автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Формование высоконаполненных дисперсных композиций в одношнековом прессе

рукописи

Логинов Владимир Яковлевич

ФОРМОВАНИЕ ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫХ ДИСПЕРСНЫХ КОМПОЗИЦИЙ В ОДНОШНЕКОВОМ ПРЕССЕ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о ДЕК 2009

Москва - 2009

003488528

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева.

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор

Гордеев Лев Сергеевич Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор Московского

государственного областного педагогического университета Чулок Александр Ильич

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова Симонов-Емельянов Игорь Дмитриевич

Ведущая организация ОАО Научно-исследовательский институт

лакокрасочных покрытий с опытным машиностроительным заводом «Виктория»

Защита диссертации состоится 24 декабря 2009 г. в 11 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.204.03 в РХТУ им. Д.И. Менделеева по адресу: 125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан (</.&у> ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.03

- Женса А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Несмотря на бурное развитие теории переработки пластмасс в некоторых отраслях по-прежнему превалирует эмпиризм в проектировании и эксплуатации шнековых машин.

До настоящего времени для некоторых видов пластмасс не удается, не только оптимизировать, но даже стабилизировать процесс одношнекового формования в силу недостатка знаний о физико-механических свойствах этих пластмасс и, как следствие, несовершенства конструкции и неоптимальных технологических параметров формования.

Пластические массы в широком смысле, принятом в данной работе, это не только гомогенные расплавы натуральных и синтетических полимеров (термопласты, реактопласты и эластомеры), но и высоконаполненные дисперсные гетерофазные системы, физико-механические свойства которых допускают их переработку, в том числе шнековое формование, например: высококонцентрированные растворы целлюлозы и ее производных, высоконаполненные смеси биополимеров, катализаторные массы и другие высоконаполненные растворы и суспензии. Далее в тексте перечисленные пластмассы будем называть высоконаполненнъши дисперсными композициями (ВДК).

Эмпирические подходы в поиске оптимальной конструкции одношнекового пресса и параметров формования ВДК не приводят к успеху. Главной проблемой остается потеря устойчивости процесса формования ВДК, часто называемая срывом массы - это прекращение процесса формования. При этом давление в предматричной зоне резко падает до нуля, масса вращается на шнеке и скользит по поверх гости когезионного разрыва в зазоре между корпусом и шнеком, возникает локальный перегрев массы за счет внутреннего и внешнего трения, что в итоге приводит к механической и термической деструкции ВДК. Поэтому требуется срочная остановка всей технологической линии, очистка оборудования и новый запуск. Для некоторых ВДК срыв массы ведет к взрыву, потере оборудования и человеческим жертвам.

Нестабильность процессов шнекового формования ВДК и отсутствие прогноза потери устойчивости, выявили необходимость более тщательного изучения физико-механических свойств ВДК и построения новой математической модели процесса шнекового формования ВДК с учетом возможного срыва массы.

Цель работы. Выявить причины неустойчивости формования ВДК в одношнековом прессе, разработать рекомендации по их устранению, создать инструмент исследования физико-механических свойств и процесса шнекового формования ВДК с учетом неустойчивости. Научная новизна.

1. Предложена количественная оценка предела сдвиговой прочности ВДК на основе предельной деформации сдвига, накопленной ВДК в поле сдвиговых напряжений, при превышении которой ВДК терпит локальный когезионный разрыв, который далее лавинообразно распространяется по наиболее напряженному сечению.

2. Разработана методика оценки предела сдвиговой прочности ВДК на основе анализа сдвиговой ползучести. Выполнено математическое описание

1

зависимости предела сдвиговой прочности ВДК от температуры, давления и соотношения жидкой и твердой фаз.

3. Предложен критерий устойчивости формования ВДК в одношнековом прессе, основанный на сравнении предельной деформации сдвига ВДК с расчетной сдвиговой деформацией ВДК в наиболее напряженном аксиальном сечении канала шнека в предматричной зоне. Выявлены области устойчивого и неустойчивого формования ВДК в пространстве конструктивных и технологических параметров.

