🗊Презентация Массообменные процессы

Основы массообмена Основные понятия и определения в теории массообмена. Молекулярная и конвективная диффузия. Основные уравнения. Тепло- и массообменные устройства, применяемые в легкой промышленности

Массообменные процессы Переход вещества из одной фазы в другую через разделяющую их поверхность, или передвижение вещества в пределах одной фазы: молекулярная диффузия, масоотдача и массопередача

Молекулярная диффузия где dM – количество продиффундировавшего вещества, кг; - градиент концентрации, . D – коэффициент молекулярной диффузии Знак минус показывает, что при молекулярной диффузии концентрация убывает в направлении перемещения вещества, а градиент концентрации …… .

Коэффициент молекулярной диффузии Коэффициент молекулярной диффузии D зависит от природы диффундирующего вещества, не связан с динамикой процесса и характеризует способность вещества проникать в какую-либо среду. Коэффициент диффузии зависит от агрегатного состояния системы, температуры и давления. Показывает какое количество вещества диффундирует через поверхность 1м2 в течение 1 с при разности концентраций на расстоянии 1м равной единице. Значения D находят по справочникам или рассчитывают: Dгаза=0,1-1 см2/c Dжид=1 см2/сутки

Массоотдача Перенос вещества в объеме одной фазы за счет молекулярной и конвективной диффузий:

Математическое описание массоотдачи

Критерии диффузионного подобия Критерий Нуссельта диффузионный: Критерий Фурье диффузионный : Критерий Прандтля диффузионный:

Критериальное уравнение Т.е. уравнение аналогично теплообменному

Массопередача Переход вещества из одной фазы в другую через разделяющую их поверхность

Закон массопередачи где M – количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую, кг/c; Кy – коэффициент массопередачи, F – поверхность соприкосновения фаз, м2; - движущая сила процесса массопередачи. Коэффициент массопередачи выражает количество вещества, переходящего из одной фазы в другую за единицу времени через единицу поверхности соприкосновения при движущей силе равной единице.

Классификация массообменных процессов Массообменные процессы со свободной границей контакта фаз: Абсорбция, ректификация, экстракция Массообменные процессы с неподвижной поверхность контакта фаз: Сушка, адсорбция, ионный обмен, мембранное разделение, кристаллизация, экстрагирование

ОБЕЗВОЖИВАНИЕ Процесс обезвоживания материала за счет испарения влаги и отвода ее паров - сушка. Все тела обладают способностью поглощать влагу, отдавать влагу и интенсивно удерживать влагу. Количество влаги в теле меняется в значительных пределах в зависимости от условий.

Влажность материала Баланс влажного материала: Относительная влажность Абсолютная влажность

Формы связи влаги с материалом Химическая связь влаги с материалом – влага входит в состав кристаллических решеток материала; Физико-химическая связь – осуществляется адсорбционными и осмотическими силами: адсорбционная и осмотическая; Физико-механическая связь –влага, заполняющая макро- и микрокапиляры, и влага смачивания;

Физико-химическая связь Адсорбционная влага захватывается внешней поверхностью структурных элементов материала под действием нескомпенсированного силового поля молекул, находящихся на этой поверхности. Осмотическая влага проникает в капиллярно-пористое тело через стенки пор за счет сил осмотического давления путем избирательной диффузии.  

Физико –механическая связь Капиллярная – заполняет микрокапилляры, сорбируется из воздуха. Смачивания – макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении с водой.

Классификация влажного материала Коллоидные тела – сохраняют эластичные свойства после удаления из них влаги (желатин), преобладает осмотическая форма связи; Капиллярно-пористые тела – при удалении влаги становятся хрупкими (песок, древесный уголь), преобладает капиллярная форма связи; Капиллярно-пористые коллоидные тела – характерны процессы набухания и усадки (торф, зерно, кожа).

Равновесная влажность При долгом контакте материала с воздухом определенной t и φ, влажность материала постоянна – равновесная. Температура материала равна температуре влажного воздуха, давление паров воды у поверхности материала равно парциальному давлению водяного пара в воздухе: pм =pпв

Равновесная влажность Зависит от свойств материала; характера связи влаги с материалом; параметров окружающей среды. Равновесная влажность материала при контакте с воздухом φ=100% - гигроскопическая точка материала.

