Введение к работе
Актуальность темы. Широкое внедрение мембранных процессов в отраслях народного хозяйства позволяет решать многие проблемы технического, экономического и экологического плана.
Микрсфильтрация является одним из направлений мембранной технологии, использование которой при очистке воздуха, воды и технологических сред от частиц размером 0,1...10 мкм способствует повышению качества выпускаемой продукции.
Растущий спрос на фильтры для микроочистки спецсред, в частности, в химико-фармацевтической, медицинской и пищевой промышленности стимулирует разработку новых способов их получения, всестороннее'изучение и совершенствование существующих.
Фильтры И8 композиционных полимерных пленок волокнисто-матричной структура обладают _ высокой улавливающей способностью и задерживают частицы как на поверхности, так и в слое. Имея незначительную толщину (до 300 мкм), удерживают небольшое количество фильтруемой жидкости, что важно при работе с дорогостоящими препаратами. Могут быть изготовлены из полимеров, устойчивых в агрессивных средах при повышенных температурах и химически безвредных. Пористая структура фильтров реализуется при воздействии на композиционную пленку избирательного растворителя - экстрагента, извлекающего матричный компонент. Возможность регулирования эффективности разделения за счет диаметра волокон позволяет создавать фильтры с различной задерживающей способностью. Однако, процесс экстракции матричного компонента при получении фильтров из композиционных пленок изучен недостаточно, что отражается на производительности процесса и качестве фильтров.
Для интенсификации процесса получения фильтров необходимо установить механизм извлечения матричного компонента, определить диффузионные свойства композиционных пленок. В связи с большим ассортиментом композиционных пленок волокнисто-матричной структуры и длительностью процесса экстракции матричного компонента, на первый план выдвигаются вопросы создания математической модели, наиболее точно отражающей физическую картину и всю сложность взаимосвязей между параметрами процесса.
Дель работы. Целью настоящей работы является исследование процесса экстракции матричного компонента из композиционны,, полимерных пленок волокнисто-матричной структуры при получении из них фильтров.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие вадачи:
-
Разработать физическую и математическую модели процесса экстракции матричного компонента из композиционных полимерных пленок волокнисто-матричной структуры при получении из них фильтров с уче їй переменных коэффициентов диффузии и массоотдачи и изменяющейся концентрации омывающего пленку экстрагента
-
Исследовать кинетические закономерности процесса и определить необходимые данные для решения математической модели.
-
Исследовать влияние параметров пленки и условий проведения процесса на время извлечения матричного компонента.
-
Результатами экспериментальных исследований подтвердить адекватность разработанных физической и математической моделей реальному процессу.
-
Отработать технологические режимы, обеспечивающие высокую степень извлечения матричного компонента при получении фильтров.
-
Разработать конструкции фильтрующих элементов и технические условия их эксплуатации.
-
Провеет; испытания фильтров из композишюнкіх полимерных пленок и подтвердить их работоспособность.
Научная новизна. Разработана математическая модель процесса экстракции матричного компонента из змпозиционних полимерных пленок волокнисто-матричной структуры при получении фильтров с учетом переменных коэффициентов диффузии и массоотдачи и изменяющейся концентрации омывающего пленку экстрагента. Решение математической модели позволяет определить концентрационное поле и среднюю концентрацию матричного компонента в пленке, установить время извлечения матричного компонента, выявить факторы, влияющие на скорость извлечения. Разработаны алгоритм и программа расчета. Получены экспериментальные данные по набуханию композиционных пленок и кинетике извлечения матричного компонента. Определены значения коэффициентов диффузии и массоотдачи. Получены эмпирические зависимзети их
от концентрации матричного компонента.
Практическое значение. Отработаны технологические режимы, обеспечивающие высокую степень извлечения матричного компонента при получении фильтров. Разработаны конструкции фильтруквдх элементов со стандартными габаритными и присоединительными размерами.
Реализация работы. Результаты исследований и конструкторские решения испольвованы при изготовлении фильтрующих элементов и создании оборудования для их производства. Созданные фильтра прошли испытания на предприятиях химико-фармацевтической, химико -фотографической и медицинской промышленности и рекомендованы к внедрению.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Всесоюзной научно-технической конференции "Процессы и аппараты производства полимерных материалов, методы и оборудование для переработки их в изделия" (Москва, 1982,1986 г.г.); Всесоюзной научной конференции "Современные машины и аппараты химических производств" (Ташкент, 1983,1987 г.г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Применение полимерных композиционных материалов в машиностроении" (Ворошиловград, 1987- г.); V Королевских чтениях II республиканской конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы космонавтики" (Киев, 1990 rj; отчетных годовых научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Киевского политехнического института.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 12 научных работ.
Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 85 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков, 6 таблиц, 97 литературных источников, 36 страниц приложения.
Во введении рассмотрены актуальность темы и основные за~ дачи исследования.
В первой главе изложены особенности получения фильтров экранного и глубинного действия для микроочистки, их характеристики и области использования. Iif заставлен литературный обзор работ, посвященный теоретическому ояисанию процессов экстрагирования в системе твердое тело - жидкость, к чиолу Ко-
- 7 -торых относится получение фильтров при извлечении предварительно введенного в материал растворимого компонента Рассмотрена композиционная полимерная пленка волокнисто-матричной структуры как материал для фильтров. Обоснован выбор композиционной пленки и зкстрагента. Сформулирована цель исследования.
Во второй главе проведены теоретические исследования процесса экстракции матричного полимера из композиционных полимерных пленок волокнисто-матричной структуры. Разработаны физическая и математическая модели процесса. Рассмотрены методики проведения исследований.
В третьей главе описаны экспериментальные установки для исследования процесса экстракции матричного полимера из композиционных полимерных пленок, учитывающие особенности процесса и обеспечивающие измерение необходимых параметров. Проведены кинетические исследования процесса. Определены необходимые данные для расчета математической модели.
В четвертой главе проверена адекватность математической модели реальному процессу.
В пятой главе приведены результаты практического использования исследований, одним из которых явилось создание фильтров для микроочистки технологических сред химико-фармацевтической и медицинской промышленности.
В выводах по работе изложены основные результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований.
В приложениях приведены таблицы, расчет ожидаемого экономического эффекта, акты испытаний и внедрения, программа и результаты расчета процесса экстракции us' ричного полимера из композиционных пленок.