МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

Задорський В. М.

ЕКСТРАГУВАННЯ ТА ПРОСОЧЕННЯ

У ПРОМИСЛОВІЙ ХІМІІ

(системи "рідина–тверде тіло")

Навчальний посібник

Дніпро 2019

УДК 66.002.5.001

З-15

Рецензенти:

Ведь В.Є., доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри інтегрованих технологій, процесів та апаратів Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут»

Губинський М.В., доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри промислової теплоенергетики Національної металургійної академії України, м. Дніпро

Нікольський В.Є., доктор технічних наук, професор кафедри енергетики ДВНЗ УДХТУ, м. Дніпро

Друкується за рішенням Вченої ради ДВНЗ УДХТУ

Протокол № 6 від 20.06.2019 р.

Задорський В.М.

З-15      Екстрагування та просочення в промисловій хімії. Системи "рідина–тверде тіло: Навчальний посібник / Укл. Задорський В.М. – Дніпро: ДВНЗ УДХТУ, 2019. – 136 с.

ISBN 978-617-7478-18-7

УДК 681.3.06+519.6(07)

ISBN 978-617-7478-18 © В.М. Задорський, 2019

У навчальному посібнику для студентів, які навчаються за напрямом підготовки "6.050503  –  Машинобудування" за спеціальністю "133 галузевого машинобудування" з двох предметів "Теорія технічних систем" і "Оптимізація хімічної техніки", на додаток до раніше написаним автором монографій і навчальних посібників описані нові ефективні апаратурні і технологічні засоби і методи вдосконалення промислових установок для процесів екстрагування і просочення в системах "рідина–тверде тіло" в хімії та суміжних галузях виробництва. У книзі висвітлено широке коло питань технологічного перетворення реальної економіки, стосовно, насамперед, до хімічних виробництв. Використані, в основному, результати власних наукових розробок автора та їх комерціалізації. В основі посібника лежить використання ідеології системного аналізу. Вперше показані можливості синергії як інструменту, засоби і методи забезпечення гармонії і принципу відповідності не тільки в реальній економіці. Запропонована, розвинена і всебічно використана нова синергетична концепція креативності, яка заснована не на випадковому пошуку, та не на плагіаті у Природи її рішень ("Сінектікс"), не на виявленні, а потім руйнуванні, подоланні, усуненні, знищенні протиріч (підхід ТРВЗ), а на концепції об'єднання, взаємодії, створення і посилення, нарешті гармонії технічних систем. Такий підхід дозволив автору створити принципово нову технологію винахідництва і розробити нову концепцію та ефективну технологію креативної освіти.

Експериментальна частина роботи виконана автором на кафедрі обладнання хімічних виробництв ДВНЗ УДХТУ. Автор виражає подяку співробітникам кафедри м.н.с. Єгорову С.В., м.н.с. Петренку Ю.В., к.т.н. Ярізу В.А. і Птіцину С.Г, аспірантам Коробко Є.В., Гамову М., Чабану О. за допомогу та участь в проведенні експериментальних досліджень.

Крім студентів, посібник може бути корисним вченим, фахівцям інженерного профілю, підприємцям, молоді, що тяжіє до технологічного інноваційного бізнесу.

ЗМІСТ

Вступ……………………………………………………………………………………….

Розділ 1. Можливості використання системного підходу для дослідження і вдосконалення процесів обробки капілярно-пористих тел. Трохи про системний аналіз – початок всіх початків…………………………………………………………………………………..

Основні визначення………………………………………………………………..

Основні властивості систем……………………………………………………

Ще про деякі особливості системного підходу……………………….

Аналіз життєвого циклу систем.

Трохи про їх інвестування і макросистемах……………………..…….

Місце ХТС в загальній класифікації систем з позицій системотехніки……………………………………………………………………….

Розділ 2. Синергетика – основна зброя при використанні системного аналізу………………………………………………………………....

Все почалося з Мессінга…………………………………………………………..

Синергія як інструмент вдосконалення систем……………………..

Трохи докладніше про синергичні аспекти бізнесу…...…...

Диссинергія……………………………………………………………………………

Ще трохи про визначеннях……………………………………………………..

Список літератури до глави 2…………………………………………………

Розділ 3. Розвиток капілярних технологій……………………………..

Розділ 4. Дослідження конденсаційного просочення з використанням методики повного факторного експерименту………………………………………………………………………….

Таріровка парогенератора……………………………………………………...

Методика проведення експерименту……………………………………..

Методика обробки експериментальних даних……………………....

Важливі доповнення до питань оптимізації технології просочення……………………………………………………………………………...

Список літератури до глав 3,4………………………………………………...

Розділ 5. Розвиток реальних технологій просочення…………….

Короткий огляд методів імпрегнації……………………………………...

Інтенсивність масообмінного процесу в капілярах………………..

Заповнення капілярів рідиною за рахунок капілярних сил і вакууму всередині тупикових і квазітупікових капілярів……...

Експериментальна перевірка технології (на прикладі просочення склотканини компаундом)………………………………….

Розділ 6. Приклади використання просунутої технології……...

Просочення каталізаторів………………………………………………………

Просочення електродів та інших виробів з вуглецю/графіту..

Екстрагування в системі рідина–тверде тіло при добуванні лікарських препаратів і при виробництві продовольства……..

Варіанти процесу варіння кави………………………………………………

Бізнес-пропозиція "Про науково-технічну співпрацю в області модернізації виробництв рослинної олії на підприємствах типу "Олейна"………………………………………………...

Просочення текстильних волокон та різних матеріалів матричної структури смолою…………………………………………………………………..

Вилуговування і витяг металів……………………………………………….

Просочення при створенні електродів для нікелево-кадмієвих акумуляторів………………………………………………………….

Просочення деревини і паперу…………………………….…………………

Створення металовуглецевих сполук…………………………………….

Контрольні питання……………………………………………………………….

Список літератури……………………………………………………………...…...

ВСТУП

Одними з найбільш поширених в хімічній і суміжних галузях промисловості є технології обробки капілярно-пористих тіл (КПТ) рідинами, в які входять такі процеси, як просочення, екстрагування і вилуговування. Крім обробки поширених капілярно-пористих тіл побутового призначення (типу екстрагування кави і чаю, розчинення цукру, вилучення рослинних масел та ін.), існують системи для отримання ефірно-олійних продуктів, лікарських препаратів з рослинної сировини. Набагато ширше просочення капілярно-пористих матеріалів (КПМ) рідкими середовищами поширене в промисловості. Як капілярно-пористі матеріали, що просочуються, можуть бути: папір, картон, деревина (конструкційні елементи, залізничні шпали, паркет та ін.), пористі металеві матриці, тканини, пластини електродів акумуляторів.

Поряд з традиційними галузями застосування, процеси обробки капілярно-пористих тіл все частіше використовують в ряді порівняно нових областях техніки, перш за все, в нанотехнологіях і виробництвах композитних матеріалів. Особливо ефективним виявилося при цьому створення каркасної основи з її подальшою обробкою просочувальною рідиною для заповнення капілярів і пор компонентом композитного матеріалу. Композитні матеріали з абсолютно новими властивостями можуть бути отримані не тільки після змішування їх складових, а й тоді, коли каркас виробу складається з твердого і міцного капілярно-пористого матеріалу, а заповнення всередині капілярів і пор каркаса проведено більш м'якими і пластичними, наприклад, полімерними матеріалами з особливими технологічними властивостями. Це розширює можливості композитних матеріалів, особливо в таких областях техніки, як виробництво виробів методами порошкової металургії, металовуглецевих сполук, метало- або вуглецево-полімерних виробів та ін. В таких зазвичай багатостадійних виробництвах найбільш серйозної уваги потребує управління окремими стадіями процесу шляхом їх поєднання і використання синергетичних ефектів цього поєднання. Раніше проведені автором роботи за суміщенням реакційних і масообмінних, тепло- і масообмінних процесів в системах газ (пара)–рідина в багатьох випадках дозволили збільшити їх швидкості в десятки разів. При цьому, використовували як суміщення процесів в одному апараті за місцем протікання операцій, так і суміщення за часом, коли одночасно проводили тепло і масообмінні процеси. Але найбільш ефективними виявилися синергетично суміщені процеси.

Однією з важливих та актуальних проблем Украйни є проблема охорони навколишнього середовища від забруднення твердими відходами, яка висуває необхідність створення екологічно чистих і маловідходних технологій, які дозволяють повніше використовувати вторинні джерела сировини. В Україні все більш уваги приділяють проблемі пошуку та залученню до енергетичного балансу країни нових, альтернативних джерел палива. Удосконалення енергетичної бази країни неможливо без підвищення ефективності використання джерела енергії та залучення до енергобалансу країни нетрадиційних місцевих видів палива, зокрема, рослинних відходів.

З метою поліпшення якісних характеристик матеріалів з нетрадиційних джерел, наприклад, органічних твердих відходів, використовуються різноманітні способи їх просочення, що дозволяють підвищити якість одержуваної продукції залежно від призначення використовуваного матеріалу. Однак, традиційно для просочення використовується дороге вакуумне й нагнітальне обладнання, складні та небезпечні автоклавні установки, тому вдосконалення діючих і створення нових гнучких ресурсо- і енергозберігаючих технологій просочення та їх апаратурного оформлення без вакуумного обладнання, та обладнання, що працює під тиском, є актуальною задачею, що має важливе народногосподарське значення.

Протягом багатьох років співробітниками кафедри ОХВ проводилися роботи щодо інтенсифікації процесу просочення капілярно-пористих матеріалів (КПМ), заснованого на використанні конденсації перегрітої пари просочувальною рідиною, що заповнює капіляри до моменту контакту КПМ з останньою. Сама концепція заміщення повітря, що перешкоджає заповненню капілярів, "зникаючим" газоподібним агентом, вже досить обґрунтована і показана її перспективність. В. Ярізом проведені дослідження конденсаційного просочення пористого титану, фторопласту, носіїв каталізаторів, склотканини водою (водними розчинами або суспензіями) після повного заповнення капілярно-пористої структури перегрітою водяною парою. На промисловій установці досліджувалося просочування деревини масляним антисептиком, проте конденсаційний ефект використовувався додатково до традиційної схеми просочення деревини, тобто як і раніше використовувалося автоклавне обладнання, здатне працювати як при значному розрядженні, так і при підвищеному тиску (0,8 МПа). Результати застосування вищеописаного способу просочення деревини показали, що проведення процесу просочення за пропонованим способом зумовило більш глибоке і рівномірне проникнення антисептика в структуру і місцеві дефекти деревини при деякому зменшенні витрат антисептика (з розрахунку на 1 м³) і скорочення часу витримки матеріалів під тиском антисептика в два рази, відсутність піролізу деревини внаслідок ведення процесу при більш низьких температурах просочувального масла, а також до значного зменшення кількості пари антисептика при вивантаженні та охолодженні просочених лісоматеріалів. Тобто по суті, використання конденсаційного ефекту в роботах Яріза В. підвищило екологічність виробництва та умови праці обслуговуючого персоналу, проте не спростило апаратурно-технологічне оформлення процесу просочення деревини. Також не запропонований для випадку просочення деревини математичний опис і не проведена його дискримінація шляхом узгодження з показниками дослідної установки, не оцінений вплив конденсаційного ефекту на якість просочення, не акцентовано увагу на понятті якості просочення і його кількісній оцінці, не вказані порівняльні дані використання конденсаційного ефекту з відомими способами просочення. Не зрозумілий шлях оптимізації процесу просочення деревини за рахунок конденсаційного ефекту. Крім того, кінетика заміщення інертної газової фази (повітря в капілярно-пористій структурі оброблюваних матеріалів) і заповнення капілярів рідиною була вивчена недостатньо, хоча це питання становить значний теоретичний і практичний інтерес.

Важливим є також спрощення апаратурно-технологічного оформлення процесу обробки капілярно-пористих тіл за рахунок збільшення швидкості процесу шляхом використання в капілярно-пористій структурі конденсаційного ефекту, а також збільшення глибини просочення з одночасним прискоренням процесу просочення, оптимізація технології та обладнання, поліпшення економічної ефективності, поліпшення екологічності, збільшення інтенсивності, зменшення трудомісткості процесу.

Тому автор з колегами в більш пізніх дослідженнях займався не тільки аналізом рівня розвитку технології просочення капілярно-пористих тіл, але й:

– визначенням областей знань в цій області, які вимагають подальших досліджень, а також виявленням технологічних процесів, які можливо інтенсифікувати за рахунок спеціальної обробки матеріалу;

– розробкою методики дослідження просочення, яка дозволяла б визначати інтенсивність і глибину просочення матеріалів;

– визначенням можливості зміни рушійної сили процесу капілярного просочення за рахунок використання різниці між атмосферним тиском в апараті і вакуумом в капілярах за рахунок конденсації пари;

– вивченням можливості використання симбіозу і синергії при суміщенні процесів просочення і сушіння в просторі та часі для вдосконалення апаратурно-технологічного оформлення;

– проведенням дослідження впливу конденсаційних ефектів на кінетику та якість просочення з використанням методів математичного планування експерименту;

– отриманням регресійної моделі процесу для імітаційного моделювання і визначення оптимальних режимів процесу просочення;

– розробкою критеріїв оцінки ефективності конденсаційного просочення;

– отриманням і використанням регресійної моделі для імітаційного моделювання;

– забезпеченням поліпшення результатів оцінки впливу конденсаційного ефекту та ін.;

– розробкою сучасної методики кількісної оцінки впливу конденсаційного ефекту на кінетику та якість просочення з використанням сучасної обчислювальної техніки і сучасних прийомів обробки графічної інформації.

Отже, основний об'єкт даного посібника – апаратурно-технологічне оформлення процесу просочення КПМ, а предметом основної наукової роботи для цього було вивчення конденсаційного ефекту та його впливу на кінетику та якість просочення, а також симбіозу і синергії при суміщенні процесів просочення і сушіння в просторі і часі для вдосконалення апаратурно-технологічного оформлення.

Використовувалася методика повного факторного експерименту та обробка результатів експериментальних досліджень методами математичної статистики, що дозволило на базі експериментальних результатів досліджень кінетики окремих стадій процесу просочення з використанням законів системного аналізу та синергетики отримати і реалізувати інноваційні напрями розвитку імпрегнаційних технологій для великої кількості практично цікавих промислових технологій.

Все це дозволило запропонувати і використовувати алгоритм оптимізації технологічних процесів для обробки ряду практично важливих систем капілярно-пористих твердих матеріалів (КПМ), що полягає в послідовному виконанні декомпозиції систем і встановленні їхньої ієрархічної структури, визначенні лімітуючого рівня для кожної ієрархічної структури, визначенні на цьому рівні синергетичного зв'язку конкуруючих технологічних процесів, підборі методів впливу на ці процеси на основі принципу відповідності (гармонізації) з урахуванням їх синергетичної взаємодії. Крім того, виконаний системний аналіз процесів обробки КПМ і показано, що для більшості промислових процесів обробки матеріалів капілярно-пористої структури (папір, картон, деревина, конструкційні елементи, шпали, паркет, пористі металеві матриці, каркаси композитних матеріалів, тканини, пластини електродів акумуляторів, зерна пористих каталізаторів, обмотки статорів і роторів електродвигунів, електролітичні конденсатори, будівельні конструкції, архітектурні споруди та інше) для збільшення швидкості та ефективності просочення доцільне синергетичне (гармонія, відповідність) зближення швидкості видалення повітря, наприклад, шляхом десорбції агентом, що конденсується, і швидкості заповнення об’єму капілярів після конденсації пари в них.

Нарешті, запропоновані і в даному посібнику вперше описані:

– інноваційна технологія просочення, яка полягає в тому, що предмети з капілярно-пористих матеріалів, що вимагають просочення, попередньо підігрівають одним з відомих способів, потім проводять десорбцію повітря з капілярів і пор перегрітою парою просочувальної рідини, охолоджують опрацьований матеріал холодною просочувальною рідиною, забезпечуючи синергетичний (прямий і зворотний) зв'язок десорбції і заповнення капілярів рідиною за рахунок інверсії фаз агента, що десорбується, і який знаходиться в капілярах і порах КПМ, і створення в останніх вакууму за рахунок цього, з наступним заповненням капілярів і пор просочувальною рідиною за рахунок перепаду тиску між тиском в просочувальній камері і в капілярах;

– отримано математичний опис з використанням методики математичного планування експерименту, отримана регресійна модель конденсаційного просочення КПМ на прикладі пелет, яка дозволила визначити область оптимуму конденсаційного процесу просочення капілярно-пористого матеріалу (зокрема, пелет), що враховує, на відміну від моделі Альтшулера, ефект конденсації перегрітої пари і взаємний вплив процесів, що суміщаються;

– вперше запропоновано використовувати перегріту пару в якості термічного агента при суміщенні просочення з сушінням та іншими процесами термічної обробки.

– запропоновано апаратурне оформлення процесу просочення КПМ (на прикладі пелет) у вигляді блочно-модульного комбінованого апарата, в якості якого при незначній реконструкції може бути використана сучасна автоматизована сушарка, теплоносієм в якій є перегріта водяна пара атмосферного тиску;

– запропоновано для оптимізації апаратурно-технологічного оформлення процесу просочення використовувати синергетичний прямий і зворотній зв'язок апаратурного оформлення і технологічних параметрів;

– запропоновано технологію турбулізації рідкої фази в просочувальному апараті подачею гострої перегрітої пари просочувальної рідини для утворення зон локальної турбулізації при конденсації бульбашок пари і визначені амплітудно-частотні характеристики коливань в рідини, що виникають при конденсації бульбашок, при необхідності оптимізації гідродинамічних режимів всередині капілярів;

– запропоновано методику та експериментальну установку для дослідження кінетики конденсаційного просочення КПМ з використанням в якості повітря, що десорбується, агента перегрітої пари рідини;

– розглянуто особливості кінетики синергетично суміщених технологічних процесів, що відбуваються на різних стадіях обробки КПМ, і устаткування для їх реалізації;

– розглянуто можливості гармонізації взаємопов'язаних протилежноспрямованих процесів, що перебігають в капілярно-пористих тілах, шляхом зближення їх кінетичних характеристик і визначено умови їх гармонійного проведення;

– запропоновано інноваційне апаратурно-технологічне оформлення просочення капілярно-пористих тіл, засноване на використанні синергетичних ефектів процесів десорбції повітря з капілярів додатковим газопароподібним агентом замість його молекулярної дифузії, наступною конденсацією цього агента і створенням локального вакууму в порожнинах КПМ за рахунок цього, який призводить до заповнення капілярів і пор рідкою фазою;

– проведено апробацію інноваційних процесів конденсаційного просочення КПМ в реальних виробництвах модифікованої деревини, кераміки, піно-газобетону, декількох типів пелет, вилуговування сполук урану в блокових агрегатах;

– запропоновано апаратурно-технологічне оформлення суміщеного процесу просочення в сучасній автоматизованій сушарці, що працює на перегрітій водяній парі атмосферного тиску, що виключає застосування для процесу просочення вакуум-насосів, компресорів, автоклавів, а також дозволяє звести кількість міжопераційних транспортних стадій до нуля;

– запропонована методика кількісного визначення якості просочення деревини може бути використана не тільки для обробки пелет, а й для інших гетерогенних систем, зокрема, систем газ–рідина і газ–рідина–тверде тіло. Особливо ефективне використання нової методики досить точного кількісного визначення площі фарбованих плям може бути при аналізі складу речовин по площах плям в паперовій та тонкошарової хроматографії, а також при обробці графічної інформації, одержуваної у вигляді пікоподібних діаграм від хроматографів, хроматомаспектроскопів, спектрофотометрів, денситометрів;

– показана можливість використання розробленої технології для просочення капілярно-пористих матеріалів (зокрема деревини) антисептиками, антипіренами, фунгіцидами, гідро-фобізаторами, барвниками, речовинами, що модифікують, та інше, при виробництві або обробці капілярно-пористих матеріалів.

Розроблена технологія просочення пелет і рекомендації щодо її апаратурно-технологічного оформлення, передані відповідно до договору ДВНЗ УДХТУ з компанією ТОВ "Новотех" на виконання науково-дослідної роботи: «Апаратурно-технологічне оформлення виробництва, пов'язаного з переробкою матеріалів капілярно-порозної структури» .

Крім того, запропонована методика екстрагування урану з уранової руди за допомогою конденсаційного ефекту. Показано, що запропонована технологія може бути використана при виробництві або обробці будівельних матеріалів для їх просочення гідрофобізаторами, барвниками, антисептиками, антипіренами, фунгіцидами та ін. Процес полегшує і спрощує традиційні технології просочення як пелет, так і інших матеріалів, дозволяє обробляти відразу великі партії виробів або вироби великих розмірів. Метод усуває використання вакууму і/або обладнання високого тиску, а також вимагає тільки незначні зміни в існуючому обладнанні або досить використання лише однієї додаткової сушильної установки (при деякій апаратурно-технологічній адаптації до просочувальним умов), що працює на перегрітій парі.

Основою технології обробки КПМ є проста трьохстадійна підготовка матеріалу і виробів безпосередньо перед просоченням. Попередня обробка приводить до видалення повітря, що знаходиться в порах, за рахунок нагріву матеріалу, введення і потім видалення певного газу, наприклад, перегрітої водяної пари. Це включає в процес кожну пору і приводить до їх миттєвого і повного заповнення протягом наступного занурення або обробки диспергованим відносно холодним просочувальним розчином. Технологічний газ і параметри обробки можуть бути адаптовані для кожної системи (тобто для будь-яких капілярно-пористих тіл). Змінюючи режимні параметри (температуру перегрітої пари і час обробки перегрітою парою), можна регулювати глибину просочення.

Таким чином, в посібнику вперше описаний ряд нових методів підвищення ефективності та інтенсивності процесів в системах рідина–тверде тіло. Зокрема, запропоновано використовувати ефекти синергетичного поєднання декількох стадій технологічного процесу при просочуванні капілярно-пористих тіл для підвищення їх швидкості та ефективності за рахунок ефектів їхньої емерджентності та інтеректності. Запропоновано використовувати перегріту пару розчинника екстрагента при атмосферному тиску в якості робочого агента для створення конденсаційного ефекту та управління якістю і швидкістю просочення. Показана також можливість проведення процесів просочення/екстракції при атмосферному тиску з відмовою від міжопераційних транспортних операцій і без використання для організації технологічного процесу вакуум-насосів, компресорів, автоклавів.

Принципово новими є також процеси обробки капілярно-пористих тіл з використанням конденсаційних ефектів при конденсації перегрітої водяної пари, використаної для витіснення повітря з капілярів і пор перед їх заповненням рідиною. Одним з перших серед нових методів був запропонований спосіб просочення капілярно-пористого матеріалу, при реалізації якого предмети з капілярно-пористих матеріалів, що вимагають просочення, перед зануренням в просочувальну рідину попередньо підігрівають до температури, вищої, ніж температура конденсації пари рідини, потім обробляють перегрітою парою просочувальної рідини (водні середовища, що містять розчинені або зважені речовини технологічного призначення, які повинні бути доставлені в капіляри і пори, розчинники, розплави металів та інших речовин) або речовини, які добре розчиняються або реагують з рідиною, потім занурюють в просочувальну рідину з температурою, нижче температури конденсації пари [Пат. 67662 Україна, МПК (2006) B05D 1/18, B05D 3/00, B29B 15/10 Спосіб просочення капілярно-пористого матеріалу / Задорський В.М. (Україна). – 2003119900; заявл. 04.11.03, опубл. 15.06.04, бюл. № 6].

РОЗДІЛ 1. МОЖЛИВОСТІ ВИКОРИСТАННЯ СИСТЕМНОГО ПІДХОДУ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ І ВДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСІВ ОБРОБКИ КАПІЛЯРНО-ПОРИСТИХ ТІЛ. ТРОХИ ПРО СИСТЕМНИЙ АНАЛІЗ – ПОЧАТОК ВСІХ ПОЧАТКІВ

Нещодавно редакція одного досить авторитетного наукового хімічного журналу не в перший раз відхилила наукову статтю автора. Ні-ні, не через плагіат, а тому, що явний ретроград, вчений хімік (рецензент) та й вся редакція просто не уявляють собі, як можна у багато разів прискорити хімічний процес, не змінюючи його хімізм і не використовуючи традиційні у хіміків ігри зі зміною тиску, температури, заміною каталізатора, а тільки осмисленим використанням все ще мало поширеного в хімії інструменту – синергії з позицій системного аналізу. Вже так вийшло, що синергією автор зайнявся досить давно, коли Хакен ще не написав свою знамениту книгу про цю науку, та й назви такої ще не придумали. Автор, працюючи на хімзаводі, задовго до того, як захопився наукою, вже намагався використовувати при пошуку рішень щодо вдосконалення того чи іншого об'єкта принцип взаємозв'язку, та чого там взаємозв'язку – нерозривної єдності хімічної технології та обладнання, в якому вона реалізується, і всі перші патенти були засновані на цьому. Автор, механік за освітою, виконав ще один дипломний проект і став інженером-технологом. На цій єдності була заснована кандидатська дисертація, потім перші книги. Кафедру, якою довго завідував автор, перейменували в кафедру хімічної техніки, маючи на увазі, що поняття "техніка" відповідає єдності понять "обладнання" і "технологія". Докторська дисертація була взагалі за двома цими спеціальностями. Втім, в ній навіть слова "синергія" не було, але ідеї системного походу, синергії і навіть диссинергії були її основою.

Віддаючи данину цій, може бути, і не дуже традиційній науці (скоріше чудовій інженерній концепції), автор пише цю книгу, в якій спробує, не зловживаючи зайвою математизацією при викладі, перш за все, при математичному моделюванні, не вдаючись до злощасних концепцій "чорного ящика" і побудованих по декількох точках настільки улюблених хіміками поліекстремальних кінетичних кривих, за можливістю, простою мовою, зрозумілим і починаючому вченому і інженеру, написати про засоби і методи синергії, використані при удосконаленні самих різних хімічних виробництв, в більшості своїй розроблених автором або за його участю і тим або іншим способом реалізованих або апробованих в реальних виробництвах з позитивними результатами.

Пропрацювавши понад півстоліття у вищій школі, автор переконався, що інформація легше засвоюється під час жвавого діалогу, а студенти, на жаль, основний час все ще витрачають на написання не завжди досконалих конспектів лекцій (і це в епоху комп'ютерних та інформаційних технологій!), виконання архаїчних, часто просто безглуздих курсових і лабораторних робіт. Багато під тиском цієї ситуації, студенти втрачають інтерес до навчання і прагнуть лише отримати залік і здати іспит, а після закінчення навчання – диплом, який часто використовують як візитну картку під час вступу на роботу, на жаль, не за фахом.

Думаю, людству потрібен новий тип мислення – креативний. Формування людини креативного типу передбачає освоєння їм принципово нової культури мислення, суть якої, врешті-решт, полягає в розвитку інтелекту людини за допомогою нетрадиційних технологій навчання. У таких технологіях акцент робиться не стільки на організацію і переробку знань, скільки на їх породження. Це питання тісно поєднується з технологіями породження інтелектуальної власності, які є предметом заклопотаності людства дуже давно. Тут також системний аналіз в поєднанні з ефективним засобом його реалізації – синергією займають не останнє місце.

Перш, ніж перейти до ознайомлення з цією наукою синергією, що порівняно недавно з'явилася, доведеться згадати хоча б найзагальніші властивості систем і прийоми системного аналізу, одним із основних засобів реалізації якого, власне, і є синергія.

Основні визначення

Теперішній час характеризується постійним наростанням комплексних проблем, що вимагають для свого вирішення все більше інформації та участі фахівців різних областей знань. Все гостріше відчувається потреба у фахівцях «широкого спектра» знань, які вміють ці знання узагальнювати. В міру ускладнення типів виробництв, ускладнюються і відносини у всіх сферах людської діяльності. Виникають завдання, вирішення яких неможливе без використання поняття комплексного системного підходу. Для узагальнення дисциплін, пов'язаних з дослідженням і проектуванням складних систем частіше використовується термін «системні дослідження». В даний час системний підхід використовується і піддається осмисленню філософами, біологами, кібернетиками, фізиками, інженерами, соціологами, економістами та іншими фахівцями. Системний підхід увійшов в сучасну теорію організації управління як особливо затребувана методологія наукового аналізу і мислення. Здатність до системного мислення стала однією з вимог до сучасного керівника, особливо, до проектного менеджера. Системне мислення – не справа вільного вибору, а виробнича необхідність. Без нього практично неможливо сьогодні займатися оптимізацією будь-яких складних систем, в тому числі, технічних.

Центральним поняттям системного аналізу є поняття "система". Підсумовуючи численні визначення, які наведені в широковідомій літературі, отримаємо: система є сукупність елементів (підсистем). При певних умовах самі елементи можуть розглядатися як системи, а досліджувана система – як елемент більш складної системи. Зв'язки між елементами в системі перевершують за силою зв'язку цих елементів з елементами, що не входять в систему. Ця властивість дозволяє виділити систему з середовища. Для будь-якої системи характерне існування інтеграційних якостей (властивість емерджентності), які притаманні системі в цілому, але не властиві жодному її елементу окремо: систему не можна зводити до простої сукупності елементів; система завжди має цілі, для яких вона функціонує та існує.

Отже, під системою зазвичай розуміють безліч елементів, що знаходяться у відносинах і зв'язках між собою і реалізують єдиний ланцюг, який утворює певну цілісність, єдність. Будь-який елемент системи може розглядатися як система нижчого порядку, а сама система – як елемент системи вищого рівня. При аналізі або синтезі систем застосовують поняття ієрархічності, вважаючи, що окремі рівні системи обумовлюють аспекти її поведінки, а функціонування всієї системи є результатом взаємодії всіх рівнів ієрархії. Наявність відносин і зв'язків між елементами, що утворюють систему, не заважає їй бути єдиним цілим у взаєминах із середовищем. У той же час властивості окремих елементів, так звані інтегративні зв'язки всередині системи, нарешті визначають її властивості в цілому.

Відповідно до загальних принципів системного аналізу, його стратегією та ієрархічною структурою хімічного виробництва кожен процес формалізується як складна фізико-хімічна система. Сутність системного аналізу визначається його стратегією, в основі якої лежать загальні принципи, застосовні до вирішення будь-якої системної задачі. До них можна віднести чітке формулювання мети дослідження; постановку завдань щодо реалізації цієї мети, опис завдань в загальному вигляді, визначення критерію ефективності їх вирішення; розробку розгорнутого плану дослідження і послідовне просування по всьому комплексу взаємопов'язаних етапів і можливих напрямків; організацію послідовних наближень і повторних циклів досліджень на окремих етапах; принцип спадної ієрархії аналізу і висхідній ієрархії синтезу в рішенні складових приватних завдань.

Системний підхід являє собою певний етап у розвитку методів пізнання, методів дослідження і конструювання, способів опису і пояснення природних або штучно створених об'єктів. Найбільш широке застосування системний підхід знаходить при дослідженні складних об'єктів, що розвиваються, – багаторівневих ієрархій, як правило, самоорганізованих біологічних, психологічних, соціальних, економічних та інших систем.

Часто виникає питання про співвідношення системного підходу і системного аналізу. Обидва ці словосполучення зустрічаються в спеціальній літературі і завоювали право на життя. На підставі вищевикладеного можна сформулювати наступне визначення системного підходу – це методологічний напрям в науці, основне завдання якого полягає в розробці методів дослідження і конструювання сложноорганізованих об'єктів – систем різних типів і класів. Можна зустріти двояке розуміння системного підходу: з одного боку, це розгляд, аналіз існуючих систем, з іншого – створення, конструювання, синтез систем для досягнення цілей. Таким чином, системний підхід ширше системного аналізу: системний підхід – це напрям, методологія, яка немислима без першої його стадії – системного аналізу. Системний аналіз використовується як один з найважливіших методів в системному підході, як ефективний засіб вирішення складних, зазвичай недостатньо чітко сформульованих проблем. Відповідно, системний аналіз зводиться до уточнення проблеми та її структуризації в серію завдань, що вирішуються за допомогою, найчастіше, математичних методів, знаходженню критеріїв для їх вирішення, деталізації цілей. Системний аналіз можна вважати подальшим розвитком ідей кібернетики: він досліджує загальні закономірності, що відносяться до складних систем, які вивчаються будь-якою наукою. Отже, системний аналіз – сукупність методів і засобів дослідження і конструювання складних об'єктів, перш за все методів обґрунтування рішень при створенні та управлінні технічними, економічними, соціальними та іншими системами.

