Процессы и аппараты текстильных технологий в примерах, лабораторных работах и тестах

Рекомендовано УМО РАЕ по классическому университетскому
и техническому образованию в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям подготовки:
18.03.01 и 18.04.01 «Химическая технология»,
20.03.01 и 20.04.01 «Техносферная безопасность»

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ 
ТЕКСТИЛЬНЫХ 
ТЕХНОЛОГИЙ 

В ПРИМЕРАХ, ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТАХ 
И ТЕСТАХ

М. К. КОШЕЛЕВА

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК  677.02(075.8)
ББК 37.23я73
 
К76

Кошелева М. К.
Процессы и аппараты текстильных технологий в примерах, лабораторных работах и тестах : учебное пособие / М. К. Кошелева. — Москва : 
ИНФРА-М, 2020. — 321 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737 / textbook_5c738dd84c8d55.56400384.

ISBN 978-5-16-014420-7 (print)
ISBN 978-5-16-106934-9 (online)
Рассмотрены закономерности протекания и аппаратурное оформление основных тепловых и массообменных процессов химической технологии отделки текстильных материалов, прежде всего энерго- и ресурсоемких процессов сушки и экстрагирования, и сопутствующих им 
процессов. Приведены примеры расчетов для индивидуальных домашних заданий, лабораторные работы, задания в тестовой форме для контроля и самоконтроля усвоения студентами учебного материала.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Пособие предназначено для бакалавров и магистрантов, обучающихся 
по направлениям подготовки 18.03.01 и 18.04.01 «Химическая технология», 20.03.01 и 20.04.01 «Техносферная безопасность» очной формы 
обучения, для преподавателей, инженерно-технических и научных работников, аспирантов.

УДК 677.02(075.8)
ББК 37.23я73

К76

Р е ц е н з е н т ы:
Федосов С. В., доктор технических наук, профессор, советник при 
ректорате, заведующий кафедрой «Техносферная безопасность» Ивановского государственного политехнического университета, академик 
Российской академии архитектуры и строительных наук, заслуженный 
деятель науки РФ, лауреат премии Правительства РФ в области науки 
и техники, действительный член Академии инженерных наук имени 
А.М. Прохорова;
Гатапова Н. Ц., доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность» Тамбовского государственного технического университета;
Кобраков К. И., доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой «Органическая химия» Российского государственного университета имени А. Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), 
заслуженный деятель науки РФ, академик Российской инженерной 
академии, Doctor Honoris Causa, лауреат премии Правительства РФ 
в области науки и техники

ISBN 978-5-16-014420-7 (print)
ISBN 978-5-16-106934-9 (online)
© Кошелева М. К., 2019

Предисловие

Учебное пособие «Процессы и аппараты текстильных технологий в примерах, лабораторных работах и тестах» обеспечивает 
преподавание и изучение дисциплин «Процессы и аппараты химической технологии», «Основные процессы и техника промышленных технологий», «Основные процессы и техника защиты окружающей среды», «Основы технологии химических производств», 
«Совершенствование технологических режимов как средство 
повышения производственной и экологической безопасности», 
«Методы и средства повышения эффективности тепломассообменных процессов текстильной и химической промышленности», 
«Ресурсосбережение в химической технологии отделки текстильных материалов», «Моделирование и расчет диффузионных процессов и систем повышения их экологической и производственной 
безопасности» бакалаврами и магистрантами, обучающимися 
по направлениям подготовки 18.03.01 и 18.04.01 «Химическая технология», 20.03.01 и 20.04.01 «Техносферная безопасность».
Принятый в стране курс на модернизацию текстильной и легкой промышленности не может быть реализован без совершенствования технологических процессов, в том числе процессов химической технологии отделки.
В пособии рассмотрены основные закономерности протекания 
и аппаратурное оформление основных тепловых и массообменных 
процессов химической технологии отделки текстильных материалов 
и сопутствующих им процессов. Прежде всего это процессы сушки 
и экстрагирования технологических загрязнений из объектов обработки (процессы промывки). Эти энерго- и ресурсоемкие процессы 
не только самые распространенные, но и во многом определяющие 
качество готового текстильного материала.
К задачам курсов, освоению которых способствует данное 
учебное пособие, относится изучение закономерностей основных 
диффузионных процессов химической технологии отделки текстильных материалов, оборудования для их проведения, методов 
и средств повышения эффективности данных процессов. В овладении вышеназванными курсами значительную роль играют как 
лекционные, так и практические и лабораторные занятия, в ходе 
которых у студентов формируются общепрофессиональные и профессиональные компетенции, позволяющие им успешно выполнять научные исследования по изучению конкретных химико-тех

