Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологических возможностей пен, применяемых в текстильном производстве 28
1.1. Общие сведения о пенах и их свойствах 28
1.1.1. Понятие о низкократных «влажных» пенах 28
1.1.2. Пенообразующая способность 29
1.1.3. Устойчивость пены 33
1.1.4. Плотность, дисперсность и кратность пены 36
1.1.5. Реологические свойства пен 38
1.2. Взаимодействие пены с текстильным материалом 41
1.2.1. Влияние капиллярных свойств текстильных материалов на свойства и объем наносимых пен 41
1.2.2. Влияние кратности пены на распределение выделившейся жидкости в структуре материала 48
1.3. Оборудование для пенной технологии 51
1.3.1. Пеногенерирующие устройства 51
1.3.2. Устройства для нанесения пены на текстильный материал 58
1.4. Оценка технологической и экономической целесообразности применения пенной технологии и формулирование цели диссертационной работы 65
Выводы к главе 1 71
2. Объекты и методы исследований 74
2.1. Объекты исследований 74
2.1.1. Пена 74
2.1.2. Пеногенераторы 74
2.1.3. Текстильные материалы 74
2.1.4. Текстильно-вспомогательные вещества и красители 76
2.2. Методы исследований 78
2.2.1. Методы приготовления водных растворов загустителей и гелей на их основе 78
2.2.2. Методы получения и исследования свойств высокодисперсных пен, образованных при интенсивном механическом перемешивании 79
2.2.2.1. Получение пены 79
2.2.2.2. Определение плотности пены 80
2.2.2.3. Определение агрегативной устойчивости высокодисперсной пены 81
2.2.2.4. Дисперсионный анализ высокодисперсных пен 81
2.2.2.5. Измерение вязкости водных растворов загустителей и высоко дисперсных пен 83
2.2.3. Методы получения и исследования свойств пен, формируемых с помощью барботажа газа в жидкость 84
2.2.3.1. Получение барботажных пен 84 ,
2.2.3.2. Определение скорости истечения жидкости из пены 87
2.2.4. Нанесение пены на текстильные материалы 88
2.2.5. Спектрофотометрические исследования окрашенных текстильных материалов 91
2.2.6. Исследование пленок, полученных из растворов шлихты 91
2.2.7. Прочие испытания 92
2.2.8. Методы обработки результатов экспериментальных исследований 93
2.2.8.1. Метод анализа размерностей 93
2.2.8.2. Определение коэффициента вариации по светлоте окрашенных текстильных материалов 95
2.2.8.3. Математическая обработка результатов непосредственных измерений 95
2.2.8.4. Проверка адекватности уравнений 97
3. Исследование процесса пенообразования при механическом диспергировании газа в жидкости 99
3.1. Анализ факторов, влияющих на плотность пены, получаемой в процессе перемешивания пенообразующей жидкости 99
3.1.1. Основные свойства технологически пен 99
3.1.2. Образование пены при механическом перемешивании пенообразующих жидкостей 101
3.2. Экспериментальные исследования процесса пенообразования при использовании скоростных мешалок 106
3.3. Теоретические исследования процесса диспергирования пузырьков воздуха при интенсивном перемешивании низкократных пен 116
3.3.1. Анализ факторов, влияющих на процесс диспергирования 116
3.3.2. Влияние времени перемешивания на однородность получаемой пены 119
3.3.3. Расчетные уравнения для определения диаметра пузырьков воздуха 120
3.4. Экспериментальные исследования диспергирования низкократных пен 122
3.4.1. Влияние структурно-механических свойств пенообразующих растворов на однородность пены 122
3.4.2. Вывод уравнения для расчета среднего диаметра пузырьков воздуха 130
Выводы к главе 3 133
4. Исследование процесса пенообразования при барботаже газа в пенообразующую жидкость 136
4.1. Анализ газожидкостных систем, полученных при барботаже газа в жидкость 136
4.1.1. Пенообразование при барботаже газа в жидкость со свободной поверхностью 136
4.1.2. Пенообразование при барботажном режиме движения газожидкостной смеси через насадочную колонну 142
4.2. Экспериментальные исследования барботажа воздуха в пенообразующую жидкость 146
4.2.1. Установление зависимости кратности пены от свойств пенообразующей жидкости и условий барботажа 146
4.2.2. Вывод критериального уравнения для анализа и расчета кратности пены 153
4.3. Исследование процесса образования пены в насадочной колонне 159
4.3.1. Обоснование выбора скорости движения жидкости в колонне 159
4.3.2. Вывод уравнения для определения расхода газа в насадочной колонне 162
4.3.3. Исследование процесса движения пены по подающим трубопроводам 167
Выводы к главе 4 170
5. Исследование реологических свойств и устойчивости высокодисперсных низкократных пен 173
5.1. Анализ подходов к изучению реологических свойств дисперсных систем 173
5.2. Экспериментальные исследования реологических свойств высокодисперсных низкократных пен 176
5.2.1. Исследование влияния газовой фазы на реологические свойства высокодисперсных пен 176
5.2.2. Исследование влияния внутренних структур пенообразующих растворов на реологические свойства высокодисперсных пен 185
5.2.3. Вывод критериального уравнения для расчета вязкости высокодисперсных низкократных пен 201
5.3. Исследование устойчивости высокодисперсных низкократных пен 206
5.3.1. Анализ процессов разрушения пены с учетом ее структурно-механической устойчивости 206
5.3.2. Вывод уравнения для расчета скорости истечения жидкости из высокодисперсных пен 211
5.3.2.1. Экспериментальная проверка пригодности уравнения для практических расчетов 215
5.3.3. Исследование структурных изменений пены в процессе ее обезвоживания 220
5.3.4. Обоснование выбора устойчивости пен, используемых в различных технологических процессах 225
Выводы к главе 5 231
6. Разработка и исследование устройств для получения и нанесения пены на текстильные материалы 235
6.1. Обоснование выбора способа диспергирования
газожидкостной смеси при разработке
пеногенераторов и наносящих устройств 23 5
6.2. Разработка и исследование пеногенераторов 238
6.2.1. Барботажные насадочные пеногенераторы 238
6.2.1.1. Исследование конструктивных особенностей барботажных насад очных пеногенераторов 238
6.2.1.2. Методика расчета основных параметров насадочных пеногенераторов 244
6.2.2. Насадочные пеногенераторы с предварительным
барботажем газа 247
6.2.2.1. Определение условий проведения предварительного барботажа газа в жидкость 247
6.2.2.2. Исследование процесса диспергирования
барботажной пены в насадочной колонне 258
6.2.3. Насадочный пеногенератор с предварительным
пневматическим диспергированием жидкости 261
"' 6.3. Разработка и исследование пенонаносящих устройств 264
6.3.1. Опытная установка (стенд) для нанесения t
высокодисперсных пен на текстильные материалы 268
6.3.1.1. Принципиальная схема, общий вид и описание установки 268
6.3.1.2. Пеногенератор 274
