Процеси та обладнання перероблення термопластичних матеріалів з використанням вторинної сировини

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Процеси та обладнання перероблення термопластичних матеріалів з використанням вторинної сировини

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Теорія і практика перероблення термопластичних матеріалів (ТпМ) донедавна стосувалися лише полімерів. Останнім же часом у зв'язку зі зростанням масштабів виробництва та асортименту полімерів і матеріалів на їх основі, а також необхідністю утилізації відходів широкого поширення набувають нові ТпМ, зокрема термопластичні композиційні матеріали (ТпКМ). Їх переробляють переважно екструзією, вальцюванням і каландруванням, причому серед основних зразків технологічного обладнання існує тенденція збільшення частки черв'ячних екструдерів.

Зазначені матеріали являють собою реологічно складні середовища, процеси перероблення яких характеризуються значними дисипативними тепловиділеннями, а потужність, що споживає обладнання, часто досягає сотень і тисяч кіловатів. Особливої уваги під час перероблення потребують вторинні полімерні матеріали, які характеризуються різними формами й ступенями деструкції (хімічної, фізичної, механічної), що залежать від умов попереднього перероблення, експлуатації та зберігання цих матеріалів. Властивості вторинних полімерів можуть істотно відрізнятися від відповідних властивостей первинних матеріалів, при цьому однією з основних їх особливостей є знижена термомеханічна стійкість. Тому майже кожний матеріал потребує певної конструкції робочих органів обладнання і режимів перероблення, за яких досягають раціональне використання енергетичних і матеріальних ресурсів, а також потрібну якість продукції.

Подальше становлення концепції сталого розвитку передбачає розроблення високоефективних процесів та обладнання утилізації відходів, що не лише забезпечить заощадження матеріальних та енергетичних ресурсів, але і зменшить забруднення навколишнього середовища. Тому однією з важливих і актуальних проблем перероблення ТпМ з використанням вторинної сировини є розроблення, вдосконалення та обґрунтований вибір ефективних зразків обладнання для перероблення зазначених матеріалів. При цьому зростає значення математичного моделювання, яке дає можливість для певного матеріалу числовим моделюванням здійснити пошук як геометрії робочих органів обладнання, так і режимів його роботи, а також з великої різноманітності обладнання вибирати саме те, що забезпечує потрібні властивості продукції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» (НТУУ «КПІ») відповідно до пріоритетних напрямів розвитку науки і техніки в Україні (Постанова Кабінету Міністрів (КМ) України від 24.12.2001 р., №1716), Державної програми розвитку промисловості на 2003-2011 роки (Постанова КМ України від 28.07.2003 р., №1174), Програми поводження з твердими побутовими відходами (Постанова КМ України від 04.03.2004 р., №265), Комплексної науково-технічної програми «Створити й освоїти у виробництві комплекси технологічного обладнання, засоби автоматизації з використанням ресурсозберігаючих технологій» (Постанова КМ України від 26.07.2001 р., №915), а також відповідно до тематики держбюджетних науково-дослідних робіт НТУУ «КПІ»: «Створення концепції конструктивного оформлення процесу виготовлення рулонних та інших погонажних матеріалів з використанням відходів легкої та інших промисловостей» (№2173, 1997-1999 рр., №ДР 0197U005334; замовник - Міністерство освіти України; автор - виконавець теми); «Дослідження енергоресурсозаощаджувальної технології та засобів формування виробів із композиційних матеріалів» (№2367, 2000-2002 рр., №ДР 0101U000402; замовник - Міністерство освіти і науки України (МОН України); автор - виконавець теми); «Розроблення теоретичних засад і алгоритмізація детермінованих математичних моделей формування реологічно складних середовищ» (№2646, 2003-2005 рр., №ДР 0103U000206; замовник - МОН України; автор - виконавець теми); «Розроблення теоретичних засад проектування обладнання ліній для переробки промислових і побутових відходів полімерів» (№2921, 2006-2008 рр., №ДР 0106U002132; замовник - МОН України; автор - керівник теми).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення наукових засад розробки ефективних процесів та обладнання перероблення термопластичних матеріалів з використанням вторинної сировини, що забезпечує заощадження енергетичних і матеріальних ресурсів та зменшує забруднення навколишнього середовища.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі завдання:

1. Проаналізувати та узагальнити методи утилізації промислових і побутових полімерних відходів, обґрунтувати доцільність їх рециклінгу для одержання ТпМ із заданими властивостями.

2. Розробити загальні засади моделювання і науково обґрунтованого вибору процесів та обладнання для перероблення ТпМ з використанням вторинної сировини.

3. Визначити вплив конструктивних і технологічних параметрів обладнання на показники процесу перероблення ТпМ, а також необхідність і ступінь врахування кожного з них під час розробки відповідних математичних моделей.

4. Розробити узагальнену математичну модель процесу черв'ячної екструзії ТпМ з урахуванням їх складу, внутрішніх джерел енергії, а також умов теплообміну на поверхнях робочих органів екструдерів.

5. На основі узагальненої моделі процесу черв'ячної екструзії розробити математичні моделі та алгоритми розрахунку одно- і двочерв'ячних екструдерів (за умови як різноспрямованого, так і односпрямованого обертання черв'яків).

6. Розробити математичні моделі процесів та обладнання одержання і первинного перероблення ТпМ, а саме роторних змішувачів і валкового обладнання, з урахуванням складу ТпМ.

7. Розробити математичні моделі процесу термообробки безперервних ТпМ з урахуванням їх складу і структури (у тому числі багатошарових), а також процесу теплообміну під час гранулювання ТпМ.

8. Експериментально дослідити процеси та обладнання перероблення ТпМ з використанням вторинної сировини.

9. Розробити рекомендації із впровадження енергоефективних екологічно безпечних заходів під час одержання й перероблення ТпМ.

Об'єкт дослідження - процеси перероблення термопластичних матеріалів.

Предмет дослідження - параметри процесів та обладнання перероблення термопластичних матеріалів з використанням вторинної сировини.

