автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Кинетика испарения растворителей и сушки покрытийна пористых и монолитных материалах

01

г 2 дьн ш • ^

На правах рукописи

Сергеева Елена Анатольевна

Кинетика испарения растворителей и сушки покрытий на пористых и монолитных материалах

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов-2000

Работа выполнена на кафедре «Процессы и аппараты химической технологии» Тамбовского государственного технического университета

Научные руководители: доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ КОНОВАЛОВ Виктор Иванович

кандидат технических наук, доцент ГАТАПОВА Наталья Цибиковиа

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор ' ФЕДОСОВ Сергей Викторович

доктор технических наук,

профессор БЕЛЯЕВ Павел Серафимович

Ведущая организация: Научно-технологическое предприятие

по синтезу химикатов для полимеров АО «Синтез», г. Тамбов

Защита диссертации состоится ЯП декабря 2000 г. в 14 час. СО мин. на заседании диссертационного совета К 064.20.01 Тамбовского государственного технического университета по адресу: 392620, г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу:

392000. г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГТУ.

Автореферат разослан 2/ ноября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент Ш НЕЧАЕВ Василий Михайлович

/Ш4-А,о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Разновидности процессов, включающих испарение растворителей и сушку покрытий на пористых или монолитных материалах, охватывают почти все виды человеческой деятельности, от древнейших искусств до новейших технологий. Это, например: нанесение и обработка поверхностных покрытий (краски, лаки, эмали, клеи, шпатлевки, аппреты и пр.; адгезионные и антиадгезионные, электроизоляционные и токопроводящие, антикоррозионные и герметизирующие покрытия; свето- и магниточувствительные, люминисцирующие и волно-поглощающие, визуализирующие и индицирующие материалы; декоративЕше и имитирующие, упрочняющие и связующие, повышающие жесткость и понижающие сминаемость, сглаживающие и рельефообразующие покрытия; водоупорные и растворимые, смачивающие и гидрофобизируюшие, антифрикционные и липкие, светопоглощающие и прозрачные покрытия; материалы с фармакологическими или парфюмерными свойствами, твердеющие или невысыхающие, вкусовые и съедобные и ряд других); завершающие процессы испарения и сушки после физико-химических, химических, механических и других способов получения и обработки технических материалов или природного сырья в среде органических растворителей (после полимеризации, кристаллизации, фильтрации, промывки, отбеливания, экстрагирования, гранулирования, капсюлирования. прессования, отжима, смешения и пр.); обработка поверхностей обезжиривающими составами и смывками, охлаждающими и дезинфицирующими жидкостями и пр. Органические растворители, применяемые шире, по сравнению с водными составами обладают разнообразными специфическими свойствами, чаще более летучи, более дороги, пожароопасны и токсичны. Отсюда вытекают принципиальные физические особенности процессов испарения и сушки, технологические особенности производств и конструктивные особенности применяемого оборудования. Эти особенности изучены очень слабо, хотя производительность и экономичность таких сушилок, качество материалов и режим обработки определяются именно механизмом и кинетикой сушки и "сопутствующих" процессов.

Поэтому в настоящей работе ставится актуальная в научном и практическом плане задача изучения механизма, температурной и влажностной кинетики сушки и тепло-диффузионного взаимодействия растворителя или покрытия с пористым или монолитным материалом.

Работа выполнялась в соответствии и в продолжение Координационного плана АН России по Теоретическим основам химической технологии (тема 2.27.2.8.12 Плана на 1991-1995 гг.) и в соответствии с Планом НИР ТГТУ по Единому заказ-наряду Минобразования РФ (Координационный план «Черноземье» на 1997 -2000 г.; тема ЗГ/1997 «Разработка теоретических основ расчета и проектирования оптимальных энерго- и ресурсосберегающих процессов и оборудования химических и микробиологических производств»).

Цель работы. Изучение физического механизма и кинетических особенностей сушки характерных разновидностей растворителей на типичных вариантах пористых и монолитных материалов. Проверка возможностей тепло-диффузионной аналогии. Оценка особенностей сушки при мягких и жестких условиях, для 1 и 2 режимных процессов. Разработка математического описания кинетики и получение основных соотношений тепло-массопереноса для процессов испарения и сушки; разработка инженерных методов расчета процессов; выработка

практических рекомендаций по совершенствованию исследуемых способов сушки и сушильной аппаратуры.

Объекты исследований. Выполнены обширные экспериментальные работы по воздушной конвективной и конвективно-радиационной сушке растворителей и покрытий на различных материалах. В качестве объектов сушки были взяты характерные органические растворители 11 гомологических рядов, нефрас и смеси, резиновые клеи, вода. В качестве материалов использовались технические ткани, листовая резинотехническая целлюлоза, протекторная резина, а также модельные алюминиевые и фторопластовые пластины.

Научная новизна. На основе анализа механизма процессов и обработки полученных экспериментальных данных подтверждено несоблюдение тепло-диффузионной аналогии при испарении растворителей, выражающееся в грубых отклонениях наблюдаемых и расчетных "по аналогии" температур поверхности и скорости испарения, и получены для разных условий критериальные уравнения тепло- и массоотдачи, включающие безразмерный комплекс "кинетического взаимодействия" и обеспечивающие приемлемую точность и универсальность. Предложены новые двухдуговые аппроксимации характеристик переноса со смещением точки перегиба и с изменением кривизны аппроксимируемой функции. Получено аналитическое решение 2-х слойной задачи теплопроводности и диффузии, дающее возможность приближенного интервального описания исследуемых процессов.

