автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка и интенсификация технологии сушки синтетического каучука на основе математического моделирования

' >У л:;-

На правах рукописи

о " ■

Меньшутнна Наталья Васильевна

РАЗРАБОТКА И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ СУШКИ СИНТЕТИЧЕСКОГО КАУЧУКА НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.17.08 - Процессы я аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университе им. Д.И. Менделеева.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Муштаев В.И.; доктор технических наук, профессор Бояринов А.И.; доктор технических наук, Малышев P.M. ' :

Ведущая организация: АОА "Карболит" (г. Орехово-Зуево)

Защита состоится "-¿^ " ^/¿¿У^Р 1998г. в ^ часов в ауд. t^-Pij^fi на заседании диссертационного совета Д 053:34.08 в РХТ им.. Д. И. Менделеева (125047, г. Москва, А - 47, Миусская пл., д.9).

С диссертацией можно ознакомится в Научно-информационном центре РХТУ им Д.И.Менделеева.

Автореферат разослан " ¿8 " ¿^C<TdPJllQ 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета

X

дА.ютп

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Процесс сушки является одним из самых энергоемких процессов. На стадию сушки расходуется от 8 до 12% всего индустриального энергопотребления. Кроме того, часто именно стадия сушки определяет конечный вид и характеристики продукта, так как является последней стадией производства. Вышесказанное особенно актуально для химической промышленности, в частности для производства синтетического каучука (СК).

В настоящее время производство синтетических каучуков - это большая рентабельная отрасль химической индустрии, требующая, однако, модернизации, решения задач экологии. К настоящему времени русскими химиками создано большое количество разных видов каучуков, различающихся по своим свойствам и областям применения. Основные усилия ученых направлены на увеличение выпуска каучуков и повышения их качества за счет широкого внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий, разработки и внедрения новой высо^фоизводительной. промышленной аппаратуры, а также на выпуск каучуков в новой товарной форме - в виде порошка и гранул, что делает возможным их переработку по принципиально новым технологиям. Внедрение инновационного (используемого в других отраслях химической промышленности) оборудования на стадии сушки, позволяющего выпускать порошковый и гранулированный каучук при минимальном энергопотреблении, является актуальной задачей. Разработка новых высокоэффективных технологий сушки, сокращение объемов необходимых экспериментальных исследований, ускорение темпов проектирования оптимальных технологических процессов на современном этапе возможно на основе методов кибернетики и практического применения теории для решения конкретных задач с использованием современных компьютерных систем.

В связи с вышесказанным актуальным является разработка теории сушки трименительно к широкому классу эластомеров, научных основ техники сушки 1 на их основе создание новых нетрадиционных высокоэффективных техноло-ий сушки, математических моделей и компьютерных систем для проектирова-тя этих технологий сушки.

Основные научные исследования выполнены в соответствии с координа-даонным планом научно-исследовательских работ АН СССР по направлению 'Теоретические основы химической технологии", задание 3.12; основанием для фактических работ являлись постановление СМ СССР № 827-241 и № 1056РС п 28.05.88, заказ-наряд Минхимпрома 3-42-010/82 об организации некоторых [роизводств СК, а также совместные работы с Воронежским научно-[сследовательским институтом синтетического каучука (ВНИИСК) и Воронеж-ким заводом СК.

Цель работы. Исследование производства и разработка стратегии ком-лексного анализа каучука как объекта сушки, включающей в себя как аиалич войств твердого материала, так и латексов; выбор наиболее целесообразного

способа проведения процесса сушки из числа приемлемых вариантов на основе комплексного анализа материала с помощью экспертной и технико-экономической оценки их эффективности; применение и развитие феноменологического подхода для математического описания процесса сушки латексов на основе методов механики гетерогенных сред и неравновесной термодинамики, энтропийного подхода и вариационных принципов, формирующих основные теоретические положения протекания процесса сушки изучаемых материалов; развитие принципов объектно-ориентированного моделирования процесса сушки; разработка математического описания процесса сушки' в конкретном выбранном аппарате с целью масштабного перехода к промышленной установке и оптимизация се технологических параметров; экспериментальное исследование процесса сушки и гидродинамики для создания адекватных математических моделей; разработка компьютерной системы на основе. объектно-ориентированного программирования для проектирования новых сушильных установок и решения задач оптимизации действующих; разработка автоматизированной информационной системы для решения этой задачи; исследование возможности использования сушилок: пневматических, с кипящим, фонтанирующим слоем, распылительных, пульсационных и микроволновых в производстве синтетического каучука; интенсификация работы действующего на заводах СК сушильного оборудования (основное оборудование для сушки всех видов каучука - конвейерная сушилка): снижение энергозатрат, брака по влаге, термо-окислитеяьной деструкции и структурирования; разработка технологии получения сыпучих порошков композиционных соединений на основе каучуков тонкой дисперсности (20-100 мкм) с монолитной структурой частиц методеV распыления синтетических латексов (на примере бутадиен-стирольного ряда) создание полупромышленных установок для сушки каучукоэ и выпуска каучуков и композиционных соединений на его основе в новой товарной форме - I виде порошка и гранул; сравнительный экономический анализ функционировз ния установок.

Научная новизна. •

]. Развиты новые теоретические положения применительно к процессам сушш синтетических каучуков, на основе которых определены пути интенсифнка ции процесса сушки СК за счет использования активных гидродинамически режимов, эяеетромагштшх полей, поверхностно-активных веществ.

2. Выявлены закономерности и сформулирован механизм сушки латексов присутствии дисперсных усиливающих наполнителей и ПАВ. Впервые показано, что метод физической модификации эластомеров позволяет получат композиционные соединения на основе каучука с требуемыми структурнс морфологическими характеристиками.

3. Разработана -стратегия комплексного использования каучука как объею сушки, включающая в себя как анализ свойств твердого материала, так и л; тсксов. В рамках предложенной стратегии разработан оригинальный сорбш

онно-структурный метод на основе фотометрии, позволяющий определить структуру частиц и оценить статику сушки.

4. В процессе моделирования развит феноменологический подход для математического описания процесса сушки: показана целесообразность использования механики гетерогенных сред и неравновесной термодинамики, как для решения задач кинетики, так и гидродинамики; на основе энтропийного подхода получена структура универсальной движущей силы сушки, учитывающая различные эффекты; разработаны оригинальные численные схемы решений; с использованием вариационных принципов получены зависимости: диаметра устойчивого фонтанирования, толщины пленки в дисперсно-кольцевых режимах течения.

5. Развиты принципы объектно-ориентированного моделирования и программирования, заключающиеся в декомпозиции системы термогидромеханических уравнений и в блочном инкапсулированном представлении кинетики, гидродинамики, тепломассообмена, граничных и начальных условий, геометрии аппарата, гибком соединении блоков (на базе новейших программных продуктов) и многократном их использовании при моделировании различных сушилок.

6. Разработаны математические модели и оригинальное программное обеспечение для расчетов кинетики сушки с учетом влияния поверхностно-активных веществ, электромагнитных полей, температурной и скоростной неравновгсностей между газовой фазой и высушиваемым материалом; сушилок с активной гидродинамикой (фонтанирующего слоя, пневматической, пульсащюнной, распылительной); суш (шок с неактивной гидродинамикой (ленточные, СВЧ-барабанные).

7. Разработаны рекомендации создания энерго-, ресурсосберегающей и экологически чистой стадии сушки. Для утилизации газовых и жидких отходов предложено использовать мембранную и биотехнологии.

Практическая значимость работы и реализация результатов исследований.

1. Доказана возможность внедрения инновационного сушильного оборудования, такого как различные виды аппаратов фонтанирующего слоя, пневматические, распылительные, пульсационные сушилки, СВЧ-сушялки в производстве СК.

2. Разработана технология получения сыпучих порошков композиционных соединений на основе каучуков тонкой дисперсности (20-100 мкм) с монолитной структурой частиц методом распыления синтетических латексов.

3. Определены режимы оптимальной работы действующих на заводах СК лен-точны* сушилок, позволяющие снизить энергозатраты, брак по влаге, термооКислительной деструкции и структурированию. Кроме того, предложена технологическая схема рационального использования тепла и очистки воздуха на стадии сушки в ленточной сушилке, позволяющая сократить общие затраты электроэнергии на 50%.

4. Проведена большая серия экспериментальных работ по изучению статики и кинетики сушки различных типов каучуков и латексов, позволившая выявить

новые закономерности. Проведены экспериментальные исследования процесса сушки и гидродинамики в экспериментальных и опытно-промышленных установках. Проверена адекватность математических моделей экспериментальных данным.

5. Разработаны и внедрены пакеты программ для проектирования новых сушильных установок и решения задач оптимизации действующих. Пакеты программ внедрены не только на предприятия отрасли синтетического каучука. но и в другие области: особо чистые вещества, биополимеры, удобрения, бумажная промышленность, что доказывает универсальность математических моделей и программ на их основе. Экономический эффект от внедрения составляет 2,6 млн. рублен в год по ценам 1992 года.

6. Разработана информационная система, позволяющая хранить сведения о всех типах выпускаемых в России сушилках и выбирать из них наиболее подходящую на основе созданной экспертной системы.

7. Созданы л внедрены полупромышленные установки (всех предлагаемых в диссертации типов) для сушки каучуков и композиционных соединений на его основе в новой товарной форме - в виде порошка и гранул. Экономический эффект ог внедрения составляет 2,3 млн. рублей в год но ценам 1992 года.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях: Всесоюзная конференция «Дальнейшее совершенствование теории и технологии сушки», г. Минск, 1980 г.; Международный форум «Тепломассообмен», г. Минск, 1988, 1992 и 1996 годы; Международная конференция «Синтетические латексы, их применение и модифицирование», г. Воронеж, 1991 г.; Международный симпозиум «АСНПМА», г. Франкфурт-иа Манне. 1994 и 1997 гада; Международный симпозиум по использованию компьютеров в химической промышленности «ESCAPE», г. Блед, 1994 г.: Международный симпозиум по сушке «IDS-96», г. Краков, 1996 г.; Первый международный кошресс инженеров химиков-технологов «ЕССЕ-1», г. Флоренция, 1997 г

Публикации По материалам диссертации опубликовано 70 печатных работ Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, приложения и содержит 409 страниц основною текста, 125 рисунков, 28 таблиц и список литературы нз _258_ наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, поставлена цель работы. оГюснован применяемый подход к решению проблемы

В первой главе - литературном обзоре - проанализированы основные тенденции развития отрасли СК, и, в частности стадии сушки. Проанализированы типы сушилок, используемых в отрасли СК. Установлено, что для решения современных задач производства СК, в частности выпуска каучуков в новой товарной форме, в виде порошка и гранул, внедрение новой высокопроизводи-

тельной аппаратуры, необходима инновация (перенесение технологий) сушилок с активным гидродинамическим режимом, СВЧ-сушилок. Установлены теоретические вопросы и научные проблемы техники сушки, способствующие созданию новых, нетрадиционных высокоэффективных технологий сушки, математических моделей и компьютерных систем для проектирования этих технологий сушки, однако до настоящего времени не нашедшие отражения в научных публикациях.