Методи дослідження. Дослідження ґрунтуються на методах математичного моделювання із застосуванням положень теорії суцільного середовища, ітераційних підходах і числових методах розв'язання диференціальних рівнянь із застосуванням обчислювальної техніки. Достовірність теоретичних досліджень доведена аналітичними та експериментальними методами, а також підтверджена практичною реалізацією результатів досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у створенні наукових засад розробки і вдосконалення процесів та обладнання для комплексного перероблення термопластичних матеріалів з використанням вторинної сировини, що забезпечує можливість визначення раціональних конструктивних параметрів обладнання та режимів його роботи.

Уперше отримані такі наукові результати:

1. Розроблено наукові засади моделювання, створення, модернізації і вибору обладнання для перероблення ТпМ з використанням вторинної сировини, що забезпечує заощадження матеріальних та енергетичних ресурсів, а також захист навколишнього середовища.

2. Розроблено узагальнену математичну модель процесу черв'ячної екструзії ТпМ з використанням вторинної сировини, яка враховує дійсні геометричні, швидкісні й температурні параметри робочих органів, склад перероблюваних ТпМ, а також розглядає процес у системі координат, що рухається разом з виділеним для аналізу об'ємом, обмеженим одним витком нарізки черв'яка. Це дало змогу досліджувати процес як нестаціонарну двовимірну задачу.

3. Розроблено математичні моделі та алгоритми розрахунку одно- та двочерв'ячних екструдерів (за умови як одно-, так і різноспрямованого обертання черв'яків). Отримано аналітичні залежності для визначення енергосилових параметрів процесу екструзії та встановлено закономірності впливу конструкції обладнання і режимів перероблення на параметри процесу екструзії ТпМ з використанням вторинної сировини.

4. Розроблено математичні моделі роторного змішувача для неньютонівської і ньютонівської моделей ТпМ, які враховують перероблення матеріалу як у серпоподібних, так і в мінімальних робочих проміжках. Отримано аналітичні залежності для визначення основних параметрів процесу змішування ТпМ і встановлено закономірності впливу режимів перероблення та конструкції змішувача на параметри процесу: потужність, тривалість і питому роботу змішування.

5. Розроблено математичну модель несиметричного за температурою процесу перероблення ТпМ у міжвалковому проміжку гладильного каландра. Отримано аналітичні залежності для визначення енергосилових параметрів процесу та досліджено залежність температурного поля ТпМ від параметрів перероблення.

6. Розроблено математичні моделі охолодження гранул і стренг під час гранулювання ТпМ, які враховують склад, структуру і залежність теплофізичних властивостей ТпМ від температури і не передбачають визначення коефіцієнтів тепловіддачі від поверхні охолоджуваних гранул і стренг до охолодного середовища. Числовим моделюванням досліджено вплив умов охолодження на ефективність процесу.

Дістали подальший розвиток:

1. Класифікація методів утилізації полімерних відходів, класифікація ТпМ, у тому числі наповнених ТпКМ, а також класифікація обладнання для перероблення ТпМ.

2. Узагальнена математична модель процесів перероблення термопластів, яку поширено на новий клас матеріалів - ТпМ з використанням вторинної сировини.

3. Методики визначення тривалості одержання ТпМ у роторних змішувачах, а також тривалості безперервного і періодичного вальцювання ТпМ.

4. Математична модель процесу перероблення ТпМ ньютонівської моделі в міжвалковому проміжку валкових машин у широкому діапазоні співвідношення швидкостей валків, а також дослідження впливу умов перероблення на температурні поля ТпМ певного складу в міжвалковому проміжку.

5. Математичні моделі процесів термообробки безперервних ТпМ, напівфабрикатів і виробів залежно від їх властивостей, форми і структури, а також дослідження впливу умов термообробки на енергоефективність її проведення.

Практичне значення одержаних результатів.

Результати досліджень впливу конструктивних особливостей обладнання для перероблення ТпМ з використанням вторинної сировини, режимів його експлуатації і властивостей зазначених матеріалів на параметри процесів перероблення стали основою розробки та впровадження методик і рекомендацій щодо науково обґрунтованого проектування, модернізації і вибору обладнання, а також визначення раціональних режимів його експлуатації, зокрема:

1. Методики, алгоритми і програми розрахунку роторних змішувачів, валкового обладнання, одно- і двочерв'ячних екструдерів, а також систем охолодження гранул. стренг, листів, труб, кабелів і проводів, які забезпечили підвищення продуктивності і зменшення енергоємності відповідного обладнання, а також поліпшення якості одержуваних матеріалів і виробів (ВАТ «НВП „Більшовик”», ВАТ «Київхімволокно», ВКФ «ПоліЕк», НВП «Пластотехніка», ТОВ «Ековторполімер», ПП «НВП „Укрсклопром”», м. Київ; ЗАО «Средневолжский завод полимерных изделий», м. Тольятті, Російська Федерація).

2. Черв'ячний прес та охолодний пристрій лінії для одержання полімерабразивних волокон, стрічок і листів (індекс 989004), що випускає ВАТ «НВП „Більшовик”».

3. Черв'ячний розплавлювач (індекс 593892), двочерв'ячний екструдер (індекс 513141), каландр гладильний (вузол 593920-02.00.000), рольганг (вузол 593920-03.00.000) і пристрій охолодний (вузол 593892-08.00.000) лінії виробництва деревнополімерних листів ЛДПЛ-1200 (індекс 101566), а також аналогічне обладнання лінії для одержання листів і погонних виробів з деревно- і паперонаповнених полімерів (індекс 591171), що випускає ВАТ «НВП „Більшовик”». Технічні рішення захищені патентами України на винаходи №22568, 31011, 31919, 40481, 42546 і 42573 та корисну модель №1241.

4. Змішувач 250/22-44 (індекс 522015), вальці ВП-См-Пд 2100-660/660 (індекси 502074, 502075), каландр КП4-710-1800Л (індекс 504016), а також пристрій охолодний (індекс 591169, вузол 591169-08.00.000) лінії для виробництва лінолеуму ВКЛ-1600-3 (індекс 591169), що випускає ВАТ «НВП „Більшовик”».