Системний аналіз виник в 60-х рр. XX ст. як результат розвитку дослідження операцій і системотехніки. Він застосовується головним чином до дослідження штучних (що виникли за участю людини) систем, причому в таких системах важлива роль належить діяльності людини. При формальному розгляді деяких системних одиниць використовують нескладні допоміжні концепції «чорних ящиків» і «білих ящиків». Чорний ящик – поняття кібернетики, за допомогою якого намагаються впоратися з труднощами при вивченні складних систем. Подання системи у вигляді чорного ящика означає, що при теперішньому рівні знань ми не можемо проникнути вглиб даної системи (або підсистеми) і розібратися, які внутрішні закономірності, що перетворюють її входи і виходи. Однак, ми можемо вивчати поведінку цих входів і виходів, тобто залежність змін на виході від змін на вході. Багаторазовий облік дозволяє відкрити закономірність між поведінкою входів і виходів і передбачити поведінку системи в майбутньому, а значить, управляти нею. Іноді, якщо відомий закон перетворення, зв'язок між входом і виходом, цю закономірність можна уявити в аналітичній формі. Тоді, «чорний ящик» – це об'єкт, який сприймає вхідні сигнали і генерує вихідні сигнали, попередньо асоціюючи їх з входом по деякому закону. Тільки в цьому випадку вдається встановити пояснювальні механізми поведінки системи при впливах і виявити нові закономірності, відкрити нові, раніше невідомі факти. Будується модель передбачуваної схеми і перевіряється, чи збігається її реакція з реакціями «чорного ящика». Чим більше збігів, тим ближче до реальної схеми. Успіхи в аналізі та конструюванні систем можуть бути умовно представлені як поступове заміщення «чорних ящиків» «білими ящиками». Якщо бути чесним, на жаль, до цього зазвичай справа доходить дуже рідко, частіше дослідники систем обмежуються припущеннями в стилі "мабуть...".

Крім цього, навіть великі любителі системного аналізу пишуть, що «як правило, для складних організаційних систем він ніколи не може бути доведений «до кінця» в силу постійно змінювальних зовнішніх або внутрішніх умов. Коротше, приїхали до того, що «судилися нам благі пориви, але здійснити нічого не дано". Все обмежується благими намірами отримати модель системи, за допомогою якої можна було б дослідити властивості і прогнозувати поведінку системи, яку рідко кому вдається отримати навіть для найпростіших об'єктів. У той же час, будь-яке представлення про об'єкт, будь-яке узагальнення, будь-яка модель мають свою область застосування. І за її межами використання досягнутого узагальнення цілком може виявитися невірним. Тому багато наших проблем виникають не тому, що ми користувалися неправильною моделлю, а тому, що ми її застосовували не там, де вона може працювати. З побудовою уявних моделей навколишнього пов'язана ще одна цікава річ. Вже давно було помічено, що одне й те саме явище можна описати по-різному, побудувати різні моделі, але жодна з них не буде вичерпною. Мало того, в різних випадках зручними можуть виявитися різні моделі одного і того ж явища, залежно від завдання дослідження. Системне мислення вимагає нового погляду на моделі: не може бути відображена реальність (складна система) єдино правильною моделлю системи. І в різних випадках, в різних ситуаціях ми зможемо застосовувати ту модель, яка краще відображатиме дане явище.

Отже, традиційно системний підхід і системний аналіз виступають в якості методології дослідження складних об'єктів за допомогою представлення їх як систем, моделювання цих систем та їх аналізу. Відповідно системний аналіз зводиться до уточнення складної проблеми та її структуризації в набір завдань, що вирішуються за допомогою математичних методів, деталізації цілей, знаходженню критеріїв оптимізації, конструювання ефективного вирішення для досягнення цілей. Такий підхід до системного підходу та аналізу істотно знижує ефективність і навіть можливості їх використання.

Основні властивості систем

Спробуємо стисло розглянути основні властивості систем. На жаль, мислення людини несистемно: люди не встигли в процесі еволюції виробити системне бачення світу. Наша уява створює усічений образ всього об'єкта, який потрібно вивчити, досліджувати з метою його зміни або вдосконалення. Людина як би бачить зображення об'єкта на одному екрані, причому найчастіше недостатньо повно. Для пояснення цієї обставини в ходу стара притча про трьох сліпих індусів, які за розпорядженням раджі з'ясовували, що уявляє собою слон. Кожен з них для цього обмацував частина слона і розповідав про свої враження. Перший сліпий простягнув руку і торкнувся боку слона: «Який гладкий! Слон схожий на стіну». Другий сліпий простягнув руку і торкнувся хобота слона: «Який круглий! Слон схожий на змію». Третій сліпий простягнув руку і торкнувся хвоста слона: «Який тонкий! Слон схожий на мотузку». Зав'язалася суперечка, оскільки кожен сліпий вважав свій опис слона правильним. Раджа, розбуджений шумом, вийшов на балкон. «Слон – це велика тварина», – сказав він. – «Кожен з вас доторкнувся лише до однієї його частини. Вам доведеться скласти всі частини разом, щоб дізнатися, на що схожий слон». Просвітлені мудрістю раджі, сліпі дійшли згоди: «Кожен з нас знає тільки частина істини. Щоб знайти істину цілком, ми повинні скласти всі частини разом». Вони не змогли за влучним висловом частин системи скласти правильне уявлення про всю систему – слон. Системне мислення запалює одночасно, як мінімум, три екрани: надсистему (група слонів), систему (слон) і підсистему (якийсь орган слона). Це мінімальна схема. Для вирішення системних завдань потрібно включити і інші екрани, які допоможуть подивитися на систему в розвитку, в часі. Теоретики системного аналізу говорять, що «дев'ять (мінімум дев'ять!) екранів системно і динамічно відображають системний і динамічний світ». І тоді мета системного підходу, – спираючись на вивчення об'єктивних закономірностей розвитку систем, надати правила організації мислення за багатоекранною схемою. Отже, перша властивість системи – по частині системи не можна охарактеризувати всю систему.

Системний підхід орієнтує дослідника на розкриття цілісності об'єкта, на виявлення різноманітних типів зв'язків у ньому і зведення їх в єдину теоретичну картину. В даний час під системним підходом розуміють напрямок методології наукового пізнання, в основі якого лежить розгляд об'єктів як систем. Відповідно, суть системного підходу полягає в уявлені про об'єкт як про систему. Крім цього, системний підхід являє будь-яку систему як підсистему (ієрархічний рівень): над будь-якою системою є надсистема, яка знаходиться на більш високому рівні ієрархії систем, і під кожною системою є підсистема на більш низькому рівні ієрархії. Отже, кожен ієрархічний рівень пов'язаний з вищележачим і нижчележачим прямими і зворотними зв'язками і виступає як би в двох іпостасях одночасно – вищого і нижчого рівня. А в цілому система рівнів утворює начебто ієрархічні сходи взаємопов'язаних рівнів. Це друге фундаментальне властивість системи.

Ми спробували вирішити абсолютно нестандартну задачу – чи можна використовувати системний підхід без стадії моделювання системи (за принципом "розумний в гору не піде, розумний гору обійде"). Ми звернули увагу на деякі властивості систем, перш за все технічних, на які не звернули увагу прихильники класичного підходу. Отже, продовжимо розглядати властивості систем вже з нових позицій – відмови від математичного моделювання. Перш за все, необхідно відзначити, що в техніці системний аналіз проводять не з любові до мистецтва, а з метою цілком конкретного і ринкового завдання – оптимізації системи. При вирішенні цього утилітарного завдання ми звернули увагу на те, що будь-яка багаторівнева технічна система (а інших і не буває!) з точки зору оптимізації може бути охарактеризована на одному, лімітуючому, визначальному всі властивості системи ієрархічному рівні. А тоді нема чого займатися оптимізацією всієї системи, ніж часто займаються початківці вчені і не тільки в техніці, а й в економіці, політиці, при вирішенні соціальних проблем. Досить сформулювати і вирішити задачу на цьому лімітуючому рівні, і це набагато простіше і дешевше. А, головне, як буде показано нижче, цілком можливо обійтися без малокорисного в цьому випадку процесу математичного моделювання. І наявність лімітуючого рівня – важлива третя фундаментальна властивість будь-якої ієрархічної системи.

І ще одна важлива четверта властивість, яку обов'язково необхідно зазначити. Ми живемо в світі коливань. На кожному рівні обов'язково є власні коливання резонансної частоти та амплітуди.

П'ята властивість, яку нам також буде потрібно, полягає в тому, що амплітудно-частотні характеристики власних коливань на кожному рівні визначаються його так званими характеристичними розмірами. Згадаймо хоча б про низькочастотних цикли Кондратьєва, які мають велику амплітуду, так як відбуваються на найвищих ієрархічних рівнях системи з великими характеристичними розмірами. А також згадаємо про те, що температура будь-якого тіла визначається високочастотними коливаннями його молекул, що мають надзвичайно малі визначають розміри.

І, нарешті, шоста властивість, яку автору доведеться привести, полягає в тому, що параметри оптимізації системи на кожному її ієрархічному рівні різні за масштабом і визначаються також його амплітудно-частотними характеристиками. Справді, на самих верхніх ієрархічних рівнях працюють глобальні параметри – індекси стійкості розвитку, про які автор вже писав раніше, на нижчих рівнях – економічні параметри, нижче – техніко-економічні параметри, потім – чисто технічні і, нарешті, на найнижчих ієрархічних рівнях – кінетичні (наприклад, константа швидкості хімічної реакції або коефіцієнт масопередачі).

Ось тепер можна, нарешті, розкрити таємницю понад чотирьох сотень винаходів і патентів, а також причину нескромних заяв про те, що автор з учнями можуть досить швидко оптимізувати будь-яку технічну систему, не сильно переживаючи з приводу відсутності математичної моделі процесу. Нехай вас надихне на подальше читання цієї книги той факт, що алгоритм оптимізації, який запропонований автором, раніше не був опублікований і здивує своєю простотою і результативністю, бо все самобутнє просто. Отже, алгоритм оптимізації за спрощеним до неподобства системним підходом, простий:

– декомпозиція системи та отримання багаторівневої ієрархічної градації;

– дослідження системи на етапі аналізу (визначити межі досліджуваної системи, визначити всі надсістеми, визначити основні риси та напрями розвитку всіх надсистем і роль досліджуваної системи в кожній надсистемі, виявити склад системи, уточнити структуру системи, визначити функції компонентів системи. Виявити причини, які об'єднують окремі частини в систему, в цілісність, визначити всі можливі зв'язки системи з зовнішнім середовищем, розглянути систему в динаміці, в розвитку);

– визначення лімітуючого рівня системи. Це найважча творча частина системного аналізу, яка, власне, і є моїм основним ноу-хау. Зазначу тільки, що ми використовуємо наявні кінетичні дані про процес, що перебігає в технічній системі, іноді доводиться в умовах обмежених даних отримувати деякі додаткові дані про кінетику за оригінальними спрощеними методиками (найчастіше не потрібні точні значення, а лише тенденції їх зміни);

– визначення амплітудно-частотних характеристик власних коливань системи на лімітуючому рівні. Накладення зовнішніх збурень з близькими параметрами коливань викликають резонансні явища в об'єкті оптимізації на лімітуючому рівні. Це явище ми назвали принципом відповідності або гармонії;

– підбір в створених нами базах даних режимно-технологічних (РТ) і апаратно-конструктивних (АК) методів оптимізації, близьких за амплітудно-частотними характеристиками до характеристик коливань об'єкта на лімітуючому рівні;

– перевірка значущості та результативності прийнятих рішень на фізичній моделі або безпосередньо на системі. Мета проведення цього етапу полягає в перевірці виконання поставленого завдання.

Ще про деякі особливості системного підходу

Отже, ми живемо в світі систем. Це не тільки технічні, але і біологічні, політичні, соціальні та ін. Можна вважати системи способом існування навколишнього нас світу. У загальному випадку будь-яка система – це безліч окремих об'єктів зі зв'язками між ними. Перевагою погляду на світ з позицій системного підходу є не тільки можливість розширити і поглибити уявлення про механізми взаємодії об'єктів (підсистем) в системі, вивчення і, можливо, відкриття її нових властивостей, але і підвищення ефективності її функціонування.

Залишилося написати про системний аналіз зовсім небагато. Перш за все, виконаю обіцянку докладніше розповісти про принцип відповідності (гармонії). Він, справді, є фундаментальним для запропонованого алгоритму оптимізації. Суть його стане відразу зрозумілою, якщо знову повернутися до того ж слону, з якого я почав цю главу. Захворів у нього зуб. Реве слон, боляче йому. Викликали слонячого дантиста. Він відмовився навіть підійти до розлюченого від болю слону, побоявся, зажадав його приспати. Зазвичай питаю у слухачів, куди і як ввести слону снодійне. Ясно, що ін'єкцією, а ось куди – в хобот – страшно, "довбанути" хоботом або бивнями може, ззаду – чого доброго, хвостом дістане або ногою придавить. Замислюються слухачі... А завдання просте – діаметр ін'єкційної голки в десятки разів менше, ніж поперечні розміри нервів у слона. Значить, біль від уколу слон не відчує (ось де принцип відповідності в дії).

Автор міг би навести багато прикладів вирішення конкретних завдань оптимізації та комерціалізації промислових об'єктів за допомогою цих підходів, але, боюся, що і так замучив техніцизмом. Звичайно, читати прогнози про очікувані коливання курсу долара набагато цікавіше. Зауважу тільки, що якби ми всерйоз зайнялися технічним переозброєнням наших зараз непрацюючих українських виробництв з використанням викладених вище підходів, курс долара перестав би коливатися, а впевнено пішов би в потрібну нам сторону в повній відповідності з системним підходом.

Теорію систем і системний аналіз або системний підхід все частіше використовують практично в будь-якій розв'язуваній людиною задачі. Справа, мабуть в тому, що "поки лише невелика частина проблем, що стоять перед людством, піддається математичної формалізації та опису на мові математики" (Н.Н. Мойсеєв), а системний підхід в такій формалізації не потребує. Натомість, перш за все, намагаються скрупульозно розкласти систему по поличках, сходинках (їх називають частіше рівнями ієрархії). У науці люблять цю дію називати "декомпозицією елементів системи по вертикалі" на противагу створенню композиції, наприклад, в музиці, коли композитор синтезує будь-яку мелодію всього з семи нот.

Розглянемо декомпозицію такої "ієрархічної" на прикладі хіміко-технологічної системи (рис. 1.1). Її можна надати у вигляді ланцюжка (краще вертикальної ієрархії), в якому виробництво складається з установок, які в свою чергу, складаються з апаратів різного призначення, що включають ступені контакту, що складаються з контактних тарілок, що забезпечують взаємодію між контактуючими речовинами на рівні надмолекулярних структур. Між усіма ієрархічними рівнями існує прямий і зворотний ієрархічний зв'язок. Тому кожен рівень, як уже зазначалося, як би виступає в двох іпостасях – вищого рівня для рівня, розташованого нижче, і підлеглого нижчого – для вищерозташованого. Отже, всі ці рівні тісно пов'язані між собою прямими і зворотними зв'язками. І, нарешті, кожен рівень має, принаймні, два характерних, визначальних для нього параметра – визначальний розмір і амплітуду власних коливань.

Рис. 1.1. Ієрархічний ланцюг в хімічному виробництві

Це важливо знати для вибору методів впливу на систему. Важливо, що і тут працює, так званий, принцип відповідності, згідно з яким амплітудно-частотні характеристики впливу відповідають амплітудно-частотних характеристиках власних коливань на оброблюваному рівні. Тоді працюють резонансні ефекти посилення коливань. Важливе зауваження: не тільки системний аналіз, а й теорія прийняття оптимальних рішень рекомендують використовувати ті чи інші методи впливу не на різних ієрархічних рівнях, а, перш за все, на визначальному, лімітуючому для даної системи рівні. Визначити цей рівень – найбільш складне завдання системного аналізу.

Ось тепер ми вже знаємо основні властивості систем і деякі таїнства системного аналізу і можемо визначити порядок, алгоритм роботи щодо вирішення завдань управління системами. Повторимо його ще раз – він досить простий: декомпозиція систем по вертикалі і по горизонталі (коли розглядаються одночасно кілька підсистем), визначення лімітує рівня (найчастіше методами експертних оцінок), визначення амплітудно-частотних характеристик лімітуючого рівня, підбір методів впливу на об'єкт на лімітуючому рівні з урахуванням принципу відповідності, аналіз результатів.

Аналіз життєвого циклу систем. Трохи про їх інвестування і макросистеми

Крім викладеного алгоритму, варто розібратися з динамікою розвитку системи з тим, щоб врахувати і її при виборі ефективних засобів і методів впливу на систему. Для цього доцільно використовувати аналіз так званого життєвого циклу системи.

На рис. 1.2 наведена крива життєвого циклу (ліва крива, її ділянки відзначені цифрами), форма якої виявилася справедливою практично для будь-якої системи – технічної, біологічної, економічної, соціальної та ін.

Розглянемо ліву криву. Можна чітко виділити на ній чотири ділянки розвитку системи:

1. Латентний період (коли системи немає ще в явному вигляді, але фактично вона вже є – наприклад, латентний період захворювання або вагітності; промислової установки ще немає, але щодо неї іде проектування, ведуться дослідження та ін.).

2. Дитинство (отроцтво, юність), коли система бурхливо розвивається, росте.

3. Зрілість, коли система успішно функціонує.

4. Деградація, смерть – сумний період життя системи, коли вона завершує свій життєвий цикл.

Рис. 1.2. Аналіз життєвого циклу системи

Не все так сумно. Десь в середині життєвого циклу (загальний час існування системи) в її надрах зароджується нова система. Наприклад, у людини (а це дуже складна система) народжується дитя, життя якого розвивається за тими ж системним законам, за такою ж лінії життя. Так, от халепа, ділянка 3 у нової системи завжди розташована трохи вище, ніж у початковій (тобто діти майже завжди талановитіші, розумніші за своїх батьків, така об'єктивна реальність, яка не всім подобається). Далі процес відтворення систем повторюється, і можна провести похилу дотичну лінію до всіх цих кривим, яку називають лінією прогресу. Чим крутіше ця лінія, тим швидше удосконалюється, розвивається система.

Здавалося б, яке відношення має написане до хіміко-технологічних систем. Але, адже, ми вже домовилися, що описані залежності життєвого циклу підходять практично для будь-яких систем, для будь-яких проектів. Всі ці міркування відносяться до так званого аналізу життєвого циклу системи. Виявляється, такий аналіз надзвичайно зручний при визначенні тактики її розвитку.

1. На кожному етапі життєвого циклу існує свій набір засобів і методів впливу. Дійсно, якщо говорити про виробничий об'єкт, то на першій ділянці великого значення набувають такі напрямки роботи, як пошук наукової-технічної і патентної інформації, проведення досліджень, розробка регламентів, пошук партнерів та інвесторів, створення інформаційного поля про проект і т.д. На другій ділянці – реклама, просування на ринок, вирішення комплексу питань зі створення власне виробництва, пошук інвесторів для поточних і наступних етапів життєвого циклу. На третій ділянці, коли об'єкт вже працює, пройшов критичну точку безприбутковості 2 (див. рис. 1.3, де проведена лінія adegh прибутку–збитку протягом життєвого циклу), після якої він починає давати віддачу, необхідно не тільки підтримувати його функціонування, а й забезпечувати його еволюційний розвиток, вдосконалення, продовження його життя за рахунок реклами, вдосконалення ресурсної бази і т.д. І, нарешті, на останньому сумній ділянці потрібно забезпечити гідну смерть об'єкта, подбавши про його "спадкоємців".

2. Аналіз життєвого циклу дозволяє менеджеру проекту – системи, незалежно від їх ієрархічного рівня, забезпечити правильну політику при підборі партнерів проекту та виборі методу інвестування проекту і конкретних інвесторів. Менеджери інноваційних систем все ще мріють про те, що їх інвестором буде держава. Вони наполегливо осаджують чиновників різного рівня зі своїми геніальними ідеями зі створення і розвитку або реконструкції системи. Чиновники не скупляться на обіцянки інвестицій, але вимагають на стіл бізнес-план проекту. Коли такий зазвичай не виявляється, чиновник спрямовує жадібного до грошей в підгодовану їм фірму для розробки бізнес плану (середня вартість 3-5 тис. доларів США, "відкат" чиновнику від фірми – розробника бізнес-плану – приблизно половина вартості). Далі, зазвичай в кінці року, важка стопка бізнес-планів переробляється в красиві книжки "Інвестиційні програми того чи іншого міста", якими чиновники і відбиваються від докучливих прохачів грошей. Щось не чув ні жодного разу, щоб хоч щодо якогось із об'єктів, включених в подібну програму, дали хоч одну гривню.

3. Розібратися з фінансуванням, зокрема з інвестиційними механізмами, антикризового менеджера дозволяє аналіз життєвого циклу системи. На рисунку 1.3, крім двох згаданих ліній в нижній частині, показані всі потенційні інвестори (крім інтелектуальних), а вертикальна вісь відображає рівень їх ризику при інвестуванні на різних етапах життєвого циклу системи.

Рис. 1.3. Зв'язок життєвого циклу розвитку системи з фінансовим забезпеченням її життєздатності та розвитку

Слід звернути увагу на те, що в латентному періоді життєвого циклу системи аж до точки беззбитковості 2 інвестують лише засновники проекту-системи, друзі, бізнес-ангел, зовнішні інвестори, виділяючи гранти, бізнес-ангели, бізнес-інкубатори. У ті фінансові структури, які, власне створені для інвестування, пропонують свої послуги лише тоді, коли проект вже пішов і потреба в інвестиціях істотно зменшується і ризик щодо проекту стає мінімальним. Ось чому інтегральні світові показники за часткою інвестування таких інноваційних проектів-систем, показані (дані німецьких фахівців), такі разючі.

На рис. 1.4 наведені дані про частку вкладів різних інвесторів в СМБ у світі. Перш за все, можна звернути увагу на те, що саме через високий рівень ризику на першому латентному періоді життя системи інвестиції можна чекати тільки від засновників проекту, друзів (і тоді дуже часто дружба розпадається), родичів (і тоді родинні зв'язки часто швидко слабшають або теж розпадаються). Можна звернутися за допомогою до численних міжнародних організацій і спробувати "вибити" з них так званий грант (неповернені, але жорстко звітні інвестиції), якщо тема проекту суспільно корисна і цікава чомусь грантоволодарю. Втім, це відбувається все рідше, бо Україна в усьому світі називають "грантоїдом", і рівень довіри до нас істотно знизився в останні роки з огляду на корупцію країни. В останні роки в світі з'явилися нові інвестори, так звані "бізнес-янголи", які також інвестують в проекти в початковий період розвитку. Більшість бізнес-ангелів – це успішні підприємці, які мають значний досвід розвитку власного бізнесу. Бізнес-янголи є найважливішим класом, зазвичай внутрішніх інвесторів, які заповнюють розрив між первинними вкладеннями власників компаній і наступними джерелами фінансування, такими як традиційний венчурний капітал, банківське фінансування, розміщення акцій на біржі і т.д. Вони отримали своє ім'я тому, що мало хто, крім них, вирішується вкладати гроші в ризикові проекти, які не мають достатнього забезпечення. Як видно з рисунку, їх частка серед інвесторів досить висока сьогодні в світі , але не в Україні. В нашій країні вони тільки починають з'являтися.

Рис. 1.4. Частка різних інвестицій в розвиток систем

Подивіться в Google інформацію про розвиток мереж бізнес-янголів в Росії та Україні. Запевняю, ви дізнаєтеся багато нового і зрозумієте, чим, в першу чергу, потрібно займатися сьогодні всім нам і, головне, влади для подолання кризи.

Ієрархічну сходинку рівнів підсистем можна продовжувати на розумну величину вгору і вниз (табл. 1.1). Якщо вниз значно збільшити кількість ієрархічних ступенів не вдасться (в кращому випадку доведеться обмежитися рівнем надмолекулярних структур або молекулярним), то вгору можна розширити аналіз життєвого циклу і на глобальні міждержавні системи, якщо в цьому з'явиться необхідність.

Таблиця 1.1. Властивості систем на різних ієрархічних рівнях

Елементи системи	Властивості елементів	Фактори впливу	Суб’єкти впливу	Оцінка впливу	Ключові позиції
Україна	Потенціал у світі	Концепція стійкого розвитку	Політики Законодавці	Індекси стійкого розвитку	КСР Гармонія Влада народу
Ресурси	Якість Обсяги	Програми використання	Виконавча влада	Ефективність використання	Енерго- ємність Трудо- місткість Матеріало-місткість
Народне господарство	Економічні	Бюджетні ринкові механізми	Топ-менеджери	Статистичні показники	Індустріально-аграрний симбіоз
Підприємство	Економічні Екологічні	Прибуток Конкуренція	Менеджери	Рівень техніки	Рециркуляція
Виробництво	Економічні Екологічні	Технологія Обладнання	Спеціалісти: технологи, економісти	Техніко-економічні показники	Локальна очистка
Установка	Економічні	Технологія Обладнання	Технологи Механіки	Технічні показники	Модульність Гнучкість
Обладнання	Інтенсивність Ефективність	РТ- та АК-методи	Механіки	Ефективність енерго-споживання	Адаптивність
Елементи обладнання	Міцність Надійність	РТ- та АК-методи	Механіки	Довговічність Надійність	Матеріало-місткість Трудо- місткість
МР	Кінетичні характери-стики	Температура Тиск Каталізатор Суміщення процесів	Фізики Хіміки	Кінетика Термодинаміка	Найрезульта-тивніший

Не можна не звернути уваги на те, що ієрархія дотримується не тільки в лівому стовпчику, де, як завжди, відображені ієрархічні рівні ієрархії самої системи, а й у всіх стовпцях справа.

Однією з найбільш важливих проблем системології є визначення форм і методів передачі інформації від одних підсистем до інших, характеру координації нижчих рівнів системи з боку елементів більш високих рівнів і кількісних показників ступеня їх впливу один на одного.

При проведенні досліджень нових методів інтенсифікації на різних ступенях ієрархії ХТС враховувалося, що не тільки об'єкт дослідження, а й сам процес дослідження виступають як складна система, завдання якої, зокрема, полягає в поєднанні в єдине ціле різних моделей досліджуваного об'єкта.

Для вирішення питань локальної оптимізації окремих процесів необхідне глибоке проникнення в фізико-хімічну сутність функціонування кожного елемента системи на кожному рівні. Поряд з цим забезпечення оптимальної взаємодії елементів ХТС і відповідність умов проведення процесів на різних рівнях ієрархії оптимальними умовами функціонування всієї ХТС є однією з основних загальносистемних завдань. ХТС зазвичай розглядають як сукупність взаємопов'язаних технологічними потоками і діють як одне ціле апаратів, в яких здійснюється певна послідовність технологічних операцій. При такому підході з розгляду, однак, виключається широке коло завдань оптимізації ХТМ для тих випадків, коли в апаратах одночасно здійснюються паралельні хімічні реакції або поєднані реакційно - масообмінні процеси. Між тим, використання деяких методів інтенсифікації, зокрема поєднання хімічних процесів з протилежними тепловими ефектами та організація об'єднаних реакційно-масообмінних процесів, як показано нижче, у багатьох випадках дозволяють спростити ХТС і по-новому сформулювати завдання її оптимізації через необхідність урахування взаємного впливу синергічно суміщених процесів. У зв'язку з цим в подальшому під ХТС будемо розуміти сукупність взаємопов'язаних технологічними потоками апаратів, де послідовно або паралельно (одночасно) відбуваються технологічні операції обробки реагентів.

Зважаючи на складність, розгалуженості ХТС доцільно провести декомпозицію по горизонталі та розглядати ХТС як сукупність підсистем елементарних технологічних процесів (ЕТМ) (ректифікація, теплообмін, екстракція і т.п.) і по вертикалі, розглядаючи процеси на різних рівнях ієрархії: I – молекулярному (МР), II – контактного пристрою (КП), III – контактної ступені (КС) і, нарешті, IV – апарата (А) Вся ХТС в цілому являє собою V рівень.

Розглянемо питання відповідності об'єкта «ХТМ» поняттю «система» Для віднесення ХТС до технічних систем вона повинна мати (і має) наступні основні властивості, бути одночасно цілісної і декомпозіруємою на складові елементи, мати стійкі зв'язки між елементами або (і) їх властивостями, що перевершують за силою зв'язку з елементами, що не входять в систему (зв'язки характеризуються фізичним наповненням, спрямованістю, потужністю, що оцінюється коефіцієнтом чутливості і роллю в системі); мати певну організацію, що проявляється у зниженні ентропії системи Н(S) в порівнянні з сумою ентропій системоутворюючих чинників H(F):

, (1)

де К – стала Больцмана, К = 1,38×10^–16 ерг×К^–1; n – число елементів системи; a – число властивостей елемента; g – число істотних зв'язків, які може мати елемент; b – число системозначних властивостей зв'язків; l – число квантів простору; t – число квантів часу. ХТС повинна мати інтегративні якості, притаманні системі в цілому, але не властиві її елементам окремо.

Структуру ХТС має стійку впорядкованість в просторі і в часі елементів і зв'язків системи. В просторі розрізняють плоскі та об'ємні, розосереджені і зосереджені структури. В часі – екстенсивні структури, коли відбувається зростання числа елементів системи в часі, і інтенсивні, коли кількість елементів не змінюється, а зростає число і потужність зв'язків між ними.

Згідно із загальноприйнятим в системотехніці визначенню: елемент системи – це частина системи, що виконує певне функціональне призначення і не підлягає подальшому розчленуванню без втрати здатності виконувати це функціональне призначення. Тому елемент розглядають як умовно неподільну частину.

Місце ХТС в загальній класифікації систем з позицій системотехніки

За субстанціональної ознакою системи поділяють на три класи: природні, концептуальні або ідеальні, штучні. ХТС відноситься до останнього класу систем, створених людиною.

За складністю, з урахуванням залежності від числа елементів і зв'язків між системами, а також складності технологічних процесів, ХТС можуть бути віднесені до «складних» і навіть «дуже складних» систем.

За характером функцій розрізняють спеціалізовані, багатофункціональні та універсальні системи. ХТС можуть бути як спеціалізованими, так і багатофункціональними (тоді їх слід називати «гнучкими технологічними системами» – ГТС). Крім того, ХТС можуть бути універсальними, якщо при їх створенні закладена здатність до трансформації структури залежно від призначення.

Для системного підходу характерні принципи системності, тобто приналежності до однієї з форм пізнання, пов'язаної з дослідженням і створенням об'єктів як систем; ієрархічності пізнання, що вимагає трирівневого вивчення предмета (власне предмета, його ж – як елементу вищого рівня системи) і, нарешті, його ж – як частини нижчого рівня ієрархії; інтеграції як спрямованості на вивчення інтеграційних властивостей і закономірностей систем, розкриття механізмів інтеграції цілого; формалізації, тобто націленості на отримання кількісних характеристик, отримання не концепцій, а конструктивних методів аналізу, синтезу та оптимізації систем. Останнє характерно для системного аналізу, що є сьогодні технологією системного підходу.

Роботи з синтезу оптимальної ХТС доцільно починати на I  ієрархічному (молекулярному) рівні, коли визначають найбільш вдалий варіант синтезу, кінетичні особливості хімічного процесу, можливість синергічного поєднання хімічних стадій та тепломасообмінних і взаємний вплив суміщених процесів. Вивчення цих процесів дозволяє в першому наближенні з використанням методів функціональної декомпозиції та евристичних принципів синтезу намітити варіант ХТС, придатний для створення дослідної установки (ХТС ДУ). Слід відразу зазначити, що цей етап синтезу оптимальної ХТС не завжди вдається формалізувати з використанням сучасного математичного апарата, і результат багато в чому визначається досвідом, технічним кругозором, інтуїцією розробників.

Аналіз процесів на II-IV рівнях дозволяє виявити лімітуючі стадії і сформулювати основні вимоги до конструкційних і технологічних параметрах ХТМ, а також визначити доцільність використання тих чи інших методів підвищення якості їх функціонування.

Отже, на I етапі синтезу оптимальної ХТС проводять декомпозицію створюваної ХТС по горизонталі на ЕТМ і по вертикалі на підуровні, відповідні різному масштабу об'єкта, а також аналіз процесів на різних рівнях з метою виявлення лімітуючих рівнів і стадій процесу.

Подальшу роботу проводять переважно на цих лімітуючих рівнях – визначають можливість зменшення розмірності ХТС, тобто зменшення кількості підсистем по горизонталі шляхом, наприклад, виключення або спрямованого суміщення окремих ЕТМ.

На молекулярному рівні евристичний синтез невіддільний від аналізу ХТС і дослідженні ЕТМ на фізичних моделях, на яких вивчають взаємний вплив сумісних процесів, визначають найбільш доцільні методи інтенсифікації ЕТМ на лімітуючих рівнях.

