автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Процессы испарения растворителей нефтехимии и сушки покрытий на их основе

На правах^укопйси

АЛЬ САИДИ БАССАМ ШАРИФ ДЕНЕФ

ПРОЦЕССЫ ИСПАРЕНИЯ РАСТВОРИТЕЛЕМ НЕФТЕХИМИИ И СУШКИ ПОКРЫТИЙ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.17.08 Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 СЕН 2013

Тамбов 2013 005532891

005532891

Работа выполнена на кафедре «Технологические процессы и аппараты» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»),

Научный руководитель Гатапова Наталья Цибиковна,

доктор технических наук, профессор

Официальные Сокольский Анатолий Иванович,

оппоненты: доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный политехнический университет», профессор кафедры «Теплотехника, гидравлика и инженерные сети»

Кошелева Мария Константиновна,

кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии», профессор кафедры «Процессы, аппараты химической технологии и безопасность жизнедеятельности»

Ведущая организация Открытое акционерное общество

«Научно-исследовательский институт резинотехнического машиностроения» (ОАО «НИИРТМАШ»), г. Тамбов

Защита диссертации состоится 27 сентября 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 при ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.

Электронная почта: kvidep@cen.tstu.ru; факс: 8(4752)632024.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 27 августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Нечаев Василий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В различных отраслях химической и перерабатывающей промышленности широко используются процессы испарения растворителей и сушки покрытий на пористых или монолитных материалах, например при нанесении лакокрасочных, адгезионных, клеевых, антикоррозионных и других видов покрытий. Они, как правило, являются завершающими стадиями после физико-химических, химических, механических и других способов получения и обработки технических материалов или природного сырья в среде различных растворителей (после полимеризации, кристаллизации, фильтрации, экстрагирования, гранулирования и др.).

В подавляющем большинстве работ, посвященных изучению процессов сушки, в качестве удаляемой влаги рассматривается вода. Органические растворители, применяемые шире по сравнению с водными составами, обладают разнообразными специфическими свойствами, в большинстве являются более летучими, пожароопасными и токсичными веществами.

Поэтому в настоящей работе ставится актуальная в научном и практическом плане задача изучения процесса испарения растворителей различных гомологических рядов, температурно-влажностной кинетики сушки покрытий на их основе на различных подложках с разными условиями теплоподвода.

Работа актуальна также для Республики Ирак, ведущими промышленными отраслями которой являются нефтедобыча, нефтепереработка и нефтехимия.

Цель работы. Изучение кинетических особенностей испарения и сушки растворителей нефтехимии на различных подложках из пористых и монолитных материалов. Разработка математического описания кинетики и получение основных соотношений тепломассопереноса для процессов испарения и сушки растворителей в различных условиях теплоподвода.

Объектами исследований являлись процессы испарения и сушки характерных растворителей нефтехимии, в том числе нефрасы, клеи, используемые в производстве резинотехнических изделий, для сопоставительных опытов - вода. В качестве основы покрытий использовалась протекторная резина, а также модельные материалы (алюминиевые и фторопластовые пластины, фильтровальная бумага, капроновая сетка).

Научная новизна. Экспериментально исследована кинетика испарения характерных растворителей нефтехимии в различных условиях теплоподвода.

Получены коэффициенты критериальных уравнений процессов тепло- и массоотдачи для изотермического испарения растворителей.

Экспериментально исследована кинетика сушки клеевых композиций на основе растворителей нефтехимии (нефрас С2-80/120, этил-ацетат) на протекторной резине.

Практическая ценность. Усовершенствован узел испарения психро-эвапорометрической установки, позволяющей проводить физическое моделирование процессов испарения растворителей, одновременно измерять скорость и температуру испарения.

Разработана методика инженерных расчетов процессов испарения растворителей на разных материалах и сушки покрытий на основе аналитических решений задач теплопроводности и диффузии и аппроксимаций переносных и кинетических характеристик. Отклонение расчетных данных от экспериментальных составило не более 15%.

Апробация работы и публикации. По теме диссертационной работы опубликованы три статьи в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК. Работа докладывалась на XV Международной научно-практической конференции «Научная дискуссия: инновации в современном мире» (Москва, 2013), VI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты» (Новосибирск, 2013).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы из 135 наименований и приложений.

Настоящая диссертационная работа по испарению растворителей нефтехимии и сушке покрытий на их основе выполнена в научной школе профессора В.И. Коновалова и является частью комплексных исследований по сушильно-термическим процессам.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цель и задачи настоящей работы, ее научная и практическая актуальность, приведена аннотация основных результатов работы, показана научная новизна и практическая значимость, в том числе для Республики Ирак, отмечена достоверность результатов, даны рекомендации по реализации в инженерной практике.