5. Змішувачі 160/25-45 (індекс 522016) і 250/27 (індекс 522017), призначені для змішування наповнених пластмас на основі полівінілхлориду й розроблені ВАТ «НВП „Більшовик”».

6. Пристрій охолодний (індекс 599226) лінії для нанесення ізоляції з пластмас на проводи й кабелі типу ЛЕК-63 (індекс 591168), що випускає ВАТ «НВП „Більшовик”».

7. Черв'ячно-дискові екструдери, спроектовані й виготовлені ВКФ «ПоліЕк». Технічні рішення захищені патентами на винаходи (патент України №15657 та патенти Російської Федерації №2003466 і 2003467).

8. Диспергатор-екструдери черв'ячно-роторні ДЕКЧЕР-150 (індекс 514112) і ДЕКЧЕР-230 (індекс 514114), розроблені й виготовлені ВАТ «НВП „Більшовик”». Технічні рішення захищені патентами України на винаходи №53728 і 54588 та корисні моделі №1673 і 28974.

9. Екструзійне обладнання для перероблення полімервмісних матеріалів, яке розроблене й виготовлене НВП «Пластотехніка» (одночерв'ячний екструдер ЧП 63Ч30 (індекс 513967), двочерв'ячний екструдер ЧП 63Ч30 (індекс 513968), черв'ячно-дискові екструдери ЧДЕ-160 і ЧДЕ-320). Технічні рішення захищені патентами України на корисні моделі №1241, 1324, 1672 і 1737.

10. Енергоефективний спосіб одержання ТпМ, захищений патентом України на винахід №55829. Впроваджений у НВП «Пластотехніка».

11. Енергоефективне обладнання для охолодження безперервних виробів з ТпМ, яке захищене патентами України на корисні моделі №1324 і 6595. Впроваджене у НВП «Пластотехніка».

12. Енергоефективний спосіб перероблення ТпМ, який захищено патентом України на корисну модель №24319 і впроваджено в ТОВ «Ізофол».

13. Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі кафедри машин та апаратів хімічних і нафтопереробних виробництв та кафедри хімічного, полімерного та силікатного машинобудування НТУУ «КПІ» і частково викладені в навчальному посібнику (Радченко Л. Б. Моделювання процесів хімічної технології: навч. посіб. / Л. Б. Радченко, І. О. Мікульонок. -- К.: ВПІ ВПК «Політехніка», 2005. -- Ч. 1: Теоретичні основи. -- 126 c.) і термінологічному словнику (Мікульонок І. О. Полімерні композитні матеріали й вироби з них. Одержання, перероблення та властивості: термінол. слов. / І. О. Мікульонок, Л. Б. Радченко. -- К.: ІВЦ «Видавництво „Політехніка”», 2005. -- 179 с.).

Особистий внесок здобувача. Здобувачем визначено стан і тенденції використання полімерів і методів утилізації полімерних відходів, виконано класифікацію ТпКМ і проаналізовано їх основні технологічні властивості; сформульовано загальні принципи моделювання технологічних ліній для перероблення ТпМ з урахуванням впливу конструктивних і технологічних параметрів обладнання на показники процесу перероблення ТпМ, а також необхідність і ступінь врахування кожного з них; сформульовано загальний математичний опис неізотермічної течії реологічно складних середовищ у каналах конструктивних елементів черв'ячних екструдерів; розроблено математичні моделі процесів в об'ємі одного витка нарізки черв'яків одно- і двочерв'ячних екструдерів, перероблення ТпМ у міжвалковому проміжку валкових машин (вальців і листувальних каландрів, а також гладильних каландрів), перероблення ТпМ у роторному змішувачі; розроблено математичні моделі процесів теплообміну ТпМ під час гранулювання та термообробки багатошарових ТпМ; удосконалено методики визначення тривалості змішування в роторному змішувачі та тривалості вальцювання ТпМ; досліджено вплив конструктивних і технологічних параметрів і властивостей ТпМ на енергосилові параметри процесів екструзії, змішування, вальцювання, каландрування, а також вплив умов термообробки ТпМ на ефективність її проведення; розроблено енергоефективні заходи у виробництві ТпМ і виробів з них.

Розробку математичної моделі і проведення числового моделювання одночерв'ячної екструзії виконано разом з д.т.н., професором Радченком Л. Б. і к.т.н., доцентом Лукашовою В. В. Роботи, пов'язані з проведенням експериментальних досліджень та обробкою результатів числового моделювання виконані за участю к.т.н. Двойноса Я. Г., старшого викладача Магазія П. М. і студентів Будзинської О. С., Вознюка В. Т., Микитенко Л. П., Радченко Н. Л., Ракицької Г. В. під керівництвом здобувача. Конкретний внесок автора в опубліковані у співавторстві наукові праці наведено у списку основних опублікованих праць за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися та обговорювалися на: ІІ Всеукраїнській і IV-XI Міжнародних науково-практичних конференціях студентів, аспірантів та молодих вчених «Екологія. Людина. Суспільство» (Київ, 2000-2008); 2-й Міжнародній науково-технічній конференції «Композиционные материалы» (Київ, 2001); 2-й Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні технології та обладнання для одержання і переробки полімерів, полімерних композиційних матеріалів та хімічних волокон» (Київ, 2003); 24-28-й Міжнародних конференціях «Композиционные материалы в промышленности» (Ялта, 2004-2008); I і III Науково-практичних конференціях «Новітні технології пакування» (Київ, 2005, 2007); 5-8-й Міжнародних промислових конференціях «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях» (Славське, 2005-2008); 13-й і 15-й Міжнародних конференціях «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики» (Ялта, 2005, 2007); XI Міжнародній науковій конференції «Удосконалення процесів та обладнання харчових та хімічних виробництв» (Одеса, 2006); V Міжнародній конференції «Проблемы промышленной теплотехники» (Київ, 2007); Науково-практичній конференції «Пакувальна індустрія України (стан та перспективи)» (Київ, 2007); Міжнародній науково-практичній конференції «Підвищення енергетичної ефективності харчових та хімічних виробництв» (Одеса, 2007); IV Міжнародній науково-практичній конференції «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» (Москва, 2007).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 96 друкованих праць, у тому числі 2 монографії, 35 наукових статей, серед яких 33 - у наукових фахових виданнях України (з них - 10 без співавторів), 21 доповідь у збірниках і матеріалах праць конференцій і 14 тез доповідей на конференціях, а також 2 авторських свідоцтва СРСР, 2 патенти Російської Федерації і 20 патентів України на винаходи і корисні моделі. Основні публікації зазначені в кінці автореферату.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, семи розділів, висновків, додатків і списку використаних джерел. Основна частина дисертації представлена на 314 сторінках і містить 16 таблиць і 121 рисунок (з них 9 таблиць і 39 рисунків повністю займають площу 31 сторінки). Загальний обсяг роботи становить 388 сторінок, у тому числі 3 додатки на 32 сторінках і список використаних джерел з 383 найменувань на 42 сторінках.

