CC BY
0С.П. Поломошных, канд. техн. наук, доц.
Ч.С. Лайдабон, д-р техн. наук, проф.
Б.Б. Танганов, д-р хим. наук, проф.
Д.Д. Хозонхонова, канд. техн. наук, и.о. доц.
Ю.М. Калашникова, ст. преподаватель Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
УДК 675.02:675.05
СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К МЕТОДАМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ЖИДКОСТНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЫДЕЛКЕ КОЖИ И МЕХА
Существующие технология и оборудование для переработки мехового сырья отличаются высокими затратными характеристиками (высокая энергоемкость, значительный расход воды и химматериалов, низкий коэффициент съема готовой продукции с единицы площади и др.). Поисковые эксперименты, проведенные на кафедре «Машины и аппараты легкой промышленности» ВСГУТУ, позволили сделать заключение о возможности проведения жидкостных операций кожевенно-мехового производства поштучно-намазным способом, что позволило значительно сократить время проведения некоторых технологических операций. Аналогов такого оборудования в мировой практике нет.
Ключевые слова: кожевенно-меховой полуфабрикат, пропитка, массоперенос, кластеры.
S.P. Polomoshnykh, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
C.S. Laydabon, D. Sc. Engineering, Prof.
B.B. Tanganov, D. Sc. Chemistry, Prof.
D.D. Hosonhonova, Cand. Sc. Engineering, acting Assoc. Prof.
Y.M. Kalashnikova
MODERN APPROACH TO THE LIQUID STIMULATION METHODS WHEN LEATHER AND FUR CURRYING
The existing technology and equipment for fur processing are marked by high input characteristics such as high power intensity, substantial water and chemical expenditure, low coefficient of getting of finished commodity from fur raw materials and etc. The results of the research experiments performed at the Department " Machinery and Devices of Light Industry" of the East Siberia State University of Technology and Management, led to the conclusion about the possibility of carrying out of the liquid operations with piece leather and fur production by the smearing method. The work made it possible to significantly reduce the time of some manufacturing operations.
Key words: semi-finished leather and fur, impregnation, mass transfer, clusters.
На кафедре «Технология кожи и меха» Восточно-Сибирского государственного технологического университета разработаны способы проведения жидкостных процессов с использованием гидрофобных жидкостных углеводородов в качестве среды при проведении технологических процессов, позволяющие сократить длительность технологических процессов в десять и более раз.
Нами разрабатываются машины проходного и непроходного типа для поштучной обработки кожевенно-мехового полуфабриката (КМП), реализующие эти способы обработки, а также аппараты для получения рабочих составов в виде эмульсии II рода [1-4].
В общем случае при создании машин для поштучной обработки КМП должны быть решены две задачи:
1) нанесение на полуфабрикат неправильной формы заданного количества рабочих составов;
2) внедрение рабочих составов в толщу кожевой ткани за счет определенного физико -механического воздействия.
Выводы, сделанные нами из анализа существующих конструкций, позволили создать принципиально новые схемы построения машин проходного и непроходного типа.
На предварительном этапе исследований нами проводились эксперименты по определению основных технологических параметров этих устройств и их производительности.
Полученные результаты позволили снизить длительность операций дубления-жирования при обработке овчин с 8 ч до 15 с, КРС с 18 ч до 3 мин.
Однако полученные результаты поставили перед исследователями больше вопросов, чем ответов.
Стало ясно, что необходимы исследования, чтобы стабилизировать полученные результаты и оптимизировать процессы пропитки. Возникла необходимость разработки современных физических основ пропитки кожевой ткани на жидкостных операциях.
Идея ускорения массопереноса в пористых материалах предложена авторами [5] и заключается в следующем. Поскольку скорость пропитки кожевой ткани определяется скоростью массопереноса рабочего состава в ее поровой структуре, большое влияние оказывают два фактора:
- образование в жидкостях кластеров [6], состоящих из большого количества молекул и других ассоциатов и приводящих к значительному увеличению размеров переносимых ассоциатов в пропиточном составе;
- нарушение закона Дарси при малых скоростях течения жидкостей по капиллярам [7], которое называется облитерацией капилляров [8].
При разрушении кластеров размеры переносимых ассоциатов в пропиточном составе многократно уменьшаются, что приводит к существенному ускорению массопереноса. Снятие облитерации капилляров приводит к увеличению эффективного диаметра капилляров, что, как нам представляется, также ускоряет процесс пропитки [8].
Высказанная выше идея была успешно использована для разработки и внедрений технологий пропитки простейших капиллярных систем - обмоток электрических машин и строительных материалов (бетона).
В случае пропитки кожевой ткани задача ускорения массопереноса значительно усложняется из-за того, что кожевая ткань имеет сложную органическую поровую и переменную структуру, а пропитка выполняется многокомпонентными составами различной вязкости и размерности. Задача заключается в разработке практически новой теории для пропитки кожевой ткани, где в экспериментальной части работы необходимо уточнить параметры технологии, свойств пропиточных составов, а также параметры рабочих органов машин для поштучной обработки КМП.
