автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Экспериментальное исследование кинетики и расчет основных массообменных процессов в отделочном производстве

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ОПИСАНИЯ ОСНОВНЫХ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ОТДЕЛОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

1.1 Кинетика процесса сушки

1.2 Кинетика процесса промывки текстильных материалов

1.3 Основные закономерности кинетики процессов крашения целлюлозных и шерстяных волокон

1.3.1 Общие сведения о строении целлюлозных волокон

1.3.2 Общие сведения о строении и методах математического описания кинетики крашения шерстяного волокна

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ОТДЕЛОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

2.1 Математическое описание кинетики процесса сушки

2.2 Математическое описание кинетики процесса промывки текстильных материалов

2.3 Математическое описание кинетики крашения текстильных материалов

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ОСНОВНЫХ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ОТДЕЛОЧНОГО

ПРОИЗВОДСТВА

3.1 Методики экспериментального исследования кинетики сушки различных материалов

3.2 Экспериментальное исследование кинетики процесса промывки хлопчатобумажных тканей после крашения прямыми красителями

3.3 Экспериментальное исследование кинетики крашения шерстяной ткани кислотными красителями

ГЛАВА 4 . РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ИССЛЕДОВАННЫХ

МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИНЖЕНЕРНЫМ МЕТОДАМ РАСЧЕТА ИССЛЕДОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ

В основе процессов отделочного производства лежат процессы массообмена, такие как: сушка, промывка, пропитка, крашение. Несмотря на специфику этих процессов, они определяются законами диффузии и в их математическом описании много общего .

В отделочном производстве приходится иметь дело со сложными процессами, когда сам волокнистый материал (ткань), как сложный пористый субстрат, неся на себе после пропитывания химические реагенты (красители), является одновременно объектом воздействия этих реагентов в определенных температурно-влажностных условиях и субстанцией, в которой происходят эти физико-химические превращения. Подобная специфика процессов требует особого подхода для описания и понимания сложной сущности их протекания, а именно учета кинетических закономерностей протекания этих процессов как гетерогенных явлений, включающих в себя твердую фазу волокна и внешней среды.

По направленности межфазного массопереноса в системе волокно - окружающая среда все операции и процессы отделочного производства можно разделить на два типа.

Целью операций первого типа, является межфазный массоперенос в направлении окружающая среда -элементарное волокно. Это все способы крашения, печатания и заключительной отделки, в результате которых происходит физическая или химическая сорбция красителей и отделочных препаратов на внутренней поверхности волокна.

К операциям второго типа относятся процессы с межфазным массопереносом в направлении элементарное волокно - окружающая среда (десорбция). К этим процессам относятся все операции подготовки (очистки) текстильных материалов (расшлихтовка, отваривание, беление), все операции и виды промывки, а также очень широко используемая на всех стадиях отделочного производства операция сушки, проводимая в различных теплотехнических условиях (горячий воздух, контакт с горячими поверхностями, сушка с использованием ТВЧ, ИК-обогрев и др. ) .

Массообмен в обоих направлениях складывается из диффузионных потоков во внешней и внутренней средах, соответственно внешняя и внутренняя задачи. При сорбции внешней средой является либо жидкость (вода, органические растворители), либо газовая среда (термопечать, термозольное, парофаз-ное крашение). Внутренней средой, в которой происходит диффузия, является элементарное волокно. Массоперенос в ткани складывается из массоперено-са в макропорах (пустоты между нитями) и в микропорах (пустоты и трещины в элементарных волокнах) . Таким образом, текстильный материал является бипористым сорбентом. В большинстве случаев, для текстильных материалов с большим объемом микропор лимитирующей стадией межфазного переноса является диффузия внутри волокна.

Большинство отделочных процессов связано с сорбционно-десорбционными превращениями (кова-лентная реакция красителя или препарата с волокном, окисление, восстановление и др.) . Поэтому чаще всего приходится иметь дело не с простой, а с диффузией осложненной химическими реакциями.