Основний зміст роботи

термопластичний технологічний сировина енергоефективний

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, показано зв'язок роботи з науковими програмами і темами, сформульовано мету, основні завдання дослідження, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, наведено особистий внесок здобувача, інформацію про апробацію результатів дисертації та основні публікації.

У першому розділі наведено аналіз тенденцій використання полімерних матеріалів, класифікацію ТпМ та їх основні технологічні властивості, аналіз основних методів утилізації полімерних відходів та обладнання для їх реалізації, а також аналіз існуючих моделей процесів та обладнання перероблення ТпМ.

Світовий обсяг споживання полімерних матеріалів щорічно зростає і за прогнозами у 2010 році перевищить 300 млн т, що спричинює проблему утилізації полімерних відходів, аналіз методів поводження з якими показує, що найбільш доцільним з них є використання відходів як вторинних матеріальних ресурсів (рециклінг). При цьому найефективнішим з точки зору продуктивності й номенклатури одержуваних матеріалів і виробів є рециклінг на основі екструзійного, змішувального і валкового обладнання.

Дослідження властивостей ТпМ, а також моделювання відповідних процесів та обладнання, які проводили як вітчизняні, так і зарубіжні вчені, зазвичай стосувалися чистих полімерів, а також окремого обладнання або навіть окремих його ділянок. У той же час сучасні методи утилізації відходів передбачають їх комплексне перероблення, яке включає різноманітні взаємопов'язані одиниці обладнання і спрямоване на одержання ТпМ із властивостями, що зазвичай істотно відрізняються від властивостей вихідних матеріалів, а тому потребує іншого обладнання та/або режимів перероблення. Особливо це стосується полімерних відходів, основні властивості яких внаслідок деструкції можуть істотно відрізнятися від відповідних властивостей первинних матеріалів.

У зв'язку з цим зростає роль математичного моделювання процесів та обладнання перероблення ТпМ з використанням вторинної сировини, яке дає змогу здійснювати пошук як геометрії робочих органів обладнання, так і режимів перероблення, що забезпечить потрібні властивості одержуваних матеріалів і виробів. При цьому питанням взаємопов'язаної роботи обладнання, що входить до складу технологічних ліній, основи яких заклали в першу чергу Лукач Ю. Ю. і Радченко Л. Б., до цього часу приділялося недостатньо уваги.

Основним недоліком більшості існуючих моделей черв'ячної екструзії є застосування в них оберненої схеми, у якій канал черв'яка розгортають на площині і вважають нерухомим черв'як, а рухомим - циліндр. Такі моделі не повністю відповідають реальним умовам перероблення, оскільки процеси біля поверхні обертового черв'яка умовно переносять до стінки нерухомого циліндра.

Класична теорія екструзії ґрунтується на використанні математичних моделей, які дають можливість визначати в основному інтегральні параметри процесу перероблення. Одним з недоліків більшості існуючих моделей є те, що в них аналізують окремі стадії процесу і недостатньо уваги приділяють розробці моделей екструзії в цілому, що дало би змогу врахувати взаємний вплив окремих зон. Також у багатьох моделях застосовують коефіцієнти, отримання яких ускладнене і які, як показує порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними, майже не впливають на кінцевий результат. Отже для інженерних розрахунків не завжди є доцільним поширене натепер ускладнення моделей.

Крім того, якщо моделювання одночерв'ячних екструдерів розглянуте досить докладно, то моделюванню двочерв'ячних екструдерів, питома кількість і номенклатура яких постійно збільшуються, уваги приділялося значно менше.

Одним з енергоємних видів обладнання, що входить до складу вальцьово-каландрових ліній, є роторні змішувачі. При цьому найбільш поширена методика розрахунку роторних змішувачів Торнера Р. В. та Акутина М. С. дає змогу врахувати в ізотермічному наближенні перероблення ТпМ лише в серпоподібному проміжку між передньою поверхнею ротора і змішувальною камерою, нехтуючи при цьому впливом мінімального проміжку між вершиною гребеня ротора і камерою, в якому реалізуються найбільші напруження зсуву.

Іншим видом базового обладнання вальцьово-каландрових ліній є вальці й каландри, моделюванням яких займалися Доброногова С. І., Лукач Ю. Ю., Ружинська Л. І., Бекин Н. Г., Красовский В. Н., Торнер Р. В., Gaskell R. E., Tadmor Z., Unkrьer W. та ін. При цьому, якщо теорія симетричного процесу в міжвалковому проміжку розроблена досить повно як для ньютонівської моделі рідини, так і для рідини, поведінку якої можна описати степеневим реологічним рівнянням, то теорія неізотермічного несиметричного процесу для будь-яких значень фрикції в міжвалковому проміжку розроблена лише для степеневої рідини, яка не може бути застосована для певного класу ТпМ з використанням вторинної сировини. На цей час також відсутня прийнятна методика визначення тривалості вальцювання.

Одним із завершальних процесів перероблення ТпМ є їх термообробка. При цьому більшість існуючих методик розрахунку охолодження гранул і стренг передбачає визначення коефіцієнтів тепловіддачі і не враховує залежність теплофізичних властивостей ТпМ від температури, що робить їх не тільки складними, а й малопридатними в застосуванні. Крім того, натепер відсутня узагальнена методика розрахунку термообробки безперервних ТпМ різного складу і структури в найбільш поширених пристроях для термообробки.

