авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка и расчет непрерывного процесса получения порошка полиэтилена

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи








ЕВСЕЕВ Олег Владимирович





РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА

ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА ПОЛИЭТИЛЕНА








Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий



АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук










Иваново 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО “Ивановский государственный химико-технологический университет” на кафедре “Процессы и аппараты химической технологии”.

Научный - доктор технических наук, профессор

руководитель: Липин Александр Геннадьевич

Официальные - доктор технических наук, профессор

оппоненты: Авдюнин Евгений Геннадьевич


- доктор технических наук, профессор

Елин Николай Николаевич

Ведущая - Учреждение Российской академии наук

организация: «Институт химии растворов РАН», г. Иваново




Защита состоится «6» декабря 2010 г. в 1000 час. на заседании совета по защите кандидатских и докторских диссертаций Д 212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205.

Тел. (4932) 32-54-33. Факс: (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан «3» ноября 2010 г.

Ученый секретарь Зуева Г.А.

совета Д 212.063.05

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность темы

Порошковые материалы из синтетических и природных полимеров широко применяются в самых разных отраслях промышленности: в производстве пластмасс, резин, лакокрасочных материалов, косметических средств, в строительстве и дорожном строительстве, в антикоррозионной защите металлов. Полимерные порошки используются в качестве наполнителей, входящих в состав различных композиционных материалов, порошковых красок, сорбентов нефти и нефтепродуктов, для нанесения высокоэффективных антикоррозионных покрытий.

Получение порошков из полимерных отходов является одним из путей решения проблемы рециклинга полимеров. Переработка отходов полимерных материалов с целью получения полимерных порошков имеет важное значение не только с позиции охраны окружающей среды, но и с точки зрения сокращения расхода первичных полимеров, поскольку в условиях дефицита сырья полимерные отходы являются мощным сырьевым ресурсом. Однако широкому применению вторичных полимерных материалов препятствует недостаток соответствующих производственных мощностей.

Весьма перспективна в этом плане технология получения порошков полиолефинов методом упруго-деформационного измельчения, реализуемым в шнековом экструдере с измельчающей головкой роторного типа (роторном диспергаторе). Получаемый по данной технологии тонкодисперсный порошок полиэтилена является эффективным сорбентом нефтепродуктов. В связи с этим задача реализации технологии получения порошков полиолефинов в промышленных масштабах является актуальной. Сложность протекающих процессов и явлений обуславливает применение при разработке аппаратурно-технологического оформления методов математического моделирования. Вместе с тем в научно-технической литературе слабо отражены вопросы построения расчетно-теоретических моделей производственных установок по получению порошков полиолефинов, правильно учитывающих основные экспериментальные факты и достаточно простых с инженерной точки зрения.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научным направлением кафедры ПАХТ “Разработка новых высокоинтенсивных гетерогенных процессов и их аппаратурное оформление” в рамках тематического плана НИР Ивановского государственного химико-технологического университета на 2006 - 2010 г.

Объект исследования: процессы измельчения полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) и удаления растворителя из полимерного порошка.

Предмет исследования: температурные режимы диспергатора и аппарата для удаления растворителя и возможности управления ими.

Цель работы. Разработка методики расчета установки непрерывного действия по получению порошка полиэтилена, позволяющей достоверно прогнозировать конструкционные и технологические параметры.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

  • экспериментальное исследование процесса выделения полимера из полимерного геля в роторном диспергаторе;
  • разработка математического описания и расчет температурного режима роторного диспергатора;
  • экспериментальное исследование процесса удаления остаточного растворителя из полимерного порошка;
  • разработка математической модели процессов тепло-массопереноса на стадии удаления растворителя из полимерного порошка;
  • создание методики расчета установки непрерывного действия для получения полимерного порошка.

Научная новизна:

  1. Разработана математическая модель роторного диспергатора, позволяющая прогнозировать температурный режим, производительность и потребляемую мощность.
  2. Экспериментально установлены зависимости дисперсности получаемого порошка ПЭНП от температурного режима роторного диспергатора и концентрации геля полимера.
  3. Разработана математическая модель процесса удаления растворителя из полимерного порошка насыщенного растворителем в токе водяного пара, позволяющая исследовать влияние технологических параметров на его характеристики.
  4. На основе экспериментальных данных выполнена параметрическая идентификация и верификация разработанных моделей, показавшая их удовлетворительные прогностические возможности.

