Сушка водорастворимых полимеров в сушилках с комбинированным подводом теплоты тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Лебедев, Василий Владимирович

• Лебедев, Василий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лебедев, Василий Владимирович

Список условных обозначений.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Математическое моделирование тепло- и массопереноса в 11 процессе сушки полимерных материалов.

1.2. Усадка материала в процессе сушки.

1.3. Конструкции сушилок для полимеров.

1.4. Выводы по литературному обзору и постановка задачи 35 исследования

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА 37 СУШКИ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛИМЕРОВ.

2.1. Математическая модель сушки полимера, сформированного в 38 виде пластины.

2.2. Математическая модель сушки полимера, сформированного в 50 виде стренга круглого сечения.

2.3. Математическая модель процесса сушки при кондуктивном 62 подводе теплоты.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА 72 СУШКИ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛИМЕРОВ.

3.1. Сушка в условиях радиационно-конвективного подвода 73 теплоты.

3.1.1. Исследования по установлению кинетических 73 закономерностей процесса сушки полимерных гелей.

3.1.2. Экспериментальные исследования по изучению усадки 81 полимерных гелей в процессе сушки.

3.2. Сушка в условиях кондуктивного подвода теплоты.

Глава 4. АППАРАТУРНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ 94 ПРОЦЕССА СУШКИ ПОЛИМЕРОВ. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СУШИЛОК.

4.1. Терморадиационная сушилка для сушки гелей полимеров, сформированных в виде прутков круглого сечения.

4.2. Терморадиационная сушилка для сушки 109 низкоконцентрированных гелей полимеров.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сушка водорастворимых полимеров в сушилках с комбинированным подводом теплоты»

Водорастворимые полимеры применяются во многих областях техники и технологии. Наибольшее практическое применение находят водорастворимые производные целлюлозы (метилцеллюлоза, этилцелюлоза, сульфаты целлюлозы и др.), поливиниловый спирт, полимеры и сополимеры акриловой и метакриловой кислот и окиси этилена [1,2]. Они используются как высокоэффективные коагулянты и флокулянты, для стабилизации эмульсий и суспензий, в качестве защитных коллоидов, структурообразователей почв, загустителей, пленкообразователей, диспергаторов, стабилизаторов буровых растворов, агентов, снижающих гидравлическое сопротивление при течении жидкостей по трубопроводам и др.[3]. Одним из водорастворимых полимеров, получивших в последние десятилетия очень широкое, распространение и привлекающих постоянное внимание исследователей, является полиакриламид (ПАА), его производные и сополимеры акриламида. Широкое использование полимеров данного класса обусловлено возможностью их получения с различной молекулярной массой. Их применение не вызывает загрязнения окружающей среды, не связано с использованием токсичных, огне- и взрывоопасных органических растворителей и значительно снижает загрязнение промышленных сточных вод [4-7]. Следует отметить, что темпы роста производства не удовлетворяют потребностей, которые ежегодно возрастают на 8-10% [12].

Часто водорастворимые полимеры выпускают в виде водного раствора-геля с небольшим содержанием основного вещества. Такие гели имеют недостаточно стабильные характеристики и ограниченную область применения. Они неэкономичны при транспортировке и неудобны при приготовлении рабочих растворов. Полимеры, полученные в твердом виде, имеют преимущества перед гелями. Они удобны при транспортировке, имеют высокое содержание основного вещества и обладают широким спектром потребительских свойств. Заключительной стадией производства является весьма энергоемкий процесс сушки, осложняющегося высокой адгезионной способностью гелей, и условием сохранения всех ценных свойств целевого продукта [11-16].

В промышленности в основном используют конвективный способ сушки. Однако данный способ не позволяет достигать высокой интенсивности сушки, а при повышении температуры сушильного агента приводит с деструкции материала и потере его потребительских качеств [12,13].

Одним из перспективных методов интенсификации процесса термообработки коллоидных влажных материалов является использование радиационного энергоподвода при помощи инфракрасных излу чателей[ 14-16].

Вопросами исследования процессов сушки различных материалов посвящено большое число работ как отечественных так и зарубежных авторов, в которых была рассмотрена кинетика процесса сушки целого ряда материалов, описаны конструкции сушилок для реализации процесса [17-23].

