Содержание к диссертации
Введение
1. Процессы переработки жидких продуктов в виде капель, нанесенных на подложки. Современное состояние, исследования и перспективы развития . 8
1.1. Современные исследования процессов сушки жидких продуктов на твердых подложках 8
1.2. Проблема переработки послеспиртовой барды 12
1.3. Описание основных технологий переработки барды 15
1.4. Использование сухой барды 39
2. Экспериментальное исследование кинетики процесса сушки жидких материалов на подложках 47
2.1. Описание экспериментальной установки 47
2.1.1. Методика проведения экспериментов 52
2.2. План экспериментальных исследований 55
2.3. Подложки 58
2.4. Сушка в аппарате с кипящим слоем инерта 61
2.5. Свойства высушиваемого продукта 65
2.5.1. Определение плотности и вязкости жидкой барды 65
2.5.2. Определение формы неподвижной капли и угла смачивания жидкой барды 67
2.5.3.Микроскопические исследования жидкой барды 68
2.5.4. Исследование фракционного состава жидкой барды 76
3. Анализ и обработка экспериментальных данных 83
3.1. Кинетические особенности сушки капель барды на твердой подложке 83
3.2. Типы кинетических кривых, получаемых при сушке барды, в различных условиях. Возможности прогнозирования типа температурной кривой для заданных условий. 102
3.3. Изменение формы, цвета и размеров высушиваемого материала 112
3.4. Физико-химические и структурно-механические изменения в высушиваемом материале 135
3.5. Сушка на отдельной частице и отбор проб из кипящего слоя инертных тел. 152
3.6. Нагрев отдельной частицы в кипящем слое инертных тел 156
4. Расчет кинетики сушки жидких материалов на твердых подложках 172
4.1. Кинетика нагрева отдельной частицы в кипящем слое инертных тел 172
4.2. Расчет профиля жидкой капли лежащей на твердой подложке 182
4.3. Метод расчета кинетики сушки капли жидкости на подложке 204
5. Возможности практического использования результатов исследования 219
6. Выводы 223
7. Список литературы 226
Приложение 247
- Описание основных технологий переработки барды
- Сушка в аппарате с кипящим слоем инерта
- Изменение формы, цвета и размеров высушиваемого материала
- Расчет профиля жидкой капли лежащей на твердой подложке
Введение к работе
Процесс сушки дисперсий - жидких текучих материалов (суспензий, паст, влажных осадков и т.п.) широко применяется в процессах химической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. В основном, высушивание жидких продуктов ставит собой цель получение порошка продукта. Например, в химической промышленности так получают удобрения, красители, строительные смеси. В пищевой промышленности получают порошки молочно-белкового концентрата, яичной смеси (меланжа), растворимого кофе, морских водорослей (получение альгината натрия), мясокостного бульона, пивных дрожжей, лекарственных препаратов, растительных экстрактов, соевого молока, пектинов, казеина.
Типичными примерами сушилок таких материалов являются распылительные, пневматические, сушилки кипящего слоя, в том числе на инертном носителе, барабанные, роторные сушилки, а также спиральные, ВЗП, сублимационные и некоторые другие. Особый научный и практический интерес в них вызывает образование, испарение и сушка капель - как свободных (парящих или падающих), так и неподвижных или стекающих (лежащих, сидячих, висящих).
На сегодняшний день разработано множество аппаратов для сушки жидких продуктов на подложках. На практике для целей переработки жидких текучих материалов используют, как правило, стандартные сушилки с кипящим слоем, распылительные, контактные, сублимационные или их модернизации.
Например, разработчик технологии гидролиза белоксодержащих отходов и сушки с применением сушильных агрегатов типа АСЗ: Санкт-Петербургский Государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий, кафедра ОХТ предлагает аппарат АСЗ-5, предназначенный для переработки жидких термолабильных продуктов (в т.ч. пищевых): белковых гидролизатов, яичного меланжа, агар-агара, бульонов, экстрактов лечебных трав, томатов, соевого изолята (молока) и широкого ряда других жидких как пищевых, так и непищевых продуктов, в том числе с высокими пенообразующими и адгезионными свойствами [134]. Процесс сушки исходных материалов происходит в двух встречно-закрученных потоках инертных тел, где осуществляется одновременно сушка, измельчение, отделение сухого порошка.
