Применение уравнения Сажина-Реутского для расчёта диффузионных процессов на примере отделочных текстильных производств Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.02

международный научный журнал «инновационная наука»

В.Б. Сажин,

доктор технических наук, профессор, академик, директор фонда, Российский инвестиционно-инновационный Фонд «Научная Перспектива»,

г. Москва, Российская Федерация Б.С. Сажин,

доктор технических наук, профессор, академик, советник фонда, Российский инвестиционно-инновационный Фонд «Научная Перспектива»,

г. Москва, Российская Федерация

ПРИМЕНЕНИЕ УРАВНЕНИЯ САЖИНА-РЕУТСКОГО ДЛЯ РАСЧЁТА ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ПРИМЕРЕ ОТДЕЛОЧНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Аннотация

Для описания процессов отделочного производства (мерсеризация, отварка, отбеливание, крашение, печать и др.) рассмотрен диффузионный процесс без химического превращения и описаны его основные характеристики. Показано, что обобщённое уравнение массопередачи Сажина-Реутского наилучшим образом описывает диффузионные процессы отделочного производства.

Ключевые слова

Диффузия, сушка, промывка, массопередача, уравнение Сажина-Реутского

Диффузионные, или массообменные, процессы (с переносом вещества из одной фазы в другую, отделённую от первой неподвижной или подвижной (свободной) поверхностью раздела фаз) используются при сухом и мокром способах формования химических волокон, при регенерации ценных компонентов из растворов осадительных ванн, при полимеризации и сополимеризации, очистке мономеров от сопутствующих им примесей и загрязнений, а также в процессах сушки дисперсных материалов, при обезвреживании газовых выбросов и сточных вод с целью охраны окружающей среды и регенерации отдельных компонентов [1-2]. В текстильной промышленности почти все процессы отделочного производства - диффузионные (в их числе).

Скорость диффузионного процесса может быть представлена уравнением

где

К -

q = KА = А / Z

коэффициент скорости процесса, называемый общим коэффициентом массопередачи

Z

(1)

• А

движущая сила процесса; Z - коэффициент сопротивления массообмену между фазами, представляющий собой обратную величину общего коэффициента массопередачи.

Диффузионные, как и любые гетерогенные процессы, протекают в несколько последовательных стадий. Скорость протекания каждого из них в общем случае оказывает влияние на суммарную скорость процесса.

Обычно процессы сушки и промывки в отделочных производствах являются чисто диффузионными, не осложнёнными химическими превращениями в жидкой или твёрдой фазе [3]. Поэтому при описании кинетики этих процессов с помощью уравнения (1) для определения движущей силы необходима информация о равновесии между взаимодействующими фазами по распределяемому компоненту. Для диффузионных процессов, протекающих с участием твёрдой фазы (дисперсные материалы), такую информацию дают изотермы сорбции-десорбции распределяемого компонента.

Изотермы сорбции устанавливают взаимосвязь между равновесными концентрациями распределяемого компонента в двух фазах, участвующих в массообмене, при заданной постоянной температуре. Как правило, эти изотермы определяют экспериментально. Простейший тип изотерм сорбции описывается линейной зависимостью вида

У = KyxX

У , (2) где у - концентрация распределяемого компонента в фазе Фу; х - концентрация распределяемого компонента в фазе Фх; Кух - константа фазового равновесия.

Закон, определяемый линейной зависимостью (2), называют законом Генри, а константу К -

коэффициентом, или константой, Генри. Закон Генри, как правило, применяется в относительно узком интервале изменения концентраций распределяемого компонента. В общем случае (для широкого интервала

- 167 -

№ 3 / 2015

ISSN 2410-6070

концентраций распределяемого компонента) взаимосвязь между равновесными концентрациями у и х является нелинейной:

У = f ( ^ )

(3)

где функциональная зависимость f(x) определяется видом системы, температурой и свойствами взаимодействующих фаз и распределяемого компонента.

Для чисто диффузионного процесса уравнение (1) может быть записано как по фазе Фх так и Фу.

чх = рх (* - )=Py (у, - у )=Чу

где Рх " коэффициент массоотдачи в фазе Фх; Ру - коэффициент массоотдачи в фазе Фу; X,

(4)

.у ------'Р

равновесная концентрация распределяемого компонента в фазе Фх; у- равновесная концентрация распределяемого компонента в фазе ФУ.