Тем не менее, задача разработки рационального способа сушки водорастворимых полимеров с учетом их свойств и особенностей является актуальной.

Данная работа включает в себя экспериментальные и теоретические исследования процесса обезвоживания водорастворимых полимеров, осуществляемого с целью получения конечного продукта, обладающего требуемыми потребительскими свойствами.

Объект исследования: процесс сушки полимерных гелей.

Предмет исследования - закономерности процесса сушки, технологические режимы при различных способах подвода теплоты.

Целью работы является разработка рационального способа обезвоживания гелей водорастворимых полимеров на основе экспериментально-аналитического изучения тепломассообмена при сушке и создание методики расчета оборудовании для его реализации.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем.

1. Предложен расчетный метод определения полей влагосодержания и изменяющегося линейного размера в процессе сушки деформируемых коллоидных тел.

2. По результатам экспериментальных исследований и математического моделирования представлены закономерности сушки водорастворимых полимеров и выявлены особенности процесса.

3. Разработаны математические модели процесса сушки полимерных гелей, сформированных в виде прутков круглого сечения и пластин при радиационно-конвективном подводе теплоты, учитывающие усадку материала.

4. На основе экспериментальных данных получены аналитические зависимости парциального давления водяных паров над гелями водорастворимых полимеров от их влагосодержания и температуры.

Практическая ценность.

1. Разработана методика расчета оборудования для обезвоживания водорастворимых полимеров.

2. Выявлены рациональные режимно-технологические параметры процесса сушки водорастворимых полимеров, сформированных в виде прутков круглого сечения и пластин.

3. Разработано программное обеспечение моделирования и расчета процесса сушки водорастворимых полимеров.

Автор защищает.

1. Метод расчета процесса сушки полимерных гелей с учетом усадки материала.

2. Математические модели процесса сушки водорастворимых полимеров в сушилках с радиационно-конвективным подводом теплоты.

3. Результаты экспериментальных исследований процесса сушки водорастворимых полимеров.

4. Результаты численного эксперимента по моделированию тепломассопереноса при сушке водорастворимых полимеров.

5. Методику расчета оборудования для обезвоживания водорастворимых полимеров.

Публикации.

Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 8 опубликованных печатных работах, в том числе одна статья в журнале из списка ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 87 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 92 наименования.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Лебедев, Василий Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложенный расчетный метод определения полей влагосодержания и толщины слоя высушиваемого полимерного геля с учетом усадки материала существенно упростил математическое описание и алгоритм расчета процесса сушки.

2. Разработаны математические модели процесса сушки водорастворимых полимеров, сформированных в виде прутков круглого сечения и пластины, в сушилках с радиационно-конвективным подводом теплоты, выполнены численные эксперименты по исследованию влияния конструктивных и режимных параметров на профили температуры и влагосодержания, продолжительность процесса сушки.

3. Результаты физического и численного экспериментов позволяют рекомендовать для сушки концентрированных гелей (ин=2-Н кг.вл/кг а.с.) однозонную сушилку с противоточным движением воздуха и материала, температуру излучателей 315-390 °С при диаметре стренг ё= 1-^-4 мм. Сушку низкоконцентрированных гелей водорастворимых полимеров (ин=8-И кг вл/кг а.с.) целесообразно проводить в двухзонных сушилках с интенсивной циркуляцией воздуха в первой зоне и естественной конвекцией во второй.

4. Выполнены сопоставления расчетных результатов и экспериментальных данных, показавшие их хорошее соответствие.

5. Определены зависимости парциального давления водяных паров от влагосодержания и температуры для полиакриламида и метилоксипропилцеллюлозы.

6. Разработана методика расчета сушильных камер с радиационно-конвективным подводом теплоты. Выполнены расчеты опытно-промышленных сушилок, производительностью 30, 50 и 70 кг/ч по абсолютно-сухому продукту (полиакриламид).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лебедев, Василий Владимирович, 2010 год

1. Николаев, А.Ф. Водорастворимые полимеры / А.Ф. Николаев, Г.И. Охрименко — Л.: Химия, 1979. — 144 с.

2. Куренков, В. Ф. Водорастворимые полимеры акриламида/ В.Ф. Куренков // Соросовский образовательный журнал. 1997, №5. - с.48-53.

