Введение к работе
Объектом нсследовакї'л данной работы являются, пределе всего, композиционные полимерные материалы (ІСПМ) на основе целлюлозы н ее производных на различных стадиях их переработки а изделия. Опя зызывают значительный интерес з современной химической технологии и спязлиы с диффузией различных растворителей в перерабатываемых дисперсных средах, т.к. процесс получения композиций чаще всего осуществляют путем введения составляющих через обіцяй растворитель с последующим его удалением. Особое место отведено целлюлозе в производстве изделий оборонного назначения, где возможности ее использоолния в достшкекии определенных специфических свойств данного вида продукции далеко не исчерпаны и являются предметом пристального внимания и изучения.
Современный уровень развитая техники характеризуется применением систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих сформировать, сравнить и оценить большое количество вариантов проектных решений. При этом в САПР технологических процессе:"., связанных с диффузией тепла и массы вещества, шпроте используют математические модели тепло- и «зссоперсноса (ТМП) з виде краевых задач, параметрами которых являэтгея тсплофизические {тепло- и температуропроводность, теплоемкость перерабатываемой дисперсной среды) и диффузионные (коэффициенты диффузии к термодиффузии распределенных в Діїсперской среде веществ) характеристики (ТФХ и ДХ), объединенные под общим названием характеристики ТМП.
Интенснвкып поиск различных химических добавок, а также вариации с изменением состава а строкгай молекул полимероа с целью получения требуемых свойств, обусловливают пожленке новых материалов рассматриваемого класса со значительно отличающимися характеристиками тепло- и массопереноса.
Несмотря на очевидный прогресс в области исследования, диффузионных характеристик, большинство экспериментальных дгнных по коэффициентам диффузия растворителей в полимерах получены на основе измерений усредненных по толщине образцов значения концентрации, что приводит к сущестченным количественным я качгствениим ксхзжешші результатов. Методы и технические средства, позволяющие определять лекальные значения диффузионных характеристик, разработаны прігасіпітельпо к иселедешгнгсо ке реальных изделий, а их химических аналогов - как правило, плёнок, сорбциокные и диффузионные свойства которых далеки не только от аналогичных для перерабатываемых з условиях производства материалов, но и существенно отличаются друг от друга при использовании различных способов получения'исследуемых образцов, особенностей приготовления проб к исследованию, от тешляпы получаемых пленок и пр.
Для обеспечения возможности использования опытных данных по характери-стнкам ТМП при проектировании оборудования и интенсификации технологических процессов необходимо получать их в условиях, близких к производственным, т.е. при испытании свойств реальных изделий.
При переработке материалоз на основе целлюлозы н ее производных может наблюдаться как "нормальный" (фиковеккй), так л аномальный характер диффузии растворителей. В частности, на стадиях удаления активных растворителей, как правило, наблюдается аномальная диффузия, и решение задач интенсификации данных стадий технологического процесса из-за отсутствия надежного математического описания существенно усложняется. Однако, именно на этих стадиях происходит формирование структуры перерабатываемого полимерного материала, что отражается на величине коэффициентов диффузии растворителей. Поэтому исследование эффективных коэффициентов диффузии при аномальном характере массопереноса представляет несомненный интерес.
Недостаточная точность и информативность применяемых методов определения характеристик ТМП объясняются, правде всего, отсутствием средств контроля одного из основных параметров состояния перерабатываемых материалов -локального значения потенциала игесоперсноеа, что до сих пор является причиной использования процедур подбора оптимальных режимов производства и переработки создаваемых материалоз опытным путем.
Цель работы состоит в решении проблемы контроля локальных значений характеристик тепло- и массопсреііоса композиционных материалов на основе целлюлозы и ее производных для псвьшеїшя эффективности диффузионных процессов на различішх стадиях их проазводстьа и переработки.