Однако, как показывает многолетняя практика эксплуатации подобных устройств, высушивание материала, не исследованного на хорошо себя зарекомендовавшей сушилке, приводит к неудовлетворительным результатам. Например, использование вихревой сушилки, хорошо зарекомендовавшей себя при получения сухого молочного порошка, для получения сухих красителей (при том, что плотность и вязкость высушиваемых продуктов в жидком состоянии близки по своим значениям), приводит либо к получению некачественного готового продукта, либо к огромным энергозатратам, делающим применение аппарата абсолютно нерентабельным.
Поэтому необходимы предварительные экспериментальные исследования сушки конкретного продукта, с выработкой специальных рекомендаций, получением определенных расчетных зависимостей и методик проектирования и эксплуатации сушильного оборудования. Кроме того, несмотря на более полувековую историю изучения процесса сушки жидких продуктов (распылительная сушка, сушка в кипящем слое), удовлетворительной теории этого процесса не имеется. Это объясняется сложностью взаимодействия потоков в аппарате, приводящих к определенным неоднородностям, как в потоке, так и в материале; особенностями высушиваемых материалов (термолабильность, структурообразование и т.п.); изменяющимися требованиями к аппаратуре и т.п.
Т.о. для получения качественного готового продукта, необходим расчет и проектирование сушильного аппарата, работающего, как правило, только на исследованном продукте. Поэтому задача исследования кинетики сушки жидких продуктов, выявление механизма процесса сушки, получение специальных и обобщенных зависимостей, объяснение специфических явлений при сушке жидких продуктов (например, деструкция, структурообразование на поверхности и в толще материала) является весьма актуальной.
В последние годы также резко возрос интерес к механизму явлений в капле в связи с рядом новых приложений и направлений исследований: в физике конвекции и турбулентности (межфазной по типу Марангони и объёмной); в физико-химии явлений, получивших название «пиннинга и депиннинга» (задержки или смещении линии 3-х фазной границы капли); в нелинейной термодинамике образования упорядоченных структур в высыхающих каплях (дегидратационная самоорганизация, «эффект кофейных пятен»); в микробиологии (биологических жидкостей, в том числе молекул протеинов и ДНК); в медицинской диагностике (по различию образующихся в высыхающей капле структур); в ряде нанотехнологий (в том числе с самоорганизацией нано-частиц, приготовлении нано-материалов, сенсорных экранов, технике струйных принтеров). Эти исследования проводятся во многих научных центрах мира. В 2010г. состоялась специальная Международная конференция по самоорганизации в высыхающих каплях.
Однако, большинство проводимых исследований связано с опытами на модельных жидкостях (растворы органических веществ, искусственно создаваемые суспензии и коллоидные растворы), как правило, в простых гидродинамических условиях. Использование таких данных в производственной практике будет связано с рядом трудностей. На настоящее время практически нет публикаций по кинетике сушки конкретных производственных жидкостей на твердых подложках в гидродинамических условиях, наблюдаемых в реальных аппаратах.
Поэтому поставленная задача изучения механизма и кинетики сушки капель жидких продуктов на твердых является новой и актуальной как в научном плане, так и в практическом отношении.
В связи с требованиями федерального закона от 21 июля 2005 года N 102-ФЗ с дополнением от декабря 2007 г «О внесении изменений в федеральный закон от 22 ноября 1995 года N 171-ФЗ "О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции" от спиртовых заводов требуется полной переработки барды (пункт 5 статьи 2): «Производство этилового спирта, технологией производства которого предусматривается получение барды (основного отхода спиртового производства), допускается только при условии ее полной переработки и (или) утилизации на очистных сооружениях». Т.е. задача полной переработки послеспиртовой барды в спиртовой отрасли стоит очень остро, заводы могут оказаться под угрозой закрытия. Решение этой задачи весьма актуально также для Тамбовской области, т.к. здесь имеется целая группа спиртовых заводов, в т.ч. один из крупнейших в России новый «Новолядинский спиртзавод» производительностью до 10 тыс. дал/сутки.