Решение проблемы повышения эффективности пропитки кожевой ткани связано с созданием способов, способствующих проникновению этих составов на заданную глубину. С этой целью была разработана гипотеза, заключающаяся в обосновании комплексного воздействия на кожевую ткань и пропиточные составы. Были рассмотрены явления само-, баро- и термодиффузии жидкостей.
При наличии в пористой системе градиента концентрации grad с(г,1) в ней наблюдается самодиффузия, выражаемая законом Фика:
ЗС = -В • gradC, (1)
где $с - диффузионный поток;
В - коэффициент самодиффузии;
gradC - градиент концентрации или плотности.
Диффузионный поток в гетерогенной системе также может быть вызван при воздействии многих факторов, помимо концентраций, не имеющих прямой связи с потоком вещества. Такие процессы рассматриваются как перекрестные. В частности, существенными для поставленной нами задачи являются термомеханические процессы, а именно явления переноса, происходящие из-за градиентов температуры Т(г,0 и давления Р(г,0, в том числе капиллярного. В первом случае имеем явление термодиффузии, описываемое соотношением
&Т = - Н • gradT ,
где $т - диффузионный поток;
Н - коэффициент термодиффузии; gradт - градиент температуры.
Во втором случае действие давления, которое рассматривается как сумма давлений от внешнего воздействия и давления от поверхностного натяжения, вызывает бародиффузию:
Зр =- К • gradP ,
где Зр - диффузионный поток;
К - коэффициент бародиффузии; gradP - градиент давления.
Совместное действие указанных выше факторов обобщается выражением
З = ЗС + ЗТ + ЗP = -(В • gradC + И • gradт + K • gradP),
где З - результирующий диффузионный поток.
В одномерном случае самодиффузии из формулы (1) можно получить зависимость содержа -ния массы в материале от времени [3]:
М(г) = М <¡1 - ехр
- 81 В
к2
0.8
(2)
где М - предельное значение массы жидкости в материале; В - коэффициент самодиффузии; г - температура;
к - положение границы раздела фаз газ - жидкость. Из уравнения (2) следует, что при наличии градиента концентрации в материале переносится масса, которая подчиняется экспоненциальному закону.
Коэффициент диффузии В можно выразить через вязкость Г) жидкости и, пользуясь понятием подвижности Ь как коэффициентом пропорциональности между скоростью V и силой сопротивления Е , действующей на движущийся объект, пользуясь известным соотношением Эйнштейна
В = кТЬ,
(где к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура) и формулой Стокса для шара
Е = 6ят] • гп ,
(где г - радиус сферической частицы):
В =
кТ
(3)
6р • г)
где В - коэффициент самодиффузии; к - постоянная Больцмана; Т - температура; г - радиус шара; ) - динамическая вязкость.
Коэффициент самодиффузии прямо пропорционален температуре Т и обратно пропорционален динамической вязкости ) .
С учетом (3) формулу (2) можно переписать в следующем виде:
М (г) = М <1 - ехр
Т г
- | сотг--
) к 2
0.8
(4)
Таким образом, мы оценили вклад самодиффузии в процесс массопереноса в пористых материалах. В этом случае поток самодиффузии увеличивается с повышением температуры и снижением вязкости жидкости или раствора.
Подобным же образом можно оценить вклад бародиффузии в процесс массопереноса в изделии. Также в первом приближении можно получить, пользуясь формулой Пуазейля, выражение для потока бародиффузии [8]:
М (г):
р о Г ;
24)
-4~г,
(5)
где р - плотность жидкости; P0 - давление жидкости; г - радиус шара; ) - динамическая вязкость; г - температура.
Получен искомый вклад бародиффузии в виде параболической зависимости переносимой массы. Со снижением вязкости жидкости повышается поток бародиффузии.
Термодиффузия не рассматривается из-за того, что процесс пропитки кожи протекает при постоянной температуре.
Вышеизложенное позволяет сделать следующие выводы.
1. Массоперенос в пористых системах протекает по экспоненциально-параболическому закону и зависит от вязкости пропиточного состава, определяемой размерами частиц пропиточного состава, и поровой структуры кожи. Уменьшение размеров частиц должно привести к ускорению переноса массы.
2. Образование кластеров в пропиточном составе приводит к многократному (в десятки -сотни раз) увеличению эффективных диаметров частиц, что вследствие формул 3, 4 и 5 способствует снижению скорости массопереноса. Первый способ ускорения пропитки - разрушение кластеров [7].
3. По классическому представлению (закон Дарси) расход текущей жидкости по капилляру зависит только от параметров капилляра, вязкости жидкости и от перепада давления, но не зависит от времени. Экспериментально было обнаружено уменьшение скорости течения жидкости по капиллярам до полной остановки, что мы назвали облитерацией капилляров [6]. Этот факт играет определенную роль в массопереносе, и его необходимо учитывать при рассмотрении вопросов пропитки пористых материалов. Второй способ ускорения массопереноса - снятие облитерации пор и капилляров кожи [7].