Задачи работы. Для достш:;гшя указанной цели были поставлены и решены следующие задачи: I) разработаны принцип в методы контроля локальных значении потенциалов ыассопереноса в рассматриваемых композиционных полимерных материалах в условиях "нормальной" и аномальной диффузии растворителей; 2) разработаны теоретические основы' ковых нестационарных аналитических истодов контроля потенциалозагкекмых характеристик ТМП дисперсных материалов для случаев "нормальной" диффузии растворителей; 3) разработана нестационарные методы определения зффеэтганых коэффициентов диффузии растворителей в дисперсных средах для случаев аномального массопереноса в условкях реально протекающих технологических процессов производства изделий га КПМ;
-
выполнен анализ вошохошх источникоз погрешностей и проведена оптимизация конструктивных параметров измерительных устройств по критерию точности;
-
разработаны автоматширозанные системы контроля (АСК) и конструкции измерительных устройств для определения характеристик ТМП анализируемых ма-
териалсв на стадиях техиологичео.-ого процесса, сопровождающихся "нормальной" и аномальной диффузией рг,стаср!гтелей; 6) создано техническое, алгоритмическое, программное и метрологическое обеспечение разработанных АСК; 7) разработагтые методы и устройства пргшгиеиы для исследования характеристик ТМП КПМ кз основе целлюлозы и ее производных на различных стадиях производства и реализации решений по пазышеинга эффективности технологических процессов переработки их в гадеяяа, а тасїе для решения аналогичных гздач з смежных отраслях промышленности и сельском хозяйстве.
Научная новизна. Предложен пркгаип локального контроля энергии связи растворителей с твердой фазой при их иесгацкокгрнон диффузии в анализируемых дисперсных средах tea сеном измерений гальзаннческсП ЭДС электродных систем. Разработана методы измерения локальних значений концентрации полярных растворителей з дисперсних средах в условиях "нормальной" диффузии распределяемого в твердо.! фазе вещества и локальных значення потенциала мае-ссперенсса а условиях ансмалчиой диффузии раетворэтелей з полимерных системах, реализующие предлэгсегшыЯ принцип электрохимического контроля. Определены и обоснованы показатели локальности разработанных устройств, физико-ххштеские осногы шгфсрмгтнЕИссти гальванических преобразователей (ГП) и диапазоны работоспособности.
Рззрзботаїпд теоргліческне сгнош іігетадаокарішх методов измерения по-тспшшоззгисимых хзргэтер::стаа ТМП ргзлячких систем дисперсная среда -растворитель а услогапх "кориалкюй" нестацлошркой диффузии распределенных веществ.
Разработан*; методы, алгоритмы и программы оптимизации конструкторских решешаї пря прогктнровзшгп {верительных устроПстз, реализующих методы определения характеристик ТМП, по критерию точности. Определены оптимальные конструктивные пзргметры языернтелышх устройств для различных групп материалов на основе целлюлозы н ее производных и воздействия на исследуемые образцы с целью обеспечения требуемой информативности контроля.
Разработаны методы определения лекальных значений эффективного коэффициента аномальной диффузии акпгаяого растворителя п анализируемых материалах в условиях нх промышленной переработки.
Разрзбопцш. hocus способы п копстр^тешш измерительных устройств для оп-редедення харзктернегкк ТМП дисперсных материалов, защищенные авторскими сзядетельстЕзия на И30брЄТЄ!їИЯ.
Полупиш новые гкспергментальнув дзиике по характеристикам ТМП ряда мотеризлез, в том числе композятоз па основе целлюлозы и е5 производных на рззлїпшмх стадиях нх переработки. Полу іш количественные показатели алия-
пня на формирование структуры анализируемых КПМ условий протекания процессов удаления активных растворителей в виде данных по изменению эффективного коэффициента аномальной диффузии.