Такий комплексний підхід до синтезу ХТС, що базується на принципах системного аналізу, спирається на єдність технології та апаратурного оформлення процесів, гнучке поєднання аналітичних методів з експериментальними та евристичними, дозволив виробити загальну стратегію, що включає наступні основні етапи: декомпозиція задачі синтезу ХТС на підзадачі синтезу попереднього її варіанта, придатного для створення дослідної установки та отримання математичної моделі (ХТС ДУ), – перший етап; синтез проектованої ХТС – другий етап; ідентифікація моделі і забезпечення ефективності функціонування ХТС – третій етап. В рамках вирішення конкретних завдань синтезу ці основні етапи знайшли різні практичні втілення. Наприклад, для ХТС, призначених для одержання особливо чистих речовин, алгоритм процесу синтезу систем, розроблений:

– декомпозиція задачі синтезу оптимальної ХТС на підзадачу забезпечення якості одержуваного продукту (підзадача 1) і підзадачу забезпечення максимальної продуктивності ХТС при заданих обмеженнях за якістю виробленого продукту (підзадача 2);

– проведення досліджень макрокінетики процесів хімічної реакції і масообміну в лабораторних умовах;

– отримання аналітичним шляхом математичної моделі основного реакційно-масообмінного апарата;

– введення в математичну модель коригуючих виразів,

– враховують взаємозв'язок і взаємовплив процесів хімічної реакції і масообміну;

– синтез оптимальної технологічної топології ХТС, що забезпечує необхідну якість;

– створення дослідно-промислового реакційно масообмінного апарата, фізично моделює одну секцію основного апарата;

– проведення експерименту на дослідно-промисловому апараті і визначення за даними експерименту значень коефіцієнтів у виразах, що враховують поєднання процесів хімічної реакції і масообміну;

– визначення за допомогою скоригованої моделі оптимальних технологічних режимів і конструктивних розмірів основного апарата.

На жаль, все рідше з'являються принципово нові хіміко-технологічні процеси, і останнім часом увагу розробників звернуто на синтез високоефективних ХТС шляхом логічного з'єднання вже відомих елементарних процесів. Однак, в переважній більшості випадків утворюються при цьому ХТС далеко не відповідають сучасним вимогам.

РОЗДІЛ  2. СИНЕРГЕТИКА – ОСНОВНА ЗБРОЯ ПРИ ВИКОРИСТАННІ СИСТЕМНОГО АНАЛІЗУ

Все почалося з Мессінга

Майже кожен з нас щось колекціонує, така властивість натури людської. Один збирає гроші і вже не знає, навіщо йому їх стільки, але продовжує набивати кишені, інший хизується численними перемогами над жінками, накопичує яхти, машини, банки, нерухомість, третій задовольняється збиранням кришечок від пивних пляшок, четвертий ... Гаразд, ясно до чого йде. Щодо мене, то я колекціоную знайомства з цікавими людьми, зустрічі з ними. У моїй пам'яті сотні таких людей і зустрічей. Серед них – вчені, поети, артисти, політики, філософи, міністри, громадські діячі, бізнесмени, навіть чемпіон Європи серед барменів є (між іншим, мій колишній аспірант). Коли-небудь, мабуть зовсім скоро, знайду в собі сили залишити роботу професора університету, якій я віддав вже пів-століття і напишу про цікавих людей і зустрічі з ними, за прикладом незнайомого нинішній молоді класика епохи сталінізму Іллі Еренбурга. А поки розповім тільки про одну людину – про Вольфа Мессінга та одноденне спілкування з ним.

Було це в Казахстані, в м. Теміртау, де я починав свою трудову діяльність. Чомусь мене, який ніколи не відрізнявся особливою активністю в піонерах і в комсомольцях теж, вибрали головою Ради молодих фахівців (нас було багато, приблизно 150, на пусковому першому в Казахстані заводі синтетичного каучуку) і за сумісництвом капітаном першої казахської команди КВН. Пустували ми від душі, зараз молодь так не вміє. Тому я не здивувався проханню міської влади організувати творчий вечір-зустріч з Вольфом Мессінгом. Гість прийшов заздалегідь до мене в кабінет, щоб, як він сказав, підготуватися до творчої зустрічі, сьорбнувши місцевого повітря. Розмовляли ми з ним години три-чотири. Хочу розповісти вам лише про деякі моменти цієї зустрічі.

Перше, що мене здивувало, Вольф Мессінг, уважно подивившись на мене, сказав, що я випадкова людина на цьому заводі (хоча я, начебто, дуже активно просувався по службових сходах) і не моя це справа, бо я повинен стати творчим спадкоємцем свого батька (батько був, як багато хто тоді говорив, вчителем від бога, директором найстарішої в місті школи, що знаходилася в самому хуліганському заводському районі). Багато з його колишніх босяків досі телефонують мені на його ювілеї, а двоє з них залишили слід своєї любові до мого батька на моїй руці (трохи порізали ввечері в парку, а, впізнавши в мені сина свого директора, були вбиті горем про "непорозуміння", перев'язали і навіть відвезли в травматологію. Так ось, Вольф Мессінг напророкував мені педагогічну діяльність, і моє життя підтвердило це його пророцтво.

А далі розмова пішла зовсім не в очікуваному мною напрямку. Гість раптом подивився своїми якимись неземними, так мені здалося, очима кудись глибоко в мої очі і сказав, що я можу піти по його шляху, але він мені не радить цього робити, тому що не буде в моєму житті щастя від цього. Він запитав, чи часто я читаю думки людей (був у мене такий гріх, та й зараз знаю майже все, що думає моя дружина і можу говорити з нею, не сказавши ні слова), чи були у мене випадки передбачення якихось подій. Були, звичайно, тоді, і я сказав йому про це. Правда, в останні роки ця моя здатність часто обертається до мене боком. Наприклад, я абсолютно на підсвідомості вкладав всі свої невеликі заощадження в банки, які незабаром обов'язково лопалися. Хлопці на кафедрі жартували навіть, що я можу заснувати нову професію – робити банки банкротами на замовлення конкурентів, вкладаючи на рахунок в них саму мізерну суму.

І тут, найголовніше, він сказав, що я можу прожити цікаве життя і порекомендував мені вдаритися в пошук нестандартних інноваційних рішень, враховуючи мої особливості і професію. Напевно, тут він не помилився, в чому я переконався, не тільки створивши кілька сотень винаходів і патентів, але і після знайомства з іншою, дуже цікавою людиною, автором знаменитої Теорії рішення винахідницьких задач (ТРВЗ) Генріхом Альтшуллером (люди старшого віку пам'ятають його з дитинства як самобутнього дитячого письменника Генріха Альтова, який чомусь опинився в бакинської в'язниці, і який написав там свої чудові книги по творчості). Але про нього як-небудь потім, а творча зустріч теміртаусців з Вольфом Мессінгом таки була мною організована і пройшла чудово. Розповідаю про все це не для того, щоб похвалитися цікавими знайомими і зустрічами, а зовсім для іншої мети, що має пряме відношення до теми книги. Справа в тому, що, сам того не відаючи, Мессінг відкрив для мене основний закон, тоді ще мало відомої науки, яка лише через кілька років зачарувала багатьох вчених і отримала назву синергетики чи синергії, як вже більше подобається.

Ось як це сталося. Запитав мене Мессінг, чим конкретно займаюся я, механік виробництва, на заводі. Відповів йому, що ремонтую обладнання. Іноді реконструюю з метою вдосконалення. А далі розмова пішла в дивному напрямку:

М.: «А замінювати справним або новим не пробували?»

Я.: «Нічим, та й велике воно, обладнання буває».

М.: «А з непридатними деталями що робите?»

Я.: «Міняємо, якщо є чим, або ремонтуємо. Часто доводиться нові виготовляти».

М.: «А відповідний матеріал де для них берете?»

Я.: «Та в мехцеху багато матеріалу валяється, підбирають хлопці відповідний».

А далі розмова пішла в дивному напрямку.

М.: «Як підбирають? Аналізують чи що?»

Я.: «Ні. Інтуїтивно...»

М.: «А як щодо гармонії деталі з тими деталями, з якими новим доведеться працювати разом? Може, з матеріалом не вгадали? Біда може бути ...»

Здивувався проникливості гостя, щось сократівське було в його питаннях. І тоді чесно розповів йому про два випадки з практики, що підтверджують обґрунтованість його побоювань.

Випадок 1. Був в одному з моїх цехів (виробництво синтетичного каучуку) сировинний насос, котрий приніс механікам багато турбот – був там слабкий вузол – ущільнення валу, що обертається. З нього досить часто починав рікою литися мономер – стирол, що відрізняється токсичністю (печінкова отрута). При черговій аварії послав найсильнішого (на прізвисько "амбал") і знаючого слюсаря, який перестарався і, затягуючи так звану ущільнювальну "грундбуксу", відламав від неї шматок. Довелося в мехцеху виточувати нову. Там не сильно роздумували, взяли перший-ліпший шматок металу, і через годину насос відновили. Запустили, роз'їхалися по домівках (аврал був вночі). Але вже через пару годин, ще затемна нас знову диспетчерські машини зібрали разом – через нещасливий насос сталася пожежа в цеху, на щастя без жертв і з невеликим збитком. Причина виявилася простою – ремонтники не спілкувалися з Вольфом Мессінгом і нічого не знали про необхідність гармонії матеріалу нещасливої нерухомої нажимної грундбукси, що охоплює обертаючийся вал насоса. Виявилося що нова нерухома деталь була зроблена з того ж матеріалу (сталь), що і вал, який вона охоплювала. Досвідчені механіки знають, що немає і не може бути гармонії між двома сполученими деталями, з яких одна обертається, а друга – нерухома, якщо вони зроблені з однакового матеріалу (виникають задираки, через високе тертя, піднімається температура в зоні тертя – ось і сталося загоряння стиролу в зоні тертя, а потім – пожежа в цеху). Зробили нову деталь з чавуну – він м'якше стали, та й до тертя спокійніше ставиться, і пожеж більше не було.

Випадок 2. Однак, пізніше історія мала продовження. Вирішив модернізувати нещасливий насос, реалізувавши новий тоді (прийшов з побутової електроніки) японський принцип "захисту від дурня" (у нас частіше його назвали "болваностійкістю"). Розробив нове тоді, так зване, "торцеве ущільнення" і замінив їм старе ущільнення насоса. І  знову довелося згадати Мессінга. Виявилася в новій конструкції ущільнення була одна маленька шкідлива деталь – гумове кільце ущільнювача на валу, матеріал якого ніяк не «гармоніював" з умовами його роботи (внаслідок розбухання будь-якої марки гуми при високій температурі в середовищі стиролу забезпечувалося всього 3-4 дня роботи ущільнення). Довелося довго возитися і придумати щоб забезпечити мессінговську гармонію - новий композитний матеріал, додавши в сирий каучук в якості наповнювача порошок самого інертного, теплостійкого полімеру з низьким коефіцієнтом тертя – тефлону. Гармонія виявилася забезпеченою, рішення виявилося успішним.

Це було моє перше занурення, поки неглибоке, в глибини нової науки про гармонію в світі техніки, яку чомусь назвали "синергией", а часто і "синергетикою" (смислову відмінність між цими двома назвами вловити досить складно).

Синергія як інструмент вдосконалення систем

Отже, найбільш часто використовується визначення терміна "Синергія" або "Синергизм" (від грец. Συνεργία Synergos – (syn) разом (ergos) діючий, дія) – це взаємодія двох або більше факторів, що характеризується тим, що їх дія істотно перевершує ефект кожного окремого компонента у вигляді їх простої суми. Втім, кажуть, ніщо не ново під місяцем. Ще Аристотель зазначав, що ціле більше простої суми своїх частин. Як уже зазначалося, в техніці до синергії близькі поняття "емерджентність", "інтеректність". Про них – трохи пізніше. У  навколишньому світі ми спостерігаємо численні підтвердження цим визначенням. Далі привожу, як мені здається, цікаві, але, на жаль, не мої спостереження, пов'язані з поняттям "синергія":

Кожен з факторів життя, має частку в сумарному процесі, а саме життя проявляє синергізм спільно взаємодіючих явищ і процесів, що протікають на системному рівні – в процесі системоґенеза:

– що може зробити людина "однією правою" або "однією лівою"? А що він може зробити обома руками? Наприклад, скільки разів людина відіжметься від підлоги на одній руці? Скільки на двох? У багатьох випадках це не просто набагато більше, ніж удвічі, це – радикально нова якість;

– скрипаль або гітарист "однією правою" або "однією лівою" може або затискати акорди та мелодії звуку, або видавати звук, але не музику. Діючи ж узгоджено обома руками, музикант створює музику;

– навіть щоб просто забити цвях, потрібно дві руки. А наші органи чуття – зір, слух, мова, нюх і дотик? По-окремо вони працюють, але лише синергично з'єднавшись разом, вони дають нам повну картину світу. А з'єднавшись ще і з мозком – його розуміння;

– зараз в ходу жарти від Костянтина Чернозатонського на тему "Що таке синергія?". Мовляв, п'яний бізнесмен самостійно не може пройти і трьох метрів – бідолаху мотає з боку в бік. Йому сумно і самотньо. А ось, якщо він обійметься з іншим таким же бізнесменом, то разом вони зможуть не тільки прогулюватися, підтримуючи один одного, а й співати "Без мене тобі, коханий мій, літати з одним крилом! ..." Іншими словами, синергія – це коли за рахунок злиття зусиль двох активних людей ефективність їх діяльності не просто виростає набагато більше ніж в два рази, але і отримує додаткову надбавку у вигляді душевної пісні;

– якщо говорити про Мистецтво, то музика – це не сума нот, а картина – це не сума фарб. Далі можна не продовжувати;

– з'єднання (взаємодія – синергізм) двох і більше шматків радіоактивного матеріалу, при перевищенні критичної маси, в сумі дають виділення енергії, що перевершує випромінювання енергії простого підсумовування окремих шматків;

– знання і зусилля кількох людей можуть організовуватися таким чином, що вони взаємно посилюються. Приблизно про це ж говорить і друге поняття – "сверхадитивний ефект" – це стан речей, що зазвичай передається фразою «ціле більше суми окремих частин» (1 + 1 = 2х, де х> 1);

– під синергізмом в біології розуміється спільне і однорідне функціонування органів (наприклад, м'язів синергистов) і/або систем;

– під синергізмом в медицині розуміється комбінована дія лікарських речовин на організм, при якому підсумований ефект перевищує дію, який чиниться кожним компонентом окремо.

Трохи докладніше про синергичні аспекти бізнесу

У бізнесі прибуток після злиття двох компаній або поглинання однієї компанії іншою може перевищувати суму прибутків цих компаній до об'єднання. Зазвичай, злиття – об'єднання двох рівноправних компаній, а поглинання – викуп однієї компанії іншою (англ. Mergers and acquisitions). Мета злиттів і поглинань – досягнення переваг від спільної діяльності, тобто синергії. Існують різні теорії про те, що поглинання і злиття націлені на те, щоб усунути конкурентів і т.п., але вони далекі від правди. Головна мета будь-якого злиття або поглинання полягає в тому, щоб результат був більше, ніж сума доданків (тобто 1 + 1 = 3). Іншими словами, компанії, які беруть участь в процесі, сподіваються заощадити витрати, і збільшити ККД. Найчастіше продуктивність нової / оновленої компанії збільшується саме за рахунок зменшення витрат. Терміни «злиття» і «поглинання» часто плутають, або вживають як синоніми. Незважаючи на те, що значення їх дуже близькі і вони завжди ходять парою, насправді злиття і поглинання описують різні поняття. З самих термінів зрозуміло, в чому полягає різниця: є багато різних способів злиттів компаній. Ці типи злиття діляться на 2 основні групи: по відносинам між компаніями і за типом фінансування.

Диссинергія

Вперше цей термін з'явився в бізнесі, де частий випадок – класичний варіант «лебедя, рака і щуки». Фахівці намагаються робити роботу разом, взаємодіють, але процес ускладнюється амбіціями, взаємонепорозумінням, відходом від основної теми роботи, конфліктами, повторами. В результаті робота затягується, одні і ті ж речі доводиться переробляти по кілька разів. Наприклад, наради проходять за типовим сценарієм – в спробах примирити різні точки зору, і закінчуються нічим. Вся робота виявляється виконаною посередньо. В цьому випадку результат менше суми складових частин (1+1+1+1=S, де S <4). Другий варіант, як показує практика, досить рідкісний. Внесок кожного фахівця добре вписується в загальну картину, спільні зусилля себе виправдовують, загальний результат дорівнює сумі вкладів всіх фахівців. так, якщо над завданням працюють чотири фахівці, їх результат роботи дорівнює результату, який могли зробити чотири фахівця, працюй вони окремо. Тут сумарний ефект (1+1+1+1=4). Третій варіант (синергічний) в бізнесі зустрічається вкрай рідко в області створення інтелектуальної власності. Мистецтво управління інтелектуальним капіталом полягає саме в тому, щоб вміло поєднувати зусилля декількох людей і домагатися сверхаддітивного ефекту (1+1+1+1=S, де S> 4). Отже, виграють всі учасники синергетичного процесу – так як, в результаті, частка кожного учасника більше 1. Очевидно, що для об'єднання зусиль потрібно, щоб вектори цих зусиль були узгоджені (направлені до однієї мети). Отже, синергія в бізнесі – це вигода, отримана від комбінування двох або більше елементів (або бізнесів) таким чином, що продуктивність отриманої комбінації вище, ніж сума її окремих елементів (або бізнесів). При цьому, бізнес – це не просто сума функцій управління, виробництва, фінансів, маркетингу, продажів та ін. Бізнес схожий на людину. Відокремити фінанси від корпоративних цілей, стратегії, виробництва і маркетингу - все одно, що відокремити м'язи від мозку і рук.

Щоб бізнес гармонійно розвивався, необхідно, щоб в ньому, як в людині, всі функції не були ізольовані одна від іншої, а гармонійно і синергично з'єднувалися воєдино. Найбільш яскраво взаємозалежність інформаційних технологій і економіки проявляється в такій сфері, як малий бізнес, який менше відчуває ефект синергії ніж середній. Це викликано тим, що в малому бізнесі, часто це може бути сімейний бізнес, немає необхідності координувати дії, формалізувати бізнес-процеси, таким чином, щоб вони були синхронні. В середньому і великому бізнесі, коли зростає потік інформації, організаційна структура, якщо не адаптується до зовнішніх змін, досить швидко стає гальмом у розвитку компанії. Основне покликання або призначення інформаційних технологій та інформаційних систем – сприяти менеджменту в збереженні цілісності бізнесу, як цілісності між основними і допоміжними бізнес-процесами, між технологіями, обладнанням і обслуговуючого їх персоналом. Саме тому, важливим напрямом розвитку послуг інформаційних технологій є системна інтеграція. З її допомогою менеджмент управляє людським, інформаційним, виробничим і фінансовим капіталом однієї цілісною системою. В управлінні людськими ресурсами також можливий прояв синергії. Коли в компанії створюються сильні команди, побудовані з урахуванням цілей і завданням поставлених перед ними, то командний результат в кінцевому рахунку є результатом синергії. Однак не завжди інструменти сучасної теорії менеджменту, впроваджені в компанію, дає позитивний результат. Буває, що через помилки в менеджменті, вчасно непомічених і не виправлених положення в компанії починає погіршуватися, і якщо вчасно не вжити заходів, то це закінчується кризою.

Видно, що, на відміну від науки і техніки, фахівці по бізнесу досить вміло і наполегливо використовують переваги синергетичної організації роботи систем. Про це ж говорять їх досить амбітні плани подальшої ескалації цього процесу. Вони збираються сконцентрувати увагу на наступних питаннях:

– синергетичні взаємини операції/партнерства і конкуренція;

– сучасні методи вибору/пошуку партнерів;

– перетворення бізнес-ангелів в бізнес-дияволів з позиції синергетики;

– індустріальний симбіоз – практика синергетичних підходів;

– індустріально-аграрний симбіоз з позицій синергетики;

– об'єднання інтелектуальних і фінансових інвесторів з підприємцями – основа технологічного бізнесу;

– кластерний підхід і проектний менеджмент – основна тактика технологічного бізнесу;

– етика і культура технологічного бізнесу в ринкових умовах;

– бізнес-інкубатори як школа синергії в сучасному бізнесі;

– від олігархічного капіталізму до народного – гасло синергії бізнесу.

Ще трохи про визначення

Останнім часом зустрічається поряд з терміном "cінергія" і термін "синергетика». Вони є двома спорідненими, але не тотожними поняттями. Однак, можна сказати, що вони стали родоначальниками цілого понятійного механізму ряду ключових понять, які використовуються в сучасній науці – синергетичний підхід, синергетичний метод дослідження, синергетична парадигма, синергетична концепція розуміння, пізнання світу і життя. За допомогою цих понять сучасні вчені продовжують пояснювати ті чи інші явища, поведінку різних систем з меншим ступенем суперечливості. З іншого боку, підтвердження практикою теоретичних моделей синергії дозволяє поширювати її на всі інші сфери людської діяльності.

Народившись в галузі точних наук, синергетика почала поширюватися на всі сфери життя. Феноменом цього поширення стало уявлення нашого життя в цілому і окремих областей у вигляді певної моделі світу. Ця модель може бути описана як енерго - інформаційна модель світу. Енергія та інформація, закладені в природне і соціально - особистісне програмне забезпечення, складають наше життя.

Склалася думка, що концепція життя виходить з наступних припущень:

Що світ, це система, яка є і єдине ціле, і складається з нескінченної кількості взаємопов'язаних і взаємозалежних відкритих і закритих систем.

Елементи всіх систем, в чомусь схожі один на одного, інформація в одному елементі містить про все, при зміні в одному елементі відбувається зміна і у всіх інших елементах системи.

Елементи разом з тим, мають унікальні властивості, які можна охарактеризувати як різні енергетичні потенціали, що призводять елементи і всю систему в цілому до процесу постійних змін.

Система, пов'язана з життям, має три основні характеристики: життєстійкість, функціональність і адаптивність. Якщо, наприклад, уявити людину, як органічну систему, то його життєстійкість виявляється у дотриманні своєму призначенню.

Функціональність людини - полягає в розвитку своєї унікальності, того, в чому ти кращий настільки, щоб це стало соціально корисним для інших людей (професія, бізнес, політика).

Адаптивність людини, як третя властивість системи, полягає в гармонії з самим собою з соціумом і навколишнім середовищем протягом всього життя.

У той же час в техніці, особливо в хімічній техніці, як показано в наших роботах по створенню суміщених, зокрема, хемосорбціонних, так і реакційно-розділових процесів і апаратів, синергія і диссинергія в багатьох випадках виявилася надзвичайно ефективними варіантами реалізації багатьох проектів. Детальніше про це буде в наступних розділах.

Синергетичні основи засобів і методів управління технологічними процесами в капілярно-пористих тілах

А тепер обговоримо питання про те які засоби і методи синергетики і системного аналізу можна і потрібно використовувати для оптимізації та управління процесами в капілярно-пористих системах. На кафедрі ОХВ УДХТУ запропоновано використовувати ефекти синергетичного поєднання стадій технологічного процесу при просочуванні капілярно - пористих тіл для підвищення їх швидкості та ефективності. Запропоновано використовувати перегріті пари розчинника екстрагента при атмосферному тиску в якості робочого агента для створення конденсаційного ефекту і управління якістю та швидкістю просочення. Показано також, що можливість проведення процесів просочення/екстракції при атмосферному тиску c відмовою від міжопераційних транспортних операцій і без використання для організації технологічного процесу вакуум-насосів, компресорів, автоклавів.

Отже, значне поширення в хімічній і споріднених технологіях мають такі процеси, як імпрегнація, екстрагування, вилуговування, пов'язані з обробкою капілярно-пористих тіл. Крім обробки поширених капілярно-пористих тіл побутового призначення (типу екстрагування кави і чаю, розчинення цукру, вилучення рослинної олії і т.п.), існують системи для отримання ефірно-олійних продуктів, лікарських препаратів з рослинної сировини. Набагато ширше просочення капілярно-пористих матеріалів (КПМ) рідкими середовищами поширена в промисловості. Як капілярно-пористі просочувальні матеріалі можуть бути: папір, картон, деревина (конструкційні елементи, залізничні шпали, паркет та ін.), пористі металеві матриці, тканини, пластини електродів акумуляторів, зерна пористого каталізатора, обмотки статорів і роторів електродвигунів, основні елементи електролітичних конденсаторів та ін. Поряд з традиційними галузями застосування, процеси обробки капілярно-пористих тіл все частіше використовують в ряді порівняно нових областей техніки, перш за все, в нанотехнологіях і виробництвах композитних матеріалів. Особливо ефективним виявилося при цьому створення каркасної основи з її подальшою обробкою просочувальної рідиною для заповнення капілярів і пор компонентом композитного матеріалу.

Композитні матеріали з абсолютно новими властивостями можуть бути отримані не тільки після змішування їх складових, а й тоді, коли каркас вироби складається з твердого і міцного капілярно – пористого матеріалу, а заповнення всередині капілярів і пор каркаса проведено більш м'якими і пластичними, наприклад, полімерними матеріалами з особливими технологічними властивостями. Це розширює можливості композитних матеріалів, особливо в таких областях техніки, як виробництво виробів методами порошкової металургії, металоуглеродістих з'єднань, метало- або углеродісто-полімерних виробів та ін. В таких, зазвичай багатостадійних, виробництвах найбільш серйозної уваги потребує управління окремими стадіями процесу шляхом їх поєднання і використання синергетичних ефектів цього поєднання. Раніше проведені мною роботи за суміщенням реакційних і масообмінних, тепло і масообмінних процесів в системах газ (пара)–рідина в багатьох випадках дозволили підвищити їх швидкість в десятки разів. При цьому, використовувалося як поєднання процесів в одному апараті за місцем протікання операцій, так і – поєднання за часом, коли одночасно проводили тепло і масообмінних процеси. Але найбільш ефективними виявилися синергетично суміщені процеси, коли поєднання процесів здійснювалося як за місцем, так і за часом їх протікання. З огляду на це, становить інтерес вперше розглянути можливості синергетики для розвитку синергетично суміщених процесів в системі рідина-тверде тіло. використовувалося як поєднання процесів в одному апараті за місцем протікання операцій, так і - поєднання за часом, коли одночасно проводили тепло і масообмінні процеси.

Наші дослідження показали, що синергетично суміщений процес екстрагування або просочення доцільно проводити циклічно з повторенням в кожному циклі процесу переважно такої ланцюжка стадій/операції:

1. Очищення внутрішньої поверхні капілярів і пор. Ця стадія іноді проводиться один раз тільки при першому циклі обробки.

2. Видалення повітря з капілярів, при наявності повітря в капілярах заповнити їх вдається частково і цей процес є дуже тривалим. Справа в тому, що процес заповнення капілярів рідиною включає дві пов'язані стадії: молекулярної дифузії повітря, що знаходиться в капілярах і заповнення капілярів просочувальної рідиною або екстрагентів.

Основною кінетичною характеристикою видалення повітря з капілярів є те, що воно віддаляється традиційно за рахунок молекулярної дифузії. Цей процес дуже повільний (коефіцієнт дифузії повітря в рідину з капілярів має розмірність D_пр = 10^–8 м²/с). Повітря йде за рахунок молекулярної дифузії і, внаслідок цього, дуже повільно падає тиск всередині капіляра. Заповнення капілярів рідиною відбувається за рахунок капілярних сил і під дією невеликої різниці тиску на рідину і тиску повітря всередині капіляра. виходить маленький перепад тисків (рушійна сила процесу). У зв'язку з тим, що капілярна складова швидкості заповнення капілярів рідиною значно менше швидкості руху рідини під дією перепаду тиску, заповнення капілярів відбувається досить повільно.

3. У більшості практично цікавих процесах просочення – екстракції цю 2 стадію завершують процесом обробки рідини, яка заповнила капіляри (шляхом розчинення матеріалу просочується вироби – далі матриці, упарювання, кристалізації розчинених речовин, полімеризації або інших хімічних процесів і т.п.). Швидкість цієї третьої стадії може бути будь такою, що залежить від кінетики проведеного процесу. При цьому кожен капіляр, заповнений рідиною, є як би мікрореактором або масообмінним апаратом, кристалізатором або випаровувачем. Тому для управління третьою стадією процесу застосовують відповідні технологічні засоби і методи.

Далі, найчастіше 2 і 3 стадії повторюють кілька разів до досягнення необхідної завершеності процесу. На жаль, у багатьох випадках доводиться проводити транспортні операція переміщення оброблюваного зразка або готового виробу в відповідний технологічний апарат для кожного з видів третьою основною робочою стадії процесу (шляхом розчинення матеріалу матриці, упарювання, кристалізації розчинених речовин, полімеризації або інших хімічних процесів тощо).

4. Після цієї стадії відбувається видалення залишків рідини з капілярів одним з відомих методів (механічно – "ефект мочалки", за рахунок відцентрових сил, сушінням або іншими методами).

Далі процес повторюють до рішення технічної задачі. Схематично традиційний процес обробки капілярно-пористих тіл в узагальненому вигляді наведений на рис. 2.1.

1. Очищення 2. Видалення 4. Розчинення 5. Видалення 6. Повторення

капілярів повітря (кристалізація рідини

упарювання

хімреакція)

3. Заповнення

капілярів

Рис. 2.1. Ланцюжок стадій в традиційному варіанті процесу

З рис. 2.1. видно, що синергетично суміщеними стадіями є стадії 2 і 3. Низька швидкість молекулярної дифузії повітря (стадія 2) і залежність від неї швидкості заповнення каналів (стадія 3) призводять до того, що ця сполучена стадія 2-3 стає лімітуючєю стадією процесу. Найбільш повільної стадією процесу просочення є молекулярна дифузія повітря з капілярів. Всі спроби вирішити цю проблему за рахунок традиційних методів виявилися безуспішними. Проаналізувавши методи видалення повітря з капілярів, ми відмовилися від традиційних способів видалення повітря з капілярів. Нами запропоновано принципово нове рішення – введення для видалення повітря з капілярів додаткової стадії, яка не заважає основному технологічному процесу, мінімально змінюючи технологію, але дозволяє прискорити молекулярну дифузію.

Практично всі стадії ланцюжка процесів при обробці капілярно-пористих тіл досить глибоко досліджені видатними вченими в різних країнах світу. Згадаймо хоча б такі закони:

– молекулярну стадію дифузії повітря в просочувальну рідину або екстрагент описує відомий закон Фіка:

; (2.1.)

– об'ємну швидкість руху рідини по циліндричному капіляру можна визначити за формулою:

,

де – довжина просочувальної ділянки капіляра, м;

– радіус капіляра, м;

– перепад тиску між тиском в капілярі і в рідині, що надходить до нього (рушійна сила процесу), МПа;

– динамічний коефіцієнт в'язкості просочувальної рідини, ;

– молекулярна дифузія

;

– заповнення капілярів просочувальною рідиною (рівняння Фіка)

;

– десорбція повітря водяною парою – рівняння Вигнера-Поляни

;

– конденсація перегрітої пари – закон Ньютона–Рихмана

;

Інтенсивність масообмінного процесу в капілярах визначається як:

I = Q/V = Mr/V = (pr⁴DRr)/(8hl_krSm) = (pr³DRr)/(8hl_kSm), (2.2)

де M = (pr⁴DR)/(8hl_k) – кількість рідини, перенесеної в одиницю часу в тонкій циліндричній трубці за законом Пуазейля, м³;

V – об'єм капілярів, м³;

h – в'язкість, Pa×с;

r – радіус капіляра, м;

l_k – довжина капіляра, м;

DR – перепад тиску, Pa;

S – питома поверхня пор, м²/кг;

m – маса КПМ, кг;

r – щільність рідини, кг/м³.

Аналіз формули (2.1) показує, що на величину I впливають:

– реологічнівластивості просочують рідин, так як у міру просочення роль вузького опору зростає;

– перепад тиску DR, який є рушійною силою процесу.

Саме з метою зменшення в'язкого опору, як видно з табл. 2.1, автори практикують збільшення температури при просочуванні, а також розведення просочують рідин дуже в’язкими розчинниками, що призводить до поліпшення змочуваності КПМ і зниження в'язкості рідини.

Що стосується напрямків збільшення рушійної сили, що представляють значний інтерес, їх можна визначити шляхом розгляду наступних аналітичних виразів. Для наскрізних капілярів

DR = P_k – rglSina, (2.2,а)

де a – кут нахилу капіляра до горизонту;

P_k = 2sCosq/r – капілярний тиск, Pa;

s – поверхневий натяг, N m;

r – радіус капіляра, m;

q – кут змочування.

З формули (2.2) видно, що просочення під дією капілярних сил можливе при q <90^o, а гранична відстань, на яке проникає рідина, розраховується з виразу

l = 2sCosq/rgr Sina. (2.3)

Для тупикових капілярів відомий вислів для DR при просочуванні під атмосферним тиском

DP = P_k + P_a – P_a l_k/(l_k – l) – rgl. (2.4).

