ШВЕД Д. М.

Сортировать по умолчанию названию
  • Дослідження розчинності полімерів спінювальними агентами

    Пошук альтернативних спінювальних агентів, які можуть ефективно використовуватись у промисловості, є однією із основних задач виготовлення спінених полімерів [1]. Найбільш поширеними спінювальними агентами при промисловому виготовлені пінополімерів є низкокиплячі рідини –– аліфатичні вуглеводні, їх галогенопохідні та ароматичні вуглеводні, спирти, прості ефіри, кетони і т.д. Спінювання відбувається пароутворенням при підвищенні температури або(і) при знижені тиску в системі (композиції). Існує значна кількість робіт, присвячених визначенню ефективності використання того чи іншого спінювального агента. Автори [2] відзначають, що найкращими, з точки зору якості отриманої структури спінених полімерів, є ті спінювальні агенти, які здатні розчиняти полімер-основу. Також, відзначено, що зазвичай процес розчинення полімеру спіненим агентом супроводжується тепловиділеннями. Для оцінки можливості розчинення полімеру низькомолекулярними рідинами існує ряд теорій, серед яких: Гільдебранда-Смолла та Аскадського. При розрахунках процесу екструзії полімеру із спінювальним агентом, необхідно враховувати теплоту розчинення полімеру спінювальним агентом, окрім дисипативних тепловідділень та теплоти фазових перетворень. Для числового моделювання процесу екструзіі, теплоту розчинення можна визначити згідно теорії Гільдебрандта-Смолла, що дозволяє враховувати теплові витрати для різних полімерів та розчинників [3]. Розрахунок розчинності полімерів за Гільдебрандом–Смоллом базується на тому, що при розчиненні високомолекулярної сполуки повинні бути розірвані зв’язки між однорідними молекулами і утворені нові зв’язки між полімером і розчинником. Таким чином, ентальпія змішування ΔHзм є алгебраїчною сумою виділеного і поглинутого при розчиненні тепла та визначається за рівнянням Гільдебранда –Скетчарда. Параметри розчинності полімерів (поліетилен низької густини (ПЕНГ); полістирол) промисловими спінювальними агентами за умов переробки у екструдері (340К, 10 МПа) показав, що при переробці відбувається розчинення полімеру (Δ = δр - δп<0). Результат теоретичного аналізу здатності типових спінювачів до розчинення виявив, що за заданих умов найкращим є i-бутан (для полістиролу Δ =-4,51; для ПЕНГ Δ=-4,313), недоліком якого при застосуванні у якості спінювального агенту є горючість. Аліфатичні вуглеводні (хладони) теж виявляють задовільну здатність до розчинення (для полістиролу Δ=-2,39; для ПЕНГ Δ=-3,247), проте є нерекомендованими до промислового застосування з точки зору охорони навколишнього середовища, через високий руйнівний фактор озонового шару. Такий підхід, дозволяє здійснювати теоретичний аналіз при пошуку нових спінювачів, які будуть задовольняти всім умовам промислових застосувань: технологічним, економічним, екологічним.

    Переглянути
  • КАСКАДНА ЕКСТРУЗІЯ ТЕРМОПЛАСТИЧНИХ МАТЕРІАЛІВ

    З кожним днем використання шестеренних насосів в лініях для екструзії полімерів стає дедалі популярнішим. Це пов’язано не тільки з тим, що шестеренні насоси дають можливість отримувати кінцевий продукти вищої якості, але й з тим, що вони використовуються як загальновизнаний інструмент для покращення ефективності та зручності в використанні всієї екструзійної лінії. Працюючи з екструдером як єдина система шестеренні насоси поєднали в собі такі ключові характеристики, без яких сьогодні неможливо було б відповідати постійно зростаючим вимогам до якості продукції та економічності. Шестеренні насоси можна використовувати не лише в нових екструзійних лініях, але й при модифікуванні вже існуючих. Але в обох випадках присутня єдина мета – вивести етап виробництва на якісно новий рівень, досягти більшої точності та якості при виготовленні продукції й збільшити керованість процесу. Шестеренні насоси, як дозатори, використовуються при виготовленні моноволокон, багатошарових матеріалів, орієнтованої плівки, труб, листів, композиційних матеріалів, профільно-погонажних виробів, резини і таке інше [1]. Шестеренний насос в процесах екструзії виконує функцію подачі потоку розплаву до екструзійної головки постійного тиску і швидкості. Завдяки тому, що шестеренний насос не просто перекачує розплав полімеру, а й створює необхідний тиск для проходження через головку екструдера, то робота самого екструдера тепер спрямована тільки на розплавлення та гомогенізацію полімеру, що безумовно є перевагою каскадних схем екструзії. Шестеренні насоси дозволяють зменшити затрати матеріалу та енергії на його розплавлення, знизити середню температуру розплаву полімеру та підвищити точність виготовлення кінцевого продукту. Таким чином використання шестеренних насосів зменшує загальні витрати на виробництво, обслуговування і ремонт. На рисунку 2 приведене порівняння залежності температури й тиску з використанням шестеренних насосів і без них при екструзії полімерів [3]. В результаті дослідження використання шестеренних насосів в каскадних схемах екструзії вдалося зменшити затрати матеріалу та енергії на його розплавлення на 10-15%, знизити середню температуру розплаву полімеру на 15–20С (внаслідок чого з’являється можливість підвищити гомогенізуючу та диспергуючу здатність самого екструдера) та підвищити точність виготовлення кінцевого продукту за рахунок зменшення допуску на товщину. Подальші дослідження спрямовані на вдосконалення системи подачі вихідної сировини для оптимізації енергоспоживання, а також модернізацію існуючої конструкції шестеренного насосу.

    Переглянути
  • НАВАНТАЖЕННЯ, ДІЮЧІ НА ШЕСТЕРНІ НАСОСА

    Одним з найкращих способів отримати стабільну продуктивність екструдера є використання шестеренного насоса на виході. Конструкція шестеренного насоса дуже проста: в потік розплаву полімеру поміщаються дві шестерні з повним зачепленням. Шестеренні насоси для дозування розплавів полімерів працюють в складних умовах: - великий перепад тисків; - велика в’язкість перекачуваної речовини; - значні температури розплаву. Сучасні шестеренні насоси здатні створювати тиск до 70 МПа з температурою розплаву до 320°С та продуктивністю до 2000 кг/год. Тобто вали та шестерні насосу піддаються великим навантаженням, що зумовлює приділяти особливу увагу їх розрахунку та встановлювати жорсткі умови до точності виготовлення[1]. Для визначення сил, діючих на шестерні насоса, розглянемо розрахункову схему, зображену на рисунку 1. На рисунку представлена епюра зміни різниці тисків , діючої на ведучу шестерню. Вісь О1х направлена в бік центра веденої шестерні, а вісь О1у – в бік камери низького тиску[2]. На шестерні насоса діють значні по величині сили, розтискаючи їх у різні боки вздовж осі, яка проходить через центри шестерень О1 О2. Визначення цих сил є важливою задачею при конструюванні шестеренних насосів[2].