Уравнение (4) записано для условий переноса распределяемого компонента из фазы Фх в фазу Фу. При изменении направления переноса на обратное (из фазы Фу в фазу Фх) перед каждой из скобок необходимо поставить знак минус.

Равновесные концентрации X, и у, относятся к поверхности раздела между фазами, а рабочие концентрации х и у - к ядру потока соответствующей фазы. При этом концентрация X относится к

поверхности раздела фаз на стороне фазы Фх, а концентрация у, - на стороне фазы Фу.

С помощью (2) (для линейной зависимости) или (3) (для нелинейности равновесной зависимости),

переведя равновесные концентрации X или у в уравнении (4) к виду (у / К ) или (К * ) и

Р ^ Р Р ух / \ ух Р /

решив последнее относительно у(или X ) получим:

рхх + РуУ

Ур =

PX / KVX + ру

X yX г'у

а после подстановки выражения (5) в уравнение (4) найдём

KVxX - У

qy = ч~ —---------

(5)

1 к

+

yX

= Коу ( KvxX - У )

Ру Рх

(6)

где К0у - общий коэффициент массопередачи, отнесённый к фазе Фу

К

1

0У

1 К

+

yX

pv PX

у r'X

Аналогично для общего коэффициента массопередачи, отнесённого к фазе, получим:

1

(7)

К

1

+ ■

1

KVXPV Px

В этом случае скорость массопередачи будет определяться: уравнением

ч = Kox (X - У / KVX )

(8)

(9)

В уравнения (6) и (9) в отличие от (4) входят только рабочие концентрации х и у. Если в уравнении (2) концентрации распределяемого компонента в обеих фазах имеют одну и ту же размерность, константа

- 168 -

____________________________МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА»

равновесия (константа Генри) - величина безразмерная, в противном случае она будет иметь размерность, что необходимо учитывать при расчёте диффузионных процессов.

Для расчёта диффузионных процессов отделочного производства можно использовать обобщённое уравнение массопередачи, предложенное Б.С. Сажиным и В.А. Реутским [1-2], которое нашло также применение и при расчёте других диффузионных процессов. Согласно этому уравнению скорость диффузионного процесса

q = К(АУ -у)(х-Вх), (10)

где К - коэффициент скорости диффузионного процесса; Ау и Вх - равновесные концентрации распределяемого компонента в фазах Фу и Фх на концах массообменного аппарата (при противотоке фаз).

В отличие от уравнения (4), в котором движущая сила процесса определяется через фазу либо Фу, либо Фх, уравнение (10) включает движущие силы по обеим фазам.

Согласно (10) для описания диффузионного процесса достаточно знать две постоянные равновесные концентрации распределяемого компонента, тогда как при использовании (4) равновесные концентрации представляют собой переменные величины, изменяющиеся во времени или по длине (высоте) массообменного аппарата. В связи с этим для полного описания диффузионного процесса в массообменном аппарате необходимо задавать всю линию равновесия, что в большинстве случаев делает невозможным аналитический расчёт массообменного аппарата. В отличие от текущих равновесных концентраций в (4), изменяющих своё значение по длине массообменного аппарата, в специальной литературе равновесные концентрации А и Вх иногда называют глобальными равновесными

концентрациями [2-3]. Целесообразность практического использования уравнения (10) при расчёте диффузионных процессов связана также с тем, что коэффициент скорости диффузионного процесса К в уравнении (10) для заданных условий проведения процесса сохраняет своё постоянное значение во всем объёме массообменного аппарата. В этом заключается отличие (10) от (6) и (9), в которых коэффициент массопередачи меняет своё значение по длине или высоте массообменного аппарата.

Между коэффициентом скорости диффузионного процесса в уравнении (10) и коэффициентом массопередачи в (9) существует взаимосвязь (для её установления приравняем правые части обоих уравнений):

Koy =

К(Ay - y)(х - Вх) ( х - У / Kyx )

. (11) Подобная взаимосвязь может быть также установлена между коэффициентами массопередачи и скоростью в уравнениях (6) и (10).