Якщо в капілярах перед просоченням попередньо знижують тиск шляхом вакуумування, то

DP = P_k + P_a – P₁ l_k/(l_k – l) – rgl. (2.5)

Якщо в капілярах тиск знижений, а рідина, крім того, нагнітають, то

DP = P_k + P₂ – P₁ l_k/(l_k – l) – rgl. (2.6)

Підставляючи відповідні значення DP для цих варіантів в вираз (2.2) з урахуванням невисокого значення для тупикових каналів члена rgl, отримаємо для тупикових циліндричні капілярів при проведенні процесу під атмосферним тиском:

I₁ = pr³r[P_k + P_a – P₁ l_k/(l_k – l)]/8hl_kSm (2.7)

для випадку попереднього вакуумування:

I₂ = pr³r[P_k + P_a – P₁ l_k/(l_k – l)]/8hl_kSm (2.8)

при використанні попереднього вакуумування і надлишкового тиску:

I₃ = pr³r[P_k + P₂ – P₁ l_k/(l_k – l)]/8hl_kSm. (2.9)

Таблиця 2.1. Стадії просочення традиційного процесу просочення

N	Основні стадії процесу	Прийоми оптимізації
1.	Заповнення просочувальної рідиною частини капіляра переважно за рахунок капілярних сил	попереднє вакуумування КПМ з метою зниження протитиску підвищення тиску при просочуванні використання поля відцентрових сил
2.	Дифузія газу через поверхню розділу фаз всередині капіляра	підвищення температури процесу розбавлення просочувальної рідини з метою зменшення її в'язкості
3.	Просування рідини всередину капілярів в міру падіння тиску газу внаслідок стадії 2	підвищення тиску в обсязі просочувального апарата (камери) підвищення температури процесу застосування розведення просочувальної рідини
4.	Дифузія газу, розчиненого в рідини всередині капілярів, за рахунок молекулярної дифузії	підвищення температури процесу розбавлення просочувальної рідини з метою зменшення її в'язкості вакуумування просоченого апарата (камери)
5.	Дифузія газу з поверхні КПМ	турбулізація приповерхневих шарів рідкості накладенням низькочастотних коливань то ж примусовим перемішуванням то ж створенням турбулентного режиму руху рідини

Традиційно просочення проводять, занурюючи в рідину (наприклад, екстрагент) тіло, виконане з КПМ. Іноді це тіло попередньо нагрівають, вакуумують для полегшення процесу видалення з капілярів і пор, що знаходиться там повітря, що перешкоджає заповненню їх рідиною. У ряді випадків для прискорення процесу заповнення КПМ рідиною його проводять при підвищеному тиску. Це викликає необхідність використання відповідного дорогого і складного устаткування для проведення процесів, наприклад, автоклавів високого тиску.

Слід зауважити, що наведені в таблиці типові прийоми оптимізації стадій просочення КПМ вже давно не дають бажаних результатів по швидкості, глибині просочення і можливості управління процесом .

Аналіз кінетики протікання типових стадій процесу просочення КПМ показує, що:

– стадії 1-5 є взаємопов'язаними і взаємообумовленими і протікають послідовно в повній відповідності з принципами синергетики;

– найбільш повільною, лімітуючею для всього процесу, є стадія 2 (коефіцієнт дифузії газу в рідині Dgl, що визначає швидкість процесу на стадії 2, має порядок 10^–8 м²/с, тобто процес йде приблизно в 1000 разів повільніше, ніж наприклад, дифузія газу в газі, коли коефіцієнт дифузії має порядок 10^–4 м²/с).

Системний аналіз традиційних процесів просочення КПМ показує, що через багатостадійність, використання тиску і вакууму, низьку швидкість лімітуючої стадії ці процеси низькоефективні та вимагають великого часу обробки матеріалів, дорогого обладнання, часто призводять до значного забруднення навколишнього середовища.

Основна ідея запропонованої просунутої технології просочення полягає в тому, що КПМ, які потребують просочення, занурюють в просочують рідину з температурою нижче температури конденсації її парів Матеріали попередньо перед зануренням підігрівають до температури вище температури конденсації пари просочує рідини, потім обробляють перегрітими парами просочує рідини, або газом, який добре розчиняється в рідині, або швидко реагує з останньої. Крім того, в якості просочує рідини можна використовувати водні середовища, які містять розчинені або зважені речовини технологічного призначення, які повинні бути доставлені в капіляри і пори, розчинники, розплави металів та інших речовин.

Для реалізації даної технології просочення виробів з КПМ не потрібні складне апаратурно-технологічне оформлення (адже в апараті немає високого тиску або вакууму). Досить апарату, призначеного для роботи при атмосферному тиску, з пристроями для завантаження / розвантаження і розміщення просочуються виробів, пристроями їх підігріву одним з відомих методів (аеродинамічним, індукційним, конвективним та ін.). Крім того, в схемі треба передбачити пристрій для випаровування і перегріву парів просочувальної рідини.

Однак, аналіз цих методів стосовно просочення КПМ показує, що їх використання не призводить до істотних результатів. Адже, все одно залишається в силі ланцюжок операцій:

Підготовка капілярно-пористого матеріалу (підготовка пір, вакуумування і ін.)

Занурення КПМ в просочувальний розчин

Витримка для проведення власне стадій просочення (1-5 в табл. 1) при використанні методів оптимізації, зазначених в табл. 2 (наприклад, підвищення тиску, температури, турбулізація

Обробка КПМ після просочення

На жаль, істотно зменшити тривалість стадії 3 при такій послідовності не вдається.

Для визначення напрямку інтенсифікації, а також вибору прийомів і методів впливу на процеси при просочуванні доцільно використовувати поняття фактор інтенсивності I.

Під інтенсивністю I будь-якого технологічного апарата (процесу) (в тому числі і просочення) розуміють відношення цільової кількісної характеристики Q, наприклад, продуктивності, до основної, найчастіше геометричній характеристиці апарата (наприклад, обсягом робочої зони V)

Таким чином для інтенсифікації процесу просочення КПМ необхідно зменшувати залишковий тиск газової фази в капілярі, або створювати надмірний тиск в рідині, або поєднувати обидва прийому. Однак, як показує практика, дані технологічні прийоми проведення процесу просочення КПМ не вирішують весь комплекс завдань, так як непередбачувано знижується ступінь просочення, не може управління процесом ,, для проведення цих стадій потрібне застосування дорогого і складного устаткування, пристосованого для роботи під вакуумом і тиском.

Нами вже в декількох патентах пропонується піти від молекулярної дифузії газу в просочують рідину або екстрагент і перейти до дифузії газу в газ, що дозволяє значно збільшити швидкість видалення повітря з капілярів (коефіцієнт дифузії газу в рідину, як відомо, має порядок 10^–8 м²/с, а газу в газ – 10^–4 м²/с). Якщо забезпечити після заповнення капілярів паром або добре розчиняється газом (можливий також варіант використання швидко взаємодіє з рідиною газу), то при зануренні просочує тіла в рідину і організації синергетически сполученого процесу, це призводить до значного збільшення швидкості заповнення капілярів. У багатьох досліджених нами процесу швидкість просочення збільшувалася на три порядки і вище.

Тоді, в новому синергетично зв'язаному варіанті заповнення капілярів рідиною технологічний ланцюжок основних стадій процесу матиме вигляд, показаний на рис. 2.2.

Швидкість процесу визначаться швидкістю найбільш повільнішою стадії. Очевидно, що для одного циклу, показаного на рис. 2.2, такою стадією є стадія 4 – заповнення капілярів рідиною.

1. Очищення 2. Десорбція 3. Конденсація 5. Розчинення 6. Видалення 7. Повторення

капілярів повітря пари (кристалізація рідини

перегрітою упарювання

парою хімреакція)

розчинника

4. Заповнення

капілярів

рідиною

Рис. 2.2. Ланцюжок стадій пропонованого процесу

екстракції/просочення

Однак, після проведення цільової стадії 5 – обробки рідини в капілярах (наприклад, кристалізація з неї цільового компонента після випарювання та осадження на внутрішню поверхню капілярів, або розчинення в ній матеріалу поверхні капілярів) зазвичай необхідно видалити рідину, що залишилася в капілярах, щоб потім повторити процес .

У різних практично використовуваних в різних виробництвах варіантах технології процес може повторюватися багато разів. При цьому, якщо не допускати заповнення капілярів повітрям, а відразу після кожного циклу завершувати його для звільнення капілярів від рідини і початку наступного циклу стадією 2. Це дозволяє додатково скоротити загальний час процесу за рахунок відмови від проміжної стадії сушки, а також стадії очищення капілярів, і стадії 2 – видалення повітря.

Нова технологія просочення передбачає вирішити головну проблему просочування (лімітуюча стадія) – швидке звільнення капілярів від заповнює їх на початку процесу газової фази (зокрема, повітря) шляхом її заміни іншою фазою, видалення якої не представляє складності. Цією новою фазою, що витісняє повітря з капілярів (замінює повітря в капілярах), може бути газ, добре розчиняється в просочувальної рідини або хімічно взаємодіє з нею. У цьому випадку замість коефіцієнта дифузії газу в рідині D_gl (порядок 10^–7) в кінетичне рівняння для стадії 2 входить коефіцієнт дифузії газу в газі D_gg (порядок 10^–4). Отже, швидкість лімітуючої фази збільшується приблизно в 1000 разів, а, значить, і швидкість пов'язаних з нею 3-4 стадій.

Крім того, можливе попереднє заповнення капілярів перегрітими парами (переважно розчинника, що входить до складу просочувальної рідини), конденсується за умови просочення. В цьому випадку здавалося б процес ускладнюється введенням додаткових стадій обробки КПМ перегрітою парою (для витіснення газу або повітря) і його конденсації при контакті з просочувальної рідиною, що має температуру нижче температури конденсації. Однак, це ускладнення здається, так як при цьому виключаються стадії 2-5 (див. табл. 1) і всередині капілярів створюється глибокий вакуум, що сприяє прискоренню процесу на першій стадії. В цьому випадку черговість обробки виглядає наступним чином:

– підігрів одним з відомих методів (в тому числі за рахунок продувки перегрітими парами) КПМ до температури вище температури конденсації пари;

– заміна важкорозчинювального в просочувальній рідини газу в порах КПМ перегрітою парою;

– занурення КПМ з заповненими перегрітою парою капілярами у відносно більш холодну просочувальну рідина;

– конденсація пари в капілярах зі зменшенням обсягу в r_l/r_v раз (де r_l – щільність конденсату; r_v – щільність пари). Неважко підрахувати, що для води обсяг при конденсації перегрітої пари зменшується більш ніж в 800 разів, що призводить до утворення в капілярах глибокого вакууму при збереженні нормального тиску в апараті для просочення;

– заповнення капілярів рідиною за рахунок капілярних сил і вакууму всередині тупикових і квазітупікових капілярів.

Таким чином, замість п'яти неефективних і тривалих стадій ми отримуємо п'ять досить швидких і ефективних.

Для нової технології вираз для визначення рушійної сили процесу має вигляд:

DR = R_a – R_p, (2.10)

де R_a – атмосферний тиск;

R_p – парціальний тиск пари при умовах просочення.

Тоді фактор інтенсивності процесу I визначиться як:

I₄ = pr³r[P_a – P_p]/8hl_kSm. (2.11)

Якщо для інтенсифікації процесу використовувати також підвищений тиск (наприклад, при наявності вже встановленого раніше обладнання високого тиску), то інтенсивність процесу просочення КПМ буде ще вище:

I₅ = pr³r[P_a + P₂ – P_p]/8hl_kSm. (2.12)

При реалізації запропонованої технології легко керувати процесами за допомогою варіювання значень залишкового тиску в капілярах (тобто частка повітря, заміненого на пару) і надлишкового тиску в рідині P₂.

При реалізації запропонованої технології краще використання перегрітого, а не насиченої пари з наступних причин:

1. Значно прискорюється перший етап, так як відношення коефіцієнта дифузії перегрітих парів D₁ до коефіцієнта дифузії для насичених парів D₂ буде:

D₁/D₂ = (T_o/373)^1,5, (2.13)

де 373 – нормальна температура, К;

T_o – температура перегріву.

Після конденсації перегрітих парів глибина вакууму в капілярах буде вище, ніж в разі насичених парів.

При конденсації насичених утворюється більше конденсату, що може привести до небажаного розведення просочувальної рідини.

Запропонована технологія просочення КПМ дозволяє:

– збільшити швидкість (зменшити час) проведення процесу в кілька разів;

– спростити апаратурне оформлення процесу просочення, так як не потрібні автоклави високого тиску або апарати, що працюють під вакуумом;

– обробляти відразу великі партії виробів з КПМ або вироби великих розмірів (наприклад, меблі без розбирання, будівельні конструкції, архітектурні споруди тощо), бо істотно знижуються вимоги до міцності і герметичності апаратів, де відбувається просочення КПМ;

– поліпшити екологічні показники процесу з огляду на скорочення необхідного часу проведення і збільшення інтенсивності, усунення необхідності уловлювання шкідливих речовин з викидів системи вакуумування;

– знизити капітальні та експлуатаційні витрати;

– забезпечити регульовану глибину (ступінь) просочення.

Апробація описаної технології в цілому ряді реальних виробництв підтвердила не тільки її високу економічну ефективність, але і можливість вирішення низки екологічних проблем (зменшення викидів шкідливих речовин в навколишнє середовище за рахунок виключення використання вакуумних стадій і підвищеного тиску) і соціальних завдань (усунення ручної праці, зниження трудомісткості, більш висока інтелектуальна наповненість праці та ін.).

Список літератури до розділу 2

1. Мухленов І.П. Технологія каталізаторів. Л.: Хімія, 1989.

2. Аксельруд Г.А., Альтшуллер М.А. Введення в капілярно-хімічну технологію. М.: Хімія, 1983. 264 с.

3. Михайлов Ю.М. Сушка перегрітою парою. М.: Енергія, 1967. 200 с.

РОЗДІЛ 3. РОЗВИТОК КАПІЛЯРНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Процеси в системі рідина–тверде тіло надзвичайно різноманітні. При їх проведенні в якості основних операцій можна виділити різні технологічні операції під час добування, просочення, заповнення капілярів твердою фазою, вилуговування, хімічних процесів усередині капілярів. При цьому використовують різноманітні прийоми і методи:

– підготовка внутрішньої поверхні капілярів;

– підвищення тиску;

– нагрівання;

– випаровування;

– перегрів пари;

– охолодження;

– заповнення рідиною;

– заміна газу/повітря в порах (парою, реагентом, добре розчинним газом);

– видалення газу (вакуумування, продування, десорбція, хімічна реакція);

– зміна агрегатного стану (сублімація, конденсація, осадження, заморожування, випарювання, кристалізація);

– фізико-хімічна обробка (хімічна реакція, центрифугування, обробка полями);

– розчинення, вилуговування;

– обробка зовнішньої поверхні виробу.

При цьому в якості матеріалу або предметів, що утворюють матричну структуру, використовують:

– органічні матеріали (пелети, брикети, вироби з деревини, фрагменти рослин, тканини та ін.);

– неорганічні матеріали (кераміка, скло, фарфор, сілікальціт, бетон, метали та ін.);

– складні комбіновані вироби (обмотки електродвигунів, деталі та вузли порошкової металургії, кольорове лиття, металографіти, графітопласти, полімерні вироби та ін.).

Системний аналіз традиційних процесів просочення капілярно пористих матеріалів (КПМ) показує, що через багатостадійний, використання тиску і вакууму, низькій швидкості лімітуючої стадії і т.п. ці процеси низькоефективні, вимагають великого часу обробки матеріалів, дорогого обладнання, часто призводять до значного забруднення навколишнього середовища. Це є проблемою багатьох галузей, зокрема, хімії, машинобудування, гірничої промисловості.

При оптимізації процесу обробки капілярно пористих тіл використовують різні режимні та апаратурні методи інтенсифікації, домагаючись скорочення часу обробки матеріалу з кількох годин до кількох хвилин, а також максимально повного заповнення капілярів просочується розчином.

Однак, дуже часто вибір використовуваних засобів і методів є випадковим і не заснований на розгляді фізико-хімічних явищ, що є важливим і невід'ємним фактором при вивченні досить складних багатостадійний процесів просочення, екстракції, вилуговування.

Технологічні процеси герметизації пір методом просочування пов'язані з такими фундаментальними поняттями фізико-хімічних явищ як капілярність, поверхневий натяг, змочування, взаємодія речовин на межі поділу фаз, розчинення, емульгування і т.д.

При просочуванні утворюються поверхні розділу між твердою, рідкою і газоподібною фазами, в якості яких виступають, відповідно, стінки пір просочується твердого матеріалу, що просочує склад і повітря, що заповнює пори. Рівноважний стан такої системи показано на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Рівноважний стан системи тверде тіло–пар–рідина:

γ_sv – поверхневий натяг між твердим тілом і газом; γ_sl – поверхневий натяг між твердим тілом і рідиною; γ_lv – поверхневий натяг між рідиною і газом;

θ – крайовий кут змочування

У тому випадку, якщо рідина змочує стінки капіляра, має місце явище капілярного підняття (рис. 3.2), якщо не змочує – капілярного опускання (рис. 3.3). Умова досягнення рівноваги в такій системі для ідеальної моделі описується рівнянням Юнга:

Δρ · g · h = 2 · γ · (Cosθ) / r (3.1)

або

a2 = 2 · γ / ρ · g = r · h (2), (3.2)

де Δρ – різниця щільності рідкої і газової фаз;

g – прискорення вільного падіння;

h – висота підняття (опускання) рідини в капілярі над (під) площиною рідини;

γ – поверхневий натяг;

θ – крайовий кут змочування;

r – радіус капіляра;

a – капілярна стала.

Рис. 3.2. Капілярний підняття

Рис. 3.3. Капілярний опускання

При більш точному математичному описі явища капілярного підняття, що враховує відхилення форми меніска від сферичної, для капілярів круглого перетину (рис. 3.4) радіус R1 лежить в площині листа, а R2 – в перпендикулярній площині) рівняння набуває вигляду:

Δρ · g · h = γ · [y "/ (1 + y'2) 3/2 + y '/ x (1+ y') 1/2], (3.3)

де y '= dy / dx і y "= d2y / dx2.

Рис. 3.4. Меніск в капілярі

Точне рішення рівняння (3.3) щодо h – часто використовується експериментальний параметр – отримати неможливо. Існують наближені рішення, що забезпечують достатню точність для θ = 0, які використовуються на практиці. У той же час з рівняння (3.3) шляхом математичних перетворень можна розрахувати загальну вагу стовпчика рідини (W), що заповнює капіляр:

W = 2 · π · r · γ · Cosθ. (3.4)

При використанні цього рівняння потрібно визначати загальна вага рідини в капілярі, що здійснимо на практиці не завжди, тому зазвичай вимірюють висоту h дна меніска.

Як видно з рівнянь (3.1) і (3.3), заповнення пір рідиною залежить від змочування твердої поверхні рідиною. Зазвичай термін «змочування» означає, що крайовий кут між рідиною і твердим тілом дорівнює нулю або настільки близький до нього, що рідина вільно розтікається по поверхні твердого тіла. Відповідно, коли говорять про «незмочування», вважають, що крайовий кут перевищує 90^о і, таким чином, рідина прагне піти з поверхні або зібратися в сферичну краплю. Основним співвідношенням, що зв'язує змочувальні властивості рідини з крайовим кутом (рис. 3.1), є рівняння Юнга:

Cosθ = (γ_sv – γ_sl)/γ_lv, (3.5)

де γ_sv – поверхневий натяг між твердим тілом і газом;

γ_sl – поверхневий натяг між твердим тілом і рідиною;

γ_lv – поверхневий натяг між рідиною і газом.

Зазвичай γ_sv ≠ γ_sl, тоді спостерігається капілярне підняття або опускання рідини. Якщо γ_sv> γ_sl, то поверхня розділу утворює увігнутий меніск (змочування і підняття). Якщо γ_sv < γ_sl, то меніск опуклий (незмочування та опускання). Змочування відбувається за умови, що крайовий кут досить малий і коефіцієнт розтікання:

Sl/s = γ_sv – γ_lv – γ_sl (3.6)

має позитивне значення.

Отже, щоб забезпечити розтікання, в першому наближенні необхідно по можливості зменшити γ_sl і γ_lv. На практиці це краще робити, вводячи в рідку фазу якесь поверхнево-активна речовина, адсорбує на поверхні розділу рідина–тверде тіло і рідина–повітря і тим самим знижує їх поверхневі натягу.

При просочуванні потрібно, щоб рідина не тільки змочувала оброблювані матеріали, але і досить швидко заповнювала пори. Рушійною силою просочення є різниця тисків на викривленій поверхні меніска при капілярному піднятті. Для не глухі пір капілярний тиск ΔP в порі з еквівалентним радіусом r одно:

ΔP = 2 · γ_lv · Cosθ/r. (3.7)

Якщо θ ≠ 0, то ΔP = 2 (γ_sv – γ_sl)/r. Оскільки зазвичай змінити γ_sv практично неможливо, щоб P була великою, слід по можливості зменшити γ_sl. Однак при θ = 0 рівняння (3.7) приймає наступний вигляд:

ΔP = 2 · γ_lv/r. (3.8)

Таким чином, ΔP тим більше, чим більше γ_lv. Завдання зводиться до того, щоб знайти таке поверхнево-активна речовина, яка зменшувало б γ_sl, але не знижувало б γ_lv. Оскільки будь-яка поверхнево-активна речовина впливає на обидва міжфазних натяги, вибір реагенту, що дає такий складний ефект, проводиться з урахуванням властивостей кожної конкретної системи.

Крім великого ΔP, при просочуванні бажано також, щоб швидкість руху рідини в капілярі була досить велика. У горизонтальних капілярах і, взагалі, якщо силами тяжкості можна знехтувати, швидкість руху рідини визначається рівнянням Уошборна:

(3.9)

Це рівняння записано для такої системи, в якій рідина L₂ витісняється рідиною L₁; l₁ і l₂ – довжини стовпчиків відповідних рідин в капілярі; η₁ і η₂ – в'язкості рідин. Якщо рідина витісняє повітря, величина γ_l·сosθ/η має розмірність швидкості і, отже, може слугувати мірою швидкості просочення пористого тіла рідиною.

Неоднорідність хімічного складу і фізико-хімічних характеристик поверхні пір істотно впливають на процес просочення. Звивистість і звуження пор по довжині, наявність глухих пір, «пляшковидний» пори (рис. 3.5) і багато інших структурні явища в комбінації зі зміною хімічного складу поверхні призводять до того, що просочуються склад, в цілому змочувальний поверхню матеріалу, в «брудних» порах має прямопротилежним властивостями – незмочування. Просочення і заповнення таких пір неможливі без застосування зовнішнього тиску. (Після досягнення деякого критичного тиску, пропорційного діаметру такий пори, відбувається різке заповнення всієї пори відразу.)

Рис. 3.5. Пляшковидна пора

Позитивною стороною цього явища є те, що після заповнення таких пір рідина з них не виходить і після зняття зовнішнього тиску.

Підвищення температури, при інших рівних умовах, як правило, призводить до зниження крайового кута змочування і поліпшенню змочування поверхні, однак ефективність такого впливу в межах працездатності просочують матеріалів незначна, а підвищення температури на стадії просочення вище допустимої величини викличе полімеризацію просочує складу.

Таким чином, підсумовуючи вищевикладене, можна зробити наступні основні висновки:

1. Для забезпечення якісної просочення і заповнення пір просочувальна композиція повинна мати хороші змочувальні властивості, максимально посилені підбором відповідних поверхнево-активних речовин.

2. Хімічний склад поверхні відкритих пір має бути максимально однорідним, деталі повинні бути чистими і сухими для збереження змочувальних властивостей просочувальної композиції.

3. Для підвищення якості просочення доцільно використовувати штучні прийоми: створення вакууму в апараті перед зануренням деталей в просочувальну рідину, подальше створення підвищеного тиску в цьому ж апараті після занурення деталей в просочувальну рідину, використовувати ефекти зовнішнього впливу на просочувальну рідину – звукокапілярний, термоконденсаційний, магнітний та ін.

РОЗДІЛ 4. ДОСЛІДЖЕННЯ КОНДЕНСАЦІЙНОГО ПРОСОЧЕННЯ З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТОДИКИ ПОВНОГО ФАКТОРНОГО ЕКСПЕРИМЕНТУ

Відомо, що дослідники виділяють наступні чинники, що впливають на якість просочення: пористість, розміри і форма пір, шорсткість, вологість капілярно-пористого тіла; поверхневий натяг, в'язкість, крайовий кут змочування просочувальної рідини; склад і парціальні тиску парів, стисливість, розчинність, дисперсність, дифузійна та реакційна здатність входять до просочувальну рідина компонентів та ін. В зв'язку з цим, доцільно використовувати математичне моделювання просочення і використання математичної моделі в якості імітаційної з метою визначення оптимальних умов протікання процесу та управління їм, а також для перенесення результатів розрахунків на реальний об'єкт.

У роботах автора з учнями вказується, що при використанні ефекту конденсації перегрітої пари збільшується повнота просочення, однак цей ефект поки мало вивчений. Існуючі математичні моделі просочення не відображають вплив на процес багатьох факторів, не завжди відповідають реально одержуваних на практиці результатами. У таких випадках доцільно використання методики факторного експерименту. Сутність факторного експерименту полягає в одночасному варіюванні всіх факторів об'єкта дослідження за певним планом, поданні математичної моделі у вигляді лінійного полінома і дослідженні останнього методами математичної статистики, що значно економить експериментатору час і ресурси.

Представляє не тільки науковий, але і практичний інтерес отримання математичного опису процесу і оптимізація конденсаційного просочення шляхом реалізації повного факторного експерименту, а також отримання оптимальних параметрів процесу просочення. В якості просочувального матеріалу ми часто використовували міскантус як матеріал досить однорідний, який не містить сторонніх включень, що забезпечувало відтворюваність отриманих експериментальних результатів.

Отже, в якості матеріалу для просочення були обрані паливні гранули (пелети) – біопаливо, що отримується з торфу, деревних відходів і відходів сільського господарства, які представляють собою циліндричні гранули стандартного розміру. У нашому випадку пелети були виготовлені з біопаливної культури міскантус. Для дослідження і експерименту нами були використані пелети з міскантусу, люб'язно надіслані нам нашими партнерами в Англії, які безпосередньо займаються їх виробництвом. Пелети з міскантусу виявилися більш однорідними за структурою і пористості в порівнянні з пелетами з лушпиння соняшнику або тирси. Це триплоїдного стерильне рослина, яка вирощується не інвазивні способом, а саме шляхом посадки його кореневищ (різом). Стебла цієї унікальної трави можуть досягати 4-5 метрів у висоту при діаметрі до 2-3 см. У сухому вигляді їх збирають після визрівання, в період з лютого по березень, коли вміст вологи стає менше 17%. Міскантус має безліч застосувань: в першу чергу як альтернативне джерело енергії – тверде біопаливо. Також його застосовують в якості будівельного матеріалу, для виробництва целюлози, в тваринництві та ін.

Щільність нарізаного міскантусу становить близько 150 кг/м³, а щільність гранульованого міскантусу становить близько 600 кг/м³. Такі гранули легше зберігати і транспортувати.

Енергетична цінність спалювання біомаси міскантусу в порівнянні з іншими видами палива:

Матеріал для отримання енергії	Енергетична вартість, МДж/кг
Мазут	41,0
Кам’яне вугілля	27,0-30,0
Буре вугілля	27,0
Кора	19,5
Деревина тополі	18,7
Міскантус	17,0-19,0
Солома	17,0
Сухий торф	14,7

Проведений попередній аналіз можливих джерел речовин для просочення з урахуванням фізико-хімічних і економічних показників показав, що просочення можна здійснювати відпрацьованим рослинним маслом; відпрацьованими автомобільним, трансформаторним маслом; мазутом, спеціальними складами для просочення та ін. Це повинно допомогти усунути один з основних недоліків пелет – низьку питому вагову теплотворну здатність.

Для чистоти експерименту в якості наповнювача капілярів нами було вибрано соняшникову олію, так як воно має відмінний показник теплоти згорання – 39,5 МДж/кг. Для прискорення швидкості висихання олії в капілярах і порах використовувався сикатив - резинат марганцю, солі марганцю і смоляних кислот Mn (C19H29COO) 2, світло-коричневе речовина, нерозчинний у воді. Кількість сикативу становило 3-5% від маси продукту.

На початковій стадії планування експерименту з урахуванням поставлених цілей були відібрані незалежні змінні (фактори), які в подальшому будуть використовуватися в експерименті. Фактори вибираються на основі аналізу апріорної інформації, що вимагає використання різних методів систематизації отриманих знань. Для вирішення завдань такого роду були використані методи експертної оцінки. Ці методи засновані на отриманні та обробці даних, отриманих в результаті опитування фахівців. На основі всього перерахованого вище, літературних даних, використання експертної ранжування факторів і попереднього експерименту в план експерименту були включені наступні фактори:

X₁ – температура перегрітої пари, ⁰С;

X₂ – маса подається г/с;

X₃ – час просочення, с;

В якості змінної стану обраний показник «відносний приріст зразка після конденсаційної просочення». Рослинна олія в своєму природному вигляді, навіть при великому вмісті ліноленової кислоти, висихає надзвичайно повільно. Для скорочення часу висихання олії, нами був доданий в нього сикатив в обсязі 3-5% від маси масла, для забезпечення більш швидкого висихання.

Експерименти щодо конденсаційного просочення проводилися на лабораторній установці (рис. 4.1). Лабораторна установка складається з просочувальної камери, обмотаним дротом з ніхрому діаметром d = 0,7 мм 1, циліндричної форми, з кришкою на різьбовому з'єднанні 2, патрубками для введення і виведення перегрітого водяної пари і подачі просочувальної рідини. У внутрішній частині установки встановлюють полку з отворами для розміщення зразків, які просочуються. Установку забезпечують також парогенератором 3, пароперегрівом 4, краном для регулювання витрати пари 5, ЛАТР 6, за допомогою якого регулюють температуру, краном 9 для зливу просочує рідини. У просочувальну камеру 1 поміщають зразок нагрівають його вище температури конденсації. У парогенераторі підігрівають воду до температури кипіння. Водяна пара проходить через пароперегрівача, на виході з якого з допомогою термопари вимірюють температуру перегрітої пари.

Рис. 4.1. Схема експериментальної установки

Перегріта пара надходить в просочувальну камеру через патрубок. Після обробки зразка протягом заданого часу, перекривають подачу пара 7 і через кран 8 подають просочувальну рідина в камеру до повного заповнення зразка. На цій стадії повторюється необхідну кількість циклів до моменту максимального заповнення капілярів. Експериментально було попередньо показано, що оптимальне співвідношення часу обробки просочується зразка паром до часу заповнення камери просочувальної рідиною становить приблизно 4. Після просочення протягом заданого часу, рідина зливають через нижній кран 9. Після обробки зразка протягом заданого часу, перекривають подачу пара 7 і через кран 8 подають просочувальну рідина в камеру до повного заповнення зразка. На цій стадії повторюється необхідну кількість циклів до моменту максимального заповнення капілярів. Експериментально було попередньо показано, що оптимальне співвідношення часу обробки просочується зразка паром до часу заповнення камери просочувальної рідиною становить приблизно 4. Після просочення протягом заданого часу, рідина зливають через нижній кран 9. Після обробки зразка протягом заданого часу, перекривають подачу пара 7 і через кран 8 подають просочувальну рідина в камеру до повного заповнення зразка. На цій стадії повторюється необхідну кількість циклів до моменту максимального заповнення капілярів. Експериментально було попередньо показано, що оптимальне співвідношення часу обробки просочується зразка паром до часу заповнення камери просочувальної рідиною становить приблизно 4. Після просочення протягом заданого часу, рідина зливають через нижній кран 9.

Постановка завдання оптимізації: знайти умови конденсаційної просочення, які забезпечили б максимальний приріст просочується зразка при певних обмеженнях на фактори. Математично це можна виразити у вигляді отримання математичної моделі:

, (4.1)

– вихідна змінна;

, .... – коефіцієнти в лінійному рівнянні регресії;

– фактори.

Оцінка області визначення факторів

Отже, в якості просочувальної рідини використовувалося рослинне відпрацьоване масло з додаванням сикативу. Як пористих тіл використовувалися пелети з міскантусу. Для всіх факторів за результатами попереднього експерименту і літературними даними [6] була прийнята наступна область існування факторів:

110≤ X₁ ≤ 140, ⁰С;

30 ≤ X₂ ≤ 60, г/с;

30 ≤ X₃ ≤ 90, с;

Вибір нульових рівнів. Передбачається центр плану помістити в точку з координатами:

X₁₀ – 125⁰;

X₂₀ – 45 г/с;

X₃₀ – 60 с;

Вибір інтервалів варіювання факторів. Для реалізації цього етапу планування експерименту в факторному просторі вибирається область проведення експерименту з наступними інтервалами варіювання щодо нульових рівнів:

ΔX₁ = 15°С;

ΔX₂ = 15 г/с;

ΔX₃ = 30 с;

Побудова матриці планування експерименту. Постановка завдання вимагає отримання лінійної математичної моделі. Скористаємося повним факторним експериментом типу ПФЕ 23 – планування дворівневе (три фактори, 8 дослідів, два паралельних досліду в одній точці (табл. 4.1)).

Від систем координат z1,...,zk необхідно перейти до нової безрозмірною системі координат x1,...,xk за допомогою лінійного перетворення:

, (4.2)

де i = 1,2,3, ..., k

У безрозмірною системі координат верхній рівень – +1, нижній рівень – –1, координати центру дорівнюють нулю і збігаються з початком координат.