Гигроскопическая точка Парциальное давление пара в воздухе и непосредственно над поверхностью материала равны парциальному давлению насыщенного пара при данной температуре: pм=pпв=pнас ;

Состояние материала Если влажность материала больше влажности гигроскопической точки – материал находится во влажном состоянии: pм=pнас Сушка материала, находящегося во влажном состоянии, протекает при любых параметрах окружающей среды до ее полного насыщения.

Состояние материала Если влажность материала меньше влажности гигроскопической точки – материал находится в гигроскопическом состоянии: pм < pнас Сушка материала, находящегося в гигроскопическом состоянии, зависит от давления водяного пара в окружающей среде и возможна только при влажности материала больше равновесной.

Равновесная влажность

Особенности тепло- массообмена Если парциальное давление водяных паров у поверхности материала больше, чем в окружающем воздухе, материал отдает влагу воздуху. Парциальное давление водяных паров у поверхности материала меньше, чем в окружающем воздухе, -материал сорбирует влагу из воздуха

Процесс сушки При сушке жидкость испаряется и переходит в газовую фазу в виде пара, передавая от жидкости к воздуху (газу) тепло, равное теплоте испарения жидкости: Т.к. сушка – массообменный процесс: )

Влияние температуры Чем выше температура материала, тем больше давление пара над материалом pм , т.е. для интенсификации процесса необходимо тепло.

Тепловая сушка Контактная сушка; Воздушная или газовая сушка; Терморадиационная сушка; Высокочастотная сушка

Тепло- массообмен При тепловой сушке процесс передачи влаги (вещества) из одной фазы в другую сопровождается процессом теплопередачи. Температура фаз не одинакова. Количество тепла, передаваемого от газообразного сушильного агента к жидкости за счет конвекции при tг >м:

Процесс испарения сопровождается передачей тепла от жидкости в окружающую среду; Жидкость соприкасается с горячим теплоносителем и нагревается; Когда Q1=Q2 наступает тепловое равновесие, идет испарение при постоянной температуре.

Температура, принимаемая жидкостью при испарении после достижения теплового равновесия, - температура мокрого термометра. Процесс сушки при данных параметрах газа (воздуха) происходит до достижения равновесной влажности материала.

Кривая сушки

Первый период сушки Кинетический закон Скорость процесса Температура материала м=tм

Второй период сушки Кинетический закон Скорость процесса –равномерно падающая и неравномерно падающая Температура материала повышается до tв

1- для тонких материалов с большой удельной поверхностью; 2 – для пористых материалов (ткань, кожа, бумага) 3 – для материалов с небольшой удельной поверхностью (керамика)

Факторы, влияющие на скорость Природа высушиваемого материала; Размеры; Начальная и конечная влажность материала; Относительная влажность, температура и скорость воздуха: 1 период – скорость и направление движения 11 период – температура и относительная влажность воздуха Характер и условия обтекания материала воздухом

Тепло- и массообменные процессы Закономерная совокупность теплового и массообменного воздействия на материал для придания ему заданных свойств. Установки, в которых проходят эти процессы, - тепловые установки. В тепловой установке тепловая энергия используется для технологической переработки материала.

Тепловая обработка Тепловая обработка материалов и изделий определяет качество готовой продукции: происходят физико-химические превращения; формируется структура; идут процессы тепло- и массообмена; возникают напряженные состояния.

Классификация способов тепловой обработки Тепловлажностные –предусматривают тепловую обработку материала с сохранением в нем влаги. Сушка – тепловая обработка начинается с удаления влаги (конечная или промежуточная стадия).

Тепловой режим Совокупность создаваемых для обработки материалов и изделий тепловых, массообменных и гидродинамических процессов. При тепловом режиме рабочее тело (газ, воздух, пар) воздействует на обрабатываемый материал – тепло- и массообменный процесс.

Влажный материал, подвергаемый тепловой обработке Неоднородные (гетерогенные) системы с тремя фазами агрегатного состояния: Основа структуры – твердая фаза; Поры материала заполняет: вода; Воздух, пары воды и газы. В процессе тепловой обработки три фазы в количественном отношении все время меняются. .