В первой главе выполнен литературный обзор и анализ современного состояния теории и экспериментальных методов, технологии и техники сушки пористых и монолитных материалов и нанесенных на них покрытий от растворителей. Дана сводка основных групп применяемых и растворителей, отмечены их свойства и особенности. Кратко рассмотрены зависимости, предложенные для расчета летучести растворителей, и применяемые на практике экспериментальные методы и приборы (эвапорометрия и психрометрия). Показана недостаточная для инженерных расчетов точность 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, резинотехнической 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 определены цель и задачи настоящей работы, намечены возможные подходы к решению сформулированных задач.

Во второй главе рассматриваются экспериментальные исследования процессов испарения и сушки типичных растворителей на различных подложках и покрытий на их основе.

Испарение растворителей исследовали на специально созданной экспериментальной психро-эвапорометрической установке (рис. 1), отличительной особенностью которой является одновременное измерение скорости испарения и температуры испарения растворителей в широком диапазоне изменения температур и скоростей сушильных агентов.

Установка включает систему измерения веса испаряющихся растворителей в единицу времени (скорость испарения), систему измерения температуры поверхности испарения увлажненного материала и секционную систему контроля и управления состоянием сушильного агента.

Основой установки является психрометр Ассмана 1, установленный на специальном шкафу и снабженный необходимыми контрольно-измерительными и управляющими устройствами. Конструкция шкафа исключает внесение посторонних источников (стоков) тепла.

а)

Сушильный агент + пары растворителя

б) в)

Рис, 1. Психро-эвапорометрическая установка:

а - общая схема установки; б - психометр с внешним увлажняющим устройством; в - узел смоченного термометра

Узел смоченного термометра выполнен из полого фторопластового стержня 2, установленного в одной из психрометрических трубок 3, нижние концы которых заглублены в термостат 4 с подаваемым в него сушильным агентом. Установка снабжена микровентилятором 5 с регулируемым числом оборотов для просасывания парогазовой смеси

через трубки 3 и внешний напорный резервуар 6 для подачи исследуемого растворителя на смачиваемую поверхность испарения. Элементы 2 — 6 образуют систему измерения температуры поверхности испарения. Они подвешены на весоизмерительном устройстве 7, которое в совокупности с резервуаром для растворителя 6 и с образцом смоченного материала 8 образует также систему измерения количества испаряющегося растворителя во времени. Для исключения подсосов внешнего воздуха в устройстве используется второй микровентилятор 9 с регулируемым числом оборотов, причем его производительность поддерживается несколько большей, чем количество просасываемого сушильного агента. Числа оборотов микровентиляторов 5 и 9 обеспечивают задаваемую скорость сушильного агента в трубках, которая предварительно тарируется в рабочем диапазоне температур.

Для подготовки сушильного агента с заданной температурой и влагосодержанием в шкафу установлена двухступенчатая система нагрева и осушения воздуха 3 — 5.

Стержень 2 обернут фильтровальной бумагой (средней пористости) с известной площадью поверхности и смачивается растворителем, непрерывно поступающим из внешнего напорного резервуара 6 (в отличие от обычных психрометров с внутренним резервуаром для воды, не позволяющим фиксировать поверхность испарения). В резервуар специальным шприцем-дозатором заливается навеска растворителя, необходимая для обеспечения достаточной продолжительности стационарного режима испарения. Выбрано возможно крайнее нижнее размещение по конструкции резервуара во избежание избыточного напора растворителя.

Использование стандартных термометров психрометра Ассмана не обеспечивало полного увлажнения и фиксации поверхности смачиваемого материала без избытка жидкости, приводило к образованию капель. Нами была проведена соответствующая модернизация узла испарения с добавлением специальных устройств. На стержне 2 была сделана кольцевая проточка, а трубка для подачи растворителя заделана внутрь стержня. На конце стержня предложена установка аэродинамического колпачка 11 оригинальной конструкции.

После выхода устройства на выбранный температурный и скоростной режим (в диапазоне 20...150 °С и 0,1...10 м/с) в напорный резервуар шприцем-дозатором заливается рассчитанная навеска растворителя, который проходит через капиллярную трубку и смачивает поверхность испарения. В процессе опыта одновременно снимаются показания весоизмерительной системы, а также температуры смоченного и сухого термометров с помощью термопар 12.

Контроль всех параметров сушильного агента (температура и влажность на каждой ступени и перед блоком испарения), темпера-

туры испарения растворителя производится с помощью электронных самописцев.

Эксперименты по сушке растворителей на разных подложках и покрытий проводились на конвективной сушилке с рециркуляцией сушильного агента (рис. 2).

Диапазоны температур и скоростей обдувающего воздуха составляли от 40 до 160 °С и от 1,5 до 10 м/с.