3. Говарикер, В.Р. Полимеры / В.Р. Говарикер, Н.В. Висванатхан, Дж. Шридхар М.: Наука, 1990. - 396 с.

4. Тагер, A.A. Физикохимия полимеров /A.A. Тагер М.: Химия, 1978. - 544 с.

5. Папков, С.П. Физико-химические основы переработки растворов полимеров/ С.П. Папков М.: Химия, 1971.-372 с.

6. Кириллов, Д.В. Сушка полимерного геля, содержащего водорастворимое вещество/ Д.В. Кириллов, А.Г. Липин, А.П. Самарский // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2004, т.47, вып. 10, С.89-92.

7. Зайцев, Д.Б. Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса инфракрасной сушки полиакриламидного геля: автореф. дис. канд. техн. наук / Д.Б. Зайцев; Московский гос. ун-т. инженер, технологии -Москва, 2010. 16 с.

8. Берлин, A.A. Основы адгезии полимеров/ A.A. Берлин, В.Е. Басин. М.: Химия, 1974.-391 с.

9. Анализ конденсационных полимеров / Л.С. Калинина и др.. М.: Химия, 1984.-296 с.

10. П.Бубнов, В.Б. Непрерывный процесс получения водорастворимых полимеров на основе (мет)акриламида: автореф. дис. канд. техн. наук; Ивановский гос. хим -технол. ун-т. Иваново, 2000. - 18 с.

11. Абрамова, Л.И. Полиакриламид/Л.И. Абрамова, ТА. Байбурдов, Э.П. Григорян -М.: Химия, 1992. 192 с.

12. Зайцев, Д.Б. Использование инфракрасного энергоподвода в процессе сушки полиакриламидного геля / Д.Б. Зайцев, A.C. Тимонин // Безопасность труда в промышленности. 2009. - №9. - С.46-51.

13. Зайцев, Д.Б. Сушка полиакриламидного геля с использованием инфракрасного подвода / Д.Б. Зайцев, A.C. Тимонин// ХимАгрегаты. -2009. -№3(7). С.34-35.

14. Лыков, A.B. Тепло- и массообмен в процессах сушки / A.B. Лыков. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956. 464 с.

15. Лыков, М.В. Сушка в химической промышленности / М.В. Лыков. М.: Химия, 1970.-429 с.

16. Лебедев, П.Д. Сушка инфракрасными лучами / П.Д. Лебедев. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958. - 232 с.

17. Дмитриев, В.М. Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса конвективной сушки гранулированных и пленочных полимерных материалов: автореф. дис. докт. техн. наук / В.М. Дмитриев; Тамбовский гос. технич. ун-т. Тамбов, 2003. - 31 с.

18. Федосов, C.B. Тепломассоперенос в технологических процессах строительной индустрии: монография / C.B. Федосов. — Иваново: ИПК. «ПресСто», 2010. 364 с.

19. Лыков, A.B. Теория сушки / A.B. Лыков. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1968.-471 с.

20. Сажин, Б.С. Основы техники сушки / Б.С. Сажин. М.: Химия, 1984. -320 с.

21. Шубин, Г.С. Сушка и тепловая обработка древесины /Г.С. Шубин. М.: Лесная пром-ть, 1990. - 335 с.

22. Любошиц И.Л. Тепло- и массоперенос / И.Л. Любошиц М. -1963.

23. Кафаров, В.В. Математическое моделирование основных процессов химических производств: учеб. пособие для вузов / В.В. Кафаров, М.Б. Глебов. М.: Высш. шк., 1991.-400 с.

24. Брянкин, К.В. Моделирование процесса сушки термолабильных материалов при перекрестном движении материала и сушильного агента / К.В. Брянкин, А.И. Леонтьева, A.A. Дегтярев // В мире научных открытий. 2009. - № 6. - С. 12-16.

25. Коновалов, В.И. Математическое моделирование взаимосвязанных процессов сушки и нагрева. Явления переноса и их модели / В.И.

26. Коновалов, Н.Ц. Гатапова // Сборник трудов XV Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях", т.З, -Тамбов, 2002. С. 166-176.

27. Муштаев, В.И. Сушка в условиях пневмотранспорта/ В.И. Муштаев, В.М. Ульянов, A.C. Тимонин М.: Химия, 1984.232 с.

