УДК 667.047

Кинетические особенности сушки мыльных основ

Ескендиров Ш.З., Садык Б.Х.

Республика Казахстан, город Шымкент

ЮКГУ им. М.О.Ауезова

Сушка мыльных основ относится к массовым процессам химической и родственных отраслей промышленности [1-4] и на практике осуществляется бесконтактно, на различных подложках, на инертном носителе в псевдоожижженном слое и т.д. с соответствующим аппаратурным оформлением. Таким образом, получают разнообразные полупродукты, пигменты, красители, хозяйственные и пищевые продукты, косметическую продукцию и.т.д.

При этом главной технологической особенностью, которая зачастую определяет тип сущки, является последовательный переход продукта в процессе сушки от жидкотекучего или пастообразного к твердому состоянию (сплошному или порошкообразному).

Термическое обезвоживание дисперсных систем имеет специфические особенности, которые прежде всего, определяется одинаково важным значением как кинетики собственно сушки, то есть термического удаления влаги, так и кинетики нагрева высушиваемого материала. Данные материалы в [1-4] предложено называть материалами с существенно температурной кинетикой, в отличие от монолитных или микропористых материалов, в которых время нагрева материалов мало по сравнению с сушкой, которая определяется диффузионной кинетикой [4].

В работе [3,4] для анализа и расчета взаимосвязанных процессов сушки и нагрева материалов с существенной температурной кинетикой предлагается ввести температурно-временные Т(τ) и температурно-влажностные Т(u) зависимости (ТВЗ), которые имеют значительные преимущества перед традиционными методами изучения кривых влагосодержания и анализа кривых скорости сушки Характерной особенностью кривых Т(τ) и Т(u) является, в большинстве случаев, наличие четковыраженных "температурных площадок" или наличие перегибов (изменение знака кривизны). И поэтому являются более информативными для анализа механизма сушки и явлений переноса в целом, чем монотонные кривые . Температурные площадки при сушке соответствуют стабилизации температуры материала и временному динамическому равновесию. Их окончание свидетельствует об изменению механизмов переноса.

Температурно-влажностные зависимости не только позволяют локализовать области испарения влаги, миграции и коркообразования, но и учитывать другие специфические явления переноса, часто лимитирующие скорость процесса или качество продукта, например: пленкообразование; выпадение кристаллов и структурирование; усадку, вытяжку и трещинообразование; образование внутренних пор и другое.

Примечательно, что в современных интенсивных и комплексных процессах термообработки кинетика нагрева часто главнее, чем собственно кинетика сутки: например, для термолабильных материалов при совмещенных химических превращениях.

Качество продукта определяется именно этими превращениями, если учесть, что скорость химических реакций и реологических явлений зависят от температуры по закону Аррениуса, а зависимость их от влагосодержания значительно слабее.

На рисунке 1 приведены экспериментальные кинетические кривые сушки суспензий туалетного (1) мыла, хозяйственного (2) и технического (3).

Наличие плато на зависимости ТВ3 указывает смену механизма переноса-прекращение поверхностного испарения. Окончание или вырождение площадки показывает наличие начала структуирования и потери текучести из кривых ТВ3 для различных сортов мыл рис.1 видно что начало процесса структуирования для различных видов мыл различное: самое малое у туалетного и большее у технического.

Рисунок 1.

Основой построения методов расчета сушки и нагрева является учет взаимовлияния тепло-влагопереноса. Для описания таких процессов А.В.Лыковым предложена система уравнений, учитывающая перекрестные эффекты

(1)

где К₁₁, К₁₂, К₂₁, К₂₂ – кинетические коэффициенты.

«Развяжем» данную систему, т.е. оставим в правой части системы (1) первые члены, тогда получим классические уравнения теплопроводности и диффузии. При этом, для учета взаймосвязи процессов переноса тепла и влаги используем аппроксимирующие уравнения ТВ3, эквивалентные граничные условия, эффективные кинетические коэффициенты.

Следовательно, ТВ3 становится важной дополнительной характеристикой, учитывающая разнообразные особенности взаимосвязанных процессов переноса тепла и влаги. При этом решение системы уравнений теплопроводности и диффузии корректируются в процессе счета так, чтобы расчетные температуры и влагосодержания материала в процессе сушки с достаточной точностью соответствовали найденной температурно-влажностной зависимости (ТВ3).

При этом Т(u) можно выбирать локально Т_лок(u_лок), среднемассовой Т_ср(u_ср) или приближенно в виде Т_лок(u_ср).

В качестве корректирующих параметров используем эффективные параметры входящие в граничные условия. Типичными для процессов сушки являются граничные условия 3-го рода, как для задач теплопроводности, так и для задач диффузии.

Для теплопереноса как в 1-м, так и во втором периоде сушки:

(2)

Для массопереноса в 1-м периоде сушки:

(3)

Для 2-го периода сушки:

(4)

где эффективные коэффициенты переноса;

- эффективные коэффициенты теплопередачи;

С_нас – концентрация насыщенного пара;

С_с – концентрация сухого пара;

С_кв – концентрация квазиравновесной влаги на поверхности материала.

Выводы:

1. Разработан метод решения сопряженной системы тепло-влагопереноса основанный на использовании температурно-влажностной зависимости (ТВ3). При этом уточняются важные для кинетики сушки коэффициенты теплоотдачи и массоотдачи.

2. Разработана программа решения сопряженной системы тепломассообмена с использованием програмного пакета «Mathcad»

Conclusion: Summary

1. The method of the decision of the interfaced system warmly-moisture based on use temperature-moisture dependences (TMD) constructed. Thus factors warm and mass giving are specified important for kinetics drying.

2. Constructed the program of the decision of the interfaced system warm mass changing with use programm a package «Mathcad».

Литература

1. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности., М.: Химия 1970г.

2. Сажин Б.С., Сажин В.Б. Научные основы техники сушки., М.: Наука 1997г.

3. Kudra T., Mujumdar A.S. Advanced Drying Technologies. New York: Dekker. 2002, 467р.

4. Б.И.Коновалов, Н.Ц.Гатапова, Т.Kudra. Кинетические особенности, классификация и методика расчетов процессов сушки суспензий и кристаллообразующих растворов., Изв. Вузов. Химия и химическая технология 2005г., Т. 48. с.119-129.