Удаление газов из прядильных растворов волокнообразующих полимеров

Газы (азот, кислород и др.) способны растворяться в различных жидкостях, а также диспергироваться в них в виде пузырьков. Пузырьки газа, находящиеся в прядильных растворах, обусловливают дестабилизацию процесса нитеобразования. В прядильных растворах обычно содержится от 0,01 до 0,06 м³/м³ растворенного и диспергированного газа. В стабильном состоянии прядильные растворы, содержащие газы, расслаиваются на:

верхний слой - пену;

средний слой - газовую эмульсию;

нижний слой - гомогенную жидкость.

Растворимость газов в жидкостях удовлетворительно описывается законом Генри:

С_г = К_г Р. (24)

Здесь С_г - концентрация растворенного газа, м³/м³;

Р - давление газа, Па;

К_г - коэффициент растворимости газа в жидкости.

Растворимость азота и воздуха в различных прядильных растворах при 20⁰С и при давлении 0,1 МПа иллюстрируется данными, приведенными в табл. 4.

Таблица 4 - Растворимость газов в некоторых прядильных растворах

№ № п.п	Прядильный раствор	Концентрация полимера, Сп, % (масс)	Растворимость 103, м3/м3
Газ
Воздух	Азот
	Вискоза	7-9	9-12	8-10
	Вторичная ацетилцеллюлоза в ацетоне	23-25	75-80	80-90
	Полиакрилонитрил в диметилормамиде	13-15	65-70	35-40
	Поливиниловый спирт в воде		3-4	2-3
	Полиамидокислота в диметилформамиде	13-15	30-34	29-33
	Полиоксадиазол в серной кислоте	3-4	7,5-8	6-7
	Полисульфонамид в диметилацетамиде +3% LiCl	9-11	26-31	24-28

В полимерах воздух и азот растворяются так же, как и в жидкостях, но растворимость газов в расплавах полимеров очень низка, а технологические

схемы переработки полимеров из расплавов практически исключают образование газовых дисперсий в расплавах перед формованием.

С увеличением концентрации волокнообразующего полимера в растворе, С_п, и температуры, Т, растворимость газов в прядильных растворах снижается:

С_г = С_г,о exр (-в · С_п); (25)

С_г = С_г⁰ ± К_т Т. (26)

Здесь: С_г,о - растворимость газа в растворителе;

в - постоянная, зависящая от физико-химических свойств газа и прядильного раствора;

С_г⁰ - растворимость газа при стандартной температуре;

К_т - температурный коэффициент растворимости (см. табл. 5).

Таблица 5 - Значения коэффициентов в уравнениях (25) и (26).

Раствор волокнообразующего полимера	Сг,0, м3/м3	в, % -1 (масс)	Кт,0 С-1
Вторичная ацетилцеллюлоза в ацетоне	0,192	0,037	-0,22
Полиакрилонитрил в диметилформамиде	0,078	0,053	0,35
Полиамидокислота в диметилформамиде	0,0882	0,068	0,55
Полисульфонамид в диметилацетамиде +3% LiCl	0,072	0,094	0,20

Силы, действующие на пузырек газа, диспергированного в жидкости, иллюстрируются рис. 15.

Рисунок 15 - Силы, действующие на пузырек газа, диспергированный в прядильном растворе

Дисперсная фаза (газовая эмульсия) характеризуется объемом газа и дисперсным составом.

Газосодержание прядильных растворов оценивается в объемных долях ( _г) (или в объемных процентах).

, (27)

где объемы газа и жидкости соответственно.

При изменении давления объем слоя, в котором диспергированы пузырьки воздуха, изменяется в соответствии с законом Бойля-Мариотта:

j_г2 /1- j_г1 = j_г1 (1 - j_г1) (Р₁ + Р_г + Р_s,1 – Р_н) / (Р₂+Р_г+Р_s,2-Р_н). (28)

Здесь Р₁, Р₂-давление газа над уровнем прядильного раствора начальное и конечное, соответственно;

Р_г- гидростатическое давление прядильного раствора над пузырьком газа, оказываемое столбом жидкости высотой, h (см. рис.14.);

Р_s- давление, обусловленное силами поверхностного натяжения.