6.3.1.3. Стендовые испытания установки 278
6.3.2. Технические решения устройств для получения и нанесения пены на текстильные материалы 279
6.3.2.1 Устройство для нанесения пенообразующей * жидкости на текстильное полотно 279
6.3.2.2. Устройство для полихроматического крашения текстильных полотен 282
6.3.2.3. Устройство для нанесения обрабатывающей жидкости в виде пены на текстильный материал 283
6.3.2.4. Устройство для крашения текстильного полотна 287
Выводы к главе 6 291
7. Исследование процессов взаимодействия пены с текстильными материалами 294
7.1. Исследование процессов капиллярного распределения жидкости в текстильных материалах 294
7.1.1. Капиллярные явления в текстильных материалах 294
7.1.2. Вывод уравнения для расчета среднего радиуса капилляров текстильных материалов 297
7.1.3. Механизм распределения жидкости в пористой структуре текстильного материала 300
7.2. Исследование закономерностей, характеризующих влияние свойств пены на условия нанесения ее на текстильные материалы 305
7.2.1. Исследование влияния кратности и дисперсности пены на толщину наносимого слоя 305
7.2.2. Вывод уравнения для расчета кратности пены, наносимой на текстильный материал 311
7.2.3. Вывод уравнения для расчета толщины наносимого слоя пены 312
7.2.4. Исследование процесса распределения жидкости, выделившейся из пены, в объеме текстильного материала 313
7.2.4.1. Анализ факторов, влияющих на характер распределения жидкости в материале после разрушения пены 313
7.2.4.2. Экспериментальные исследования равномерности окраски текстильных материалов при использовании
пены в качестве технологической среды 320
7.3. Выработка рекомендаций по применению пен в технологических процессах текстильного производства 324
Выводы к главе 7 326
8. Разработка и исследование процессов обработки текстильных материалов в пенной среде 329
8.1. Разработка и исследование процесса карбонизации шерстяных волокон в пенной среде 330
8.1.1 Анализ технологических задач процесса карбонизации 330
8.1.2. Экспериментальные исследования пенной карбонизации шерстяных волокон 334
8.2. Разработка и исследование процесса пеноэмульсирования полуфабрикатов прядильного производства 340
8.2.1. Основные задачи эмульсирования на переходах прядильного производства 340
8.2.2. Экспериментальные исследования пеноэмульсирования продуктов прядильного производства 343
8.2.2.1. Устройство для нанесения пенобразующего состава на волокнистый продукт 343
8.2.2.2. Изучение влияния пеноэмульсирования на структурные характеристики ленты 347
8.2.2.3. Влияние пеноэмульсирования на параллелизуемость и распрямляемость волокон 352
8.2.2.4. Исследование влияния пеноэмульсирования на ровноту пряжи по линейной плотности 355
8.3. Разработка и исследование процесса шлихтования ткацких основ с применением пены 358
8.3.1. Общие сведения о процессе шлихтования ткацких основ и возможные направления его совершенствования 358
8.3.2. Экспериментальные исследования пеношлихтования ткацких основ 362
8.3.3. Исследование совмещенного процесса пеношлихтования и полихроматического крашения нитей основы 367
8.4. Исследование и разработка процесса крашения трикотажных полотен вспененными
, красильными растворами 374
8.4.1. Анализ особенностей применения пен в крашении текстильных материалов 3 74
8.4.2. Экспериментальные исследования пенного крашения трикотажных полотен активными красителями 378
8.5. Исследование и разработка технологического процесса печатания текстильных материалов вспененными печатными красками 391
8.5.1. Анализ особенностей применения высокодисперсных пен в качестве печатных красо 391
8.5.2. Разработка технологических режимов и рецептов для пенной печати текстильных материалов пигментами...* 400
Выводы к главе 8 403
Заключение 407
Список литературы
- Пенообразующая способность
- Текстильно-вспомогательные вещества и красители
- Экспериментальные исследования процесса пенообразования при использовании скоростных мешалок
- Экспериментальные исследования реологических свойств высокодисперсных низкократных пен
Введение к работе
Коренная проблема современного этапа развития отечественной текстильной промышленности состоит в повышении конкурентоспособности ее продукции. Путь ее решения лежит в повышении качества продукции, а также в снижении издержек производства, при этом низкая стоимость рабочей силы не является доминирующим фактором с учетом существующих особенностей рынка рабочей силы в Юго-Восточной Азии и других регионах, являющихся нашими конкурентами.
Применительно к текстильному и отделочному производствам снижение издержек может быть достигнуто, прежде всего за счет:
- сокращения расхода технологической воды;
- снижения энергетических затрат на сушку; сокращения расхода основных и вспомогательных веществ;
- увеличения производительности оборудования;
- снижения вредного влияния текстильного производства на окружающую среду;
- снижения производственных затрат на выпуск продукции. Перспективным направлением решения данных задач является использование новых, передовых технологий, к числу которых бесспорно относится пенная технология. Это обусловлено, прежде всего тем, что применение пен в качестве технологических сред в подготовительных и отделочных процессах текстильного производства позволяет переводить относительно небольшие количества растворов в двухфазную газожидкостную систему, характеризующуюся значительно большим объемом, чем объем вспениваемой жидкости.
Пенная технология позволяет также решать и ряд других важных задач, связанных непосредственно с особенностями текстильного производства, и позволяющая повысить качество продукции, придать ей новые по требительские свойства, а также получить значительный экономический эффект. К их числу, в частности, можно отнести:
- расширение ассортимента отделочных операций с получением оригинальных колористических эффектов;
- обеспечение возможности локального нанесения отделочных препаратов на лицевую или изнаночную сторону текстильного материала;
- повышение вязкости наносимых растворов;
- снижение нагрузок, действующих на обрабатываемый материал;
- уменьшение миграции отделочных препаратов и другие.
Понятно, что при таком наборе положительных качеств перспективность пенной технологии сохранится еще долго, предопределяя острую актуальность теоретических и экспериментальных ее исследований.
Интерес к пенам как к технологическим средам возникал периодически, и впервые обработка текстильных изделий в пене была предложена еще в 1931 году. В многочисленных патентных заявлениях предлагалось применение вспененного раствора для отделки, крашения и печатания тканей.