В сушилке установлено два вентилятора (до и после рабочей цар-ги), чтобы иметь возможность поддерживать в зоне высушиваемого образца давление, близкое к атмосферному. Это необходимо для исключения выбросов или подсосов атмосферного воздуха через отверстия для рамки и штанги весов и для большей стабильности показаний весов.

Нагнетательные вентиляторы типа Ц9-57 обеспечивают скорость воздуха в сушилке до 15 м/с. Измерение скоростей воздуха в рабочей камере производилось трубкой Пито-Прандтля (для скоростей воздуха более 3 м/с), термоанемометром и тарированным перепадом напора на рабочем канале (для скоростей воздуха менее 3 м/с).

В работе исследовались процессы испарения типичных растворителей из разных гомологических рядов, в том числе этилацетат, бутил-ацетат, бензол, гептан, четыреххлористый углерод. Модельные и сопоставительные опыты проводились с водой и этиловым спиртом.

3,5, 11 — датчики контроля влажности и температуры сушильного агента; 4 - высушиваемый образец с термопарой на рамке; б - второй циркуляционный вентилятор; 7 - блок приборов контроля температур и влажности; 8 - ЭВМ; 9 - вытяжной вентилятор; 10 — вентиль рециркуляции; 12 - блок приборов регулирования температуры

В качестве подложек в процессах сушки использовались три вида монолитных материалов в виде пластин (фторопласт, протекторная резина - низкотемпературопроводные материалы; высокотемпературопро-водный материал - алюминий), пористые материалы, размещаемые на легкой раскрывающейся рамке (фильтровальная бумага средней пористости, техническая х/б ткань), капроновая сетка с размером ячеек 0,5x0,5 мм. Часть экспериментов проводилась на фторопластовом цилиндре, имитирующем стержень узла смоченного термометра психро-эвапорометрической установки.

В диссертации приведен перечень и характеристики всех исследованных растворителей и промазочных составов. Автором дополнена созданная на кафедре «Технологические процессы и аппараты» база данных по физико-химическим и термодинамическим свойствам растворителей.

На рисунке 3 приведены примеры экспериментальных температурных (а) и весовых (б) кривых, полученных на психро-эвапоромет-рической установке, на рис. 4 показаны кривые сушки, снятые на конвективной сушилке.

40 I I I I I I I I I 0 240 48

I I I ■ I I I I 1 I I I I I I I I I I

480 720 960 1200 1440 Время, с

б) 2

0,5 м/с

п

2 0,8 -■

0,4-

0

0 240 480 720 960 1200 1440 Время, с

Рис. 3. Экспериментальные кривые испарения бутилацетата при температуре 100 °С и различных скоростях воздуха

О 120 240 360 480 600 720 840 960 Время, с

Время, с

Рис. 4. Экспериментальные кривые сушки бутилацетата на различных подложках при температуре 100 °С и скорости воздуха 3,5 м/с

Из анализа экспериментальных данных видно, что время сушки для растворителей меньше, чем время нагрева материала подложек. Для воды соотношение между временем сушки и нагрева сильнее зависит от толщины подложки и степени увлажнения пористого материала.

На всех экспериментальных кривых выражен первый период сушки, определяемый по постоянной скорости сушки и постоянной температуре материала, близкой к температуре мокрого термометра. Из этих данных можно достаточно достоверно определить коэффициенты тепло- и массоотдачи для «чистого» испарения.

Скорость сушки в первом периоде может зависеть от начального увлажнения и степени заполнения пор материала, а также от способа нанесения растворителя (шприцем или контактом с увлажняемой фильтровальной бумагой) и условий смачиваемости материалов подложек.

Из экспериментов видно, что зависимость скорости сушки от скорости воздуха выражена более слабо в отличие от зависимости скорости

сушки от температуры. Аналогичная зависимость наблюдается для скорости нагрева, а также для отношения времени сушки ко времени нагрева.

После окончания сушки каждый образец быстро охлаждался, и с ним производился опыт по чистому нагреву в тех же условиях. Такие экспериментальные данные необходимы для определения коэффициентов теплоотдачи асух на конечной стадии сушки.

Порядок расположения экспериментальных кинетических кривых соответствует порядку расположения веществ по их летучести и подтверждается расчетами.

В работе были выполнены серии экспериментов на психроэвапо-рометрической установке по «чистому» испарению, в которых варьировались растворители, температура и скорость воздуха, серии экспериментов по сушке, в которых варьировались растворители, материал и вид подложки, температура и скорость воздуха, серии экспериментов по «чистому» нагреву на конвективной сушилке.

В третьей главе приведены основные расчетные соотношения и методики.