    Переглянути
  • ВИЗНАЧЕННЯ ВТРАТ ПРОДУКТИВНОСТІ В ДИСКОВО- ШЕСТЕРЕННОМУ ЕКСТРУДЕРІ

    З метою покращення точності дозування в лініях для переробки полімерів все частіше використовують шестеренні насоси [1,2,3], які встановлюються між екструдером-розплавлювачем і формуючою головкою. Схема такого насосу представлена на рис. 1. В реальних умовах шестеренний насос або стримує надлишок розплаву, вирівнюючи пульсації продуктивності, або ж видає заданий об’ємний видаток відповідно до обертів. Це можливо при наявності компенсатора об’єму, який встановлюється між екструдером- розплавлювачем і шестеренним насосом. Перша складова формули (1) характеризує об’ємний видаток згідно теорії евольвентного зачеплення, друга і третя складові характеризують втрати продуктивності через зазори в насосі, які пов’язані з перепадом тисків на вході та виході з насосу, та рухом шестерень відносно нерухомих пластин, відповідно. З цих залежностей видно, що втрати продуктивності через зазори при низьких обертах складають 13%, а при високих – 5% від фактично розрахованої продуктивності. Аналіз втрат в різних зонах зазорів представлений на рис. 3 показує, що втрати в насосі залежать від розмірів насосу, а відповідно і від розмірів зазорів. Для другої і третьої зони зазорів, де градієнт тиску і вектор швидкості співпадають, зі зростанням числа обертів шестерень втрати продуктивності зростають. Для першої, четвертої та п’ятої зон зазорів, де ці вектори мають протилежну направленість, зі зростанням числа обертів шестерень втрати продуктивності зменшуються. Тому максимальні втрати будуть через другу і третю зони торцевих зазорів. Оскільки, з одного боку втрати продуктивності через зазор є небажаними, а з іншого, необхідно змащувати поверхні тертя, то величина зазорів h повинна становити 10–40 мкм, а частота обертів шестерень вибирається таким чином, щоб забезпечити гарантоване заповнення міжзубного простору в зоні низького тиску. Як правило, такі оберти для високов’язких розплавів полімерів не перевищують 60 об/хв. Таким чином, втрати продуктивності в шестеренному насосі залежать від розмірів насосу, від величини зазору та від частоти обертання шестерень. Один і той же насос дає нижчу точність дозування при низьких обертах, та більш точну при високих обертах шестерень. Таким чином розміри насосу повинні чітко вибиратись в залежності від заданого діапазону продуктивностей.

    Переглянути
  • ТЕПЛООБМІННИК ДЛЯ НАГРІВАННЯ МОНОЕТАНОЛАМІНУ ДІЛЯНКИ ДЕСОРБЦІЇ ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ ОТРИМАННЯ ВОДНЮ

    Водень є одним із найважливіших вихідних компонентів великої кількості хіміко-технологічних процесів. Тому розроблення нового і модернізація діючого зокрема, теплообмінного, обладнення є актуальною задачею. Це екологічно чистий енергоносій, до того ж практично невичерпний. Відповідно до розрахунків, із 1 літру води можна отримати приблизно 1234,44 л водню [1]. Дуже перспективним напрямком є використання водню як палива для двигунів, а також як засобу акумулювання, транспортування та зберігання енергіі, зокрема непостійних джерел. Водень використовуюється при синтезі аміаку NH3, хлороводню HCl, метанолу СН3ОН, при гідрокрекінзі (крекінг у атмосфері водню) природних вуглеводнів, як відновлювач при отриманні деяких металів. Гідруванням природних рослинних олій отримують твердий жир - маргарин. Рідкий водень застосовується як ракетне паливо та як охолоджувач, оскільки має найвищу теплопровідність з усіх газів. Суміш кисню з воднем використовують при зварюванні. Водень практично весь знаходиться у вигляді сполук, тому для його отримання застосовують хімічні методи. Зокрема, можуть бути використані реакції розкладу. Одним із способів отримання водню служить реакція розкладання води електричним струмом. Одержання водню із конвертованого газу є досить поширеним процессом, який застосовується на Казенному заводі порошкової металургії в м. Бровари. Технологічний процес одержання водню на цьому підприємстві складається з декількох ділянок: ділянки конверсії окису вуглецю, ділянки охолодження газового конденсату, ділянки десорбції розчину МЕА, ділянки холодильної машини, ділянки глибокої осушки водню, ділянки збору парового конденсату та ділянки зберігання азоту. Розглянемо ділянку десорбції розчину МЕА (рис.1), бо від якості його регенерації залежатиме ефективність роботи схеми в цілому. Із ємності 1 розчин МЕА надходить в теплообмінник 2, де нагрівається до температури 100˚С за рахунок тепла регенерованого МЕА, а потім подається у верхню частину десорбера 3. Остаточна десорбція розчину відбувається при кип’ятінні його у виносному кип’ятильнику 4. З метою очищення розчину МЕА від продуктів розпаду та неорганічних домішок передбачена його розгонка у смоловідокремлювачі 5. Після цього розчин МЕА знову подається в робочий цикл. Метою роботи є проектний вибір і модернізація теплообмінника, для нагрівання насиченого розчину моноетаноламіна після адсорбера до 100˚С за рахунок тепла регенерованого МЕА. Основними вимогами при конструюванні теплообмінного апарата є: забезпечення інтенсивного теплообміну при оптимальних гідравлічних режимах; мала металоємність; надійність у поєднанні з доступністю поверхні теплообміну для механічного очищення від забруднень [2]. Перелік посилань

    Переглянути
  • МОДЕРНІЗАЦІЯ ХОЛОДИЛЬНИКА УСТАНОВКИ ДЛЯ ОТРИМАННЯ ВОДНЮ

    Теплообмінні апарати є великогабаритним, металоємким, дорогим і наукоємким устаткуванням, що в значній мірі визначає компоновку, ефективність і надійність роботи лінії виробництва водню в цілому. Більшість теплообмінних апаратів в схемі синтезу водню мають кожухотрубну конструкцію. Критеріями оцінки сучасного рівня розробок теплообмінних апаратів з точки зору їх надійності і довговічності прийнято рахувати наступні показники : - встановлений термін служби - не менше 30 років; - міжремонтний період (між капітальними ремонтами) - не менше 50 000 ч.; - середнє напрацювання на відмову - не менше 16 000 ч.; - коефіцієнт готовності - не менше 0,99; - високий ККД. В основу модернізації покладено завдання підвищення ефективності роботи холодильника, за допомогою підвищення ККД , шляхом модернізації холодильника, або підбору апарата іншої конструкції, що дозволить збільшити коефіцієнт теплопередачі і, відповідно, підвищує інтенсивність тепловіддачі [2]. Пластинчасті теплообмінні апарати, як правило, мають наступні переваги (порівняно з кожухотрубними): 1. Вищий (у 3-5 разів) коефіцієнт теплопередачі, що, природно, повинно зумовлювати менші массогабаритні характеристики апаратів. 2. Вищу надійність апаратів. 3. Простоту експлуатації і обслуговування. Нижче представлений аналіз цих чинників, у тому числі з позицій можливості вживання пластинчастих теплообмінних апаратів в схемах. Досягнення високих значень коефіцієнтів теплопередачі в пластинчастих теплообміних апаратах цілком можливо. Це визначається особливостями їх (апаратів) конструкцією, зокрема - малими розмірами каналів (1,5 - 5,0 мм), а також їх профілізацією (гофрируванням), що в сукупності зумовлює високу міру турбулізації теплоносіїв. Але гідравлічні втрати в пластинчастих апаратах, які за даними [3] істотно (у рази) вище, ніж в аналогічних кожухотрубних апаратів. Це цілком природно у вузьких каналах з штучною шорсткістю при високій мірі турбулізації теплоносіїв. Надійність роботи устаткування є в даний час однією з основних вимог як при розробці (проектуванні), так і при його експлуатації (в т.ч. при модернізації устаткування). Пластинчасті апарати, як правило, в порівнянні з кожухотрубними, мають вищу корозійну стійкість, бо виготовляються з корозійностійких матеріалів: неіржавіюча сталь, титан, нікелеві сплави і тому подібне. Між тим відомо [1], що сучасні кожухотрубні теплообмінні апарати, трубні системи яких(в окремих випадках і корпуси) виготовляються з аналогічних матеріалів (сплавів), мають показники надійності що значно перевищують показники надійності апаратів, що раніше виготовляються. Порівнюючи показники надійності пластинчатих і кожухотрубних апаратів необхідно також мати на увазі, що за даними [4] пластинчаті теплообмінники дуже чутливі до гідро- і термоударам, а також до механічних дій із з боку приєднувальних трубопроводів. Кожухотрубні ж апарати сучасних конструкцій цього недоліку не мають. Враховуючи все переваги і недоліки даних апаратів приймаємо, що доцільніше модернізувати даний кожухотрубний холодильник .

