Авторские блоги и комментарии к ним отображают исключительно точку зрения их авторов. Редакция ЛІГА.net может не разделять мнение авторов блогов.
18.10.2011 09:25

Формирование креативного мышления. 7. Макроэффект на микроуровне

Профессор Украинского государственного химико-технологического университета

Основная идея предлагаемой продвинутой технологии пропитки заключается в том, что предметы из капиллярно пористых материалов, нуждающиеся в пропитке, предварительно подогревают одним из известных способов, затем обрабатывают перегретыми парами пропиточн

                                                                                            

> А всякого ли современного учёного, титулованного научными регалиями и званиями, ... будет помнить потомство?

> Нет, не всякого. Интересно, к чему вы это? Уж очень глубоко дышите. Меняю все мои научные регалии и звания на дополнительный год жизни.

http://blog.liga.net/user/vzadorskiy/article/7772.aspx

 

Успокоив  моих, не на шутку разволновавшихся комментаторов – оппонентов (цитату и ответ одному из них вынес в эпиграф к этой статье), хочу заметить, что надо бы понять:  кроме  людей, занимающихся словесной эквилибристикой, ( в частности, при  комментировании статей в блогах), есть люди, которым как-то ближе, интереснее сфера материального производства, науки, техники. В последней публикации из этой серии я просто хотел показать этим, более близким мне по духу людям, огромные креативные возможности системного анализа и разбудить в них  поугасший в последние годы  интерес к непознанному в  мире, в котором все мы имеем счастье жить.

 

Ладно, примите, эквилибристы, бонус за нанесенный “моральный” ущерб. Адресую  бонус также обиженным мною  торгашам, спекулянтам, ростовщикам и финансовым  работникам, которых я предложил вычленить из мира бизнесменов и назвать всех коммерсантами. Ведь, в конце концов, все они торгуют -   не ими изготовленными товарами или не ими заработанными деньгами – неважно. Так вот, в качестве бонуса предлагаю им нашару придуманный мною новый метод приготовления кофе, чая,  настоек, бодрящих напитков (наркоманов прошу дальше не  читать)  и т.п., связанный с извлечением  целевого  продукта из любого растительного сырья.

 

Дело в том, что любые части растений не бывают сплошными,  их тело изрезано капиллярами и порами. Поэтому в  мире производства  подобные тела называют капиллярно – пористыми. Действующие вещества, которые мы усердно стараемся извлечь находятся, к сожалению,  не на поверхности  кофеинок, чаинок и т.п, а  внутри, в тех самых капиллярах и порах, и достать их оттуда  достаточно тяжело. Вот почему мы и мучаемся, вот почему так много рецептов  - алгоритмов нашей  деятельности в этом направлении придумали потребители напитков. Ладно, бонус я  приведу в конце статьи, чтобы хоть немного эквилибристы и коммерсанты потрудились, читая ее, а пока поговорим всерьез. Тем более, что  то, о чем я дальше напишу, тесно связано с обещанным бонусом, ибо речь будет идти о  креативном системном подходе при  создании новой технологии  пропитки  капиллярно-пористых материалов   жидкими средами и экстрагирования  целевых продуктов.

 

В качестве  капиллярно-пористых пропитываемых материалов (КПМ) могут быть не только чай – кофе, но и:  бумага, картон, древесина (конструкционные элементы, железнодорожные шпалы, паркет и др.), пористые металлические матрицы, ткани, пластины электродов аккумуляторов, зерна пористого катализатора, обмотки статоров и роторов электродвигателей, электролитические конденсаторы и др.

 

В качестве  жидких сред могут быть не только вода, но и жидкие среды, содержащие растворенные  или взвешенные вещества технологического назначения, которые должны быть доставлены в  капилляры и поры, растворители, расплавы металлов и  других веществ и  др.