Установлено, что для развития теоретических положений и математических моделей на их основе перспективно использование механики гетерогенных сред, неравновесной термодинамики и хорошо развитых на кафедре (проф. Кольцова Э.М., проф. Дорохов И.Н.) энтропийного анализа и вариационного принципа неравновесной термодинамики. Определены вопросы развития компьютерных систем для решения задач техники сушки с использованием принципов объектно-ориентированного программирования.

Вторая глава посвящена разработки стратегии комплексного анализа свойств каучука, как объекта сушки. ,

Комплексный анализ позволяет оптимизировать количество экспериментальных работ, необходимых для выбора и проектирования стадии сушки. Стратегия включает анализ свойств твердого полимера и латексов. Схема общей стратегии комплексного анализа каучуков и латексов приведена на рис.1. Из нее видно, что для анализа свойств твердых полимеров (каучуков) и латексов есть общие блоки: определение физико-механических и тегаюфизических свойств, температурного режима, как имеющие общие методики, так и специфические. Например, кинетика сушки частиц и капель исследуется разными методами и характеризуется различными параметрами. Каждый блок, представленный на рис.1, расшифрован в этой главе: приведена методика эксперимента, экспериментальная установка, показаны результаты экспериментов на различных конкретных видах каучуков.

В рамках комплексного анализа предложен оригинальный сорбционно-структурный метод на основе фотометрии, позволяющий рассчитывать параметры гигротермического равновесия с окружающей средой, определить энергию связи влаги с материалом, термоградиентный коэффициент, коэффициенты массопроводности и массоотдачи, критерий Био, движущую силу процесса сушки, а также структурные характеристики материала, такие как пористость и распределение пор по размера^.

Метод основан на определении распределения пор по размерам, которое проводится под микроскопом в отраженном свете. Микроскоп соединен с компьютером, куда передается изображение структуры образца и обрабатывается с помощью программы анализа изображения МЦЬИБКАЫ. Строится кривая распределения пор по размерам на основе которой определяются вышеперечисленные параметры. В частности, при расчете изотерм десорбции (в виде зависимости \\/р=сф'1, где с и ё - постоянные, зависящие от температуры воздуха и свойств материала)

£

КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ КАУЧУКА

ТВЕРДЫЕ ПОЛИМЕРЫ

дисперсность

сорбционно-структурный анализ на основе фотометрии

внутренняя структура, пористость каучука

статика «ушки (равновесное влагосодержание каучука - изотерма десорбции)

физико-механические свойства

теплофнзические свойства

изменение влажности материала в зависимости от:

• температуры

• скорости газа '

• СВЧ поля

построение зависимости скорости сушки от времени

. тсрмоокислительная деструкция

температурный режим (дериватограмма)

ЛАТЕ КСЫ

{> определение рН

определение наполнителей

определение ПАВ

термограмма

изменение:

• температуры

• массы

• диаметра

структурообразование частицы

Рис. I. Общая стратегия комплексного анализа каучуков и латексов с целью после-пюмичп оппе.имснпя оптимального способа сушки

«Л

использовались уравнения Томпсона-Кельвина: <р = ехр - ^жРп60^

I ФпРж

где о^ - поверхностное натяжение жидкости, Н/м; рж,р„ - плотность жидко-сти,пара соответственно, кг/м3 ; г - радиус пор, м; р„ - давление насыщенных паров жидкости, Па.

и уравнения для влагосодержания материала: V/ = — Гг(г)с1г,

Pv *

- %

где V/ - влагосодержание, кг/кг сухого материала; Ру- плотность материала, кг/кг; Дг) - функция распределения пор по радиусам.

Равновесная влажность при различной температуре установлена для каучука ДССК-65 (\Ур=0,32ф0'51) и бутадиен-стирольныхтермоэластопластов.

Для бутадиен-стиролъных термоэластопластов проведен анализ технологии производства с использованием сорбционно-структурного метода. Анализ влажной крошки позволил установить зависимость между организацией процесса крошкообразования на стадии дегазации и пористой структурой влажной крошки. Установленная зависимость позволила сделать рекомендации по выбору способа дегазации (паровое инжекторное крошкообразование) с точки зрения экономичности теплозатрат на сушку. -

Для основных типов каучуков общего назначения исследована кинетика сушки при различных температурах в экспериментальной установке со съемными камерами; Различные виды камер позволяют исследовать кинетику сушки в неподвижном и во взвешенном или фонтанирующем слое. Полученные кинетические закономерности позволит! определить возможный диапазон температур подаваемого теплоносителя и время пребывания каучука в аппарате, при которых не происходит термодеструкция.

¿¡г| ^г ^ ^ Кинетика сушки капель латексов

9' & ^ в потоке теплоносителя исследова-

У Шг^ Ш* лась на специальном стенде в Инсти-

^••..•Щ?'. 'Щ' туте Технической Теплофизики (Ки-

9' Щ*.;. Щ!' ев). В результате были получены

^ ^ ¡0г:,1 9*- термо- И кинограммы, позволяющие

Яч • ^ 91 • ЩГ ■ 9 ■ судить об изменении температуры Ш - 9 "9 ■■ 9^ ' '9 ЦТ. капли, ее размера и формы в процес-"Ш.! У] "9 '9 ■ ~9\ ■ Ж, се удаления влаги. Было установлено.

Ги*" Т^У4\9 5X9 6Ш ¡71^ что процесс протекает без первого ис. 2. Кинограмма сушки капли бутадиен- низкотемпературного периода про-стирольного латекса БС-50 0 = 120 °С, 5„ = грева и испарения влаги со свобод-1.5 мм) ной поверхности, а сразу наступает

второй - высокотемпературный, состоящий из двух стадий: пленкообразовапия и кипения. При этом происходит раздувание капли (рис.2).

Е к К

^ 9\

Проанализировано формирование морфологической структуры капель латекса при сушке и установлено, что изменение условий тепло-, массопереноса на межфазной границе с целью увеличения длительности стадии пленкообразо-вания и формирования монолитных частиц, возможно за счет введения поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Третья глава - моделирование кинетики сушки - посвящена развитию подходов к моделированию движущих сил и потоков массоотдачи на основе механики гетерогенных сред и неравновесной термодинамики.

3 данной главе использованы методы неравновесной термодинамики, основанной на континуальной теории многофазных гетерогенных сред и развиты для моделирования тепло- и массообменных процессов сушки единичной частицы или капли.

Для создания математического описания процессов с фазовыми превращениями развит феноменологический подход, базирующийся на использовании методов механики гетерогенных сред и метода пространственного осреднения.

Феноменологические уравнения для процесса сушки, протекающего в локальном объеме имеют вид:

Уравнения сохранения массы н концентраций д м

дх о

Я / ч М

Уравнения сохранения импульсов

л лг м м

^¿Г-+/ОД -У,)чЗт

—Г—---„ 7+Г-.

ЕК .рО

о

. с

12'

Уравнения сохранения энергии

А • Р? Л о о 2 (1

м м

- |4яа2фх(Т1 -Т2>1ш-Уя, - -12)с1т а о

• ш р5 И

Дополнительные соотношения •

Р1(Р1в,Т,) = Р2(Р20,Т2) = Р, Р = р,<Т1Т;

а,+а2-1; = 1 = 1,2;

<й а 1 ел а 2 'дт

где: ГсЗш - число частиц в единице объема, масса которого находится в пределах (пмЬп; т+(1т);т -масса частицы; М - масса наибольшей частицы; р;, р,° - кажущаяся и истинная плотности ьтой фазы соответственно; У[,У2 - скорость несущей и дисперсной т-той фаз соответственно; г) - наблюдаемая скорость изменения массы включения (в данном случае уменьшения массы) в единице объема; 01 - концентрация пара; Р - давление; ^ - сила взаимодействия между несущей фазой и дисперсной; р - массовая сила; а - объемное содержание; а - радиус; Т - температура; Я - газовая постоянная; рт - коэффициент теплоотдачи; и - эйергия; q - внешний поток тепла; т^ - тензор вязких напряжений; е^ - тензор скоростей деформации несущей фазы; индексы: 1 - отношение к несущей фазе; 2 - дисперсной фазе; э - равновесное состояние.

На основании данных уравнений, гипотезы о локальном термодинамическом равновесии в пределах раз и соотношения Гиббса.была записана диссипа-тивная функция - производство энтропии гетерогенной среды, представляющая собой сумму произведений термодинамических сил на термодинамические потоки. Анализ структуры диссипативпой функции позволил научно обосновать структуру универсальной движущей силы процесса сушки. Этот подход вскрывает количественное влияние различных параметров на тепло-и массоодачу в процессах сушки.

Движущая сила процесса имеет вид:

ЛЪ т,

1 1 (Уа-У^У

+ ЧтГт2Г 2Т, (2)

где цр химический потенциал.

В этом соотношении первое слагаемое в правой части обусловлен концентрационной неравновесносгью составов фаз, второе - температурной, третье -скоростной неравновесностью^

Второе слагаемое - температурная составляющая в уравнении движущей силы сушки может быть как отрицательной, так и положительной величиной. Отрицательный вклад этого слагаемого для процесса сушки материала воздухом или перегретым паром (Т^Тз) уменьшает значение движущей силы.

Важно учитывать температурную неравновесность при определении движущей силы сушки в'перегретом паре, где используются высокие значения температуры сушильного агента и при этом материал не перегревается. Высокая температура перегретого пара, отсутствие кислорода в воздухе позволяет резко повысить скорость сушки и избежать нежелательных химических измене-

ний (окисления, термической деструкции). Движущая сила сушки в перегретом паре:

Х =

+ '25

Т,

Л

т*.