Все отделочные операции осуществляются в определенных тепловых режимах, причем в качестве теплоносителей используются различные жидкости, горячий сухой воздух, насыщенный пар, перегретый пар и др. Очень важным является соотношение скорости нагрева текстильного материала и скорости диффузии, так как тепловое воздействие на текстильный материал - один из важнейших факторов определяющих диффузию. В отделочном производстве широко распространены массообменные процессы, связанные с диффузией веществ в волокне. Процессы сушки, промывки, крашения, целью которых является сорбция и десорбция химических веществ, красителей и влаги с волокна служат для придания материалам необходимых потребительских качеств. Эти процессы во многом определяют производительность технологических линий, себестоимость и качество готовой продукции. Эффективность диффузионных процессов во многом определяется кинетикой процессов, которая в настоящее время недостаточно изучена. Особенно остро ощущается нехватка экспериментальных данных, на базе которых можно разработать методы расчета основных массообменных процессов отделочного производства.

Одним из наиболее распространенных и энергоемких процессов отделки является сушка. Оптимизировать процесс сушки невозможно без описания кинетики процесса, так как она позволяет рассчитать количество испаренной влаги из материала и определить расход тепла на сушку. Для описания и инженерного расчета процесса тепло- и массообмена материала с окружающей средой необходимо знать основные закономерности протекания процесса сушки влажных материалов. Имеющиеся в литературе уравнения, описывающие диффузионные процессы, происходящие при сушке различных материалов, являются, как правило, приближенными, часто описывают раздельно периоды с постоянной и падающей скоростью - это требует стыковки уравнений на границах. При расчете времени процесса диффузии обычно суммируется время в первом и втором периодах процесса, а для этого необходим предварительный и трудоемкий расчет.

Важной операцией, определяющей свойства и качество текстильных материалов, является промывка. Эта операция используется практически при всех видах отделки тканей. Вместе с тем, она часто сдерживает повышение производительности технологических линий и становится все более дорогостоящей в связи с повышением стоимости промывочных жидкостей. Около 4 0% затрат идущих на пар, электроэнергию и воду в отделочном производстве приходится на долю промывки. Сказанное определяет необходимость дальнейшего совершенствования этого процесса и разработки корректного математического описания процессов, происходящих на границе раздела фаз ткань - промывная жидкость для оптимизации процесса промывки.

Одним из методов интенсификации процесса промывки является применение ультразвука. Поэтому метод описания кинетики промывки с использованием ультразвуковых колебаний является актуальным, так как позволяет экономить электроэнергию и воду за счет уменьшения времени процесса промывки.

Крашение - основная операция, определяющая качество готовой продукции с заданной колористической характеристикой (цветом, интенсивностью окраски, оттенком) и устойчивостью окраски в условиях эксплуатации. На поведение красителя в красильной ванне и его диффузию в волокне оказывает влияние ряд факторов, такие как, температура, время процесса крашения, физические и химические свойства текстильного материала, строение молекулы красителя и др. Одним из основных факторов влияющих на кинетику крашения является изменение температуры в процессе крашения, так как повышение температуры в период нагрева красильной ванны и поддержание температуры в процессе крашения определяет глубину диффузии красителя в текстильном материале, а это определяет потребительские свойства продукции (устойчивость окраски к мокрым обработкам, трению и др.). Оптимизация и управление массообменными процессами, происходящими на границе раздела фаз красильный раствор -волокно и дальнейшая диффузия красителя вглубь волокна невозможна без точного описания кинетики процесса крашения.

Оптимальное управление массообменными процессами позволит повысить не только качество готовой продукции, экономию энергоресурсов, но и создаст предпосылки для разработки оптимальных технологических линий.

Таким образом, исследование кинетики массооб-менных процессов и развитие методов ее описания является актуальной теоретической и практической задачей.

