Введение к работе
Актуальность. Разновидности процессов, включающих испарение растворителей и сушку покрытий на пористых или монолитных материалах, охватывают почти все виды человеческой деятельности, от древнейших искусств до новейших технологий. Это, например: нанесение и обработка поверхностных покрытий (краски, лаки, эмали, клеи, шпатлевки, аппреты и пр.; адгезионные и антиадгезионные, электроизоляционные и токопроводящие, антикоррозионные и герметизирующие покрытия; свето- и магниточувствительные, люминисцирующие и волно-поглощающие, визуализирующие и индицирующие материалы: декоративные и имитирующие, упрочняющие и связующие, повышающие жесткость и понижающие сминаемость, сглаживающие и рельефообразующие покрытия; водоупорные и растворимые, смачивающие и гидрофобизирующие, антифрикционные и липкие, светопоглощающие и прозрачные покрытия: материалы с фармакологическими или парфюмерными свойствами, твердеющие или невысыхающие, вкусовые и съедобные и ряд других); завершающие процессы испарения и сушки после физико-химических, химических, механических и других способов получения и обработки технических материалов или природного сырья в среде органических растворителей (после полимеризации, кристаллизации, фильтрации, промывки, отбеливания, экстрагирования, гранулирования, капсюлирования. прессования, отжима, смешения и пр.); обработка поверхностей обезжиривающими составами и смывками, охлаждающими и дезинфицирующими жидкостями и пр. Органические растворители, применяемые шире, по сравнению с водными составами обладают разнообразными специфическими свойствами, чаще более летучи, более дороги, пожароопасны и токсичны. Отсюда вытекают принципиальные физические особенности процессов испарения и сушки, технологические особенности производств и конструктивные особенности применяемого оборудования. Эти особенности изучены очень слабо, хотя производительность и экономичность таких сушилок, качество материалов и режим обработки определяются именно механизмом и кинетикой сушки и "сопутствующих" процессов.
Поэтому в настоящей работе ставится актуальная в научном и практическом плане задача изучения механизма, температурной и влажностной кинетики сушки и тепло-диффузионного взаимодействия растворителя или покрытия с пористым или монолитным материалом.
Работа выполнялась в соответствии и в продолжение Координационного плана АН России по Теоретическим основам химической технологии (тема 2.27.2.8.12 Плана на 1991-1995 гг.) и в соответствии с Планом НИР ТГТУ по Единому заказ-наряду Минобразования РФ (Координационный план «Черноземье» на 1997 -2000 г.; тема 3171997 «Разработка теоретических основ расчета и проектирования оптимальных энерго- и ресурсосберегающих процессов и оборудования химических и микробиологических производств»).
Цель работы. Изучение физического механизма и кинетических особенностей сушки характерных разновидностей растворителей на типичных вариантах пористых и монолитных материалов. Проверка возможностей тепло-диффузионной аналогии. Оценка особенностей сушки при мягких и жестких условиях, для 1 и 2 режимных процессов. Разработка математического описания кинетики и получение основных соотношений тепло-массопереноса для процессов испарения и сушки; разработка инженерных методов расчета процессов; выработка
практических рекомендаций по совершенствованию исследуемых способов сушки и сушильной аппаратуры.
Объекты исследований. Выполнены обширные экспериментальные работы по воздушной конвективной и конвективно-радиационной сушке растворителей и покрытий на различных материалах. В качестве объектов сушки были взяты характерные органические растворители 11 гомологических рядов, нсфрас и смеси, резиновые клеи, вода. В качестве материалов использовались технические ткани, листовая резинотехническая целлюлоза, протекторная резина, а также модельные алюминиевые и фторопластовые пластины.
Научная новизна. На основе анализа механизма процессов и обработки полученных экспериментальных данных подтверждено несоблюдение тепло-диффузионной аналогии при испарении растворителей, выражающееся в грубых отклонениях наблюдаемых и расчетных "по аналогии" температур поверхности и скорости испарения, и получены для разных условий критериальные уравнения тепло- и массоотдачи, включающие безразмерный комплекс "кинетического взаимодействия" и обеспечивающие приемлемую точность и универсальность. Предложены новые двухдуговые аппроксимации характеристик переноса со смещением точки перегиба и с изменением кривизны аппроксимируемой функции. Получено аналитическое решение 2-х слойной задачи теплопроводности и диффузии, дающее возможность приближенного интервального описания исследуемых процессов.
Практическая ценность. На базе полученных аналитических решений и корреляций для кинетических характеристик разработана и реализована компьютерная методика инженерных расчетов процессов испарения растворителей и сушки покрытий на разных материалах. Проверены особенности сушки при мягких и жестких условиях, для 1 и 2 режимных процессов. Показаны возможности совершенствования сушильных процессов и оборудования для испарения растворителей и сушки покрытий путем выбора способа теплоподвода, расчета размеров и характеристик сушилок, расчета вариантов организации процесса и выбора оптимальных технологических режимов. Предложены и приняты рекомендации по практической реализации результатов работы для расчета сушилок и выбора технологических режимов на Тамбовских АО «ТАЗРИ» и «Тамбоврезинотехника». Они могут быть рекомендованы также для практического использования на других предприятиях и в научно-исследовательских организациях химической, резиновой и смежных отраслей промышленности.
Апробация работы и публикации. По теме диссертации сделан доклад на международном форуме, доклады на НТК ТГТУ 1996-1999 гг. и опубликовано 6 печатных работ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти основных глав, выводов, списка литературы из 190 наименований и приложений.
Настоящая работа по испарению растворителей и сушке покрытий является законченной самостоятельной составной частью проводимых под руководством профессора В.И.Коновалова комплексных исследований по сушильно-термическим процессам, в том числе диссертационных работ Н.Ц. Гатаповой, Е.Н. Туголукова, В.В. Косых, А.Г. Двойнина, С.С. Хануни, А.Н. Пахомова, А.В. Коза-чека. Всем им, а также профессору Т. Кудрс (Канада), А.Б. Мозжухину, В.М. Нечаеву, А.А. Фролову, Ю.А. Брусенцову, коллективу кафедры ПАХТ и другим сотрудникам ТГТУ автор выражает благодарность за помощь в работе.