(3)

Те Т,

Для адекватного описания процесса сушки при высокой температуре ряд исследователей пытается учесть температурную неравновесность (скачок температуры и границы раздела фаз), а следовательно, резкое уменьшение скорости сушки, через коэффициент массообмена. А.'В. Лыковым введен дополнительный критерий Гухмана (Си=(Т|-Т8)/Т|), учитывающий влияние температуры на массообмен. Рядом исследователей введены аналогичные критерии.

Предлагаемое уравнение позволяет избежать частных неоднозначных соотношений, вводимых в коэффициент массообмена, которые существуют в настоящее время. Это подтвердила адекватная обработка большого количества экспериментапьных данных по сушке нетканных фильтрующих материалов и порохов в перегретом паре (Т=700°С) с помощью предлагаемого соотношения. Учет температурной неравновссности снижает движущую силу процесса сушки и соответственно, скорость сушки (,1=рм5чХ), на 10-40 % в зависимости от температуры пара.

Положительный вклад второго слагаемого увеличивает движущую силу процесса сушки. Это возможно для сушки в электромагнитных полях: кондук-тивной, радиационной и в СВЧ-поле, в этом случае, температура материала больше температуры окружающей среды (Тг>Т(). Движущая сила сушки в СВЧ поле:

X:

(4)

ц2 цЛР-МЕ + УВ)] (±

Т2 Т2) Т2 } V,

Использование СВЧ-нагрева очень перспективно для сушки как крошки каучука так и латексов. СВЧ-нагрев предотвращает появление эластичной пленкн на поверхности (вызванной перегревом и спеканием), что резко увеличивает скорость сушки и предотвращает разбухание и деформирование частиц.

Влияние третьей составляющей - скоростной неравновссности на движущую силу процесса сушки становится значимым только при высоких относительных скоростях фаз, например, в пульсаиионных сушилках. Пульсационные сушилки характеризуются высокими скоростями (800 м/с), частотой пульсаций (100 Гц), малым временем сушки (5 мке) и низкой температурой материала (~40°С). Движущая сила для сушки в пульсационной сушилки увеличивается и два раза за счет третьего слагаемого в соотношении (2).

При моделировании процессов тепло- и массообмена в процессе сушки капель латексов с учетом поверхностно- активных веществ (ПАВ) рассматривалась трехфазная среда, где третья фаза - поверхностная с-фаза (под о-фазой но-нкмется неоднородная зона толщиной Ь между двумя соприкасающимис?

Рис. 3. Механизм влияния ПАВ при сушке капель латех-сов: 1 - свободная влага'в капле; 2 - слой ПАВ; 3 - гияротарованная влага; 4 - глобула полимера ры движущих сил массоотдачи: .

- от поверхности раздела фаз ( I период сушки):

фазами, внутри которой происходит изменение локальных свойств: плотности, вязкости, концентрации и т.д.) (рис.3).

Был использован метод осреднения микроуровней сохранения массы, импульса и энергии. С учетом пульсационного сокращения фаз получены структу-

МКгг ПК! +Ц1 "г г

т . о ; Т1.

+-

1 Ж,

рс1т, а

(5)

- от ядра капли к поверхности (II период сушки, эквивалентный тепломассообмен):

1

где

52 сЬ

д2 дс„

ХП = 1

№ М-Ксг ' 1 I "

.Т2 ~ V +«2 а Л т2_

Р2аЪ

(6)

ЗХ

, Б - поверхностное натяжение 0), с!Т - концентрация

дЬ/дсп дсп

ПАВ в ст - слое.

Естественно, что уравнение для II периода сушки не вскрывает механизма переноса влаги и не описывает его полностью, но формально помогает оценить влияние ПАВ и сделать рекомендации по их использованию.

Таблица I

Результаты расчетов времени сушки капель

Мыла жирных кислот Время сушки, с %

1 период 2 период 3 период

Без ПАВ 3.00 5.73 8.73 100

Валериановой 3.07 4.01 7.08 81

Капроновой 3.16 3.70 6.86 79

Гептиловой 3.40 .3.45 6.85 78

Для количественной оценки влияния ПАВ и проверки адекватности исследована сушка капель латексов с мылами жирных кислот. Результаты предСтавлены в табл. I.

Из таблицы видно, что время сушки капель в присутствии ПАВ, в среднем, на 20% меньше времени сушки без них. Эти данные хорошо согласуются с экспериментальными исследованиями.

Таким образом, для I периода в присутствии ПАВ время сушки увеличивается, Это объясняется образованием достаточно плотного адсорбционного слоя высокомолекулярными органическими соединениями ~ на поверхности капли, который препятствует испарению. Для II периода сушки из уравнения (6) видно, что присутствие ПАВ в а - фазе увеличивает движущую силу процесса. Это

объясняется тем, что при наличии ПАВ на поверхности образуется эластичный поверхностный слой, хорошо проводящий влагу. Это справедливо как для неорганических, так и высокомолекулярных высушиваемых материалов (термопласты, каучуки). Влагопроницаемый поверхностный слой обеспечивает интенсивный массоперенос при сушке в этом периоде. Установлено, что даже при малых добавках некоторых ПАВ (« 0,01 %) длительность 11 периода сокращается в 2-3 раза. Таким образом, использование ПАВ особенно важно для распылительной сушки. Это позволяет, увеличить I период и сократить II период, в целом, сократить общую длительность сушки на 10-15%, избежать перегрева капель и образования полых частиц. Частицы получаются монолитные, и монодисперсные. Используя этот принцип и рассчитав необходимое количество ПАВ, нами были получены тонкодисперсные монолитные порошки ПВХ, композиций на основе каучука и керамики. .

Полученные структуры движущих сил были использованы при разработки обобщенной модели сушки отдельной частицы с учетом концентрационного и температурного поля внутри нее. Эти уравнения были использованы в граничных условиях для учета температурной и концентрационной неравновестности с окружающей средой на поверхности частицы.

Обобщенная математическая модель, состоящая из частных дифференциальных уравнений массопроводности и теплопроводности, начальных и граничных условий, описывает распределение влагосодержания и температуры материала с течением времени в процессе сушки. Предложен метод решения уравнений модели.

Четвертая глава посвящена математическому моделированию процесса сушки в аппаратах с активной гидродинамикой.

Сушильные аппараты с активной гидродинамикой характеризуются высокими относительными скоростями движения фаз, развитой поверхностью межфазного контакта, нестабильной гидродинамической обстановкой. Математическое моделирование таких аппаратов требует развитая нетрадиционных подходов, позволяющих учитывать взаимовлияние явлений различного характера, с большой точностью описывать процессы, решать задачи устойчивого функционирования установок.

Перспективным является разработка математических моделей с использованием энтропийных и вариационных методов неравновесной термодинамики, механики гетерогенных сред. Модели иа основе этих методов позволяют не только расширять теоретические представлении о протекании процесса сушки в аппаратах указанного типа, но и с большой точностью вести проектные расчеты промышленных сушильных аппаратов с активной гидродинамикой!

При разработке математических моделей аппаратов с активной гидродинамикой была использована математическая модель процесса сушки в локальном объеме аппарата (1). Система уравнений термогидромеханики для аппарата в целом, конструируется путем интегрирования уравнений сохранения для локального объема по площадям зон, имеющимся в аппарате. При этом учитыва-

ются гидродинамические, тепловые, диффузионные явления крупномасштабного характера, структура которых определяется конструкционными особенностями промышленного аппарата, характером подвода к нему внешней энергии. Для определения структуры потоков в аппарате, особенностей сушки требуется проведение экспериментальных работ.

Это определило :юрчдок проведения работ и структуру последующих г.ч о-,-и параграфов:

• экспериментальные исследования;

о моделирор^ние;

» программирование и расчет сушильного аппарата но модели;

«■■ проверка уо.чсли на адекватность;

• ко)!СТруиро;'.ание аппарата;

• провелсь-ис полупромышленного эксперимента.

Конический аппарат фонтанирующего слоя. Были проведены зкснернчсп-тальные исследования в коническом аппарате фонтанирующего слоя с лшпам ром входного устья с!о= 0.09 "м. Ожижающий воздух подавался снизу аш:а;ш;| вентилятором высокого давления.

На основе экспериментальных исследований изучены структура слоя и характер газового потока, позволившие показать, что в коническом аппарате фонтанирующего слоя имеется значительный переток газа из зоны ядра в кольцо, интенсифицирующий процесс сушки в кольце (рис.4).

Эти особенности' гидродинамики фонтанирующего слоя нашли отражение в модели, в которой записаны уравнения сохранения масс, баланса числа частиц, радиальное уравнение движения несущей вертикальное и дисперсной фаз. Система уравнений дополнена граничными и начальными (для. периодического режима работы) условиями.

Для полного замыкания системы уравнений были определены диаметр ядра фонтана и сила взаимодействия между ядром и кольцом фонтана. С этой целью был осуществлен анализ производства энтропии системы, позволяющим выделить движущие силы и потоки основных процессов и получить соотношения между ними, получить аналитическое соотношение для диаметра ядра фонтана.

(паЗ 600

400

соо

0 <у>5 аю год

Рис. 4. Изменение статическог» (2), динамического (3) и общего (1) давле-' ния по сечению фонтанирующего слоя на высоте 0.14 мот входного устья аппарата <Зо = 0.09 м (скорость газа на входе 7.8 м/с)

Рис. 5. Изменение вертикальных составляющих скоростей газового потока я частиц по высоте аппарата (Зо^ФЮм)

Методом пространственного осреднения получено выражение для силы сопротивления между зонами ядра и кольца фонтана, раскрывающие ее структуру и возможные способы экспериментального определения.

Для решения системы уравнений (36 алгебраических и дифференциальных уравнений) был использован и развит принцип объектно-ориентированного моделирования, заключающийся в декомпозиции системы на отдельные блоки и инкапсулированном их представлении. V

С использованием Данного принципа и соответствующего ему объектно-ориентированного программирования была составлена программа расчета конического аппарата фонтанирующего слоя.