4. Разработаны методики экспресс-оценки качества формования ВДК и потери высоколетучей жидкой фазы ВДК на основе исследования компрессионных свойств ВДК прессованием в замкнутом объеме.

5. Разработана математическая модель процесса формования ВДК с учетом неустойчивости для анализа и оптимального проектирования одношнекового пресса, а также систем управления процессом в условиях периодически изменяющихся внешних условий. Модель учитывает сверханомальное реологическое поведение, обусловленное наличием предела текучести, предела сдвиговой прочности (срыв массы) и проскальзыванием на стенках каналов.

6. Разработана методика оценки границ области угрозы устойчивости с заданным запасом устойчивости в пространстве конструктивных параметров одношнекового пресса и технологических параметров режима формования.

Практическая ценность. Разработан инструмент исследования - пакет моделирующих программ (ПМП) в составе разрабатываемого аппаратно-программного комплекса «Исследование и переработка пластмасс», который обобщает накопленный опыт исследований физико-механических свойств и условий формования ВДК в одношнековом прессе с учетом неустойчивости.

Основу ПМП составляют вновь разработанные методики: оценка предела сдвиговой прочности ВДК, экспресс-оценка качества формования ВДК и экспресс-оценка состава высоколетучей жидкой фазы ВДК, а также существующие методики исследования физико-механических свойств пластмасс и методики математического моделирования одношнекового пресса.

С использованием ПМП выполнены исследования физико-механических свойств высококонцентрированных растворов этилцеллюлозы и поверочные расчеты действующих одношнековых прессов, выбраны оптимальные конструктивные и технологические параметры формования по производительности и мощности с ограничениями по устойчивости.

Предложен ряд новых конструкций одношнековых прессов, позволяющий увеличить их производительность за счет значительного повышения устойчивости формование ВДК и, таким образом, существенно снизить потери сырья и энергии. Новые конструкции защищены патентами. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: III Всесоюзной конференции "Математическое моделирование сложных ХТС", Таллин, 1982; 2-ой Международной конференции, посвященной памяти академика Г.К. Борескова. Новосибирск, 1997; 12th Conference "Process Control '99", Bratislava, 1999; 2-ой Международной конференции "Образование и устойчивое развитие общества", Москва, 2004.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, из них - 7 в научных журналах, в которых должны быть опубликованы основные результаты диссертации, авторских свидетельств и патентов - 4.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложения. Основной материал изложен на 166 страницах машинописного текста, содержит 101 рисунок, 34 таблицы и 9 приложений. Список литературы содержит 241 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении отражена и обоснована актуальность поставленной задачи. В первой главе приведен обзор методов исследования физико-механических свойств и математических моделей процесса шнекового формования пластмасс. Подавляющее большинство методов и моделей не учитывают особенностей физико-механических свойств ВДК. На основании анализа литературы были сформулированы цель, задачи исследования и намечены этапы их решения. Во второй главе выполнен анализ существующих методик исследования физико-механических свойств пластмасс и разработаны новые методики, описывающие явление неустойчивости процесса шнекового формования ВДК.

Для прогноза поведения пластмасс в процессе шнекового формования обычно используются две основные группы методик исследования физико-механических свойств: вискозиметрия и трибометрия.

При оценке результатов исследования ВДК обнаружены существенные расхождения и отсутствие воспроизводимости в результатах экспериментов по различным методикам вискозиметрии, на различных приборах. Узкий диапазон течения ВДК по скорости сдвига и напряжению сдвига (1-1,5 порядка) и высокая чувствительность физико-механических свойств от внешних факторов в процессе приготовления ВДК (природа и фракционный состав твердой фазы, вид и содержание растворителя и т.д.) предъявляют повышенные требования к выбору методик и качеству исследования.

Неустойчивое поведение ВДК в процессе формования и эксперименте проявляется в силу их специфических свойств: сверханомальное реологическое поведение, обусловленное наличием предела текучести, предела сдвиговой прочности (срыв массы) и проскальзывание на твердой поверхности.