Таким чином, виконаний у роботі аналіз наявних досліджень показав їх недостатність для вирішення проблеми створення наукових засад розробки ресурсоенергоощадних процесів та обладнання перероблення ТпМ з використанням вторинної сировини, а також надав можливість сформулювати мету й завдання досліджень.

Другий розділ присвячено розробці загальних принципів вибору та моделювання обладнання для перероблення ТпМ з використанням вторинної сировини. Складність вибору технології продукції з ТпМ полягає в тому, що продуктивність обладнання та якість одержуваної продукції зазвичай є альтернативними, тому раціональна організація перероблення передбачає забезпечення потрібної продуктивності за умови досягнення заданої якості продукції.

Процеси перероблення ТпМ пов'язані з підведенням і відведенням енергії до кожної одиниці обладнання, тому ці процеси є неізотермічними. Відповідно до конструктивних особливостей обладнання можна виділити такі основні моделі неізотермічних процесів ТпМ: у зонах деформування ТпМ і поза цих зон.

Продуктивність обладнання у формулі зазвичай визначають продуктивністю обмежної стадії технологічної лінії і під час розрахунку решти обладнання можна вважати заданою, а теплові втрати - за відомими методиками розрахунку. Найбільший інтерес представляють величини Q_зовн і Q_V, які можна визначити на підставі розв'язку узагальненої математичної моделі, що представляє сформульовану для суцільного середовища систему рівнянь збереження (маси, енергії, імпульсу) з урахуванням певних крайових умов, коректний вибір яких у разі перероблення ТпМ з використанням вторинної сировини має особливе значення.

Математичні моделі, що описують розподіл температурних полів у робочих органах багатьох видів обладнання для перероблення ТпМ, являють собою крайові задачі з лінійними диференціальними рівняннями в частинних похідних 2-го порядку. Найбільш розповсюдженим методом розв'язання таких рівнянь є метод скінченних різниць (метод сіток) за неявною схемою.

Початковий розподіл температури визначають розподілом температури по поперечному перерізу потоку ТпМ на виході з попередньої одиниці обладнання або попередньої ділянки даного обладнання (початкова умова (3)).

Залежність (2) та її розв'язання в загальному вигляді разом з крайовими умовами (3)-(5) дає змогу розробити уніфікований обчислювальний модуль для аналітичного дослідження температурного поля ТпМ у різних видах обладнання за певних умов проведення процесу перероблення.

Узагальнену математичну модель процесу перероблення ТпМ видозмінюють залежно від особливостей певного обладання і режимів його роботи. Проте підхід до її розв'язання може бути загальним.

У більшості праць з перероблення ТпМ розглянуто окремі із зазначених стадій без урахування їх стикування одна з одною, що не дає можливості здійснювати комплексний аналіз технологічної лінії. При цьому складність моделювання ліній полягає не лише в тому, що матеріал послідовно проходить декілька одиниць обладнання, процес перероблення в кожному з яких описують різними математичними моделями, а і в тому, що подібна ситуація часто має місце навіть в окремій одиниці обладнання.

Таким чином, модель технологічної лінії можна розглядати як сукупність її складових елементів, які пов'язані між собою певним чином і в яких відбуваються процеси, що найсуттєвіше впливають на якість одержуваної продукції (основні з яких плавлення, гомогенізація, формування, охолодження). Це передбачає необхідність розробки математичних моделей окремих одиниць обладнання.

Запропонований підхід до моделювання надає можливість ефективно застосовувати існуючі й нові методики розрахунку як певних видів обладнання, так і окремих стадій перероблення ТпМ у ньому, в тому числі нових, досвід перероблення яких недостатній або взагалі відсутній.

На основі цього підходу розроблено узагальнені схеми алгоритмів розрахунку технологічної лінії для безперервного перероблення ТпМ з використанням вторинної сировини, а також основного обладнання: черв'ячних екструдерів, роторних змішувачів, вальців, каландрів і пристроїв для термообробки.

Третій розділ присвячено моделюванню черв'ячних екструдерів, найбільшого поширення серед яких набули одно- і двочерв'ячні екструдери.

При моделюванні прийнято, що, як і в реальному процесі екструзії, обертається черв'як, а циліндр залишається нерухомим. Крім того, на відміну від плоскопаралельної моделі задачу розглянуто в циліндричній системі координат. Також виділено об'єм, що відповідає об'єму одного кроку нарізки черв'яка, і умовно здеформовано його, повернувши на величину кута підйому нарізки ц_ч для набуття ним форми кільцевого циліндра для одночерв'ячного і С-подібної форми для двочерв'ячного екструдера.

У виділеному об'ємі матеріал обертається під дією складової швидкості черв'яка і циркулює в поперечному напрямку під дією складової W_z, що дає змогу вважати процес вісесиметричним і в рівнянні (6) знехтувати похідними по координаті . В об'ємі твердого полімеру циркуляційна складова швидкості w_z відсутня, а потужність дисипації дорівнює нулю. У разі перероблення високов'язких рідин температуру в кожній точці об'єму визначає переважно інтенсивність дисипації, яка залежить від швидкості зсуву в цій точці. Тому складову у рівнянні (6) також не враховано і в разі потреби оцінку перемішування здійснено введенням коефіцієнта еквівалентної теплопровідності : .

Система рівнянь (7)-(13) описує процес теплообміну в одночерв'ячному екструдері, що дає змогу застосувати її під час розробки математичних моделей процесів подавання, плавлення й гомогенізації з урахуванням відповідних граничних умов.

Відповідно до узагальненого підходу алгоритм розрахунку процесу в екструдері побудовано як сукупність алгоритмів розрахунку окремих стадій екструзії, які послідовно проходить виділений кільцевий об'єм. Саме такий підхід дає можливість аналізувати екструдер із врахуванням взаємного впливу його окремих зон та ефективно проектувати нове або вибирати існуюче обладнання для перероблення певного матеріалу.

Зазначений підхід використано і для аналізу двочерв'ячних екструдерів.

