Разработка и расчет непрерывного процесса получения порошка полиэтилена

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).

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.

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).

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