港.井下净水装置纤维过滤器球状结构优化设计及仿真研究D.太原:太原理工大学,2018.14 张瑜.宋联兴.螺旋板式固定床反应器数值模拟研究与开发D.青岛:青岛科技大学,2019.15 林大建,马文博,黎良飞,等.振弦栅的结构参数对净化流场影响的模拟J.江西理工大学学报,2020,41(1):64-70.16 李慧,张军,常佳,等.短纤维链板式松弛热定型机内部流场测试及数值模拟J.合成纤维工业,2012,35(1):67-71.17 冉景煜,邓庆波,牛俊天,等.湿法脱硫塔内流场均匀性影响因素及其评价方法J.动力工程学报,2020,40(10):825-831.18 冯娜,艾万政.突缩突扩式管道能量损失系数影响研究J.现代盐化工,2021,48(5):59-61.Simulation of uniformity and influential factors of press washingprocess for viscose filament multi-layer yarn packagesZHANG Ting1,LI Jun1,HU Yunjun2,CHEN Ye1,HUANG Renjie1(1.Sichuan University of Science&Engineering,Zigong 643000;2.Yibin Haisite Fiber Co.,Ltd.,Yibin 644000)Abstract:In order to explore the washing uniformity and influential factors in the press washing process of viscose filament multi-layer yarn packages,taking viscose filament yarn packages as the research object,water as the fluid medium,M155 yarn package press washing machine as an example,the press washing model for yarn packages was established by hydrodynamics sim-ulation method.And the simulation research was carried out on the liquid permeability of the multi-layer distributed yarn packa-ges during press washing process.The effects of filament linear density,yarn package inner diameter and boss aperture on the press washing uniformity of multi-layer distributed yarn packages were emphatically studied.The results showed that during the process of yarn package press washing,the liquid permeability of each layer of yarn packages showed a decreasing trend with the increase of the number of yarn package layers;the press washing uniformity of yarn packages increased with the increase of linear density and decreased with the increase of the inner diameter of yarn packages and the boss aperture;the boss aperture was the main factor affecting the press washing uniformity of multi-layer yarn packages,followed by the inner diameter of yarn packages and the linear density of filaments;and the standard deviation coefficient of the outlet flow of yarn packages was minimized as 4.62%and the press washing uniformity of multi-layer yarn packages was good when the linear density of filaments was 133 dtex,the inner diameter of yarn packages was 128 mm,and the boss aperture was 36 mm.Key words:viscose fiber;yarn package;press washing;press washing uniformity;influential factor77第 4 期 张 婷等.黏胶长丝多层丝饼压洗均匀性及其影响因素仿真研究