В процессах испарения растворителей основными характеристиками являются: термодинамическая температура адиабатического насыщения Гад; температура мокрого термометра Гмт; коэффициеты тепло- и массоотдачи ос„сп и рисп; скорость испарения тисп.

Термодинамическая температура адиабатического насыщения находится из условий равновесного процесса теплоподвода к жидкости и расхода этого тепла на испарение

гвд=ге-Гад^ад~Ч°с, (1)

Сг + сж хс

где хад, хс - влагосодержание растворителя у поверхности растворителя при температуре насыщения Гад и в объеме среды при Тс,

М Р (Т)

ж ■* насУ /

~ Мг П- РИЗС(Т) '

где Ршс — давление насыщенного пара.

/"нас аппроксимируется в зависимости от температуры по уравнению Антуана:

' г. \

^нас^Р

а„ —

Т+спу

(3)

Здесь ап, Ъп, сп - коэффициенты аппроксимации, полученные для каждого исследуемого растворителя.

Температура мокрого термометра Тш находится совместно с ос^п и Рисп итерациями из баланса тепла для первой температурной площадки

Чшп = «исп (Тс~Тш) = г тшп = г Рисп (Снас С^мт ) ~ Сс ) , (4)

где Снас, Сс - объемные концентрации растворителя, пересчитываемые из хвд, хс по уравнению Дальтона. Скорость испарения

Коэффициенты тепло- и массоотдачи при испарении в конвективной сушилке определялись по ранее полученным критериальным уравнениям.

Для процесса испарения в психро-эвапорометрической установке в результате обработки экспериментальных данных были получены уточненные критериальные уравнения аналогичного вида

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 поправках.

Все необходимые для расчета теплофизические и переносные характеристики исследуемых растворителей и их аппроксимации приводятся в базе данных.

Средняя погрешность расчетов по скорости испарения не превышает 10%, по температуре мокрого термометра Тт составляет около 1,5 °С.

Для расчетов совместного тепломассопереноса при испарении и сушке на пористых или монолитных материалах-подложках применялась разработанная в школе профессора В.И. Коновалова методика с итерациями и параллельным поинтервальным счетом, при введении эффективных коэффициентов переноса в граничные условия с поверхностным стоком в первом периоде и эффективной теплоемкости с учетом объемного стока на испарение во втором периоде сушки. Связь между ними устанавливается поверхностной температурно-влажностной зависимостью гиперболического вида. Критическое влагосодержание, определяющее границу между первым и вторым периодами сушки, берется в простейшем случае в виде доли начального влагосодержания в зависимости от вида материала и состава.

В качестве примера сушки покрытия на основе растворителей в работе рассмотрена сушка клеевых покрытий на протекторной резине. Состав клеевых покрытий включал нефрас С2-80/120 и этилацетат.

На рисунке 5 приведены примеры сравнения расчетных (показаны линиями) и экспериментальных (показаны точками) данных по

'»„с, Рисп (Снас (7'„) Сс)-

(5)

(6) (7)

«чистому» нагреву (образцы из алюминия, фторопласта и фильтровальной бумаги, 7"= 100 °С; и> = 3,5 м/с) (а), по испарению растворителей (б), сушке клеевых покрытий на резине {Т- 60 и 120 °С; и» = 5 м/с) (в), т, "с

а)

Фторопласт Алюминий

200 300 Время, с

400

500

б)

150

300 450

Время, с

600

б)

120 т, °с

100

80 60 40 20 0

200

400 600

Время, с

800

1000

Рис. 5. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по «чистому» нагреву (а), испарению растворителей (б) и сушке (в)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Выполнен литературный обзор и анализ современного состояния техники сушки пористых и монолитных материалов и нанесенных на них покрытий от органических растворителей. Рассмотрены характерные растворители нефтехимии, отмечены их свойства и особенности. Кратко рассмотрены зависимости, предложенные для расчета интенсивности испарения, и применяемые в инженерной практике экспериментальные методы и устройства.

Выделены основные особенности процессов и аппаратов для нанесения и обработки пропитанных или промазанных материалов в химической промышленности, производстве резинотехнических изделий и др.: большое влияние температуры высушиваемого материала и покрытия; наличие устойчивой взаимосвязи между температурой и вла-госодержанием; разнообразие способов сушки и термообработки и применяемого оборудования и др.

2. Усовершенствован узел испарения в специально разработанной для физического моделирования процессов испарения растворителей психро-эвапорометрической установке, позволяющей одновременно измерять скорость и температуру испарения.

3. Рассмотрены теоретические вопросы сушки растворителей и покрытий на пористых и монолитных материалах. Проанализированы варианты аппроксимации характеристик переноса при испарении и сушке (коэффициентов тепло- и массоотдачи, скорости сушки, температурно-влажностных зависимостей и др.). Уточнено критериальное уравнение для расчета коэффициентов тепло- и массоотдачи при испарении растворителей в психро-эвапорометрической установке.