Таблиця 4.1. Матриця планування експерименту і результати розрахунків

Номер досліду	Фактори в натуральному масштабі			Фактори в безрозмірною системі координат				вихідний параметр	надбавка маси в%
	Z1	Z2	Z3	X0	X1	X2	X3	y	y%
1	140	60	90	+1	+1	+1	+1	2.39	23
2	110	60	90	+1	-1	+1	+1	1.86	18
3	140	30	90	+1	+1	-1	+1	1.73	16.5
4	110	30	90	+1	-1	-1	+1	1.78	17
5	140	60	30	+1	+1	+1	-1	1.4	14
6	110	60	30	+1	-1	+1	-1	1.49	14.5
7	140	30	30	+1	+1	-1	-1	1.35	13
8	110	30	30	+1	-1	-1	-1	0.93	9

= 0,94 помилка досвіду по чотирьом дослідам в одній точці

, , ,

, ,

Перевірка показала, що експериментальні дані є нормально розподіленими та однорідними (табл. 4.2).

Таблиця 4.2. Порівняння теплотворної здатності

№ досліду	Теплотворна здатність не просочених пелет МДж/кг	Теплотворна здатність просочених пелет МДж/кг
1	19	28
2		26,11
3		25,51
4		25,72
5		24,53
6		24,73
7		24,14
8		22,56

Розрахуємо лінійні коефіцієнти регресії в рівнянні 1 за формулою:

Перевірка значущості коефіцієнтів регресії. Для оцінки впливу кожного з факторів на зміну стану використовують перевірку значущості кожного коефіцієнта двома рівноцінними способами.

Знайдемо спочатку дисперсію коефіцієнтів регресії за формулою

, (4.3)

,

,

– помилка досвіду (дисперсія відтворюваності);

– дисперсії коефіцієнтів;

– розрахункове значення критерію Стьюдента;

– середньоквадратичне відхилення.

За першим способом оцінку значущості коефіцієнтів виконують за формулою

, (4.4)

і умові

, (4.5)

де – абсолютне значення i-го коефіцієнта регресії;

– середньоквадратичне відхилення ;

– табличне значення критерію Стьюдента, яке знаходять за кількістю ступенів свободи і рівнем значущості .

За другим способом для перевірки значущості коефіцієнтів регресії використовують довірчий інтервал , Який, внаслідок рівності для всіх коефіцієнтів, однаковий для всіх :

, (4.6)

тоді значимість оцінюють, порівнюючи абсолютні значення коефіцієнта і довірчого інтервалу:

. (4.7)

Якщо виконуються умови (4.5) і (4.7), то i-й коефіцієнт визнається значущим.

При рівні значущості і табличне значення критерію Стьюдента .

Перевіримо значущість коефіцієнтів регресії за двома способам, результати розрахунків зведемо в табл.4.3.

З табл. 4.3 видно, що для коефіцієнтів (температура пари) і (маса пари, що подається) не виконуються умови (5) і (7) ( і , і ) отже і є незначними. Однак, по апріорним даними, температура пара і маса подається пара мають вплив на повноту просочення, тому залишимо їх в числі значущих чинників.

Таблиця 4.3. Результати розрахунків див. російський варіант

Перевірка адекватності лінійного рівняння регресії. Адекватність перевіряють, оцінюючи ставлення дисперсії адекватності до дисперсії відтворюваності за критерієм Фішера

, (4.8)

де – розрахункове значення критерію Фішера;

– дисперсія адекватності;

– дисперсія відтворюваності (помилка досвіду).

Лінійне рівняння визнається адекватним при виконанні умови

, (4.9)

де – табличне значення критерію Фішера для ступенів свободи і рівня значущості .

Дисперсію адекватності розрахуємо за результатами останнього стовпчика табл. 1 і формулою

, (4.10)

де – число паралельних дослідів;

– число рядків матриці планування;

– число членів в рівнянні регресії, що залишилися після оцінки значущості.

Тоді після підстановки значень у формулу (4.10) маємо

.

Розрахункове значення критерію Фішера за формулою (4.8)

.

Табличне значення критерію Фішера для і .

Таким чином, умова (4.9) виконується, отже, отримане лінійне рівняння адекватно описує експериментальні дані. Також для перевірки адекватності лінійної моделі завжди розраховують коефіцієнти взаємодій чинників, значимість хоча б одного з яких дозволяє зробити висновок про неадекватність лінійної моделі.

Для знаходження коефіцієнтів при взаємодіях факторів план ПФЕ доповнюють стовпцями, що представляють собою твори стовпців відповідних факторів. Для нашого випадку матриця планування з урахуванням ефекту взаємодії надана в табл. 4.3. коефіцієнти взаємодії розраховують за формулою

, , (4.11)

і перевіряють значущість коефіцієнтів взаємодії.

Розрахуємо коефіцієнти парної взаємодії. Для цього складемо додаткову таблицю (табл. 4.4).

Таблиця 4.4

номер досліду	X0	X1	X2	X3	X1X2	X1X3	X2X3	X1X2X3	y
1	+1	+1	+1	+1	+1	+1	+1	+1	2.39
2	+1	-1	+1	+1	-1	-1	+1	-1	1.86
3	+1	+1	-1	+1	-1	+1	-1	-1	1.73
4	+1	-1	-1	+1	+1	-1	-1	+1	1.78
5	+1	+1	+1	-1	+1	-1	-1	-1	1.4
6	+1	-1	+1	-1	-1	+1	-1	+1	1.49
7	+1	+1	-1	-1	-1	-1	+1	+1	1.35
8	+1	-1	-1	-1	+1	+1	+1	-1	0.93

Коефіцієнти розрахуємо за формулами:

Отримане рівняння регресії, отримане при проведенні планування експерименту для трьох факторів:

(4.12)

Перевірка значущості коефіцієнтів, проведена за критерієм Стьюдента з використанням паралельних дослідів, показана значимість всіх коефіцієнтів отриманого рівняння. Перевірка адекватності рівняння здійснювалася з використанням критерію Фішера.

За допомогою програми PlanExp B-D13 – програма для обробки даних трьохфакторних планованих експериментів, виконано побудова діаграми ліній рівного рівня і виявлені точки екстремуму. Графічне інтерпретація математичної моделі процесу (12) надана на рис. 4.2. З  графіка видно, що всі фактори, використані в факторному експерименті знаходяться вище рівня шумів експерименту. Аналізуючи графік приходимо до висновку, що найбільш значущим в обраній області параметрів є час проведення процесу просочення. Менш значимі в порядку убування є витрата пара і температура перегрітої пари. Час просочення в поєднанні з іншими факторами також має найбільший вплив на глибину просочення. Залежності між факторами і функцією відгуку прямо пропорційні.

Для цілей оптимізації досліджуваного об'єкта, який описується рівнянням другого порядку, існує перетворення, що дозволяє отримати графічну інтерпретацію області оптимуму. Згадане перетворення називається канонічним.

У нашому випадку на рис. 4.2 показано, що коефіцієнти B₁₁ і B₂₂ мають різні знаки; контурні криві в цьому випадку є гіперболами; центр фігури називається «сідлом» або «Мінімакс»; залежно від співвідношення абсолютних значень коефіцієнтів B₁₁ і B₂₂, зміна вихідної змінної по осях X₁X₂ буде різним.

Рис. 4.2. Контурні криві функції відгуку області оптимуму, описуваної рівнянням другого порядку

Екстремум функції відгуку знаходиться в межах варіювання змінних факторів. Значення екстремуму становить Y_opt = 12,027. Екстремуму функції відгуку відповідають значення факторів: x₂ = –0,407 (167,79) і x₃ = 0,317 (69,51) при x₁ = 0 (125).

Також було виконано регресійний аналіз даних за допомогою програми Microsoft Excel:

Регресійна статистика
Множинний R	0,943562
R-квадрат	0,890309
Нормований R-квадрат	0,80804
Стандартна помилка	1,794088
Спостереження	8

дисперсійний аналіз
	df	SS	MS	F	значимість F
Регресія	3	104,5	34,833	10,82200647	0,021717639
Залишок	4	12,88	3,2188
Разом	7	117,4

Результатом експерименту є визначення оптимальних параметрів просочення міскантусу рослинними оліями. Такими є чинники експерименту №1, температура перегрітої пари 140^оС; маса подається пара 60 г/с; час просочення 90 с. При даних параметрах вдається досягти збільшення маси пелети на 23-25%, при цьому зберігаючи стабільний режим роботи установки. збільшення повноти заповнення капілярів до 90%, зменшення часу просочення з 24 год до 90 с, що дозволяє збільшити швидкість виробництва просочених пелет в 1440 разів при досягненні приблизно тієї ж повноти просочення. Знайдена можливість використання вторинної сировини для просочення пелет. Таким сировиною може бути відпрацьовані масла харчових виробництв, трансформаторне масло, автомобільне масло, мазут і т.д. Вирішено проблему витоку масла після просочення, шляхом додавання сикативу і обробки теплим повітрям в кінці останнього циклу обробки. Збільшення калорійності пелети більш ніж на 23%, тим самим забезпечує збільшення тривалості горіння закладки, що дозволить зменшити кількість циклів завантаження пелети в порівнянні з використанням традиційних пелет, збільшення енергетичної калорійність пелет до 27-29 МДж/кг просочених пелет, що можна порівняти з калорійністю кам'яного вугілля. Просочені за новою технологією пелети зменшують відсоток зольності в співвідношення з масою продукту. збільшення енергетичної калорійність пелет до 27-29 МДж/кг просочених пелет, що можна порівняти з калорійністю кам'яного вугілля. Просочені за новою технологією пелети зменшують відсоток зольності в співвідношення з масою продукту. збільшення енергетичної калорійність пелет до 27-29 МДж / кг просочених пелет, що можна порівняти з калорійністю кам'яного вугілля. Просочені за новою технологією пелети зменшують відсоток зольності в співвідношення з масою продукту.

Просочення міскантусу здійснювалося маслами рослинного походження, а також відпрацьованим автомобільним маслом. На прикладі цих матеріалів вдалося визначити швидкість і повноту заповнення зразка. На рис. 4.3, 4.4 надана структура пір експеримен-тального зразка. Первісний вигляд зразка пелет до початку процесу просочення (рис. 4.3). Для порівняння нової технології з традиційним методом просочування, був проведений процес занурення зразка в розчин. Зразок був розміщений в камері з таким же розчином, і витриманий протягом 24 годин. В результаті розчин не зміг проникнути глибоко в капіляри (рис. 4.4). Маса зразка збільшилася всього на 11,5%. Для збільшення повноти і глибини просочення проведено 3 експерименту з різною кількістю циклів просочення, за одну одиницю часу.

На (рис. 4.4) показаний зразок, просочений новим методом. Пропитих розчин протягом 60 с заповнює пори з максимальною глибиною, що дозволило збільшити масу зразка на більш ніж 35%. Тим самим збільшивши тепловіддачу і тривалість горіння пелет.

Рис. 4.3. Пелет до просочення Рис. 4.4. Пелет після просочення

Результати експерименту:

1. Зменшення часу просочення з 24 год до 60 с, що дозволяє збільшити швидкість виробництва просочених пелет в 1440 разів.

2. Знайдені методи використання вторинної сировини для просочення пелет. Такими можуть бути відпрацьовані масла харчових виробництв, трансформаторне масло, автомобільне масло, мазут і т.д.

3. Вирішено проблему витікання масла після просочення, шляхом додавання сикативу і обробки теплим повітрям в кінці процесу.

4. Збільшення калорійності пелет більш ніж на 35%:

4.1. Збільшує тривалість горіння закладки, що дозволить зменшити кількість циклів завантаження пелет в порівнянні з традиційними пелетами.

4.2. Збільшує енергетичної калорійності пелет. Приклад: енергетична вартість 1 кг пеллет міскантусу становить 19 МДж/кг, заповнивши його на 35% мазутом ми отримаємо збільшення в калорійності продукту в 10 МДж/кг, в підсумки отримуємо 29-30 МДж/кг просочених пелет, що можна порівняти з згорянням 1 кг кам'яного вугілля.

4.3. Просочені пелети зменшують відсоток зольності в співвідношення з масою продукту. У таблиці 4.5. показані результати просочення.

Таблиця 4. 5. Просочення міскантуса

№	Розчин для просоченням	Кількість циклів просоченням	Час просоченням	Маса вихідна	Маса просоченням бланках	Приріст у відсотках
1	Рослинна олія + сікатів (Занурення)	1	24 години	9,88 г	11,01 г	11,5%
2	Рослинна олія + сікатів	2	60 с	9,91 г	11,11 г	12%
3	Рослинна олія + сікатів	4	60 с	9,96 г	12,45 г	25%
4	Рослинна олія + сікатів	6	60 с	9,85	13,29 г	35%

Для більш повного відображення процесу просочення, наведено приклад блочно-модульної установки в технологічних операторах (рис. 4.5). Сутність блочно-модульного підходу полягає в створенні технологічних систем з випуску продукції з використанням стандартних і нестандартних спеціалізованих модулів, класифікованих за ознакою спільності виконуваних технологічних задач.

Рис. 4.5. Блочно-модульна схема технологічних операторів:

1 – котел; 2 – випарник; 3 – кран; 4 – нагрів; 5 – стадії просочення;

6 – охолодження; 7 – конденсація; 8 – заповнення рідиною та екстрагування капілярів; 9 – стрічка сушильний; а) – паливо; б) – вода; в, н) – димові гази;

г, д, е, ж, п) –перегріта пара; з) – конденсат; к, л) – просочувальна рідина; м) – сіккатів

Результати досліджень наведені на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Залежність відносного приросту зразків від часу просочення

Таким чином, удосконалений спосіб може бути використаний у виробництві пелет у вигляді брикетів міскантусу, з деревини, лушпиння соняшника, тирси, соломи, круп'яних відходів та ін. Для збільшення калорійності виробленого пелет.

У зв'язку з тим, що в багатьох практично важливих випадках просочення виявилося доцільним подавати гострий пар екстрагента в робочу камеру і в процесі просочення, коли робочий об'єм безпосередньо заповнений рідиною, були проведені дослідження частоти коливань в рідини, що створюються при конденсації бульбашок гострого водяної пари.

Таріровка парогенератора

Таріровка продуктивності парогенератора, проводилася ваговим методом, шляхом конденсації водяної пари і зважуванням проб, відібраних після конденсатора, за якийсь проміжок часу. За допомогою ЛАТРа змінювалася потужність, що витрачається на випаровування води в парогенераторі. Після того, як парогенератор «виходив на режим» (всі параметри стабілізувалися в часі), фіксувалися напруга U і сила струму I перед парогенератором, за допомогою вольтметра V і амперметра A відповідно (рис. 4.1), крім того, проводився відбір сконденсованої рідини після конденсатора. Таким чином, вимірювалося кількість рідини, сконденсованої за певний проміжок часу (витрата рідини Q) при заданої потужності парогенератора P.

Так як робота електричного струму витрачається тільки на нагрівання спіралі парогенератора, повну потужність парогенератора можна розрахувати за формулою:

. (4.13)

Результати вимірювань заносилися в таблицю 4.6.

Таблиця 4.6. Дані для таріровки парогенератора

U I	Q		P
В	А	г/хв		Вт
56	2,5	3,15		140
78	3,45	3,63		269,1
92	4	7,94		368
102	4,75	9		484
106	4,9	10,4		519,4
145	6	19,8		870
215	9	31,2		1935

На підставі отриманих значень потужності і витрати рідини, будувався тарувальний графік парогенератора в координатах Q–Р (рис. 4.7.).

Рис. 4.7. Тарувальний графік парогенератора

Опис програми

Програма являє собою емулятор аналогового осцилографа, з характерним для цього приладу екраном з координатної сіткою, тут же і панель управління з кнопками, движками і регуляторами. Крім того, в програмних осцилографах присутні додаткові можливості, як, наприклад, можливість збереження досліджуваного спектра в пам'яті, плавне і автоматичне масштабування зображення сигналу і т.д. Головною перевагою цього осцилографа перед його аналоговим родичем, є можливість зберігати осцилограму в цифровому вигляді. Це дає можливість переносити дані в такі програми як MS Exel, Statsoft Statistica, SPSS та інші для подальшого аналізу та обробки.

Методика проведення експерименту

Для проведення експерименту, необхідно підключити до мережі ЛАТР Л1 і Л2. Рукоятка ЛАТРа Л1 встановлюється в положення 220 В. Після того, як рідина в парогенераторі 1 закипить, необхідно встановити необхідну витрату пари Q, заданий умовами експерименту (див. Матрицю планування).

Для цього рукоятка ЛАТРа Л1 встановлюється в такий стан, коли амперметр А, покаже значення сили струму, попередньо знайдене по тарувального графіку (рис. 4.3). Далі встановлюється температура перегріву пари Т1, шляхом регулювання напруги, що подається на пароперегрівач 2, за допомогою ЛАТРа Л2. Необхідно також включити насос Н, для циркуляції рідини через посудину 3 і холодильник Х.

Показання осцилографа знімаються після виходу схеми на режим, коли всі параметри встановлюються в часі (12-15 хв). Процедура зняття показань осцилографа є копіювання осцилограми і збереження її в цифровому вигляді в файл Microsoft Office Excel або інший подібний програмний додаток, для подальшої обробки.

Далі необхідно скинути витрата Q і температуру перегріву пара Т1 на більш низький рівень, шляхом зниження напруги, що подається на парогенератор 1 і пароперегрівача 2. Після закінчення 15-20 хв досвід повторюють. Для дослідів, в яких використано сопло з меншим отвором для пари, необхідно змінити насадку 4, після чого провести вищеописані процедури.

Методика обробки експериментальних даних

Результатом експерименту є ряд осцилограм у вигляді залежності напруги U (мВ) від часу τ (с). Для отримання їх графічного відображення, необхідно побудувати точкову діаграму зі значеннями, з'єднаними згладжуючими лініями за допомогою майстра діаграм, що входить в пакет MS Exel або за допомогою іншої подібної програми. Фрагмент такої діаграми показаний на рис. 4.4.

1 – частота відриву бульбашок пари від сопла;

2 – гармоніка конденсації бульбашок пари

Діаграма відображає зміну напруги п’єзодатчика U в часі і являє собою накладення декількох гармонік коливань різної частоти і амплітуди. Гармоніка 1 (5-80 Гц) відображає частоту відриву бульбашок пари від сопла. Гармоніка 2 (2000-3000 Гц) відображає частоту схлопування бульбашок перегрітого пара в рідині. Амплітуда коливань фіксується в трьох точках осцилограми, після чого її середнє арифметичне значення заноситься в матрицю планування експерименту як, U = 1,2, ..., m, i = 1,2, …, N, де m – число паралельних дослідів, Nm – загальне число дослідів.

Таким чином, обробляються осцилограми для всіх дослідів і заповнюються відповідні стовпці матриці планування експерименту. Експериментально отримані діаграми приведені нижче на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Експериментально отримані діаграми для частоти схлопування бульбашок пари в просочувальній рідини

Важливі доповнення до питань оптимізації технології просочення

Вже зазначалося, що процеси міжфазного масообміну широко застосовуються в промисловості і відіграють значну роль в хімічній технології, оскільки вони є основними для визначальних стадій багатьох виробництв і в значній мірі впливають на якісні та експлуатаційні характеристики виробленої продукції. Серед них особливе місце займає міжфазове перенесення маси в пористих матеріалах. Найбільш поширеним процесом масопереносу в капілярно-пористих тілах є переміщення рідини під дією капілярних сил, тобто, капілярне просочення. Однак, незважаючи на великий обсяг проведених досліджень, ці процесі вивчений ще далеко недостатньо і його можливості використовуються не повністю, а практика до останнього часу спиралася на явно застарілі уявлення про механізм і кінетику просочення пористих матеріалів.

У зв'язку з цим є технологічне та апаратурне оформлення цих процесів таке, що вони часто негативно впливають на екологічну обстановку в цеху, на заводі, місті і регіоні. Це пов'язано з тим, що просочувальні рідини, які застосовуються в багатьох випадках при підвищених температурах (кам’яновугільний пек, креозот, кам’яно-вугільна смола, розчинники смол і кремній рганікі та ін.) канцерогенні і токсичні. Крім того, часто технологічно недосяжно необхідне заповнення капілярів за один цикл, що збільшує кількість викидів, трудомісткість і шкідливість виробництва. Нарешті, існуючі умови праці сприяють розвитку деяких спадкових хвороб у обслуговуючого персоналу.

Таким чином, процеси просочення КПМ потребують не тільки в інтенсифікації, тому що засновані на використанні дорогого вакуумного обладнання, поліциклічних, тривалі в часі, вимагають проміжних операцій, але і в істотній їх екологізації.

В даний час з точки зору забруднення навколишнього середовища існує чотири типи зв'язків між виробничими об'єктами і навколишнім середовищем: безконтрольне забруднення; уловлювання та нейтралізація забруднень в кінці технологічного циклу; малозабруднююче виробництво; незабруднююче виробництво. Очевидно, що існуючі сьогодні виробничі процеси імпрегнирування відносяться до першого і другого типу зв'язків, тобто, в кращому випадку вони містять "прибудовані" до виробничих об'єктів очисні споруди. У більшості випадків такого роду рішення пов’язані з витратами, різко зростаючими при збільшенні кількості викидів і необхідного ступеня нейтралізації. Тому розробка технологічних процесів, що відносяться до третього і четвертого типу зв'язків, має істотне значення, тому що різко скорочуються відходи і викиди.

Можливість використання конденсаційних ефектів, викликаних конденсацією насиченої пари при зниженні температури, для інтенсифікації просочення досить давно звернула на себе увагу дослідників, з огляду на те, що при такій організації процесу відпадає необхідність використання попереднього вакуумування КПМ для зменшення протитиску затиснених газів при просочуванні, тому що конденсація насиченої пари в замкнутому просторі капілярів забезпечує необхідне розрідження для інтенсивного проведення процесу. Однак, слід зазначити, що застосування даного процесу передбачалося лише для матеріалів, поровий простір яких повністю або частково заповнений рідиною, тобто вологий матеріал підігрівається до температури кипіння рідини в капілярах, а потім занурюється у просочувальний розчин з більш низькою температурою.

Представляється перспективним запропонований фахівцями кафедри метод інтенсифікації просочення, заснований на конденсації перегрітої пари просочувальної рідини, що заповнюють капіляри до моменту контакту КПМ з останньої.

Список літератури до розділів 3, 4

1. MA Gamov, VMZadorsky. Synergetic Basis Tools and Methods of Process Control in Capillary-Porous Materials. – Journal "Scientific Israel- Technological Advantages" Vol.18, № 2, 2016, 3-9 p.

2. Гамов М.А., Задорський В.М. Синергетичні основи засобів і методів управління технологічними процесами в капілярно-пористих тілах. - Наукові праці SWorld. – Випуск 4 (41). Том 5. – Іваново: Науковий світ, 2015. – С.32-36.

3. Гамов М.А., Задорський В.М. Синергічні основи засобів і методів забезпечення сталого розвитку технічних систем. – Праці конференції «Дослідження в галузі прикладних наук 2016». – Ізраїль. 2016.

4. Гамов М.А., Задорський В.М. Математичне моделювання конденсаційної просочення капілярно-пористих тіл. – Збірник наукових праць міжнародної конференції «Сучасні інноваційні технології підготовки інженерних кадрів для гірничої промисловості та транспорту 2016», 2016. – С.192-203.

5. Бондар А. Г., Статюха Г. А. Планування експерименту в хімічній технології (основні положення і завдання). – К.: Вища шк., 1976. – 182 с.

6. Тарасов Р.В. До питання застосування експертних методів в прогнозуванні процесів, оцінці рівня якості та прийнятті управлінських рішень [Текст] / Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова, О.Ф. Акжігітова // Сучасні наукові дослідження та інновації. – Квітень 2014. – № 4 [Електронний ресурс]. URL: http: //web.snauka.ru/issues/2014/04/33142.

7. Аксельруд Г. А., Альтшулер М. А. Введення в капілярно-хімічну технологію. – М.: Хімія, 1983. – 264 с.

8. Хейфец Л. І., Неймарк А.В. Багатофазні процеси в пористих середовищах. – М.: Хімія, 1982. – 320 с.

9. Воюцкий С.С. Фізико-хімічні основи просочування і імпрегнирування волокнистих матеріалів дисперсіями полімерів. – Л.: Хімія, 1969. – 336 с.

10. Пурхати А. П. Кінетика вбирання рідини елементарними капілярами і пористими матеріалами. – Колл. журн., 1949, т. 11, № 5, С.346-353.

11. Березкін В. В., Чураев Н. В. Зміна крайових кутів в ході капілярного підняття. – Колл. журн., 1982, т. 44, № 3, с. 417-423.

12. Грибанова Е. В., Молчанова А. І. Дослідження залежності кута змочування від швидкості руху меніска. – Колл. журн., 1978, т. 40, № 2, с.217-223.

13. Мартинов Р. А., Малєв В. В., Грибанова Е. В. Кінетика капілярного підняття рідини. – Колл. журн., 1983, т. 45, № 2, с. 245-250.

14. Сум Б. Д., Рауд Е. А., Горюнов Ю. В. Початкова стадія капілярного вбирання. – Колл. журн., 1979, т. 41, № 3, с. 601-604.

15. Серговський П. С., Расев А. І. Гідротермічна обробка та консервування деревини: Підручник для вузів. -4-е изд., перераб. і доп. – М.: Лесн. пром-сть, 1987. – 360 с.

16. Касимов І.К., Федотов Е.Д. Просочення цементного каменю органічними в'яжучими. – Л.: Стройиздат, 1981. – 168 с.

17. С.М. Аринкіна, М.А. Брич, Н.М. Горбачов, В.П. Кожин, В.К. Щитників. Масообмін при просочуванні капілярно-пористих матеріалів захисними розчинами під дією градієнта тиску // Праці IV Мінського міжнародного форуму з тепло- і масообміну. – Секція 8. – Мінськ: АНК НАН Білорусі. – 2000. – С.40-48.

18. А.Е. Кононюк. Основи наукових досліджень (загальна теорія експерименту) К.3. Монографія. – К.: 2011. – 456 с.

РОЗДІЛ 5. РОЗВИТОК РЕАЛЬНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ПРОСОЧЕННЯ

Почнемо цю главу з однієї притчі, на яку натрапив в Інеті:

(http://www.liveinternet.ru/users/2105500/post92105240).

Аж надто вона близька темі даного розділу.

Доктор філософії, стоячи перед своїм класом, взяв п'ятилітрову скляну банку і наповнив її каменями, кожен не менше 3-х см в діаметрі. Завершивши процес, запитав студентів, чи повна банка?

Відповіли: так, повна.

Тоді він відкрив банку горошку і висипав вміст у велику банку, трохи потряс її. Природно, горошок зайняв вільне місце між каменями. Ще раз професор запитав студентів, чи повна банка?

Відповіли: так, повна.

Тоді він взяв коробку, наповнену піском, і пересипав пісок в банку. Природно, пісок зайняв повністю існуюче вільне місце і все закрив. Ще раз професор запитав студентів, чи повна банка? Відповіли: так, на цей раз однозначно, вона повна.

Тоді з-під стола він витягнув 2 банки пива і вилив їх в банку до останньої краплі, розмочуючи пісок. Студенти сміялися.

А зараз я хочу, щоб ви зрозуміли, що банка – це ваше життя; камені – це найважливіші речі вашого життя: сім'я, здоров'я, друзі, свої діти – все те, що необхідно, щоб ваше життя все-таки залишалося повним навіть у випадку, якщо все інше втратиться; горошок – це речі, які особисто для вас стали важливими: робота, будинок, автомобіль; пісок – це все інше, дрібниці. Якщо спочатку наповнити банку піском, не залишиться місця, де могли б розміститися горошок і камені. І так само відбувається у вашому житті: якщо витрачати весь час і всю енергію на дрібниці, не залишається місця для найважливіших речей. Займайтеся тим, що вам приносить щастя: грайте з вашими дітьми, приділяйте час подружжю, зустрічайтеся з друзями. Завжди буде ще час, щоб попрацювати, зайнятися прибиранням будинку, полагодити і помити автомобіль. Займайтеся, насамперед, каменями, тобто найважливішими речами в житті; визначте ваші пріоритети: інше – це тільки пісок.

Тоді студентка підняла руку і запитала: – Професори, яке значення має пиво?

Професор посміхнувся.

– Я радий, що ви запитали мене про це. Я це зробив, щоб нагадати вам, що, як би не було ваше життя зайнята, завжди є місце для пари банок пива.

А тепер, коли посмішка зійшла з вашого обличчя, скажу, чому я почав з цієї мудрої притчі. Вийшло б що-небудь у професора, якби він спробував провести зворотний процес заповнення банки: спочатку пиво, потім пісок, потім горошок, потім камені по 3 см в діаметрі? Нічого б у нього не вийшло. Тобто, як і в житті, мудру аналогію, з якої почав цю главу, і вигадав мій колега в історії з банкою, що заповнюється кожного разу все більш дрібними предметами, треба дотримуватися, по-перше, порядок проведення операцій, а по-друге, з кожним кроком зменшувати визначає лінійний розмір заповнюють елементів.

Зізнаюся, чому мене зачепила ця історія із заповненням банки. Вдумайтеся, тут – повна аналогія з обробкою капілярно-пористих тіл. Уявіть собі замість банки – тіло, заповнене капілярно-пористою структурою. Ну, як стільники у бджіл. Перемички між капілярами – тверді і не забудьте, пізніше ми до цього повернемося, мають поверхні з обох їх сторін, що володіють певними властивостями. Всередину капілярів і пор, змінюючи порядок і технологію заповнення, можна багато «заштовхати»: дрібні піщинки з якого-небудь потрібного речовини, аж до нанотрубок, і тоді можемо отримати надзвичайно потрібний композитний матеріал із заданими, недосяжними раніше властивостями – від пористих нікелевих електродів з капілярами, заповненими якомога повніше кристалами Ni (OH) 3, для чудових Ni-Cd акумуляторів, до нанотрусиків або наночепчіків, використовуваних шляхом надягання на відповідні місця для лікування нещасних страждальців. А можна заповнити капіляри мономером, а потім нагріти тіло з тим, щоб мономер заполімерізовати – і ми отримаємо композитний матеріал небаченої міцності, який ні метеоритом в космосі, ні снарядом на землі не проб'єш.

Іншими словами, професор, сам того не відаючи, використовуючи метод аналогій, названий в США «сінектікс», відтворив за допомогою своєї банки технологію життя людини, а у мене – технаря, прикладника, з'явилася зовсім інша аналогія – з хімічною технологією обробки капілярно-пористих тіл, якій приділяється несправедливо мало уваги в практиці хімічної технології.

А тепер вже зовсім серйозно. Цю главу посібника хочу присвятити опису абсолютно нових технологій роботи з капілярно-пористими тілами. Ці роботи з'явилися у мене тому, що я спробував розібратися з роботою на проміжній щаблі ієрархічної системи – між ступенем контакту (тут працюють технологи, механіки) і молекулярним рівнем (тут трудяться невтомні хіміки). І відкрилися абсолютно нові можливості, з якими ви познайомитеся, прочитавши цій розділ.

Просочення капілярно-пористих матеріалів (КПМ) рідкими середовищами широко поширена в промисловості. Ще раз згадаємо, що в якості капілярно-пористих просочуються матеріалів можуть бути: папір, картон, деревина (конструкційні елементи, залізничні шпали, паркет та ін.), Пористі металеві матриці, тканини, пластини електродів акумуляторів, зерна пористого каталізатора, обмотки статорів і роторів електродвигунів, електролітичні конденсатори та ін.

Як рідких середовищ можуть бути водні середовища, що містять розчинені або зважені речовини технологічного призначення, які повинні бути доставлені в капіляри і пори, розчинники, розплави металів та інших речовин та ін.

Традиційно просочення проводять, занурюючи тіло, виконане з капілярно-пористого матеріалу в рідину. Іноді це тіло попередньо нагрівають, вакуумують. У ряді випадків процес проводять при підвищеному тиску. Це викликає необхідність використання відповідного обладнання для проведення процесів, наприклад, автоклавів високого тиску.

За способами нанесення просочувального розчину на КПМ і методам просочення можна виділити наступні способи:

– з використанням контактного ролика, «купається» в просочувальному розчині;

– протягуванням безперервної стрічки КПМ через рідку ванну;

– використанням відцентрового способу;

–зануренням;

– прокачуванням просочувального розчину (наприклад, сполучного, мономера) через волокнисту структуру під дією вакууму або нагнітача;

– пульверизацією;

– каландруванням;

– комбінованим способом.

Розглянемо деякі з них. Відомий, наприклад, спосіб просочення КПМ шляхом занурення вироби в ємність з технологічною рідиною. Недоліком способу є низька культура виробництва: просочення великогабаритних виробів проводять в широких ємностях з великою поверхнею і об'ємом сполучного, лише мала частина якого використовується за призначенням. Крім того, таке просочення характеризується нерівномірністю розподілу пропиточного матеріалу (наприклад, сполучного) за обсягом КПМ, наявністю незаповнених обсягів в просочених виробах, що призводить до порушення споживчих якостей, зокрема до нестабільності фізико-хімічних характеристик за обсягом КПМ після просочення.