В 50-е годы изучалась возможность применения пен в качестве печатных красок для пигментной печати. Основанием для этого служил тот факт, что пены во многом схожи по своим свойствам с эмульсиями, широко применявшимися в качестве загустки в печатных красках.
В 70-е и 80-е годы по мере возрастания остроты проблемы охраны окружающей среды, пены, как технологические среды, использовались с переменным успехом в подготовительных и отделочных операциях, таких как беление, крашение, печатание, карбонизация и заключительная отделка текстильных материалов, т.е. во всех тех операциях, которые связаны с потреблением больших объемов воды. Применение пенных технологических сред, в данном случае, позволяет значительно сократить количество потребляемой воды и снизить затраты на выпуск единицы продукции.
За последние двадцать лет был накоплен большой экспериментальный материал, обобщение которого позволило выявить преимущества и недостатки пенной технологии, а также предложить целый ряд технологических процессов отделочного производства с использованием пен в качестве технологических сред.
Однако, до настоящего времени пенная технология не получила широкого распространения на отделочных предприятиях текстильной промышленности.
Основной причиной столь осторожного отношения работников производственной сферы к данной технологии объясняется высокой степенью риска работы с неустойчивыми системами, к которым относится пена. Для получения воспроизводимых результатов при подготовке или отделке текстильных материалов необходимо, чтобы заданные параметры определяющих свойств обрабатывающей среды (плотность, концентрация, вязкость, температура, рН и др.) оставались постоянными в определенном временном интервале.
Кроме того, при использовании технологических пен требуется более жесткий контроль за структурой текстильного материала, его волокнистым составом и капиллярными свойствами.
Отсутствие отработанных технологических процессов и оборудования текстильного производства с использованием пенной технологии во многом обусловлено отсутствием системного комплексного подхода к исследованию этой интересной, но сложной технологии. Большое число работ, выполненных к настоящему времени, носили односторонний, отрывочный характер, когда рассматривались лишь отдельные, хотя и интересные аспекты данной проблемы. Такой подход не позволял создать работоспособные в условиях отечественного производства аппараты и техпроцессы.
Данная актуальная проблема может быть решена, на наш взгляд, лишь при системном, комплексном подходе к изучению и разработке процессов пенной технологии с взаимоувязыванием вопросов получения пен, нанесения их на текстильный материал и взаимодействия с последним.
К числу наиболее глубоких и систематизированных исследований в области пенной технологии и, в частности, печатания текстильных материалов, можно отнести работы Киселева A.M.
Анализ полученных им данных, а также результатов ранних исследований автора [1-3] позволяет сделать важный вывод, который заключается в том, что широкое внедрение пенной технологии в производство возможно только в том случае, когда для конкретных технологических процессов будет предусматриваться специализированное пеногенерирующее и пенонаносящее оборудование.
Это еще раз подтверждает актуальность темы диссертационной работы и целесообразность проведения комплексных исследований в области текстильной науки и практики, направленных на разработку научно обоснованных технологических и технических решений, способствующих более широкому применению пенной технологии в текстильном производстве.
Цель настоящей диссертационной работы заключалась в научном обосновании, разработке и внедрении практически значимых и аппара-турно оформленных пенных технологических процессов текстильного и красильно-отделочного производств текстильной промышленности, обеспечивающих выпуск текстильных материалов с улучшенными потребительскими и эксплуатационными свойствами при одновременном снижении стоимости за счет уменьшения энергетических и материальных затрат при их производстве.
Для достижения поставленной в диссертационной работе цели были решены следующие задачи:
- проведен анализ работ, выполненных в области пенной технологии, и оценены результаты ее использования в текстильном производстве;
- выполнены теоретические и экспериментальные исследования процесса пенообразования и свойств получаемой пены при механическом перемешивании пенообразующих жидкостей;
- выполнены теоретические и экспериментальные исследования процесса пенообразования и свойств получаемой пены при барботаже газа в пе-нообразующую жидкость;
- проведены теоретические и экспериментальные исследования реологических свойств высокодисперсных низкократных пен;
- изучены закономерности, характеризующие гидродинамическую устойчивость пены, и исследованы факторы, влияющие на изменение поверхностно-объемных свойств обезвоженных пен;
- проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса взаимодействия высокодисперсных пен с текстильными материалами;
- с учетом структурно-механических свойств текстильных материалов и кратности пены предложен механизм взаимодействия между ними; ;
- разработаны методики и экспериментальные лабораторные установки для получения и нанесения высокодисперсных пен на текстильные материалы, а также изучения их свойств;
- разработаны новые научно обоснованные эффективные технологические и технические решения:
а) в области карбонизации шерсти;
б) в области прядения натуральных и химических волокон;
в) в области шлихтования и полихроматического крашения нитей основы;
г) в области печатания текстильных материалов;
д) в области крашения трикотажных полотен.
- сконструированы и изготовлены опытные образцы пеногенерирующих и пенонаносящих устройств, реализующих разработанные в диссертационном исследовании технологические и технические решения в области прядения, ткачества и отделки текстильных материалов;
- проведена производственная апробация разработанных технологических и технических решений и составлены рекомендации по их внедрению в текстильное производство.
Объектами исследований в диссертационной работе являлись:
- высокодисперсные низкократные пены;
- образцы опытных пеногенераторов, реализующих различный принцип получения пены;
- устройства для нанесения пены на текстильные материалы;
- репейная шерсть;
- продукты прядильного производства - шерстяная лента, ровница и пряжа гребенной системы прядения, льняная пряжа;
- ткани и трикотажные полотна различного волокнистого состава.
При проведении теоретических исследований были использованы методы теории подобия и анализа размерностей; основные положения гидродинамики и основы теории массопереноса в капиллярно-пористых телах.
Экспериментальные исследования проводились с применением методов физического моделирования, дисперсионного анализа, реологических и физико-механических испытаний, спектрофотометрических измерений. Эксперименты проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием современной измерительной аппаратуры и специально разработанных и изготовленных лабораторных стендов. Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением методов математической статистики на ПЭВМ.
Научная новизна диссертационной работы заключается в новом, комплексном подходе к объекту исследования, заключающемся в проведении теоретических и экспериментальных исследований на стыке коллоидной химии, химии поверхностных явлений, процессов и аппаратов химической технологии, текстильной химии и текстильного материаловедения.