Цель работы заключалась в разработке корректного математического описания кинетики основных диффузионных процессов отделочного производства, экспериментальном изучении кинетики процессов и создание на этой основе уточненного инженерного метода расчета процессов сушки, промывки и крашения тканей. Данная цель работы достигается решением комплекса задач:

1)Разработать математическое описание процессов сушки, промывки и крашения.

2)Осуществить целесообразный выбор материалов для исследования кинетики процессов сушки, промывки и крашения.

3)Отработать соответствующие методики и выбрать необходимое оборудование для проведения экспериментов .

4)Провести анализ экспериментальных данных полученных в результате исследования для выявления основных параметров оказывающих влияние на кинетику процессов.

5)Обобщить результаты экспериментальных исследований и провести сравнение с данными других авторов с целью проверки адекватности предложенного математического описания массообменных процессов .

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в том, что автором подтверждена возможность использования метода расчета кинетики процесса сушки с применением вероятностных функций. Правомерность предложенного метода подтверждена результатами экспериментального исследования кинетики процессов сушки большого ассортимента тканей.

Показано, что предложенный метод может быть распространен и на плоские материалы других отраслей промышленности (кожевенную и целлюлозно-бумажную) .

Для описания кинетики промывки хлопчатобумажных тканей после крашения прямыми красителями и крашения шерстяной ткани кислотными красителями был использован модифицированный квазистационарный метод Франк - Каменецкого.

Впервые выполнен комплексный анализ факторов, определяющих кинетику процесса крашения, и предложен метод расчета кинетики крашения с применением компьютерной техники на примере крашения шерстяной ткани кислотными красителями. Правомерность предложенного метода подтверждена данными экспериментальных исследований автора.

Обоснованность научных положений и выводов, содержащихся в диссертации, обусловлена применением корректных теоретических предпосылок и математических методов обработки полученных экспериментальных данных, использованием современного оборудования и приборов для проведения экспериментов, а также соответствием результатов теоретических разработок и экспериментальных данных.

Практическая ценность работы:

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны инженерные методы расчета основных массообменных процессов отделочного производства (сушки, промывки и крашения).

Полученная информация о кинетике процессов позволяет сократить продолжительность массообменных процессов, то есть добиться повышения производительности и улучшения технико-экономических показателей производства.

Разработанные методы и рекомендации уже нашли применение в ряде организаций и предприятий текстильной промышленности.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на международной конференции "Математические методы в химической технологии" (г. Новомосковск 1997), на международных научно-технических конференциях "Прогресс-97" и "Прогресс-98" (г. Иваново), на международных конференциях молодых ученых по химии и химической технологии "МКХТ-97", "МКХТ-98" (г. Москва, РХТУ), на 13 международном конгрессе химических и инженерных процессов "СН13А-98", (г. Прага), на Всероссийской научно-технической конференции "Текстиль - 97", "Текстиль - 98", (г. Москва, МГТА).

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

8. Результаты исследования, включая экспериментальные методики, используются заинтересованными организациями и предприятиями, например, предложенная методика описания процесса крашения, применяется в колористическом центре на ЗАО «Коло-рос» (г. Москва) для анализа кривых сорбции красителей при составлении триад. Получен соответствующий акт внедрения.

1. Сажин B.C., Сажин В.Б. Научные основы техники сушки.// М.: Наука, 19 97.

2. Сажин Б.С. Техника сушки.// М.:1984.

3. Сажин Б.С., Гудим Л.И., Реутский В.А. Гидромеханические и диффузионные процессы.// М.: Легпромбытиздат. 1988.

4. Лыков A.B. Теория сушки.// М.: Энергия.1968.

5. Лыков A.B. Явления переноса в капиллярно пористых телах.// М.: Гостехиздат. 1954 .с 40.

6. Ребиндер П.А. и др. Физико-химические основы пищевых производств.// М. 1952.

7. Романков П.Г., Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии.// Л.: Химия. 1998. с 43.

8. Филоненко Г.К. Кинетика сушильных процессов.// Оборониздат. 1939.с 37.