Обмен теплотой между теплоносителем и материалом протекает в тепловой установке: влага испаряется с поверхности материала и поглощается теплоносителем, место испаренной влаги (поровое пространство) занимает влажный воздух из теплоносителя; при конденсации влаги на поверхности материала влага диффундирует в поры материала, вытесняя из них воздух. происходят в материале процессы термического расширения, ускоряются возможные химические реакции и т.д.

Особенности тепло- массообмена Если парциальное давление водяных паров у поверхности материала больше, чем в окружающем воздухе, материал отдает влагу воздуху. Парциальное давление водяных паров у поверхности материала меньше, чем в окружающем воздухе, -материал сорбирует влагу из воздуха

Влажно-тепловая обработка Под влажно-тепловой обработкой швейных изделий понимают специальную обработку деталей или изделия влагой, теплом и давлением с помощью специального оборудования. При изготовлении одежды влажно-тепловая обработка составляет приблизительно 15-25% (в зависимости от вида изделия и материала) всей трудоемкости изделия.

Влажно-тепловая обработка может проводиться в процессе обработки изделий (внутрипроцессная) на утюжильном столе с помощью пароэлектрического утюга при отделке готовой продукции (окончательная) на специальных столах, прессах или на паровоздушных манекенах. применяют для придания объемно-пространственной формы деталям изделия, обработки различных швов, окончательной отделки и соединения деталей клеевым методом.

Стадии влажно-тепловой обработки размягчение волокна влагой и теплом; придание определенной формы давлением; закрепление полученной формы путем удаления влаги теплом и давлением. Методами указанной обработки являются утюжка, прессование и отпаривание.

Оборудование ВТО электрический, электропаровой и паровой обогрев. Режимы обработки материалов зависят от применяемого оборудования: Проутюжильники - температура нагрева гладильной поверхности может быть повышена на 5-10°С. На утюжильных операциях используют утюги массой 2,4-6 кг.

Режимы влажно-тепловой обработки

Увлажнение в производстве изделий из кожи Одной из самых ответственных технологических операций является формование заготовки верха обуви на колодке. От выполнения этого процесса зависит, как долго обувь будет сохранять хороший внешний вид и форму. Чтобы тратить меньше усилий, заготовку увлажняют, и она становится эластичной, послушной, т.е. увеличивается деформационная способность материала.

Увлажнение заготовок верха обуви перед формованием уменьшает вероятность разрыва кожи и прежде всего ее лицевого слоя во время обтяжно-затяжных операций; позволяет больше деформировать материал, что является одним из основных условий хорошей формоустойчивости обуви;   дает возможность уменьшать размеры заготовок и снизить расход материала.

Свойства увлажненных материалов обладают лучшей релаксационной способностью по сравнению с неувлажненными. при формовании быстрее протекают процессы релаксации напряжений, уменьшается величина остаточных напряжений, и увеличиваются остаточные удлинения. способствует облегчению выполнения операций формования верха обуви и одновременно достижению наилучшей формоустойчивости.

  Способы увлажнения материалов, применяемых для изделий из кожи в жидкой фазе, сорбционный, термодиффузионный (контактный).

Увлажнение в жидкой фазе При атмосферном давлении, в вакууме под давлением.

Увлажнение в жидкой фазе при атмосферном давлении Намокание кратковременное погружение в воду с последующей пролежкой

Намокание детали, погруженные в воду, увлажняются в течение определенного времени. кожа поглощает только влагу намокания. Затем из крупных капилляров кожи влага начинает перемещаться в более мелкие. Объем крупных капилляров в 10 раз превышает объем мелких, поэтому значительная часть воды остается в крупных капиллярах, т.е. в коже накапливается большое количество влаги намокания, которая не изменяет механические свойства кожи, является балластной и требует в дальнейшем дополнительных расходов энергии на сушку.

Намокание не происходит равномерное распределение влаги по топографическим участкам кожи вследствие неравномерного распределения крупных капилляров по площади кожи: полы и вороток поглощают влаги больше, чем чепрак и огузок. происходит вымывание из кожи растворимых веществ и жира, появляются пятна, подтеки.