Практическая ценность. На базе полученных аналитических решений и корреляций для кинетических характеристик разработана и реализована компьютерная методика инженерных расчетов процессов испарения растворителей и сушки покрытий на разных материалах. Проверены особенности сушки при мягких и жестких условиях, для 1 и 2 режимных процессов. Показаны возможности совершенствования сушильных процессов и оборудования для испарения растворителей и сушки покрытий путем выбора способа теплоподвода, расчета размеров и характеристик сушилок, расчета вариантов организации процесса и выбора оптимальных технологических режимов. Предложены и приняты рекомендации по практической реализации результатов работы для расчета сушилок и выбора технологических режимов на Тамбовских АО «ТАЗРИ» и «Тамбоврезинотехника». Они могут быть рекомендованы также для практического использования на других предприятиях и в научно-исследовательских организациях химической, резиновой и смежных отраслей промышленности.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации сделан доклад на международном форуме, доклады на НТК ТГТУ 1996-1999 гг. и опубликовано 6 печатных работ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти основных глав, выводов, списка литературы из 190 наименований и приложений.

Настоящая работа по испарению растворителей и сушке покрытий является законченной самостоятельной составной частью проводимых под руководством профессора В.И.Коновалова комплексных исследований по сушильно-термическим процессам, в том числе диссертационных работ Н.Ц. Гатаповой, E.H. Туголукова, В.В. Косых, А.Г. Двойнина, С.С. Хануни, А.Н. Пахомова, A.B. Коза-чека. Всем им, а также профессору Т. Кудре (Канада), А.Б. Мозжухину, В.М. Нечаеву, A.A. Фролову, Ю.А. Брусенцову, коллективу кафедры ПАХТ и другим сотрудникам ТГТУ автор выражает благодарность за помощь в работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1 Введение. Сформулированы цель и задачи настоящей работы, ее научная и практическая актуальность, отмечена связь с координационными планами Российской академии наук и Минобразования РФ, приведена аннотация основных результатов работы, показана научная новизна и практическая значимость, отмечена достоверность результатов, даны рекомендации по реализации в промышленности и научно-инженерной практике.

2 Процессы и оборудование для сушки покрытий в химической, резиновой и других отраслях промышленности и задачи их совершенствования

Выполнен литературный обзор и анализ современного состояния теории и экспериментальных методов, технологии и техники сушки пористых и монолитных материалов или нанесенных на них покрытий от органических растворителей. Дана сводка основных групп применяемых и перспективных растворителей, отмечены их свойства и особенности. Кратко рассмотрены зависимости, предложенные для расчета летучести растворителей, и применяемые на практике экспериментальные методы и приборы (эвапорометрия, психрометрия, термогравиметрия). Показана недостаточная даже для грубых инженерных расчетов точность и неуниверсальность существующих методов. Перечислены типичные требования к качеству покрытий и обработанных материалов.

Выделены основные особенности процессов и аппаратов для нанесения и обработки пропитанных или промазанных материалов в химической, резиновой и других отраслях промышленности: большое влияние температуры и времени обработки на качество высушиваемого материала и покрытия; наличие устойчивой взаимосвязи между температурой и влагосодержанием; разнообразие способов сушки и термообработки и применяемого оборудования. Приведены конструктивные схемы сушилок, термокамер и поточных линий. Отмечены их сравнительные достоинства и недостатки.

На этой основе показаны направления перспективных исследований, включая последние отечественные и зарубежные публикации и диссертации, определены цель и задачи настоящей работы, намечены возможные подходы к решению сформулированных задач.

3 Теоретические вопросы испарения растворителей и сушки покрытий на пористых и монолитных материалах

3.1 Рассмотрены области применения, существующие схемы и возможности инженерно-кинетической аппроксимации характеристик тепло-массопереноса. Аппроксимация функций является специальной областью математики, оптимизации и управления. Широко применяются ряды Фурье, полиномы Чебышева, аппроксимации Паде и другие. В задачах сушки и испарения прагматические задачи аппроксимации включают следующие основные группы характеристик: 1) и( т), Г(т), Т(и)- 2) N(1), Щи), Ы(Т): 3) 8(т), 0 (и), 6 (Г), 0(ЛО; 4) а(и), а (Г). а(т); 5) Р(и), р(7), Р(т), где N =-(1и/с1х, 0 = АТ/йх - дифференциальные кривые. Аппроксимируются также профили скоростей потоков, температур, концентраций, давлений, все тепло-массопереносные свойства, изотермы сорбции-десорбции и пр.

Основные используемые схемы таких аппроксимаций делятся на беспараметрические ("жесткие"), с 1-м, 2-мя, 3-мя и очень редко большим числом

варьируемых параметров. Чем больше параметров, тем схема универсальнее, по сложнее и менее надежна. Вид аппроксимирующей функции может быть основан на теоретических представлениях. В других случаях он является чисто эмпирическим. Для ряда научных и инженерных задач особо важными являются наглядные, малопараметрические, возможно более универсальные схемы, в основе которых лежат простые модельные представления о лимитирующих '"базовых" характеристиках процесса. В практике работ кафедры ПАХТ ТГТУ применяются многочисленные известные и ряд разработанных схем различного типа и сложности, в зависимости от вида аппроксимируемой характеристики. Обзор их дан в диссертации.