нологических процессов отделки волокнистых материалов и производств текстильной промышленности.
В результате изучения учебного пособия обучающиеся будут:
знать
— физико-химические и химические процессы, лежащие в основе промышленных технологий химической технологии отделки;
— основные методы исследования процессов и аппаратов отделочного производства;
— основы моделирования процессов химической технологии 
отделки и сопутствующих процессов;
— перспективы развития производства, обеспечения требований производственной безопасности и защиты окружающей среды;
— основные современные типовые химико-технологические 
процессы, методы повышения их эффективности;
уметь
— организовывать проведение экспериментов и испытаний, 
анализировать их результаты;
— создавать лабораторные установки для проведения исследований тепломассоообменных процессов отделки текстильных материалов;
— обобщать полученные результаты;
— осуществлять сбор информации, анализ и подбор современного технологического оборудования, обеспечивающего требования производственной безопасности и защиты окружающей среды;
— осуществлять технологические расчеты основных процессов 
и аппаратов текстильной технологии;
владеть
— методиками и навыками проведения технологических расчетов процессов и аппаратов текстильных технологий;
— навыками подбора типового оборудования по каталогам 
фирм-производителей;
— основными методами интенсификации, повышения эффективности и оптимизации типовых химико-технологических процессов.
В пособии значительное внимание уделено активизации самостоятельной работы студентов, подготовке к контролю и самоконтролю знаний, в том числе с использованием заданий в тестовой 
форме и форме деловой игры.
Учебное пособие является комплексным и базируется на методологических основах системного подхода к изучению сложных 
массообменных процессов текстильных технологий и тепломассообменного процесса сушки. Вопросы теории процессов сушки 

и промывки, их физическая сущность рассматриваются с общих 
методологических позиций. Значительное внимание в пособии 
уделено современным методам повышения эффективности диффузионных процессов с учетом всех их составляющих — интенсивности, определяющей их скорость и длительность, экономичности, 
качества готового продукта, экологической и производственной 
безопасности. Включенный в пособие лабораторный практикум 
способствует подготовке студентов к экспериментальным исследованиям и исследовательской работе. Задания в тестовой форме 
охватывают основные разделы вышеназванных курсов; с их использованием можно осуществлять контроль знаний и их самопроверку. Деловая игра посвящена изучению одного из самых сложных 
процессов — тепломассообменного процесса сушки — и закрепляет 
знания об этом процессе.
При написании пособия использован многолетний опыт преподавания дисциплин «Процессы и аппараты химической технологии», «Тепломассообменные процессы» в Российском государственном университете имени А. Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. 
Искусство). Главы 5 и 6 подготовлены при участии Т. И. Богачевой, 
за что автор выражает ей искреннюю признательность.
Автор также выражает глубокую благодарность уважаемым рецензентам за внимательное рассмотрение рукописи, ценные замечания и советы, учтенные при ее окончательном редактировании.
Автор надеется, что книга внесет положительный вклад в повышение качества подготовки бакалавров и магистров направлений 
подготовки 18.03.01 и 18.04.01 «Химическая технология», 20.03.01 
и 20.04.01 «Техносферная безопасность». Пособие также может 
быть полезно аспирантам, инженерам, научным сотрудникам.

Глава 1 
ОСНОВНЫЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ 
ПРОЦЕССЫ ТЕКСТИЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

1.1. СУТЬ ПРОЦЕССОВ СУШКИ И ПРОМЫВКИ ТЕКСТИЛЬНЫХ 
МАТЕРИАЛОВ

Процессы сушки и промывки текстильных материалов — гетерогенные физико-химические процессы, имеющие много общего 
[1, 2, 27]. Действительно, если процесс сушки представляет собой 
процедуру удаления влаги из текстильного материала путем ее испарения в поток газообразного носителя за счет подводимого тепла 
[3], то процесс промывки касается удаления загрязнений из текстильного материала (красителя, щелочи и др.) в среду жидкого 
носителя (промывной воды) [1, 27]. Общим для обоих процессов 
является перенос удаляемого вещества (влаги, красителя) из одной 
фазы (текстильного материала) в другую (газообразную или жидкую). Поэтому такие процессы получили в химической технологии 
название массообменных процессов.
В физической химии, являющейся теоретической основой химической технологии, под фазой подразумевают совокупность однородных частей системы, одинаковых во всех точках по составу 
и свойствам и отделенных от других частей системы видимой поверхностью раздела. В зависимости от агрегатного состояния различают твердую, жидкую и газообразную фазу. Если одна из фаз 
диспергирована в другой фазе, то первую фазу называют дисперсной фазой, а вторую — сплошной. Переход удаляемого компонента 
(согласно терминологии, принятой в химической технологии, — 
распределяемого компонента) из одной фазы в другую происходит в результате диффузии под действием градиента концентраций 
в объеме каждой из фаз и у поверхности раздела между фазами, поэтому такие процессы называют также диффузионными [3].
Волокнистые материалы как естественного, так и искусственного происхождения представляют собой высокомолекулярные 
соединения — полимеры. Большое значение для процессов тепло- 
и массопереноса имеют свойства текстильного материала как объекта технологической обработки (сушки и промывки) (толщина 
материала, структура, взаимосвязь между распределяемым компонентом и материалом, теплофизические характеристики [1, 3, 
26, 27]).