У двочерв'ячному екструдері перероблюваний матеріал швидко монолітизується, розплав полімеру заповнює проміжки між нерозплавленими частинками і в усьому об'ємі ТпМ виникають деформації зсуву. Валковий проміжок між осердями і гребенями черв'яків сприяє перемішуванню розплаву й нерозплавлених частинок, внаслідок чого, на відміну від одночерв'ячного екструдера, майже відсутня явно виражена зона плавлення, в якій розплав і твердий полімер розділені. Тому під час розроблення алгоритму розрахунку прийнято, що на всій довжині екструдера перероблюваний ТпМ являє собою суцільне реологічно складне середовище з дисипативними тепловиділеннями в усьому його об'ємі.

Характер циркуляційного руху в напрямку координати за виключенням відносно невеликих зон в області валкового проміжку майже однаковий, а тому похідними по координаті у рівнянні (6) нехтуємо. Також нехтуємо і теплопровідністю в напрямку осі z, оскільки в межах виділеного об'єму його розмір у напрямку цієї осі значно більший за глибину каналу. Із врахуванням цих спрощень рівняння (6), як і у випадку одночерв'ячної екструзії, набуває вигляду (7).

Аналіз числового моделювання двочерв'ячних екструдерів показав, що температурні поля в робочому каналі по довжині екструдера для різних значень еквівалентної теплопровідності досить близькі одні до одних. Це дало змогу зробити висновок, що температура ТпМ у певних точках його об'єму визначається переважно інтенсивністю дисипації.

Розроблені математичні моделі черв'ячної екструзії та алгоритми проектного розрахунку екструдерів дають можливість для заданої продуктивності й температури ТпМ на виході з екструдера визначати основні параметри процесу та обладнання: геометрію робочих органів, частоту обертання черв'яків, мінімально потрібну потужність урухомника та оцінювати температурну неоднорідність матеріалу. Під час перевірного розрахунку для заданої геометрії черв'яків можна здійснити обґрунтований вибір частоти їх обертання і теплових режимів робочих органів екструдера.

Для перевірки адекватності розроблених моделей була проаналізована відповідність розрахованих параметрів експериментальним даним для ТпМ різного складу, що засвідчило придатність моделей для проектування і модернізації екструдерів.

У четвертому розділі наведено результати моделювання змішувального й валкового обладнання.

Аналіз руху матеріалу в роторному змішувачі виконано розгортанням на площину робочої поверхні ротора.

З урахуванням традиційних для процесів перероблення ТпМ припущень рівняння, що описують процес течії рідини ньютонівської моделі в серпоподібному й мінімальному проміжках між поверхнями ротора й робочої камери.

Аналіз отриманих у результаті числового моделювання залежностей енергосилових параметрів процесу змішування від конструктивних особливостей роторного змішувача показує, що його ефективна експлуатація можлива до досягнення мінімальним проміжком величини 4,5…5,5 мм, після чого гребені роторів необхідно відновлювати.

Оскільки поверхню теплообміну змішувача визначають у результаті його проектування, то тепловий розрахунок змішувача має бути перевірним. Метою цього розрахунку є визначення температури ТпМ, яка не повинна перевищувати допустимого значення.

Зі зменшенням величини ш температура ТпМ зростає, причому найбільш суттєво - біля поверхонь валків, і особливо тихохідного валка, де мають місце найбільші напруження зсуву.

Далі досліджено рух матеріалу, що виявляє властивості рідини ньютонівської моделі, в міжвалковому проміжку гладильного каландра. Контактуючи з робочими поверхнями валків, лист охолоджується й поблизу обох його поверхонь утворюються шари затверділого ТпМ (області А1 і А2), між якими залишається прошарок текучого матеріалу (область Б).

Зменшення температури і швидкості валків, а також товщини листової заготованки може призвести до передчасного твердіння матеріалу по всій його товщині. Отже, під час калібрування листів на гладильному каландрі необхідно враховувати співвідношення цих величин.

Як показали проведені експериментальні дослідження, розроблені методики розрахунку процесів перероблення ТпМ у змішувальному й валковому обладнанні, у тому числі і методики визначення тривалості змішування, які ґрунтуються на визначенні сумарної деформації зсуву, дають змогу визначати ефективні параметри проведення цих процесів числовим моделюванням.

П'ятий розділ присвячено математичному моделюванню пристроїв для термообробки. Шуканою величиною під час аналізу цих пристроїв за заданих продуктивності технологічної лінії і кінцевої температури ТпМ є довжина зони термообробки, а за заданої довжини цієї зони - кінцева температура ТпМ та/або параметри термообробки, що забезпечують цю температуру.

Рівняння (23) і (24) розв'язують при граничних умовах першого, третього або четвертого роду із врахуванням залежності теплофізичних властивостей ТпМ і коефіцієнтів тепловіддачі від його складу й температури.

Математичну модель процесу термообробки (далі для спрощення розглядатиме процес охолодження) одношарового або багатошарового листового і плівкового матеріалу, розташованого в площині (горизонтальній, вертикальній, похилій) доцільно розглядати в прямокутній системі координат.

За умови забезпечення певної температури барабана задають такі граничні умови: на поверхні виробу, яка стикається з барабаном - першого роду, а на вільній поверхні виробу - третього роду. Для вибору теплоносія, що забезпечує необхідну температуру на поверхні барабана, розв'язують задачу охолодження ТпМ з урахуванням параметрів теплоносія. У цьому разі на внутрішній поверхні барабана і на вільній поверхні виробу задають умови третього роду, а на поверхні виробу, яка контактує з барабаном - четвертого роду.

Числове моделювання процесу охолодження стренг діаметром 4 мм здійснене також для поліетилену марки 15803-020.

У роботі досліджено вплив режиму руху рідини у ванні на швидкість охолодження стренг.

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження процесу гранулювання ТпМ дають змогу визначати його енергоефективні параметри.

Шостий розділ присвячено експериментальній перевірці адекватності розроблених математичних моделей реальним процесам одержання, формування і термообробки ТпМ з використанням вторинної сировини.

