^
Сорбируемая жидкость
дизельное топливо
керосин
машинное масло
толуол
бензин
Аи-92
нефть
на твердой поверхности
max, см3/г
3,08
3,33
3,64
3,64
4,00
4,00
на водной поверхности
max, см3/г
4,17
3,33
3,92
5,00
5,40
6,67
Для проверки применимости предложенной математической модели процесса удаления растворителя из полимерного порошка с помощью водяного пара был выполнен эксперимент на установке, изображенной на рис. 8. Эксперимент проводился следующим образом.
Рис. 8. Схема лабораторной установки: 1 – теплообменник конденсатор; 2 – вакуум-насос; 3 – сборник конденсата; 4 – измеритель температуры; 5, 12 – электронагреватель; 6 – вакуумметр; 7 – емкость; 8 – кювета; 9 – вода; 10 – порошок полимера насыщенный растворителем; 11 – конденсат (растворитель + вода)
Перед началом опыта воду в емкости 7 нагревали до температуры кипения при заданном давлении. Затем помещали в емкость кювету 8 с порошком полимера, насыщенным растворителем. Дно кюветы выполнено из проволочной сетки для проникновения паров воды через слой порошка. С помощью вакуум-насоса 2 создавали разрежение, в результате чего наблюдалось кипение воды с интенсивным образованием насыщенного пара. Если требовалось получить перегретый пар, то включался электронагреватель 12 для подвода теплоты от стенок корпуса к водяному пару. Во время экспериментов замеряли температуру порошка с помощью термопары и измерителя 4 и конечное влагосодержание. Графики на рис. 9-12 характеризуют зависимости температуры полимерного порошка, концентраций растворителя и воды в нем от времени процесса. Сплошной линией изображены расчетные данные, точками – экспериментальные. Сопоставление расчетных данных с экспериментальными показывает их хорошее соответствие.
Рис. 9. Изменение температуры полимерного порошка от времени процесса с насыщенным паром: давление в системе Р=0,5 атм
Рис. 10. Изменение концентраций растворителя и воды в полимерном порошке от времени процесса: 1 – растворитель; 2 – вода
Рис. 11. Изменение температуры полимерного порошка от времени процесса с перегретым паром: давление в системе Р=0,5 атм
Рис. 12. Изменение концентраций растворителя и воды в полимерном порошке от времени процесса: 1 – растворитель; 2 – вода
^ В четвертой главе приводится описание производственной линии получения полимерных порошков из отходов полимеров, схема которой изображена на рис.13. Установка работает следующим образом.
Рис. 13. Схема технологической линии получения полимерных порошков
1 – загрузочный бункер; 2 – дробилка; 3 – циклон; 4 – емкостной реактор; 5 – роторный диспергатор; 6 – сушильная камера; 7 – теплообменник-конденсатор; 8 – испаритель; 9 – сборник-декантатор; 10 – пылевой центробежный классификатор; 11 – фасовочный автомат; 12 – вакуум насос
Отходы полимеров собирают в загрузочном бункере 1, откуда они поступают в дробилку 2 для измельчения. Затем полимерную крошку направляют в емкостной реактор 4, где получают полимерный гель. Полученный гель поступает в роторный диспергатор 5, где образуется полимерный порошок, насыщенный растворителем. Порошок направляют в сушильную камеру 6 для удаления растворителя с помощью водяного пара. Пары растворителя и воды конденсируют в теплообменнике 7, конденсат собирают в сборнике-декантаторе 9, где воду и растворитель разделяют отстаиванием для повторного использования. Разрежение в системе создается с помощью вакуум-насоса 12. Высушенный порошок поступает в центробежный пылевой классификатор 10, откуда крупные частицы направляются для повторного измельчения, а частицы нужного размера в фасовочный автомат 11.