метод окунания с последующей пролежкой заготовка на короткое время погружается в слегка нагретую воду и затем подвергается длительной пролежке для равномерного послойного распределения влаги, или провяливанию в течение 1,5-2 часов во влажной мешковине, полиэтиленовых мешках или закрытых шкафах.

Увлажнение под давлением Вода, находящаяся под давлением поршня 300 МПа, сжимает воздух в капиллярах кожи, быстро заполняет их на значительную глубину и адсорбируется поверхностью капилляров. После снятия внешнего давления сжатый воздух расширяется и выбрасывает излишки воды. Увлажненные детали не содержат балластной влаги, увлажняются равномерно по площади и толщине, но вымывание растворимых веществ не устраняется.

Увлажнение в вакууме Детали загружают в герметичную камеру, из которой воздух откачивается до необходимого разрежения. В вакууме детали выдерживают 1-2 минуты. Затем камеру заполняют водой комнатной температуры и восстанавливают атмосферное давление. Вода быстро проникает в капилляры кожи, давление в которых ниже атмосферного. Время выдержки деталей в воде 1-2 минуты. Недостатком, кроме сложности создания и эксплуатации вакуумных установок, является значительное количество балластной влаги, которая остается в крупных порах и увеличивает продолжительность сушки.

Увлажнение сорбцией влаги из насыщенного влажного воздуха Сорбционный метод увлажнения обеспечивает равномерное обводнение капиллярной структуры, поскольку мелкие и средние капилляры, в которых конденсируется капиллярная влага, распределены равномерно и почти независимо от топографии кожи и, кроме того, позволяют полностью увлажнить заготовку в целом, что улучшает условия формования всех ее деталей, повышает формоустойчивость обуви.

Условия процесса увлажнения сорбцией влаги из воздуха Увлажняющий воздух должен иметь высокую насыщенность (не ниже 97%). увлажнительная камера должна быть достаточно герметичной необходимо создать движение паровоздушной смеси в камере 0,5 м/с, это способствует диффузии молекул пара через слой воздуха, прилегающий к поверхности кожи; Воздух должен насыщаться не примешиванием к влаге готового пара, а испарением влаги, в противном случае произойдет конденсация пара на увлажняемых деталях, вызывающая подтеки и изменяющая окраску кожи; В увлажнительную установку камеры должна подаваться паровоздушная смесь, подогретая до температуры 35-450С. При более высокой температуре наблюдается перепад температуры заготовки, вынутой из увлажнительной камеры, и атмосферного воздуха (18-200С): влага начнет перемещаться путем термодиффузии из внутренних слоев на поверхность материала, с которой будет быстро испаряться.

увлажнения сорбцией влаги из воздуха Достоинства

Установки для сорбционного метода увлажнения: установки, в которых воздух увлажняется испарением подогретой воды со свободной поверхности; распыленная форсунками вода испаряется струей движущегося воздуха; подача пара, пропущенного через воду в рабочее пространство; распыление воды форсунками и образование тумана в рабочей камере; предварительное вакуумирование заготовок верха обуви.

Режимы увлажнительных установок при высокой температуре влажного воздуха или при температуре влажного воздуха, равной температуре окружающей среды; с принудительным движением воздуха (0,5-1,5 м/с) или с чрезвычайно малой скоростью движения воздуха, обусловленной разной плотностью воздуха в различных частях установки; с транспортирующим устройством для увлажняемых деталей, т.е. установки непрерывного действия; и без транспортирующего устройства, т.е. установки периодического действия.

Термостаты Заготовки с верхом из текстильных материалов, из синтетических и искусственных материалов, а также из натуральных кож с легко повреждаемым лицевым слоем рекомендуется увлажнять не в увлажнительных камерах, а непосредственно перед формованием в термостатах. Температура пара 60-700С, время увлажнения заготовок из кожи 15-20 с, из текстиля—45-60 с. Качество формования заготовок на колодке после увлажнения в термостатах-увлажнителях улучшается. ТУВ-О предназначен также для размягчения подносков и термоактивации затяжной кромки на заготовке и стельке непосредственно перед выполнением обтяжно-затяжных операций.