Поэтому в качестве основного продукта для исследования выбрана жидкая послеспиртовая барда.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование процесса сушки капель жидких дисперсных продуктов нанесенных на твердые диффузионно-непроницаемые подложки.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: изучение кинетики процесса сушки жидких дисперных материалов на твердых подложках на примере жидкой послеспиртовой барды (как продукта требующего полной переработки); выявление механизма процесса сушки жидких дисперных материалов на твердых подложках; получение основных кинетических зависимостей и выработка инженерной методики расчета кинетики процесса; - выработка рекомендаций по оценке качества высушенного продукта и по практическому использованию результатов работы.
Описание основных технологий переработки барды
Воздух, нагретый в калорифере, поступает в сушильную камеру и «продувает» снизу резервуар с фторопластовыми инертными частицами. На нагретые частицы распыляется сырье форсункой, а специальным перемешивающим устройством происходит постоянное перемешивание частиц в резервуаре. Благодаря продувке горячим воздухом раствор (или суспензия) быстро обезвоживается на поверхностях инертных тел, образуя на каждом из них непрочный порошковый слой. В результате постоянного перемешивания фторопластовых частиц в резервуаре слой порошка на частицах легко разрушается, отделяясь от их инертной поверхности и в виде пыли (муки) сбрасывается в циклон. Там готовый порошок скапливается в нижнем бункере, а воздух, еще насыщенный пылью, подается в очистительный скруббер. В скруббере имеются верхний и нижний баки; вода, постоянно сливающаяся из верхнего в нижний, насосом подается обратно, образуя контур циркуляции. Воздух, насыщенный пылью, проходит верхний бак, при этом очищается. Постоянно растет концентрация продукта в воде контура, когда она приблизится к исходной в сырье, воду заменяют и направляют на форсунку в рабочий цикл.
Благодаря высоким скоростям сушильного агента (от 3 до 5 м/с) сушильная камера имеет минимальные размеры, вес таких сушильных установок, а значит, цена (с учетом комплектующих) в 3 - 5 раз ниже аналогичных распылительных сушильных установок других типов. Если обеспечить шнековую подачу, в инертном слое можно сушить порошки с высокой влажностью.
Сушильная установка с "кипящим слоем" и агрегатом, подающим высушиваемый материал, позволяет высушивать большое количество дисперсных материалов с размером частиц до Змм. Установка включает калорифер, сушилку, пылеуловитель, систему мокрой очистки, газодувку, подающий и разгрузочный агрегаты. Принцип действия установки. Воздух, подогретый в калорифере, поступает в сушилку и псевдсожи-жает влажный дисперсный материал, поступающий на сушку подающим агрегатом. Высохший материал отводится с помощью разгрузочного окна с регулируемым порогом. Воздух от уносимого материала очищается в циклоне мокрой очистки. Сушильная установка с "кипящим слоем" - гранулятор Позволяет перерабатывать растворы, суспензии, сыпучие порошки с введением гранулирующих водных добавок или просто воды. Получаемый продукт - гранулы 1 - 4 мм. Сушильная установка с вынесенной зоной гранулирования, имеет преимущества по сравнению с барабанными грануляторами (БГС): малые габариты и вес, соответственно, цены. По сравнению с грануляторами с кипящим слоем и распыляющими форсунками энергозатраты на псевдоожижение в два раза ниже. Грануляторы просты в обслуживании, могут работать непрерывно сотни часов без необходимости чистки отдельных узлов. Установка включает калорифер, сушилку, пылеуловитель, пневматический классификатор, мокрую очистку, газодувку, смеситель двухшнековый. Принцип действия установки. Воздух, нагретый в калорифере поступает в сушилку, где псевдоожи-жает гранулированный материал. Из сушилки гранулы «стекают» в смеситель и транспортируются вдоль аппарата под небольшим углом (10-12) вверх. По пути следования гранул в смесителе они обрызгиваются сырьем, это может быть раствор или суспензия. Влажный материал по мере продвижения в шнеках хорошо перемешивается. Увлажняющая жидкость равномерно покрывает гранулы и они ссыпаются опять в сушилку в удаленном от высыпания месте. Попадая в сушилку, гранулы высыхают, потом опять поступают в смеситель, опять увлажняются и т.