В данной главе представлена методика расчета установки для получения порошка ПЭНП, с помощью которой определяются рациональные режимно-технологические параметры, а также конструкционные параметры оборудования установки. Приведена блок-схема разработанного алгоритма расчета технологического цикла получения порошка полимера. Выполнен расчет роторного диспергатора производительностью 100 кг/ч, аппарата для удаления растворителя из полимерного порошка с помощью насыщенного и перегретого водяного пара, а так же теплообменника-конденсатора смеси паров.
Рис. 14. Зависимость производитель- ности роторного диспергатора от числа оборотов рабочего органа
Рис. 15. Распределение температуры полимерного геля по длине аппарата при различных оборотах рабочего органа: 1 – n=20 мин-1; 2 – n=45 мин-1; 3 – n=70 мин-1
Рис. 16. Зависимость мощности потребляемой роторным диспергатором от числа оборотов рабочего органа
Результаты расчета представленные на рис. 14-16, показывают, что диспергатор имеет производительность 100 кг/ч при числе оборотов рабочего органа 45 об/мин. Температура стенки аппарата в зоне охлаждения должна составлять 40 °С, для охлаждения геля полимера ниже температуры аморфизации (для системы ПЭНП – толуол составляет ~ 63 °С). Потребляемая мощность при данном числе оборотов рабочего органа равна 14 кВт·ч, что составляет 280 Вт·ч на 1 кг полученного полимерного порошка (при механическом измельчении расход электроэнергии составляет 1 – 5 кВт·ч на 1 кг получаемого продукта).
^ Основные результаты работы
Создана установка для получения порошка ПЭНП из его концентрированного геля. Выполненные экспериментальные исследования показали, что получаемый порошок ПЭНП имеет средний размер частиц в диапазоне 125-215 мкм при температурах в зоне охлаждения роторного диспергатора 46-55 °С, концентрации полимерного геля 35-50 % и числе оборотов рабочего органа 25 об/мин. Средний размер частиц полимерного порошка уменьшается с понижением температуры в зоне охлаждения и снижении концентрации геля.
Разработана математическая модель роторного диспергатора, позволяющая прогнозировать температурный режим, производительность и потребляемую мощность.
Установлено, что растворитель полностью удаляется из порошка ПЭНП в токе водяного пара. Выявлены закономерности изменения температуры в ходе процесса в зависимости от давления в системе. Проведенные экспериментальные исследования показали, что процесс следует вести при давлении ниже 0,5 атм с целью предотвращения подплавления полимерных частиц.
Разработано математическое описание процесса удаления органического растворителя из полимерного порошка с помощью насыщенного и перегретого водяного пара, позволяющее прогнозировать рациональные технологические параметры.
Выполнено сопоставление расчетных результатов с экспериментальными данными, продемонстрировавшее удовлетворительную точность расчетных прогнозов.
Разработана методика расчета процесса получения полимерного порошка и ее программно-алгоритмическое обеспечение. Проведен расчет опытно-промышленной установки производительностью 100 кг/ч по исходному полимерному гелю.
