Современный подход к методам интенсификации жидкостных процессов при выделке кожи и меха

На кафедре «Технология кожи и меха» Восточно-Сибирского государственного технологического университета разработаны способы проведения жидкостных процессов с использованием гидрофобных жидкостных углеводородов в качестве среды при проведении технологических процессов, позволяющие сократить длительность технологических процессов в десять и более раз.

Нами разрабатываются машины проходного и непроходного типа для поштучной обработки кожевенно-мехового полуфабриката (КМП), реализующие эти способы обработки, а также аппараты для получения рабочих составов в виде эмульсии II рода [1-4].

В общем случае при создании машин для поштучной обработки КМП должны быть решены две задачи:

• 1)    нанесение на полуфабрикат неправильной формы заданного количества рабочих составов;

• 2)    внедрение рабочих составов в толщу кожевой ткани за счет определенного физикомеханического воздействия.

Выводы, сделанные нами из анализа существующих конструкций, позволили создать принципиально новые схемы построения машин проходного и непроходного типа.

На предварительном этапе исследований нами проводились эксперименты по определению основных технологических параметров этих устройств и их производительности.

Полученные результаты позволили снизить длительность операций дубления-жирования при обработке овчин с 8 ч до 15 с, КРС с 18 ч до 3 мин.

Однако полученные результаты поставили перед исследователями больше вопросов, чем ответов.

Стало ясно, что необходимы исследования, чтобы стабилизировать полученные результаты и оптимизировать процессы пропитки. Возникла необходимость разработки современных физических основ пропитки кожевой ткани на жидкостных операциях.

Идея ускорения массопереноса в пористых материалах предложена авторами [5] и заключается в следующем. Поскольку скорость пропитки кожевой ткани определяется скоростью массопереноса рабочего состава в ее поровой структуре, большое влияние оказывают два фактора:

• -    образование в жидкостях кластеров [6], состоящих из большого количества молекул и других ассоциатов и приводящих к значительному увеличению размеров переносимых ассоциатов в пропиточном составе;

• -    нарушение закона Дарси при малых скоростях течения жидкостей по капиллярам [7], которое называется облитерацией капилляров [8].

При разрушении кластеров размеры переносимых ассоциатов в пропиточном составе многократно уменьшаются, что приводит к существенному ускорению массопереноса. Снятие облитерации капилляров приводит к увеличению эффективного диаметра капилляров, что, как нам представляется, также ускоряет процесс пропитки [8].

Высказанная выше идея была успешно использована для разработки и внедрений технологий пропитки простейших капиллярных систем - обмоток электрических машин и строительных материалов (бетона).

В случае пропитки кожевой ткани задача ускорения массопереноса значительно усложняется из-за того, что кожевая ткань имеет сложную органическую поровую и переменную структуру, а пропитка выполняется многокомпонентными составами различной вязкости и размерности. Задача заключается в разработке практически новой теории для пропитки кожевой ткани, где в экспериментальной части работы необходимо уточнить параметры технологии, свойств пропиточных составов, а также параметры рабочих органов машин для поштучной обработки КМП.

Решение проблемы повышения эффективности пропитки кожевой ткани связано с созданием способов, способствующих проникновению этих составов на заданную глубину. С этой целью была разработана гипотеза, заключающаяся в обосновании комплексного воздействия на кожевую ткань и пропиточные составы. Были рассмотрены явления само-, баро- и термодиффузии жидкостей.

При наличии в пористой системе градиента концентрации grad c(r,t) в ней наблюдается са-модиффузия, выражаемая законом Фика:

Э с = - D • gradC ,                                   (1)

где Э с - диффузионный поток;

D - коэффициент самодиффузии;

gradC - градиент концентрации или плотности.

Диффузионный поток в гетерогенной системе также может быть вызван при воздействии многих факторов, помимо концентраций, не имеющих прямой связи с потоком вещества. Такие процессы рассматриваются как перекрестные. В частности, существенными для поставленной нами задачи являются термомеханические процессы, а именно явления переноса, происходящие из-за градиентов температуры T(r,t) и давления P(r,t) , в том числе капиллярного. В первом случае имеем явление термодиффузии, описываемое соотношением

Эт = -H • gradT, где Эт - диффузионный поток;

H - коэффициент термодиффузии;

gradT - градиент температуры.