    Переглянути
  • МОДЕРНІЗАЦІЯ ДІЛЯНКИ ДЕСОРБЦІЇ РОЗЧИНУ МОНОЕТИЛАМІНУ (МЕА) ПРИ ОТРИМАННІ ВОДНЮ З КОНВЕРТОВАНОГО ГАЗУ

    Одержання водню із конвертованого газу є досить поширеним процесом, який застосовується на виробництвах. Технологічний процес одержання водню складається із наступних ділянок: конверсії окису вуглецю, охолодження газового конденсату, десорбції розчину МЕА (рис.1), ділянки холодильної машини, глибокої осушки водню, збору парового конденсату та ділянки зберігання азоту. Теплові процеси в даному виробництві мають ключове значення в плані економії та збереження теплової енергії. На поверхню теплообміну і на віднесену до неї частку капітальних витрат, а також на вартість експлуатації впливає недорекуперація теплоти. Чим менше величина недорекупераціі теплоти, тобто чим менша різниця температур гарячого теплоносія на вході і теплоносія, що нагрівається на виході при протитечії, тим менші експлуатаційні витрати. У теплообміннику 2, відбувається підігрівання розчину МЕА від 70 ºС до 110 ºС гріючою парою. Через те, що розчин МЕА має відносно високу в’язкість (коефіцієнт динамічної в’язкості становить 19 . 10–3 Па. с) раціонально було б замість кожухотрубного теплообмінника використовувати теплообмінник з вищою інтенсивністю теплопередачі та меншим гідравлічним опором, наприклад спіральний [1]. Ці теплообмінники компактні, площа поперечних перерізів каналів по всій довжині лишається незмінною, потік не зазнає різких змін напрямку, через що забруднення поверхні спіральних теплообмінників і гідравлічний опір менший, ніж у теплообмінних апаратів інших типів. Конструкція апарата дозволяє проводити порівняно легке очищення каналів. Один кубічний метр спірального теплообмінника вміщує до 82 квадратних метрів поверхні теплообміну на відміну від кожухотрубного, який вміщує до 64 [2], що значно зменшує площу, яку займає апарат. Основними складовими ефективності використання теплообмінного апарату є його поверхня, гідравлічний опір та вартість матеріалів, з яких він виготовлений. Через те, що інтенсивність теплопередачі, гідравлічний опір та металоємність спіральних теплообмінників кращі чим в кожухотрубному апараті, а також враховуючи те, що вартість одиниці поверхні теплообміну з листового матеріалу значно нижче вартості одиниці поверхні теплообміну, що утворюються з труб, цілком можливо отримати значний економічний ефект при заміні кожухотрубного теплообмінника спіральним.

    Переглянути
  • ГАЗОФРАКЦІОНУЮЧА УСТАНОВКА АБСОРБЦІОННО- РЕКТИФІКАЦІЙНОГО ТИПУ З ОБРАХУНКОМ І УДОСКОНАЛЕННЯМ ТЕПЛООБМІННИКА

    На сьогоднішній день, однією з головних проблем в Україні є процес газофракіонування, який призначений для отримання індивідуальних легких вуглеводнів або вуглеводневих фракцій високої чистоти з нафтозаводських газів. Тому модернізація установки газофракціювання є актуальною. Джерелом вуглеводневих газів на нафтопереробних заводах є гази, розчинені в нафті і які виділяються при первинній перегонці на установках АТ і АВТ, і гази, що виходять в процесі деструктивної переробки нафти. В залежності від складу розрізняють граничні і неграничні гази. Гази складаються з вуглеводнів метанового ряду. Газ з установки каталітичного крекінгу надходить на очистку моноетаноламіном в абсорбер 2 (Рисунок 1). Очищений газ стискається компрессором з 0,6 до 1,4МПа, охолоджується і подається під фракціоніруючий абсорбер 8, під 22-гу тарілку. На цю ж тарілку подається конденсат з сепаратора 7. В абсорбер вводиться також нестабільний бензин, який є основним абсорбентом. З верху абсорбера 8 йде сухий газ, що містить вуглеводні С1-С2, а знизу разом з абсорбентом відводяться вуглеводні С3-С4. Для більш повної абсорбціі бензинових фракцій, які винесені з сухим газом у верхню частину 8, подається стабільний бензин. Температура абсорбційної частини підтримується проміжним охолодженням абсорбенту. Насичений і деетанізований абсорбент з колони 8 потрапляє в стабілізатор 9, верхнім продуктом якого є «головка» стабілізації, а нижнім - стабільний бензин. «Головка» стабілізації надходить на блок очистки 10, де очищується від сірчистих сполук розчином моноетаноламіна і лугом. Потім з очищеної «головки» в пропановій колоні 11 виділяється пропан-пропіленова фракція. Кубовий продукт колони 11 в бутановії колоні 12 розділятися на бутан-бутиленову фракцію і залишок, який об'єднується зі стабільним бензином. В колоні 4 проводитися очистка моноетаноламіна від сірководню. В даній роботі пропонується використати теплообмінник типу ТТАІ – це унікальний за своїми техніко-економічними характеристиками теплообмінник. Надвисока компактність якого поєднується з можливістю самоочищення від накипу та високими показниками надійності. Економічно доцільний. Конструктивно ТТАІ є кожухотрубний теплообмінний апарат. Але при цьому товщина стінок трубок, виконаних з нержавіючої сталі або титану, становить всього 0,2 міліметра, а діаметр трубок - 8 міліметрів. Трубний пучок з нерегулярною розбивкою, з великою щільністю набору трубок. Швидкість руху теплоносія в теплообміннику досягає 4-5 м / с. Основні переваги: легкий і компактний завдяки трубному пучку з тонкостінних трубок; висока ефективність експлуатації: високий коефіцієнт тепловіддачі і знижений гідравлічний опір; надійний завдяки використанню корозійностійкої сталі або титанових сплавів і спеціальної полімерної трубної решітки; невимогливий до обслуговування завдяки самоочищення; повна відповідність потребам замовника завдяки індивідуальному виконанню ТТАІ; ціна нижче інших теплообмінників аналогічних по потужності.

    Переглянути
  • ГАЗОФРАКЦІОНУЮЧА УСТАНОВКА АБСОРБЦІОННО- РЕКТИФІКАЦІЙНОГО ТИПУ З ОБРАХУНКОМ І УДОСКОНАЛЕННЯМ ТЕПЛООБМІННИКА

    Процес газофракціонування призначений для отримання з нафтових газів низькомолекулярних вуглеводнів C1-C6. Джерелом легких вуглеводнів на нафтопереробних заводах є гази, розчинені в нафті і які виділяються при первинній перегонці на атмосферно трубчатих установках і утворюються в термодеструктивних або каталітичних процесах переробки нафтової сировини, а також газової стабілізації нестабільних бензинів. Одна з принципових схем такого процесу приведена на рисунку 1.[1] Газ з установки каталітичного крекінгу надходить на очищення моноетаноламіном в абсорбер 2. Потім очищений газ стискається компрессором з 0,6 до 1,4МПа, охолоджується і подається в фракціонуючий абсорбер 8, в 22-гу тарілку. На цю ж тарілку подається конденсат з сепаратора 7. В абсорбер вводиться також нестабільний бензин, який є основним абсорбентом. З верху абсорбера 8 йде сухий газ, що містить вуглеводні С1-С2, а знизу разом з абсорбентом відводяться вуглеводні С3-С4. Для більш повної абсорбції бензинових фракцій, які винесені з сухим газом у верхню частину 8, подається стабільний бензин. Температура абсорбційної частини підтримується проміжним охолодженням абсорбенту. Насичений і деетанізований абсорбент з колони 8 потрапляє в стабілізатор 9, верхнім продуктом якого є «головка» стабілізації, а нижнім - стабільний бензин. «Головка» стабілізації надходить на блок очистки 10, де очищується від сірчастих сполук розчином моноетаноламіна і лугом. Потім з очищеної «головки» в пропановій колоні 11 виділяється пропан-пропіленова фракція. Кубовий продукт колони 11 в бутановії колоні 12 розділятися на бутан-бутиленову фракцію і залишок, який об'єднується зі стабільним бензином. В колоні 4 проводитися очистка моноетаноламіна від сірководню. В даній схемі теплообмінники відіграють дуже важливу роль. Тому їх модернізація з метою покращення питомих характеристик є актуальною задачею, з метою рішення якої доцільним є встановлення тонкостінних теплообмінних апаратів інтенсифікованих (ТТАІ). Надвисока компактність яких, поєднується з можливістю самоочищення від накипу та високими показниками надійності. Конструктивно ТТАІ - це кожухотрубні теплообмінні апарати. Але при цьому товщина стінок трубок, виконаних з нержавіючої сталі або титану, становить всього 0,2 міліметра, а діаметр трубок - 8 міліметрів. Трубний пучок з нерегулярною розбивкою, з великою щільністю набору трубок. Швидкість руху теплоносія в теплообміннику досягає 4-5 м / с. Основні переваги таких теплообмінників в порівнянні з традиційним кожухотрубними, пластинчатими чи спіральними аппаратами є: - невелика вага і габарити, завдяки трубному пучку з тонкостінних труб; - висока продуктивність; - високий коефіцієнт тепловіддачі, 8400 ; - низький гідравлічний опір; - нижча ціна в порівнянні з пластинчатими і спіральними теплообмінниками, аналогічних по потужностях.