С учётом, что X = yjKyx получим на основе (11) для концевого сечения аппарата, в котором

хр = Вх:

Кох = К ( Ay - У)

(12)

Так как величина К не меняется по высоте аппарата, а величина у является переменной, то из

уравнения (12) следует, что величина Кох будет меняться с изменением высоты (длины) массообменного

аппарата, что действительно наблюдается на практике.

Список использованной литературы

1. Сажин Б.С., Реутский В.А. Сушка и промывка текстильных материалов: теория, расчёт процессов. М.: Легпромбытиздат, 1990. 224 с.;

2. Сажин Б.С., Гудим Л.И., Реутский В.А. Гидродинамические и диффузионные процессы. М.: Легпромбытиздат, 1988. 200 с.;

3. Сажин Б.С., Сажин В.Б. Научные основы термовлажностной обработки дисперсных и рулонных материалов. М.: Химия, 2012. 776с.

© В.Б. Сажин, Б.С. Сажин, 2015

- 169 -

№ 3 / 2015

УДК 66.0

ISSN 2410-6070

В.В. Уваев

К.т.н., доцент Г енеральный директор ОАО «КазХимНИИ», Д.И. Куликова К.х.н., доцент Начальник аналитического отдела ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» г. Казань, Российская Федерация

ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ ДЛЯ ПРЕ ДПРИЯТИЙ НАНОИНДУСТРИИ

Аннотация

Разработан проект профессионального стандарта, основой которого является профессиональноквалификационные требования рынка труда к компетенциям работников, занятых на предприятиях наноиндустрии.

Ключевые слова

Профессиональный стандарт, профессионально-квалификационная структура

Важнейшим требованием современной экономики к специалисту высокотехнологичных наукоемких производств является постоянное развитие знаний и компетенций для соответствия постоянно усложняющимся технологиям. Без постоянного развития квалификации в наноиндустрии с ее высокими темпами изменений специалист теряет конкурентоспособность. Для производств наноиндустрии необходимы специалисты высокой квалификации различного уровня, обладающие междисциплинарными компетенциями.

Прогнозирование в области квалификаций и компетенций, определение направлений изменения структуры рынка труда - важнейшие задачи, стоящие перед профессиональным и бизнес- сообществами.

В 2014 году Фондом инфраструктурных и образовательных программ (РОСНАНО) разработан проект профессионального стандарта для наноиндустрии «Специалист переработки нанополимеров, композитов на их основе и изделий из них».

Профессиональный стандарт является нормативным документом, в котором сформулированы профессионально-квалификационные требования рынка труда к компетенциям работников. В основе документа - разработка профессионально-квалификационной структуры наноиндустрии, связанной с производством наноструктурированных полимерных материалов в различных видах экономической деятельности, а также профессиональных квалификаций для инженерно-технических работников, специалистов и рабочих, занятых на предприятиях наноиндустрии. Разработка проекта профессионального стандарта осуществлялась ведущими экспертами профессионального и бизнес-сообщества, такими как ОАО «КазХимНИИ», ЗАО «Техстрой», ООО НПП «Завод стеклопластиковых труб», цеха ОАО "Казаньоргсинтез", ООО «НаноПолимерКомпозит», ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», ОЮЛ «Союз производителей композитов», Общероссийское отраслевое объединение работодателей «Российский Союз предприятий и организаций химического комплекса».

Проект стандарта «Специалист переработки нанополимеров, композитов на их основе и изделий из них» регламентирует функциональные обязанности работников; необходимые в профессиональной деятельности знания, а именно: основы технологического процесса экструзии и правила его регулирования; устройство и принцип работы обслуживаемого оборудования; правила работы с подъемно-транспортными механизмами; требования, предъявляемые к качеству наноструктурированных полимерных материалов; описывает систему их взаимодействия с целью получения инновационной продукции.

Базовые предприятия - разработчики профессионального стандарта ОАО «КазхимНИИ» и ЗАО «Техстрой» связывают развитие промышленного производства наноструктурированных материалов и изделий из них с переходом на технологии нового поколения, которые позволяют формировать материалы и процессы с заданными свойствами и параметрами. Разработка и внедрение инновационных технологий требует подготовки

- 170 -