9. Сполдинг Д.Б. Конвективный массообмен.// М.: Энергия, 1965.с 23.

10. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.// М.: Химия. 197 3. с 7 54 .

11. Романков П.Г., Рашковская Н.Б., Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии.// М.: Химия. 1975.с 32 6.

12. Гельперин Н.И. и др. Тепломассообмен-5.Т.6.// Минск: ИТМО АН БССР. 1976.с 145.

13. Фролов В.Ф. Моделирование сушки дисперсныхматериалов.// Л.: Химия. 1987.

14. Никитина Л.М. сб. Тепло- и массообмен в капиллярно-пористых телах.// Минск: Наука и техника. 1965.с 16.

15. Кришер О. Научные основы техники сушки.// М. 1961.

16. Полянин А.Д., Прядкин П.А. О двух задачах конвективной диффузии к поверхностям плохооб текаемых тел.// Изв. АН СССР. Мех. Жид и газа. 1978. №6. с104.

17. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике.// М.: Наука. 1987.с 502.

18. Емцев Б.Т.Техническая гидродинамика.М.197 8.

19. Мельников Б.Н.,Захарова Т.Д., Кирилова М.Н. Физико-химические основы процессов отделочно го производства.М.1982.

20. Фролов В.Ф.// ТОХТ. 1972, т.6. с 832.

21. Бабенко В.Е.// Химическая промышленность. 1979. №6. с 353.

22. Таганов И.Н. Моделирование процессов массо- и энергопереноса (нелинейные системы).// Л.: Химия. 1979.с 208.

23. Броунштейн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах.// Л.: Химия.197 7.с 280.

24. Витков Г.А., Холпанов Л.П., Шерстнев С.Н. Гидравлическое сопротивление и и тепломассообмен.// М.: Наука.1994.с 282.

25. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешанном состоянии. // JI.: Химия. 197 9. с 28 8.

26. Гельперин Н.и., Айнштейн В.Г.// ТОХТ. Т.7.1. 1973.

27. Бабенко В.Е.// ТОХТ. Т.б. №3.1978.

28. Кушкова А.Д. и др.// ТОХТ.Т.4. №6. 197 0.с82 6.

29. Галкин O.A. и др.//ТОХТ.Т.2. №6. 1968.с 884.

30. Ермакова З.В. и др.//ТОХТ.Т.11.1977.с 70.

31. Садов Ф.И. и др. Химическая технология волокнистых материалов //М.: 1968.

32. Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева //т.21. №1.1976.

33. Мельников Б.Н. и др. Современное состояние и перспективы развития технологии крашения текстильных материалов // М.:1983.

34. Матецкий А.И. и др. Крашение шерсти при пониженной температуре.// Текст.пром. №12. 1975. С.59-60.

35. Методы обработки текстильных материалов за-рубежом /Беляев H.H. Гульбе, Е.И. Молоков, В.Л. Смолова Л.Н.//М.:1974.

36. Беленький Л.И. Теория крашения и опыт практического применения // М. 1958.

37. Ефремов Г.И.,Сажин B.C. Графическая интерпретация диффузионных задач. // Словакия. 1996.

38. Шилова Г.И., Мельников Б.Н. Прерывная кинетическая модель процесса крашения.// Изв.Вузов. Техн. Текст, пром. №5,№6.1976. с.73-77.и 75-78

39. Шилова Г.И., Мельников Б.Н. Определение коэффициента диффузии красителя по времени половинного накрашивания в ваннах с переменной концентрацией красителя. // Изв. Вузов .Техн. текст, пром. №5.1972. с.87-91.

40. Кричевский Г.Е. Мовшович И.М. Применение методов неравновесной термодинамики для описания кинетики процессов крашения.//Изв. Вузов .Техн. текст.пром. №2, №3. 1968.с.107-111.с.85-89. 1968.