    Переглянути
  • МОДЕРНІЗАЦІЯ ВИПАРНОЇ УСТАНОВКИ У СХЕМІ ВИРОБНИЦТВА ЛИМОННОЇ КИСЛОТИ

    Лимонну кислоту широко використовують у харчовій, медичній, фармацевтичній, лакофарбовій промисловості та в деяких інших галузях народного господарства. Основну масу виробляють за допомогою певних штамів цвілевих грибів. На сьогодні провідними виробниками лимонної кислоти є КНР, США, Франція, Росія та деякі інші країни. Технологічна схема виробництва лимонної кислоти представлена на Рисунку 1.[1]. Найважливішою ділянкою теплової схеми будь-якого виробництва де виникає необхідність у концентруванні розчинів, є випарна установка, призначена для згущення розчину. В окремому цеху вирощують посівний матеріал – спори Aspergillusniger. Потім розмножують їх в трьох стадіях –пробірках, колбах та алюмінієвих кюветах. На останній стадії зрілі і підсушені конідії збирають за допомогою спеціального вакуум-насосу. Мелясу розбавляють до 30 %-го вмісту цукру, підкислюють сульфатною кислотою, обробляють жовтою кров’яною сіллю для видалення заліза. Отриманий розчин кип’ятять і витримують. Перед бродінням мелясний розчин розбавляють до оптимальної концентрації цукру (15 %). В кінці процесу бродіння рідину культивації зливають і промивають міцелій. Отриманий розчин лимонної кислоти випарюють в вакуумних апаратах до питомої ваги 1,25, потім на фільтр-пресах в гарячому вигляді відділяють залишок гіпсу. Другий раз розчин упарюють до 80 % концентрації. Згущений розчин подають на кристалізатори, де його охолоджують. Теоретично з цукру отримують 98% лимонної кислоти, але на практиці вихід продукту менше, так як завжди мають місце різні побічні реакції. В даній технологічній схемі підвищення ефективності процесу можливо досягнути вдосконаленням конструкції випарного апарату, що і обумовило вибір мети та задач проектування.

    Переглянути
  • МОДЕРНІЗАЦІЯ ВИПАРНОЇ УСТАНОВКИ ДЛЯ УПАРЮВАННЯ ЛИМОННОЇ КИСЛОТИ

    Лимонну кислоту широко використовують у харчовій, медичній, фармацевтичній, лакофарбовій промисловості та в деяких інших галузях народного господарства. Експериментально з цукру отримують 98 % лимонної кислоти, але на практиці вихід продукту менше, так як завжди мають місце втрати теплоти в випарному апараті, тому він і став об’єктом модернізації [1]. Мета модернізації – інтенсифікація процесу випаровування за рахунок підвищення стійкої плівкової течії випаровувальної рідини. Мета досягається за рахунок розміщення в середині труб спіральних вставок, виконаних в поперечному перерізі у формі циліндра, прилеглого до внутрішньої поверхні труби. На Рисунку 1 схематично зображено загальний вигляд випарного апарата з відцентровим сепаратором [2]. До кип’ятильних труб 12 нагрівальної камери 1 подається рідина, яка стікає по трубах у вигляді плівки, і при підведенні теплоносія рідина в трубах нагрівається і випаровується. Вторинна пара з розчинної камери 2 надходить до труби 3 разом з крапельками рідини. Первинна сепарація відбувається при зіткненні крупних крапель рідини з зовнішніми стінками сепаратора 4, і рідина, що утворилася, стікає назад до розчинної камери 2. Дрібні краплі розчину разом з вторинною парою потрапляють до тангенціально розташованих сопел, де суміш збільшує швидкість і потрапляє до сепаратора 4, там виникає відцентрова сила, що діє на краплі розчину і відкидає їх на стінки сепаратора. Уловлений розчин стікає на нижній конус 6, а потім до труби 7, з’єднаної з патрубком 8, і повертається на виробництво. При стіканні по трубах 12 рідина набігає на витки спірально-циліндричних вставок 11. Це забезпечує збільшення площі контакту випарювання. Одночасно при набіганні рідини на витки вставки відбувається перемішування шарів рідини і оновлення вільної поверхні випаровування. Оскільки випарний апарат, в якому відбувається упарювання лимонної кислоти відіграє важливу роль в технологічному процесі, то модернізація цього апарату дозволить суттєво збільшити ефективність виробництва.

    Переглянути
  • ФІЗИЧНА МОДЕЛЬ ПРОЦЕСІВ ПЛАВЛЕННЯ ТА ГОМОГЕНІЗАЦІЇ ПОЛІМЕРУ В ДИСКОВОМУ ЕКСТРУДЕРІ

    За своїм функціональним призначенням завантажувально-пластикуюча зона (ЗПЗ) дискового екструдера призначена для захвату полімеру, що подається шнековим дозатором, часткового або повного плавлення та подачі його в робочий зазор. Черв’ячна нарізка цієї зони виконана на циліндричній частині диска, хід якої, як правило, дорівнює його діаметру. Частота обертання диска в 5 – 6 разів перевищує загальноприйняту частоту обертання черв’яків звичайних черв’ячних екструдерів з такими ж діаметрами черв’яка. Черв’ячна нарізка багатозахідна, і має в 2 – 3 рази меншу глибину та довжину. На рис. 1 приведена схема живлення n – західного черв’яка, на якій видно, що кожен з n – витків знаходиться в зоні завантажувальної горловини тільки 1/n частку оберта. Тому, завантажувальна горловина завжди працює в так званому «голодному» режимі. Таким чином, кожен виток n – західного черв’яка періодично заповнюється полімером, який по мірі його руху вздовж каналу черв’яка поступово ущільнюється. Степінь ущільнення та довжина каналу, повністю заповненого полімером , залежить від опору робочого зазору. По довжині багатозахідного черв’яка ЗПЗ дискового екструдера можна виділити наступні зони. Зона «голодного» живлення, в якій канал черв’яка не повністю заповнений полімером, але на відміну від однозахідного черв’яка полімер в залежності від положення витка поперемінно дотикається до поверхні черв’яка і циліндра і швидко переміщується в зону стиснення. Далі йде зона з повністю заповненим каналом черв’яка. Довжина цієї зони залежить від опору дискової головки і збільшується зі збільшенням останнього. На першій ділянці зони, що розглядається, відбувається транспортування полімерної пробки, але без її плавлення за рахунок сил тертя полімеру зі стінкою циліндра і черв’яком. Теплота, що виділяється за рахунок «сухого» тертя, йде на  часткове нагрівання полімеру, а частково виділяється в навколишнє середовище через стінку циліндра. На другій ділянці зони з повністю заповненим каналом черв’яка, враховуючи тиск 3–5 МПа, відбувається процес дисперсійного плавлення полімеру. На цій ділянці процес протікає практично адіабатично. Черв’ячна нарізка ЗПЗ закінчується коли у витках утворюється 80 - 90% розплаву. Вищеописана фізична модель перевірялась експериментально на однощільовому дисковому екструдері шляхом його миттєвої зупинки в робочому режимі і швидкому охолодженні робочих органів («заморожування»). Далі, після попереднього розігрівання корпусу дискового екструдера до 380 К, він знімався і візуально досліджувались зразки матеріалу, що залишився на ЗПЗ, рис. 1. Досліджування зразків по товщині здійснювалось після розігрівання диска, що обертається, до 380 К, знімання зліпків і розрізання їх на окремій ділянці. Аналіз досліджень зразків підтверджує описану фізичну модель процесів, що проходять в ЗПЗ дискового екструдера.