Відомий спосіб просочення волокнистого матеріалу, що полягає в тому, що з метою зменшення пористості просоченого матеріалу, його перед контактом з просочувальним розчином сполучного поміщають в деаерірующу рідина, щільність якої перевищує щільність просочувального розчину. В якості такої рідини використовують метали або сплави в розплавленому стані. Недоліком способу є використання дорогих сплавів, високі енерговитрати для підтримання їх в розплавленому стані, токсичність виробництва, якщо в якості деаеріруючої рідини використовують ртуть. Крім того, висока якість просочення гарантується тільки при певному співвідношенні щільності деаеріруючої рідини і просочувального розчину, що вимагає застосування сплавів самих різних складів.

Заслуговує на увагу спосіб просочення волокнистого матеріалу шляхом переміщення його через просочувальну рідину, який відрізняється тим, що матеріал перед основним просоченням вакуумують у змоченому вигляді після попереднього просочення.

Попереднє вакуумування забезпечує видалення повітря з пор і капілярів. Недолік цього способу полягає в неможливості повного видалення повітря з КПМ шляхом вакуумування. У зв'язку з цим в просочених виробах залишаються порожнечі, необроблені місця. Крім того, для реалізації даного способу потрібні дорогі вакуумні установки.

Відомий спосіб обробки виробів з КПМ просоченням їх технологічною рідиною, при якому вироби піддають акустичному впливу. Ефективність процесу просочення особливо підвищується при безпосередньому контакті вироби з акустичним випромінювачем. Хоча ефективність цього способу досить велика, внаслідок кавітаційних явищ, викликаних акустичними коливаннями в рідини, яка заповнила пори і капіляри вироби, можуть утворитися порожнини, в які дифундує газ, розчинений у рідині. Ці газові бульбашки погіршують якість просочення. Розвиток кавітації можна придушити підвищенням тиску в просочує рідини, однак це призводить до необхідності використання апаратури високого тиску, що істотно збільшує вартість установки.

Запропонована автором посібника, спільно з вже колишніми студентами і аспірантами, нова технологія просочення передбачає вирішити головну проблему просочування (лімітуюча стадія) – швидке звільнення капілярів від заповнює їх на початку процесу газової фази (зокрема, повітря) шляхом її заміни іншою фазою, видалення якої не представляє складності. Цією новою фазою, що витісняє повітря з капілярів (замінює повітря в капілярах), може бути газ, добре розчиняється в просочувальної рідини або хімічно взаємодіє з нею. У  цьому випадку замість коефіцієнта дифузії газу в рідині Dgl (порядок 10^–7) в кінетичне рівняння для стадії 2 входить коефіцієнт дифузії газу в газі Dgg (порядок 10-4). Отже, швидкість лімітуючої фази збільшується приблизно в 1000 разів, а, значить, і швидкість пов'язаних з нею 3-4 стадій.

Крім того, можливе попереднє заповнення капілярів перегрітими парами (переважно розчинника, що входить до складу просочувальної рідини), конденсується за умови просочення. В цьому випадку здавалося б процес ускладнюється введенням додаткових стадій обробки КПМ перегрітою парою (для витіснення газу або повітря) і його конденсації при контакті з просочувальної рідиною, що має температуру нижче температури конденсації. Однак, це ускладнення здається, так як при цьому виключаються стадії 2-5 (див. табл. 5.1) і всередині капілярів створюється глибокий вакуум, що сприяє прискоренню процесу на першій стадії. В цьому випадку черговість обробки виглядає наступним чином:

– підігрів одним з відомих методів (в тому числі за рахунок продувки перегрітою парою) КПМ до температури вище температури конденсації пари;

– заміна важкорозчинного в просочувальної рідини газу в порах КПМ перегрітою парою;

– занурення КПМ з заповненими перегрітою парою капілярами у відносно більш холодну просочувальну рідина.

Конденсація пара в капілярах зі зменшенням обсягу в r_l/r_v раз (де r_l – щільність конденсату; r_v – щільність пари). Неважко підрахувати, що для води обсяг при конденсації перегрітої пари зменшується більш ніж в 800 разів, що призводить до утворення в капілярах глибокого вакууму при збереженні нормального тиску в апараті для просочення.

Заповнення капілярів рідиною за рахунок капілярних сил і вакууму всередині тупикових і квазітупікових капілярів.

Таким чином, замість п'яти неефективних і тривалих стадій ми отримуємо п'ять досить швидких і ефективних.

Запропонована технологія просочення КПМ дозволяє:

– збільшити швидкість (зменшити час) проведення процесу в кілька разів;

– спростити апаратурне оформлення процесу просочення, так як не потрібні автоклави високого тиску або апарати, що працюють під вакуумом;

– обробляти відразу великі партії виробів з КПМ або вироби великих розмірів (наприклад, меблі без розбирання, будівельні конструкції, архітектурні споруди тощо), бо істотно знижуються вимоги до міцності і герметичності апаратів, де відбувається просочення КПМ;

– поліпшити екологічні показники процесу з огляду на скорочення необхідного часу проведення і збільшення інтенсивності, усунення необхідності уловлювання шкідливих речовин з викидів системи вакуумування;

– знизити капітальні та експлуатаційні витрати;

– забезпечити регульовану глибину (ступінь) просочення.

Методи імпрегнації будівельних матеріалів гідрофобізуючими і герметизуючими компаундами (розділ написаний спільно з Коробко Є.)

Вапновміщуючі матеріали набули широкого поширення в будівництві як стіновий матеріал. Маючи хороші декоративні якості, вони не вимагають штукатурки або облицювання. За своїми будівельними властивостями вапняно-піщані матеріали близькі до випалювальних кам'яних матеріалів, цегли і блоків. Однак у порівнянні з останніми вони мають меншу атмосферостійкість, сильно забруднюються в процесі експлуатації і мають підвищене водопоглинання. Відомо, що до найбільш поширених і агресивних чинників, що впливають на матеріали в період експлуатації будівельних конструкцій, відноситься вода. Вода сприяє зниженню міцності більшості матеріалів, загниванню деревини, утворенню тріщин, мікроорганізмів, розвитку корозійних процесів в металах і бетонах і т.п. наприклад, корозія бетонів обумовлена дією кислих неорганічних і органічних середовищ. Суть дії кислоти полягає в реакції з складовими цементного каменю, в результаті якої утворюються легкорозчинні солі, які вимиваються з бетону. Утворені ж нерозчинні сполуки, наприклад, гідроксиди кремнію або алюмінію, залишаються у вигляді пухких мас [1]. У зв'язку зі збільшенням різних техногенних впливів в великих промислових містах і на виробництвах прискорюються процеси корозії будівель і споруд. Тому, внаслідок періодичного або тривалого контакту будівельних конструкцій з вологим середовищем, необхідно передбачати їх гідроізоляційний захист. Капілярне підняття вологи в цегляних і кам'яних стінах будівель одна з гострих і актуальних проблем гідроізоляції. Капіляри стін безупинно перекачують ґрунтову вологу наверх, де вона активно вивітрюється (рис. 1). Стіни і фундаменти, що знаходяться в цих умовах, втрачають несучу здатність [2].

З вищесказаного можна зробити висновок, що проблема відновлення і ремонту залізобетонних, цегляних і металевих будівельних конструкцій стала особливо актуальна і потрібні передові технології та методи для її вирішення. На сьогоднішній день існують кілька методів імпрегнації будівельних матеріалів: у відкритих ваннах, автоклавах, за допомогою вакуумного обладнання. До простого, але довготривалого способу відноситься імпрегнація будівельних виробів у відкритих ваннах. Швидшим, але вельми складним є спосіб автоклавної обробки, який до того ж ставить обмеження в розмірах оброблюваних виробів. Спосіб імпрегнації з внутрішнім вакуумуванням протікає швидше в порівнянні з імпрегнацією у відкритих ваннах і в автоклавах. Внутрішнє вакуумування можна досягти як шляхом підключення вакуум-насоса до оброблюваної конструкції, так і температурним режимом: початковим підвищенням, а потім зниженням температури імпрегнаційного матеріалу у ванні. Але в більшості випадків ступінь (глибина) просочення має низьке значення, а обробці можуть бути піддані або будівельні матеріали на стадії виробництва, або розбірні будівельні конструкції. За ознакою застосовуваної основної сировини гідроізоляційні матеріали можуть бути розділені на три групи: органічні, неорганічні і змішані (або комбіновані). Основні групи в'яжучих: силан, силоксан, силіконова смола, акрилова смола, акрилати, дисперсії акрилатів, поліуретан, поліуретаноакрилати, епоксидні смоли, сополімерна дисперсія, дисперсно-цементне тісто, полімербетон і т.п. Переважне застосування в гідроізоляції знаходять органічні матеріали, які мають більш чітко виражені гідрофобні властивості. Найбільш ефективним способом захисту матеріалів є їх гідрофобізація кремнійорганічними сполуками, які не змінюють кольору і фактури матеріалу, не знижують його теплоізоляційні властивості і міцно утримуються на поверхні [3]. Гідрофобні матеріали являють собою склади на основі кремнійорганічних сполук: силіконатів, силанів, силоксанів і силіконових смол. Кремнійорганічні сполуки об'єднують властивості неорганічних молекул, родинних кварцу, з властивостями органічних молекул, подібних парафіну. Кремнійорганічні мономерні і полімерні сполуки не мають багатьох недоліків, які притаманні іншим просочувальним матеріалами. Їх проникаюча здатність становить 5-40 см залежно від виду кремнійорганічної сполуки і капілярно-пористої структури матеріалу. Наприклад, епоксидні смоли при аналогічних матеріалах проникають всього на глибину до 1 см. До позитивних якостей кремнійорганічних рідин відноситься також їх морозостійкість, гідрофобність, незначна величина поверхневого натягу, стійкість до термодеструкції в часі, дії окислювачів, радіації та ін. Кремнійорганічні гідрофобізируючі рідини виробляють з застосуванням різних розчинників, в основному водноспиртових сумішей. Радянською промисловістю випускалися поліорганосіліконати лужних металів. Їх марки ГКЖ-10, ГКЖ-11, а також поліорганогідроксилоксанові рідини типу ГКЖ-94 і ГКЖ-94М.

ГКЖ-10 являє собою водно-спиртової 10-15%-ний розчин етилсиліконат натрію, ГКЖ-11 водно-спиртової зазвичай 20%-ний розчин метилсиліконат натрію. Ці рідини, розведені у воді до 5%-ної концентрації, використовуються для обробки бетону, цегли, азбестоцементу, штукатурки, архітектурних виробів і облицювання. ГКЖ-94 являє собою рідкий 100%-ний поліетилгідросилоксан або 50%-ну водну емульсію цієї речовини, нерозчинного у воді. Для обробки конструкційних матеріалів використовують 0,5-10%-ний розчин ГКЖ-94 в ароматичному розчиннику або 0,5-3%-ну водну емульсію. Утворена після висихання розчину плівка надійно ізолює конструкційний елемент від впливу води. Силікони сприяють підвищенню зчеплення поверхні, що ізолюється з органічними в'яжучими речовинами і мастиками. Іноді їх наносять на поверхню органічних плівок (наприклад, з полівінілацетату) для підвищення атмосферостійкості. Силіконізація бетонної поверхні не тільки сприяє зниженню її контакту з водою, але також різко зменшує зчеплення льоду з бетонним елементом при замерзанні води. Ефективність просочення будівельних конструкцій і виробів визначається глибиною просочувального шару і його довговічністю, а також багато в чому залежить від прийнятої технології робіт [4]. Сучасний ринок рясніє гідрофобізаційними матеріалами, тому розглянемо тільки деякі з них. Гідрофобні просочення постачають компанії: іспанська Drizoro, німецька Schomburg, французька Alpa, київська фірма Адгезів Инвекс, грецька Isomat та інші. Продукція Drizoro Компанія займається постачанням в Україну гідрофобних просочень на основі силікону (Максклір, Максклір-Д). Максклір це прозорий водовідштовхувальний засіб на основі силікону, призначений для нанесення на невапняні матеріали. Це просочення забезпечує 100% дихання поверхні, зберігає її текстуру і колір, скорочує появу вицвітів і соляних відкладень, скорочує витрати на чистку. Температурні зміни не мають жодного впливу на цей матеріал. Максклір призначений для захисту бетону або штучного каменю та обробки з будівельного розчину, які не відрізняються підвищеною пористістю. Його можна використовувати на пористих і водопоглинаючих плитках. Даний матеріал можна, нагнітаючи, ввести в стіни для протидії капілярної вологи. Ціна Максклір 7,29 у.о./кг. Максклір-Д прозора водовідштовхувальна рідина на основі силікону, спеціально призначена для захисту вапняків, горизонтальних бетонних плит і внутрішньої штукатурки. Наноситься щітками, пензлями, валиками, розпилювачем, шваброю, дерев'яним скребком з гумовою пластинкою. Цей матеріал знижує поглинання води, забезпечує дихання поверхні, підвищує опір формуванню поверхневих солей, захищає основу від пошкодження морозом, скорочує витрати на ремонтні роботи щодо фасаду. Ціна такого матеріалу 7,29 у.о./кг. Матеріали Schomburg.Компанія поставляє силоксанові, силанові і силіконові гідрофобні просочення (Асолін-ВС, Асолін-ЦА, Аквафін-СМК).

Асолін-ВС водовідштовхувальне просочення на основі олігомерних силоксанів. Низька молекулярна маса олігомерів цього матеріалу забезпечує йому високу проникаючу здатність. Наявність довгого алкільного змішувача дозволяє використовувати його для будівельних матеріалів з високим вмістом лугу. Асолін-ВС забезпечує швидкий прояв гідрофобного ефекту, завдяки чому оброблена поверхня швидко стає стійкою до впливу атмосферних опадів. Дане просочення рекомендують застосовувати для захисту від вологи фасадів і сильно нахилених поверхонь. Цей матеріал дуже хороший в застосуванні на пористому бетоні, глиняній і силікатній цеглі, мінеральних штукатурках і фарбах. Його можна використовувати на звичайному бетоні, штучному і природному камені, азбоцементі, штукатурці на основі синтетичних смол (але з обмеженнями). Наноситься щітками, кистями, валиками, розпилювачем, шваброю, дерев'яним скребком з гумовою пластинкою. Таке просочення абсолютно не придатне для гіпсу і синтетичних фарб. Витрата матеріалу: бетон 200-500 мл/м², штукатурка 500-800 мл/м², пористий бетон 500-1000 мл/м². Ціна Асолін-ВС 20,12 ДМ/кг. Асолін-ЦА засіб, що містить розчинники на силіконовій основі. Його застосовують для безбарвного паропроникненого і гідрофобного просочення нейтральних або злегка лужних мінеральних будівельних матеріалів, які мають поглинаючу здатність. Дане просочення перешкоджає протягом тривалого часу впливу опадів і шкідливих речовин, що містяться в атмосфері. Асолін-ЦА рекомендують застосовувати в якості захисту фасадів вертикальних або крутонахилених поверхонь (дахів) від вологості та опадів. Його можна використовувати на таких поверхнях: природний і штучний камінь, звичайна і декоративна штукатурка, кам'яна кладка з клінкеру і цегли-сирцю, цементна, бетонна, покрівельна черепиця. Наноситься щітками, пензлями, валиками, розпилювачем. Витрата матеріалу: бетон 250-500 г/м², штукатурка 500-800 г/м², газобетон і кам'яна кладка 500-1000 г/м². Ціна Асолін-ЦА 11,6 ДМ/кг. Аквафін-СМК концентрат силіконової мікроемульсії, виготовлений на основі силанів і олігомерних силоксанів. Після розведення водою цей концентрат утворює емульсію з розміром частинок 40-70 нм, здатну проникати в найтонші капіляри будівельних матеріалів і гідрофобізувати їхні внутрішні стінки, перекриваючи таким чином капілярний підсос води. Дане просочення застосовують для створення горизонтального заслону капілярної вологи в стінах, що піднімається, і поверхневої гідрофобізації будівельних матеріалів, в тому числі на фасадах. Наноситься щітками, пензлями, валиками, розпилювачем. Витрата матеріалу: бетон 25-50 мл/м², штукатурка 50-80 мл/м², пористий бетон і клінкерну цеглу, яка сильно вбирає 50-100 мл/м², клінкерну цеглу, яка слабко вбирає 30-50 мл/м². Ціна Аквафін-СМК 79,28 ДМ/л. Матеріали Адгезів Інвекс.Компанія продає на вітчизняному ринку будівельних матеріалів гідрофобне просочення Силор (низьков’язкий однокомпонентний склад з класу ізоціанатакрилатів), що являє собою низьков’язку рідину, яку наносять на пористі матеріали: бетон, деревину, цеглу, штукатурку. Даний матеріал проникає в поверхню і вступає в хімічну реакцію, при цьому утворюється міцна композиція, здатна протистояти впливу агресивних середовищ. Дане просочення можна використовувати для виконання робіт з зміцнення, герметизації, підвищення хімічної стійкості, захисту від корозії споруд з бетону, кераміки, деревини, металу. Наноситься традиційним методом. Роботу з Силором можна проводити при температурі від –30⁰С до +60⁰С. Витрати цього матеріалу при обробці бетону складають 0,5-1,5 кг/м². Час полімеризації від 10 хвилин до 48 годин, що залежить від температурних умов і застосування каталізаторів. Ціна Силора 10 у.е./кг. УТК-М – олігомер з класу поліуретанів, який при взаємодії з парою води твердіє, перетворюючись в полімер. Композиція "УТК-М" являє собою в'язку, прозору рідину, яка після нанесення її на поверхню і подальшої полімеризації перетворюється в глянсову, гумоподібну плівку. У Росії також розроблені універсальні високоефективні гідрофобізируючі просочення: "Гідро-фікс" (на водній основі) і "Гідро-фікс-р" (на розчиннику) – захисні засоби проникаючої дії, що надають будівельним матеріалам антисептичні, водовідштовхувальні і гідроізоляційні властивості. Для прикладу розглянемо гідрофобізируючу рідину Гідрофікс. Крім поверхневої обробки будівельних поверхонь, вона використовується для модифікації бетону, має повітровтягувальну, пластифікуючу дію. Витрата товарної форми становить 200-300 г/м – для щільних підстав, 500-800 г/м – для пористих матеріалів. Проникаючи в структуру матеріалу, Гідрофікс утворює непроникний для води кристалічний бар'єр, здатний витримувати жорсткі атмосферні дії, не вимиваючись з роками зі структури матеріалу. За результатами випробувань в НДІ Корозії (Москва), водопоглинання в дерев'яних конструкціях після обробки складом Гідрофікс зменшується в 6 разів, а штукатурки – в 30 разів. Гідрофікс ефективно захищає матеріали від проникнення вологи і розвитку грибків і мікрофлори, витісняє воду з вологих матеріалів, позбавляючи мікроорганізми довкілля. Ефективно Гідрофікс може застосовуватися для відсічення капілярного підсосу. Відсічення капілярного підйому ґрунтових вод (примусове просочення) здійснюється методом ін'єкції за рахунок подачі просочення через похилопросвердлені отвори (вище рівня ґрунтових вод під кутом 30-40⁰). Глибина отворів повинна бути на 6-8 см менше товщини стіни. Діаметр отворів при ін'єкції без тиску становить 25-30 мм. Відстань і порядок розташування отворів залежать від щільності матеріалу, але не повинні перевищувати 120-150 мм. Щоб уникнути ослаблення фізичних властивостей фундаменту, отвори (шурфи) розташовують в шаховому порядку. Стіни товщиною понад 1 м і кути обробляються з двох сторін. Просочування здійснюється безперервно до тих пір, поки не припиниться процес всмоктування просочення. Після поширення просочення в матеріалі і полімеризації утворюється кристалічний бар'єр в капілярах, який захищає від капілярного підйому ґрунтових вод будівельні конструкції, що розташовані вище рівня ін'єкцірування. (Матеріал надано «Полихим-Пром». Джерело: "Будівництво" № 32 2003 р. http://www.i-line.ru/). В останні роки з'явилася можливість ліквідувати в готових конструкціях пори і тріщини, доступні для води, і перетворити бетон в щільний, "вічний" камінь. Особливо це стосується бетону, що йде на зведення фундаментів, несучих і дорожніх конструкцій, які найчастіше оточені вологою з усіх боків. Мова йде про спеціальні гідроізоляційні штукатурки проникаючої дії (Акватрон, Гидротекс, Лахта, Пенетрон, Кальматрон, Осмосил, Sta-Dri masonry paint), що складаються з високомарочного портландцементу, кварцового піску заданої фракції і модифікуючих хімічно активних добавок. Активні складові цих добавок поширюються в порах бетону. В результаті хімічних реакцій вони утворюють нерозчинні кристали, цілком заповнюють порожнечі, пори і мікротріщини. Молекули води в пори не проникають, але проникність для пари і повітря зберігається, тобто бетон не втрачає можливості "дихати". Наносяться стандартним шляхом. (http://document.org.ua/techno/hidroisolation/index.php). Як бачимо, ці матеріали об'єднують в собі гідрофобізаційні і герметизаційні властивості. Герметизацією будівельних матеріалів також займається НІІРЕАКТІВ (м. Уфа), розробивши новий напрямок застосування сірки в якості просочувальної композиції. Крім бетонів, технологія просочення може бути використана для зміцнення будь-яких пористих будівельних матеріалів, в тому числі деревини, азбестоцементу, цегли, природного каменю та ін. НДІЗБ спільно з НІІРЕАКТІВ провели випробування зразків, просочених водним розчином сірки, з метою визначення можливості ущільнення структури бетону і зменшення водопоглинання. Отримані результати випробувань дозволили рекомендувати водний розчин сірки, розроблений НІІРЕАКТІВ, як просочувальні композиції для поверхневого та об'ємного просочення будівельних конструкцій з бетону різних складів, деревини, азбестоцементу та інших матеріалів як на етапі виготовлення конструкцій, так і при виконанні ремонтно-відновлювальних робіт. Витрати розчину сірки на один квадратний метр оброблюваної бетонної поверхні залежить від міцності, щільності та вологості бетону в момент обробки. Якщо прийняті міцність в межах 2030 МПа і пористість 4,56%, витрати розчину сірки при глибині просочення 5-10 мм складуть 0,51 кг. Подорожчання конструкції при цьому буде знаходитися в межах 510 руб. на один квадратний метр без урахування витрат на технологічні операції виробництва робіт. Вартість обробки складе не більше 25% від собівартості виробу. Ці витрати значно менше, ніж при застосуванні для просочення складів на основі полімерних матеріалів, наприклад, метилметакрилату (http://www.nestor.minsk.by/sn). Як відомо з курсу хімії [5], сірка нерозчинна в воді, бензолі і деяких інших рідинах. (Можливо, співробітники НІІРЕАКТІВ мали на увазі водну емульсію сірки). Пропоновані ними два способи обробки виробів розчином сірки: за першим способом просочення здійснюють методом занурення виробів в просочувальну камеру з розчином сірки, по другому – розчин сірки наносять на поверхню конструкцій пензлем, валиком, розпилювачем або за допомогою іншого аналогічного прийому. А отже наявні недоліки пропонованого матеріалу НІІРЕАКТІВ: метод імпрегнації, мала глибина просочення, неясність складу, екзотичності застосування сірки, яка під дією агресивних навколишніх середовищ може давати сірчанокислі продукти реакції. Найпривабливішим є просочення для бетону ANTIDUST fi, яке являє собою прозору рідину без запаху, та спеціально розроблена для проникнення в пори бетонних основах, де вона вступає в хімічну реакцію з доступним вапном, внаслідок чого ущільнює і зміцнює бетон. ANTIDUST fi має 100%-у неорганічну природу і не містить летких органічних сполук. ANTIDUST fi можна використовувати з метою ущільнення, зміцнення, порозаповнення і знепилювання м'яких або запорошених бетонних основах. Граничні характеристики і термін життя набагато перевершують показники традиційних тонкошарових мембран на основі акрилових засобів і лаків. Просочення ANTIDUST fi має наступні переваги: може використовуватися замість традиційних мембранних покриттів; безпечне у використанні і нетоксичне в порівнянні з сильнотоксичними магнезіальними зміцненнями, а також зміцненнями на основі фторсилікат цинку; негорюче; зміцнює бетонну поверхню; захищає від ударів і стирання; знепилює; збільшує хімічну стійкість; знижує пористість; схвалене USDA (Міністерством Сільського Господарства США). http://www.bamard.ru/products/industrial/saturation/). Узагальнивши все вищесказане, бачимо, що найчастіше гідрофобізація і герметизація порового простору будівельних матеріалів досягається шляхом утворення нерозчинних кристалів в порах. Загальновідомо, що твердіння вапняних розчинів обумовлено поглинанням вуглекислого газу з повітря, але в цьому випадку проникненню СО₂ всередину розчину перешкоджає кірка на поверхні розчину з нерозчинних кристалів карбонату кальцію. У зв'язку з тим, що хімічні процеси перетворення вапняку на вапно та останньої в гідрат окису кальцію оборотні, Н. Залманов [6] зацікавився можливістю здійснення перетворення вапняного тіста в карбонат кальцію, такий же міцний, як вихідний вапняковий камінь. Залманову вдалося це зробити в лабораторних умовах і на малому дослідному заводі карбонізацією чистого вапняного тіста і сумішей тіста з наповнювачами. При цьому концентрація СО₂, швидкість процесу і тиск СО₂, температура, вміст вологи і тиск пресування були оптимальними. Міцні вироби можна було отримувати дуже швидко (протягом декількох годин), не застосовуючи процес обробки в автоклаві під тиском. Виниклий карбонат кальцію мав міцність на стиск від 0,35 до 703 кг/см². Таким чином, міцність отриманого карбонату кальцію порівнянна з міцністю природного каменю і набагато перевершує міцність від 7 до 14 кг/см², яка може бути досягнута при карбонізації в атмосферних умовах лише через кілька років. Інші дослідники також отримали подібні результати, але, на жаль, використанню цієї ідеї досі перешкоджала неможливість пристосування цього процесу за економічними показниками для масового виробництва. Так як зазвичай в будівництві застосовуються вапновмістні матеріали, то ефективність їх гідрофобізації буде залежати від вмісту в матеріалі вільного вапна: гідрофобний ефект тим вище, чим більше ступінь карбонізації виробів. З цією метою вапновмістні матеріали до гідрофобізації витримують на повітрі протягом 1-2 місяців до якомога більшою мірою карбонізації матеріалу. У зв'язку з тим, що гідрофобізація поверхні призводить до значного ослаблення зчеплення матеріалу з будівельним розчином і штукатуркою, то гідрофобізацію слід проводити на фасаді будівлі після закінчення оздоблювальних робіт, а не заздалегідь на заводі [3]. Проте більш, якщо необхідно проводити обробку існуючих будівель і підземних споруд, то використання високоефективних як гідрофобізируючих, так і герметизуючих речовин лімітується існуючими методами імпрегнації і способами нанесення: щітками, пензлями, валиками, розпилювачем, шваброю, дерев'яним скребком з гумовою пластинкою, ін'єкційним шляхом (просвердлюванням отворів або свердловин і нагнітанням в них ін'єкційних розчинів). У дисертаційній роботі Коробко Є.В. «Оптимізація апаратурно-технологічного оформлення процесу імпрегнації будівельних конструкцій і матеріалів гідрофобізируючими і герметизируючими компаундами» пропонується процеси герметизації і гідрофобізації проводити з використанням термоконденсаційного методу імпрегнації [7], поєднаного з проведенням хімічних реакцій в капілярно-пористій структурі оброблюваних матеріалів. Завдяки цьому методу буде відбуватися заповнення порового простору будівельної конструкції водним розчином вапна, а за рахунок хімічної реакції карбонізації буде досягатися герметизація неорганічним нерозчинним матеріалом (кристалами карбонату кальцію за формулою: Са(ОН)₂+СО₂→СаСО₃+Н₂О Як уже згадувалося, коксування є необхідною умовою для подальшої гідрофобізації вапномістких будівельних матеріалів. Для досягнення необхідного ступеня карбонізації необхідно повторне проведення наступних стадій обробки:

1.  Продування оброблюваної конструкції перегрітою парою та її нагрівання до температури вище температури конденсації пари.

2. Обробка конструкції водним розчином вапна.

3. Продування конструкції вуглекислим газом.

4. Сушка конструкції.

Однак, якщо пропускати СО₂ через вапняну воду довгий час, то відбувається розчинення кристалів СаСО₃ внаслідок утворення кислої солі гідрокарбонату кальцію: СаСО₃+Н₂О+СО₂→Са(НСО₃)₂. Гідрокарбонат кальцію речовина нетривка, яка розкладається з виділенням СО₂ й утворенням середньої солі при тривалому стоянні на повітрі або при кип'ятінні розчину [5]. Але, з іншого боку, малий час продувки вуглекислим газом, не дасть бажаного ступеня карбонізації. Також не відома оптимальна концентрація водного розчину вапна, що подається. Тому важливим питанням стає виявлення оптимальних параметрів проведення обробки, що і складає одну з задач експериментальної частини згаданої дисертаційної роботи. Подальша гідрофобізація, як видно з наведеного огляду, крім утворення кристалічного бар'єру, може досягатися за рахунок імпрегнації конструкцій високомолекулярними речовинами (поліорганосиліконатами лужних металів, поліоргано-гідроксилоксановими рідинами, поліуретанами, поліуретано-акрилатами та ін.). Наступні два процеси призводять до утворення високомолекулярних сполук:

а) реакція полімеризації – процес, в результаті якого молекули низькомолекулярної сполуки (мономера) з'єднуються один з одним за запомогою ковалентних зв'язків, утворюючи нову речовину (полімер), молекулярна маса якого в ціле число разів більше, ніж у мономера; полімеризація характерна, головним чином, для сполук з кратними (подвійними або потрійними) зв'язками;

б) реакція поліконденсації – процес утворення полімеру з низькомолекулярних сполук, що містять дві або кілька функціональних груп, що супроводжується виділенням за рахунок цих груп таких речовин, як вода, аміак, галогеноводень та ін.; склад елементарної ланки полімеру в цьому випадку відрізняється від складу вихідного мономера. Наприклад, УТК-М – олігомер з класу поліуретанів, який твердіє при взаємодії з парою води, перетворюється в полімерну глянсову, гумоподібну плівку. Використовуючи термоконденсаційний метод, буде можливе заповнення порового простору мономером, а за рахунок його хімічної реакції з парою води (які присутні в пропонованій технології) буде відбуватися полімеризація. Тобто, замість поверхневої гідрофобізації з утворенням плівки полімеру, стане можлива об'ємна гідрофобізація (з заповненням капілярно-пористого обсягу оброблюваної конструкції). Таким чином, поєднання термо-конденсаційного методу імпрегнації з проведенням реакції отримання необхідного речовини в порах дозволить: збільшити швидкість проведення процесу в кілька разів; спростити апаратурнотехнологічне оформлення процесу завдяки відмові від використання дорогого вакуумного обладнання та високого тиску (на стадії виробництва будівельних матеріалів) або застосування ін'єкцірування, щіток, кистей, валиків, розпилювачів та ін. (на стадії експлуатації будівель, ремонту); обробляти вироби великих розмірів (будівельні конструкції, архітектурні споруди без їх демонтажу та ін.), або великі партії будівельних матеріалів через зниження вимог до міцності і герметичності апаратів, в яких відбувається процес імпрегнації, тому що такими апаратами є пори і капіляри; забезпечити необхідну глибину просочення; надати матеріалам необхідні експлуатаційні характеристики і декоративний вигляд; знизити капітальні та експлуатаційні витрати; поліпшити екологічні показники.

Список літератури до розділу 5

1. Кузнєцова Т. В., Кудряшов І. В., Тімашов В. В.Фізіческая хімія в'яжучих матеріалів: Підручник для хім.технол, спец. вузів. М.: Вища. шк., 1989. 384 с.

2. Наймушин А.А., генеральний директор, Масаєв В.Ю., канд. техн. наук, комерційний директор, ЗАТ НПК «Атомстрой» (Москва). НПК Атомстрой. Сучасні рішення в реконструкції і гідроізоляції // Будівельні матеріали. – 2003. – №9. – С.22-23.

3. Пащенко А. А. та ін. Гідрофобізація. К: Наукова думка, 1973. – 239  с.

4. Технологія гідроізоляційних матеріалів: Підручник для Вузів за спец. «Виробництво будівельних виробів і конструкцій». Під ред. І.А. Рибрева. М .: Вище. шк., 1991. 282 с.

5. Глінка Н.Л. Загальна хімія: Навчальний посібник для вузів. 23-е вид., випр. / Під ред. В.А. Рабіновича. Л .: Хімія, 1983. 704 с.

6. Zalmanoff N. Carbonation on Lime Putties to Produce High Grade Building Units Rock Prod, 1956, Aug., 182 and 1956, Sept.84

7. Деклараційній патент на винахід 67662А спосіб просочення капілярно-порізного матеріалу. Опубл. 15.06.2004 р. Бюл.№6. Автор В.М.  Задорський.