Известно, что ряд характеристик имеет или 1- образную форму, аппроксимация которых часто вызывает затруднения. Ранее в наших работах была разработана простейшая двух-дуговая симметричная аппроксимация, удобная для аппроксимации равномерно изменяющихся в зонах 2-го периода сушки зависимостей Т(и) или коэффициентов тепло-массоотдачи а(г;). В настоящей работе предполагался более сложный, несимметричный вид этих зависимостей. Поэтому для них разработаны два варианта схем: со смещением точки перегиба и с изменением радиусов кривизны. Характер и возможности схем видны из рис. 1 ,а,б. Необходимые выкладки, анализ производных, разрывов, пределов, итоговые расчетные формулы и диапазон получаемых кривых представлены в диссертации.

Рис. 1 Схема 2-х дуговой аппроксимации коэффициентов теплоотдачи и других 5- или 2-образных функций со смещением точки перегиба и с изменением радиусов кривизны: а) с центрами кривизны на ординатах; б) с центрами кривизны на перпендикулярах к диагонали

3.2 Проблема соблюдения тепло-диффузионной и других аналогий представляет фундаментальный научный интерес для всей теории переноса. Прикладное значение методов аналогии состоит в возможности вычисления коэффициентов массоотдачи через коэффициент теплоотдачи (иногда - наоборот). Заключение о существовании аналогии делается путем сопоставительного анализа дифференциальных уравнений тепло-массопереноса.

В инженерной практике методы тепло-диффузионной аналогии наиболее часто применяются при описании испарения растворителей в процессах сушки, при расчете самоиспарительного охлаждения воды в градирнях, в психрометрии, а также в некоторых других случаях совместного или схожего по условиям тепло- и массопереноса. Однако в диссертации на основании собственных, ранее полученных и литературных данных показывается, что в реальных процессах тепломассообмена наблюдаются неприемлемые даже для грубых инженерных расчетов отклонения наблюдаемых и расчетных "по аналогии" интенсивностей испарения и теплоподвода и термодинамических балансных температур адиабатического насыщения Гад от кинетических по своей физической сущности температур мокрого термометра Гмт. Расхождения составляют до 10-20°С (для воды обычно 1-3°С), а по относительной летучести не соблюдается даже порядок расположения растворителей в ряду летучестей. При этом для воды (из-за ее уникально-специфических свойств) отклонения от аналогии значительно меньше, чем для органических растворителей. Л поскольку водные системы встречаются чаше, этим, по-видимому, объясняется недостаточное внимание к анализу корректности гидро-тепло-диффузионной аналогии в целом.

Приведены и другие факты, свидетельствующие об отсутствии аналогии. Парадоксален, например, такой факт: при соблюдении аналогии величины коэффициентов тепло- и массоотдачи а и Р должны зависеть от скорости газа ус в одинаковой степени. Отсюда вытекает независимость температуры мокрого термометра 7"„т от и>. Однако в практике психрометрии в измерения в обязательном порядке вводится существенная рассчитываемая нормативная поправка на скорость обдува, то есть отклонения учитываются даже для испарения воды и. в том числе, при сравнительно больших скоростях воздуха IV > 0.5 м/с. Объяснение введения этой психрометрической поправки учетом влияния излучения, как показывают расчеты, не основательно.

Поэтому в настоящей работе ставится задача дальнейшего анализа механизма и кинетики процессов и получение зависимостей, более точно и физически корректно описывающих тепло- и массоперенос при испарении растворителей. Так как физико-математические представления о подобных явлениях пока отсутствуют, необходим поиск корреляций, описывающих возможно точнее все достоверные экспериментальные данные. За основу, как и ранее, приняты классические критериальные уравнения типа Ыиа(11е, Рг) и Мир(Яе, Бс), надежно описывающие тепло- и массообмен без осложняющих явлений. В них п>тем последовательного многопараметрического перебора вводятся изменения определяющих характеристик, поправки и безразмерные комплексы, полученные в результате анализа для учета возможных причин, явно кинетического характера, вызывающих отклонения от теории.

Были выработаны 7 групп характеристик, включающих 21 вариант корреляционных изменений и комплексов, описанных в диссертации: 1) критерии "приведения", обеспечивающие приведение разных данных, особенно различных авторов, к сопоставимому виду (например, степень начального заполнения пор для пористых материалов £,ап или учет капиллярных эффектов у краев, бортиков, шероховатостей для монолитных матералов); 2) гидродинамические критерии 11е, Ог и др., для которых необходимо правильно выбрать форму, определяющие размер и температуру, учесть рельеф поверхности материала и пр.: 3) диффузионные критерии Рг, Эс, Ье или Ьи; поправка на стефановский поток Д5и поправка на термо-

диффузию ДТс1; 4) критерии испаряемости или фазового превращения ви. Ки, новый критерий испарения К„сп и др.; 5) критерии турбулизации области (зоны) переноса: симплексы плотностей и др. характеристик превращающихся фаз, аналоги \Уе. волнообразования Капицы Ка, спонтанной конвекции Марангони Ма и пр.; 6) критерии тепловой нестационарности: симплексы теплофизических свойств контактирующих фаз и новые комбинации; 7) литературные и новые предложенные критерии межмолекулярного и "кинетического" взаимодействия: Янга У а, содержащие диэлектрическую постоянную в нескольких вариантах, и, наконец, критерий, включающий характеристики "испарения"/"охлаждения" и критерий, включающий разности температур мокрого термометра/адиабатического насыщения (Гиг-Гад) и кипения/плавления растворителя (7"КИП-Га1ав). Должны проверяться 2-х, 3-х и 4-х критериальные комбинации. При большем числе теряется надежность корреляций. Выводы могут быть сделаны после обработки собственных серий экспериментальных данных и проверки полученных корреляций для наиболее надежных и обширных данных, полученных другими исследователями.