д. За цикл их масса возрастает на 1 - 2% ( в зависимости от свойств материала и возможности массы не потерять сыпучесть). После выхода на режим, гранулы непрерывно отбираются через разгрузочное окно, классифицируются, отбирается товарная фракция (обычно до 2 - 4 мм) , мелкие частицы возвращаются в смеситель, крупные могут дробиться и возвращаться в смеситель, т.к. при достижении определенного размера они (как правило) подвержены самопроизвольному растрескиванию на мелкие частицы (эффект термодробления). Вихревая "без уносная" сушильная установка на базе ВЗП (встречных закрученных потоков) Этот тип распылительных сушильных установок по энергопотреблению в 2 раза эффективнее благодаря значительно меньшему рабочему сопротивлению отдельных звеньев установки (циклонов пылеуловителей). ЗПО «Растон» выпускает сушильные установки на базе ВЗП производительностью до 30 кг/час по упаренной влаге. д.5) Сушильная машина для сушки послеспиртоеой барды, пивной дробины и т.д. фирмы "ПромСтрой", Чувашская Республика г.Новочебоксарск. Предлагаемая технология переработки барды в сухой кормопродукт является видоизмененной классической схемой, в которой фугат не упаривается, а отправляется на очистные сооружения и включает в себя следующие этапы [135]: 1. Разделение барды на жидкую и дисперсную фазы (декантерная центрифуга) 2. Технология очистки фугата 3. Сушка продукта (с гранулированием, фасовкой) 4. Очистные сооружения Полученная сухая барда (белково-углеводная кормовая добавка в рационы сельскохозяйственных животных и птицы) охлаждается вив сыпучем состоянии отправляется потребителям (при необходимости упаковывается). Фугат после модульной установки очистки далее направляется на вновь проектируемые заводские очистные сооружения до полной очистки заводских стоков и очищенного фугата до требований для сброса в водоемы культурно - бытового и рыбно - хозяйственного назначения
Сушка в аппарате с кипящим слоем инерта
Для проведения экспериментов по получению готового сухого продукта и анализа кинетики сушки жидкой послеспиртовой барды в реальном промышленном аппарате нами были произведены исследования на лабораторной сушилке с кипящим слоем инертных тел (СКИТ). Установка СКИТ является развитием использованной на кафедре ПАХТ экспериментальной установки УКСИН (установка кипящего слоя с инертным носителем, применявшаяся для исследования кинетики сушки дисперсных полупродуктов органического синтеза [132]). Схема установки СКИТ представлена на рис. 2.4.1.
Установка позволяет работать как непрерывно, так и периодически. Высушенный продукт удаляется из сушильной камеры с отработанным сушильным агентом и попадает на систему улавливания. В максимальной комплектации система улавливания состоит из циклона и рукавного фильтра. В качестве материала рукавного фильтра выбран материал ФПА-15-2,0. Волокнистый слой материала ФПА-15-2,0 стоек к слабым кислотам и щелочам, спиртам, предельным и ароматическим углеводородам, не стоек к сильным кислотам, растворяется в хлорированных углеводородах, кетонах, полярных растворителях. Материал ФПА-15-2,0 применяется при температурах до плюс 150С и относительной влажности воздуха не более 90%. Задерживающая способность - до 0.3 мкм.
Высушиваемый продукт в жидком виде вводится в кипящий слой инертных тел, на определенную высоту над решеткой, с помощью специального штуцера. Дозирование высушиваемого продукта осуществляется либо с помощью шприца, либо насосом-дозатором с дополнительной периодической продувкой штуцера воздухом.