28. Рудобашта, С.П. Тепло- и массоперенос / С.П. Рудобашта, А.Н. Плановский, Г.С. Кормильцин // Минск, ИТМО АН БССР, 1972. Т. 9, С.102- 105.

29. Рудобашта, С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой/ С.П. Рудобашта. М.: Химия, 1980. - 248 с.

30. Лыков, A.B. Теория тепло- и массопереноса / A.B. Лыков, Ю.А. Михайлов. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. 535 с.

31. Фролов В.Ф. Моделирование сушки дисперсных материалов. Л.: Химия, 1987. 208 с.

32. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа/Л.Г. Лойцянский Л.Г. М.: Наука, 1978. 736 с.

33. Гусев, Е.В. Исследование влияния термообработки на структурно-механические свойства листовой фибры: автореф. дис. канд. техн. наук ; Ивановский гос. архитект-строит. ун-т. — Иваново, 2006. 22 с.

34. Таланов, Н.М. Исследование влияния основных параметров сушки на процесс коробления листовой фибры / Н.М. Таланов, C.B. Федосов, Е.В. Гусев// Иван, хим.-технол. ин-т. Иваново, 1988. 7с. - Деп. в ОНИИТЭХИМ. - Черкассы, №67-88.

35. Role of modeling in development of drying technologies / A.S. Mujumdar, W. Zhonghua // XII Polish Drying Symposium, Lodz, 2009 C.27-45.

36. Беренштейн, П.И. Скоростной однорядный обжиг лицевого кирпича и керамических камней / П.И. Беренштейн- Строит, материалы. 1970. № 10.

37. Беренштейн, П. И. Справочник по производству искусственных пористых заполнителей / П.И. Беренштейн М.: Издательство литературы по строительству, 1966.- 324 с.

38. Пат. 2182298 Россия, МПК7 F 26 В 17/10. Сушилка фонтанирующего слоя/ Антипов С.Т., Шахов С.В., Ряховский Ю.В., Прибытников А.В.; Воронежский гос. технолог, акад. Заявл. 05.01.2001; Опубл 10.05.2002.

39. Benku Thomas, Y.A. Liu, Mark О. Mason, and Arthur M. Squires. Vibrated Beds: New Tools for Heat Transfer// Chemical Engineering Progress. 1988. -V84. - №6. - p. 65-75.

40. Пат. 4843732 США, F 26 В 17/24. Vibratory and Gas Levitation Particle Treatment System/ Wiley E. Cross, Jr., Glen Allen. Опубл. 4.6.1989.

41. Zbigniew T. Sztabert. Size Selection of Vacuum Contact Dryer with Mechanically Mixed Particulate Material// Drying Technology. 1989. - V7. -N1.-p. 71-85.

42. Abraham Tamir, Beer-Sheva. Processes and Phenomena in Impinging-Stream Reactors// Chemical Engineering Progress. 1989. - V85. - №9. - p. 53 - 61.

43. Yaniv Kitron, Abraham Tamir. Performance of a Coaxial Gas-Solid Two-Impinging-Streams (TIS) Reactor: Hydrodynamics, Residence Time Distribution, and Drying Heat Transfer// Industrial and Engineering Chemistry Research. 1988.-V27, №10.-p. 1760- 1767.

44. A. c. 504060 СССР, МКИ F 26B 17/18. Комбинированная установка для сушки сыпучих материалов/ В.Н. Кисельников, В.В. Вялков, B.C. Романов, А.А. Шубин; Ивановский химико-технол. ин-т (СССР).- № 1988865/24-6; Заявл. 03.01.74; Опубл. 25.02.76. Бюл. № 7.

45. Плановский, А. Н., Николаев, П. И., Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии / А.Н. Плановский, П.И. Николаев 3 изд., М.: Химия, 1987-496 с.

46. Заявка 2005121633/22 Россия МПК7 F26B17/02 Сушильный агрегат для пастообразных материалов/ Огурецкий В.А., Голик А.С., Огурецкий В.В.; ООО "Сибирское НПО "Горноспасатель"; Заявл. 08.07.2005; Опубл.10.12.2005.