Использование данного подхода позволило получить новые научные результаты, к числу которых относятся:
- разработка научных основ получения высокодисперсных однородных пен с заданными свойствами и применения их в технологических процессах текстильного и отделочного производств;
выявление закономерности образования и диспергирования пен при использовании скоростных мешалок. Получение математических выражений для анализа и расчета плотности и поверхностно-объемных свойств пены в зависимости от свойств пенообразующей жидкости и параметров перемешивающих устройств;
- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение закономерности, характеризующей зависимость кратности монодисперсной пены, получаемой при барботаже газа в жидкость, от вязкости пенообразующей жидкости, ее плотности и поверхностного натяжения ша границе раздела двух фаз, а также от среднего диаметра пузырьков газа;
- теоретическое обоснование причины образования воздушных пробок и снарядного движения пены при перемещении ее по напорным трубопроводам;
- разработка основ теории течения высокодисперсных низкократных пен в поле сдвиговых напряжений. Установление закономерностей, характеризующих реологические свойства пен в зависимости от их плотности, дисперсности и вязкости пенообразующей жидкости;
- теоретическое обоснование и экспериментальное определение условий получения устойчивых пен и выявление закономерностей, характеризующих процесс их разрушения. Вывод расчетного уравнения для определения скорости истечения жидкости из пены в начальный период после ее получения;
- разработка и исследование механизма распределения жидкости, выделившейся из пены, в структуре текстильного материала;
- метод расчета требуемой кратности наносимой пены от структурно- механических свойств текстильного материала;
- научное обоснование подхода к разработке и конструированию барбо- тажных насадочных пеногенераторов и насадочных пеногенераторов с предварительным барботажем газа в жидкости.
Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в том, что они могут быть использованы и используются:
- предложенный метод расчета требуемых параметров (кратности, дисперсности) наносимой пены в зависимости от структурно-механических свойств конкретных текстильных материалов, полученный на основании закономерностей, выявленных при проведении теоретических и экспериментальных исследований - при разработке технических требований и проектировании перспективных аппаратов текстильного производства;
- разработанные технологические процессы обработки волокнистых материалов в пенной среде - при производстве разнообразной текстильной продукции в отрасли. Внедрение этих технологий позволяет в условиях отечественного текстильного производства обеспечить:
а) при карбонизации шерстяных волокон - снижение потери прочности шерстяных волокон на 15 - 20%;
б) при пеноэмульсировании шерстяных волокон в процессах приготовления гребенной шерстяной пряжи - снижение коэффициента вариации по линейной плотности по сравнению с традиционной технологией эмульсирования, в 5,5 раз, а обрывность - на 1000 вер./ч ровницы и пряжи на 23% и 32% соответственно;
в) при пенном шлихтовании нитей основы - сокращение расхода хим- хматериалов в 2 раза, снижение обрывности пряжи на ткацких станках в 2,5 раза, увеличение производительности ткацких станков на 15% и сокращение затрат на электроэнергию на 20%.
Полученный эффект подтвержден актами о внедрении на предприятиях: ООО «Димитровград-текстиль », суконная фабрика им. В.И. Ленина, Мулловская суконная фабрика ЗАО «Матэко», ООО «Технология».
- разработанные и изготовленные опытные экземпляры барботажных насадочных пеногенераторов для технологических процессов карбонизации, пеноэмульсирования, пеношлихтования и нанесения пены на текстильные материалы - при производстве продукции на 000 «Ткач», опытном производстве 000 «Комплектация» и в учебном процессе при изучении дисциплин: «Химическая технология текстильных материалов» и «Химизация технологических процессов швейной промышленности»;
- технические решения устройств, для получения, нанесения, обработки и полихроматического крашения текстильных материалов в пене, которые признаны изобретениями - при разработке технических требований и проектировании перспективных аппаратов текстильного производства, а также при разработке производственных технологических процессов;
- разработана и изготовлена опытная установка, предназначенная для получения и нанесения пен в процессах шлихтования нитей основы, полихроматического крашения и заключительной отделки текстильных и трикотажных полотен, а также ковровых покрытий.
Новизна технологических и технических решений, разработанных в диссертационной работе, защищена 14 авторскими свидетельствами на изобретения.
Диссертационная работа включает в себя введение, восемь глав, заключение, список использованной литературы и приложения.
В первой главе диссертационной работы приведены обзор и анализ современного состояния техники и технологии в области применения пен в технологических процессах текстильного и отделочного производств; проблемы теории и практики получения высокодисперсных пен и взаимодействия их с текстильными материалами; основные направления в совершенствовании пеногенерирующего и пенонаносящего оборудования.
Проанализированы научные подходы отечественных и зарубежных ученых к теоретическим и практическим исследованиям процессов полу чения и нанесения пены на текстильные материалы ( работы Де Фриза, И. Бикермана, В.К. Тихомирова, Б.В. Дерягина, П.А.Ребиндера, Ф. Бергмана, Ж.Клиффорда, И. Эдварда, A.M. Киселева и др.). Показано, что без системного подхода к изучению способов получения и свойств высокодисперсных пен в приложении к процессам взаимодействия их с волокнистыми материалами с учетом свойств последних, разработка высокоэффективных технологических процессов маловероятна.
Сформулирована цель диссертационной работы, направленная на решение важной научно-технической проблемы - повышения конкурентноспособности отечественной текстильной продукции и поставлены задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.
Во второй главе дана характеристика объектов исследования и приведены методы исследований.
В третьей главе изложены теоретические и экспериментальные исследования процессов пенообразования при интенсивном механическом перемешивании газожидкостной смеси и условий последующего ее диспергирования.
Приведены результаты экспериментальных исследований по выявлению зависимостей, характеризующих степень влияния геометрических параметров перемешивающих устройств, времени перемешивания и вязкости перемешиваемой среды на процесс пенообразования.
Исследован процесс диспергирования низкократных пен с целью выявления влияния структурно-механических свойств пенообразующих растворов на однородность получаемой пены. Показано, что чем выше эластичность пенообразующей жидкости и более ярко выражены неньютоновские свойства, тем больше полидисперсность образуемой пены.
С учетом обобщенных результатов исследований получены математические выражения для анализа и расчета плотности, дисперсности и поверхностно-объемных свойств пен, образуемых при интенсивном механическом перемешивании пенообразующей жидкости.
В четвертой главе сделан анализ процесса пенообразования при барботаже газа в жидкость со свободной поверхностью и приведены экспериментальные исследования по выявлению зависимости кратности получаемой пены от свойств пенообразующей жидкости. Показано, что основными факторами, оказывающими влияние на кратность получаемой при барботаже газа в жидкость пены, являются: диаметр пузырьков газа, вязкость пенообразующей жидкости, ее плотность и поверхностное натяжение на границе раздела двух фаз.
Определены условия, при которых насадочные колонны, заполненные мелкоразмерными, регулярными элементами, могут быть использованы в качестве пеногенерирующих устройств. Установлено, что скорость движения жидкости в насадочной колонне необходимо устанавливать в зависимости от скорости подъема пузырьков газа, которую рассчитывают для конкретной пенообразующей жидкости, учитывая при этом размер пор газораспределительного устройства.