    Переглянути
  • ПРОЦЕС ПЛАВЛЕННЯ ПОЛІМЕРУ В КАНАЛІ ЧЕРВ'ЯЧНОГО ЕКСТРУДЕРА

    На сьогоднішній день в процесі екструзії найбільшого поширення набули одночерв'ячні екструдери, в яких операції живлення, стискання, розплавлення, гомогенізації, створення тиску та дозування полімеру виконуються одним робочим органом - черв’яком. Процес плавлення в одночерв'ячних екструдерах детально розглядався багатьма вченими [1, 2]. На основі досліджень були розроблені математичні моделі. Найчастіше одночерв'ячні екструдери проектуються у відповідності до математичної моделі Тадмора. Математична модель Тадмора, так звана «пробкова» модель зображена на рисунку 1 і дозволяє розглядати процес в декартовій системі координат. Вона базується на таких припущеннях: не враховується кривизна каналу і черв'як вважається нерухомим. Таким чином в поперечному перерізі, перпендикулярному лопатям шнека, циліндр рухається зі швидкістю Vbx, яка дорівнює компоненті швидкості циліндра Vb в площині, перпендикулярній гвинтовій лінії канала черв'яка. Внаслідок такого руху в тонкому розплавленому шарі між твердою пробкою і циліндром виникає значна швидкість зсуву. При цьому виділяється достатня кількість теплоти внаслідок в'язкого тертя при течії розплаву. Оскільки шар розплаву дуже тонкий, вплив градієнта тиску на профіль швидкостей в ньому малий. Течія розплаву являється обумовленою рухом граничної поверхні. Тому, швидкість зсуву та інтенсивність теплоти відносно рівномірні по всій глибині шару. Розплав перетікає з розплавленої плівки до активної сторони лопаті черв'яка. Лише незначна частина матеріалу може перетікати через зазор між витками і циліндром. В результаті велика кількість розплаву поступає у так званий «басейн». В цьому басейні під дією руху циліндра створюється циркуляційна течія розплаву у напрямі, перпендикулярному осі гвинтового каналу. Оскільки більшість теплоти в'язкого тертя виділяється у верхній частині розплаву, можна вважати, що плавлення проходить на поверхні розділу верхнього шару твердого матеріалу і шару розплаву. В процесі плавлення поперечний переріз твердої фази зменшується, а поперечний переріз басейна з розплавом збільшується. Таким чином, по мірі плавлення проходить поступове переміщення границі розділу твердий матеріал - розплав. Цьому відповідає швидкість руху границі розділу Vsz, яка визначає швидкість процесу плавлення. Характерна довжина черв'яка, на якому здійснюється плавлення у відповідності до модель Тадмора складає 10-15D.[1] Досягти ефективнішого плавлення можна використовуючи дисперсійну модель плавлення. Цю модель можна реалізовувати з впровадженням «голодного» живлення, тобто при обмеженій подачі матеріалу. Обмежена подача забезпечується дозуючим пристроєм. У дисперсійній моделі плавлення приймається, що частинки однорідні, мають сферичну форму і дисперговані в розплавленому матеріалі, тобто для заповнення простору між твердими частинками необхідно деякий мінімальний об'єм розплаву. Це означає, що дана модель може бути застосована після того, як деяка кількість твердого матеріалу вже розплавлена[2]. Теплота, що витрачається на розплав частинок визначається сумою теплоти, яка підводиться через канал (через циліндр і черв'як) і теплотою в'язкого тертя, що генерується в розплаві полімеру. Дисперсійна модель зображена на рисунку 2. Попередні експерименти показали, що при реалізації дисперсійної моделі плавлення швидкість процесу плавлення в 2- 5 разів вища, ніж при використанні моделі Тадмора. Протяжність зони плавлення в цьому випадку теж зменшиться і складатиме 2-3D проти 10-15D по моделі Тадмора.

    Переглянути
  • ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ДОЗУВАННЯ ПОЛІМЕРУ ПРИ ЧЕРВ’ЯЧНІЙ ЕКСТРУЗІЇ

    Для повного дослідження процесу екструзії його доцільно розглядати як сукупність послідовних процесів подачі, плавлення та гомогенізації. При цьому одним із найважливіших показників є продуктивність, за яку відповідає третя зона (зона гомогенізації), в якій відбувається течія розплаву[1]. Ця зона починається в місці, де тільки завершився процес плавлення. Зону течії розплаву також називають насосною зоною, так як в більшості випадків розплав полімерів повинен бути переміщений до фільєри проти значного тиску. Перші дослідження проблеми течії розплаву відносяться до 1922 року [2]. В ранніх роботах, розглядалися ньютонівські рідини, в’язкість яких не залежить від температури. Це досить зручний випадок для аналізу, тому що він достатньо простий і дає точні і зрозумілі аналітичні рішення. Використання спрощеної ньютонівської моделі дозволило б для рідин, в’язкість яких не залежить від температури, проаналізувати течію розплаву поперек каналу незалежно від течії вздовж вісі каналу, тобто протитечія окремо від прямотечії, яка спричинена рухом граничної поверхні. Якщо прийняти, що: рідина – ньютонівська; течія стала; в’язкість розплаву не залежить від температури та нехтуючи силами інерції і тяжіння через їх відносно малу в'язкість; ширина каналу вважається необмеженою; кривизна каналу незначна (наближення плоских поверхонь), то модель можна розглядати, як плоско паралельну, яка зображена на рис.1. Плоска пластина рухається зі швидкістю Vb над плоским прямокутним каналом з кутом φ між Vb та сторонами каналу. Зауважимо, що тиск є функцією тільки координати z вздовж вісі каналу. Отже, рівняння (1) можна проінтегрувати для того щоб отримати профіль напруг зсуву в радіальному напрямку (y). Зокрема, особливий інтерес представляє вплив глибини каналу на течію розплаву. Швидкість потоку прямо пропорційна глибині каналу, а швидкість протитечії збільшується разом з глибиною каналу, зведеного в куб. Отже, протитечія збільшується набагато швидше зі зростанням глибини каналу, чим прямотечія. Тому глибина каналу в зоні дозування зазвичай робиться невеликою. Попередньо проведені експериментальні дослідження показали, що оптимальна глибина каналу, яка забезпечує найвищу продуктивність екструдера при заданій швидкості шнека і градієнту швидкості, з достатньою точністю може бути визначена за допомогою рівняння об'ємноъ витрати в повздовжньому напрямку.

    Переглянути
  • ВИЗНАЧЕННЯ ГЕОМЕТРІЇ ФІЛЬЄРИ ФОРМУВАЛЬНОЇ ГОЛОВКИ ПРИ ЕКСТРУЗІЇ ПІНОПОЛІМЕРІВ

    Якість будь-яких екструдованих виробів значною мірою залежить від профілю отвору формувальної головки (фільєри): поперечний перетин каналу головки на виході повинен мати таку форму, щоб одержаний виріб мав вказані розміри після розбухання екструдату, яке відбувається на виході матеріалу із головки коли перестає діяти обмежуючий вплив стінок каналу [1]. Існуючі моделі з визначення форми фільєри спрямовані, як правило, на пошук деформування монолітного полімерного виробу в наслідок розбухання екструдату та не придатні до визначення геометрії за умови значної зміни форми профілю фільєри внаслідок спінювання. Тому проблема визначення конфігурації та розмірів форми вихідної фільєри при екструзійній переробці спінених полімерів є актуальною. Для розв’язання вказаноїзадачі запропоновано новий підхід, що базується на ідеї поступової зміни конфігурації перетину: від перетину вихідного отвору з площею F0 до круглого перетину площею F , який відповідає умові «ідеального» спінювання (рисунок 1). Умова «ідеального» спінювання передбачає, що процес спінювання необмежений такими факторами як міцність плівки та поверхневий натяг розплаву.Отже, при спінюванні погонажних виробів із будь-якоюпочатковою конфігурацією перетину, остаточний перетин за ідеальних умов має набувати форми кола із максимально можливою за даних умов площею F . Форма перетину виробу, який утвориться при спінюванні, буде мати площуFp, що відповідає реальному ступеню спінювання визначеному для певних умов.При цьому вводимо припущення, що спінювання буде відбуватися рівномірно від центру мас перетину, що розглядається. Проте визначення поверхневого натягу гж полімерів у в’язкопружному стані викликає певні ускладнення, тому для визначення тиску рf був використаний підхід, за яким тиск у комірці при спінюванні визначався за умовою міцності одиничної сферичної бульбашки. Таким чином, можна визначати профіль перетину виробу, який буде відповідати геометрії фільєри.