4. Проведены серии экспериментов по изучению кинетики испарения растворителей и сушки покрытий на психро-эвапорометрической установке и конвективной сушилке с рециркуляцией сушильного агента. Методика экспериментов включает получение весовых кривых и термограмм сушки слоев растворителей, «чистый сухой» нагрев и «чистое изотермическое» испарение. Это обеспечивает возможность комплексного анализа кинетики процесса и нахождения основных характеристик переноса (коэффициентов тепло- и массоотдачи, параметров их аппроксимации, температурно-влажностных зависимостей и др.).

5. Выполнены эксперименты по сушке клеевых покрытий на протекторной резине в различных условиях обработки.

6. На базе аналитических решений задач теплопроводности и диффузии и аппроксимаций переносных и кинетических характеристик разработана методика инженерных расчетов процессов испарения растворителей и сушки покрытий. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов показало достаточную точность (10...15%) и приемлемость предложенной методики для инженерной практики.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

(все размерности в системе СИ)

а - температуропроводность; с - теплоемкость; С - концентрация; £> - коэффициент диффузии; д, т - удельные потоки тепла, влаги; О. — количество тепла; г - теплота испарения; Т, I — температура; и, g — влагосодержание, масса влаги; ли - скорость; х — влагосодержание воздуха; а, Р - коэффициенты теплоотдачи, массоотдачи; X — теплопроводность; р — плотность; ц., V — динамическая, кинематическая вязкость; т — время.

N11, №д„ = а/ / X; Шр = р/ / И; Рг = V / а; 8с = V / В.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Коновалов, В.И. Экспериментальная установка для исследования кинетики процессов сушки и испарения растворителей / В.И. Коновалов, Н.Ц. Гатапова, Аль Саиди Бассам Шариф Денеф // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2013. — Т. 19, № 1,- С. 97-102.

2. Пахомов, А.Н. Расчет кинетики сушки капли жидкости на подложке / А.Н. Пахомов, Е.А. Ильин, Аль Саиди Бассам Шариф Денеф // Вестник Тамбовского государственного технического университета. — 2013. - Т. 19, № 2. - С. 339 - 345.

3. Гатапова, Н.Ц. Кинетические особенности испарения растворителей нефтехимии и сушка покрытий на их основе / Н.Ц. Гатапова, Аль Саиди Бассам Шариф Денеф, Е.А. Сергеева // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2013. - Т. 19, № 2. — С. 378-382.

4. Аль Саиди Бассам Шариф Денеф. К определению вида критериальных уравнений тепло- и массоотдачи при испарении

растворителей / Аль Саиди Бассам Шариф Денеф, A.B. Баландина и др. // Материалы XV Между нар. науч.-практ. конф. «Научная дискуссия: инновации в современном мире». - Москва, Международный центр науки и образования, 30 июня 2013 г. - С. 21 - 25.

5. Аль Саиди Бассам Шариф Денеф. Моделирование процесса испарения растворителей / Аль Саиди Бассам Шариф Денеф, А.Н. Па-хомов // Сб. докл. VI Междунар. науч.-практ. конф. «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты». - Новосибирск, Центр развития научного сотрудничества, 1 августа 2013 г. -С. 38-42.

Подписано в печать 26.08.2013. Формат 60x84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 362

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201361910

Аль Саиди Бассам Шариф Денеф

ПРОЦЕССЫ ИСПАРЕНИЯ РАСТВОРИТЕЛЕЙ НЕФТЕХИМИИ И СУШКИ ПОКРЫТИЙ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.17.08 "Процессы и аппараты химических технологий"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Гатапова Н.Ц.

Тамбов - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.................................... 4

ВВЕДЕНИЕ.................................................... 5

1 ПРОЦЕССЫ ИСПАРЕНИЯ РАСТВОРИТЕЛЕЙ И ОБОРУДОВАНИЕ

ДЛЯ СУШКИ ПОКРЫТИЙ В ХИМИЧЕСКОЙ И РОДСТВЕННЫХ

ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ............................... 9

1.1 Растворители: разновидности, свойства, особенности применения............................................... 9

1.2 Современное состояние и применение результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов испарения растворителей и сушки покрытий........................... 19

1.3 Основное оборудование, реализующее процессы испарения растворителей и сушки покрытий........................ 23

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ

ИСПАРЕНИЯ РАСТВОРИТЕЛЕЙ И СУШКИ ПОКРЫТИЙ........... 4{

2.1 Экспериментальные установки и техника экспериментов......... 41

2.2 Растворители и покрытия.................................... 57

2.3 Подложки, пористые и монолитные материалы................. 64

2.4 Экспериментальные результаты по кинетике испарения, полученные на психро-эвапорометрической установке