На основе численного решения уравнений:

• установлена адекватность модели;

• исследована гидродинамика и - определены основные параметры

слоя: давление в зонах ядра и •кольца, скорость газа и частиц (рис.5), скорость перетока газа и ядра в кольцо, порозность;

• оценены условия устойчивой работы аппарата фонтанирующего слоя (рис.6);

• исследован теплообмен в фонтанирующем слое и предложены рекомендации для его интенсификации;

« исследован процссс сушки и определены основные параметры, позволившие выбрать оптимальный вариант процесса сушки в аппарате фонтанирующего слоя (рис.7).

На основании решений уравнений модели были установлены следующие закономерности.

• устойчивому фонтанированию соответствует угол конусности, лежащий в пределах от 22° до

" 38°; '

• при определении устойчивого режима работы аппарата в зависимости от расхода подаваемо-

Рис. 6. Зависимость высоты фонтана от расхода подаваемого газа (<1о=0.04 м)

ягз

НЩ

> № ДО

Рис. ^"Изменение температуры газа и частиц по высоте аппарата в процессе сушки: 1,3 - 2,4 - Т»; 5 - Ъ,; Т*; <1, 2, 5-вариант I; 3,4,5 - вариант 11).

го газа установлено, что существует два критических расхода: 0»р1>, характеризующий прекращение фонтанирования, и характеризующий пере. ход в режим поршнеобразования. Определено, что изменение расхода на 1% влечет изменение высоты фонтана в среднем на 1%. Возможность увеличения высоты фонтана в пределах устойчивой работы аппарата позволяет интенсифицировать процессы массо-и теплообмена;

• изменение температуры частиц по высоте слоя на порядок ниже, чем газа, что позволяет итенсифицировать процесс, проводя обработку частиц при более высокой температуре, на опасаясь их перегрева;

• с точки зрения интенсификации процесса, необходимо выбирать такую высоту фонтанирующего слоя, при которой бы не достигались равновесные па; раметры.

Получены значения коэффициентов теплоотдачи в зонах ядра и кольца фонтана по высоте слоя, которые могут использоваться в практике для ускорения теплообмена в фонтанирующем слое за счет установления дополнительных нагревающих элементов. •

Расчеты были использованы при выдаче данных на проектирование каучу-• ка специального назначения «релата». Кроме того, на Воронежском заводе СК была установлена опытно-промышленная установка производительностью 10 кг/час по сухому продукту.

Однако, максимальная производительность аппаратов этого типа составляет 50 кг/час. Поэтому для достижения большой производительности был выбран аппарат фонтанирующего слоя типа «желоб». Была разработана математическая модель, содержащая уравнения термогидромеханики (для вертикального сечения аппарата) и уравнения идеального перемешивания (вдоль длины сушилки). Уравнения термогидромеханики аналогичны уравнениям для конического аппарата фонтанирующего слоя, поэтому использовались на основе принципа объектно-ориентированного моделирования расчетные блоки гидродинамики, тепломассообмена и кинетики. ;

Для расчета идеального перемешивания записана диффузионная модель, параметры для которой определялись на опытной установке Шевченковского машиностроительного завода, изготавливающего данную сушилку. В результате расчетов была установлена целесообразность разделения установки на 2 зоны и подачи в I зону (соответствующей сушке каучука, в I периоде) более горячего теплоносителя 250°, чем'во вторую (130°). Однако, длина второй зоны в 2 раза больше, чем первой, для обеспечения сушки во И периоде.

На основании результатов расчета были выданы данные на проектирование стздиисушки термоэласгопластов производительностью 500 кг/час. .

В настоящее время в производстве СК широко используется пневмотранспорт. Однако, разработанная нами модель и результаты расчета убедительно показали возможность совмещения сушки и пневмотранспорта. Рекомендации переданы на завод СК.

Пятая глава посвящена разработке технологии получения композиционных материалов на осноке каучука.

В качестве предмета исследований был использован ряд синтетических ла-1 иксов бугадиен-стирольной (КС) группы с содержанием связанного стирола от 10 % до 70 % и исходной концентрацией 48-50 % по сухому веществу. С целью определения поведения исследуемых полимеров л процессе сушки проведена серия оксиериментальных работ, которая выполнялась на сушильных установках «Дигидро-1» и «Ниро Атомайзер». Начальная температура сушильного '.ч'ента 120-130°С была выбрана для всех марок латексов на основании результатов дериватографического анализа.

Эксперименты показали, что низкой адгезионной способностью и наименьший дисперсный состав (ё = 1-50 мкм) проявляли образцы с более высоким содержанием стирола (от 75 % и выше). Тогда как образцы с более низким содержанием стирола проявляли сильную склонность к образованию отложений и имели грубый дисперсный состав (д - 3-5 мм). '

Известно, что адгезионная способность полимеров зависит от молекулярной подвижности в условиях контакта, т.е. кинетической гибкости цепи. Анализ взаимосвязи структуры и свойств исследуемых полимеров позволил сделать заключение, что с повышением количества стирольных блоков в ряду сополимеров бутадиена со стиролом снижается кинетическая гибкость сегментов макромолекул, за счет .чего повышается жесткость системы. Это приводит к повышению температуры стеклования в данном ряду (72НС до |00"С), увеличению величины внутреннего трения и уменьшению адгезионной способности.

Так как вязкость характеризует параметр внутреннего трения и наиболее доступна для измерения, то она была выбрана в качестве параметра оценки сушильной способности исследуемых систем. Исходя из условий предварительного эксперимента (1„ = 130°С, ^ = 75°С) по приведенным зависимостям определена величина вязкости выше которой явления адгезии и агрегации не наблюдались. Это значение вязкости для БС-75 при 1 = 75"С порядка 1000 Па*с.

Определено, что наиболее целесообразным методом повышения вязкости полимерных систем с более низким содержанием стирола, является метод физической модификации за счет введения усиливающих наполнителей, как полимерных, так и неполимерных. Этот, шаг оправдан, поскольку наполнители являются обязательным компонентом в резиновых смесях и других каучуксодержащих композициях.

Существующие представления'об усиливающем действие твердофазного дисперсного наполнителя и механизме сушки капель синтетических латексов позволшш предложить механизм взаимодействия частиц наполнителя и полимера при обезвоживании капель. Согласно предложенному механизму при удалении влаги из капли под действием Лапласова давления и сил прилипания полимерные глобулы будут взаимодействовать между собой и наполнителем, в результате чего, система приобретает дополнительную жесткость за счет самого твердого наполнителя и за счет структурообразования полимера.

Были выбраны 4 вида наполнителей: 1) технический углерод, 2) каолин, 3) латекс БС-85, 4) порошок БС-85. Эффект их усиливаюшего-действия зависит от множества факторов (содержания, дисперсности, формы, энергетики поверхности и т.д.) и не поддастся количественному описанию. Определение необходимых концентраций указанных наполнителей для*достижения критической вязкости осуществлялось по экспериментальным концентрационным зависимостям вязкости систем по каждому конкретному наполнителю, представленным Воронежским финалом ВНИИСК.

Таблица 2 Проведены экснеримсн-

Значения критических концентраций наполнителей ты в опытно-промышдсиной

установке по сушке бутадн-ен-стирольных латексов с введением наполнителей ранее определенных концентраций (табл. 2). В результате удалось резко снизить адгезию и агломерацию частиц, вплоть до их исключения и получить образцы порошков каучуков с хорошей дисперсностью. Кроме того, по рекомендации о целесообразности введения ПАВ при сушке латексов (сделанной в 3 главе) с целью получения монолитной структуры частиц были добавлены мыла жирных кислот. Результаты представлены в табл. 3. '

. Таблица}

Результаты технологических испытаний.

Система Диаметр частиц, мкм Проявление

добавок СКС-10 СКС-30 БС-50 БС-65А БС-70/2 адгезии

Технический углерод ПМ-100 5-210 .5+200 5+150 5+100 3+70 нет

ПМ-100 + ПАВ 10*100 10+100 10+100 10+50 10+30' нет

Каолин 100+200 80+200 80-170 70+180 50+120 очень слабое

Каолин * ПАВ 50-И 50 30+150 30+50 20+50 20+50 нет

Латекс БС-85 150+300 150+300 100+230 100+150 30+70 очень слабое

БС-85 + ПАВ 20-И 00 20+100 20+70 20+50 20+50 нет

порошок БС-85 200+300 150+300 100+150 100+150 50+100 нет

БС-85 + ПАВ 30+150 30+120 30* 80 10+50 10+50 нет

Была разработана математическая модель распылительной сушилки с различной организацией потоков, что учтено соответствующим образом в граничных условиях. При этом использовался принцип объектно-ориентированного моделирования. Рассчитаны различные конструкции аппаратов.

В результате проведенных расчетов были определены геометрические размеры распылительной сушилки (прямоток, пневматическая форсунка) производительностью 10 кг/час по сухому веществу; высота Н = 2,7 м, диаметр О - 1,2 м, а также изменения параметров частиц продукта и сушильного агента по высоте камеры. :

Наполнитель СКС- СКС- БС- БС- БС-

вес., % 10 30 50 65А 70/2

Технический уг- 23 16 13 9,5 7

лерод ПМ-100

Каолин 36 27 19 15 12

Латекс БС-85 18 14 12 8 8,5

Порошок БС-85 28 21 16 11 8

По результатам расчетов изготовлена и внедренаопытно-промышленная установка распылительной сушки, новой конструкции производительностью 10 кг/ч, предназначенная для обезвоживания синтетических латексов. Для предотвращения отложений продукта, в нижнюю часть камеры может быть установлено специальное устройство для подачи атмосферного воздуха. Данное устрой* ство позволяет осуществлять обдув днища камеры и частичное охлаждение продукта. Проведены технологические испытания данного аппарата для марок латексов с содержанием связанного стирола от 10% до 70% и системой добавок (табл. 3). В качестве ПАВ вводился эмульгатор - мыла синтетических жирных кислот (Cg-Cu - СЖК), с концентрацией 0,7 - 1,0 %. Эксперименты дали хорошее подтверждение выдвинутым предположениям и полученным результатам расчетов. . ■ * '.„.••,>"..■-

В последнее десятилетие для сушки растврров и суспензий все шире используются пульсационные сушилки. Генерация тепла и механической энергии происходит в пульсационнон топке, встроенной в сушилку. Пульсирующее давление, создающееся в топках, имеет амплитуду до 2 изб. атм, и позволяет трансформировать в механическую энергию около 1 кВт на 1 кг топлива, сжигаемого за 1 час. Эта энергия позволяет производить тонкое диспергирование исходного материала и резко интенсифицировать процесс сушки и выделения высущинного продукта! Кроме того, пульсации предотвращают налипание продукта на внутренних поверхностях сушилки. Движение в выхлопной трубе совершается в режиме идеального вытеснения, и поэтому высокая температура газа не приводит к перегреву частиц материала.