    Переглянути
  • ТЕНДЕНЦІЇ РОЗВИТКУ ЕКСТРУЗІЙНОГО ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ПЕРЕРОБКИ ПОЛІМЕРІВ

    Екструзія - спосіб отримання виробів або напівфабрикатів з полімерних матеріалів необмеженої довжини шляхом видавлювання розплаву полімеру через форму-головку (фільєру) потрібного профілю. Екструзія, поряд з литтям пластмас під тиском, є одним з найпопулярніших методів виготовлення пластмасових виробів. Екструзії піддаються практично всі основні типи полімерних матеріалів, як термопласти, так і реактопласти, а також еластомери. В основному для екструзії пластмас застосовують шнекові або черв'ячні екструдери. Для успішного виробництва продукції методом екструзії недостатн ьо тільки одного екструдера. Крім нього необхідно мати ще декілька одиниць обладнання, які складають екструзійну лінію. Дискові екструдери відносяться до досить рідкісного типу екструзійних машин сучасності. Робота екструдера заснована на переміщенні полімерного матеріалу і створенні тиску за рахунок адгезії полімеру до рухомих частин екструдера. Поведінку полімеру всередині екструдера розглянемо на прикладі одношнекової екструзії гранульованого матеріалу. Технологічний процес екструзії складається з послідовної пластикації і переміщення матеріалу обертовим шнеком в зонах матеріального циліндра. Розрізняють такі зони - живлення (I), плавлення (II), гомогенізації (III). Циліндр також має певні зони обігріву. Довжина цих зон визначається розташу- ванням нагрівачів на його поверхні і їх температурою. Межі зон шнека і зон обігріву циліндра можуть не збігатися. Полімерний матеріал для екструзії, що подається в бункер, може бути у вигляді порошку, гранул, стрічок. Останній вид сировини характерний для переробки ві дхо-дів промислового виробництва плівок і здійснюється на спеціальних екструдерах, забезпечених примусовими живильниками-дозаторами, що встановлюються бункерах. Рівномірне дозування матеріалу з бункера забезпечує високу якість екструдату. Живлення шнека під воронкою бункера відбувається на відрізку довжини шнека, що дорівнює (1-1,5)D. При переробці багатокомпонен тних матеріалів для завантаження їх в бункер застосовуються індивідуальні дозатори: шнекові (об'ємні), вібраційні, вагові та т. п. Застосовуючи пристосування для примусової подачі матеріалу з бункера в циліндр, також вдається істотно підвищити продуктивність машини. При ущільненні матеріалу в міжвитковому просторі шнека витісненене повітря виходить назад через бункер. Якщо видалення повітря буде неповним, то він залишиться в розплаві і після проходження через головку створить у виробі небажані порожнини. При тривалій роботі екструдера можливий перегрів циліндра під воронкою бункера і самого бункера. У цьому випадку гранули почнуть злипатися і припиниться подача їх на шнек. Для запобігання перегріву цієї частини циліндра в ньому робляться порожнини для циркуляції охолоджуючої води. Зазвичай зона завантаження є єдиною охолоджуваною зоною сучасних екструдерів. 1. Зона живлення. Гранули або порошок полімеру, що подається до бункера, заповнює міжвитковий простір шнека зони I і ущільнюється. 2. Зона плавлення. У цій зоні відбувається підплавлення полімеру, що примикає до поверхні циліндра. У тонкому шарі розплаву полімеру відбуваються інтенсивні зсувні деформації. 3. Зона гомогенізації . Розплавлена маса полімеру продовжує гомогенізуватись, проте вона все ще не є однофазною і складається з розплавлених і твердих частинок. В кінці цієї зони пластик стає повністю гомогенним і готовим до продавлювання через чистячі сітки і форму головки. До технологічних параметрів переробки пластмас методом екструзії відносяться: - температура по зонах екструдера тиск розплаву, - режими охолодження екструдованого профілю. Основними конструктивними характеристиками екструдера є довжина шнека L, діаметр шнека D, співвідношення L / D, швидкість обертання шнека N, а також профіль шнека і ступінь стискання каналу шнека. Перепад тиску на фільтруючих сітках служить показником засмічення, тобто збільшення опору сіток і, отже, сигналом до їх заміни. Укрупненими показникоми роботи полімерного обладнання є: питома ене рго-ємність, питома матеріалоємність, питома площа, які необхідно покращувати при розробці чи модернізації відповідного обладнання.

    Переглянути
  • ДИСПЕРСІЙНА МОДЕЛЬ ПРОЦЕСІВ ПЛАВЛЕННЯ ПОЛІМЕРУ В ДИСКОВОМУ ЕКСТРУДЕРІ

    При екструзії полімерних матеріалів широкого поширення набули черв’ячні екструдери, в яких реалізується пробкова модель плавлення, так звана модель Тадмора. Але у випадку «голодного» живлення при наявності додаткового дозатора в черв’ячних та дискових екструдерах тверді частинки в дійсності не контактують між собою, а дисперговані в розплавленому матеріалі, як це представлено на рис. 1 (а, б, в). Дисперсійному типу плавлення присвячено дуже мало теоретичних робіт. У моделі плавлення диспергованої твердої фази, яка реалізується в дисковому екструдері,приймається, що частинки однорідні, мають сферичну форму та дисперговані в розплавленому матеріалі. Це означає,що для заповнення простору між твердими частинками потрібен деякий мінімальний об’єм розплаву полімеру. При найбільш щільному розташуванні частинок, що є сферами правильної форми, мінімальна об’ємна доля полімерногорозплавускладаєприблизно40%. При довільному розташуванні упакованих частинок об’ємна доля розплаву наближається до 50%. Теплота, що витрачається на плавлення частинок, складається з теплоти, що підводиться в канал, та теплоти в'язкого тертя, яка генерується в каналі. Приймається, що при плавленні відбувається поступове зменшення кількості твердих частинок. Зміна долі твердих частинок в часі в залежності від теплоти може бути представлена рівнянням енергетичного балансу[1]. У результаті попередніх експериментальних досліджень на каскадному екструдері, побудованого на базі дискового екструдера[2], було встановлено, що процес плавлення диспергованих частинок відбувається набагато швидше і зменшує витрати енергії приблизно на 30%, а температура в такому процесі є більш однорідною та низькою,що дозволяє зменшити загальну довжину зони плавлення.

    Переглянути
  • ПРОЦЕС ЕКСТРУЗІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ ПОЛІМЕРНОЇ ПЛІВКИ