Электрический калорифер позволяет варьировать температуру сушильного агента в пределах до 200 С. Система управления вентилятором позволяет варьировать скорость сушильного агента под решеткой в пределах от 0.3 до 10 м/с. Сушильная камера представляет собой цилиндрическую обечайку диаметром 55 мм и высотой 170 мм. Она теплоизолированна слоем теплофола толщиной 10 мм. В нижней части обечайки установлена сменная газораспределительная решетка. В верхней части обечайки установлена отбойная стальная сетка с размером ячейки 1,5 мм. Отбойная сетка используется для задержания в слое инертных тел, которые могут уноситься из слоя при повышенной скорости сушильного агента. Также в нижней части сушильной камеры установлен штуцер для подачи высушиваемой жидкости в кипящий слой. Инертный слой состоит из фторопластовых кубиков и алюминиевых цилиндров. Состав слоя выбран из расчета 50 % фторопласта на 50% алюминия. Размер фторопластовых кубиков: 2x2x2 мм. Размер алюминиевых цилиндров: 2x3 мм. Для контроля температур в установке размещены термопары ХК, установленные до и после сушильной камеры. Термопары подключаются к электронному самописцу «Термодат» [145]. Также контролируется влагосодержание свежего воздуха и отработанного сушильного агента с помощью психрометра. На основании проведенных экспериментов по сушке капель жидкой послеспиртовой барды на подложках в многорежимной визуальной сушилке нами был предварительно предложен диапазон для режима сушки в аппарате СКИТ. Температура сушильного агента от 100 до 140 С. Скорость сушильного агента под решеткой от 2 до 4 м/с. В результате эксплуатации установки СКИТ нами был получен сухой продукт со следующими свойствами: размер частиц - от 0.1 до 1.5 мм. насыпная плотность - около 700 кг/м3 влажность продукта - не более 5 %. цвет - от темно желтого до светло и темно коричневого. Т.о. по основным показателям полученный на установке СКИТ продукт соответствует требованиям предъявляемым к сухой барде по ГОСТ Р 53098-2008 (DDGS). На рис. 2.4.2. представлена фотография получаемой на установке СКИТ сухой барды. -63 СКИТ нами были проведены следующие серии экспериментов: 1. Внесение в прогретый кипящий слой инертных тел отдельной частицы с нанесенной на ее поверхности жидкой послеспиртовой барды. При этом постоянно контролировался вес частицы. 2. Внесение в прогретый кипящий слой инертных тел отдельной частицы. При этом постоянно контролировалась температура частицы. 3. Отбор проб инертных тел и высушиваемого продукта из слоя в процессе сушки жидкой послеспиртовой барды. Результаты и обсуждение полученных при этих сериях данных представлены в следующем разделе. 64 2.5. Свойства высушиваемого продукта В качестве исследуемого продукта для сушки капель на подложке нами была выбрана жидкая послеспиртовая барда. Для анализа особенностей кинетики сушки барды и наблюдаемых структурных эффектов были произведены следующие исследования свойств высушиваемого продукта: 1. Определение плотности, вязкости, поверхностного натяжения и угла смачивания жидкой барды 2. Микроскопические исследования жидкой барды 3. Исследование фракционного состава жидкой барды 2.5.1. Определение плотности и вязкости жидкой барды Плотность жидкой послеспиртовой барды определялась нами стандартным образом путем взвешивания пробы барды, помещенной в мерный цилиндр, на весах ВК-150.1. Полученные значения плотности для жидкой послеспиртовой барды при температуре 20 С составляют от 1012 до 1043 кг/м3. Такой разброс полученных значений связан со следующими факторами: - плотность послеспиртовой барды зависит от концентрации твердой фазы (в исследуемых образцах концентрация сухих веществ составляла от 7 до 9,8 %) - плотность послеспиртовой барды зависит от концентрации растворенных веществ (в исследуемых образцах концентрация растворенных веществ составляла от 2 до 5 %) - плотность послеспиртовой барды сильно зависит от сырья, которое было использовано для приготовления бражки, тонкости помола, режима брожения и режима работы бражной колонны.
Изменение формы, цвета и размеров высушиваемого материала
Для выявления возможного механизма нанесения жидкого продукта на частицы инертных тел, механизма высушивания продукта и скола продукта с частицы нами были проведены эксперименты с погружением отдельной частицы укрепленной на специальном удерживающем устройстве в кипящий слой инертных тел на установке СКИТ (см. п. 2.4.).
Удерживающее устройство с частицей либо постоянно взвешивалось в кипящем слое (не дало корректных результатов, вследствие воздействия на взвешиваемую частицу других частиц слоя и потока сушильного агента), либо взвешивалось в момент перенесения частицы из кипящего слоя.