41. Маматов А.З., Парпиев А.П. Приближенный метод расчета кинетики процесса сушки хлопка-сырца.// Изв. Вузов. Техн.текст.пром. № 1.с.99-101.1993.

42. Горобцова Н.Е. Новый метод определения коэффициентов диффузии влаги.//ИФЖ.№4.19 67.

43. Эккерт Э.Р. Введение в теорию тепло- и массообмена.//Госэнергоиздат.1957.

44. Журавлева В.П.сб. Тепло- и массообмен в капиллярно-пористых телах. // М.: Наука и техника. Минск.1965.

45. Астарита Дж. Массопередача с химической реакцией.// Л.:Химия.1973.с.224.

46. Бояджиев X., Бешков В. Массоперенос в движущихся пленках жидкости.// М.: Мир. 1988. с.137.

47. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости.// М.: Мир.1973.с.760.

48. Сажин Б.С., Реутский В.А., Кошелева М.К. Пути повышения эффективности процессов промывки текстильных материалов.// М.: Лег-промбытиздат. 1988. с 13.

49. Шервуд Т., Пикфорд Р., Уилки Ч. Массопереда ча.// М.: Химия. 1982.с 696.

50. Процессы промывки тканей и методы их интенсификации. Под ред. Сажина B.C. и Альтер Пе соцкого Ф.Л. // М.: Легпромбытиздат. 1984.с 34.

51. Кричевский Г.Е. Диффузия и сорбция в процес сах крашения и печатания.// М.: Легкая индустрия.1981.с 57.

52. Кричевский Г.К., Корчагин М.В., Сенахов А.В. Химическая технология текстильных материалов. // M.1985. с 271.

53. Новорадовская Т.С., Садова С.Ф. Химия и химическая технология шерсти.// М.: Легпромбытиздат. 1986.с 11.

54. Мовшович И.М. Кинетика процессов крашения текстильных материалов.// М.: Легкая индустрия.1979.с 17.

55. Петере Р.Х. Текстильная химия. Ч. 1.// М.: Легпромбытиздат. 1989.

56. Петере Р.Х. Текстильная химия. Ч. 2.// М.: Легпромбытиздат. 1989.

57. David M. Lewis. Drying wool. // 1992.с 283.

58. Беленький Л.И. Физико-химические основы отделочного производства текстильной промышленности.// M. 1979.с 39.

59. Коньков А.И., Самсонов B.C. Совершенствование оборудования для химической технологии текстильных материалов.// Жур. ВХО им. Д.И. Менделеева. Т.26.1981.

60. Бельцов В.М. Технологическое оборудование отделочных фабрик текстильной промышленности.// Л. 1974.

61. Кричевский Г.Е., Гомбкете Я. Светостойкость окрашенных текстильных изделий.// М. 1975.

62. Мельников Б.Н., Захарова Т.Д. Современные способы заключительной отделки тканей из целлюлозных волокон. // М. 1975.

63. Мельников Б.Н. Физико-химические основы отделочного производства.// М. 1982.

64. Технологические расчеты в химической технологии волокнистых материалов.// Под ред. Беленького Л.И. М. 1973.

65. Писманник К.Д. Радиационно-химические методы модифицирования свойств текстильных материалов.// Жур. ВХО им. Д.И. Менделеева. Т. 26. 1981.

66. Садова С.Ф. Придание износоустойчивости и хемостойкости белковым волокнам.// Жур. ВХО им. Д.И. Менделеева. Т. 21. 1976.

67. Легчилина Л.М. Пискунова Т.И. Придание хлоп чатобумажным материалам несминаемости в мокром состоянии.// М. 1977.

68. Белякова C.B. Воспроизводство цвета по заданным характеристикам.// М.: ВЗИТЛП. 1967.

69. Балашова Т.Д., Булушева Н.Е., Новорадовская Т.С., Садова С.Ф. Краткий курс химической технологии волокнистых материалов.// М.: Легкая и пищевая промышленность. 1984.