Неустойчивое поведение ВДК усугубляет анизотропия состава, структуры и свойств ВДК в поле напряжений сдвига, давления и температуры, в частности, ориентация структуры и неравномерная миграция газовой и жидкой фазы ВДК, особенно интенсивно на границе с твердой поверхностью каналов с образованием смазывающего слоя. Эти результаты послужили поводом для расширения теоретической и инструментальной базы исследования.

В результате анализа проведенных исследований установлено, что наилучшей количественной оценкой сдвиговой прочности ВДК среди множества конкурирующих деформационных характеристик является предельная деформация сдвига («сдвиговая усталость»), накопленная ВДК в поле сдвиговых напряжений, при превышении которой ВДК терпит локальный когезионный разрыв, который далее лавинообразно распространяется по наиболее напряженному сечению ВДК и переходит в глобальный когезионный разрыв, называемый часто срывом массы.

Для количественной оценки устойчивости (формуемости) ВДК разработаны следующие специальные методики: оценка плотности ВДК прессованием в замкнутом объёме; экспресс-анализ состава высоколетучей жидкой фазы ВДК; исследование сдвиговой прочности ВДК на основе анализа сдвиговой ползучести. Для перечисленных методов разработаны специальные оснастки к механическим приводам с постоянной скоростью или постоянным напряжением. Далее следует описание результатов по отдельным методикам.

Оценка компрессионных свойств ВДК прессованием в замкнутом объеме.

Испытанию подвергалась этилцеллюлоза, пластифицированная высоколетучими и низколетучими растворителями различной природы и состава (рис. 1). Для ВДК с низколетучими растворителями варьировали также температуру массы.

На рис. 2 представлено преобразованное для анализа и математического описания

Кмтркгмдкиыг ао!мг. 11ДК ((

(МПа)

Рис. 1. Зависимость шютности ВДК [кг/м] отдаления [МПа] для различных по природе и составу растворителей и температур [°С ¡._

Рис. 2. Линеаризованная зависимость плотности ВДК [кг/м3] от давления [МПа] для различных по природе и составу растворителей и температур [°С ]._

семейство зависимостей плотности от давления (рис. 1):

Р-Ра

(1)

где: /'-давление; р - плотность; рд- начальная плотность.

Семейство зависимостей плотности от давления (рис.1) аппроксимировано несколькими видами уравнений, которые представляют собой решения дифференциального уравнения: с! р

ёР

= е-{р-ру-{а-р + ьу-, рЪ,г = рт

(2)

где: а, Ь, с, е, g -коэффициенты; р„р - пределы гая гипотетическая плотность ВДК без газовой фазы, определяемая следующим уравнением:

Рщ Т1 Р,'

/ = 1,2,...,А,

(3)

где: р, - плотность /-го компонента; Х-, - массовая доля /-го компонента твердой и жидкой фазы.

Дифференциальное уравнение (2) отражает два основных положения в

4

описании характера зависимостей (рис. 1): уменьшение скорости роста плотности, во-первых, - по мере удаления от начальной плотности ро и, во-вторых, - по мере приближения к предельной плотности гипотетической двухфазной системы р„р.

По результатам аппроксимации найдены наилучшие но структуре уравнения и подобраны коэффициенты, как в целом для семейства (рис.1), так и отдельных стадий уплотнения ВДК. Совокупность полученных уравнений является важной составляющей математического описания процесса шнекового формования, учитывая распределенность параметров по длине шнека.

Наблюдение за уплотнением ВДК в ходе эксперимента и его математическое моделирование позволили выявить и описать три стадии этого процесса.

На первой стадии уплотнения происходит превращение ВДК в «рыхлое» пористое тело за счет относительного перемещения агломератов твердой фазы, с частичным удалением газовой фазы между ними. Отсутствие давления является характерным признаком первой стадии.

На второй стадии ВДК уплотняется за счет частичного разрушения агломератов твердой фазы с полным удалением газовой фазы между ними и характеризуется существенно нелинейной зависимостью плотности от давления. Признаком завершения второй стадии является резкое возрастание давления.