3.3 Интервально-аналитические и безградиентные инженерные методы расчета сушки растворителей и покрытий на пористых и монолитных подложках

В промышленных процессах испарения растворителей и сушки покрытий, так же как и в большинстве современных экспериментальных отечественных и зарубежных исследовательских работ и диссертаций (даже в прецизионных эвапорометрах системы "Шелл", эвапокордерах системы "Шеврон", термоаналайзерах системы "Метглер" и др. последних разработках ведущих мировых фирм) не обеспечиваются условия "чистого испарения" растворителей со свободной поверхности. Поэтому для повышения точности расчетов необходимо использовать постановку задачи тепло- и массопереноса с учетом подложки, то есть решать 2-х слойную задачу диффузии и теплопроводности с учетом реальных граничных условий теплоподвода и испарения по обе стороны образца с нанесенным растворителем. При этом многие характеристики переноса могут изменяться, то есть задача становится нелинейной.

Для решения таких задач на кафедре ПАХТ ТГТУ развиваются аналитические методы решения при интервальной во времени и кусочно-ступенчатой по всем переменным характеристикам постановке. При этом основой является получение аналитических решений для произвольных, безградиентных и функционально заданных начальных условий (НУ), то есть конечные условия (КУ) данной рассчитанной-зоны становятся на следующем временном шаге начальными условиями для следующей зоны: КУ„ = НУ„н Нами по этой методологии получены необходимые конкретные решения для 2-х слойной пластины.

Аналитические решения задачи теплопроводности для бесконечной пластины при произвольных, безградиентных и функционально заданных начальных условиях (рис.2)

дТ,{хл) Э27}(л.т) , X,

г- ———'- = а,--—; а, =-

дт дх1 с,р,

ГУ-3 (несимметричные):

адт)_а.(г,(0.т)-гс,)=0; (2)

дх X,

Тс,

Т.е..» V.,, т.. | дут: —= —=—1=1,2. (1)

Т,(*д) <с,(») Тю Xj.CJ.P-

Ч

Рис.2

ST2(l2. т) cx:

с К

дх

СУ: Г|(/],т) = 7'т(0,т); = ^

& " дх

Произвольные НУ: Т,(х, 0)= vy, (г).

со

Решение: Т,(х,т) = 1У,(х) + ^ Л,„ • íí'/i

Л = |

М„*

л/а7

+ 4>и

• ехр

где([ц] = [т0'5]): <р,„ = arcig Пп11

; ф2„ = -arcíg

а?

UO-

М„/2 .

¿I

+ ф|„

А.?

' I

Jo.r.xjím

№ Jai

+ Ф1п

¿x+ ^ Л/

'2

„ JOj^^ó'/íl

IV

■Jai

+ <?i„

dx

a\

Jim2

+ Ф1»

dx+ A/,f

a2

+ Ф2„

dx

M „ =

4°л

+ Ф\n

»'"(ф2п)

л2„ = W„; <?,(*) = y, (*)-»',(.*);

И'1(*) = С,.х + С2: И/2(.г) = С3л + С4; С,_4 = су, (Я„ а,. Г„ ).

Безградиентные НУ (может быть 1-й интервал): Т,(х,0)=Т,

Решение: Т, (х,т) = И-] (х) + ^ Лт • s/'/¡

л = 1

• ехр

ил

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(Ю) (П)

(12)

Функционально заданные НУ (заданные рядами решения (12). т.е. КУ„=НУ„+|; или любое НУ, заданное такими же по форме рядами):

Т, (х0;= Т,(х. т„.„.,). Решение:

Ти:(хл) = \¥х(х) + ^Аы-51п

/7 = 1

У-П*

■Jóí

+ Ф|„

• ехр

(13)

/ .

/

\

Т2е,(х,х) = Щ(х)+^:

(16)

V

Выражения ф,„ А„, М„, 0„, С„. аналогичны (6К(11).

Решения для задач диффузии получаются из решений для теплопроводности заменой

При малых толщинах (0,5-1,5 мм) пропитанных растворителем пористых материалов, а также для тонких слоев растворителей на монолитных ненабухающих материалах получаемые перепады концентраций и температур по толщине слоя растворителя (не в низкотеплопроводной подложке) могут оказываться небольшими. Тогда решения можно упростить, считая слой безградиентным.

Необходимые для расчетов характеристики внешнего тепло- и массопереноса определяются по критериальным уравнениям для конкретного растворителя с учетом кинетических отличий от Гм. В эквивалентных граничных условиях учитываются также дополнительный теплоподвод излучением и сток тепла на поверхностное испарение влаги.