При этом Р_s = 2 · s_{ж-г ·} r^-1_,

где r - текущий радиус пузырька; s_ж-г- поверхностное натяжение на границе раздела «жидкость-газ».

Р_н - давление насыщенного пара.

В тех случаях, когда полимер обладает поверхностно-активными свойствами, агрегативная устойчивость газовой дисперсии возрастает. Если полимер поверхностно-инактивен, то стабильность системы снижается.

В агрегативно-устойчивых системах «прядильный раствор - газ» с пузырьками газа происходят следующие процессы:

- перераспределение по размерам (рост крупных и растворение мелких)

- всплывание;

- агрегация.

Фазовые переходы в системе «прядильный раствор-газ» происходят в соответствии с законом молекулярной диффузии:

, (29)

где m - масса диффундирующего газа;

S - поверхность пузырька, равная 4π·r²;

D - коэффициент диффузии газа в жидкости, м²/с;

r - радиус пузырька.

Уравнение кинетики процесса удаления газа из прядильного раствора может быть описано следующей формулой:

, (30а)

или в упрощенном виде

. (30б)

Для расчета процессов фазовых переходов «прядильный раствор-пузырек газа» необходимо знание значений коэффициентов диффузии газа, D, или же коэффициента массопередачи а_m в соответствии с уравнением:

, (31)

где DР - разность приведенных давлений в обеих фазах т.е. давление в пузырьке и при равновесном давлении, соответственно, причем ΔР ≈ Р_σ.

Таблица 6 - Коэффициенты массопередачи воздуха в различных прядильных растворах

Раствор волокнообразующего полимера	Температура, 0С	аm . 106, с/м
Вискоза		0,35-0,37 0,65-0,67 1,30-1,34 2,0-2,5
Вторичная ацетилцеллюлоза в ацетоне		(2,3 ÷ 3,5)10-4
Хлорированный поливинилхлорид в ацетоне		(1,0 ÷ 1,5)10-5
Полиакрилонитрил в диметилформамиде		2,9-3,5
Полиамидокислота в диметилформамиде		1,3-5,0
Полиоксадиазол в серной кислоте		43-58
Поли(n-фенилентерефталамид) в серной кислоте		6-8
Полисульфонамид в диметилацетамиде 3% LiCl		4,5-5,7

Рост и растворение пузырьков газа в прядильном растворе могут быть оценены по уравнению

r = r₀ - K_m ^. Dr/r_г ^. t. (32)

Здесь r₀ - начальный радиус пузырька.

Δρ = ρ – ρ_г, где ρ и ρ_г – плотность жидкости и газа соответственно.

Удаление из прядильного раствора пузырьков газа протекает с изменением объема диспергированного воздуха. Схема этого процесса иллюстрируется рис. 16.

Продолжительность обезвоздушивания

Рисунок 15 – Динамика обезвоздушивания прядильных растворов

Расчет времени полного растворения пузырька воздуха, t_р. (т.е. для случая, когда d→0) можно провести по формуле 33:

. (33)

Для описания зависимости времени обезвоздушивания, t, от свойств прядильного раствора обычно используют уравнение Стокса:

(34)

где Dr = r_ж - r_г.

Здесь ρ _ж и ρ_г – плотность жидкости и газа соответственно.

Время выхода пузырька через слой толщиной, h, на поверхность агрегативно-устойчивой газовой дисперсии с учетом перераспределения пузырьков газа по размерам может быть описана уравнением

. (34)

Вначале объем диспергированного газа возрастает вследствие выделения растворенного газа. Затем происходит выделение пузырьков из прядильного раствора (II период). Это период и есть собственно «обезводушивание».

При этом длительность I периода, т.е. стадии фазового перехода газа из раствора в дисперсию, почти не зависит от взаимодействия пузырьков, а осо

бенности протекания II периода определяются агрегативной устойчивостью системы «прядильный раствор-газ».