^ Основные обозначения, принятые в работе: Bа – ширина канала червяка в зоне дозирования; СА, СВ – относительные массовые концентрации растворителя и воды в твердой фазе; сА, сВ – удельные теплоемкости растворителя и воды; сР – удельная теплоемкость полимерного геля; DР – диаметр ротора; DЧ(а) – диаметр червяка в зоне дозирования; d – эквивалентный диаметр частиц полимера; eа – ширина гребня червяка в зоне дозирования; Fg, Fp – коэффициенты формы поступательного потока и противотока; GП, GP – массовые расходы полимерного порошка и полимерного геля; GAГ, GBГ – расходы паров растворителя и воды; На – глубина канала червяка в зоне дозирования; h – высота зазора между ротором и стенкой корпуса в зоне охлаждения; LР – длина ротора; LЧ(а) – длина червяка в зоне дозирования; МА, МВ – молекулярные массы растворителя и воды; n – частота вращения рабочего органа; Рвх, Рвых – давления на входе и выходе из диспергатора; PA, PВ – парциальные давления паров растворителя и воды в газовой фазе; РН.А, РН.В – давления насыщенных паров растворителя и воды; rA*, rВ* – удельные теплоты парообразования растворителя и воды; SР, SЧ – площади поперечного сечения ротора и червяка в зоне дозирования; t, tР – температуры полимерного порошка и полимерного геля; tСТ(а), tСТ(б) – температуры стенки корпуса диспергатора в зоне дозирования и охлаждения; tS– температура рабочего органа; zа – длина винтового канала червяка; ПР, ПЧ – периметры ротора и червяка в зоне дозирования; ПК(а), ПК(б) – периметры корпуса диспергатора в зонах дозирования и охлаждения; – коэффициент теплоотдачи от пара к материалу; а, б – коэффициенты теплоотдачи в зонах дозирования и охлаждения; A, В – коэффициенты массоотдачи для растворителя и воды; а, б – средняя скорость сдвига в зоне дозирования и охлаждения; – порозность слоя материала;
а, б – вязкости полимерного геля в зонах дозирования и охлаждения; – теплопроводность материала рабочего органа диспергатора; Р – плотность полимерного геля; – коэффициент заполнения; А, В – поправочные коэффициенты, учитывающие понижение давлений паров растворителя и воды при уменьшении концентраций их в твердой фазе.
^ Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:1. Евсеев, О.В. Переработка отходов полиэтилена в порошок в роторном диспергаторе / О.В. Евсеев, А.Г. Липин // Изв. вузов. Химия и химич. технол. – 2010. – Т.53, вып. 9. – С. 128-129.
2. Евсеев, О.В. Прогнозирование температурного режима роторного диспергатора / О.В. Евсеев, А.Г. Липин, Ю.М. Шкурин // Журн. «Совр. наукоем. технологии». Региональное приложение. – Иваново, 2009. – №4. – С. 60-64.
3. Евсеев, О.В. К расчету основных параметров роторного диспергатора / О.В. Евсеев, А.Г. Липин, Д.В. Кириллов // Журн. «Совр. наукоем. технологии». Региональное приложение. – Иваново, 2010. – №1. – С. 51-56.
4. Евсеев, О.В. Моделирование теплопереноса в червячной машине с двумя температурными зонами / О.В. Евсеев, А.Г. Липин // Сб. трудов, XXII международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-22». – Т.9. Секция 10. – Псков, 2009. – С. 86-87.
5. Евсеев, О.В. Расчет режимных параметров роторного диспергатора / О.В. Евсеев, А.Г. Липин, О.С. Каленова // Сб. трудов, XXIII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-23». – Т.3. Секция 3. – Саратов, 2010. – С. 104-105.
6. Евсеев, О.В. Получение сорбентов нефтепродуктов из отходов полиолефинов / О.В. Евсеев, А.Г. Липин // Сб. тезисов. докл. междун. научной конф. студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2010». – Москва, 2010. – ISBN 978-5-317-03197-8.
7. Евсеев, О.В. Переработка отходов полиолефинов в порошки в роторном диспергаторе / О.В. Евсеев, А.Г. Липин // Сб. трудов, XIII Международная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии - 2010». – Иваново-Суздаль, 2010. – С. 345.
8. Евсеев, О.В. Моделирование процесса отгонки растворителя из системы полиэтилен – толуол – вода / О.В. Евсеев // Тезисы докладов студенческой научной конференции ДНИ НАУКИ - 2007 «Фундаментальные науки – специалисту нового века» – Иваново, 2007. – С. 238.
9. Евсеев, О.В. Расчет теплового режима роторного диспергатора / О.В. Евсеев // Тезисы докладов студенческой научной конференции ДНИ НАУКИ-2009 «Фундаментальные науки – специалисту нового века» – Иваново, 2009. – С. 245.
10. Евсеев, О.В. Удаление растворителя из полимерного порошка / О.В. Евсеев, А.Г. Липин, О.С. Зыкова // Сб. трудов, IX Международная научная конференция «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств». – Иваново, 2010. – С. 50-53.