Для проведения эксперимента верхняя часть сушильной камеры открывалась, снимались отводные патрубки и система улавливания высушенного продукта. Рядом с сушильной камерой устанавливались весы типа ВК-150.1. На чашу весов монтировалось удерживающее устройство, на которое устанавливалась исследуемая частица. В качестве исследуемой частицы применялась частица инерта (фторопластовый кубик или алюминиевый цилиндр). Установка выводилась на заданный режим. Производился замер веса пустой частицы. Затем частицу окунали в жидкость. После того, как слой жидкости фиксировался на частице, производилось взвешивание частицы с нанесенной жидкостью. Включался секундомер и частица погружалась на заданную глубину в кипящий слой. Через определенный промежуток времени частица удалялась из слоя и производилось взвешивание частицы.
Как показали проведенные эксперименты, снять хотя бы упрощенную кривую убыли влаги с отдельной частицы не представлялось возможным. Объяснение этому эффекту можно дать следующее: слой жидкости практически сразу удаляется с одиночной частицы и распределяется по частицам кипящего слоя инертных тел. Поэтому, можно предположить, что при постоянной подаче жидкого материала в кипящий слой инертных тел, жидкость будет примерно равномерно распределяться по их поверхности и высыхать в большей степени находясь на поверхности инертных тел.
Для подтверждения этого предположения, а также для выявления механизма процесса сушки жидкости на инертных телах, нами были проведены эксперименты по отбору проб инертных тел с высушиваемым продуктом непосредственно из кипящего слоя.
Для проведения эксперимента верхняя часть сушильной камеры открывалась, снимались отводные патрубки и система улавливания высушенного продукта. Над сушильной камерой устанавливался зонт вытяжной установки. Сушильная установка выводилась на заданный режим. Включалась вытяжная установка.
С использованием шприца дозатора в кипящий слой инертных тел, через патрубок подачи жидкости, вносилось заданное количество высушиваемой жидкости. Одновременно включался секундомер. Через определенные промежутки времени из слоя специальным пробником отбирались частицы инерта с высушиваемым продуктом. Отобранная проба взвешивалась и помещалась в пронумерованную бюксу.
После отбора заданного количества проб установка расхолаживалась, из нее удалялся инерт. Инерт отмывался, затем чистый инерт заново загружался в сушильную камеру.
Отобранные пробы досушивались в сушильном шкафу. После досушки пробы взвешивались. Затем частицы инерта из каждой пробы отмывались от сухой барды, высушивались и взвешивались.
Т.о. получали значение влагосодержания высушиваемого материала попавшего в пробоотборник в определенный момент времени, т.е. строили кривую сушки. Результаты некоторых экспериментов по отбору проб из кипящего слоя представлены в приложениях. Кривые сушки для скорости сушильного агента 3 м/с при варьировании температуры сушильного агента от 100 до 160 С представлены на рис. 3.5.1.
Если сопоставить кривые сушки, полученные в кипящем слое, с кривыми сушки полученными на подложке, то можно предположить сходство механизма сушки как в капле на подложке, так и в слое кипящих инертных частиц. Основное удаление влаги происходит в первом периоде сушки, аналогично высыханию капли на подложке. Соответственно, механизм образования пленки и корки на поверхности высыхающей барды в капле на подложке будет справедлив и для слоя барды находящемся на инертной частице в кипящем слое.
С определенной долей уверенности можно утверждать, что жидкая барда, вносимая в слой кипящих инертных частиц, покрывает их поверхность и начинает на ней высыхать. В процессе высыхания, слой жидкости на частице уменьшается (как за счет удаления влаги, так и за счет взаимодействия с другими частицами) и покрывается сначала пленкой, а потом и достаточно плотной коркой. Дальнейший процесс высыхания приводит к высыханию корки, которая становится хрупкой и частично скалывается с поверхности частицы за счет соударений с другими частицами, а частично остается на поверхности частицы. В дальнейшем этот слой позволяет жидкой барде легче закрепиться на частице и также скалывается после высыхания.