Експериментальна перевірка технології (на прикладі просочення склотканини компаундом)

Лабораторна установка включала просочувальну камеру, обладнану сорочкою, через яку за допомогою ультратермостат циркулював теплоносій (гліцерин), термометром, патрубками для введення і виведення парів і подачі просочувальної рідини. Внутрішня частина кришки камери була забезпечена гаками для підвіски просочуються зразків. Установка була забезпечена також нагрівальним приладом, випарником, абсорберами з гліцерином, пароперегрівом, вентилем для регулювання витрати пари, холодильником, дозатором, лабораторним автотрансформатором, за допомогою якого регулювалася температура, ємністю для зливу пропиточного розчину.

У випарнику підігрівали спирт до температури кипіння. Пару спирту пропускали через пароперегрівача, на виході з якого термометром вимірювали температуру перегрітої пари. Перегріта пара спирту надходить в просочувальну камеру, через сорочку якої циркулює гліцерин (теплоносій) з температурою 112⁰С. З  просочувальної камери перегрітий пар надходить в холодильник, де конденсується і збирається в приймачі. Після пропарювання зразка протягом заданого часу циркуляцію теплоносія через сорочку припиняли, перекривали подачу пара і через дозатор завантажували просочувальну рідина (компаунд) до повного занурення просочується зразка. Після просочення в компаунді протягом заданого часу, компаунд зливали через нижній штуцер, а зразок витягували з камери і сушили. Зразки склотканини попередньо гофрованих.

Найбільш важливими режимними параметрами (факторами), що визначають якість просочення, є:

– час обробки зразка паром Х₁ (хв);

– час витримки пропареного зразка в компаунді Х₂ (хв);

– при обробці гофрованих виробів - попередня розтяжка Х₃ (%).

Для визначення оптимальних параметрів процесу використовували метод математичного планування експерименту. Поставили граничні значення факторів і побудували матрицю планування експерименту на двох рівнях (max) і (min) за вищевказаними чинниками.

Таблиця 5.3. Кодування змінних

Фактори	Х1 (хв)	Х2 (хв)	Х3 (%)
Нульовий рівень Х = 0	10	10	75
інтервал варіювання	5	5	25
Нижній рівень Х = -1	5	5	50
Верхній рівень Х = +1	15	15	100

Потім складали матрицю експерименту типу 23 (табл. 5.4).

Таблиця 5.4

№	Х1	Х2	Х3
1	+	+	+
2	–	–	–
3	+	+	–
4	+	–	–
5	+	–	+
6	–	+	+
7	–	+	–
8	–	–	+

Результати експериментів наведені таблиці 5.5.

Таблиця 5.5

№	H0	H2	Y = H2 – H0
1	6,3062	11,0488	4,7426 (43%)
2	11,7368	15,9550	4,2182 (26%)
3	12,3580	17,3919	5,0337 (29%)
4	12,5628	17,3147	4,7535 (24%)
5	6,5693	11,4791	4,9098 (44%)
6	7,2498	13,1541	5,9043 (45%)
7	11,5919	15,5609	3,969 (24%)
8	5,1781	9,1293	3,95 (23%)
9 (холостий)	12,6475	17,5147	4,8235 (26%)

Примітка: Як функцію відгуку брали приріст просоченого зразка, виражений у відсотках до кінцевої ваги

Продублювавши досліди в точках 3, 5, 7, 8, отримали відповідно:

Y₃ = 27%, Y₅ = 45%, Y₇ = 28%, Y₈ = 22%.

Після обробки цих даних відомими методами математичної статистики отримали поліноміальний рівняння:

Y = 34,75 + 2,75X₁ + 3X₂ + 6,5X₃.

Всі отримані за розрахунком коефіцієнти регресії виявилися значущими та оптимальними параметрами процесу слід вважати: час пропарювання зразка – 10 хв, час просочення – 10 хв, попередня розтяжка зразка не менше 50%.

Розділ 6 Приклади використання просунутої технології

Просочення каталізаторів

Каталізатори багатьох типів виробляють з використанням просочувальних технологій. При цьому багато разів занурюють пористі гранули основи каталізатора (матриці) в розчин, що містить необхідні компоненти каталізатора. Ці речовини повинні розподілятися в матриці рівномірно, в обумовленому кількості і відповідно до заданої глибиною проникнення. Це особливо важливо для каталізаторів, заснованих на використанні благородних металів.

Проникненню рідини в гранули перешкоджає повітря, що знаходиться в порах гранул. Для його видалення, щоб полегшити процес просочення використовують різні методи вакуумування, акустичного заповнення і т.д. Вони, однак, є дорогими і допускають тільки обмежений контроль сорбції та глибини проникнення. Бажаний більш простий, недорогий, точний і швидкодіючий метод просочення каталітичних матриць типу активованого вугілля, глинозему і т.д.

При використанні нової технології не потрібно використання вакууму або обладнання високого тиску і може знадобитися тільки незначні зміни в комплектації існуючого обладнання. Це пов'язано з простою обробкою матриці каталізатора безпосередньо перед просоченням. При попередній обробці усувається все повітря, що знаходиться в порах, нагріваються гранули каталізатора, потім вводиться певний газ/пара, який замінює повітря, що знаходився в капілярах. При зануренні гранул каталізатора в щодо холодний просочувальний розчин цей газ/пара розчиняється/конденсується в просочувальному розчині, при цьому в капілярах утворюється вакуум. Це призводить до їх швидкого і повного заповнення просочувальним розчином.

Вибір газу/пари, температурного режиму і тривалості стадій процесу унікальні для кожного випадку просочення. Це пов'язано з необхідністю адаптації технології до об'єкту застосування. При цьому необхідно незмінно вибирати робочий газ/пару серед недорогих, легкодоступних і нетоксичних зразків.

Для реалізації технології розроблені гнучкі модульні пристрої, здатні працювати в широких діапазонах зміни температури, тиску і т.д., щоб обробити гранули з різних матеріалів і різної форми. Такі компактні модульні блоки допускають вибір між поверхневою і глибоким просоченням, гарантують точну попередню обробку за глибиною проникнення.

Процес забезпечує скорочення відходів і поліпшене використання каталізатора, скорочення на 30-35% споживання каталізатора, формування більш тонкого зерна каталізатора. Технологія високо універсальна, оскільки її реалізація не залежить від розміру пір і порозності каталізатора. Активність каталізатора може збільшитися на 5-15% в залежності від типу каталізатора. Можливість регулювання глибини просочення і рівномірності розподілу каталізатора по перетину роблять цю технологію особливо універсальної. Фактор інтенсифікації процесу в цілому може змінюватися в різних випадках від 2 до 100.

Хоча процес був, в обмеженому масштабі, комерціалізований, його деякі нові і перспективні аспекти були показані недавніми дослідженнями. Нові і поліпшені варіанти процесу, є об'єктами патентування. Вимоги до каталізаторів і технологій їх виробництва зростають в усьому світі. Прикладом може бути хоча б виробництво автомобільних каталітичних конвертерів. З іншого боку, рідкісні і дорогоцінні метали дороги і часто дефіцитні. Просунута технологія відповідає критеріям ресурсо- та енергозбереження, забезпечує високу якість і економічну життєздатність продукції.

Просочення електродів та інших виробів з вуглецю/графіту

При виробництві виробів з вуглецю/графіту (електроди, тиглі, компоненти хімічного обладнання і т.д.), проводиться багаторазова просочення заготовок гудроном, бітумом та іншими в'язкими рідинами.

Пори в просочувальних заготовках завжди заповнені повітрям, який заважає проникненню імпрегнанти в них. Внаслідок цього, навіть якщо процес просочення повторюється, забезпечити повне заповнення пір і необхідну якість виробів важко. У багатьох випадках при експлуатації неповністю просочених деталей можуть бути випадки їх руйнування (наприклад, обрив електродів при їх експлуатації в електрометалургії, що приносить великі збитки).

Крім того, багато хто з використовуваних імпрегнанти екологічно небезпечні. Тому бажано знизити кількість повторних просочень з міркувань підвищення продуктивності, поліпшення якості продукції, підвищення безпеки праці і захисту навколишнього середовища.

Проект був націлений на розвиток інтенсивної, ефективний, екологічно дружній і дешевої технології, що забезпечує досконалу просочення виробів з вуглецю / графіту органічними імпрегнанти.

Метод вимагає лише незначних змін в існуючому зазвичай обладнанні для попередньої обробки вуглецевого матеріалу безпосередньо перед просоченням. При цьому повітря всередині капілярів замінюється газом, що конденсується при температурі імпрегнанти або розчинною в ньому. Це дозволяє забезпечити просочення кожної пори і призводить до їх швидкого і повного заповнення імпрегнанти.

Технологічні параметри процесу і час обробки унікальні для кожної системи, що пов'язано з необхідністю адаптації технології до фізико-хімічним параметрам просочується матеріалу і імпрегната. Газ незмінно відбирається серед недорогих і легко доступних, зазвичай уже наявних у виробництві.

Лабораторні і промислові експерименти з виробами більше 1 м в діаметрі (графітові електроди) показали, що метод дозволяє скоротити число циклів просочення аж до одиниці. Просочення вдається провести дуже швидко і забезпечити практично повне заповнення пір. Це збільшує продуктивність, покращує якість продукції і зменшує час експозиції та емісію забруднювачів.

Ринок для електродів і інших виробів з вуглецю / графіту постійно розширюється. Це пов'язано, перш за все, зі збільшенням виробництва чавуну й сталі в електродугових печах. Іншим важливим споживачем електродів є розвивається алюмінієва промисловість. Вартість адаптації обладнання до нового процесу незначна.

Можливо розширення сфер застосування нового способу, наприклад, для виробництва електродів, теплообмінників, тиглів, теплоізоляційних матеріалів, поглиначів (абсорбентів), електролітичних резервуарів, антифрикційних матеріалів, оболонок для корпусів ракет і інших виробів, одержуваних карбонізацією заготовок.

Екстрагування в системі рідина-тверде тіло при добуванні лікарських препаратів і при виробництві продовольства

При виробництві рослинних масел, цукру, розчинної кави, лікарських препаратів з рослинної сировини і т.д. використовують методи екстракції рідкими екстрагентами. При цьому забезпечують найбільш тісний контакт рослинної сировини з рідким екстрагентів. Повітря, що знаходиться в порах, блокує проникнення екстрагента, що уповільнює процес і призводить до неповного вилучення цільового продукту.

Намагаючись усунути шкідливий вплив повітряні пробок в капілярах для збільшення швидкості дифузії, використовують високий тиск, проте, це дорого, вимагає значної витрати енергії і не завжди ефективно. Наш проект націлений на створення інтенсивного, ефективного, екологічно дружнього і дешевого методу, що гарантує максимально можливе вилучення цінних компонентів з твердих матеріалів.

Метод вимагає лише незначних змін в існуючому обладнанні та може виключити використання дорогого обладнання високого тиску. Це забезпечується реалізацією трьохстадійної обробки матеріалу безпосередньо перед контактом з екстрагентом для видалення повітря з пор і капілярів. Спочатку нагрівають вихідний матеріал, потім обробляють його певним газом, потім видаляють останній. Остання стадія зазвичай поєднується з процесом обробки екстрагентів. Така технологія приводить до швидкого і повного заповнення всього вільного об'єму матеріалу екстрагентів.

Перевага такої попередньої обробки полягають в тому, що одночасно можуть використовуватися інші засоби інтенсифікації процесу (автоколивання, імпульсна зміна тиск, акустичні поля та ін.). Вибір газу і режимів обробки унікальні і вимагають адаптації для кожної системи тверде тіло-екстрагент. Газ незмінно відбирається серед недорогих і легкодоступних, зазвичай використовуваних в інших стадіях процесу.

Лабораторні випробування та комерціалізація даної технології в виробництвах лікарських апаратів продемонстрували, що метод є високоефективним і легко регульованим в самих різних варіантах виробництва. Попередня обробка матеріалу проводиться досить швидко і призводить до повного контакту між твердим тілом і екстрагентів. В цілому збільшується продуктивність, поліпшується якість продукції і зменшуються втрати.

Попит на харчові продукти постійно зростає в усьому світі і особливо в країнах, що розвиваються. Один з аспектів проблеми, що вирішуються новою технологією – забезпечення найбільш повного вилучення харчових компонентів із сировини.

Інший – використання дешевого і ефективного обладнання, що дозволяє витягувати цільові продукти і в невеликих, і в великомасштабних установках.

Іншою перевагою є те, що метод легко реалізується в гнучким модульних блоках, які можуть без змін використовуватися для обробки всього різноманіття вихідних матеріалів, наприклад сільсько-господарського виробництва.

Технологія може бути використана при виробництві рослинних масел, цукру, розчинної кави або какао і т.д. Крім того, можливе використання на ряді стадій в целюлозно-паперових виробництвах.

Варіанти процесу варіння кави

Ми часто використовували поширений процес варіння кави з мелених зерен кави (неважливо якої марки – робуста або арабіка) для моделювання інших процесів екстрагування різних продуктів з рослинної сировини, Працювали не тільки з кавою, а й рослинними оліями, ефіроолійних продуктами, лікарськими препаратами та ін.

Досліди з кавою виявилися найбільш близькими і зрозумілими і експериментаторам, і тим, кому демонстрували нову технологію.

Для лабораторії зупинилися на рецепті варіння кави, який жартівливо обізвали "кава по-професорські". Не буду детально приводити методику – вона вже тепер зрозуміла. Просто перерахую основні стадії процесу:

1. Заповнення екстрактора зваженої порцією меленої кави – 1 хв

2. Нагрівання екстрактора з завантаженим кави перегрітою парою до 120 -130⁰С – 2 хв.

3. Заповнення нагрітого екстрактора кип'яченою водою 20⁰С. Витримка 1 хв.

4. Продування парою і слив кавового напою подачею пара 120-130⁰С – 1 хв.

5. Повтор операцій 2-4 з використанням кавового напою з 1 циклу на стадії 3. Тривалість 2 стадії – 1 хв.

Отримували першу порцію – абсолютно чорну за кольором рідину через високу глибину вилучення, яку перед вживанням доводилося розбавляти в 2-3 рази, і схожу на звичайну каву за кольором другу порцію, що відрізняється трохи більш жорстким смаком через більш високу кількість екстрагованого кофеїну.

Нескладним виявилося імплементувати нову технологію для пересувних професіональних установок типу "Експресо" (або стаціонарних установок ресторанів, кафе, автоматів і т.д.). Вийшов приблизно такий порядок операцій:

1. Заповнення зваженої порцією меленої кави і монтаж касети – 1 хв

2. Нагрівання ємкості з касетою з завантаженим кави перегрітою парою до 120-130⁰С – 2 хв.

3. Заповнення нагрітої ємності кип'яченою водою 20⁰С. Подача пара 120 -130⁰С і підйом тиску в ємності. Витримка 2 хв.

4. Різке скидання тиску для звільнення капілярів від кавового напою і слив кавового напою. - 1 хв.

5. Повтор операцій 2-4 з використанням кавового напою з 1 циклу на стадії 3. Тривалість 2 стадії – 1 хв.

Найбільш смішною історією, пов’язаною з екстракцією кави, потішили нас одесити в морському порту (ми в цьому "проекті" не брали участь). Справа в тому, що відповідно до відомого проекту століття скраплений аміак з Росії передавався в Одесу на припортового заводу і подальшого завантаження в танкери для відправлення в США. У зворотний шлях звільнені від аміаку танкери не ганяли б назад даремно, а зазвичай заповнювали зерном. Чому це виявилося невигідним, американцеві недовго переживали і стали засипати всередину танкерів мелені зерна кави.

Кава відправляли з Одеси на заводи тоді ще СРСР (в тому числі і на Дніпропетровський завод харчових концентратів від працівників якого я і почув цю історію) для отримання розчинної кави. Одеситам було дуже прикро, що такий цінний продукт проходив повз них і з нічого вони нічого не вилучали. Народ в Одесі креативний, кмітливий і там дуже швидко знайшли оригінальне рішення і практично, незалежно від нас реалізували дуже близьке до наших вигадок рішення. Згадали вони про одну стадії, введеної під час перевезення в танкерах зерна пшениці – пропарювання цього зерна прямо в трюмах танкерів подачею в них гострого перегрітого водяної пари для поголовного безжального винищення мишей, які любили жити в танкерах і харчуватися зерном. Називалася ця технологічна стадія красиво – дератизація. Одеські веселуни вписали цю стадію в технологічний регламент перевезення кави, хоча мишей в кави не було – чимось він їм не сподобався. Пара в трюмах конденсувалася, попутно витягуючи більшу частину кави. Залишилося небагато – конденсат не зливати в море, а збирати для його подальшого концентрування і використання за призначенням. Ось така весела історія трапилася в місті гумору, де незалежно від нас придумали просту та ефективну технологію.

БІЗНЕС-ПРОПОЗИЦІЯ "Про науково-технічну співпрацю в області модернізації виробництв рослинної олії на підприємствах типу" Олейна"

У студентів, що читає цю допомогу, цілком міг виникнути питання, навіщо автор наводить опис такої великої кількості різних реальних промислових технологій, в яких, так чи інакше, комерціалізоване одне глобальне напрямок оптимізації на стадії екстрагування або просочення капілярно-пористих тіл. Відповідь проста – ніколи не вдається використовувати ту чи іншу вже успішно апробовані технологічні рішення в новому об'єкті без його "підгонки" до нового об'єкту, що враховує особливості кінетики та інших його характеристик. І друге – у професійного фахівця повинна бути в глибинах мозку своєрідна база даних по аналогічним рішенням на всіх стадіях процесу для того, щоб використовувати її при вирішенні конкретних завдань (звичайно, після суттєвої іноді модернізації і трансформації).

Свідомо не прибрав сторінки, які не мають прямого відношення до тематики даного посібника, щоб читач отримав повне уявлення про всі етапи роботи з оптимізації діючого виробництва. Отже, читайте бізнес-пропозицію, яка, на жаль, як часто трапляється не була використана адресатом, але представляє інтерес як приклад рішення інженерної задачі оптимізації діючого виробництва.

Вступ

Група вчених і експертів Українського державного хіміко-технологічного університету, Галузевий науково-дослідної лабораторії реакторів і масообмінних апаратів Мінхімпрома, Придніпровського центру чистих виробництв і, в даний час, Центру технологічного бізнесу (м. Дніпро) багато років працює в області вдосконалення процесів і обладнання заводів масложирової промисловості і інших споріднених виробництв не тільки в Україні (Дніпропетровськ, Чернівці), а й в Росії (Краснодар, С.-Петербург). Накопичено практичний досвід модернізації тепломасообмінних і реакційних процесів на стадіях екстрагування, змішання, просочення капілярно-пористих тіл, дистиляції, упарювання, абсорбції, десорбції та ін. Фахівцями отримано понад 500 патентів і авторських свідоцтв на винаходи в зазначених областях. За багатьма виконаними проектами були успішні реалізації та промислові апробації з позитивними результатами. На жаль, багато успішні розробки поки не реалізовані і потребують захисту інтелектуальної власності. На жаль, в даний час ці роботи залишаються незатребуваними в силу того, що ще не завершився період перехідної економіки України і не склалися організаційні структури, що забезпечують технологічний бізнес в умовах ринкової економіки.

Попередня коротка інформація про наші розробки і про можливості їх використання для модернізації окремих стадій діючих виробництв масложирової галузі

Вашій увазі пропонується короткий опис серії робіт українських фахівців в області вдосконалення процесів і апаратів харчових (переважно олійно-жирової промисловості) і хімічних виробництв, виконаних цілеспрямовано з метою вирішення найбільш гострих питань модернізації з метою оптимізації виробництв і комерціалізації цих розробок.

Основні методи, використані при оптимізації окремих технологічних стадій глибокого очищення для зручності розгляду представлені спочатку у вигляді коротких відомостей про прийоми та методи оптимізації технології і конструктивних засобів реалізації цих методів.

Багаторазова інверсія фаз

Явище виявлено українськими експертами при висхідному русі газорідинного потоку в апараті, Секціонірування клапанними контактними тарілками з саморегулівними клапанними контактними пристроями. Суть явища полягає в тому, що в кожній секції апарату, над барботажний шаром, де суцільний фазою є рідина, а дисперсної - бульбашки і факели газу, утворюється сепараційний шар, де суцільний фазою є газ, а дисперсної –- краплі і струмки рідини. Тобто відбувається інверсія фаз (фази міняються ролями). При цьому, як відомо, відбувається практично повний масообмін між фазами. Перенесення рідини відбувається при такій роботі апарата за рахунок прояву ефекту Бернуллі в отворах вищерозміщеної над барботажний шаром тарілки, коли швидкість газу значно (приблизно в 10 разів) збільшується, а статичний тиск відповідно зменшується. У цьому випадку кожен отвір виконує як би роль вакуумного насоса і втягує з сепараційного шару краплі і струмки рідини.

Термоконденсація

Це поки не часто використовується в техніці глибокого очищення речовин явище полягає в тому, що за умов початку конденсації пари (наприклад, в зоні так званої точки роси), конденсація відбувається на субмікронних частинках, навіть якщо вони погано змочуються рідиною. Субмікронні частки в цьому випадку виконують роль центрів конденсації. При цьому за рахунок конденсату розмір і вага субмікронних частинок істотно збільшуються, а частинки схильні до агломерації.

Термодекомпресія

Це явище утворення бульбашок розчиненого в рідині газу або парових бульбашок при початку кипіння навколо (або близько) субмікронних частинок, які є в цьому випадку центрами пароутворення (утворення бульбашок розчиненого газу).

Поєднання хімічної реакції і масообмінного процесу

При одночасному і спільне проведення хімічної реакції і масообмінного процесу відведення продуктів реакції в момент їх утворення відбувається значне збільшення швидкості основного процесу (до 6-8 разів), зменшення утворення побічних продуктів, поліпшення екологічних характеристик і економіки процесу. Для оборотних реакцій відбувається зсув реакції в бік утворення кінцевих продуктів.

Капілярний ефект

Полягає в створенні розвинутої поверхні контакту фаз, випаровування, нагрівання і т.д. за рахунок використання в якості робочого тіла капілярно пористої деталі, пори якої здатні заповнюватися рідиною на велику висоту за рахунок капілярних сил.

Конденсаційна екстракція з капілярнопористих тіл та їх обробка

Цей метод буде розглянуто докладно нижче, оскільки він є одним з основних для застосування в розглянутих олійно-жирових виробництвах.

Використання транспортних хімічних реакцій

Цей прийом полягає в проведенні як би "обхідних" хімічних реакцій, коли безпосередньо отримати необхідну речовину не вдається, або вихід його надто малий, або неможливо позбутися в ньому від небажаних домішок.

Хімічна рециркуляція

Цей метод запропонований М.Ф. Нагіевим і А.Н. Плановскім і полягає в обриві реакції задовго до її завершення, відділенні продуктів реакції від вихідної сировини і повернення останнього в початок процесу.

Циклічні режими подачі фаз

Нестаціонарна, наприклад, пульсуючий подача фаз в реактор або масообмінний апарат. У ряді случає такий прийом дозволяє здійснити регулювання процесу, керувати виходом, ступенем перетворення і т.д.

Апарати з висхідним прямотоком фаз

Розробка українських експертів, основна ідея якої реалізувати режим багаторазової інверсії фаз. Апарат з висхідним прямоточним рухом газу (пари) і рідини, секціоніруваний масообмінними тарілками зазвичай клапанного типу. Має унікальну гнучкість (діапазон зміни швидкостей щодо газу – 0,2-3,5 м/с, щодо рідини – 10-250 м/год), високою ефективністю контакту фаз.

Упарювання сушка і десорбція повітря з капілярів перегрітими водяними парами перед екстрагуванням

Перегріта водяна пара є до стану насичення прекрасним транспортуючим агентом в зону розпарювання і сушки, а також десорбується агентом для витіснення (десорбції) повітря з мікрокапілярів перед екстрагуванням масла.

Поєднання барботажної і плівкової зон в одній секції

Розробка українських експертів. У кожному клапанному контактному пристрої є автономний перелив для рідини, розташований коаксіально клапану. При зливі рідини утворюється під кожним клапаном як би рідинна парасолька. Парасольки від всіх переливів перекривають всі перетин апарату, що створює зону додаткового контакту фаз і зменшує винесення рідини з нижчого шару внаслідок сепарації ефекту парасольки.

Протиточні газорідинні апарати

Відомі в хімічній техніці для процесів дистиляції, ректифікації та абсорбції. Однак, багатьох процесів масложирової промисловості насадок і емульгаційні апарати непридатні внаслідок надлишкового спінювання рідкої фази, нестабільною і недостатньо ефективної роботи апаратів, а також можливістю забруднення продукту при стиранні насадки, яке часто має місце. У емульгаційній колоні, крім того, не виключені залпові викиди домішок, які викидаються в абсолютно непрогнозований час, що призводить до забруднення готового продукту. У секціонованих клапанними тарілками апаратах, розроблених українськими експертами, шкідливі ефекти насадок апаратів усунені.

Полімерні та композитні матеріали для апаратури

У багатьох випадках технології виробництв масложирової промисловості доцільно використовувати полімерні апарати з фторопласту-4 (наприклад, при переробці фосфатидного концентрату). Це дозволяє істотно поліпшити якість готового продукту, зменшити його забруднення матеріалом стінок апаратів. Труднощі використання фторопласта, пов'язані з його холоднотекучестью і низькою міцністю успішно подолані комбінуванням його з металом (всередині фторопластових деталей розміщують металевий каркас). Такий "пиріг" повністю вирішує всі проблеми матеріалу для виготовлення апаратури для виробництва особливо чистих речовин.

Саморегульовані клапанні контактні пристрої

Унікальні розробки українських експертів в області саморегулівних клапанних контактних пристроїв виконувалися приблизно з 1965 року. В результаті великих досліджень вдалося запропонувати не просто нові більш ефективні конструкції клапанних контактних пристроїв, але цілі нові напрями розвитку їх конструкцій, особливо ефективних при проведенні масообмінних процесів в газорідинних системах.

Усього розроблено понад 50 нових конструкцій, які можна об'єднати в кілька нових напрямків, які можуть бути предметом комерціалізації.

1. Клапанні протиточні контактні пристрої з переливними пристроями і двома зонами контакту фаз (барботажною і плівковою) в кожному клапанному елементі. Є близько 10 варіантів і різновидів. У порівнянні з традиційними клапанами типу "Глітч" вони забезпечують більш високі навантаження щодо газу (F-фактор до 2.5) щодо рідини (щільність зрошення до 180 м/год) при високій ефективності за Мерфрі (на рівні "Глітч" і вище на 10-15%).

Призначені для проведення процесів ректифікації при отриманні, наприклад, апротонних розчинників, використовуваних в олійно-жировій промисловості при абсорбції при високих співвідношеннях навантажень "рідина-газ", а також при газоочистці.

2. Клапанні ежекційні контактні пристрої з рециркуляцією газо-рідинної суміші через контактний вузол і зіткненням потоків. Відрізняються тим, що в рідину барботують не газ, а сформований заздалегідь двофазний потік. Забезпечують великий час контакту рідини з газом, високу ефективність контакту фаз, високу гнучкість (так як при збільшенні навантаження по газу збільшується кратність циркуляції рідини через контактний вузол). Призначені для абсорберів з паралельно протікає хімічною реакцією і газорідинних реакторів.

3. Осцилюючі і пульсуючі клапанні контактні пристрої, що забезпечують накладення коливань на контактують фази оптимальної частоти. Це призводить до поліпшення гідродинамічних характеристик і ефективності контактування фаз.

4. Прямоточні (з висхідним газорідинним потоком) апарати з багаторазової інверсією фаз. Свого часу були запатентовані в ФРН, Франції, Японії. За гнучкості, ефективності та пропускної спроможності до сих пір не перевершені в світі. призначені для очищення газів, проведення хімічних реакцій.

5. Полімерні (тефлон) клапанні контактні апарати для отримання особливо чисті речовин.

 Далі наводяться конкретні рекомендація використання наведених вище і деяких інших методів і конструктивних рішень стосовно масложировим виробництвам. Для зручності використання рекомендації даються по ходу опису технологічного процесу зі збереженням регламентної нумерації.

6.1 Елеватор насіння (ТХ -1)

Рекомендації по типів елеватору дати важко. Хоча, у багатьох технологічних вузлах варто було б перейти від механічних норий і транспортерів на схему напірного і вакуумного пневмотранспорту. Це дозволило б організувати суміщені процеси, наприклад транспортування – сушка (якщо в якості транспортує агента використовувати підігріте повітря або газ), транспортування – сепарація фаз, транспортування – змішання та ін. При використанні пневмотранспортних схем для захисту поворотів труб від стирання доцільно використовувати розроблені нами оригінальні пристрої захисту металу від впливу абразивного потоку самим переміщуються матеріалом.

Крім того, в типовій схемі передбачено вивезення відокремленого сміття на звалище. Але в більшості своїй основною складовою цього сміття є органічні речовини. Тому доцільно видалити зі сміття можливі металеві та неорганічні складові і направити решту органічну частину на змішування з лушпинням, що спрямовується на гранулювання або виробництво палет.

6.2 Шеретувальні - віялові відділення (ТХ-2)

6.2.1. У зв'язку з тим, що при сепаруванняподіл рушанки відбувається за рахунок аеродинамічних властивостей лушпиння і ядра, в технологічному вузлі також доцільно використовувати пневмотранспорт, швидше за все, напірного типу.

6.2.2. Використання вальцьових верстатів 27.1-27.3 для подрібнення ядер з II-го, III-го, IV-го, V-го розділів аспіраційних камер віялок насіння 12.1-12.15 нераціонально. При подрібненні вулицями замикаються мікропори, що ускладнює подальшу переробку мяткі, зокрема, пресування масла з неї, а, особливо, екстракцію. Доцільно використовувати дезінтеграційних техніку ударно-розколювального типу, коли капітально-пориста структура матеріалу, що подрібнюється зберігається, а пори залишаються відкритими. Ми можемо надати вам промислову дезінтеграційних техніку для подрібнення насіння.

6.3 Котельня та цех грануляції лушпиння

6.3.1. Для вловлювання масляної пилу слід використовувати не батарейні циклони (в цих умовах вони схильні до забивання), а дифузіофорез з використанням утворилася пасти для змішування з лушпинням з метою поліпшення грануляції і характеристик отриманих гранул.

6.3.2. Недоцільно спалювати більшу частину лушпиння безпосередньо в котлах. Слід встановити попередньо (перед котлами газогенератор для отримання піролізного газу і його подальшого спалювання в котлах). Це вирішує всі екологічні проблеми інсінераціі лушпиння. Як газогенератор доцільно використовувати розроблений нами двоступеневий апарат, перший ступінь якого призначений для термічного процесу піролізу лушпиння, а другий – для більш глибокої переробки коксика (золи) шляхом подачі водяної пари і проведення реакції отримання водню і СО. Суміш цієї газової фази з метаном з першого ступеня призводить до отримання висококалорійного газу, який не поступається природному за калорійністю.

6.3.3. Доцільно в цьому цеху розмістити установки вилучення альфа-лецитину з фосфатидного концентрату, після чого обезлецітінений фосфатидний концентрат направити на змішання з матеріалом, які направляються на гранулювання.

6.3.4. Вентиляційні та аспіраційні викиди всього цеху доцільно направити в розроблений нами загальний апарат дифузіофореза з термоконденсаціей для очищення від субмікронних органічних частинок, які є джерелом алергічних захворювань обслуговуючого персоналу і у населення прилеглих житлових поселень.

Очищення насамперед аспіраційних викидів в олійно-жирових виробництвах пов'язане з обробкою значних кількостей аспіраційних газових викидів, що містять органічні субмікронні частки. Використання рукавних фільтрів і циклонів на цій стадії неефективно, тому що найчастіше доводиться має справу з полідисперсними включеннями погано просочених частинок. Тому очищення їх традиційними методами утруднена. Реалізовано в промисловому виробництві германію промисловий абсорбер газоочистки, що містить прямоточний модуль для термоконденсаційного очищення. Конденсація на частинках при цьому забезпечено введенням необхідної кількості водяної пари безпосередньо в аспіраційні гази і подальшим охолодженням суміші до точки роси. Лише після цього викиди направляються в другу ступінь очищення, виконану у вигляді чотириступінчастого противоточного апарата з клапанними тарілками, які оснащенні новими клапанними контактними пристроями, виконаного повністю з полімерних порівняно дешевих матеріалів (на основі полівінілхлориду). Таким чином, для видалення субмікронних частинок з технологічних і аспіраційних газів використовується багаторазово повторюється в апараті з висхідним прямоточним рухом фаз процес термоконденсаціі, спричиненої спадом температури при кожному дроселюванні газу (пари). Після кожного ступеня термоконденсаціі відбувається відведення утворився конденсату з отсепарарірованнимі субмікронними частинками, який може бути направлений на стадію гранулювання. Таке поєднання і почергове проведення термоконденсації і термодекомпресії дозволяє забезпечити найбільш глибоке очищення з високим виходом цільового продукту. Найбільш доцільним виявиться комбінування цих двох модулів очищення в єдиній блочно-модульної установці.