4 Экспериментальные установки и техника экспериментов

4.1 Основные эксперименты были выполнены на щелевой 2-х режимной конвективной сушильно-термической установке (ЩУ) с размерами рабочего щелевого канала 128x26 мм (рис. 3). Температуры изменялись в пределах 40-140 °С, скорости воздуха - в диапазоне 0,3-1.7 м/с. Была предусмотрена возможность работы последовательно на 2-х разных режимах по температуре и скорости воздуха, для чего служат 2 контура воздухоподготовки и клапаны быстрого переключения рабочей камеры с одного режима на другой. Кроме записываемых и затем заносимых в компьютерную базу данных весовых и температурных кривых сушки растворителя на образце пористого или монолитного материала, дополнительно выполнялись эксперименты в тех же условиях по "чистому сухому нагреву" образцов - после быстрого охлаждения высушенного материала, при повторном нагреве его же в сушильной камере до температуры в эксперименте по сушке. Такая, отработанная на кафедре ПАХТ ТГТУ, методика комплексного проведения экспериментов по 1-но сторонней сушке (монолитные материалы с нанесенным слоем растворителя), 2-х сторонней сушке (пористые пропитываемые материалы) и сухому нагреву тех же образцов в одинаковых внешних условиях позволяет при последующей обработке данных выделить раздельно "в чистом виде" вклад в кинетику процесса сушки "базовых" характеристик переноса: внешних массоотдачи и теплоотдачи при испарении и сухого теплоподвода, что принципиально повышает достоверность получаемых результатов. Регистрация убыли влаги в процессе сушки производилась на специальных усовершенствованных и приспособленных для данной установки записывающих весах с магнитной подвеской.

4.2 Для возможности работы как в "мягких", так и в "жестких" условиях теплоподвода и для дополнительного визуального наблюдения высушиваемого образца была специально создана сопловая 2-х режимная конвективно-радиационная сушнльно-термическая установка (СУ) с передвижным тепло-

Т= С; а = й (вДУ); Х = £ (в ГУ);

<?, = и, = Р ,(С(0. Т)-Се1); Р 2(С(1, Т)-С,2).

(17)

(18)

г. ТМ -1 С«

Рис. 3 Щелевая 2-х-режимная конвективная сушильно-термическая установка (ЩУ)

т ж 1

ч

Воздух

Рис. 4 Сопловая 2-х-режимная конвективно-радиационная сушильно-термическая установка (СУ)

вым блоком, включающим 1 плоскую панель ИК теплоподвода и 2 дутьевых сопла с выходными сечениями 62x20 мм (рис. 4). Здесь температуры воздуха можно варьировать в пределах 40-140 °С, температуры излучателя - до 450 °С и скорости

воздуха - в диапазоне 0,3-5 м/с. В этой установке записывается только термограмма сушки, а весовая кривая оценивается по ней с помощью найденной на ЩУ тем-пературно-влажностной зависимости. Специальные проверочные эксперименты подтвердили достаточную точность такой методики. На этой установке, благодаря возможности почти "мгновенной" (~1 секунда) смене одного режима на другой, проверялись 2-х режимные варианты обработки в разных сочетаниях последовательностей: "мягкий'Т'средний"; "мягкий"/ "жесткий (с дополнительным излучением)"; "жесткий'/"мягкий" режим и др.

4.3 Растворители, промазочные составы и образцы из пористых и монолитных материалов подбирались с целью охватить максимально возможный диапазон варьирования представляющих практический и научно-модельный интерес условий и характеристик. Эксперименты проводились: с 17-ю индивидуальными органическими (включая 1 кремний-органический) растворителями, представляющими 11 важнейших гомологических рядов; с бензином-растворителем БР-1 "галоша" (новое название Нефрас-С2-80/120); с типовой клеевой смесью (БР + Этилацетат); с модельными смесями (Гептан + Этилацетат), (БР + Гептан), а также с водой. Включены 3 новых, ранее не исследованных и представляющих существенный интерес для новой техники растворителя - фурфурол, формамид и тетра-этоксисилан. Промазочные составы были представлены типовыми клеями на основе НК и растворителя (БР + Этилацетат); концентрация клеев варьировалась в промышленных пределах -10, 20 и 30 % масс. В диссертации приведен перечень и характеристики всех растворителей и промазочных составов. В автореферате большинство из них дано на рисунках, представляющих кинетику сушки. В качестве образцов использовались 3 вида монолитных материалов: фторопластовые и из протекторной шинной резины (низко температуропроводные) и алюминиевые (высоко температуропроводные) пластины и 4 вида пористых материалов, размещаемых на легкой раскрывающейся рамке (технические ткани - две х/б и одна анидная и листовая резинотехническая целлюлоза). В диссертации даны все необходимые их характеристики, а в автореферате все они представлены на рисунках по кинетике сушки и нагрева.

5 Результаты экспериментов, качественный анализ и количественная обработка экспериментальных данных

5.1 Проведены эксперименты по обширному плану из 9 основных серий, с варьированием всех основных переменных, всего более 350 опытов. При этом уровни варьирования .всех переменных фиксировались и выделялись основные уровни для возможности сопоставления и раздельного анализа влияния каждой переменной при прочих постоянных условиях. Для возможности массовой компьютерной обработки экспериментов данные по всем тепло-массопереносным и физико-химическим свойствам исследованных растворителей во всем диапазоне использованных температур были аппроксимированы по собственным зависимостям или рассчитаны по последним публикациям и многочисленным методикам и проанализированы сопоставлением в гомологических рядах и пр. При разбросах данных разных авторов или по разным методикам, типичных даже для массовых растворителей, принимались наиболее достоверные. Составленная компьютерная база данных представляет самостоятельный интерес в связи с не формализуемой и трудоемкой работой. Аналогичная работа проделана по характеристикам 7 использованных пористых и монолитных материалов.

5.2 На рис. 5 даются примеры весовых и температурных кинетических кривых сушки для различных растворителей (а), на разных тканях (б), при различном начальном насыщении подложек (о), полученные при разных температурах (<?) и скоростях (£>) обдувающего воздуха. На рис. 6 представлена для примера кинетика чистого нагрева (а) и сушки воды (б) и спиртов (б) на пористых и монолитных материалах.