Как показали экспериментальные работы и опыт зарубежных проектировщиков, на основе пульсационных пртоков можно создать экономичные высокоэффективные промышленные сушилки, потребляющие в 2-3 раза меньше энергии, чем существующие. Сокращение веса и капиталовложений доходит до десятикратного. ' .

Была исследована возможность использования пульсационных сушилок для получения композиционных материалов на основе каучука распылением.

Проводились экспериментальные, работы иа экспериментальной пульсационной сушилке в НИИХИММАШ. При этом расход воздуха составляет 240 кг/час, расход бензина - 8 кг/час, частота пульсаций ~ 100 Гц, расход испаренной влаги - 100 кг/час.

В экспериментальной установке было исследовано влияние скорости газа на диспергирование при различной вязкости жидкости. Определены параметры, при которых достигается размер частиц композиций каучука не более 50 мкм.

Проводились эксперименты по изучению влияния скорости газового потока на скорость сушки, которые позволили подтвердить правильность уравнения для движущей силы процесса сушки (2), учитывающее скоростную неравновесность между фазами.

Изучалось влияние конструкционных параметров (длины выхлопной трубы) на работу пульсационной сушилки. Проведенные исследования использовались при составлении модели.

Блок-схема построения модели представлена на рис.8. Она содержит три основные блока: •

- расчет тепловых и аэродинамических параметров пульсационной топки;

- моделирование процессов в выхлопной трубе;

- моделирование процесса сушки в сушильной камере.

Ряс. в. Блок-схема построения модели пульсационной сушилки

В результате расчета тепловых и аэродинамических параметров пульсационной топки определяются давление, скорость и температура на выходе из топки и, соответственно, на входе в выхлопную трубу. Кроме того, рассчитывается время одного цикла пульсаций, которое определяется как сумма времен воспламенения, всасывания и сжатия.

Модель процессов в выхлопной трубе базируется на рассмотрении течения трехфазной среды, как дисперсно-кольцевых потоков. Предполагается, что в трубе движутся: газ - теплоноситель;'капли, которые во время сушки превра-

щаются в частицы, и пленка жидкости на стенке, возникающая в результате конденсации пара. Для повышения эффективности процесса сушки необходим отвод пленки жидкости, поэтому стояла задача определения диаметра сеиара-ционного устройства, исходя из толщины пленки.

Уравнения модели записаны с использованием механики гетерогенных сред и учитывает процессы испарения и конденсации. Модель позволила получить профили скоростей, температур, концентрации каждой фазы вдоль выхлопной трубы. • , На основании вариационного принципа неравновесной термодинамики получено теоретическое соотношение для определения юлшины пленки в дис-иерсно-колцевых режимах течения. Адекватность полученного соотношения проверялась для различных режимов течения (ламинарное, турбулентное, прямоток, противоток). Данное соотношение позволило определить диаметр сеиа-рационного устройства для отсечения пленки сконденсированного пара.

При расчетах процесса сушки в сушильной камере использована разработанная модель распылительной сушилки.

Объединение всех блоков в единую модель позволило рассчитать параметры проведения процесса сушки латексов в опытно-промышленной пульсацион-ной сушилке и рекомендовать данную сушилку для получения мелкодисперсного порошка каучуковых композиций.

Проведено сравнение экономичности процесса сушки распылением с существующей технологией производства резины. На рис. 9 представлена схема получения резины.

Рис.9. Схема производства резины

Как видно из рисунка, распылительная или пульсационная сушка латексов с наполнителями заменяет стадии коагуляции, отмывки от электролитов, после которых образуется большое количество сточных вод, которые требуют дополнительной очистки (в то время как электролит в распылительной сушке играет роль ПАВ), брикетирования, механического измбльчення, смешивания, являющихся крайне энергоемкими стадиями. Создание небольшого производства на Воронежском заводе СК с использованием распылительной сушилки производительностью 10 кг/час по сухому продукту сэкономит при переходе от старой. технологии к новой 2 млн. руб. в год по ценам 1-992 г.

В б главе рассмотрено математическое моделирование процесса сушки в аппаратах с неактивной гидродинамикой.

Глава посвящена разработке математических моделей ленточной сушилки - основной на стадии производства СК, и барабанной СВЧ-сушилки - как возможной сушилке при сушке малотоннажных каучуков специального назначения. Данные виды сушилок часто используются в химической промышленности в силу простоты их эксплуатации, однако их моделирование вызывает затруднение, т.к. это системы с распределенными параметрами.

Математическая модель ленточной сушилки, представляющая собой систему алгебраических и дифференциальных уравнений в частных производных, позволяет рассчитать изменение параметров сушки по длине сушилки и по высоте слоя каучука, провести теоретический анализ распределения влагосодер-жання и температуры в слое материала. Основные уравнения модели следующие:

уравнение сохранения влаги в сушильном агенте. .

ах ' См д\У

д\ О, ду уравнение сохранения энергии для воздуха в сушильном агенте'

а <*-Б,.

дх Св св+Ов-сп-X

(г-Т)

уравнение сохранения энергии для материала:

ЗТ._ . а-Бу-.О-Т) ■ гс + с„ -0 - Т) дХ

* ■ ,

.ду Смст + СчсжЛУ См-ст + См-сж-ЛУ в3х и в материале:

= ф^р,Т.....I)

уравнение сохранения влаги в материале: Э\У

дх

граничные условия:

■■W tx.pi Т . Х(0,у) = Х„ для О^у 2 Ье

Т(х,0)=Т„ дляоих<Ь 1(0,у)=И0 ДЛЯ05у<Ьс

уравнение кинетики для периодов прогрева и постоянной скорости сушки:

~т~ ~ Рз' (X* (Т)- X) ат

уравнение кинетики для Н-го периода сушки:

N1

=-и--(\V-Wo)

Где: V/ - влагосодержание материала; X - влагосодержание воздуха; Св - расход сухого воздуха через единицу площади; х - координата ячейки от точки на входе воздуха; рм - плотность материала; рв- плотность воздуха; е - порозность слоя, т - время; I - температура воздуха; сц, сп - удельные теплоемкости воздуха и пара; а - коэффициент теплоотдачи; ст, сж - удельные теплоемкости материала и жидкости; гс - удельная теплота парообразования; Ц - длина секции сушилки; N1 - скорость сушки в I периоде.

Модель дополнена расчетом коэффициента теплоотдачи а и расчетом равновесного влагосодержания У/р (методика их измерения при определенной температуре приведена во второй главе), а также расчетом температуры мокрогс термометра.

При определении оптимального режима работы ленточной сушилки был предложен критерий оптимизации. В качестве критерия выбраны общие энергозатраты, которые складываются из суммы затрат на вентиляторы и калориферы в каждой секции сушилки:- •.

1-1 ¡Л- »в

Оптимальный вариант соответствует минимальным затратам энергии и по лучению качественного продукта с заданным конечными характеристиками.

В работе рассчитывался и оптимизировался процесс сушки нового бутади ен-стирольного каучука растворной полимеризации ДССК-65.

Разработаны оригинальная численная схема решений уравнений модели алгоритм и программа расчета процесса сушки в ленточной сушилке с исполь зованием пакета ЬоПб-1-2-3, что позволяет получать результаты расчета в на глядном виде.

На рис. 10 показаны основные оптимальные параметры сушки каучук; ДССК-65 в ленточной четырехзонной сушилке. В работе приведен сравнитель ный анализ оптимального варианта процесса сушки каучука ДССК-65 и дейст вующего в условиях опытного завода Воронежского НИИСК. Анализ показал что предлагаемый оптимальный вариант процесса сушки каучука ДССК-65 ис ключает перегрев материала в последней секции, резко снижая процент брак; при этом. За счет оптимизации температурных режимов экономится до 10°/ электроэнергии. Рекомендации по выпуску опытно-промышленной партии пе реданы в Воронежский НИИСК.

и

3 4 S .

Длина сушит;«, ы

Температура материала - -х-Влажность материала

«- Температура воздуха на выходе -«-- Температура воздуха на входе

Рис. 10. Результаты расчетов В данной глаие разработана модель оригинальной пилотной барабанной СВЧ-сушилки, разработанной во ВНИИ «ИРЕА». С учетом особенностей сушки каучука предлагается организация 2-х зон в сушилке с различной нарезкой фторопластовых вставок внутри барабана. В первой зоне происходит испарение поверхностной влаги (сушка в ! периоде), во второй зоне, где используется эа.мед-ляюшая движение вставка, происходит более длительная сушка во II периоде Модель представляет собой систему дифференциальных уравнений для каждой зоны. В ней используется уравнение движущей силы сушки в СВЧ-поле. полученной в третьей главе. Расчеты позволили определить оптимальную длину каждой зоны в пилотной барабанной СВЧ-сушнлкс. Экономические расчеты показали, что стоимость СВЧ-сушнлке в три раза выше, чем в ленточной. Однако, для отдельных дорогих марок каучука мелкодисперсного состава, где требуется высокое качество каучука (отсутствие декструкции, спекания), использование такого способа оправдано.

Глава 7 ~ посвящена разработке и использованию информационной системы по выбору сушильного оборудования.

Разработана информационная система DRY1NF для выбора сушилки, ядром которой является экспертная система для выбора способа сушки и типа сушилки. Выбор осуществляется на основе комплексного анализа свойств материала как объекта сушки и требований к производству. Система снабжена библиотекой расчетных модулей и моделей, базами данных по оборудованию, фирмам-производителям, экспертам. Оболочка системы написана на объектно-ориентированном современном языке Object Pascal в интегрированной среде DELPHI. Разработка ее велась в течении последних 10 лет. Структура системы представлена на рис.11.