Практическая ценность работ». Предложенный принцип контроля локальных значений потенциалов массопереноса иа основе электрохимических измерений явился единой метрологичесхей платформой для реализации методов комплексного исследования процессов диффузии растворїггелей на различных стадиях процесса, производства композиционных материалов, связанных как с "нормальним", так и аномальным характером диффузии, а также для построения первичных измерительных преобразователей замкнутых систем управления диффузионными процессами.,
Разработашше теоретические основы измерения харахтсристик ТМП реализованы в ввде. новых методов, Евтоматизнроваиюй системы контроля и трех типов конструкцій! .измерительных устройств, предназначенных для определения ТФХ и ДХ различных групп класса анализируемых дисперсных сред: твердых волокнистых материалов с возможностью исследования свойств вдоль и поперек волокон, а также сыпучих материалов с различными типами распределенных в них растворетелей.
Разработаны методы, копгтрукцззя измерительного устройства и автоматизированная система контроля, предназначенные дия .определения эффективного коэффициента диффузии активного раетз зрителя ь КПМ на стадиях формирования их структуры, осложненных явлениями аномального массопереноса, в условиях промышленного производства пзделнй из Еналнзнруемых композитов.
Созданы необходимые аясметы математического, алгоритмического, программного, метрологического и технического обеспечения АСК, ориентированных на использозазше разработанных методов н язмеріггельїшх устройств.
Получены оценки систематических и случайных погрешностей измерения ТФХ и ДХ с применением разработанных методов и устройств, разработаны методики постановки и проведения испытаний, позволяющие уменьшить значения суммарных погрешностей измерения.
Разработанные методы и измерительные устройства применены для измере
ния характеристик ТМП ряда дисперсных материалов, в том числе КПМ иа основе
целлюлозы и ее производных на различных стадиях их промышленной переработ
ки. _
На основе экспериыенталыю определяемых ТФХ и ДХ создаваемых и перерабатываемых в изделия композиционных материалов разработаны методы, алгоритмы и программы решения задач по повышению эффективности производственных процессор реалшовашые при интенсификации диффузионных процессов
производства и переработки КПМ на основе целлюлозного сырья, а также ряда других .материалов.
Разработаны и изготовлены оригинальные ПИП, реализующие предложенный принцип локального электрохимического контроля энергии связи растворителя с дисперсной средой, на базе которых синтезированы, созданы и внедрены системы контроля и управления тепло-влажиостньшм процесами г. ряд» современных производств.
Реализация научно-технических результатов. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ автора при его непосредственном участии внедрены в производство и переданы для использования на следующих предприятиях : филиал ВНАМ (г. Обнинск, 1973 г.); НПО "Технология" (г. Обнинск, 1979 г.); КазНИИХП (г. Казань. 1930,1931,1984,19SS, I9S6 гг.); п/я B-22S1 (1985-
-
гг.); Котозская макаронная фабрика (Taw бос с гая обл., 1987, 1988 гг.); ВНИИС (г. Мичуринск, 1937, 1983 гг.); Березсаскат ПТФ (Тамбовская обл., 1938 г.); КраснокустоЕСкая ПТФ (Тамбовская обл., 1933 г.); ЗПХ "Мир" (г. Симферополь, УССР, 19SS г.); ряд предприятий по производству и переработке сельскохозяйственной продукции (РСФСР, Молдавская ССР, УССР, 1988-
-
п\); Объединение "АзовплодоовокГ (Ростегская обл., 1990 г.); НИИС (г. Полтаза, УССР, 1992 г.); Бокннский КПД (Тамбовская обл., 1994 г.); КФХ "Целина" (Липсшсгя обл., 1991 г.); КФХ "Платан" (Тамбовская обл., 1994 г.); НЛП "Модуль* (г. Тамбов, 1995 г.); ГосНИИХП (г. Казань, 1994, 1996 гг.), Котевский здгод ллзстшес (Тамбовская обл.,.1997 г.).
Матерналті диссертация используются з учебных курсах ТГТУ при обучении студентов спецналташга 21.02.17 "Автоматизация гкалішіческого контроля технологических процессе^ и производств'".
