Введение к работе
Актуальность работы. Благодаря низкой себестоимости, сравнительной простоте синтеза и химической стабильности продукта, а также своим физико-химическим свойствам сульфонол, на сегодняшний день, остается основным поверхностно-активным веществом (ПАВ), входящим в составы синтетических моющих средств (CMC) и комплексных реагентов, широко применяющихся в нефтегазодобывающей, горнодобывающей, металлургической, кожевенной и др. промышленностях.
В технологии производства сухого сульфонола (порошка) сушка является наиболее энергоемкой и одновременно заключительной операцией, которая определяет качество готового продукта, энерго- и материалоемкость производства и уровень загрязнения окружающей среды.
Традиционно сушка раствора сульфонола осуществляется распылительным способом. Наличие ряда существенных недостатков, присущих влагоудалению в распыленном состоянии, а именно: необходимость значительных удельных габаритов установок, сложность и высокая стоимость оборудования для распиливания продукта и улавливания пыли, сравнительно высокие энергетические затраты, засорение рабочей поверхности сушильной камеры и распыливающих устройств вследствие высокой сорбционной способности сульфонола, ставят задачу поиска перспективных способов, технологических и технических решений для сушки раствора сульфонола.
Исследования проводились на базе основополагающігх трудов в области тепломассообмена и сушки А.В. Лыкова, Б.И. Леончика, А.С. Гинзбурга, И.А. Рогова, П.Д. Лебедева, В.К. Тихомирова, С.Г. Ильясова, Ю.В. Космодемьянского, И.Т. Кретова, А.С. Аминова, И.Ю. Алексаняна и многих других.
Диссертационная работа выполнена в рамках Перечня критических технологий Российской Федерации, утвержденного Правительством Российской Федерации 25 августа 2008 г., №1243-р (п. «Базовые и критические военные, специальные и промышленные технологии»), Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (распоряжение Правительства Российской Федерации от 6 июля 2006 г. № 977-р.), а также в соответствии с координационным планом НИР на кафедре ФГОУ ВПО АГТУ «Технологические машины и оборудование».
Целью работы является повышение эффективности сушки сульфонола во вспененном состоянии путем комплексного исследования процессов тепломассообмена.
Она достигается на основе теоретических и экспериментальных исследований всех классических этапов изучения процесса сушки: комплекса теплофизических (ТФХ), гигроскопических, структурно-механических (СМХ), пеноструктурных (ПСХ) и терморадиационных (ТРХ) характеристик, статики и кинетики процесса сушки, моделирования тепломассопереноса при сушке сульфонола и рекомендациями по практическому использованию полученных результатов.
Задачи работы:
анализ методов интенсификации тепломассообмена при обезвоживании жидких продуктов и ПАВ, рациональных схем влагоудалеиия и способов энергоподвода;
экспериментальное определение гигроскопических характеристик, СМХ, ПСХ, ТФХ, ТРХ и анализ термодинамики статического взаимодействия сульфонола с водой;
расчет распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения в слое продукта и выбор рационального метода энергоподвода;
экспериментальные исследования и анализ влияния основных факторов на интенсивность тепломассообмена, кинетики влагоудаления, механизма внутреннего теп-
ломассопереноса и обоснование рационального способа сушки сульфонола во вспененном состоянии;
физико-математическое моделирование тепломассообменных процессов и разработка кинетической критериальной зависимости при сушке сульфонола;
разработка рекомендаций по использованию результатов исследований и аппаратурному оформлению процесса пеносушки сульфонола.
Научная новизна. Экспериментально исследованы гигроскопические характеристики, ТРХ, ПСХ, СМХ и ТФХ сульфонола. Определены и математически описаны закономерности взаимодействия продукта с водой на основе термодинамического анализа процесса сорбции.
Впервые рассчитано распределение объемной плотности поглощенной энергии излучения в оптически тонком слое вспененного сульфонола и получено уравнение, описывающее его зависимость от влияющих факторов.
Впервые разработана система критериальных уравнений процесса инфракрасной (ИК) пеносушки сульфонола.
Разработана физико-математическая модель ИК пеносушки сульфонола для расчета эволюции температурных полей в процессе влагоудаления.
На основе экспериментального изучения кинетики ИК пеносушки сульфонола выбран и обоснован рациональный режим ведения процесса; впервые получены аппроксимирующие зависимости удельного съема сухого продукта и скорости сушки от влияющих на интенсивность процесса факторов.
Практическая значимость работы. Реализована физико-математическая модель и разработано аналитическое программное обеспечение ИК пеносушки сульфонола с использованием экспериментально полученных зависимостей СМХ, ТФХ и др. характеристик пен растворов объекта исследования для инженерных расчетов тепломассообмена.
Получены аналитические зависимости величины удельного съема сухого продукта, скорости сушки от влияющих факторов и система критериальных уравнений процесса обезвоживания сульфонола, которые могут быть использованы для проектирования сушильных установок.
Разработан рациональный способ ИК сушки сульфонола во вспененном состоянии, определены и обоснованы рациональные режимные параметры проведения процесса [Решение о выдаче патента на изобретение от 02.11.2009 по заявке №2008128817/04(035553)].
Предложена конструкция установки для сушки вспененных растворов сульфонола и ему подобных по комплексу свойств продуктов при ИК энергоподводе [Решение о выдаче патента на полезную модель от 16.07.2009 по заявке №2009124010/22(033254)].
На защиту выносятся следующие положения:
экспериментально полученные зависимости гигроскопических характеристик, СМХ, ТФХ и ТРХ сульфонола от влияющих факторов;
уравнения удельного съема сухого продукта и скорости ИК пеносушки сульфонола от основных факторов, влияющих на интенсивность процесса;
система критериальных уравнений процесса ИК сушки сульфонола во вспененном состоянии;
разработка и реализация физико-математической модели тепломассопереноса при ИК пеносушке сульфонола;
рациональный способ ИК сушки сульфонола во вспененном состоянии;
усовершенствованная конструкция установки для сушки при ИК энергоподводе вспененных сульфонола и ему подобных по комплексу свойств продуктов.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на Всероссийских и международных научных конференциях: 52 и 53 научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (г. Астрахань, 2008, 2009 г.г.); Конференция молодых ученых и инноваторов «Инно-Каспий» (г. Астрахань, 2009 г.); II Всероссийская конференция аспирантов и студентов «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2009 г.); Международная научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2009» (г. Астрахань, 2009 г.); XII Московский международный салон промышленной собственности «Архимед», 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 в изданиях по перечню ВАК Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 192 страницах машинописного текста, содержит 30 таблиц, 88 рисунков, список литературы из 211 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Приложения представлень: на 54 страницах.