Информационная система включает пять блоков: - предварительный выбор способа сушки и типа сушилки на основе комплексного анализа влажного материала с использованием экспертной системы;

Piic.ll. Структура информационной системы Drylnf

- экономический анализ эффективности процесса сушки и сушилки, включающий капитальные и эксплуатационные затраты;

- библиотека расчетных процедур и модулей;

- информационная система, включающая базы данных по сушильному оборудованию и их графическому представлению, й также по производителям сушильного оборудования;

- база данных по ученым, работающим в области сушки.

Рассматривая модуль предварительного выбора типа сушильного оборудования, можно выделить такие основные его компоненты, как блок комплексного аналнзз свойств влажного материала (см. вторую главу) и экспертную систему по выбору сушильного оборудования, связанную с соответствующей базой знаний.

В базу знаний заложены классификации сушильных аппаратов, обычно служащие для первичной оценки того или иного способа сушки и представляющие собой руководства, достаточно понятные для любого интересующегося, и предназначенные для первичного ознакомления с известными способами, их отличиями, достоинствами, недостатками и ограничениями в применении. Данные руководства представляют собой экспертные оценки по выбору сушильного оборудования, разработанные на основе руководящих документов НИИХИММАШа, Ниро Атомайзер и большого количества статей, докладов и книг, а также продукционные правила по выбору адекватного способа сушки.

Оценка применимости сушильного оборудования осуществляется из 32 типов сушилок, представляющих все основные классы сушильной аппаратуры.

Предварительный выбор сушилки осуществляется на основе технической ' информации, однако в результате выбора различные типы сушилок могут набрать одинаковый или близкий рейтинг. В таком случае необходим экономический анализ капитальных и текущих расходов (блок И).

Экономический анализ может проводится на основе предварительного выбора сушилки или на основе точных расчетов конструктивных размеров сушилки и параметров сушки. •

Разработана методика технико-экономической оценки выбранного типа сушилки, учитывающая капитальные и эксплуатационные затраты. Методика разработана с учетом мировой практики экономического анализа и адаптирована к особенностям экономической ситуации в России.

Информационная система включает в себя возможность проведения проектных расчетов с использованием блока Ш - библиотеки модулей и расчетных процедур. Библиотека составлена на основе базовых концепций объектно-ориентированного программирования (объекты, инкапсуляция, наследование, полиморфизм) и состоит из четырех основных блоков:

- блок кинетики сушки;

- блок уравнений гидродинамики;

- блок уравнений тепло- массообмена;

- блок граничных и начальных условий;

- расчет физико-химических н теплофизичсских параметров.

Хотя структура каждого блока хорошо определена, возможности использования их зависят от взаимодействия с конечным пользователем системы. Пользователь системы составляет из элементов каждого блока математическую модель сушилки, определяет метод решения и численно решает полученную систему уравнений при конкретных условиях. В этом блоке хранятся все разработанные в данной работе модели. . ь Таким образом, разработанная информационная система позволит хранить сведения о всех типах выпускаемых в России сушилках и выбирать из них наиболее'подходящую на основе созданной экспертной системы. Информационная система ОКУЮТ зарегистрирована в РОСАПУ

Глава 8 посвящена разработке экологически чистой, энерго- и ресурсосберегающей стадии сушки синтетического каучука.

На основании проведенного исследования производства СК и стадии сушки были сделаны следующие рекомендации для разработки экологически чистой энерго-и ресурсосберегающей стадии сушки СК:

1. Максимальное механическое обезвоживание материала перед сушкой: применение после стадии промывки вибросит, экспеллеров.

2. Эффективное использование объема рабочей зоны сушильного аппарата, интенсификация, разработка математических моделей, позволяющих оптимизировать и интенсифицировать процесс.

3. Достижение максимальной температуры сушильного агента, минимальной температуры отработанного сушильного агента и минимальной температуры высушенного каучука (т.к. каучук обладает адгезионными свойствами, он может структурироваться при длительном нагреве).

4. Рециркуляция по газу, создание замкнутых циклов по газу.

5. Использование теплоты конденсации инертной влаги, применение рекуператоров тепла (тепловых насосов).

6. Разработка технологии многозонной сушки с промежуточным подогревом сушильного агента (например, ленточная сушилка в главе 6).

7. Совмещение с сушкой других технологических процессов в одном аппарате, таких как измельчение, введение наполнителей в распылительной сушилке (см. главу 5).

Оценка технологии и техники сушки СК в промышленности показывает, что реализация предлагаемых способов энерго- и ресурсосбережения позволит получить экономию до 30% энергии.

Была предложена технологическая схема сушки в ленточной сушилке с рекуперацией тепла и рециклом по газу. Рекуперация тепла осуществляется:,

- утилизацией физического тепла отходящих газов, достигаемой их частичной или полной рециркуляцией;

- утилизацией физического тепла отходящих газов с использованием промежуточного теплоносителя;

- утилизацией физического тепла высушиваемого материала при непосредственном обмене с ним сушильного агента.

Это реализовано, во-первых, оригинальной организацией потока теплоносителя внутри сушилки; во-вторых, созданием холодильного цикла, с помощью которого используется тепло конденсирующейся влаги из выходящего из сушилки теплоносителя, а осушенный и подогретый газ вновь возвращается в сушилку. По ориентировочным расчетам степень рекуперации тепла составляет 60-90%. .

Данная схема выдана в качестве рекомендаций по энергосбережению на опытный завод Воронежского НИИСК.

Реализация , предлагаемых выше рекомендаций по созданию экологически чистой стадии сушки СК возможна только при создании замкнутого цикла по сушильному агенту. На рис. 12 приведена традиционная технологическая схема замкнутого цикла по газу. Одна из проблем в ней - проблема очистки сконденсированной воды, Нами предложено использование современных мембранных и биологических методов. Это связано с их низкой стоимостью, низким энергопотреблением, компактностью, простотой использования АСУ.

Создание безотходных технологий рассмотрено на примере процесса производства каучуков БСК и БМСК методом эмульсионной полимеризации.

Предложено совместить очистку сточных вод от стадии сушки и от стадии промывки выделенного каучука. Рассмотрен состав сточных вод и рекомендована принципиальная схема их очистки с использованием мембранных методов и мембранных биореакторов (рис. 13).

Разработан комплекс программ по подбору наиболее подходящего типа мембран, расчету процессов фильтрации на мембранах, расчету параметров проведений процесса в мембранных реакторах. Создана и апробирована экспериментальная установка - мембранный биореактор.

С хонденсиром МИа * вида с« шламом не стилнш ОЧИСТКИ

Скруббер, [конденсатор или водокольцевой компрессор

Рис. 12. Схема замкнутого цикла газа

Рис.13. Принципиальная схема очистки сточных вод с использованием мембранных биореакторов

Заключение по диссертации

1. Разработана стратегия комплексного анализа каучука как объекта сушки включающая в себя как анализ свойств твердого материала, так и латексо£ Стратегия комплексного анализа каучука позволяет оптимизировать количе ство экспериментальных работ, необходимых для выбора и проектировани стадии сушки. В рамках предложенной стратегии разработан оригинальны сорбционно-структурный анализ на основе фотометрии, позволяющий опрг делить структуру частиц и статику сушки.

2. Использован и развит феноменологический подход для математическог описания процесса сушки:

з показана целесообразность использования механики гетерогенных сред неравновесной термодинамики, как для решения задач кинетики, так и ги; родинамики;

• на основе энтропийного подхода получена структура универсальной двиио щей силы сушки, учитывающая различные эффекты;

• разработаны оригинальные численные схемы решений;

• с использованием вариационных принципов получены зависимости: диаме ра устойчивого фонтанирования, толщины пленки в дисперсно-кольцевь режимах течения.

3. Развит принцип объектно-ориентированного моделирования, заключающие ся в декомпозиции системы термогидромеханических уравнений и в бло1 ном инкапсулированном представлении кинетики, гидродинамики, тегст массообмена, граничных и начальных условий, геометрии аппарата, гибко соединении блоков (на базе новейших программных продуктов) и мног кратном их использовании при моделировании различных сушилок.

ты, брах по влаге, термоокислительной деструкции и структурированию Кроме того, предложена технологическая схема рационального использова ния тепла и очистки воздуха на стадии сушки в ленточной сушилке, позво ляющая сократить общие затраты электроэнергии на 50%.

11. Разработаны рекомендации создания энерго-, ресурсосберегающей и эколо гически чистой стадии сушки. Для утилизации газовых и жидких отходо! предложено использовать мембранную и биотехнологии.

12.Созданы и внедрены полупромышленные установки (всех предлагаемых i

' диссертации тнпов) для сушки каучуков и композиционных соединений н

его основе в новой товарной форме - в виде порошка и грайул. Экономиче ский эффект от внедрения составляет 2,3 млн. рублей в год по ценам 199 года.

Основное содержание диссертации изложено в 70 работах, основные и

них:

1. Кафаров В.В., Меньшутина Н.В., Дорохов И.Н. Новое в технологии сушки. ВХ0.1990,- t.XXXV, №6,- стр. 724-732.

2. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Кольцова Э.М., Меньшутина Н.В, К определ< нию толщины пленки в- Дисперсно-кольцевых режимах // Докл. А] СССР,! 981 ,-т.260До1стр. 145-148.

3. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Кольцова Э.М., Меньшутина Н.В., К теори описания процессов с фазовыми переходами в аппаратах фонтаннрующег слоя И Инж.-физ.ж>рн.,1983.-т.4'5,№2.- стр.181-189.

4. Кольцова Э.М Дорохов И.Н., Меньшутина Н.В. Уравнения термогидромех; ники для описания массообменных процессов в полидисперсных средах-// кн.: Моделирование сложных физико-химических взаимодействий в мноп компонентных средах.-НИИТЭХИМ,М.11984.-стр.54-64.

5. Кафаров В В., Дорохов И.Н., Кольцова Э.М., Меньшутина Н.В., К гидрод! намике процесса фонтанирования // Теор. Основы Хим. Техн.,1986 т.ХХ^1.-стр. 44-50.

6. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Кольцова Э.М., Меньшутина Н.В., моделиров ние тепло- и массообмеЯных процессов в фонтанирующем слое // Теор. О новы Хим. Техн., 1986.-т.ХХ,№2.- стр. 163-168.

7. Дорохов И.Н., Кольцова Э.М., Кафаров В.В., Меньшутина Н.В., Энтропи ный подход к анализу тепломассообмена в процессе сушки // Докл. Меж форума «Тепломассообмен», Минск,1988.- сек. 7.- стр.33.