Апробация работы. Результата работы обсу;хдалнс& на XI Всесоюзной науч-но-техлвчесхен' конференции В1ІАМ (г. Москга, 1977 г.); на заседании секции Тепло- и мгсссперепсг з процессах твердения материалов на сспопе вяжущих пггдеста" Научного Соггтз "Мгссо- п тепяопергпсс в технологических процессах" прп ГКНТ СССР (г. Калинин, 1979 г.); на Всесоюзной конфереиции Тепломассообмен я моделирование в энергетических установках" (г. Тула, 1979 г.); на Всесоюзном ііаучно-тсхшїчсском семинаре "Современное состояние тешіофщпческого приборостроения" РДЭНТП, ІГГТФ АН УССР (г. Киев, 1980 г.); на Республиканской научной конференция "Сушка и грануляция продуктов микробиологического її тонкого химического синтеза" (г. Тамбов, 1981 г.); на Всесоюзной научио-тсхнкческой конференции "Процессы а аппараты производства полимерных матерпалов, методи и обсрудогашіе для переработки нх в изделия" (г. Тамбов, 1932 г.); на Всесскззьий научно-технической конфереиции
"Совершенствование техники, технологии сушки сельскохозяйствен лых и пищевых продуктов" (г. Полтава, 1984 г.); іш VII Всесоюзной иаучно-гехшгческой конференции по влагометрии (г. Кутгкси, 19S4 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Протесы п оборудование для гранулирования продуктов микробиологического синтеза" (г. Тамбов, 19S4 г.); на Республиканской научно-технической конференции "Автоматизация технологических процессов в животноводстве и растеплесодстаг" (г. Кнсз, 1985 г.); на Всесоюзной научной конференции "Автоматизация к роботизация в химической промышленности" (г. Тамбов, 1986 г.); на Всесоюзной конференции "Биотехішка-Зб" (г. Грозный, 1986 г.); на заседания международной ассоциации по математическому и машинному моделированию (г. Воронеж, І9С6 г.); на VIII Всесоюзной конференции "Синтез и исследование эффективности химикатов для полимерных материалов" (г. Тамбов, 1986 г.); на 2-ой Всесоюзной егколе "Прикладные проблеми управления макросистемами" (г. Москва, 1937 г.);-на VI Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы гндроджіашші к тепломассообмена и путл повышения эффективности знергеткчешгх установок" (г. Мостза, 19S7 г.); на Всесоюзной конференции "Разработка и внедрение пгрепсктзшаых технологий производства посадочного материала плодово-ягодных культур* (г. Москва, 1987 г.); на IX и X Всесоюзных тешюфшических школах (г. Тамбов, I9S8, 1990 гг.); на Всероссийском семинаре "Прогрессивные технологам, кркеым н средства механизации в питом никово детве" {г. Мичуринск, 1988 г.); на Всесоюзной конференции "Моделирование САПР, АСНИ и ГАП (г. Тахбоз, 1989 г.); на I и II Мевдуиарод-ных теплофнзическнх школах (г. Тамбов, 1992, 1995 г.г.); на Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" ММХ-9 (г. Тверь, 1995 г.); на Российской электрохимической школе (г. Тамбов, 1995 г.); на 4-ой Азиатсхой копфсрешаш но тсплофизическілі свойстззм веществ (Токио, Япония, 1995 г.); на 2-ой Европейской и 14-ой национальной конференциям по теплопереносу (Риы, Италия, 1996 г.); на 14-ой Европейской конференции по теялофизическим свойствам веществ (Лион, Франция, 1996 г.).
Публикации. По материалам Диссертации опубликовано более 70 статей, докладов, авторских свидетельств, в том числе две справочные книги.
Структура и объем рабртн. Диссертация состонт из введения, шести глав, заключения, приложений и списка использованной литературы. Диссертация изложена на 371 странице и содержит 72 рисунка. Список литературы включает 496 наименований. Приложения содержат 166 страниц, 13 рисунков, 3 таблицы и 39 актов использования результатов работы.
В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных соискателем в период с 1975 по 1997 годы.