Приведены закономерности, характеризующие перемещение пены по трубопроводам.
Получены математические выражения для анализа и расчета кратности пены образующейся при барботаже газа в жидкость со свободной поверхностью и пропускании газожидкостной смеси через насадочную колонну.
В пятой главе исследованы реологические свойства и гидродинамическая устойчивость высокодисперсных низкократных пен. Показано, что увеличение вязкости пен, по сравнению с вязкостью пенообразующих жидкостей, зависит, в первую очередь, от их плотности и дисперсности. Кроме того, установлено, что изменение вязкости пен, в широком диапазоне градиентов скоростей сдвига, пропорционально изменению структурной составляющей вязкости жидкости. Получено расчетное уравнение для определения вязкости высокодисперсных низкократных пен в диапа зоне градиентов скоростей сдвига D = 3 — 729с в зависимости от плотности пены, вязкости пенообразующей жидкости и модуля упругости пены.
Исследованы закономерности, характеризующие процессы истечения жидкости из пены и изменения ее поверхностно-объемных свойств. Предложено теоретически обоснованное уравнение для расчета скорости истечения жидкости из пены. Показаны методы регулирования гидродинамической устойчивости высокодисперсных пен.
В шестой главе рассмотрены возможные направления разработки оборудования для отделки текстильных материалов в пене. Показано, что при разработке конструкции устройства для нанесения пены на текстильный материал, необходимо учитывать особенности материала, способ нанесения пены и последующее ее разрушение.
Приведены требования и выявлены основные закономерности, которые необходимо учитывать при разработке барботажных насадочных пе-ногенераторов. Теоретически обоснованы подходы к разработке насадочных пеногенераторов с предварительным барботажем газа в пенообра-зующую жидкость. Предложена методика расчета барботажных насадочных пеногенераторов.
Рассмотрены технические решения устройств, для нанесения, обработки и полихроматического крашения волокнистых материалов в пене, которые признаны изобретениями. Приведены описания опытных насадочных пеногенераторов с предварительным барботажем газа, отличающихся конструктивными решениями газораспределительных устройств, габаритными размерами и производительностью.
Рассмотрены принципиальная схема, общий вид, пеногенератор - наносящее устройство и отдельные узлы опытной установки для нанесения пен в процессах шлихтования нитей основы, полихроматического краше ния и заключительной отделки текстильных и трикотажных полотен, а также ковровых покрытий.
В седьмой главе приведен анализ факторов, влияющих на капиллярные свойства текстильных материалов. Показана зависимость между пористой структурой и капиллярными свойствами волокнистых материалов. Экспериментально показано, что использование пены для нанесения обрабатывающей жидкости на текстильный материал требует тщательного учета и соотнесения структурно-механических свойств материала с кратностью и дисперсностью пены. Предложено уравнение для расчета кратности пены, наносимой на текстильный материал с известными структурно-механическими свойствами.
Исследован механизм распределения жидкости, выделившейся из пены, в структуре текстильного материала. Показано, что при ограниченном нанесении жидкости достигается только пендулярное и фуникулярное распределение ее в структуре материала, что не обеспечивает равномерность распределения обрабатывающих растворов.
На основании анализа особенностей взаимодействия пен с текстильными материалами, определен перечень технологических процессов текстильного и отделочного производств, которые могут осуществляться с применением пен. Решение об использовании пен в том или ином технологическом процессе требует проведения дополнительных исследований, позволяющих определить практическую целесообразность такого использования, выявить характерные закономерности и установить оптимальные параметры.
В восьмой главе рассмотрены результаты исследований, проведенных с целью перевода ряда процессов на пенную технологию.
Приведены теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные технологические решения процессов пенной карбонизации шерстяных волокон, эмульсирования с помощью пены гребенной ленты, пе-ношлихтования нитей основы, совмещенного процесса пеношлихтования и полихроматического крашения нитей основы, крашения трикотажных полотен в пенной среде и печатания текстильных материалов пигментами с помощью пенных печатных красок.
Показано, что применение пены в качестве технологической среды оказывает существенное влияние как на технологические параметры про цесса, так и на его экономические показатели.
Для процесса карбонизации это выражается в том, что наносимая с помощью пены жидкость, накапливается, в основном, в капиллярных зонах, к которым можно отнести опутанные волокнами примеси. Избыток раствора серной кислоты на растительных примесях обеспечивает их гидролитическое разрушение, а относительно малое ее количество в структуре волокна снижает вероятность разрыва солевых связей полипептидных цепей. Пеноэмульсирование в процессах приготовления гребенной шерстя ной пряжи обеспечивает улучшение всех основных показателей и, в первую очередь, неровноту пряжи по линейной плотности и обрывность при выработке ровницы и пряжи.
Обосновано применение пен для шлихтования нитей основы в ткацком производстве. Показано, что применение пены для шлихтования ткацких основ имеет то преимущество, что позволяет наносить на поверхность нитей регулируемое количество пленкообразующего вещества. При поверхностном нанесении выполняются два основных требования шлихтования: закрепление выступающих кончиков волокон с созданием гладкой поверхности; сохранение упруго-эластических свойств пряжи, за счет снижения проникновения клеящего раствора в ее толщу. Рассмотрена возможность применения пены в совмещенном процессе шлихтования и полихроматического крашения нитей основы.
С целью использования активных красителей для полихроматического крашения текстильных материалов, исследованы процессы нанесения вспененных красильных растворов на трикотажные полотна различного волокнистого состава и способы фиксации красителей в волокне.
Показано, что для получения окрасок средней интенсивности при кратности пены 4-6, толщина слоя наносимой пены для полотен из гидрофильных волокон с высокой сорбционной способностью должна быть не более 3 мм, а для полотен из гидрофобных волокон не более 1,5 мм.
Приведены результаты исследований по применению высокодисперсных пен в печатании текстильных материалов. Показана связь между эффективной вязкостью печатных красок на основе высокодисперсных пен и резкостью печати. Предложен механизм распределения печатной краски в межволоконных пространствах текстильного материала после нанесения краски на ткань. Установлены ограничения по применению высокодисперсных пен для печатания текстильных материалов.