    На сьогоднішній день у світі зростає потреба у природних енергоресурсах, більшість з яких є вичерпними. В хімічній промисловості полімери відіграють важливу роль, тому останнім часом значна увага приділяється покращенню якості продукції та створенню нових економічних високопродуктивних машин для переробки пластичних мас. Основа дослідження процесу виготовлення полімерної плівки полягає у максимальному заощадженні сировини та енергії, підвищуючи при цьому якість продукції та зменшуючи навантаження на екологію, яке відбувається через постійне зростання кількості полімерних відходів, що потребують утилізації. Одним із основних методів переробки полімерів є екструзія, безперервний процес формування виробу шляхом продавлювання розплаву полімеру через канали формуючого інструмента, які надають йому потрібний поперечний переріз. Машини в середині яких реалізується процес називаються екструдерами. Недоліком одностадійних черв’ячних екструдерів є прив’язка усіх процесів один до одного, тому недосконалість якогось із них призводить до погіршення параметрів інших. Для досягнення мети доцільно застосувати каскадний екструдер, який дозволить контролювати параметри процесу. До основного недоліку існуючих технологічних ліній для виробництва полімерних плівок відносять нестабільність товщини по довжині, яка може збільшуватися на 5-8% від номінального значення, через недосконалість черв’ячного екструдера як дозуючого насосу, що призводить до значних перевищень витрат сировини та енергії [1]. Для вирішення цієї проблеми між екструдером та формуючим інструментом може бути використаний дозуючий шестеренний насос, який вирівнює пульсацію розплаву до 1-2% [2]. Це дозволяє випускати продукцію з меншими допусками на геометричні розміри зі значною економією сировини, що в подальшому призводить до меншої кількості полімерів, які потребують утилізації. Це є головною економічною та екологічною підставою для використання насосів. На рисунок 1 [1] наведено лінію для виробництва рукавної плівки. Полімер подається через бункер-дозатор 1 в екструдер 2. Далі проходить через шестеренний насос 3 у формуючу головку 4 де формується трубчата заготовка, яка потім роздувається повітрям. Відформований таким чином рукав 6 охолоджується повітрям через кільце охолодження 5, а потім за допомогою пластин 7 циліндрична форма рукава переводиться в плоску і він надходить на привідні гумовані тягнучі валки 8. Далі складений рукав подається на пристрій 9 для намотування його в рулон. Питомі витрати електроенергії на 1 кг готової продукції становлять 0,55–0,60 кВт*год/кг , з яких 80% споживає екструдер, тому актуальним є визначення продуктив ності та енерго силових характеристик екстру дера, які значно підвищуються за рахунок встановлення шестеренного насосу.

    Переглянути
  • РЕСУРСО-ЕНЕРГООЩАДНИЙ ПРОЦЕС ЕКСТРУЗІЇ ПОЛІМЕРНИХ ТРУБ

    Із початку третього тисячоліття обсяг виробництва полімерних труб суттєво зростає. Аналізуючи дані статистики, рисунок 1 [1], можна з впевненістю стверджувати, що ринок України все більше насичується поліетиленовою трубною продукцією, яка активно застосовується як в новому будівництві, так і при ремонті старих трубопроводів. Такий попит на полімерні труби пояснюється тим, що вони можуть протистояти достатньо великим деформаціям, при цьому не втрачаючи своєї роботоздатності.Полімерні труби воготовляються екструзійним методом і при цьому одним з основних завдань є зменшення допусків на геометричні розміри виробів і створення на цій основі ресурсо- енергоощадних технологій. Принципова схема безперервного процесу виготовлення полімерних труб наведена на рисунок 2. Гранульований полімер подають у бункер екструдера 1, де відбувається плавлення, гомогенізація, створення тиску і видавлювання розплаву через формуючу головку. У пристрої 3 здійснюють калібрування трубної заготовки та її часткове охолодження. Подальше формування та остаточне охолодження здійснюють у вакуум- ванні 4 і ванні зрошення 5. Тягнучий пристрій 6 забезпечує переміщення труби крізь усі пристрої після екструдера, далі їх нарізають пристроєм 7. Після чого труби надходять до приймального пристрою 8. На сьогоднішній день актуальною проблемою лінії для виробництва полімерних труб є поздовжня різнотовщинність, яка може бути викликана перепадом тиску і температур, що в свою чергу призводить до збільшення допусків на геометричні розміри і, відповідно, перевитрат сировини. У наш час гостро поставлена проблема ресурсо-енергозаощадження, а тому такі перевитрати є небажаними у виробництві. Для вирішення цього питання доцільно встановлювати між екструдером і формуючою головкою об’ємного дозуючого насосу шестеренного типу, який має жорстку напірну характеристику. Такий насос зменшить пульсацію тиску і продуктивності, тому перевитрати матеріалу знизяться до 1-2% проти 5- 8%у екструдерах без шестеренного насосу. [2]. Нові технічні рішення щодо екструзійного обладнання дають змогу зменшити енерговитрати і покращити якість продукції, а використання шестеренного насосу, дозволяє зменшити витрати енергії на екструзію полімерних труб.

    Переглянути
  • ЧЕРВ'ЯЧНО–ШЕСТЕРЕННИЙ ЕКСТРУДЕР ПРИ ПЕРЕРОБЦІ ПОЛІМЕРНИХ МАТЕРІАЛІВ

    На сьогоднішній день процесам переробки полімерів приділяється значна увага, оскільки з року в рік зростає питома вага виробів із них. Зростаючі обсяги виробництва та переробки пластичних мас вимагають від галузі полімерного машинобудування оптимізації процесу та ширшого використання ресурсоенергозберігаючих технологій. Найбільш поширеною залишається одночерв'ячна екструзія. При цьому одночасно виконуються наступні операції: живлення, стискання, плавлення твердого полімеру, змішування, створення тиску та дозування розплаву. Всі названі процеси тісно пов’язані між собою і виконуються в черв’ячному екструдері одним робочим органом - черв’яком, що ускладнює оптимізацію процесів [1]. Важливою проблемою при екструзії полімерів є пульсація тиску, яка призводить до перевитрати сировини. Вирішенням проблем пульсацій тиску та перевитрат сировини й енергії може бути встановлення між екструдером і формуючим інструментом дозуючого шестеренного насосу який має жорстку напірну характеристику, і використання якого дозволяє заощаджувати полімер. Проведені дослідження на базі класичного черв'ячного екструдера та того ж екструдера з шестеренним насосом [2] показали, що втрати продуктивності при зміні опору формуючого інструменту від 18 до 25 МПа за одних і тих же умов в класичному екструдері складають 25-30 %, а в тому ж самому екструдері з шестеренним насосом вони складають не більше 5%, рисунок 1. Це свідчить, про те що втрати продуктивності при наявності шестеренного насосу в 5-6 разів менші. Якщо прийняти, що номінальний тиск при заданому опорі формуючого інструменту в 20 МПа змінюється на ±0,5 МПа, що викликається нестабільністю процесів в черв'ячному екструдері чи зміною температури в формуючій головці, то це призводить до того, що коливання продуктивності в класичному черв'ячному екструдері будуть складати ± 2,4÷4%, а в черв'ячному екструдері з шестеренним насосом ± 0,5÷1 %. Отже використання шестеренного насоса між черв'ячним екструдером і формуючим інструментом дозволяє практично повністю згладити пульсацію тиску і стабілізувати коливання продуктивності в екструдері. Таким чином класичний черв'ячний екструдер з шестеренним насосом менш чутливий до зміни опору формуючої головки, що позитивно впливає на геометричні розміри виробів. Для забезпечення номінальних розмірів допуски на полімерну продукцію, як правило йдуть в бік зменшення, що призводять до значної економії сировини, а також енергії яка витрачається на її перероблення.

    Переглянути
  • ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА УСТАНОВКА КАСКАДНОГО ДИСКОВО- ШЕСТЕРЕННОГО ЕКСТРУДЕРА

    Для підвищення ефективності переробки полімерних матеріалів, коли необхідно забезпечити підвищену пластифікацію і змішування, введення добавок, фарбування, переробку композиційних матеріалів часто використовують каскадні схеми екструзії, де вищезгадані процеси розділено на окремі операції з автономним керуванням. Каскадні установки порівняно з традиційними черв’ячними екструдерами мають кращі питомі показники і більш широку номенклатуру матеріалів, що перероблюються. Проведені дослідження каскадного дисково-шестеренного екструдера (ЕКДШ) для переробки полімерних матеріалів [1], в якому на першій стадії в якості розплавлювача-гомогенізатора використовується дисковий екструдер з дозованим живленням. Цей екструдер працює в «голодному» режимі, забезпечуючи кероване інтенсивне плавлення й змішування в зоні завантаження й пластикації . На другій стадії в якості дозатора встановлено шестеренний насос. Результати попередніх досліджень наведено в таблиці 1. Як видно з таблиці, ЕКДШ оснащений шестеренним насосом має кращі питомі показники і не призводить до перегрівання розплаву на відміну від каскадного дисково-черв’ячного екструдера з черв’ячним пресом. Продуктивність ЕКДШ лімітується продуктивністю шестеренного насосу, яка може бути визначена за нижче приведеною формулою [ 2]. Перша складова це теоретична продуктивність, що залежить від геометричних розмірів і частоти обертання шестерень, а друга і третя складові це втрата розплаву полімеру через зазори. При пульсації тиску , перед формуючим інструментом на фактичну продуктивність буде впливати тільки 2 складова. На експериментальній установці [1] були проведені дослідження продуктивності при змінному опорі формуючого інструменту і визначено, що втрати через зазори насосу величиною в 50мкм становить приблизно 2-3% від номінальної продуктивності, а перегрівання матеріалу складає 2-3 порівняно з 22-30 дисково- черв’ячному, рисунок 1, чим можна стверджувати про жорстку напірну характеристику шестеренного насосу і незначну дисипацію розплаву в ньому.