Практическая ценность:

  1. Разработана методика расчета основных стадий технологического процесса получения полимерных порошков методом упруго-деформационного измельчения полимерного геля.
  2. Выявлены рациональные режимно-технологические параметры получения порошка полиэтилена низкой плотности (ПЭНП).
  3. Разработаны средства компьютерной поддержки моделирования и расчета процесса получения полимерных порошков.

Разработанные методика расчета и программное обеспечение приняты к использованию в ООО «Ивтехно-групп», г. Иваново.

Автор защищает:

  1. Математическую модель теплопереноса в роторном диспергаторе, учитывающую теплообмен через тело червяка между зонами дозирования и охлаждения.
  2. Результаты экспериментальных исследований процесса получения полимерного порошка.
  3. Математическую модель процесса удаления растворителя из полимерного порошка в токе водяного пара, позволяющую прогнозировать рациональные технологические параметры.
  4. Результаты численного эксперимента по моделированию основных стадий непрерывного технологического процесса получения порошка полиэтилена.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

XXII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-22» (Псков, 2009); XXIII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-23» (Саратов, 2010); XIII Международная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии-2010» (Иваново-Суздаль, 2010); Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2010» (Москва, 2010); IX Международная научная конференция «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств» (Иваново, 2010); Студенческие научные конференции ДНИ НАУКИ-2007, 2009 «Фундаментальные науки – специалисту нового века» (Иваново, 2007, 2009).

Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 10 опубликованных печатных работах, в том числе 1 в журнале из списка ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 122 наименования.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, научная новизна, практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены проблемы вторичной переработки полимеров. Учитывая специфические свойства полимерных материалов – они не подвергаются гниению, коррозии, проблема их утилизации носит прежде всего экологический характер. Важное значение имеет и то, что в условиях дефицита полимерного сырья пластмассовые отходы становятся мощным сырьевым и энергетическим ресурсом. Использование отходов полимеров позволяет существенно экономить первичное сырье (прежде всего нефть) и электроэнергию.

Проведенный анализ областей применения полимерных порошков показал, что они с каждым годом все шире применяются в самых разных отраслях: в производстве пластмасс, резин, в строительстве и дорожном строительстве, в антикоррозийной защите металлов, в качестве наполнителей и связующих при получении композиционных материалов, а так же как сорбенты нефти и нефтепродуктов.

Рассмотрены способы получения полимерных порошков. В настоящее время можно выделить четыре основных метода их получения: суспензионная полимеризация, переосаждение из растворов, криогенное измельчение, дробление при нормальной температуре с использованием комбинированного ударного, сдвигового воздействия, резания и истирания.

В этой же главе рассматривается оборудование и устройства для переработки отходов полимеров в тонкодисперсные порошки.

В выводах по первой главе сформулированы основные задачи исследования диссертационной работы.

Вторая глава посвящена математическому моделированию процессов, протекающих в установке для получения полимерных порошков.

Создание непрерывнодействующей технологической линии по переработке полимерных отходов в порошки возможно на базе роторного диспергатора (рис.1).

 Схема роторного диспергатора -1 Рис. 1. Схема роторного диспергатора

Принцип работы диспергатора заключается в следующем. Полимерный гель поступает в дозирующую камеру (А), где его температура поддержива­ется с помощью теплоносителя. Из дозирующей камеры материал под давлением поступает в концентрический зазор камеры охлаждения (Б), стенки которой охлаждаются с помощью хладагента, циркулирующего через рубашку аппарата. Полимер переходит в аморфно-кристаллическое состояние при одновременном воздействии на него сдвиговых деформаций, вызываемых вращением ротора, в результате чего наблюдается образование тонкодисперсного порошка.

С целью прогнозирования рациональных режимных и конструкционных параметров роторного диспергатора выполнена разработка математической модели, включающей уравнения движения материала, переноса теплоты, материального и энергетического балансов.