У першу чергу дослідження здійснювали під час одержання листових матеріалів з використанням вторинних поліолефінів і целюлозовмісних наповнювачів на базі екструзійного й валкового обладнання кафедри МАХНВ і ВАТ «НВП „Більшовик”» (рис. 14). У якості полімеру використовували поліетилен низької й високої густини і поліпропілен, а в якості наповнювача - деревну тирсу з розміром частинок до 1 мм, а також папір поверхневої густини 75 г/м² з розміром частинок до 5 мм. Вміст наповнювача в перероблюваному ТпМ змінювали від 0 до 60% (за масою).

Встановлено, що для визначення реологічних характеристик зазначених ТпМ, які відрізняються від характеристик первинних полімерів, на практиці доцільно застосовувати результати дослідів, проведених безпосередньо на відповідному переробному обладнанні.

Експериментально встановлено, що температурний режим перероблення ТпМ залежить від виду полімеру і ступеня його наповнення. Зокрема, зі збільшенням масової частки наповнювача від 30 до 60% потрібно збільшувати температуру розплаву на 10…30°С.

Порівняння експериментальних і теоретичних даних процесу черв'ячної екструзії показує, що середня температура ТпМ і витрати енергії зростають зі збільшенням ступеня його наповнення, що пояснюється інтенсифікацією дисипації енергії. Певну розбіжність теоретичних та експериментальних результатів для ТпМ можна пояснити тим, що реологічні властивості були досліджені саме для композиції з 47% (за масою) наповнювача, а експерименти проводили для композиції з 50% (за масою) наповнювача.

Перевірка адекватності математичної моделі процесу калібрування на гладильному каландрі показала, що питома потужність, яка витрачається в міжвалковому проміжку, зростає зі збільшенням колових швидкостей валків і майже не залежить від товщини вихідної заготованки. Це можна пояснити тим, що за умови зменшення мінімальної товщини оброблюваного листа зменшується зона деформування ТпМ у міжвалковому проміжку (як по висоті, так і по довжині). При цьому збільшення товщини листа приводить з одного боку до збільшення споживаної потужності (за рахунок збільшення довжини зони деформування), а з іншого - до її зменшення (за рахунок зменшення швидкості зсуву по висоті проміжку). Також під час калібрування порівняно з процесом вальцювання відсутній обертовий запас на вході в міжвалковий проміжок. Крім того, зі зменшенням товщини листа зростає відносна частка товщини затверділого матеріалу.

Експериментально встановлено, що під час охолодження товстих листів перепад температури між внутрішніми й поверхневими шарами може досягати 30…40°С (рис. 16), що може призвести до різних умов структуроутворення листового ТпМ у різних його шарах і, як наслідок, до нерівномірності властивостей готового листа. Таким чином, інтенсифікація процесу охолодження товстостінних листів з одного боку сприяє зменшенню часу охолодження, але в той же час може негативно вплинути на якісні показники готової продукції і виявитися недоцільною.

Також були досліджені фізико-механічні властивості одержаних листів. Показано, що властивості ТпМ із вмістом наповнювача до 50% (за масою) в цілому знаходяться на рівні властивостей відповідних полімерів. З подальшим збільшенням вмісту наповнювача істотно знижуються фізико-механічні властивості виробів і зростають витрати енергії на процеси перероблення.

Порівняння експериментальних і теоретичних даних окремих процесів одержання листових ТпМ з поліолефінів та целюлозовмісних наповнювачів підтверджує їх достатню збіжність (до 8…15%), а отже і адекватність розроблених математичних моделей черв'ячної екструзії, вальцювання, калібрування на гладильному каландрі, а також термообробки ТпМ з використанням вторинної сировини реальним процесам.

Сьомий розділ присвячено розробці впроваджених у виробництво енергоефективних процесів та обладнання для перероблення ТпМ, новизну і промислову придатність яких підтверджено патентними документами ряду країн.

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження довели можливість утилізації термопластів на вальцях безперервної дії, які можуть працювати автономно. Загальну математичну модель переробення при цьому побудовано на трьох математичних моделях: плавлення полімеру, руху матеріалу в міжвалковому проміжку, а також його теплообміну на валку.

Для забезпечення потрібних властивостей ТпМ до полімеру можна додавати різні домішки, при цьому залежно від місця введення в нього кожної з домішок (по довжині міжвалкового проміжку) можна регулювати тривалість перебування її на вальцях. Відповідне технічне рішення захищене патентом України на корисну модель №13230.

Одним з найбільш ефективних шляхів утилізації відходів з використанням високомолекулярних сполук є їх подрібнення на порошок і крихту пружнодеформаційним методом, за якого руйнування здійснюється стисканням матеріалу з одночасним його зсувом і стиранням, а одержуваний продукт відрізняється великою активованою питомою поверхнею. Цей метод реалізують у роторних подрібнювачах, які захищені патентами України на винаходи №53728, 54588 і корисні моделі №1673, 28974 і які виготовляє ВАТ «НВП „Більшовик”».

Також розроблено обладнання для комплексного перероблення ТпМ, яке забезпечує суміщення в одній одиниці обладнання - черв'ячному екструдері -операцій з подрібнення, підсушування, підготовки розплаву полімеру, змішування компонентів і формування виробу. Така технологія істотно зменшує енергоємність одержуваної продукції, оскільки остаточне подрібнення й сушіння компонентів здійснюють безпосередньо в екструдері без застосування додаткового обладнання. Крім того, теплота, отримана наповнювачем в екструдері, зменшує ступінь охолодження розплаву полімеру при їх взаємному контакті.

Запропоновані технічні рішення, які захищені патентами України на винаходи №22568, 31011, 31919, 40481, 42546 і 42573 та патентом на корисну модель №1241, виготовляє ВАТ «НВП „Більшовик”».

Розроблені енергоефективні способи одержання та перероблення ТпМ, які передбачають використання теплоти, одержаної компонентами ТпМ піж час їх подрібнення, а також теплоти охолодження робочих органів технологічного обладнання. Відповідні технічні рішення захищені патентами України на винахід №55829 і корисну модель №24319.