Традиционно пропитку проводят, погружая тело, выполненное из капиллярно-пористого материала, в жидкость. Иногда это тело предварительно нагревают, вакуумируют. В ряде случаев процесс проводят  при повышенном давлении. Это вызывает необходимость использования соответствующего оборудования для проведения процессов, например, автоклавов высокого давления. Заслуживает внимания также способ пропитки волокнистого материала путем перемещения его через пропитывающий состав, отличающийся тем,  что материал перед основной  пропиткой  вакуумируют.  Предварительное вакуумирование обеспечивает удаление воздуха из пор и капилляров. Недостаток этого способа заключается в невозможности полного удаления воздуха из КПМ путем вакуумирования. В связи с этим в пропитанных изделиях остаются пустоты, необработанные места. Кроме того, для реализации данного способа требуются дорогостоящие вакуумные установки.

 

Известен способ обработки изделий из КПМ  пропиткой их технологической жидкостью, при котором изделия подвергают акустическому воздействию. Эффективность процесса пропитки особенно повышается при непосредственном контакте изделия с акустическим излучателем. Хотя эффективность этого способа достаточно велика, вследствие кавитационных явлений, вызванных акустическими колебаниями в жидкости, заполнившей поры и капилляры изделия, могут образоваться полости,  в которые диффундирует газ, растворенный в жидкости. Эти газовые пузырьки ухудшают качество пропитки. Развитие кавитации   можно подавить повышением давления в пропитывающей   жидкости,  однако это приводит к необходимости использования аппаратуры высокого давления, что существенно увеличивает  стоимость  установки.

 

Если двигаться по предложенному раньше алгоритму (не будем перегружать  Интернет, вы это уже должны были научиться делать) и после декомпозиции установить, что лимитирующей стадией являются процессы не на поверхности,  а во внутренних полостях материала, а затем  провести анализ кинетики на лимитирующей стадии, то для  любого варианта технологии пропитки КПМ  получается, что наиболее медленной, лимитирующей весь  процесс стадией,  является стадия  удаления из  всех внутренних полостей твердого тела находящегося в них воздуха (коэффициент  диффузии  газа в жидкости, определяющий скорость процесса на этой стадии, имеет порядок 10-7,  т.е. процесс идет примерно в 1000 раз медленнее, чем  например, диффузия газа в газе, когда коэффициент диффузии имеет порядок  10-4 м2/с).

 

Предвидя раздражение моих  оппонентов, не буду описывать дальше все стадии  креативного процесса поиска  решения, хотя  в процессе этого поиска было много интересных находок, событий, но  это не для  элитных изысканных читателей www.liga.net  . Могут не понять и вновь разразиться гневными комментариями, на которые мне, бывает, грустно отвечать. Итак, основная идея предлагаемой продвинутой технологии пропитки заключается в том, что предметы из капиллярно пористых материалов, нуждающиеся в пропитке,  предварительно  подогревают одним из известных способов, затем  обрабатывают перегретыми парами пропиточной жидкости или  вещества, хорошо растворимого  или реагирующего с  обрабатываемым материалом,  затем погружают  в пропиточную жидкость с температурой   ниже  температуры  конденсации паров. Вот, фактически и вся формула первого пионерского из довольно большой серии патентов  по этому новому направлению.

 

Можно  представить следующую новую цепочку операций пропитки капиллярно -пористых материалов (КПМ):

  • Подогрев одним из известных методов (в том числе за счет продувки перегретыми парами) КПМ до температуры выше температуры конденсации паров,  

  • Замена труднорастворимого в пропиточной жидкости  воздуха (или другого газа), находящегося изначально  в порах КПМ, перегретым паром,

  • Погружение КПМ с заполненными перегретым паром капиллярами в относительно более холодную пропиточную жидкость.

  • Конденсация  пара в капиллярах с уменьшением объема в  rl /rv  раз (где rl  - плотность   конденсата, а rv -  плотность пара). Нетрудно подсчитать, что  для воды объем при конденсации  перегретого пара уменьшается  более чем в 800 раз, что приводит к образованию в капиллярах глубокого вакуума при сохранении нормального давления в аппарате для пропитки.

  • Заполнение капилляров жидкостью за счет капиллярных сил и вакуума внутри тупиковых и квазитупиковых капилляров.