70. Ершов А.П., Хархаров A.A. Цвет и его применение в текстильной промышленности.// Л.: Ленинградский университет. 1974.

71. Ковтун Л.Г. Химическая технология волокнистых материалов.// М. РИО МТИ. 1983.

72. Корчагин М.В., Соколова Н.М. и др. Лабораторный практикум по химической технологии волокнистых материалов.// М.: Легкая индустрия. 1976.

73. Мельников Б.Н., Блинчева И.Б. и др. Прогресс техники и технологии печатания тканей.// М.: Легкая индустрия. 1980.

74. Применение цветоведения в текстильной промышленности. Сб. ст. под ред. Беленького Л.И. 4.1.// М.: Легкая индустрия. 1971.

75. Садова С.Ф. Первичная структура кератина шерс ти.// Изв. Вузов.: Химия и химическая технология. Т.23. №6. 1980.с 753.

76. Мельников Б.Н. и др. Современное состояние и перспективы развития технологии крашения текстильных материалов.// М. 1983.

77. Таловикова Л.В. и др. Влияние интенсифицирующих препаратов на термодинамику процесса крашения шерсти кислотными красителями. Припониженной температуре.// Изв. Вузов.: Техн. текстильной промышленности. №6. 1978.

78. Мелина Н.Н. и др. Освоение и дальнейшее разви тие крашения шерсти.// JI. 1980.

79. Новорадовский А.Г. Штерн A.M. Повышение ус= тойчивости цвета окрашенных полимерных материалов при фотовыцветании смесей красителей.// Жур. Прикл. Спектроскопии. № 57. 198 9

80. Штерн A.M., Новорадовский А.Г. Создание атласа цветов для шерстяных материалов.//М. ЦНИИТЭИЛегпром. 1990.

81. Феткулова Е.Б., Штерн A.M. и др. Разработка рецептов колорирования текстильных материалов.// Текст. Пром. №5. 1989.

82. Матыцина Г.Ю., Казиев И.А. и др. Прогнозирование устойчивости окрасок шерстяных тканей, полученных смесями красителей.// М.: Мир. 1991.

83. Ивенс P.M. Введение в теорию цвета.// М.: Мир. 19 64.

84. Штерн A.M. и др. Измерительно-вычислительный комплекс для решения колористических задач.// Текст.пром. №1. 1988.

85. Молоков В.Л., Новорадовский А.Г. и др. Расчет рецептур крашения на персональной ЭВМ.// Текс.пром. №2. 1988.

86. Матыцина Г.Ю. Повышение качества шерстяных тканей на базе инструментальных методов воспроизводства цвета.// Л. 1991.

87. Жданова Ю.П. и др. Устойчивость окрашенных шерстяных тканей к светопогоде.// Текст.пром. №1. 19 90.

88. Коновалов В.И., Романов П.Г. и др. Теоретические основы химической технологии. // М. Т.9. №2. 1975.

89. Штерн A.M. и др. Оптимизация расчетных рецептур для колористического оформления текстильных материалов.// Текст, пром. №10. 1988.

90. Наумова И.А. и др. Исследование светостойкости смесей кислотных красителей в растворах и на шерстяных волокнах.//Изв. вузов. №2. 1978.

91. Цветкова В.В. и др. Оптимизация рецептур при повторном крашении по критерию воспроизводимости цвета.// Текст, пром. №5. 1992.

92. Шилова Г.И. Кинетика неизотермического краше ния.// Изв. Вузов. Техн. текстильной промышленности №1. 1975.

93. Таловикова JI.B. и др. Метод определения коэффициентов диффузии красителей в волокнепленке) при крашении и печатании из ванн переменного состава.// Текст, пром. №10. 1978.

94. Корнюхин И.П. // Изв. Вузов. Техн. текстиль= ной промышленности №1. 1982.

95. Липатов Ю.С., Нестеров А.Е. и др. Справочник по химии полимеров.// Киев. 1971.