Принциповою особливістю нового апарата є виконання абсолютно всіх деталей, що стикаються з технологічними потоками газу, з полімерів, що не забруднюють продукт, і не схильні до корозії. Особливим інтересом є виконання з полімерів рухомих клапанних контактних кільцевих пластин, їх елементів, що направляють і обмежують. Поєднання останніх з переливними елементами з кожної зони контакту рідкої і парової фаз, створення других зон контакту в плівковому режимі, що забезпечують одночасно підвищення ефективності контакту фаз і сепарацію крапель рідкої фази, що уносяться із зони барботажу, роблять цю конструкцію унікальною. Нові клапанні контактні пристрою мають високу ефективність і здатність саморегульованого вільного перетину в широкому діапазоні зміни навантажень по газу. При цьому, швидкість газу в зонах контакту його з рідиною і основні характеристики тарілок залишаються практично стабільними, що обумовлює їх високу гнучкість, тобто стійку роботу при зміні навантажень по газовій фазі приблизно в 7-10 разів, і в 9-10 разів по рідкій фазі. На відміну від традиційних клапанних пристроїв типу "Флексітрей" і "ґлітч", що мають порівняно вузький діапазон стійкої роботи, внаслідок чого можливе при коливанні навантажень по газу зниження ефективності контакту фаз, нові конструкції контактних пристроїв забезпечені двоступінчастими клапанами і клапанами кільцевої форми і оригінальної геометрії з поліпшеними гідродинамічними характеристиками. Це покращує розподіл пари в рідині, робить більш ефективним контакт в зонах входу пари в рідину. Поєднання в одному контактному вузлі власне контактного,

6.3.2 Підготовчо-пресовий цех (ТХ-3)

6.3.2.1. У зв'язку з тим що "жарка" насіння проходить при порівняно низькій температурі (100°С), при подачі гострого водяної пари, найзручніше процес проводити не в чанах, а в ємнісному апараті в протоці перегрітого водяної пари при протиточному русі стовпа сировини і водяної пари. Температура водяної пари змінюється від 105 град у верхній частині апарата, куди подається сировина і де відбувається обжарення до 120 град в нижній частині, де відбувається сушіння насіння. Шнек для перемішування необов'язковий. Такий апарат і технологія забезпечать найбільш рівномірне обжарення і сушку сировини.

6.3.2.2. Циклон-краплеуловітель 52 явно не забезпечить уловлювання пари і туману масел. Тут також доцільно використовувати дифузіофорез для забезпечення відповідність санітарним нормам викидаються газів.

6.3.2.3. Частинки макухи і пилу з циклону, отримані відділенням від повітря, що обдуває отриману макухове черепашку, і надходять в скребковий транспортер TR04, також важко відокремити тільки за допомогою циклону. Необхідно робити те ж, що рекомендовано в п. 6.3.2.2.

6.3.2.4. Процес сушіння масла доцільно проводити за допомогою перегрітого гострого водяної пари, що подається в протівоточном режимі або в режимі багаторазового інверсії фаз з дробової подачею пара по висоті. Це дозволить відмовитися від використання вакууму, спростить апаратурне оформлення процесу, знизить капітальні та поточні витрати. Пароперенагрівачі можна використовувати стандартні, що випускаються промисловістю України.

6.4 Екстракційний цех (ТХ-4, ТХ-5, ТХ-6, ТХ-7, ТХ-8)

6.4.1 Установка екстракції

Нами накопичено певний досвід за іншою технологією екстрагування з капілярно-пористої сировини, зокрема, макухової черепашки, заснованої на інших принципах проведення процесу.

Йдеться про метод просочення капілярно-пористих матеріалів рідкими середовищами. В якості капілярно-пористих просочувальних матеріалів можуть бути не тільки мятка або макухова черепашка, а й: папір, картон, деревина (конструкційні елементи, залізничні шпали, паркет та ін.), пористі металеві матриці, тканини, пластини електродів акумуляторів, зерна пористого каталізатора, обмотки статорів і роторів електродвигунів, електролітичні конденсатори та ін.

Як рідких середовищ можуть бути не тільки гексан або бензин, а й водні середовища, що містять розчинені або зважені речовини технологічного призначення, які повинні бути доставлені в капіляри і пори, розчинники, розплави металів і інших речовин і ін. Процес екстрагування завжди включає стадію просочення капілярно - пористого тіла розчинником, тобто заповнення рідиною пір капілярно-пористого тіла. Традиційно просочення проводять, занурюючи тіло, виконане з капілярно-пористого матеріалу в рідину. Іноді це тіло попередньо нагрівають, вакуумують. У ряді випадків процес проводять при підвищеному тиску. Це викликає необхідність використання відповідного обладнання для проведення процесів, наприклад, автоклавів високого тиску. Основна ідея запропонованої і в багатьох об'єктах реалізованої нами просунутої технології просочення полягає в тому, що предмети з капілярно пористих матеріалів, які потребують просочення, попередньо підігрівають одним з відомих способів, потім обробляють перегрітими парами просочувальної рідини (водні середовища, що містять розчинені або зважені речовини технологічного призначення, які повинні бути доставлені в капіляри і пори, розчинники, розплави металів і інших речовин і ін.) або речовини, добре розчинної Чи реагує з останньої, потім занурюють в просочувальну рідина з температурою нижче температури конденсації пари.

Для олійно-екстракційного цеху можна уявити таку нову ланцюжок операцій просочення капілярно-пористих матеріалів (КПМ):

– підігрів одним з відомих методів (в тому числі за рахунок продувки перегрітою водяною парою або парами екстрагента до температури вище температури конденсації пари;

– заміна важкорозчинного в просочувальній рідині газу, що знаходиться спочатку в порах КПМ (звичайно, повітря), перегрітою парою;

– занурення КПМ з заповненими перегрітою парою капілярами у відносно більш холодну просочувальну рідина.

Конденсація пари в капілярах, що призводить до утворення в капілярах глибокого вакууму при збереженні нормального тиску в апараті для просочення.

Заповнення капілярів рідиною за рахунок капілярних сил і вакууму всередині тупикових і квазітупікових капілярів.

Аналіз кінетики протікання типових стадій такого процесу просочення КПМ показує, що стадії 1-5 є взаємозв’язаними і взаємообумовними і протікають послідовно. Найбільш повільною, лімітуючою для всього процесу, є стадія 2 (в традиційному процесі коефіцієнт дифузії газу в рідині, що визначає швидкість процесу на стадії 2, має порядок 10^-7, тобто процес йде приблизно в 1000 разів повільніше, ніж, наприклад, дифузія газу в газі, як за нашою технологією, коли коефіцієнт дифузії має порядок 10^-4 м²/с). Нова просунута технологія набагато простіше та ефективніше традиційних, при яких змушені використовувати цілий ряд методів оптимізації процесів:

– режимно-технологічні (РТ-методи): циклічна подача фаз і рециркуляція, створення коливань робочої зони зовнішніми пристроями, імпульсна зміна температури, концентрацій, тиску, поєднання процесів: хімічних, масообмінних, тепло-масообмінних, введення додаткової речовини: ініціатор, рециркулят, парова фаза одного з компонентів, оптимізація режимно-технологічних параметрів: температура, тиск, склад, гідродинамічні параметри;

– апаратурно-конструктивні (АК-методи): забезпечення багато-кратності впливу на фази, конструктивна оптимізація гідродинамічного режиму, використання енергії контактуючих фаз, використання зовнішніх джерел енергії, оптимізація конструктивних параметрів, поєднання апаратів.

Однак, аналіз цих традиційних методів стосовно просочення КПМ показує, що їх використання не призводить до істотних результатів. Адже, все одно залишається в силі ланцюжок операцій:

– підготовка капілярно-пористого матеріалу (підготовка пір, вакуумування та ін.);

– занурення КПМ в просочувальний розчин;

– витримка для проведення власне стадій просочення при використанні методів оптимізації, зазначених в таблиці 2 (наприклад, підвищення тиску, температури, турбулізація);

– обробка КПМ після просочення.

На жаль, істотно зменшити тривалість стадії 3 при такій послідовності не вдається.

Запропонована просунута технологія просочення КПМ дозволяє:

– збільшити швидкість (зменшити час) проведення процесу в кілька разів;

– спростити апаратурне оформлення процесу просочення;

– обробляти відразу великі партії виробів з КПМ;

– поліпшити екологічні показники процесу з огляду на скорочення необхідного часу проведення і збільшення інтенсивності, усунення необхідності уловлювання шкідливих речовин з викидів системи вакуумування;

– знизити капітальні та експлуатаційні витрати;

– забезпечити регульовану глибину (ступінь) просочення і екстракції.

Запропонована технологія була апробована і в багатьох випадках реалізована в наступних промислових установках:

– просочення каталізаторів;

– просочення електродів та інших виробів з вуглецю/ графіту;

– екстрагування в системі рідина–тверде тіло при витягу лікарських препаратів та під час виконання продовольства;

– просочення текстильних волокон і сполук матричної структури смоли;

– вилуговування і витяг металів;

– створення метало-вуглецевих сполук;

– просочення при створенні електродів для нікелевокадмієвих акумуляторів;

– просочення деревина і паперу.

У процесах екстрагування в олійноекстракційних виробництвах ця просунута технологія поки не випробовувалася і не реалізована. Пропонується це зробити. Чинне на МЕЗ обладнання дозволяє це зробити з мінімальними капітальними вкладеннями.

6.4.2 Установка дистиляції

Дистиляцію місцели пропонується проводити в два етапи – спочатку в прямоточному апараті з багаторазової інверсією фаз з подачею перегрітої водяної пари в місцелі, а потім в противоточному плівковому апараті, що працює в противоточному режимі.

6.4.3 Установка олійної абсорбції

Систему олійної абсорбції пари розчинника, в якій, до речі, вперше нами спільно з ВНІІЖіров було запропоновано використовувати в якості абсорбенту кінцевий продукт з подальшою його рециркуляцією і подачею в установку дистиляції місцели, запропоновано оснастити клапанними тарілками з використанням розробленого нами клапанних контактних пристроїв, що забезпечують високу ефективність контакту фаз за рахунок рециркуляції рідини через контактні вузли.

З урахуванням вищевикладеного, знаючи про постійну увагу Ваших організацій і виробництв до питань вдосконалення технологічних процесів і обладнання, пропонуємо розглянути даний бізнес-пропозицію, спрямоване на консолідацію наших зусиль і організацію науково-технічного співробітництва для розвитку масло жирової промисловості наших країн з використанням технологічного бізнесу .

Можливі найрізноманітніші форми реалізації методів технологічного бізнесу в умовах взаємодії підприємств, організацій різних форм власності та окремих експертів різних країн:

– створення кластерів для реалізації конкретних проектів модернізації;

– створення спільних підприємств;

– створення спільних лабораторій при діючих підприємствах;

– виконання робіт на замовлення або договорами, в тому числі, по науково-технічного співробітництва діючими підприємствами або індивідуальними експертами;

– робота окремих експертів і фахівців (постійна або тимчасова) наших експертів на ваших підприємствах;

– обмін науково-технічною інформацією;

– спільний захист інтелектуальної власності, що з'явилася в результаті науково-технічного співробітництва;

– проведення спільних симпозіумів, конференція семінарів та ін.

Просочення текстильних волокон і з'єднань матричної структури смолою

З'єднання матричної структури і особливо армована волокном пластмаса широко застосовуються в цілому ряді виробництв від вироблених серійно тенісних ракеток до автомобілів і аерокосмічних установок. Основою у виробах можуть бути тканини, багатожильний провід та інші волокна зі скла, вуглецю/графіту, поліамідів і т.д.

Якість виробів залежить від сили зчеплення між матрицею і заповнювачем. Якість просочення визначає досягнення хорошого зчеплення. Якщо просочення неповна, газонаповнені бульбашки, тріщини та інші розриви суцільності основи, будуть несприятливо впливати на характеристики просочених виробів.

Вихідні волокна і матриці завжди мають пори і порожнечі, заповнені повітрям, що блокує проникнення і змочування їх імпрегнанти. Вакуум, високий тиск та інші методи традиційно використовуються для забезпечення його більш повного проникнення в структуру матеріалу. Однак, це важко досягається, навіть якщо використовують дороге автоклавного обладнання, збільшують час обробки, використовують інші засоби поліпшення контакту фаз.

Проект націлений на створення високоінтенсивного, ефективного та дешевого методу, що забезпечує досконалу просочення волоконної основи грузлими органічними імпрегнанти. Метод не вимагає використання вакууму або обладнання високого тиску, а також вимагати тільки невеликих змін в існуючому обладнанні. Це забезпечується досить простий попередньою підготовкою волоконного матеріалу безпосередньо перед просоченням для видалення повітря, що знаходиться в порах. Для цього реалізують наступний ланцюжок операцій – обігрів волоконного матеріалу, введення певного газу, що заміняє повітря, і, нарешті, видалення газу. Це призводить до швидкого і повного заповнення вільного об'єму імпрегнанти.

Характеристики газу, певні години контакту фаз унікальні для кожної системи волокна-смола. Це пов'язано з необхідністю їх адаптації до системи. Газ відбирається серед недорогих і легкодоступних газів по можливості з числа вже наявних у схемі. Вибір обладнання практично не залежить від типу волокон і смоли. Процес допускає безперервний і періодичний варіанти оформлення.

Експерименти з графітом і скляною основою показали, що використання методу може покращувати якість просочення волоконного матеріалу і на 30% і зменшувати час просочення причому ефект прискорення процесу посилюється для імпрегнанти з більш високою в'язкістю.

Ринок виробів з армованих полімерних матеріалів постійно розширюється. Вартість адаптації обладнання до нового процесу незначна, тому, принаймні в 2 рази скорочуються витрати на стадію просочення і на 30% зменшується собівартість продукції. Для клієнта ефект полягатиме у зменшенні ціни виробу при поліпшенні його споживчих якостей.

Технологія може бути використана також при виготовленні аерокосмічних і автомобільних вузлів і деталей, будматеріалів, стрічок транспортера, захисного одягу, кораблів, спортивних товарів і шин. Метод може також легко адаптуватися для текстильної промисловості. Тут, все волокна і тканини переносять деяку «просочення» шляхом, наприклад, занурення з метою забарвлення, знебарвлення, додання властивостей водонепроникності і т.д. Метод дозволяє збільшити продуктивність і поліпшити якість продукції.

Вилуговування і витяг металів

Багато метали виробляють, використовуючи гідрометалургійні процеси, які включають переважне розчинення елемента або його сполуки з руди підходящої рідиною.

Основою такого твердорідинного вилучення є проходження витравлюють агента через тверде тіло при можливо найбільш тісному контакті фаз. Останньому, однак, перешкоджає повітря, що заповнює пори всередині частинок, і блокує проникнення екстрагента всередину пір. Це призводить до повільного і неповного вилучення. Отже, для збільшення швидкості дифузії бажано усунути повітряні пробки в оброблюваному матеріалі.

Проект націлений на розвиток високоінтенсивного, ефективного, екологічно дружнього і дешевого методу, що забезпечує найбільш глибоке вилучення цінних компонентів з твердих матеріалів.

Метод вимагає лише незначних змін існуючого обладнання і може робити непотрібним використання дорогого обладнання високого тиску або вакуумного. Це забезпечується відносно простий обробкою вихідного матеріалу безпосередньо перед контактом з екстрагентом. Попередня обробка усуває все повітря, що знаходиться в порах, шляхом реалізації наступній послідовності операцій: нагрівання матеріалу, введення певного газу, видалення газу.

Перевага такої попередньої обробки в тому, що її зручно поєднувати з іншими засобами заповнення пір рідиною (використання автоколивань, імпульсна зміна тиск, акустичні поля та ін.).

Характеристики обраного газу і час окремих стадій унікальні для кожної системи рідина-тверде тіло. Це пов'язано з необхідністю їх адаптації до системи. Газ буде відібраний серед недорогих і легкодоступних компонентів, вже наявних в системі.

Лабораторні і промислові експерименти показали, що метод є ефективним і легко регульованим для різних варіантів виробництва. Обробка вихідного матеріалу проводиться дуже швидко і сприяє повному контакту між твердим тілом і екстрагентів. Цей збільшує продуктивність, покращує якість продукції і зменшує втрати.

За допомогою гідрометалургії виробляють понад 20% всесвітнього виробництва міді 50-70% цинку і нікелю, близько 100% кадмію, кобальту, рідкісних і дорогоцінних металів, окису алюмінію і урану. У той час, як кількість видобутих металів збільшується, їх відповідність зростаючим вимогам монотонно знижується. Потреба в використанні все бідніших руд при збереженні і навіть зменшенні енерговитрат енергії робить метод особливо своєчасним.

Метод легко реалізується при гнучкій формі виробництва, яка може використовуватися для обробки великої різноманітності вихідних матеріалів, наприклад, при відновленні глинозему, кадмію, кобальту, міді, золота, нікелю, платини, срібла, окису урану, цинку і т.д.

Просочення при створенні електродів для нікелево-кадмієвих акумуляторів

В Ni-Cd акумулятори використовують електроди з нікелю, при виготовленні яких використовують процеси, які включають багаторазові цикли занурення пористої основи з металевого нікелю в розчин солей нікелю з проміжною сушкою для кристалізації всередині капілярів і пор і подальшої аналогічної обробкою електродів в лужних розчинах.

Пори в заготовках, виготовлених зазвичай методами порошкової металургії з карбонільного нікелю, спочатку заповнені повітрям, який блокує проникнення імпрегната в деяких з таких порожнин. Хоча процес занурення повторюється багаторазово, просочення залишається неповним, і якість кінцевого продукту може бути незадовільною. Бажано реалізувати метод усунення повітряних пробок в основі. Вакуумне обладнання і автоклави традиційно використовують для цього. Однак вони є дорогими, споживають значну кількість енергії і не завжди ефективно. Так як процес занурення повторюється багаторазово, бажано скоротити кількість і тривалість циклів.

Проект спрямований на розвиток швидкого, ефективного та дешевого методу, що дозволяє забезпечити досконалу технологію просочення і сушіння в виробництві нікелевих електродів акумуляторів.

При попередній обробці видаляється повітря, що знаходиться в порах, нагрівається каркас, вводиться, а потім віддаляється певний газ. Це дозволяє включити в процес практично весь обсяг пір і призводить до їх повного заповнення протягом інфільтрації. Проміжна і остаточна сушка проводиться в тому ж апараті, що і просочення (при цьому усувається необхідність транспортування в сушильну камеру після кожного акту просочення).

Лабораторні і промислові експерименти з заготовками, призначеними для створення нікелевих електродів показали, що метод є ефективним і легко пристосовується до різних варіантів виробництва. Просочення прискорюється в десятки разів, при цьому забезпечується практично повне заповнення пір. Це збільшує продуктивність і покращує якість виробів.

Ринок просунутих Ni-Cd акумуляторних батарей і відповідно нікелевих електродів постійно розширюється. Вартість адаптації обладнання до нового процесу незначна.

Для споживача прибуток буде пов'язана з зменшених цін, а також з поліпшенням якості продукції та збільшенням тривалості життєвого циклу акумуляторів.

Метод можна використовувати також при виробництві акумуляторних батарей, сухих елементів, конденсаторів, пористої кераміки і т.д.

Просочення деревини і паперу

Деревина і папір зазвичай просочують різними захисними засобами, зокрема, антисептиками та інсектицидами, а також високомолекулярними сполуками, щоб забезпечити необхідні властивості виробу.

Ці процеси трудомісткі, тому що проникнення рідини перешкоджає повітря, який заповнює пори, наявні в будь-якому виробі з дерева (навіть одношарової фанери товщиною від 0,3 до 0,8 мм), просочення смолою триває 1 годину в відкритому резервуарі і 30 хвилин при тиску 0,4-0,8 МПа.

Різні методи, вакуумної обробки, накладення акустичних коливань на рідину і т.д. використовують, щоб полегшити процес просочення. Однак, найчастіше це дорого, процеси тривалі і допускають тільки обмежену попередньо тільну обробку і незначну глибину проникнення.

Необхідний простий, недорогий, екологічно друже-жавного, точний і швидкодіючий метод просочення заготовок і виготовлення виробів.

Метод усуває використання вакууму або обладнання високого тиску, а також вимагати тільки незначні зміни в існуючому обладнанні. Основою є проста трьохстадійна підготовка деревини і виробів безпосередньо перед просоченням. Попередня обробка призводить до видалення повітря, що знаходиться в порах, за рахунок нагріву матеріалу, введення і потім видалення певного газу. Це включає в процес кожну пору і призводить до їх миттєвого і повного заповнення протягом наступного занурення. Технологічний газ і параметри обробки унікальні і адаптовані для кожної системи.

В експериментах з залізничними шпалами глибина проникнення антисептичний розчину за один цикл була збільшена в 1,7-2,2 рази залежно від різновиду дерева. Спостерігалося деяке скорочення необхідної кількості. Процес таким чином пропонує зменшені витрат, збільшення продуктивності, скорочення відходів і більш повне використання імпрегнанти.

При всесвітньому щорічному обсязі деревини, оціненого приблизно в 1000000000 м³, просочення навіть невеликої частини дасть значний прибуток і дозволить зменшити техногенне навантаження на навколишнє середовище завдяки зменшенню кількості необхідних хімікатів і поліпшенню якості кінцевих продуктів.

Будь-завод, який обробляє дерево і вироби, може використовувати новий метод просочення. Процес прокладає шлях появи нових, екологічно дружніх матеріалів, заснованих на використанні дерева (наприклад, деревина, просочена поліетиленом, тефлоном, ПЕТ). Інший підхід до захисту навколишнього середовища – це виготовлення будматеріалів, меблів та іншого, з використанням відходів харчової промисловості і сільського господарства, типу лушпиння насіння соняшнику, жому цукрового буряка, шкаралупи горіхів, вати та ін.

Створення металовуглецевих композицій

Композитні графіто-металеві (мідь-графіт, срібло-графіт та ін.) Матеріали найбільш часто використовують в електричних контактах, особливо що ковзають. Інша головна область їх застосування – підшипники ковзання.

Інфільтрація і імпрегнація широко використовуються для створення таких композитів. Порошок графіту, вогнетривкої металу або карбіду спочатку ущільнюють в каркас бажаної форми (або спеціально поділяють заготовку великого розміру на заготівлі потрібної форми і розміру). Потім заповнюють сріблом або міддю пори каркаса. Крім того, використовують інфільтрацію мідними сплавами, щоб поліпшити характеристики порошкових матеріалів із заліза в металургії.

Зазвичай процеси інфільтрації є відносно повільними. Робиться все можливе, щоб забезпечити максимальну щільність, бажану для оптимальних характеристик готових виробів. Часто залишається незаповненим значна частина обсягу пір, тому що рідкий метал не може повністю заповнити внутрішні порожнини каркаса, заповнені повітрям. Останнє особливо актуально для виробів, каркас яких виконаний з графіту з огляду на погане просочення останнього.

Вакуум, високий тиск і інші методи традиційно використовуються для забезпечення більш повного проникнення просочує матеріалу. Це, однак, рідко досягається, навіть при використанні дорогого устаткування, тривалого часу просочення і значних додаткових витрат.

Ось, наприклад, опис типового многостадийного процесу для виробництва срібно-графітових контактів в Індії. Спочатку графітові заготовки очищаються продувкою парами бензолу протягом 24 годин. Потім проводиться промивка графітових заготовок в дистильованої воді, сушка в печі. Після цього заготовки графітових контактів завантажують в вакуумний апарат і вакуумують 1 годину. Починають підняття температури до 120⁰С і підтримку протягом 30 хвилин. Потім починають зниження температури зі 120⁰С до 70⁰С протягом 30 хвилин. Паралельно розчин нітрату срібла (щільність 1,8 до 1,9 г/см³) нагрівають при вакуумуванні до 110⁰С, після чого подають в вакуумний апарат з графітовими контактами (коли температура в останньому досягне 70⁰С, а вакуум досягає 5×10^–2 Toрр). Графіт знаходиться в розчині нітрату срібла протягом 1 години, після чого імпрегноване матеріал обмивається в дистильованої воді з використанням ультразвукової чистить системи. Потім матеріал висушується в печі при 100⁰С, насичені графітові контакти пакуються в ящики з нержавіючої сталі з шарами кальцинованого нафтового коксу і поміщаються в піч, де нагріваються до температури 444⁰С протягом 5 годин для декомпоцізіі солей срібла. Після цього піч охолоджують і повторюють весь процес, поки не буде досягнуто бажаного вага графітових контактів (вихідний вага графітового контакту 0,2 г, і після імпрегнаційних циклів бажаний вага становить 0,4 г). Наш проект спрямований на розвиток швидкого, ефективного та дешевого методу, що дозволяє забезпечити досконалу інфільтрацію скелетних тіл міддю і сріблом, сплавами олова.

Метод усуває потребу в вакуумі або обладнанні високого тиску, а також вимагати тільки невеликих змін в існуючому обладнанні. При попередній обробці видаляється повітря, що знаходиться в порах, нагрівається каркас, вводиться, а потім віддаляється певний газ. Це дозволяє включити в процес практично весь обсяг пір і приводить до їх повного заповнення протягом інфільтрації. Кінетичні параметри процесу унікальні для кожної системи. Газ вибирається серед недорогих і легкодоступних варіантів, зазвичай уже використовуваних в технології.

Лабораторні і промислові експерименти з міддю і графітом показали, що технологія забезпечує майже теоретично можливу щільність виробів при значному скороченні часу обробки і енергоспоживання, поліпшення якості продукції і зменшенні емісії забруднювачів.

Попит на матеріали для електричних контактів і підшипники ковзання постійно зростає. Вартість адаптації обладнання до нового процесу незначна. Для споживачів продукції важливо можливе зменшення ціни і поліпшення технічних характеристик виробів, зокрема збільшення тривалості їх життєвого циклу.

Розширення сфери застосування можливо для виробництва підшипників ковзання для різних машин і механізмів, що ковзають контактів (струмознімачів) для електровозів і електротранспорту, щіток для електродвигунів і т.д.

Контрольні питання

1. Які ви знаєте процеси обробки капілярно-пористих тіл?

2. Які види пір є в пористому тілі? Які з них доступні для обробки?

3. Коли застосовують математичне планування експерименту? З якою метою?

4. Назвіть технології обробки капілярно-пористих тіл, що згадуються в даному навчальному посібнику?

5. Назвіть хоча б кілька відомих вам розробок вчених кафедри ОХП УДХТУ, пов'язаних з розробкою нових ефективних технологій обробки капілярно-пористих тіл.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Деклараційній патент на винахід 67662А "Спосіб просочення капілярно-порізного матеріалу "опубл.15.06.2004 р. Бюл.№6. Автор В.М. Задорський.

2. Патент Росії 2026777 "Спосіб обробки деревини". Опубл. 20.01.1995 р Бюл. №5. автори: В.М. Задорський, В.А. Яріз, Ю.В. Петренко, С.В. Егоров.

3. Аксельруд Г.А., Альтшуллер М.А. Введення в капілярно-хімічну технологію. – М. Хімія, 1983. – 264 с.

4. А.с.1247286 І 27 К3 / 10, Пристрій для просочення шпал, 1985, Б.І. N1.

5. Мухленов І.П. Технологія каталізаторів. – Л.: Хімія, 1989.

6. Використання системного аналізу та синергетичних ефектів при проведенні просочення капілярно-пористих матеріалів. Матеріали Міжнародної наук. конф.: «Сучасна наука: теорія і практика. Наукові підсумки-2014», вересень 2015 року (спільно з асп. Гамовим М.).

7. Просунута технологія просочення капілярно-пористих тіл. Матеріали конф. «Імпрегнація капілярно-пористих тіл», 26-28 жовтня 2012, Дніпропетровськ. – С.1-22.

8. Методи імпрегнації будівельних матеріалів гідро-фобізірующімі і герметизирующими компаундами. Матеріали конференції «Імпрегнація капілярно-пористих тіл», 2012, Дніпропетровськ. – С.25-34.

9. Отримання (нано) композитні матеріалів Шляхом термо-конденсаційної імпрегнації. Матеріали конференції «Імпрегнація капілярно-пористих тіл», 2012. м. Дніпропетровськ. – С.25-34.

10. Інженерні засоби і методи оптимізації технічних систем. Матеріали Всеукраїнської наукової конференції з міжнародною участю: «Інженерні засоби і методи оптимізації хімічних виробництв», м. Дніпропетровськ, 2013 р.

11. Створення універсальної блочно-модульної дослідної установки дослідження процесів імпрегнації капілярно-пористих тіл. Матеріали конференції «Імпрегнація капілярно-пористих тіл», 2012 р. Дніпропетровськ. – С.39-40.

12. Птіцин С.Г. Просочення вуглеграфітових матеріалів з використанням термоконденсаційного ефекту / С.Г Птіцин, Е.В. Коробко, І.А. Щолкіна // Імпрегнація капілярно-пористих тіл: міжнар. конф., 26-28 жовт. 2007: тези доп. – Дніпропетровськ, 2005. – С. 23-24.

13. Коробко Є.В. Методи імпрегнації будівельних матеріалів гідрофобізируючими і герметизируючими компаундами / Є.В. Коробко, В.М. Задорський // Імпрегнація капілярно-пористих тіл: міжнар. конф., 26-28 жовт. 2007: тези доп. – Дніпропетровськ, 2005. – С. 25-33.

14. Коробко О.В. Отримання (нано) композитні матеріалів шляхом термоконденсаційної імпрегнації / О.В. Коробко., В.М. Задорській // Імпрегнація капілярно-пористих тіл: міжнар. конф., 26-28 жовт. 2007: Додати тези доп. – Дніпропетровськ, 2005. - С.36-38.

15. Коробко Є.В. Методи інтенсифікації процесу просочення деревини / Є.В. Коробко, Л.Ф. Биков, В.А. Черниченко, В.А. Яріз, В.М. Задорський // Питання хімії та хімічної технології. – 2006. – № 5. – С.201-208.

16. Коробко Є.В. До математичного моделювання конденсаційної просочення / Є.В. Коробко, В.М. Задорський // Питання хімії та хімічної технології. – 2007. – № 2. – С.184-188.

17. Коробко Є.В. Дослідження конденсаційної просочення за допомогою повного факторного експерименту / Є.В. Коробко // Питання хімії та хімічної технології. – 2007. – № 4. – С.149-154.

18. Коробко Є.В. Синергетичні ефекти при просочуванні деревини / Є.В. Коробко // Хімія та сучасні технології: ІІІ міжнар. наук.-техн. конф. студентів, аспірантів та молодих вчених. – Дніпропетровськ. – 2007. – С.209.

19. Коробко Є.В. Синергетичні ефекти для стадії просочення в процесі модифікації деревини / Є.В. Коробко // Матеріали Міжнародного семінару «Імпрегнація капілярно-пористих тіл і методи модифікації деревини». – Дніпропетровськ. – 2007. – С.44-45.

20. Гнилицька Е. В. Апаратурно-технологічне оформлення стадії просочення при модифікуванні деревини / Є. В. Гнилицька // Питання хімії та хімічної технології. – 2008. – № 1. – С.145-51.

21. Пат. 41238U Україна. МПК B 27 K3 / 02; B27K5 / 00. Спосіб просочування деревини / Задорський В.М., Гнилицький О.В. Український державний хіміко-технологічний університет. – №.u200814861; Заявл. 23.12.2008; Опубл. 12.05.2009. Бюл. №9. – 4 с.

22. Коробко Є.В. Методи імпрегнації будівельних матеріалів гідрофобізируючими і герметизируючими компаундами / Є.В. Коробко, В.М. Задорський // Імпрегнація капілярно-пористих тіл: міжнар. конф., 26-28 жовт. 2007: тези доп. – Дніпропетровськ, 2005. – С. 25-33.

23. Коробко О.В. Отримання (нано) композитні матеріалів шляхом термоконденсаційної імпрегнації / О.В Коробко., В.М Задорській // Імпрегнація капілярно-пористих тіл: міжнар. конф., 26-28 жовт. 2007: тези доп. – Дніпропетровськ, 2005. – С.36-38.

24. Коробко Е.В. Методы интенсификации процесса пропитки древесины / Е.В. Коробко, Л.Ф. Быков, В.А. Черниченко, В.А. Яриз, В.М. Задорский // Вопросы химии и химической технологии. – 2006. – № 5. – С.201-208.

25. Коробко Е.В. К математическому моделированию конденсацион-ной пропитки / Е.В. Коробко, В.М. Задорский // Вопросы химии и химической технологии. – 2007. – № 2. – С.184-188.

Навчальне видання

Задорський Вільям Михайлович, доктор технічних наук, професор кафедри машинобудування та інженерної механіки ДВНЗ УДХТУ, м. Дніпро

ЕКСТРАГУВАННЯ ТА ПРОСОЧЕННЯ

У ПРОМИСЛОВІЙ ХІМІІ

(системи "рідина–тверде тіло")

Навчальний посібник

Авторська редакція В.М. Задорський

Комп’ютерна верстка В.П. Синицька

Підписано до друку 04.06.2018. Формат 60×84/16. Папір ксерокс.

Умов. друк. арк. 7,23. Тираж 300 прим. Зам. № 47

Друк різограф. Гарнітура Cambria

Редакційно-видавничий відділ ДВНЗ УДХТУ

пр. Гагаріна 8, м. Дніпро, 49005

Свідоцтво суб'єкта видавничої справи ДК № 5026 від 16.12.2015 р.