 

Для реализации  данной технологии пропитки изделий из КПМ не требуются сложное аппаратурно-технологическое оформление (ведь в аппарате нет высокого давления или вакуума). Достаточно  аппарата, предназначенного для работы при атмосферном давлении, с устройствами для  загрузки/выгрузки и размещения пропитываемых изделий, устройствами их подогрева  одним из известных методов (аэродинамическим, индукционным, конвективным и др.). Кроме того, в схеме надо предусмотреть  устройство для  испарения и перегрева паров пропиточной жидкости желательно с   микропроцессорным блоком управления.

Все же немного  обоснуем описанную продвинутую технологию пропитки. Системный анализ традиционных процессов пропитки КПМ показывает,  что  из-за многостадийности, использования давления и вакуума,  низкой скорости лимитирующей стадии  эти процессы  низкоэффективны, требуют большого времени обработки материалов, дорогого оборудования,  зачастую приводят к значительному загрязнению окружающей среды.

К примеру, цикл   пропитки  пористых матриц никеля для заполнения  твердыми кристаллами гидрата окиси никеля при производстве пластин для никель - кадмиевых аккумуляторов  имеет протяженность около 100 часов. Столь же длительны процессы пропитки электродов для электрометаллургических печей,  пропитки деревянных  шпал и т.д.

Для  улучшения технологии и оборудования пропитки КПМ  можно было бы  предложить использовать ряд  физико-химических эффектов из наших баз данных:

А. Режимно-технологические  (РТ - методы) :

·      циклическая подача фаз и рециркуляция ,

·      создание колебаний рабочей зоны внешними устройствами ,

·      импульсное изменение температуры, концентраций, давления ,

·      совмещение процессов: химических, массообменных, тепло-массообменных

·      введение дополнительного вещества: инициатор, рециркулят, паровая фаза  одного из компонентов ,

·      оптимизация режимно-технологических параметров: температура, давление, состав, гидродинамические параметры .

В. Аппаратурно-конструктивные (АК- методы):

·      обеспечение многократности воздействия  на фазы ,

·      конструктивная оптимизация гидродинамического режима,

·      использование энергии контактирующих фаз,

·      использование внешних источников энергии,

·      оптимизация конструктивных параметров,

·      совмещение аппаратов.

Однако, анализ  этих методов применительно  к пропитке КПМ показывает, что их использование   не приводит  к существенным результатам. Ведь, все равно остается  в силе цепочка операций: п одготовка  капиллярно- пористого материала  (подготовка  пор, вакуумирование и др.) ->   погружение КПМ в  пропиточный раствор   -> выдержка для проведения  собственно стадий пропитки ->обработка КПМ после пропитки. К сожалению, существенно уменьшить длительность выделенной стадии   при такой последовательности не удается.

Новая технология пропитки   решает главную проблему  пропитки  - быстрое  освобождение капилляров от  заполняющей  их в начале процесса газовой фазы (в частности, воздуха) путем ее  замены  другой  фазой, удаление которой не представляет сложности. Этой  новой фазой, вытесняющей воздух из капилляров или заменяющей его, может быть  газ, хорошо растворяющейся в пропиточной жидкости или  химически взаимодействующий с ней. Кроме того,  возможно предварительное заполнение капилляров перегретыми парами  (предпочтительно  растворителя, входящего в состав пропиточной жидкости), конденсирующимися при условии пропитки. В этом случае, казалось бы, процесс усложняется введением дополнительных стадий обработки  КПМ перегретым паром (для вытеснения  газа или воздуха) и его конденсации при контакте с  пропиточной жидкостью, имеющей температуру ниже температуры конденсации. Однако,  это усложнение кажущееся,  так как при этом исключается  ряд других стадий процесса,  и внутри капилляров  создается глубокий вакуум, что  способствует  ускорению процесса. Взамен пяти неэффективных и продолжительных  стадий мы  получаем  пять достаточно быстрых и эффективных.