В данной диссертационной работе автор защищает:
- комплексный подход к изучению и разработке процессов пенной технологии, увязывающий между собой научные, технологические и техниг ческие решения;
- выявленные закономерности, характеризующие образование и свойства пены, полученной при различных способах диспергирования газа в жидкости;
- основы теории течения высокодисперсных пен низкой кратности в поле сдвиговых напряжений;
- выявленные закономерности, характеризующие обезвоживание высокодисперсных пен;
- теоретически обоснованные и защищенные авторскими свидетельствами технические решения устройств, для получения и нанесения пены в процессах обработки текстильных материалов;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса взаимодействия пены с текстильными материалами;
- технологические решения процессов: пенной карбонизации шерстяных волокон; эмульсирования с помощью пены гребенной ленты в прядиль ном производстве; пеношлихтования нитей основы в ткацком производстве; совмещенного процесса пеношлихтования и полихроматического крашения нитей основы; крашения в пенной среде трикотажных полотен активными красителями и печатания текстильных материалов пигментами с применением пенных печатных красок.
Основные результаты работы внедрены на Мулловской суконной фабрике - ЗАО «Матэко», на суконной фабрике им. В.И. Ленина, на ООО научно-производственная фирма «Ткач», на 000 «Димитровград-текстиль», на 000 «Технология», на 000 «Комплектация», в учебный процесс Димитровградского института технологии, управления и дизайна УлГТУ.
Публикации. Результаты исследований, отражающих основное содержание диссертационной работы, опубликованы в 40 печатных работах, в том числе: в 1 монографии, в 14 статьях, в 11 сообщениях в сборниках тезисов докладов научно-технических конференций и в описаниях к 14 изобретениям.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и получили положительную оценку на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДФУлПИ (г.Ульяновск, 1988...90г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Новое в технике и технологии текстильного производства» (Прогресс-90) (г.Иваново, 1990г.), на международных научно-технических конференциях « Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (г.Иваново, 1998, 2002 г. ), на Всероссийской научно-технической конференции «Сила технологий» (г.Димитровград 2003г), на Всероссийской научно-технической конференции « Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль - 2003) (г.Москва 2003г), на расширенном заседании кафедры «Технология швейного производства» Димитровградского института технологии, управления и дизайна УлГТУ (г.Димитровград 2004г.), на заседании кафедры ХТиДТ СПГУТД (г. Санкт-Петербург 2004г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из краткой характеристики работы (введения), восьми глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 153 наименования и приложений.
Текст диссертации изложен на 489 страницах, включая 122 рисунка, 21 таблицу и приложения.
Личное участие автора в получении изложенных в диссертации результатов. Формулирование цели, выбор направлений и методов исследований, обсуждение и обобщение полученных результатов, научные положения, выявленные закономерности и выводы диссертации принадлежат лично автору,
Проведение экспериментальных исследований, разработка оборудования и создание пенных технологических процессов обработки текстильных материалов, выполнены автором лично или под его непосредственным руководством.
Автор выражает благодарность сотрудникам ДИТУД УлГТУ, членам кафедры ХТиДТ СпГУТД и лично A.M. Киселеву, а также руководителям текстильных предприятий Ульяновской области и г. Краснодара В.Р. Гемранову, А.И. Шишкову за оказанную помощь в проведении лабораторных и производственных исследованиях.
Также автор выражает благодарность д.т.н. Панину И.Н., к.т.н Павут-ницкой СВ., к.т.н. Солнцеву Ю.Н., к.т.н. Галиуллиной И.И. и Павутницкому В.В.(мл.) за научное сотрудничество и техническую помощь при подготовке рукописи диссертации.
Особую благодарность автор выражает члену-корреспонденту Академии наук авиации и воздухоплавания Ю.В. Павутницкому за критические замечания и ценные рекомендации при подготовке рукописи диссертации.
Пенообразующая способность
Из уравнения (1.2) следует, что чем больше поверхностное натяжение и поверхность пленок, тем менее устойчива пена. Таким образом, для проявления пенообразования раствор должен содержать, по меньшей мере, один компонент, обладающий поверхностно-активными свойствами.
Выяснению влияния строения молекул различных ПАВ на пенообра-зующую способность растворов посвящено значительное число работ [например, 9-19]. Выводы, которые можно сделать по результатам этих исследований, заключаются в следующем.
Пенообразующая способность ПАВ зависит как от их класса, так и от строения и длины углеводородной части молекулы. Установлено, что анионактивные ПАВ обладают большей пенообразующей способностью по сравнению с неионогенными. Это может быть связано со скоростью образования адсорбционного слоя, которая в случае анионактивных ПАВ больше.
Для большинства ПАВ, входящих в различные классы, зависимость пенообразующей способности от длины углеводородной цепи носит явно выраженный экстремальный характер, с максимумом пенообразования при Сю-Сі5. Возрастание пенообразующей способности с увеличением длины цепи у углеводородного радикала обусловлено поверхностной активностью, которая в свою очередь увеличивается с удлинением алкиль-ной цепи вследствие роста сил притяжения между гидрофобными частями молекул. Однако удлинение цепи свыше 14 атомов углерода вызывает преобладающее агрегирование молекул внутри раствора, препятствуя выходу их на поверхность раздела, что способствует увеличению поверхностного натяжения и уменьшению пенообразующей способности.
Наличие разветвления в углеводородной цепи, до определенных пределов, повышает пенообразующую способность. Проведенные Петровым [14] исследования показали, что наилучшую пенообразующую способность имеют растворы алкилбензосульфонатов Сц-Сі2 при умеренной разветвленности цепи. Кроме того, алкилбензосульфонаты не изменяют пенообразующую способность в кислой, нейтральной и щелочной средах и только при значениях рН 12 вспениваемость падает. Это свойство ПАВ является одним из определяющих факторов, при рассмотрении вопроса об использовании пен в качестве технологических сред.
В области температур, характерных для технологических процессов отделочного производства, с повышением температуры пенообразующая способность ПАВ обычно увеличивается, достигая определенного максимального значения. При дальнейшем повышении температуры вспениваемость растворов, как правило, снижается. Всеобъемлющее объяснение данной зависимости затруднено из-за большого количества факторов, оказывающих влияние на пенообразование в условиях различных темпе 32 ратур. Принято считать, что увеличение объема пены с ростом температуры от 20 до 70С связано с повышением давления внутри пузырьков, увеличением растворимости ПАВ, процессом мицеллообразования, уменьшением поверхностного натяжения и снижением вязкости раствора. Падение же пенообразующей способности при высоких температурах обусловлено уменьшением прочности пленок пены [7].
Важнейшей зависимостью, характеризующей процесс пенообразова-ния, является зависимость пенообразующей способности от концентрации ПАВ в растворе.
Известно, что при растворении в воде, ПАВ не только агрегируют в объеме раствора, но и самопроизвольно концентрируются с выделением тепла в поверхностном слое, что приводит к частичной или полной замене молекул воды на границе раствора с воздухом адсорбированными ди-фильными молекулами. Вследствие быстрого и обратимого обмена молекулами между поверхностью и объемом с замещением на поверхности молекул растворителя на менее полярные молекулы ПАВ происходит понижение поверхностного натяжения.