Очевидно, чем больше толщина материала, тем при прочих 
равных условиях выше его инерционность и, следовательно, тем 
медленнее протекает процесс сушки или промывки, поскольку 
с увеличением толщины материала увеличивается длина пути 
диффузии распределяемого компонента. Для волокнообразующих 
полимеров (например, ди- и триацетатцеллюлоза) большое значение имеет их порозность, характеризующая расстояние между 
частицами дисперсного полимерного материала во взвешенном 
состоянии. С увеличением расстояния при прочих равных условиях обеспечиваются наиболее благоприятные условия для отвода 
распределяемого компонента с поверхности раздела дисперсных 
частиц в объем сплошной фазы. Вследствие этого возрастает градиент концентраций компонента в частицах полимера, что ведет 
к увеличению скорости соответствующего технологического процесса [1, 3, 27].
Скорость диффузии существенно зависит от размеров пор: 
в крупных порах она выше, в мелких — ниже (крупными считают 
поры, диаметр которых существенно превышает длину свободного 
пробега молекул диффундирующего вещества). Это обусловлено 
различной частотой столкновений молекул распределяемого компонента с молекулами сплошной среды, заполняющей поры (молекулярная диффузия), и со стенками пор (диффузия Кнудсена) [1, 
3, 20, 27].
Распределяемый компонент может находиться в текстильном 
материале в свободном или связанном состоянии. В первом случае 
для его удаления из материала достаточно создать градиент концентраций в объеме частицы и на ее поверхности (для дисперсного 
материала) или в объеме и на поверхности слоя текстильного материала (для материала, состоящего из механически связанных между 
собой волокон, — ткань, нетканый материал, фильтрующий слой 
волокнистого материала и т.п.). Во втором случае для удаления распределяемого компонента из текстильного материала наряду с созданием градиента концентраций к материалу необходимо подвести 
определенное количество энергии, способствующей разрыву связи 
между распределяемым компонентом и текстильным материалом. 
При проведении процессов сушки и промывки текстильных материалов приходится удалять как свободный, так и связанный распределяемый компонент, поэтому подвод энергии в обоих случаях 
необходим. При удалении из текстильного материала свободного 
распределяемого компонента подводимая энергия используется для 
интенсификации соответствующего технологического процесса, 
а при удалении связанного компонента — как для интенсификации 

процесса, так и для разрыва связей компонента с материалом, т.е. 
для обеспечения принципиальной возможности протекания процесса [1, 3, 5, 27].
Подвод энергии к текстильному материалу может осуществляться различными методами [1, 3, 5, 27]. Чаще всего используют конвективный и кондуктивный способы подвода теплоты с помощью газообразного или жидкого теплоносителя или 
от греющей поверхности. Применяют также радиационный подвод энергии, нагрев токами высокой или сверхвысокой частоты, 
подвод энергии в виде акустических или ультразвуковых колебаний, колебаний сплошной среды или с помощью струй сплошной 
среды, направляемых на текстильный материал через щелевые 
сопла (сопловой обдув). Эффективность восприятия текстильным материалом подводимой энергии определяется его теплофизическими и (или) электрофизическими свойствами (теплопроводность, теплоемкость, диэлектрическая проницаемость и др.) 
[3, 20].
При проведении процессов сушки и промывки невозможно 
обеспечить полное удаление распределяемого компонента из текстильного материала в сплошную фазу, так как процесс массообмена между текстильным материалом и сплошной фазой может 
продолжаться лишь до тех пор, пока между обеими фазами не будет достигнуто термодинамическое равновесие по распределяемому 
компоненту (подобно тому, как при прямом контакте горячего 
и холодного тел теплообмен продолжается лишь до тех пор, пока 
температуры обоих тел не станут одинаковыми) [2].
Для расчета параметров установок для сушки и промывки необходимо уметь определять скорость тепло- и массообмена с учетом 
конкретных условий проведения процесса и связи распределяемого 
компонента с текстильным материалом. Так, именно на основе 
скорости процесса сушки определяют основные размеры сушильного оборудования или (при заданных его размерах) необходимую 
продолжительность процесса сушки [27].
Скорость процесса сушки при прочих равных условиях зависит 
от движущей силы процесса, определяемой разностью температур 
теплоносителя и материала, а также отклонения текущей влажности материала от его равновесной влажности. С уменьшением 
движущей силы скорость процесса сушки падает, а с ее увеличением — возрастает. Следует, однако, отметить, что на повышение 
температуры теплоносителя накладываются ограничения, обусловленные термостойкостью (термолабильностью) материала, а для 
понижения равновесной влажности материала требуется увеличе