Расчет профиля жидкой капли лежащей на твердой подложке
В реальных условиях процесс сушки очень сложен для описания: сразу испаряется множество капель; процесс имеет нестационарный характер и протекает в среде с неравномерной температурой и концентрацией пара; капли неравномерно движутся по отношению к среде и в большей или меньшей степени деформируются, а внутри них возникает циркуляция; теплообмен между каплями и средой осуществляется тремя различными механизмами (теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением).
Поэтому теория явления очень сложна и при ее построении необходимо ввести ряд упрощающих предположений; приходится начинать с сильно идеализированной модели процесса, а затем уже вводить в полученные уравнения поправки, учитывающие влияние различных исключенных из рассмотрения факторов. Аналогично поступают и при экспериментальном изучении вопроса, проводя измерения в условиях, в которых влияние некоторых из усложняющих факторов может быть исключено [132а].
В настоящей работе рассматривается процесс сушки жидких дисперсных систем на твердых горизонтальных диффузионно-непроницаемых подложках. Во многих работах по испарению и сушке капель, форма капли, принимается по форме сегмента сферы. Нами показано, что такое приближение дает большую погрешность [127а].
Форма и размеры капли, лежащей на подложке, зависят от краевого угла смачивания, поверхностного натяжения, наклона подложки, фиксации (пиннинга или депиннинга) линии контакта капли с подложкой и пр. Геометрия капель, поверхности жидкости в капиллярах и порах тела, менисков и пленок представляет большой практический и общенаучный интерес не только для процессов сушки, но для всех гетерофазных процессов в природе, технике и экспериментальных исследованиях (напр., процессов смачивания, растекания, адсорбции, экстрагирования, осаждения, коагуляции, флотации, пропитки, нанесения покрытий, в электрохимических процессах, в полярографии, в топливных элементах, в почвенных и геофизических процессах и пр., вплоть до растительных и животных организмов). Исследованиями в этой области занимались крупнейшие ученые, начиная с Юнга и Лапласа и включая Ландау, Дерягина, Левича, Лыкова и др. [9-20, 23, 24]. Эти исследования продолжаются и в настоящее время.
В процессе сушки размеры и форма капли изменяются. Для экспериментального изучения мы использовали метод обрисовки формы сидячей на поверхности подложки капли. Капля жидкости дозировалась на фторопластовую (или другую) подложку и производилась макросъемка капли с оптическим двенадцатикратным увеличением. Затем форма капли анализировалась в графическом редакторе на компьютере, с измерением ее высоты и угла смачивания. Пиннинг капли обеспечивался острым углом края диска.
Смачиваемость сильно зависит от чистоты жидкости и поверхности, от наличия ПАВ и часто является весьма нестабильной. Поэтому в обычных, не строго контролируемых условиях, надежных данных по углам смачивания быть не может. В зависимости от свойств жидкости и подложки замеренные углы смачивания послеспиртовой барды и фторопласта меняются от 45 до 90. Для воды и фторопласта угол смачивания составляет около 103. Это соответствует немногочисленным имеющимся литературным данным [13, 25].
Изучение формы капель и слоев жидкости на разных подложках широко проводилось в работах под руководством В.И. Коновалова на кафедре ПАХТ ТГТУ (ТИХМа) и ВНИИРТмаша. Были выполнены большие циклы работ по пропитке, промазке и сушке кордных материалов и по шприцеванию, усадке и охлаждению резиновых заготовок [26-33]. Проекцию капли, края слоя или мениска на резине, ткани, шнуре или волокне фотографировали, в том числе под микроскопом, а чаще делали на экран, обрисовывали контур вручную и затем производили необходимые измерения и расчеты.
Слой жидкости на полубесконечной пластине Характерным и наиболее надежным для измерения и анализа является слой жидкости на полубесконечной горизонтальной пластине (см. рис. 4.2.1). В.И. Коноваловым [28, 29] были выведены уравнения геометрии такого слоя, а также рассмотрены случаи конечной пластины, наклонной пластины, течения жидкости по пластине, слива с края пластины и гидравлического прыжка при подаче струи жидкости на пластину. Дадим на базе этих работ необходимые расчетные зависимости для наших случаев.
Похожие диссертации на Кинетика сушки капель жидких дисперсий на диффузионно-непроницаемых подложках
