CC BY
7
Инженерно-технические науки Engineering and technical sciences
УДК 66.021.3
УДАЛЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО РАСТВОРИТЕЛЯ ИЗ ОСНОВЫ СИНТЕТИЧЕСКОЙ КОЖИ В ТОКЕ ВОДЯНОГО ПАРА
А.А. Покровский, АВ. Топоров
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России
М.Ю. Колобов
Ивановский государственный химико-технологический университет
Технология производства синтетических кож включает стадию отгонки органического растворителя из высокопористой основы материала. Такая основа освобождается путем экстракции от одного из полимерных компонентов. Описана изготовленная лабораторная установка периодического действия. Она позволяет исследовать кинетику удаления экстрагента в широком интервале температур и расходов водяного пара. Рассмотрены полученные кинетические характеристики удаления органических растворителей из основы синтетической кожи в токе водяного пара. На основе анализа экспериментальных данных определены лимитирующая стадия процесса и математическая модель процесса. Рассчитаны коэффициенты тепло- и массоотдачи для исследованных режимов обработки основы синтетической кожи водяным паром. Полученные результаты могут быть использованы для математического описания непрерывного варианта процесса сушки и разработки его аппаратурного оформления.
Ключевые слова: органический растворитель, синтетическая кожа, технология сушки, математическая модель, аппаратура.
Технология производства синтетических кож нового поколения включает стадию отгонки органического растворителя из высокопористой основы материала, освобождённой путем экстракции от одного из полимерных компонентов [1]. Предварительные исследования [2] показали, что эта стадия, в наиболее экологически и пожаробезопасном варианте, реализуется в токе перегретого водяного пара. С целью оптимизации, разработанных в этих исследованиях технологических параметров процесса, была изготовлена лабораторная установка периодического действия, позволяющая исследовать кинетику удаления экстрагента в широком интервале температур (100-160°С) и расходов (5-20 г/мин)
водяного пара, принципиальная схема которой приведена на рис.1.
Установка включает последовательно герметично соединённые парогенератор 1, пароперегреватель 2, обогреваемую с помощью маслянного термостата 5 рабочую ячейку 7, конденсатор паров 9 и сосуд для сбора конденсата 10. Температура пара на входе в ячейку контролируется хромель-копелевой термопарой 4 и регистрируется потенциометром 3, а на выходе - ртутным термометром 6. Расход и температура водяного пара регулируются, за счет изменения, с помощью лабораторных автотрансформаторов 12 и 11 напряжений, подаваемых на нагревательные элементы парогенератора и пароперегревателя. Темпера-
турную кривую сушки получали с помощью дополнительной термопары, размещенной непосредственно в образце 8. Для получения кинетической кривой изменения массы образца, в процессе обработки его перегретым водяным паром, использовали следующую методику. Предварительно экстрагированные сухие образцы основы синтетической кожи толщиной 2,5±0,5мм и известной начальной массой пропитывались до полного насыщения п-ксилолом, используемым в производстве синтетической кожи, в качестве селективного растворителя. Затем образец помешался в рабочую ячейку и подвергался об-
работке перегретым паром с заранее заданными параметрами. По истечении определённого промежутка времени образец извлекался из ячейки и взвешивался. Относительное количество оставшейся в образце жидкости рассчитывали по формуле:
2 =
(г) - О0 (()
(1)
где Ок(т) - масса образца предварительно заполненного растворителем и обработанного перегретым паром в течение времени (, г;
О0 - масса сухого образца, г.
Рис. 1. Принципиальная схема установки 1 - парогенератор; 2 - пароперегреватель; 3 - потенциометр КСП-2; 4 - термопара; 5 - термостат ЦИ-4; 6 - термометр; 7 - рабочая ячейка; 8 - образец; 9 - конденсатор; 10 - сосуд для сбора конденсата; 11, 12 - лабораторные автотрансформаторы
Температурные и массовые кривые сушки, полученные по результатам экспериментов, представлены на рис. 2. Прежде всего, необходимо отметить, что приведенные кинетические кривые являются типичными кривыми сушки двух компонентов. Начальный участок на температурных кривых соответствует периоду прогрева материала, длительность которого практически не зависит от параметров пара. Второй - горизонтальный участок отражает стадию отгонки, иммобилизованного в основе синтетической кожи, растворителя с
водяным паром. Соответствующая этому участку температура, равная « 93°С, совпадает с теоретической температурой кипения смеси вода - п- ксилол. Протяженность этого участка снижается с ростом температуры и расхода пара. Плавный, а не скачкообразный переход к высокотемпературной "полке" характеризует, на наш взгляд, постепенное смещение равновесия перегоняемой смеси в сторону воды, по мере освобождения материала от органического растворителя. С повышением тем-
пературы водяного пара ширина этой "полки" уменьшается и при 150°С она полностью вырождается. Наконец, при достижении критического влагосодержания, скорость сушки постепенно уменьшается, а температура образца увеличивается до температуры используемого водяного пара. В этот момент влагосодержание образ-
160
120
80
40
ца достигает своего минимального значения.
Анализ результатов, проведенных исследований и выполненных ранее, пористости основы синтетической кожи показывает, что объем пор составляет 75-80% от общего объема материала и, что при малых температурах пара, удаление растворителя и воды идет в периодах постоянной температуры образца.