Анализ изотерм поверхностного натяжения позволяет выделить три участка, характеризующих зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ. С ростом концентрации в самом начале происходит постепенное снижение поверхностного натяжения, затем оно резко падает, а в конце значение 7 практически не изменяется.
Первый участок объясняется адсорбцией молекул ПАВ в поверхностном слое с достижением предельной адсорбции, когда их концентрация в поверхностном слое может на несколько порядков превышать концентрацию в объеме. При этом поверхностное натяжение воды снижается с 72,7 до 30 мН/м.
Текстильно-вспомогательные вещества и красители
1). Приготовление водных растворов альгината натрия. Водные растворы альгината натрия необходимой концентрации (% весовые) готовили путем растворения последнего в дистиллированной воде при температуре 50С при постоянном перемешивании. Перемешивание продолжали до образования однородной массы.
2). Приготовление водных растворов полиакриламида. Для приготовления водных растворов полиакриламида последний замачивали в воде и выдерживали в течение 48 часов, в результате чего полимер набухал и частично переходил в раствор. Последующее растворение осуществляли аналогично растворению альгината натрия.
3). Приготовление водных растворов карбоксиметилцеллюлозы. Водные растворы карбоксиметилцеллюлозы готовили аналогично водным растворам полиакриламида.
4). Приготовление водных гелей моноэтаноламида. Для приготовления водных гелей моноэтаноламида в нагретую до 60С дистиллированную воду вводят расчетное количество моноэтаноламида и при постоянном перемешивании добиваются полного плавления моноэтаноламида и равномерного распределения его в дисперсионной среде.
Водный гель моноэтаноламида получают постепенным охлаждением дисперсной системы (при постоянном перемешивании) до температуры 20С. Для более полного структурообразования гель выдерживается в покое в течение 3 часов.
5). Приготовление гелей моноэтаноламида на основе водных растворов загустителей. Получение гелей моноэтаноламида на основе водных растворов загустителей проводили аналогично приготовлению водных гелей моноэтаноламида.
6). Приготовление пенообразующих композиций на основе коллоидных растворов моноэтаноламида и высокомолекулярных загустителей. Пенообразующую композицию готовили путем добавления к коллоидным системам моноэтаноламид - загуститель пенообразователя и необходимых компонентов при тщательном перемешивании. Приготовление смеси осуществляли при температуре 20С.
Пену получали с помощью цилиндрического аппарата с эллиптическим дном, снабженного четырехлопастной турбинной мешалкой с прямыми лопатками.
Для получения пены, 200 г пенообразующей жидкости, взвешенной с точностью до 0,1 г, помещали в цилиндр мешалки. Мешалку устанавливали на половину высоты жидкости и последнюю перемешивали до получения пены с постоянной плотностью. В общем случае время перемешивания не превышало 5 минут. Для получения более точных результатов цилиндр термостатировали при температуре 20С.
Об устойчивости пены к синерезису судили по количеству жидкости, собирающейся за определенный промежуток времени, ниже границы раздела фаз - пена-жидкость.
Для этого 50 мл свежеприготовленной пены вносили в градуированный с точностью до 0,2 мл цилиндр, с притертой пробкой. Цилиндр тер-мостатировали при температуре 20С.
Относительное количество жидкости, вытекшей из пены за определенный промежуток времени, характеризовали следующим отношением: # = -S (2.3) "о где VT - количество жидкости, вытекшей из пены к моменту Т, мл; V - общее количество жидкости в пене, мл. Для получения более точных результатов, величину К находили по данным 5 параллельных измерений. . Дисперсионный анализ высокодисперсных пен Для определения дисперсности пены и анализа процесса диффузионного укрупнения пузырьков воздуха был использован дисперсионный анализ.
Распределение пузырьков воздуха по диаметрам определяли по дан-данным микрофотографий высокодисперсной пены при увеличении в 79,2 раза. Пену фотографировали с помощью микроскопа МБИ-3 и микрофото-насадки МФН-11 при увеличении 26,4 раза. Подсчет пузырьков воздуха по размерам проводили по фотографиям, имеющим увеличение в 3 раза по сравнению с негативом. Для получения более точных результатов, замеры и подсчет пузырьков воздуха проводили по 10-12 фотографиям. При этом, количество подсчитанных пузырьков воздуха находилось в пределах 2000 единиц.
Экспериментальные исследования процесса пенообразования при использовании скоростных мешалок
Для выявления характера и степени влияния вязкости пенообразующей жидкости, условий перемешивания и геометрических параметров мешалки на плотность получаемой пены автором были проведены экспериментальные исследования процесса пенообразования при использовании перемешивающих устройств. Исследования проводили с помощью цилиндрического аппарата с эллиптическим дном, снабженного четырех-лопастной турбинной мешалкой с прямыми лопатками. Размеры аппарата с мешалкой составляли: dg = 100мм; б/м=50н-80мм; h/d6 =0,54-1,5, где h— глубина погружения мешалки в барабан. В качестве пенообразующих жидкостей использовались водные растворы карбоксиметилцеллюлозы, полиакриламида и альгината натрия, характеризующиеся псевдопластич-ным течением с вязкостью при )=1312 с" равной 10 0,2 Па-с, а при D=\,5o. x - 1 -г 6 Па-с. Поверхностное натяжение изменяли в интервале (7= 0,035 +0,05 Н/м. Число оборотов мешалки регулировалось в интервале П= 204-І00 об/с.
Анализ полученных результатов показал, что вязкость пенообра-зующей жидкости оказывает существенное влияние на плотность образуемой пены (рис.3.1). С увеличением вязкости раствора, плотность заметно увеличивается, что свидетельствует об уменьшении количества воздуха, захватываемого с поверхности жидкости и вводимого в перемешиваемый объем. Для объяснения данной зависимости рассмотрим перемешивание жидкости турбинными мешалками.
В турбинных мешалках с прямыми лопатками создается поток жидкости, имеющий радиальную и тангенциальную составляющие. На стенке аппарата этот поток притормаживается, меняет свое направление на осевое, поднимается вверх до свободной поверхности и отсюда опускается вниз к ротору мешалки, образуя воронку определенной глубины. Глубина воронки и степень турбулентности потока в зоне ротора определяют интенсивность подвода воздуха с поверхности в перемешиваемый объем. С увеличением вязкости раствора, скорость движения жидкости по оси ротора замедляется, уменьшая, тем самым, глубину воронки и сокращая количество захватываемого воздуха. Это хорошо согласуется с приведенными выше рассуждениями и не противоречит основным положениям гидродинамики перемешивания.