ние либо расхода теплоносителя, либо его температуры на выходе 
из устройства [3].
Движущей силой процесса промывки является отклонение текущей концентрации загрязнения в материале от его равновесной 
концентрации. Последняя при прочих равных условиях зависит 
от модуля промывной ванны: чем выше модуль, тем ниже равновесная концентрация и выше движущая сила процесса. Кроме того, 
равновесная концентрация загрязнения снижается с повышением 
температуры промывной воды и материала, а также при подводе 
энергии к материалу в виде акустических или ультразвуковых колебаний. Способ увеличения движущей силы процесса промывки 
путем повышения модуля промывной ванны является неприемлемым, так как приводит к увеличению расхода воды, а следовательно, и объема сточных вод. Поэтому для увеличения движущей 
силы процесса промывки обычно используют два метода — повышение температуры компонентов и подвод дополнительной теплоты [2].
Как и скорость процессов сушки и промывки, движущая сила 
не остается постоянной по ходу движения текстильного материала 
в сушильной или промывной машине при непрерывных процессах 
или во времени в сушильных и промывных установках периодического действия. Характер изменения движущей силы зависит 
от направления движения текстильного материала и сплошной 
фазы (прямоток — при движении обеих фаз в одном направлении, 
противоток — при встречном движении, перекрестный ток — при 
движении сплошной фазы перпендикулярно направлению движения текстильного материала) и от структуры потоков обеих фаз, т.е. 
от характера движения сплошной и дисперсной фаз.
При сушке процесс диффузии влаги происходит под действием 
трех основных факторов: градиента концентраций, градиента температур (термодиффузия) и градиента давлений (фильтрационный 
перенос потока влаги, который может происходить в виде как жидкой, так и паровой фазы). Относительное влияние каждого из трех 
факторов на скорость диффузии влаги меняется в зависимости 
от способа сушки. Так, например, при конвективной сушке наиболее сильное влияние на процесс диффузии влаги оказывают градиенты концентраций и температур, при контактной сушке и сушке 
токами сверхвысокой частоты — градиент давлений. Наибольшая 
скорость диффузии влаги наблюдается, когда все три градиента 
вызывают диффузию влаги в одном и том же направлении, например при сушке токами сверхвысокой частоты (этот вид сушки 
пока не получил широкого распространения в текстильной про

мышленности). Если два из трех градиентов направлены навстречу 
друг другу, то скорость диффузии влаги существенно снижается. 
Это происходит, например, при конвективной сушке текстильных 
материалов, когда градиент температур направлен навстречу градиенту влажности высушиваемого материала.
Учитывая сложный механизм переноса распределяемого компонента в процессах сушки и промывки текстильных материалов, при 
рассмотрении этих процессов термин «диффузия» распределяемого 
компонента заменяют на термин «массопроводность» материала 
как объекта технологической обработки. Как следует из изложенного выше, коэффициент массопроводности Kм имеет такую же 
размерность, как и коэффициент диффузии D (м2 / с), но более общий смысл.
В отличие от коэффициента диффузии коэффициент массопроводности в общем случае зависит не только от температуры, 
но и от концентрации распределяемого компонента. Применительно 
к процессу сушки материала термин «массопроводность» часто заменяют на термин «влагопроводность», поскольку распределяемым 
компонентом при сушке всегда является влага (не обязательно 
вода, это могут быть и органические жидкие вещества).
Процессы сушки и промывки в общем случае относятся к числу 
нестационарных тепломассообменных процессов. Это означает, что 
концентрация распределяемого компонента и температура в общем 
случае изменяются в текстильном материале как в пространстве 
(по объему материала), так и во времени. Несмотря на это, во многих случаях представляется возможным рассмотрение этих процессов как квазистационарных, что значительно упрощает их расчет.
Такие процессы описываются системой двух нестационарных 
дифференциальных уравнений, которые можно получить на основе 
материального и теплового баланса для элементарного объема материала:

 
∂ ′ ∂ =
′
′ +
′
[
]
{
}
C
K
C t
C
C t
t
/
м
τ
δ
div
(
, ) grad
(
, )grad
;  
(1.1) 

 
c
t
C t
t
q
C
ρ
τ
λ
ρ
τ
0
0
∂
∂ =
′
[
]+
∂ ′
∂
div
(
, ) grad
,
 
 
(1.2)

где С ′ — концентрация распределяемого компонента; τ — время; 
δ — относительный коэффициент термодиффузии (значения Kм, λ 
и δ в каждой точке текстильного материала рассматриваются как 
функции концентрации распределяемого компонента С ′ и температуры t); с —теплоемкость материала; ρ0 — кажущаяся плотность 
текстильного материала; λ — коэффициент теплопроводности ма