'2
1/1 1 в
V V» 3 4 5— — •
и, г/г
12
16 20 т, мин
Рис 2. Температурные (1, 2) и массовые (3, 4) кривые сушки, полученные при температуре пара, равной 110 (1, 3) и 150 (2, 4)°С
При малых температурах теплоносителя скорость процесса лимитируется преимущественно внешнедиффузионным сопротивлением, а при больших - внутри-диффузионным. Если реализуется первый случай, то процесс можно описать балансовыми уравнениями тепла и массы. Осно-
вываясь на этом выводе, для математического описания рассматриваемого процесса были составлены следующие дифференциальные уравнения: теплового баланса (2), материального баланса по растворителю (3), материального баланса по воде (4):
* * * \
(тс • ст + тс • ха • са + тс • хь • сь)• №/ёт = а-Р• (Гп -Т) + га ■Д • (Ра -Ра)• Р-Ф(ха) + гь • тс • Лхь /ёт, (2)
тс-ёхь / ёт = Д^(Ра - Ра *) • Р • Ф(ха), (3)
(тс •скь /ёт = а1 •.• (Тп -Т)/тъ •РФ(ха) + Д •Р-Ръ* •[!-Ф(ха)]•Ф(хь), (4)
где а = а1 Ф(ха) + а2 • [1 - Ф(ха)].
Очевидно, что для решения задачи необходимо записать ещё дополнительные соотношения: для массоотдачи (5), для расчёта парциального давления органического растворителя в паровой фазе (6) и закон Дальтона (7):
Оа =Дг(Ра' - Р) • Р, (5)
Ра = Оа / Оп) •(Мв /Ма )• Рь , (6)
Р = Ра + Рь, (7)
где ха, хь - содержания растворителя и воды в образце, кг/кг;
Т - температура образца, К; Тп - температура водяного пара, К; а1, а2 - коэффициенты теплоотдачи в первом и втором периодах, Вт/м2 -К; Д1, Д2 - коэффициенты массоотдачи в первом и втором периодах, кг/(с *м2 Па); ¥ - наружная поверхность образца, м2;
4
Л
3
2
0
0
4
8
mc - масса абсолютно сухого образца, кг; гс, гь - теплоты испарения компонентов А и В, Дж/кг;
ст, сс, св - теплоёмкости сухого материала, растворителя и воды, Дж/(кгК); Оп - расход пара, кг/с; Ос - массовый поток компонента, кг/с; Рс, Ръ - парциальные давления паров растворителя и воды, Па;
Р - давление в системе, Па;
* *
Рс, Ръ - давления насыщенных паров
компонентов А и В, Па;
Ф(х) - единичная функция (функция Хэви-
сайда).
Отметим, что первый член правой части уравнения (2) характеризует тепловой поток от пара к образцу, второй - расход тепла на испарение растворителя, третий - расход тепла на испарение воды. В уравнении (4) первое слагаемое правой части является массовым потоком конденсата водяного пара, а второе - массовым потоком испаряемой влаги.
Численным методом были рассчитаны коэффициенты тепло- и массоотдачи для всех исследованных нами режимов обработки основы синтетической кожи водяным паром. Температурные зависимости и зависимости коэффициентов тепло- и мас-соотдачи от расхода пара удовлетворительно (во всех случаях коэффициент корреляции не хуже 0,992) описываются ли-
нейными соотношениями (8,9), позволяющими рассчитать эффективность процесса сушки при любых параметрах сушильного агента.
а (Т) = 679,4 - 4,02Ти,
а2 (Т) = 29,1 + 0,25Т,
Д (Т) = 0,23 • 10-6 + 0,24 • 10-8Т,
Д(Т) =-0,31 •Ю-7 + 0,30•Ю-9Т • (8)
а (О) = 73,5 + 3,300и,
а (О) = 42,5 + 0,98О,
Д(О) = 0,29 • 10-6 + 0,13 •Ю-7Оп,
Д (Т) = 0,41 •Ю-8 + 0,32•Ю-9О • (9)
Таким образом, разработана математическая модель процесса удаления органического растворителя из синтетической кожи. Полученные результаты могут быть использованы для математического описания непрерывного варианта процесса сушки и разработки его аппаратурного оформления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твёрдой фазой. М.: Химия, 1980. 248 с.
2. Покровский А.А, Почивалов К.В., Липин А.Г, Мизеровский Л.Н., В.Н.Блиничев. Исследование процесса удаления органического растворителя из основы синтетической кожи в токе водяного пара // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. Иваново, 2001. Т. 44, вып 1. С. 138-140.
Рукопись поступила в редакцию 04.10.2016.
REMOVAL OF THE ORGANIC SOLVENT FROM THE BAS E OF S YNTHETIC LEATHER IN
THE CURRENT OF WATER VAPOR
A. Pokrovskiy, A. Toporov, M. Kolobov
Technology of production of synthetic leathers includes a stage of distilling off the organic solvent from the highly porous base of material. Such basis is released by extraction from one of polymeric components. The made laboratory installation ofperiodic action is described. She allows to investigating the kinetics of removals ofthe extricating in a wide interval of temperatures and expenses of water vapor. The received kinetic characteristics of removal of organic solvents from a base of synthetic leather in the current of water vapor are considered. On the basis of the analysis of experimental data the limiting stage of process and mathematical model of process are defined. The coefficients of heat and mass transfer for the investigated modes of processing of a basis of a synthetic leather of water vapor are calculated. The received results can be used for the mathematical description of the continuous version of the process of drying and development of its hardware design.
Key words: organic solvent, synthetic leather, technology of drying, the drying process, a mathematical model, equipment.