и их анализ............................................... 67

2.5 Экспериментальные результаты по кинетике испарения и сушке покрытий, полученные на конвективной сушилке, и их кинетические особенности........................................ 73

3 ОСНОВНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ ИСПАРЕНИЯ РАСТВОРИТЕЛЕЙ И СУШКИ ПОКРЫТИЙ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ...................... 80

3.1 Основные зависимости для расчета интенсивности испарения растворителей и температуры мокрого термометра.......... 80

3.2 Расчетные уравнения для определения коэффициентов тепло-

и массоотдачи при испарении и нагреве...................... 86

3.3 Влияние теплоподвода со стороны подложки на кинетику испарения и сушки........................................ 92

3.4 Методика и результаты расчета кинетики испарения растворителей и сушки покрытий............................ 100

ВЫВОДЫ.................................................... 106

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................... 108

ПРИЛОЖЕНИЯ 124

1. Примеры экспериментальных данных по испарению растворителей, полученных на психро-эвапорометрической

установке.................................................................................125

2. Примеры экспериментальных данных по испарению

растворителей и сушке, полученных на конвективной сушилке.............135

3. Примеры экспериментальных данных по нагреву и

охлаждению подложек............................................................... 137

4. Примеры экспериментальных данных по сушке клеевых

составов в конвективной сушилке................................................ 141

5. Примеры программ и расчетных данных по кинетике нагрева, испарения и сушки.................................................................. 145

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - температуропроводность; с - теплоемкость; С - концентрация; D - коэффициент диффузии; ¿/-диаметр;

q,m- удельные потоки тепла, влаги;

Q — количество тепла;

R, х, 5 - координата, толщина;

г - теплота испарения;

T,t — температура;

и, g - влагосодержание, масса влаги;

w - скорость;

х - влагосодержание воздуха; а, р - коэффициенты теплоотдачи, массоотдачи; А, - теплопроводность; р - плотность;

ц, v - динамическая, кинематическая вязкость; х — время.

Критерии и числа подобия Nu, Nu« = olI/X; Nup = ß//D; Pr = v/a; Sc = v/D.

Индексы ад - адиабатическое насыщение; внеш - внешняя; э - эффективный; экв - эквивалентный; ж - жидкость; мт - мокрый термометр; нас - насыщение; расч - расчетный; ск - свободная конвекция; сух - сухой;

эксп - экспериментальный.

ВВЕДЕНИЕ

В различных отраслях химической и перерабатывающей промышленности широко используются процессы испарения растворителей и сушки покрытий на пористых или монолитных материалах, например при нанесении лакокрасочных, адгезионных, клеевых, антикоррозионных и других видов покрытий. Они, как правило, являются завершающими стадиями после физико-химических, химических, механических и других способов получения и обработки технических материалов или природного сырья в среде различных растворителей (после полимеризации, кристаллизации, фильтрации, экстрагирования, гранулирования и др.).

В подавляющем большинстве работ, посвященных изучению процессов сушки, в качестве удаляемой влаги рассматривается вода. Органические растворители, применяемые шире по сравнению с водными составами, обладают разнообразными специфическими свойствами, в большинстве являются более летучими, пожароопасными и токсичными веществами. В большинстве случаев для них характерна меньшая температура кипения, удельная теплота парообразования, величина поверхностного натяжения. Они обладают лучшей смачиваемостью и растекаемостыо.

Одной из основных технологических характеристик растворителей нефтехимии является скорость испарения (абсолютная или относительная). Для расчетов процессов сушки необходимо знать также температуру увлажненной поверхности испарения (или температуру мокрого термометра). В измерительной технике до настоящего времени нет устройств, позволяющих замерять эти величины одновременно.

Поэтому в настоящей работе ставится является актуальная в научном и практическом плане цель: экспериментальное изучение кинетических особенностей испарения и сушки растворителей нефтехимии на различных подложках из пористых и монолитных материалов; разработка математического

описания кинетики и получение основных соотношений тепломассопереноса для процессов испарения и сушки растворителей в различных условиях теп-лоподвода.

Поскольку автор диссертации является гражданином Ирака, необходимо отметить актуальность этой работы также для Республики Ирак. Роль процессов и аппаратов химической и нефтехимической технологии в Республике Ирак в настоящее время постоянно возрастает, так как ведущими промышленными отраслями страны являются нефтедобыча, обеспечивающая сырьем свыше 90 % промышленного производства, нефтепереработка и нефтехимия. Ведущими предприятиями отрасли являются три крупных нефтеперерабатывающих завода (Даурия - г. Багдад, Бейджи - г. Киркук, Шуай-ба - г. Басра).

Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы-ны и решены следующие задачи:

- усовершенствовать узел испарения экспериментальной психро-эвапорометрической установки, обеспечивающий изотермические условия испарения и фиксированную площадь поверхности испарения;

- экспериментально исследовать кинетику испарения характерных растворителей нефтехимии на разных подложках в различных условиях теп-лоподвода;

- экспериментально исследовать кинетику сушки типовых клеевых композиций резинотехники, имеющих в своем составе растворители нефтехимии;

- провести сопоставительный анализ полученных экспериментальных данных и результатов расчетов по предложенной методике расчетов процессов испарения и сушки на основе аналитических решений задач теплопроводности и диффузии и аппроксимаций переносных и кинетических характеристик.

Объектами исследований являлись процессы испарения и сушки характерных растворителей нефтехимии, в том числе нефрасы, а также клеи, используемые в производстве резинотехнических изделий, для сопоставительных опытов - вода. В качестве основы покрытий использовалась протекторная резина, а также модельные материалы (алюминиевые и фторопластовые пластины, фильтровальная бумага, капроновая сетка).

Научная новизна работы заключается в следующем. Экспериментально исследована кинетика испарения характерных растворителей нефтехимии в различных условиях теплоподвода. Получены коэффициенты критериальных уравнений процессов тепло- и массоотдачи для изотермического испарения растворителей. Экспериментально исследована кинетика сушки клеевых композиций на основе растворителей нефтехимии (нефрас С2-80/120, этилацетат) на протекторной резине.

Практическая ценность работы: усовершенствован узел испарения психро-эвапорометрической установки, позволяющей проводить физическое моделирование процессов испарения растворителей, одновременно измерять скорость и температуру испарения; разработана методика инженерных расчетов процессов испарения растворителей на разных материалах и сушки покрытий на основе аналитических решений задач теплопроводности и диффузии и аппроксимаций переносных и кинетических характеристик.

Достоверность полученных результатов обеспечивается представительным рядом исследованных растворителей и материалов, а также большим диапазоном условий и режимных параметров процессов испарения и сушки, положительными результатами сопоставительного анализа экспериментальных и расчетных данных. Отклонение расчетных данных от экспериментальных составило не более 15%.

Настоящая диссертационная работа по испарению растворителей нефтехимии и сушке покрытий на их основе выполнена в научной школе про-

фессора В.И. Коновалова и является частью комплексных исследований по сушильно-термическим процессам.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность коллективу кафедры «Технологические процессы и аппараты» ФГБОУ ВПО «ТГТУ», Козлову Д.В., Сергеевой Е.А. за помощь в работе.

1. ПРОЦЕССЫ ИСПАРЕНИЯ РАСТВОРИТЕЛЕЙ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СУШКИ ПОКРЫТИЙ В ХИМИЧЕСКОЙ И РОДСТВЕННЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В различных отраслях химической и родственных отраслях промышленности, как уже отмечалось во введении, широко используются процессы испарения растворителей и сушки покрытий на пористых или монолитных материалах при нанесении лакокрасочных, адгезионных, клеевых, антикоррозионных и других видов покрытий. Они, как правило, являются завершающими стадиями после физико-химических, химических, механических и других способов получения и обработки технических материалов или природного сырья в среде различных растворителей (после полимеризации, кристаллизации, фильтрации, экстрагирования, гранулирования и др.) [1-10].

В настоящем обзоре кратко рассмотрены основные виды растворителей, их свойства и применение, современное состояние и применение результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов испарения растворителей и сушки покрытий; характерные технологические особенности процессов и производств; конструктивные разновидности применяемого оборудования.

1.1. Растворители: разновидности, свойства, особенности применения

Сложный химический состав нефти делает ее богатейшим сырьем для изготовления предметов, окружающих нас в повседневной жизни. Нефть нужна для производства пластмасс, резины, растворителей, моющих средств, удобрений, лекарств, косметики и даже пищевых продуктов. Однако прежде чем изготовить все эти необходимые нам каждый день товары, необходимо синтезировать из нефти сырье для промышленного производства [11].

Растворителями называются химические соединения, которые способны растворять различные вещества, т.е. образовывать с ними однородные смеси переменного состава из двух или более компонентов [12].