(9 - 9,.~Л. г

Рис. 5 Кинетика сушки растворителей при варьировании условий сушки: а) растворитель = var; о) материал = var;

в) насыщение = var;

г) Гс = var;

д) vvc = var. Основные уровни неварьируемых параметров: ткань - анид «ТА-100»; Гс= 120 °С; 11'с = 1,5 м/с; ЩУ

На получаемых кривых всегда выражен 1-й период сушки, определяемый по постоянной скорости сушки (N= -du/dx & const ) и постоянной температуре материала, близкой к температуре мокрого термометра (Г„т ~ const). Из этих экспериментов достаточно достоверно определяются а„ся и рисл для "чистого" испарения (начальная стадия сушки). После окончания сушки каждый образец быстро охлаждался, и с ним производился опыт по чистому нагреву в тех же условиях. Отсюда определяли асух для "чистого" нагрева (на конечной стадии сушки). Затем эти

1

11

г

к

V

г

-Целлюлоза

-am-93

-Палатхз

-та-100

-Алюминий

-Фторопласт

-Резина

100 150 200 Время, с

данные по сериям использовали для получения расчетных критериальных уравнений теплоотдачи и массоогдачи и их аппроксимаций во 2-м периоде сушки.

Порядок расположения экспериментальных кинетических кривых соответствует порядку расположения веществ по их летучести, полученному в наших предыдущих исследованиях, и подтверждается нашими расчетами. Температурная площадка для этиленгликоля приближается к температуре 100 °С. Это необычный случай, но он также подтверждается расчетами. Испарение теграэтокси-силана незначительно, вероятно, вследствие некоторой полимеризации, поэтому кривая сушки почти горизонтальна. Температурная кривая имеет обычный вид. Подтверждено, что скорость сушки в 1-м периоде может зависеть от начального увлажнения (рис 5, в) и от материала подложек вследствие различных условий испарения на разных поверхностях (капиллярная структура, наличие набухания и поверхностных связей и пр.), что не согласуется с классическими моделями сушки и тем более - с тепло-диффузионной аналогией.

Отметим, дополнительно к упомянутым, некоторые другие физические особенности процессов испарения, которые нельзя не учитывать, так как вносимые при этом погрешности неприемлемы даже для грубых инженерных расчетов. Для того, чтобы объяснить увеличение аисп по сравнению с асух, A.B. Лыков выдвинул гипотезу субмикродиспергирования. Для ряда случаев это было подтверждено непосредственными наблюдениями (Шубин и др.). Янг в экспериментах с каплями

Рис. 6 Кинетика сушки и нагрева на пористых и

монолитных подложках: а) чистый нагрев; б) сушка, растворитель - вода; в) сушка; растворители - спирты (фторопласт - бутанол, остальное - этанол). Основные уровни неварьируемых параметров: Гс= 120'°С; н£= 1,5 м/с; ЩУ

обнаружил корреляцию между модифицированным числом Марапгони Ма* и диэлектрической проницаемостью г. испаряющихся растворителей. Известна сильная зависимость относительной летучести, в том числе определяемой на прецизионных эвапорометрах (Роклин; Саари - Гофф; Левин - Берестнев и ряд других работ), от вида подложек (материалы - фильтровальная бумага, полихлорвинил, алюминий и др.; размер образца, наличие бортика и пр.). Все это носит принципиальный характер. так как не учитывается в традиционных модельных описаниях сушки и испарения и создает ложную картину - иллюзию полной изученности процессов и простой аналогии между тепло- и массопереносом. Особенно это актуально в современных условиях мощного развития формально-компьютерных методов, часто берущих за основу используемых моделей недостаточно физичные представления.

5.3 Для выяснения природы и вида корреляционных связен тепло- и мас-соотдачн при испарении был выполнен разработанный план многоуровневого многопараметрического перебора (раздел 3.2) полученных комлексов с оценкой корреляции по "выбросам" по Тыоки (FOP = Far out Point) и среднеквадратичным отклонениям. Из них приемлемыми оказались только 2 варианта, включающих предложенные безразмерные комплексы, учитывающие кинетический (в отличие от балансно - термодинамического) характер взаимодействия потоков тепла и массы при испарении жидкостей. Это комплекс

Т -Т

Л"кп ("кипения / плавления") : ККп=1--——— :

Ткип —

и комплекс

сг(Тт-Тт)

К0„ ("охлаждения / испарения"): А'ои =

г+сж(Ткт-Тт )

с включением в эти комплексы соответствующих смыслу их наименования физических характеристик. Критерий Рейнольдса входит в полученные расчетные уравнения в степени 0,4 для массоотдачи и в степени 0.375 для теплоотдачи, что соответствует учету влияния скорости в психрометрических уравнениях (о чем говорилось в разделе 3.2). Из них предпочтение отдано комплексу А"кп , допускающему расширенное физическое толкование. Таким образом, рекомендуются следующие расчетные уравнения:

|ыир=0,77Яе0-45саззз^п333;

|киа=1,06Яе°'375Рг°'333^ • Входящая в эти соотношения термодинамическая температура адиабатического насыщения „ас рассчитывается по балансным зависимостям с выражением давления паров по Антуану. Температура площадки Гмт находится совместно с ансп и Рисп итерациями. Средняя погрешность расчетов для модельных экспериментов по скорости испарения (Л' = -¿и/йт) составляет 9 % и по температуре площадки Г„,т около 1,5 °С при отсутствии выбросов, оцененных величинами выше 12 % и 3 °С соответственно (фактически имевшиеся выбросы при проверке оказывались связанными с теми или иными погрешностями этих экспериментов).