Зазвичай температура поверхні охолоджуваного ТпМ майже одразу після контакту з охолодною водою стає рівною її температурі, а градієнт температури по товщині або радіусу виробу істотно зростає, що може призвести до утворення в них дефектів. Для забезпечення більш сприятливого режиму охолодження таких матеріалів і виробів, наприклад, електричних проводів і кабелів, їх обробляють декількома послідовними потоками води з температурою, що поступово зменшується. На рис. 17 наведено залежність зміни температури електричного кабелю з полімерною ізоляцією завтовшки 3,5 мм і мідною жилою діаметром 3 мм, який рухається зі швидкістю 0,3 м/с у тризонній ванні охолодження лінії типу ЛЭК-63 виробництва ВАТ «НВП „Більшовик”».

Рис. 17. Зміна температури по довжині ванни охолодження (базовий (а) і модернізований (б) варіанти): 1 - поверхня жили; 2 - середня кабелю; 3 - середня ізоляції; 4 - поверхня ізоляції.

У базовому варіанті довжина першої зони ванни становить 3 м, температура води в ній 90°С, другої - відповідно 3 м і 60°С, а третьої - 24 м (вісім секцій по 3 м кожна) і 20°С, а в модернізованому - третю зону ванни розділено на чотири ділянки завдовжки 3, 6, 3 і 12 м, на триметрових ділянках якої здійснюють повітряне охолодження. Чергування водяних і повітряних ділянок зменшує градієнт температури по товщині виробу і витрату в цій зоні води на 25%.

Відповідні технічні рішення захищені авторськими свідоцтвами СРСР №1722852 і 1735036 та патентами України на корисні моделі №1324 і 6595.

У додатках наведено алгоритми розрахунку обладнання, розрахунок похибок вимірювання фізичних величин, і документи, що підтверджують впровадження результатів досліджень.

Висновки

Головний результат дисертації - вирішення важливої науково-технічної проблеми створення наукових засад розробки та вдосконалення процесів та обладнання комплексного перероблення термопластичних матеріалів з використанням вторинної сировини, які забезпечують визначення раціональних конструктивних параметрів обладнання та режимів його роботи, що сприятиме заощадженню енергетичних і матеріальних ресурсів та захисту навколишнього середовища.

1. У результаті проведеного аналізу стану проблеми моделювання процесів та обладнання перероблення термопластичних матеріалів з використанням вторинної сировини встановлено, що існуючі моделі та методики розрахунку процесів та обладнання перероблення ТпМ стосуються переважно первинних полімерів і не забезпечують можливості ефективної розробки і вдосконалення процесів та обладнання для комплексного перероблення ТпМ з використанням вторинної сировини, властивості яких визначаються не лише природою компонентів та кількісним і якісним складом, а й різними формами і ступенями деструкції, які залежать від умов попереднього перероблення, експлуатації та зберігання цих матеріалів.

2. Виконано класифікацію методів утилізації полімерних відходів, класифікацію ТпМ, а також обладнання для їх перероблення. Удосконалено узагальнену математичну модель процесів перероблення термопластів, яку поширено на новий клас матеріалів - ТпМ з використанням вторинної сировини і яка враховує дисипативні джерела енергії, джерела енергії, пов'язані з перетвореннями в об'ємі маси, реальні граничні умови на поверхні об'єму перероблюваного ТпМ, а також залежність технологічних властивостей перероблюваного матеріалу від його температури, якісного й кількісного складу.

3. Розроблено узагальнені алгоритми розрахунку технологічних ліній для безперервного перероблення ТпМ з використанням вторинної сировини та їх основного обладнання: роторних змішувачів, вальців, каландрів, екструдерів та пристроїв для термообробки ТпМ і виробів з них.

4. Розроблено узагальнену математичну модель процесу черв'ячної екструзії ТпМ з використанням вторинної сировини, яка враховує дійсні геометричні, швидкісні й температурні параметри робочих органів, склад перероблюваних ТпМ, а також розглядає процес у системі координат, що рухається разом з виділеним для аналізу об'ємом, обмеженим одним витком нарізки черв'яка. Це дозволило досліджувати процес як нестаціонарну двовимірну задачу.

Показано, що застосування традиційної плоскопаралельної моделі черв'ячного екструдера може призвести до суттєвих похибок під час дослідження процесу перероблення ТпМ з використанням вторинної сировини.

5. На основі узагальненої математичної моделі черв'ячної екструзії розроблено математичні моделі двочерв'ячних екструдерів з одно- і різноспрямованим обертанням черв'яків, уточнено методику визначення дисипативних джерел енергії, а також джерел енергії, пов'язаних з перетвореннями в об'ємі маси.

Визначено та досліджено вплив параметрів екструдера на енергосилові параметри процесу перероблення. Показано, що з відхиленням поведінки перероблюваного матеріалу від ньютонівської моделі в робочому каналі екструдера потрібно використовувати змішувальні елементи. Також показано, що температурні поля в об'ємі перероблюваного матеріалу визначаються в першу чергу інтенсивністю дисипації енергії в певних точках об'єму.

6. Розроблено математичні моделі роторного змішувача для неньютонівської і ньютонівської моделей перероблюваних ТпМ, у яких враховано вплив на процес перероблення як серпоподібних проміжків, утворюваних передніми поверхнями роторів і стінкою змішувальною камери, так і мінімальних проміжків, утворюваних гребенями роторів і стінкою змішувальною камери. Удосконалено методику визначення тривалості приготування ТпМ у роторних змішувачах.

Досліджено вплив геометричних і швидкісних параметрів змішувача на енергосилові характеристики процесу змішування. Показано, що ефективна експлуатація роторного змішувача можлива до досягнення мінімальним проміжком величини 4,5…5,5 мм, після чого робочі органи необхідно відновлювати.

7. Удосконалено математичну модель неізотермічного процесу перероблення ТпМ ньютонівської моделі в міжвалковому проміжку валкових машин у широкому діапазоні співвідношення швидкостей валків, а також методику визначення тривалості безперервного і періодичного вальцювання. Досліджено вплив умов перероблення на температурні поля ТпМ певного складу в міжвалковому проміжку. Показано, що зі зменшенням коефіцієнта фрикції локальна температура ТпМ у міжвалковому проміжку може зрости на 25…30°С.

...