Продолжительность процесса удаления пузырьков воздуха из прядильных растворов в случае минимального проявления эффекта коалестенции (увеличения) размеров пузырьков за счет их слияния может быть оценена уравнением

. (36)

Подбором соответствующих поверхностно-активных веществ (ПАВ) можно превратить агрегативно-устойчивую газовую эмульсию в неустойчивую и таким образом существенно ускорить обезвоздушивание за счет слияния пузырьков газа при всплытии.

Температурная зависимость плотности газов описывается формулой

ρ_t = ρ₀ - α_г ·Т. (37)

Здесь Т – температура, ⁰С.

Ниже приводятся справочные данные о некоторых физических характеристиках газов.

Газ	Плотность, ρ0, при 00С, кг/м3	aг, . 106 град-1
Азот	1,251	3671,.0
Кислород	1,429	3674,0
Воздух	1,293	3671,1

Усредненный состав воздуха следующий:

Компонента	%,
По объему	По массе
Азот	78,1	75,5
Кислород	21,0	23,1

Пример. Вычислить продолжительность обезвоздушивания, t_в, прядильного раствора поливинилхлорида (PVC) в диметилформамиде (ДМF) при 70 ⁰С при использовании аппарата для обезвоздушивания в тонком слое. h = 3 мм; η = 10,5 Па · с; ρ_г = 1,285 кг/м³; ρ_с = 1097 кг/м³; а_m = 2,8 · 10^-7 с/м; σ = 54,3 · 10^-3 Н/м. Для вычисления t_в может быть применена формула (36).

Решение: Если пренебречь коалесценцией пузырьков, то:

.

Ответ: Продолжительность обезвоздушивания прядильного раствора PVC в ДМF в тонком слое при 70 ⁰С составляет 7,5 с.

Пример. Вычислить количество баков-эвакуаторов для обезвоздушивания прядильного раствора на заводе ацетатной текстильной нити производительностью 10 т сутки. Готовая нить СА имеет влажность 6,0% (масс) и содержит 1,5% (масс) замасливателя. При формовании и текстильной обработке нити потери по полимеру составляют 4,0% (масс).

Прядильный раствор содержит 25% (масс) вторичной ацетилцеллюлозы в растворителе, состоящем из 95% (объем) ацетона и 5% (объем) воды.

Вязкость прядильного раствора 65 Па · с. Поверхностное натяжение на границе «раствор-воздух», s_жг = 32,5 · 10^-7 Дж/см², что составляет 32,5 ^. 10^-3 Н/м. Плотность раствора r = 895 кг/м³. Вертикальный бак-эвакуатор имеет объем 10 м³ при внутреннем диаметре цилиндрической части 2230 мм и высоте ее 2500 мм. Высота слоя прядильного раствора в баке, поставленном на обезводушивание, 2300 мм. Коэффициент заполнения такого бака-эвакуатора 0,85.

Решение: Вычислим рабочий объем бака-эвакуатора:

10 · 0,85 = 8,5 м³, что соответствует 8,5 · 895 = 7160 кг прядильного раствора.

Вычислим время выхода пузырька воздуха в соответствии с формулой (36).

Плотность воздуха при 30 ⁰С:

r = 1,293 - 3671,1 ^. 10^{-6 .} 30 = 1,183 кг/м³.

Поэтому:

Вычислим длительность технологического цикла работы бака-эвакуатора. Продолжительность опорожнения бака-эвакуатора, подключенного на прядение, 4 часа. Продолжительность заполнения бака новой порцией прядильного раствора 2 часа. Таким образом цикл работы бака-эвакуатора равен 19,3+4+2 = 25,3 часов.

Вычислим необходимое количество баков-эвакуаторов для обезвоздушивания прядильного раствора.

Из прядильного раствора, содержащегося в одном баке-эвакуаторе, получают: 7160 ^. 0,25^. 0,96 ^. 1,06 ^. 1,015 = 1849 кг готовой нити, т.е.

1,850/25,3 ^. 24 = 1,755 т/сутки.

Для обеспечения стабильной работы завода ацетатной текстильной нити производительностью 10 т/сутки необходимо иметь:

10,0/1,755 = 5,7 = 6 баков.

Предусматриваем установку одного дополнительного резервного бака. 6+1 =7.

Ответ: Общее количество баков-эвакуаторов - 7 шт.