Таким образом, при сушке растворителей тепло-диффузионная аналогия не соблюдается. Вероятной физической причиной этого является значительное непосредственное влияние на механизмы фазового превращения и массоперенос молекулярной структуры и молекулярных свойств растворителя.

6 Инженерная методика расчета кинетики испарения растворителей к сушки покрытий на подложках

Расчет проводится по полученным аналитическим решениям в интервальной постановке (раздел 3.3) и уравнениям внешней тепло- и массоотдачи (раздел 5.3). Для "сухого нагрева" получено уравнение

Ыисух = 0,87 Яе°-5Рг°", которое оказалось действительным как для щелевой, так и для сопловой установки. Это является весьма серьезным подтверждением корректности результатов, так как в ЩУ и СУ совершенно разные по механизму условия обдува ("образец - пластина внутри канала" и "образец - пластина в свободной струе"). Соответственно в уравнении 1^исух должны использоваться разные по смыслу и по величине определяющие размеры:

эквивалентный диаметр в форме ¿ЗК11 = 4(/\а„ - /г0бр)"/(Пка„ + По6р) и расстояние от кромки набегания потока, т.е. с1жг - 0,5 р. Погрешность расчетов составляет = 10-15 %, что для таких сложных процессов в инженерной практике вполне приемлемо. Примеры сравнения расчетных и экспериментальных данных показаны на рис. 7: а - чистый нагрев в различных установках; б - г - испарение растворителей (1-й период сушки) и сушка сильно различных по летучести жидкостей.

и 100 О.

С £ 60 с

1 «■

В р« мя, с

Время, с

Рис. 7 Сравнение расчетных и экспериментальных данных по «чистому» нагреву (а), испарению растворителей (б-г - 1период) и сушке пористых материалов (б-г).

Линии - расчет; точки - эксперимент

7 Вопросы совершенствования сушильных процессов и оборудования для сушки покрытий

7.1 Разработанные методы расчета кинетики испарения растворителей и сушки покрытий являются основой для любых инженерных работ по совершенствованию конструкций сушильной аппаратуры для таких процессов: путем выбора способа теплоподвода, расчета размеров и характеристик сушилок, расчета вариантов организации процесса, выбора оптимальных технологических режимов.

Время, с

о '«

-»-ЩУ, Фторопласт. бутанол •♦•СУ. Фторопласт, -бутанол Ф'оооплэст, " веда

■

.....

• -»-СУ, Фторопласт. . -^ вода

Время, с

7.2 Особый интерес для промышленной реализации представляют выполненные эксперименты по сушке клеевых покрытий на резине на щелевой и сопловой установках, при "мягких", "средних" и "жестких" условиях обработки: от 60 °С до 120 °С и до 120 °С с дополнительным ИК теплопод-водом при температуре излучателя 400 °С (рис 8). При этом обработка может проводиться по 2-х режимным схемам: когда 1-й период обработки проводится в одних условиях, а второй - в других. Могут чередоваться условия: мягкие/жесткие; жесткие/ мягкие и др. комбинации (рис. 9). При этом может достигаться выигрыш во времени сушки (последний вариант рис. 9, с). Для окончательного выбора необходим анализ качества конкретного покрытия. В частности, при жесткой сушке в начале процесса возможно пузыреобразо-вание.

7.3 Впервые при изучении 2-х режимной обработки реализована идея использования температурно-влажностной зависимости, чтобы обойтись для приближенного анализа одной температурной кривой - без весовой, когда ее получение затруднительно или невозможно. Именно такой случай имеет место при быстрой ("мгновенной") смене 1-го режима на другой передвижением теплового блока в сопловой установке. Проверка подтвердила приемлемость такого приближенного подхода (рис.8).

7.4 Высказанные соображения по информативности и надежности температурных кинетических кривых могут быть успешно реализованы при разработке новых или совершенствовании существующих приборов для исследования летучести и других характеристик растворителей и покрытий.

7.5 Даны и частично уже приняты предложения по практической реализации результатов работы на предприятиях и в научно-исследовательских организациях химической, резиновой и других отраслей промышленности (Тамбовские АО «ТАЗРИ», «Тамбоврезинотехника», «Синтез», «Пигмент», «Полимермаш»; центральные АО «НИИЭМИ», «НИИхиммаш», НИОПиК и др.).

>1 «г

А •—СУ. резина, клей 10% _ ^■ЩУ. резина, клей 10% —

/ Г

/

I

г— |

Время, с

Рис. 8 Сравнение термограчм нагрева и сушки на щелевой (ЩУ) и сопловой (СУ) установках: Тс= 120 °С; ч с = 1,5 м/с

0 183 е

. 1« ш

о.ш

о. » •»

1 40

183

О

о 140

^ 100 «

а во ш

С 60

I«

к а

-»-60-С

~123'С

-*-120"С+изл.400еС |

Время, с

- 1 —

/ "•"60'С — 120'С -*-120'С+изл.4С0'С

/ ■ММНМ-

/

Г

Г---

Время, с

в Время, с

Рис. 9 Термограммы нагрева и сушки при 1 и 2-х режимных процессах в «мягких», «средних» и «жестких» условиях: материал - резина; №с = 3 м/с; СУ. а) чистый нагрев; б), в) сушка клея (БР+ЭА+10%НК)

ВЫВОДЫ

1 В результате выполненного анализа современного состояния теории и техники сушки пористых и монолитных материалов от органических растворителей и сушки покрытий выделены основные особенности этих процессов и аппаратов: большое влияние температуры высушиваемого материала; наличие устойчивой взаимосвязи между температурой и влагосодержанием; разнообразие способов сушки и термообработки и применяемого оборудования. Показаны направления перспективных исследований и возможные подходы к решению сформулированных задач.