Во втором случае действие давления, которое рассматривается как сумма давлений от внешнего воздействия и давления от поверхностного натяжения, вызывает бародиффузию:

Эр = -K • gradP,

где Э _р - диффузионный поток;

K - коэффициент бародиффузии;

gradP - градиент давления.

Совместное действие указанных выше факторов обобщается выражением

S = S C + S T + S P = - (D - grade + H - gradT + K - gradP) , где S - результирующий диффузионный поток.

В одномерном случае самодиффузии из формулы (1) можно получить зависимость содержания массы в материале от времени [3]:

*

М(t) = M а - exp

-

Г        \ 0 ■ 8

⁸ f      ]

I h ² )

^ ,

где M - предельное значение массы жидкости в материале;

D - коэффициент самодиффузии;

t - температура;

h - положение границы раздела фаз газ - жидкость.

Из уравнения (2) следует, что при наличии градиента концентрации в материале переносится масса, которая подчиняется экспоненциальному закону.

Коэффициент диффузии D можно выразить через вязкость п жидкости и, пользуясь понятием подвижности b как коэффициентом пропорциональности между скоростью V и силой сопротивления F , действующей на движущийся объект, пользуясь известным соотношением Эйнштейна

D = kTb ,

(где к - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура) и формулой Стокса для шара F = 6 пп - r v ,

(где r - радиус сферической частицы):

D = -«-,

6 п - rn где D - коэффициент самодиффузии;

к - постоянная Больцмана;

T - температура;

r - радиус шара;

П - динамическая вязкость.

Коэффициент самодиффузии прямо пропорционален температуре T и обратно пропорционален динамической вязкости п .

С учетом (3) формулу (2) можно переписать в следующем виде:

М (t) = M * а

- exp

f       t t ) ⁰⁸

- I const --— I

I        n h ² )

. >

Таким образом, мы оценили вклад самодиффузии в процесс массопереноса в пористых материалах. В этом случае поток самодиффузии увеличивается с повышением температуры и снижением вязкости жидкости или раствора.

Подобным же образом можно оценить вклад бародиффузии в процесс массопереноса в изделии. Также в первом приближении можно получить, пользуясь формулой Пуазейля, выражение для потока бародиффузии [8]:

пр ЛiPr r ³   <

М (t) =           v t ,

2 Vn где р - плотность жидкости;

Р ₀ - давление жидкости;

r - радиус шара;

П - динамическая вязкость;

t - температура.

Получен искомый вклад бародиффузии в виде параболической зависимости переносимой массы. Со снижением вязкости жидкости повышается поток бародиффузии.

Термодиффузия не рассматривается из-за того, что процесс пропитки кожи протекает при постоянной температуре.

Вышеизложенное позволяет сделать следующие выводы.

• 1.    Массоперенос в пористых системах протекает по экспоненциально-параболическому закону и зависит от вязкости пропиточного состава, определяемой размерами частиц пропиточного состава, и поровой структуры кожи. Уменьшение размеров частиц должно привести к ускорению переноса массы.

• 2.    Образование кластеров в пропиточном составе приводит к многократному (в десятки – сотни раз) увеличению эффективных диаметров частиц, что вследствие формул 3, 4 и 5 способствует снижению скорости массопереноса. Первый способ ускорения пропитки – разрушение кластеров [7].

• 3.    По классическому представлению (закон Дарси) расход текущей жидкости по капилляру зависит только от параметров капилляра, вязкости жидкости и от перепада давления, но не зависит от времени. Экспериментально было обнаружено уменьшение скорости течения жидкости по капиллярам до полной остановки, что мы назвали облитерацией капилляров [6]. Этот факт играет определенную роль в массопереносе, и его необходимо учитывать при рассмотрении вопросов пропитки пористых материалов. Второй способ ускорения массопереноса – снятие облитерации пор и капилляров кожи [7].

Дальнейшая задача – экспериментально оценить эффективность каждого фактора, связать их с параметрами кожевой ткани и химией того или иного процесса ее обработки, расширить базис и применить метод многоуровневого моделирования для построения физической модели происходящих процессов.