Преимущества  продвинутой технологии. Предложенная технология пропитки КПМ  позволяет:

  • увеличить  скорость (уменьшить время) проведения процесса в несколько раз,

  • упростить аппаратурное оформление процесса пропитки, так как  не требуются автоклавы высокого давления или аппараты, работающие под вакуумом,

  • обрабатывать сразу большие партии изделий  из КПМ или  изделия больших размеров  (например, мебель без разборки, строительные конструкции, архитектурные сооружения и т.п.), ибо существенно снижаются требования к  прочности и герметичности аппаратов, где происходит пропитка КПМ,

  • улучшить  экологические показатели процесса ввиду сокращения необходимого времени проведения и увеличения интенсивности,  устранения необходимости улавливания вредных веществ из  выбросов  системы вакуумирования,

  • снизить капитальные и эксплуатационные затраты,

  • обеспечить регулируемую глубину (степень) пропитки.

 

Все эти макроэффекты мы получили на микроуровне (капилляров, пор, полостей), это и отражено в названии этой статьи. Вот, пожалуй, и все, что я хотел рассказать читателям о  новом направлении обработки капиллярно – пористых  материалов,  появившемся в результате использования системного анализа и ряда  новых режимных и конструктивных методов оптимизации. Излагать конкретные примеры использования новых технологий в блоге, видимо, нецелесообразно, опять могут не понять. Дам только перечень наиболее  продвинутых среди них, а тем читателям, которые заинтересовались какой – то из них конкретно, советую поискать информацию о ней  в Интернете или  патентных бюро. В крайнем случае, профессионалы могут обратиться ко мне. Постараюсь найти время для консультации. Итак, перечень:

·        ПРОПИТКА КАТАЛИЗАТОРОВ                                       

·        ПРОПИТКА ЭЛЕКТРОДОВ И ДРУГИХ ИЗДEЛИЙ ИЗ УГЛЕРОДА / ГРАФИТА           

·        ЭКСТРАГИРОВАНИЕ В СИСТЕМЕ ЖИДКОСТЬ – ТВЕРДОЕ ТЕЛО ПРИ ИЗВЛЕЧЕНИЕ  ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ И   ПРИ  ПРОИЗВОДСТВЕ   ПРОДОВОЛЬСТВИЯ                                    

·        ПРОПИТКА ТЕКСТИЛЬНЫХ ВОЛОКОН И СОЕДИНЕНИЙ МАТРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ СМОЛОЙ                               

·        ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ И ИЗВЛЕЧЕНИЕ  МЕТАЛЛОВ                                       

·        СОЗДАНИЕ МЕТАЛЛО - УГЛЕРОДИСТЫХ СОЕДИНЕНИЙ                          

·        ПРОПИТКА ПРИ СОЗДАНИИ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ НИКЕЛЕВОКАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ                               

·        ПРОПИТКА ДЕРЕВА И БУМАГИ и еще несколько десятков.

 

И, в  заключение, обещанный бонус, который тоже является фактически бытовым вариантом предлагаемой технологии, ибо при любом экстрагировании из растительного сырья первой и обычно определяющей стадией процесса является все же стадия пропитки.  Итак, загружаете в по-возможности высокий сосуд молотый кофе (или чай, кусочки растений – что вас интересует). Заливаете холодной кипяченой водой. Опускаете до дна стеклянную трубку, соединенную в верхней ее части с  выходным соплом генератора перегретого водяного пара  любым способом (например, у меня - с помощью просверленного насквозь деревянного брусочка). Такие генераторы сейчас продаются во многих местах, а в Интернет – магазинах они много дешевле. Перегретый пар подаете (осторожно, чтобы не выплескивался будущий напиток) несколько минут. Время подбирайте сами.  В объеме холодной жидкости пузырьки пара мгновенно  конденсируются с треском за счет разрыва сплошности воды. Возникают модулированные колебания (низкая частота – отрыв пузырьков пара, высокая частота – их конденсация). За счет конденсационного эффекта, который сродни кавитации (об использовании которой я упоминал выше), происходит  обработка твердых частиц и  активация процесса экстрагирования внутри капилляров, пор, полостей.  Подогрейте кофе до необходимой температуры. Пейте, наслаждайтесь. Успеха вам в освоении  новой технологии.    

 

Если Вы заметили орфографическую ошибку, выделите её мышью и нажмите Ctrl+Enter.
Последние записи
Контакты
E-mail: blog@liga.net