2 Рассмотрены теоретические вопросы сушки растворителей и покрытий на пористых и монолитных материалах. Предложены две новые разновидности двухдуговой аппроксимации коэффициентов тепло- и массоотдачи, существенно расширяющие ее возможности. Показано, что при сушке растворителей тепло-диффузионная аналогия не соблюдается.

3 Получены необходимые для описания процессов сушки растворителей на подложках аналитические решения задач теплопроводности и диффузии для 2-х слойной пластины в интервальной постановке.

4 Созданы шелевая и сопловая 2-х режимные экспериментальные установки для изучения испарения и сушки растворителей. Проведены обширные эксперименты с 25 разновидностями растворителей и клеев и с 7 видами материалов.

5 В результате выполненного многопараметрического сопоставительного анализа и обработки собственных и литературных экспериментальных данных подтверждены и рекомендованы уточненные уравнения для расчета тепло- и мас-соотдачи при испарении, содержащие безразмерный комплекс, включающий температуры кипения и плавления растворителей.

6 Разработана и реализована методика инженерных расчетов процессов испарения растворителей и сушки покрытий. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов подтвердило физичность, достаточную точность и приемлемость предложенной методики для инженерной практики.

7 Выполненные эксперименты по сушке клеевых покрытий при "мягких", "средних" и "жестких"' условиях обработки и при 2-х режимных процессах сушки подтвердили возможность существенного выигрыша во времени сушки. Впервые для изучения интенсивной 2-х режимной обработки покрытий реализована идея использования температурно-влажностной зависимости вместо затруднительного измерения убыли влагосодержания.

8 Предложены и приняты рекомендации по практической реализации результатов работы для расчета сушилок и выбора технологических режимов на Тамбовских АО «ТАЗРИ» и «Тамбоврезинотехника».

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

(все размерности в системе СИ) а - температуропроводность; с - теплоемкость; С - концентрация; D - коэффициент диффузии; F,f - поверхность; g - вес; L, I - длина; М - масса, молекулярная масса; N - скорость сушки; q, т - удельные потоки тепла, влаги; Q - количество тепла; г, R, х - координата, толщина (полутолщина) пластины; г - теплота испарения; Г - температура; и - влагосодержание материала; w - скорость; а, ß - коэффициенты теплоотдачи, массоотдачи; 8 - толщина; X - теплопроводность; р - плотность; |i, v -динамическая, кинематическая вязкость; т - время. Nua = al/k- Nup = ß//D; Pr = v/a; R e = w//v: Sc = v/D.

С'

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1 Гатапова H.H., Михайлов Б.Н., Сергеева H.A. К вопросу методики экспериментальных исследований циклических процессов взаимосвязанного тепло- и массоперсноса // Тезисы 3-й НТК ТГТУ: Тамбов, 1996. - С. 13!.

2 Коновалов В.И.. Самех С.С. Хануни, Туголуков E.H., Гатапова Н.Ц., Коробова ИЛ., Михайлов Б.Н.. Сергеева Е.А. К расчету внешнего тепло- и массообмена при сушке и нагреве волокнистых материалов // Вестник ТГТУ.- 1997. - Т.З. № 1-2. - С. 47-60.

3 Коновалов В.И., Туголуков E.H., Гатапова Н.Ц., Самех С.С. Хануни. Коробова И.Л.. Пахомов А.Н.. Сергеева Е.А. К расчету внутреннего тепло- и массоперсноса и кинетики сушки и нагрева волокнистых материалов // Вестник ТГТУ. - 1997. -Т.3,№3.-С. 224-236.

4 Гатапова Н.Ц., Сергеева Е.А., Мозжухин А.Б. К вопросу экспериментальных исследований кинетики нагрева и сушки плоских (рулонных) материалов при переменных режимах // Труды ТГТУ. Вып. 3. 1999. - С. 26-28.

5 Гаганова Н.Ц., Сергеева Е.А.. Мозжухин А.Б. Особенности конструктивного оформления экспериментальных исследований кинетики нагрева и сушки плоских (рулонных) материалов при переменных режимах // Тезисы докл. НТК ТГТУ, 1999. -С. 31.

6 Gatapova N.Z., Sergeeva Е.А., Konovalov V.l.. Kudra Т.. Mo/.zhukhin A.B. Heat and mass transfer analogy for evaporation of solvents // Proceedings 4th Minsk Internat. Heat and Mass Transfer Forum (MIF'2000). Belarus, 22-26 May. 2000. - Minsk: 1TMO, 2000,-Pp.94-100.

ЛР № 020851 от 27 09.99 П,р № 020079 от 28 04 97 Подписано в печагь 20 11 2000 Гарнитура Times New Roman Формат 60 х 84/16. Бумага офсежая. Печать офсетная Объем: 0,93 усл. печ л.; 1.0 уч.-итд. л Тираж 100 экз. С. 917

Издательско-полиграфический центр Тамбовсм>го государственного технического университета 392000, Тамбов, Советская. 106. к. 14