Растворитель является одним из самых необходимых компонентов при производстве пленкообразующих веществ. Самый распространенный растворитель в природе - это обычная вода, но в лакокрасочной промышленности этот растворитель используется, в основном, в производстве водно-дисперсионных красок, грунтовок и лаков. Среди растворителей для красок, эмалей и лаков гораздо более широкое распространение получили органические растворители. Все используемые лакокрасочной промышленностью органические растворители по химической природе можно разделить на следующие шесть групп [13-15]:

1) углеводороды - алифатические, алициклические, ароматические, а так лее нефтяные и терпеновые;

2) кетоны;

3) простые и сложные эфиры;

4) спирты;

5) галогенсодержащие растворители;

6) прочие растворители

Самыми важными для химического производства являются алкано-вые, олефиновые и ароматические углеводороды. Их можно назвать первичными исходными углеводородами [12].

Алканы (метан, этан, пропан и бутан), а также олефины (этилен, пропилен, бутилен) получают путем крекинга нефтепродуктов. Алканы затем преобразуют в парафины путем пиролиза.

Перерабатывая метан, из которого на 90% состоит природный газ, получают метанол (метиловый спирт), аммиак и метилхлорид. Из аммиака делают, в частности, удобрения (нитрат и сульфат аммония), мочевину и гидразин, который можно использовать как ракетное горючее. Метанол - это антифриз и одновременно сырье для получения формальдегида, применяемого

в производстве синтетических смол и пластмасс, для синтеза многих лекарств и красителей, для дубления кож, а таюке как дезинфицирующее, антисептическое и дезодорирующее средство.

Этилен - самый широко используемый из первичных исходных углеводородов. Из него получают этиленоксид, этиловый спирт, этилхлорид, дихлорэтан и знакомый каждому полиэтилен, из которого делают многие виды пластмасс. Кроме того, этилен и пропилен перерабатывают в этилен-пропиленовый каучук, обладающий повышенной устойчивостью к истиранию. Из такого каучука делают ударопрочные пластмассы, велосипедные шины, изоляцию для проводов и кабелей и прочие вещи, для которых важна износостойкость. Этиловый спирт - не только растворитель, но и сырье для получения уксусной кислоты и уксусного ангидрида, нужного для производства ацетатного волокна и целлофана. Интересно, что этилен сам по себе используется в сельском хозяйстве - он ускоряет созревание плодов и не дает спелым плодам упасть с веток.

Дихлорэтан применяют для получения винилхлорида, который при полимеризации дает поливинилхлорид. Мягкие пластмассы, произведенные из этого вещества, окружают нас повсюду в виде линолеума и плиток для полов, облицовки стен и обивки мебели, искусственной кожи. Еще из дихлорэтана получают винилиденхлорид (1,1-дихлорэтилен) - базовый исходный материал используется в основном для упаковки пищевых продуктов, материалов для обивки, для изготовления волокон, щетины и латексных покрытий и для изготовления труб для химического оборудования.

Пропилен нужен прежде всего для получения изопропилового спирта. Большую часть этого спирта окисляют в ацетон, из которого синтезируют самые разные химические вещества, а также, например, плексиглас. Из пропилена и бензола делают кумол, который при окислении дает одновременно фенол и ацетон. Еще из пропилена получают аллилхлорид - промежуточное соединение для синтеза глицерина.

Из бутилена делают бутадиен для производства синтетического каучука, а также бутиловые спирты - растворители и сырье. Ароматические углеводороды (бензол, толуол и ксилол) получают из бензиновых фракций нефти при помощи каталитического риформинга, а также путем пиролиза нефтепродуктов, оставшихся при производстве этилена и пропилена.

Бензол нужен для производства стирола, из которого путем полимеризации делают полистирольные пластмассы, фенола, который является сырьем для еще одного вида пластмасс, а также анилина - из него делают красители, ускорители вулканизации, полиуретаны, пестициды и даже лекарственные средства. Еще бензол используют для повышения октанового числа в моторном топливе и в качестве растворителя и экстрагента в производстве лаков, красок, моющих средств.

Толуол применяется в производстве взрывчатого вещества тринитротолуола, сахарина и других продуктов.

Ксилол, имеющий три изомера - о-ксилол, м-ксилол и п-ксилол, используется для изготовления полимерных покрытий, волокон, пленок и некоторых видов пластмасс и пластификаторов.

За рубежом широкое применение нашли изопарафины, так как они практически не имеют запаха (запах органических растворителей обусловлен их высокой летучестью и относится к вредным факторам работы с растворителями). Изопарафины применяются для создания малотоксичных покрытий, в медицине при производстве хирургических шовных материалов и т. п. [12].

Алициклические углеводороды имеют ограниченное применение в производстве и технологии нанесения лакокрасочных покрытий, хотя и обладают более высокой растворяющей способностью, чем алифатические растворители, и меньшей токсичностью по сравнению с ароматическими. Основным природным источником получения этих растворителей является нефть.

Алициклические растворители достаточно широко используются в производстве синтетических волокон, резни, печатных красок.

Наибольшее применение в качестве растворителя получил циклогек