При расчете теплопереноса в роторном диспергаторе необходимо в начале определить его производительность. Для определения массового расхода GP и давления P геля полимера на входе в зону (Б), воспользуемся уравнениями (1) и (2), характеризующими подачу, обеспечиваемую зоной дозирования GА, и расходную характеристику GБ зоны охлаждения:

, (1)

. (2)

Искомые параметры находим путем совместного решения уравнений (1), (2) полагая, что в стационарном режиме GP=GА=GБ. На рис. 2 приведены результаты расчета производительности лабора­торного диспергатора с диаметром червяка 26 мм и диаметром ротора 38 мм.

 Зависимость производительно­сти-4

Рис. 2. Зависимость производительно­сти роторного диспергатора от вели­чины зазора в зоне охлаждения: 1 – n=25 мин-1; 2 – n=50 мин-1; 3 – n=75 мин-1

При моделировании теплопереноса одновременно в зонах дозирования (А) и охлаждения (Б) принималось допуще­ние об одномерности температурных полей ротора, червяка и полимера. Рассматривался установившийся режим. Для описания теплопереноса в теле ротора и червяка воспользовались уравнением для стержня с боковым теплообменом. Так как они имеют разное сечение, то уравнения записаны для каждого из них:

, , (3)

, . (4)

Изменение температуры полимера характеризуется уравнениями теплового баланса:

, , (5)

, . (6)

Первые слагаемые правой части этих уравнений представляют собой тепловой поток от тела червяка и ротора, вторые слагаемые – тепловой поток от стенок корпуса, третьи слагаемые – тепловой поток за счет диссипации механической энергии.

Внутренние источники теплоты за счет диссипации механической энергии в зонах А и Б определяются соотношениями:

, (7)

. (8)

При формулировании граничных условий считалось, что на торцах червяка имеет место перенос теплоты к средам с температурами tc,0, tc,1. С помощью тепловых проводимостей 0, l задаем тепловые потоки:

, (9)

. (10)

На границе зон потребуем равенства тепловых потоков в теле червяка и ротора:

. (11)

На левой границе зоны дозирования задаем начальную температуру полимерного геля:

. (12)

Решение поставленной задачи целесообразно осуществлять методом последовательных приближений в следующей последовательности:

  1. Задаем температурное поле рабочего органа роторного диспергатора, как равномерное ;
  2. Решаем уравнения (5) и (6), определяем функцию tР(x);
  3. Решаем уравнения (3) и (4), находим функцию tS(x);
  4. Проверяем критерий окончания итерационного процесса

при n=0, 1,…, N,

здесь i – номер итерации.

Если отклонение в каком либо узле расчетной сетки в двух последующих приближениях больше заданного , расчеты повторяются, начиная с пункта 2.

С помощь предложенной математической модели можно прогнозировать производительность и тепловой режим роторного диспергатора в зависимости от его конструкционных параметров.

Рис. 3. Распределение температуры полимерного геля по длине аппарата при различных зазорах между ротором и стенкой корпуса в зоне охлаждения: 1 – h=0,2 мм; 2 – h=0,3 мм; 3 – h=0,4 мм

На рис. 3 приведены результаты математического моделирования распределения температур по длине аппарата (лабораторный диспергатор), где пунктирная линия – температура стенки аппарата, сплошная – температура полимерного геля. Графики показывают, что увеличение зазора в зоне охлаждения существенным образом влияет на температурный режим роторного диспергатора. Температура полимера в зоне охлаждения с увеличением зазора повышается с 59 до 74 °С, что значительно повлияет на дисперсность получаемого полимерного порошка.

Программная реализация решения уравнений математической модели выполнена в пакете Mathcad и использована при расчете опытно-промышленной установки.

С целью удаления растворителя из полимерного порошка целесообразно использовать отгонку водяным паром. Предложено математическое описание удаления растворителя в токе водяного пара, которое строилось исходя из следующей предполагаемой физической картины процесса (рис. 4).

 Схема аппарата для удаления-26 Рис. 4. Схема аппарата для удаления растворителя из полимерного порошка в токе водяного пара


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.