8. Меньшутина Н.В., Ветохйи А.В., Челноков В.В. Экспертная система процесса сушки для синтеза ГПС // Докл. Всес. конф. «Реахимтехника-3», Днепропетровск, 1989.

9. Меньшутина Н.В., Питерских Т.Д. Моделирование процессов в пульсацион-ных аппаратах И Докл. Всес. конф. «Химтехника-89», Ярославль, ЯПИ, 1989.

Ю.Меньшутина Н.В., Челноков В.В., Никулина Е.Н. Методика расчета параметров гигротермического равновесия влажного материала с использованием фотометрических исследований // Сборник трудов МХТИ, М.,1990-стр.36-39.

1 ЬСажин Б.С., Меньшутина Н.В., Кольцова Э.М., Дорохов И.Н. Гидродинамическое моделирование сушильных аппаратов в производстве минеральных удобрений // Сборник научных трудов, М„ МХТИ, 1990,- вып. 162.- стр. 8488.

12.Кафаров В В.. Тихомиров Г.С., Меньшутина Н.В., Никулина Е.А. Применение синтетических латексов з порошковой технологии // Докл. Межд. Конф. «Синтетические латексы, их применение и модифицирование», Воронеж, 1991.-стр.55-57

13.Кафаров В.В., Меньшутина Н.В., Никулина Е.А. Тепломассообмен в процессе сушки распылением синтетических латексов // Докл. Метод, школа-семинар «Реофизнка и теплофизика неравновесных систем», Минск, 1991.

!4.Кафаров В.В., Меньшутина Н.В., Дорохов И.Н., Челноков В.В. Гибридная экспертная система для разработки оптимальной технологии сушки. Разработка и внедрение аппаратов с активным гидродинамическими режимами // Межвузовский сборник научных трудоз (выпуск МТИ им. Косыгина), М„ 1991.-crp.8-12.

15.Меньшутина Н.В., Дорохов И.Н., Кафаров В.В. Разработка оптимальной технологии сушки //Докл. Межд, форума «Телломассообмен-11»,Минск, 1992.

16.MenshiT.ma N.V., Dorokhov I.N., Nikulina Е.А. Usage of spray drying for obtaining of fine dispersed rubber powder Л Abstracts of the lecture groups «Process Engineering. Thermal process Engineering»,.ACHEMA-94, Frankfurt-am-Main, Germany.

17.Menshutina N.V., Goncharova S.V., Tarutin V.P. Modeling of the polymers drying process in the belt dryer // 10th Conference «Process Control'95»: preprints- Slovakia, 1995 - V.2.- pp. 253-255.

18.Menshutin3 N.V., Dorokhov l.N. Simulation of drying on the basis of nonequilib-rium thermodynamics of heterogeneous multiphase polydispersed systems // Drying

: Technology, 1996,- V.14, № 3&4,- pp. 915-926.

19.Мельшутина H B., Гончарова С.В., Баранов C.B. Моделирование конвейерной сушилки для сушки полимеров // Докл. Межд. конф. «Heat/mass Transfer M1F-96» («Тепломассообмен ММф-96»), Мннск, 1996,- Т.VIII.- стр. 210-213.

20.Mensliutwa N.V., Nikulina Е.А., Sutyrin D.A., Shehova E.V., Vetokhin V.V. Mathematical modeling of particles microstructure formation during devvatering of polymers colloid systems drops in spray drying process // Report «The 10-th International Drying Symposium (IDS-96)», Poland, 1996,- V.2.- pp. 1477-1482.

2).Menshutina N.V., Gordeev L.S., Nikulina E.A., Shehova E.V. Formation of the morphological structure of emulsive elastomers using method of spray-drying for

. latexes/,/Drying Technology, 1997,- V.I5, №1,-pp. 23-45. »

22.Menshutina N.V. Simulation of Heat and Mass Transfer'in Drying Process on the Basis of Nonequilibrium Thermodynamics // The First European Congress on Chemical Engineering, Florence, Italy, May 4-7,' 1997,- V.2.- p. 1093-1095.

23.Menshutina N.V., Matasov A.V., Puchkov M.N. Artifical intelligent system of drying plant design // Report «International Meeting on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology АСНЕМД'97», Germany, Frankfort-on Main, June 9-14,1997.

. 24.Меньшутина H.B., Гордеев JI.C., Гусева E.B. Керамические мембраны. Применение и моделирование // ВЕСТНИК ТГТУ, 1997, № 1-2.

25.Bessarabov A., Shimichev V., Menshutina N.V. Microwave Drying of Polycompo-nent Sols // Drying Technology, 1998 (in print). ' ■

26.Меньшутина H B., Скороходов A.B, Гордеев Л.С. Математическое моделирование и анализ эффективности полунепрерывнеого и непрерывного режимов работы мембранного биореактора // Теор. основы хим. техн., 1998.-t.32, №1,- с.56-59.

Заказ _Объем 2,0 п.л. Тираж 100

Издательский центр РХТУ им. Д.И. Менделеева

РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

МЕНЬШУТИНА НАТАЛЬЯ ВАСИЛЬЕВНА

РАЗРАБОТКА И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ СУШКИ СИНТЕТИЧЕСКОГО КАУЧУКА НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.17.08 - Процессы и аппа^гы химической технологии

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 7

Список условных обозначений 13

1. Литературный обзор 17

1.1. Основные направления развития промышленности синтетического каучука

и развития сушильного оборудования для сушки каучука 17

1.1.1. Основные направления развития промышленности синтетического каучука 17

1.1.2. Способы проведения полимеризации 22

1.1.3. Выделение каучуков 23

1.1.4. Сушка каучуков 25

1.1.5. Выделение и сушка латексов 3 О

1.2. Стратегия разработки технологии процесса сушки 40

1.3. Подход к решению задачи выбора оптимального способа сушки с позиций

«искусственного интеллекта» 53

1.4. Основные теоретические подходы к математическому описанию процесса

сушки 59

1.4.1. Подходы к математическому описанию кинетики сушки 59

1.4.2. Основные подходы к математическому моделированию сушки капель

в распылительных сушилках. 63

1.4.3. Основные подходы к математическому моделированию сушки дис-

персных материалов в аппаратах с активной гидродинамикой 71

1.5. Постановка задачи исследования 81

2. Комплексный анализ свойств каучука как объекта сушки 83

2.1. Комплексный анализ свойств твердых полимеров 85

2.1.1. Определение физико-механических свойств материала 85

2.1.2. Определение молекулярно-массового распределения полимера 92

2.1.3. Исследование температурных режимов сушки 95

2.1.4. Изучение кинетики сушки 97

2.1.5. Определение коэффициентов теплоотдачи 104

2.2. Сорбционно-структурный анализ на основе фотометрии 106

2.2.1. Разработка математического описания для сорбционно-структурного

анализа 106

2.2.2. Проведение ССА для анализа свойств каучука ДССК-65 114

2.2.3. Анализ технологии производства на примере бутадиен-стирольных

термопластов 121

2.3. Комплексный анализ свойств латексов 125

2.3.1. Определение физико-механических свойств латексов 125

2.3.1.1. Определение общего содержания сухого

вещества 126

2.3.1.2. Определение поверхностного натяжения латекса 127

2.3.1.3. Определение pH латексов 128

2.3.1.4. Дериватографический анализ 129

2.3.2. Экспериментальное исследование кинетики сушки единичных капель

латекдов 132

Выводы 141

3. Моделирование кинетики сушки 142

3.1. Развитие подходов к моделированию движущих сил и скорости сушки на

основе механики гетерогенных сред и неравновесной термодинамики 142

3.2. Движущие силы и потоки массоотдачи в первом периоде сушки 148

3.2.1. Движущая сила и скорость сушки в перегретом паре 148

3.2.2. Движущая сила процесса сушки в СВЧ-поле 151

3.2.3. Влияние скоростной неравновесности на движущую силу 151

3.3. Влияние поверхностных явлений на движущую силу сушки 152

3.3.1. Вывод уравнений движущей силы сушки с учетом ПАВ для капель

латексов 152

3.3.2. Анализ результатов математического моделирования 162

3.4. Моделирование кинетики сушки для второго периода 164 Выводы 173

4. Принципы математического моделирования процесса сушки в аппаратах с активной гидродинамикой. 174 4.1. Разработка математической модели процесса сушки в коническом аппарате

фонтанирующего слоя 176

4.1.1. Проведение экспериментальных исследований по изучению гидродинамики 177

4.1.2. Вывод системы уравнений модели 182

4.1.3. Анализ производства энтропии 189

4.1.4. Вывод соотношения для диаметра ядра фонтана 191

4.1.5. Построение численной схемы решения уравнений математической модели 194

4.1.6. Построение алгоритма решения 208

4.1.7. Проверка модели на адекватность и расчет оптимальных режимных

параметров 218

4.2. Математическое моделирование процесса сушки в прямоугольном аппарате

фонтанирующего слоя 237

4.2.1. Разработка модели, определение параметров модели и проверка мо-

дели процесса сушки бутадиен-стирольных термоэластопластов на адекватность описания 238

4.2.2. Оптимизация процесса сушки бутадиен-стирольных термоэластопла-

стов в аппарате фонтанирующего слоя 247

4.3. Математическое моделирование процесса сушки в пневматической сушилке 250 Выводы 253

5. Разработка технологии получения композиционных материалов на основе

каучука 255

5.1. Разработка технологии получения порошковых композиций каучука в распылительной сушилке 255

5.1.1. Экспериментальные исследования на опытной установке распыли- 256 тельной сушки

5.1.2. Анализ физико-химической природы полимеров и ее влияния на процесс распылительной сушки 260

5.1.2.1. Изучение взаимосвязи структуры и свойств бутадиен-стирольных сополимеров 261

5.1.2.2. Выбор параметра для оценки сушильной способности аморфных полимеров 263

5.1.2.3. Анализ явлений налипания и агрегации в сушильной камере с точки зрения адгезии 266