Здесь следует заметить, что при анализе ценообразования из неньютоновских жидкостей, характеризующихся наличием пространственных структур, было бы ошибочно считать,что знание вязкости при малых значениях скорости сдвига позволит судить о ее влиянии на процесс образования пены. С увеличением скорости сдвига, вязкость в подобных системах обычно сильно уменьшается, причем степень изменения для разных систем различна и зависит от прочности структур. Это можно пояснить используя экспериментальные данные пенообразования водных гелей моноэтаноламида синтетических жирных кислот и растворов полиакри-ламида. Хотя образуемые моноэтаноламидом гели обладают при низких скоростях сдвига относительно высокими значениями структурной вязкости, при повышении скорости сдвига вязкость уменьшается в большей степени, чем это характерно для растворов полиакриламида (табл. 3.1).
Для выявления зависимостей, характеризующих степень влияния геометрических параметров перемешивающих устройств и времени перемешивания на процесс пенообразования, требуется проведение значительного количества экспериментальных исследований. Последующая обработка экспериментальных данных, предполагает представление их в наиболее удобной для анализа и практического использования форме.
Поэтому, для обработки экспериментальных данных и вывода обобщенной формулы, позволяющей анализировать и рассчитывать плотность получаемой пены при использовании скоростных мешалок (турбинных, пропеллерных) без дополнительного барботажа воздуха, был использован метод анализа размерностей.
Анализ многочисленных экспериментальных данных показал, что плотность получаемой при перемешивании пены зависит от следующих переменных: где СО - средняя скорость движения жидкости вблизи лопастей мешалки, м/с; В общем виде, функциональную зависимость плотности получаемой пены от указанных выше параметров можно записать в следующем виде: рп= р(а),іїм,рж,рж,о;т,іїб) (3.7) или в степенном виде: рп=с-о) -ам-/лж-рж-(т -т -d6 (3.8)
Пользуясь анализом размерностей, можно заменить эту функциональную зависимость зависимостью между критериями подобия. Вследствие того, что число переменных в данной функциональной зависимости равно 8, согласно тт-теореме, число безразмерных комплексов, описывающих процесс, должно быть равно 5.
Экспериментальные исследования реологических свойств высокодисперсных низкократных пен
То есть, весь газ, взаимодействующий с жидкостью, должен переходить в пену. При барботаже газа в жидкость со свободной поверхностью это условие соблюдается (в пузырьковом режиме) за счет совместного перемещения жидкой и газовой фаз в виде пузырьков как элементов пены.
С увеличением расхода газа выше критического значения наступает струйный режим движения, при котором образуются пузырьки большого диаметра неустойчивой формы и, как правило, разрушающиеся на поверхности жидкости.
Таким образом, объем однородной пены, получаемой с единицы бар-ботажной поверхности, зависит только от расхода газа, величина которо 143 го, в свою очередь, зависит от диаметра и скорости всплывающих пузырьков. Однако из выражения (4.4) также следует, что для увеличения объема образуемой при барботаже пены, последний необходимо проводить в движущуюся с определенной скоростью жидкость.
В качестве устройств, позволяющих регулировать движение жидкой и газовой фаз в двухфазном потоке, обычно используют насадочные колонны.
Рассмотрим закономерности, характеризующие гидродинамику этого движения с привлечением обобщений, сделанных Раммом [88] для наса-дочных абсорберов.
При двухфазном потоке воздействие газа на течение пленки жидкости проявляется в том,_ что у свободной поверхности, где скорости газа и жидкости одинаковы, в обеих фазах возникают касательные напряжения, равные по величине, но противоположные по знаку.
При движении снизу вверх (противоток) газ тормозит стекание пленки. Это приводит к увеличению толщины пленки и уменьшению средней скорости ее течения, причем гидравлическое сопротивление насадочной колонны возрастает.
При движении сверху вниз (нисходящий прямоток) газ увлекает пленку жидкости, что увеличивает ее среднюю скорость и уменьшает толщину пленки. При одинаковых скоростях газа гидравлическое сопротивление ниже, чем в случае движения газа снизу вверх.
Распределение скоростей в газовом и жидкостном потоках для описанных режимов показано на рис.4.4.
При противотоке газа и жидкости, в зависимости от скоростей потоков, наблюдается четыре различных гидродинамических режима. Эти режимы хорошо видны из графика (рис.4.5), выражающего зависимость гидродинамического сопротивления орошаемой насадки Р от фиктивной скорости газа в колонне. Первый режим - пленочный (отрезок АіВі(рис.4.5)) наблюдается при небольших нагрузках по газу и жидкости. Количество задерживаемой в насадке жидкости при этом режиме практически не зависит от скорости газа, пленочный режим заканчивается в первой переходной точке (точка Ві(рис.4.5)), называемой точкой подви-сания.
Второй режим - режим подвисания, характеризуется торможением жидкости потоком газа, скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой жидкости увеличивается. Возрастание количества удерживаемой жидкости с повышением скорости газа ведет к уменьшению свободного объема насадки и быстрому увеличению скорости сопротивления. Этот режим характеризуется отрезком BjCi (рис.4.5).
Третий режим - режим эмульсирования или барботажный, возникает в результате накопления жидкости в свободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу, действующую на жидкость, находящуюся в насадке. При этом наступает обращение или инверсия фаз, когда газ перестает быть сплошной фазой и движется путем барботажа через слой заполнившей насадку жидкости. Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульсирования может быть установлен по всей высоте насадки. Гидравлическое сопротивления при этом резко возрастает (отрезок CjDi (рис.4.5)).
Четвертый режим - режим уноса или обращенного движения жидкости. В данном случае происходит вторичная инверсия фаз: газ снова становится сплошной фазой и жидкость выносится из аппарата вместе с газом, в основном, в виде брызг. Данному режиму соответствует отрезок DiEj (рис.4.5).
При прямотоке, между газом и жидкостью силы трения между фазами и сила тяжести действуют в одном направлении и характер взаимодействия потоков меняется. При малых скоростях газа взаимодействие потоков незначительно и кривые в координатах Р-0 для прямотока и противотока совпадают. При более высоких нагрузках по газу количество удерживаемой жидкости при прямотоке уменьшается с повышением скорости газа, причем гидравлическое сопротивление растет медленно и точка подвиса-ния, не говоря уже о режиме эмульсирования, не достигается. При достаточно большой скорости газа жидкость срывается с поверхности и уносится с газом в виде брызг.
Таким образом, при использовании насадочных колонн в качестве пеногенерирующих устройств необходимо создавать условия для возникновения барботажного гидродинамического режима.