    Переглянути
  • ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ ПРОДУКТИВНОСТІ У ШЕСТЕРЕННОМУ НАСОСІ ВІД В’ЯЗКОСТІ ПОЛІМЕРНОГО РОЗПЛАВУ

    Шестеренний насос відіграє важливу роль в технологічних лініях для переробки полімерів. Він встановлюється між екструдером і формуючою головкою. Насос створює високий тиск, забезпечує жорстку та рівномірну подачу сировини і відсікає всі попередні флуктуації, при цьому перевитрати сировини і енергії не перевищують 1% від номінально запланованих. Актуальність дослідження полягає у тому, що від значення в’язкості перероблюваного матеріалу залежить критична швидкість оберДля виведення рівняння, яке визначає критичні оберти в залежності від в’язкості проаналізуємо рівняння продуктивності шестеренного насосу [1]. Перша частина рівняння (1) – це теоретична продуктивність, розрахована на основі теорії евольвентного зачеплення, яка залежить від геометричних розмірів шестерень та частоти обертання і не залежить від властивостей розплаву. Друга частина розраховує об’ємні витрати в зазорах і містить дві складові: перша складова , а– визначає рух розплаву за рахунок перепаду тисків на вході і виході з насоса, друга складова, б – це рух рідини за рахунок її прилипання до рухомої поверхні.Через те, що поверхні тертя змащуються за рахунок розплаву, друга складова не повинна перевищувати значення першої, боце призведе до «сухого» тертя між поверхнями і, як наслідок, – до виходу з ладу насоса. Тобто, швидкість рухомої поверхні відносно нерухомої не повинна перевищувати деяку критичну швидкість рухомої поверхні. Тоді, критична частота обертів визначається за рівнянням: Аналіз формули (2) показує, чим менша в’язкість розплаву, тим більшу критичну швидкість обертів забезпечить насос підвищуючи при цьому продуктивність (Рисунок 1).

    Переглянути
  • ВИЗНАЧЕННЯ ВИСОТИ ЗАЗОРУ В ШЕСТЕРЕННОМУ НАСОСІ

    Полімерні труби набувають все більшої популярності серед споживачів. Це насамперед пояснюється їх низькою вартістю в поєднанні з хорошими споживчими характеристиками, такими як: довговічність, міцність та стійкість до деформацій. В розвинутих країнах Європи полімерні труби в системі водопостачання витіснили майже всі інші види труб [1]. Зважаючи на високу популярність полімерних труб та на темпи зростання динаміки їх використання, постає питання створення нового високоощадного обладнання для їх виготовлення. Близько 60% полімерних матеріалів переробляється методом екструзії. Черв’ячні машини, які при цьому використовуються є малоефективними, так як в таких екструдерах для тсворення тиску та дозування розплаву використовується черв’ячний насос, який викликає пульсацію тиску на вході в екструзійну головку. Приклад: розглянемо полімерну трубу 32 з товщиною стінки 3,6 мм та допуском на товщину +0,6 мм: 0,6 32 3,6   . Це значить, що при циклічній пульсації продуктивності труба повинна виготовлятися з товщиною стінки 3,9 0,3  . Таким чином, мінімальна товщина стінки згідно ДСТУ Б В.2.7-151:2008 становить 3,6 мм, а фактична реальна товщина стінки складає 3,9 мм, що веде до перевитрат сировини та енергії. Рішенням проблеми може бути встановлення між екструдером і формуючою головкою об'ємного дозуючого насосу шестеренного типу, який в схемі екструзії виконує подвійну роль: 1 – відсікає пульсації тиску і продуктивності, які відбуваються в основному екструдері, 2 – розвантажує основний екструдер за рахунок зменшення тиску, що дає можливість підняти його продуктивність. Основним параметром який характеризує ефективність насоса є його продуктивність, яка визначається за формулою:де Qф - фактична продуктивність, Qт – теоретична продуктивність, розрахована на теорії зубчатого зачеплення, Qвт – втрати продуктивності в зазорах шестеренного насоса, які можна визначити за формулою (2), [2]:де U – швидкість рухомої поверхні в зазорі; b – ширина зазору, P1 і P2 – тиски на вході і виході з насоса, L – середня довжина зазору, h – висота зазору. Перша складова рівняння визначає рух розплаву за рахунок перепаду тиску на вході і виході з насоса, друга складова – це рух рідини в протилежному напрямі за рахунок її прилипання до рухомої поверхні. Приймаючи до уваги те, що поверхні тертя змащуються за рахунок розплаву, друга складова не повинна перевищувати значення першої, так як це призведе до «сухого» тертя між поверхнями і, як наслідок, - до виходу з ладу насоса. В цьому разі втрати розплаву повинні складати не більше 10% від фактичної продуктивності. З формули 2 видно, що втрати продуктивності найбільше залежать від висоти зазору і від встановлення його правильного значення. При значному збільшенні величини зазору будуть відбуватися значні втрати потоку та впаде жорсткість напірної характеристики, а при зменшенні висоти зазору до нуля поверхня шестерень не буде змащуватися. Взаємозв’язок між висотою зазору і в’язкістю при критичних обертах може бути представлено рівнянням (3): Це рівняння може бути використане для визначення мінімально можливої величини радіальних зазорів у шестеренному насосі при відомій в’язкості та перепаді тисків.

    Переглянути
  • ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ В’ЯЗКОСТІ ПОЛІМЕРНОГО РОЗПЛАВУ НА ПРОДУКТИВНІСТЬ ШЕСТЕРЕННОГО НАСОСА

    Шестеренні насоси (НШ) які встановлені на лініях виробництва полімерної продукції визначають її загальну продуктивність, тому дослідження режимів роботи насосів є актуальною задачею. Фактична продуктивність НШ визначається за рівнянням [1]:Під час перекачування насосом розплаву частина його повертається через гарантовані зазори на вхід насоса за рахунок перепаду тисків забезпечуючи змащування поверхонь тертя та надійну роботу обладнання. У нових насосах об’ємні втрати на змащування Qвт , як правило, не повинні перевищувати 10% від теоретичної продуктивності Qт . Враховуючи це, втрати на змащування можуть бути розраховані за рівнянням:де P- перепад тисків; h - висота зазору; b - ширина шестерень; n - частота обертання шестерень;  – в’язкість; L – середня довжина зазору. Проаналізувавши рівняння (2), бачимо, що за заданих геометричних параметрів насоса втрати продуктивності обумовлюються перепадом тиску, в’язкістю розплаву та частотою обертання шестерень. Допустима (критична) частота обертання шестерень, яка забезпечує 10% об’ємних втрат може бути представлена рівнянням: Як видно з рівняння (3) критичні оберти насоса є функцією в’язкості n f  ( )  й мають обернено пропорційну залежність. На основі цього були проведені дослідження шестеренного насоса типу НШ 30, у якого модуль шестерень m  3,5 мм, кількість зубів z 16 , ширина шестерень b  24 мм, а висота радіального зазору h 150 мкм, на базі каскадного дисково- шестеренного екструдера які показали, що зміна в’язкості розплаву призводить до зміни швидкості обертання шестерень насоса й відповідно, до зміни фактичної продуктивності НШ. На основі отриманих даних було побудовано графіки залежності критичних обертів та продуктивності НШ від в’язкості розплаву, рисунок 1. Також на рисунку 1 зображено аналітичну криву залежності обертів від в’язкості розплаву для НШ 30 приведену авторами [2].Таким чином рисунок 1 дає можливість визначити допустиму частоту обертання шестерень для полімерів з різною в’язкістю та можливу при цьому фактичну продуктивність насоса. Розбіжність між аналітичною і експериментальною кривою складає не більше 15 %, що підтверджує адекватність математичної моделі.

    Переглянути