47. Пат. 2061937 Россия, МПК6 F26B17/04. Ленточная сушилка/ Пенто В.Б., Троицкий С.Р., Карегин A.C., Квасенков О.И.; Всероссийский научно-исследовательский институт консервной и овощесушильной промышленности; Заявл. 28.12.1993; Опубл 10.06.1996.

48. Кириллов, Д.В. Совершенствование процесса производства сухого водорастворимого полиакриламида: : автореф. дис. канд. техн. наук; Ивановский гос. хим -технол. ун-т. — Иваново, 2005. — 16 с

49. Флетчер, К. Численные методы на основе метода Галеркина / К. Флетчер.- М.: Мир, 1988 352 с.

50. Волков, А.Е. Численные методы/ А.Е. Волков М.: Наука, 1987. -248 с.

51. Mathematical modeling and apparatus of drying process disperse polymers / S.P. Rudobashta, V.M. Dmitriev, G.S. Kormiltsin, L.Ya. Rudobashta // Drying Technology An international Journal. New York, Dekker. 1998. Vol.16 №7. P. 1471-1485.

52. Лыков, A.B. Тепломассообмен: справочник / A.B. Лыков. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978. 479 с.

53. Лебедев, П.Д. Расчет и проектирование сушильных установок / П.Д. Лебедев. — М. Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 320 с.

54. Лебедев, B.B. Моделирование процесса сушки водорастворимого полимера в терморадиационной сушилке / В.В. Лебедев, А.Г. Липин, Д.В. Кириллов. // Современные наукоемкие технологии. 2010. №1(21). -С.57-62.

55. Лебедев, В.В. Сушка полимерного геля, сопровождающаяся усадкой материала / В.В. Лебедев, А.Г. Липин, Д.В. Кириллов, A.A. Шабров // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2009. Т.52. - Вып. 12. -С. 102-105.

56. Лебедев, В.В. Моделирование процесса сушки деформируемых коллоидных тел / В.В. Лебедев, А.Г. Липин // Материалы Международного научно-технического семинара «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов», Воронеж, 2010. -С.58-62.

57. Дмитриев, В.М. Исследование внутреннего массопереноса при сушке некоторых полимерных материалов / С.П. Рудобашта, В.М. Дмитриев, А.Н. Плановский, Л.Ф. Шибаева // Производство и переработка пластических масс. 1977-С. 15-19.

58. Белый, В.А. Адгезия полимеров к металлам / В.А. Белый, Н.И. Егоренков, Ю.М. Плескачевский Минск, Наука и техника, 1971. - 268 с.

59. Новиченок, JI.H. Теплофизические свойства полимеров / JI.H. Новиченок, З.П. Шульман Минск, Наука и техника, 1971 - 120 с.

60. Ахмедов, К.С. Водорастворимые полимеры и их взаимодействие с дисперсными системами / К.С. Ахмедов и др. Ташкент, Фан, 1969 - 251 с.

61. Лебедев, Н.М. Снижение гидравлического сопротивления труб с помощью добавок полиакриламида / Н.М. Лебедев // Сб. трудов МИИТ. -М.: МИИТ, 1976. № 521. -С. 58-61.

62. Smith, Е.А. Acrylamide and Polyacrylamide: a review of production,use, environmental fate and neurotoxicity / E.A. Smith , F.W. Oehme // Rev. Environ. Health. 1991. - Vol. 9. - № 4. - P. 215-228.

63. Vergnaud, J.M. Drying of Polymeric and Solid Materials /J.M. Vergnaud. -London: Springer, 1992. 336 p.

64. Дерибере, M. Практические применения инфракрасных лучей /М. Дерибере. М.: Государственное энергетическое изд-во, 1959. - 440 с.

65. Бураковский, Г. Инфракрасные излучатели / Г. Бураковский, Е. Гизиньский, А. Саля Л.: Энергия, 1978. - 407 с.

66. Машины и аппараты химических производств: учебное пособие для ВУЗов / Под ред. A.C. Тимонина. Калуга: Издательство Н.Ф. Бочкаревой, 2008. - 872 с.

67. Рудобашта, С.П. Расчет и конструирование аппаратов для глубокой сушки гранулированных полимерных материалов /СП. Рудобашта, В.М. Дмитриев // Тез. докл. международ, конф. СЭТТ 2008. - М.: МГУПБ, 2008.-Т.1.-С. 260-269.