Дальнейшая задача - экспериментально оценить эффективность каждого фактора, связать их с параметрами кожевой ткани и химией того или иного процесса ее обработки, расширить базис и применить метод многоуровневого моделирования для построения физической модели происходящих процессов.
Библиография
1. Патент на изобретение №1433023. РФ. С14 С15/00. «Устройство для пропитки листовых материалов». Думнов В.С., Поломошных С.П., Советкин Н.В., Титов О.П., Атанов Н.Ф., Мельниченко В.И., Зюнь-кин В.Г. Заявл. 15.12.1986; опубл. 20.10.1993. Патентообладатель ВСТИ.
2. Патент на изобретение №2257416. РФ. С14 С15/00, 9/02. «Устройство для пропитки листовых материалов». Поломошных С.П., Думнов В.С., Аюшеев З.Р., Ронский А.Е. Заявл. 12.04.2004; опубл. 27.07.2005, Бюл. №21. Патентообладатель ВСГТУ.
3. Патент на изобретение №2370543. РФ. С14В 15/06 С14С 15/00 С14В 1/40 С14В 1/58. «Устройство для пропитки, пролежки и сушки меховых шкурок, обрабатываемых «чулком». Поломошных С.П., Спиридонов А.И., Калашникова Ю.М., Аюшеев З.Р., Ронский А.Е. Заявл. 11.06.2008, опубл. 20.10.2009, Бюл. №29. Патентообладатель ВСГТУ.
4. Патент на изобретение №2154520. РФ. В01Б5/10. «Смеситель». Поломошных С.П., Мельниченко В.И. Заявл. 23.06.1995, опубл: 20.08.2000. Патентообладатель Малое внедренческое предприятие «Камус».
5. Бадмаев Б.Б., Лайдабон Ч.С., Дерягин В.В., Базарон У.Б. Сдвиговые механические свойства полимерных жидкостей и их растворов // ДАН СССР. - 1992. - Т. 322, № 2. - С. 307 - 311.
6. Ванников В.Ц., Лайдабон Ч.С. Особенности течения воды в капиллярах. Депонир. рукопись. - М.: ВИНИТИ, 1989. - № 9. - б/о 280. - 32 с.
7. Лайдабон Ч.С. Методы ускорения сушки и пропитки строительных материалов // Строительные материалы. - 2005. - №9. - С. 68-69.
8. БаженовЮ.М. Бетонополимеры. - М.: Стройиздат, 1983. - 472 с.
Bibliography
1. The patent for the invention №1433023. The Russian Federation. С14 С15/00. «The device for impregnation of sheet materials». Dumnov V. S., Polomoshnyh S.P., Sovetkin N.V., Titov O. P., Atanov N.F., Melnichenko V.I., Zyunkin V.G. арр1. 12.15.1986, publ.: 10.20.1993. Patent holder is East Siberian institute of technology.
2. The patent for the invention N2257416. The Russian Federation. С14 С15/00, 9/02. «The device for impregnation of sheet materials». Polomoshnyh S.P., Dumnov V. S., Ayusheev Z.R., Ronsky A.E. Арр1. 4.12.2004, publ.: 27.07.2005. Bull. №21. Patent holder is East Siberia State University of Technology.
3. The patent for the invention №2370543. The Russian Federation. С14В 15/06 С14С 15/00 С14В 1/40 С14В 1/58. «The device for impregnation and drying of the fur skins processed by «a stocking». Polomoshnyh S.P., Spiridonov A.I., Kalashnikova J.M., Ayusheev Z.R., Ronsky A.E. Арр1.6.11.2008, publ.: 10.20.2009. Bull. N29. Patent holder is East Siberia State University of Technology.
4. The patent for the invention №2154520. The Russian Federation. В01F5/10.«The amalgamator ». Polo-moshnyh S.P., Melnichenko V. I. Аppl.23.06.1995, publ.: 20.08.2000. Patent holder is Small enterprise «Camus».
5. Badmaev B. B., Laydabon C.S., Deryagin V. V, Bazaron U.B. Shift mechanical properties of polymeric liquids and their solutions // Reports of Academy of Sciences USSR. - 1992. - Vol. 322, N 2. - P. 307-311.
6. Vanchikov V. Ts, Laydabon C.S. Features of a current of water in capillaries Deposit manuscript. - М.: The All-Russia Institute of the Scientific and Technical Information. - 1989. - N 9 (280). -32 p.
7. Laydabon C.S. Methods of acceleration of drying and impregnation of building materials // Building materials. - 2005. - N9. - P. 68-69.
8. Bazhenov Y.M. Polymer-impregnated concrete. -М.: Stroyizdat, 1983. - 472 p.