5.1.3. Физическая модификация эластомеров с целью улучшения их техно-

логических свойств 268

5.1.3.1. Анализ методов повышения жесткости полимерных цепей 268

5.1.3.2. Механизм взаимодействия наполнителя и эластомера в

процессе сушки 271

5.1.4. Применение добавок поверхностно-активных веществ для получения

монолитных частиц 276

5.1.5. Выбор типа конструкции аппарата 282

5.1.6. Математическое моделирование процесса сушки в распылительной

сушилке 284

5.1.7. Результаты технологических испытаний распылительной сушилки 294 5.2. Моделирование процесса получения порошковых композиций на основе

каучука в пульсационных сушилках 297

5.2.1. Экспериментальные исследования процессов в пульсационной су-

шилке 299

5.2.2. Математическое моделирование процесса сушки в пульсационной

сушилке 304

5.2.2.1. Расчет тепловых и аэродинамических параметров пульса-

ционной топки 305

5.2.2.2. Моделирование процессов в выхлопной трубе 314

5.2.2.3. Определение диаметра сепарационного устройства на ос-

нове вариационного принципа минимума производства энтропии 319

5.2.3. Расчет параметров работы опытно-промышленной сушильной уста-

новки 324

Выводы 327

6. Принципы математического моделирования процесса сушки в аппаратах с

неактивной гидродинамикой 328

6.1. Разработка математической модели процесса сушки в ленточных сушилках с

перекрестным током 328

6.1.1. Вывод системы уравнений модели 330

6.1.1.1. Уравнения сохранения влаги и энергии 330

6.1.1.2. Математическая модель кинетики сушки 335

6.1.1.3. Выбор критерия оптимизации с целью энергосбережения 344

6.1.2. Анализ энтальпии парогазовой смеси и расчет температуры мокрого

термометра 347

6.1.3. Расчет основных параметров процесса сушки (на примере сушки кау-

чука ДССК-65) 351

6.2. Разработка математической модели барабанной СВЧ-сушкилки 371

Выводы 376

7. Разработка и использование информационной системы по выбору сушильного оборудования 377

7.1. Структура информационной системы ЮгуМ1 379

7.2. Разработка критерия технико-экономической эффективности применения выбранного сушильного оборудования 393

Выводы 401

8. Принципы разработки экологически чистой, энерго- и ресурсосберегающей стадии сушки 402

8.1. Основные рекомендации для разработки энерго- и ресурсосберегающей ста-

дии сушки 402

8.2. Разработка экологически чистой стадии сушки на основе использования

мембранных технологий 405

Выводы 416

Заключение 418

Литература 421

Приложение 438

ВВЕДЕНИЕ

Процесс сушки является одним из самых энергоемких процессов. На стадию сушки расходуется от 8 до 12% всего индустриального энергопотребления. Кроме того, часто именно стадия сушки определяет конечный вид и характеристики продукта, так как является последней стадией производства. Вышесказанное особенно актуально для химической промышленности, в частности для производства синтетического каучука (СК).

В настоящее время производство синтетических каучуков - это большая рентабельная отрасль химической индустрии, требующая, однако, модернизации, решения задач экологии. К настоящему времени русскими химиками создано большое количество разных видов каучуков, различающихся по своим свойствам и областям применения. Основные усилия ученых направлены на увеличение выпуска каучуков за счет широкого внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий, разработки и внедрения новой высокопроизводительной промышленной аппаратуры, а также на выпуск каучуков в новой товарной форме - в виде порошка и гранул, что позволяет осуществить их переработку по принципиально новым технологиям. Внедрение нового оборудования на стадии сушки, позволившего выпускать порошковый и гранулированный каучук при минимальном энергопотреблении, является актуальной задачей.

Разработка новых высокоэффективных технологий сушки, сокращение объемов необходимых экспериментальных исследований, ускорение темпов проектирования оптимальных технологических процессов на современном этапе возможно на основе методов кибернетики и практического применения теории для решения конкретных задач с использованием современных компьютерных систем.

В связи с вышесказанным актуальным является разработка теории сушки, применительно к широкому классу эластомеров, научных основ техники сушки

и на их основе: новых нетрадиционных высокоэффективных технологий сушки; математических моделей и компьютерных систем для проектирования этих технологий.

Основные научные исследования выполнены в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ АН СССР по направлению "Теоретические основы химической технологии", задание 3.12; основанием для практических работ являлись постановление СМ СССР № 827-241 и № 1056РС от 25.05.88, заказ-наряд Минхимпрома 3-42-010/82 об организации некоторых производств СК, а также совместные работы с Воронежским научно-исследовательским институтом синтетического каучука (ВНИИСК) и Воронежским заводом СК.

В диссертационной работе, выполненной в Московском химико-техно-логичеком институте им. Д.И. Менделеева, решались следующие задачи:

• исследование производства и разработка стратегии комплексного анализа каучука как объекта сушки, включающей в себя как анализ свойств твердого материала, так и латексов;

• выбор наиболее целесообразного способа проведения процесса сушки из числа приемлемых вариантов на основе комплексного анализа материала с помощью экспертной и технико-экономической оценки их эффективности; разработка автоматизированной информационной системы для решения этой задачи;

• разработка математического описания процесса сушки в конкретном выбранном аппарате с целью масштабного перехода к промышленной установке и оптимизация ее технологических параметров; применение и развитие феноменологического подхода для математического описания процесса сушки на основе методов механики гетерогенных сред и неравновесной термодинамики, энтропийного подхода и вариационных принципов; разработка объектно-ориентированного моделирования процесса сушки;

• экспериментальное исследование процесса сушки и гидродинамики в выбранной сушилке для создания адекватных математических моделей;

• разработка компьютерной системы на основе объектно-ориентированного программирования для проектирования новых сушильных установок и решения задач оптимизации действующих;

• исследование возможности внедрения инновационного сушильного оборудования в производство синтетического каучука: пневматических, с кипящим слоем, фонтанирующим слоем, распылительных, пульсационных и микроволновых сушилок;

• оптимизация работы действующего на заводах СК сушильного оборудования (основное оборудование для сушки всех видов каучука - конвейерная сушилка): снижение энергозатрат, брака по влаге, термоокислительной деструкции и структурирования;

• разработка технологии получения сыпучих порошков композиционных соединений на основе каучуков тонкой дисперсности (20-100 мкм) с монолитной структурой частиц методом распыления синтетических латексов (на примере бутадиен-стирольного ряда);

• создание полупромышленных установок для сушки каучуков и выпуска каучуков и композиционных соединений на его основе в новой товарной форме-в виде порошка и гранул; сравнительный экономический анализ функционирования установок.

Вышеперечисленные задачи решались в следующем порядке.

В первой главе диссертации проанализированы основные тенденции развития отрасли СК и, в частности, стадии сушки. Проанализированы типы сушилок, используемых в отрасли СК, существующие сушилки, используемые в химической промышленности, а также их математическое описание. Установлены теоретические вопросы, не нашедшие отражение в научных публикациях. Установлено, что для развития теоретических положений и математических моделей на их основе перспективно использование механики гетерогенных

сред, неравновесной термодинамики и хорошо развитых на кафедре (проф. Кольцова Э.М., проф. Дорохов И.Н.) энтропийного анализа и вариационного принципа неравновесной термодинамики. Определены вопросы развития компьютерных систем для решения задач техники сушки.

Вторая глава посвящена разработке стратегии комплексного анализа каучука как объекта сушки, включающей в себя анализ свойств твердого полимера и ла-тексов. Стратегия комплексного анализа позволяет оптимизировать количество экспериментальных работ, необходимых для выбора и проектирования стадии сушки. Комплексный анализ проведен для ряда каучуков, получены новые физико-химические данные, установлены новые механизмы сушки, что способствовало развитию теории сушки каучуков и использовалось при разработке моделей.

Третья глава посвящена разработке теоретических вопросов, относящихся к кинетике сушки. Получена структура универсальной движущей силы сушки, позволяющая учитывать влияние электромагнитных полей, поверхностно-активных веществ, температуры, относительной скорости. Показано преимущество данного теоретического положения в расчетах скорости сушки I и II периодов. Установлена адекватность для различных способов сушки.

В четвертой главе развит феноменологический подход, использующий положения механики гетерогенных сред, неравновесной термодинамики, энтропийного анализа, для математического моделирования процессов сушки в аппаратах с активной гидродинамикой. Разработанные математические модели разных конструкций аппаратов фонтанирующего слоя, пневматической сушилки и проведенные эксперименты доказали возможность использования этих аппаратов для сушки крошки каучука.

Кроме того, в данной главе использован принцип объектно-ориентированного моделирования, в основе которого блочное построение алгоритмов и программ с использованием специальных компьютерных систем и языков программирования, что нашло дальнейшее развитие в диссертации.

Пятая глава посвящена разработке принципиально новой технологии сушки модифицированных каучуков распылением. В результате сушки латексов в распылительной сушилке получаются мелкодисперсные порошки (20-100 мкм) композиционных соединений на основе каучука. В данной главе использованы экспериментальные исследования (глава II) и теоретические положения (глава III), позволившие выявить закономерности и предложить механизм сушки латексов в присутствии дисперсных усиливающих наполнителей и ПАВ.

Разработано математическое и программное описание различных видов распылительных сушилок и пульсационной сушилки, как одной из наиболее перспективных и наименее энергоемких. При этом использованы развитые в IV главе методы и принципы моделирования.

В шестой главе представлены разработанные модели традиционной для сушки каучука - ленточной сушилки и барабанной СВЧ-сушилки. Модели направлены на определение оптимальных параметров работы действующих установок. Данные виды сушилок часто используются в химической промышленности в силу простоты их эксплуатации, однако их моделирование вызывает затруднение, т.к. это системы с распределенными параметрами. Предложенные модели базируются на уравнениях в частных производных, предложены оригинальные численные схемы их решения. Рассчитанные на основе моделей параметры работы сушилок и правильная организация потоков позволили сократить потребление электроэнергии на 20%.

Программы на основе разработанных моделей, комплексный анализ материала как объекта сушки были включены в единый комплекс: «Информационная система по выбору сушильного оборудования» (глава седьмая). Ядро информационной системы - это экспертная система по выбору наиболее подходящей сушилки. Система содержит большую базу данных по различным типам сушилок, их графическое представление, фирмы-производители. Все базы данных и экспертные оценки составлялись в течение длительного времени

(около 10 лет). Последняя версия системы выполнена на базе современных языков программирования и специальной программы-оболочки БЕЬРШ.

Последняя глава диссертации (восьмая глава) посвящена принципам создания �