На третьей стадии ВДК уплотняется за счет упруго-пластической деформации волокон твердой фазы и характеризуется резким возрастанием давления. В результате наблюдается перераспределение, частичный отжим и удаление жидкой и газовой фазы из поровой структуры волокна. При этом происходит частичная конденсация паров газовой в жидкую фазу, что также уменьшает количество газовой фазы. С ростом давления эти процессы распространяются вглубь волокна, охватывая все более мелкие поровые образования, что приводит к интенсификации процесса пластификации ВДК. В процессе перераспределения и частичного отжима жидкой и газовой фаз в поровой структуре волокна микропоры, связывающие между собой мезо- и макропоры, проявляют дросселирующий эффект, который обусловливает характер релаксации напряжений, вызванных упругостью газовой фазы. При сбросе давления дросселирующий эффект микропор преимущественно определяет характер релаксации ВДК, в т.ч. разбухание гранулята после выхода из пресс-инструмента (эффект Вайссенберга).

Гипотетически неограниченный рост давления превращает в пределе ВДК в гипотетическую двухфазную систему с гипотетическим пределом плотности (3), к которому асимптотически приближается плотность ВДК (рис 1). Третья стадия ограничена, с одной стороны, резким увеличением давления и, с другой стороны, лишь конструктивными и энергетическими возможностями пресса.

Количественной интегральной оценкой характера процесса уплотнения различных ВДК принят модуль удельной работы уплотнения ВДК, являющийся оценкой затрат энергии на единицу массы:

А = \Рс1У, -> 4 =

Рг, ~

(4)

где: У0 и К*- начальный и конечный объем массы.; т - масса ВДК; р0 и рк-начальная и конечная плотность ВДК.

Температура массы [°С]

Рис.3. Зависимость модуля удельной работы А2 [Дж/кг] на 2-й стагцш уплотнения от содержания растворителя 12.

Рис.4. Зависимость модуля удельной работы А2 [Дж/кг] на 2-й стадии уплотнения от температуры (растворитель 03)

600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50

1 4

; ; ¡ю-с/ 1

; ! Х/

. г. / % Е5=с......

20°с

I ; 1

20 30 40

Давление [М1а]

Рис. 5. Зависимость модул* удельной работы А3 [Дж/кг] №13-й стадии от давления Р [МПа] для составов с рачли-чным содержанием растворителя 12: 80%; 90%. 100%.

Рис. 6. Зависимость модули удельной работы А3 [Дж/кг] на 3-й стадии от давления Р [МПа] для состава с растворителем 03 при различных температур:«- 20°С; 55°С; 69°С

При подстановке в уравнение (4) различных уравнений семейства (2) получим семейство уравнений для оценки модуля удельной работы уплотнения. На рис. 3-6 представлены результаты расчета модуля удельной работы уплотнения, различных по природе и составу ВДК и температур на разных стадиях процесса уплотнения. Модуль удельной работы уплотнения может служить экспресс-оценкой степени пластификации (жесткости) ВДК в процессе формования, т.е. определить степень готовности массы к формованию, «перерабатываемость» ВДК.

Экспресс-анализ состава жидкой фазы ВДК, пластифицированной высоколетучими растворителями. В процессе формования, как и в эксперименте

с высоколетучими растворителями, потери последних неизбежны, и это оказывает существенное влияние на результаты. Совершенствованием оборудования можно лишь уменьшить эти потери, но исключить их принципиально не возможно. Поэтому возникает задача экспресс-анализа состава ВДК, как в лабораторных исследованиях для обеспечения достоверности результата, так и в системах управления процессом формования для сохранения управляемости.

Для решения поставленной задачи разработана методика, суть которой заключается в совместном решении уравнения (3), определяющего удельный объем

1100 11S0 1200 1750 1100 13S0 1400

Предельная плотность ВДК [кг/м1]

Рис.7, Зависимость содержания растворителей 1 и 2 or предельной плотности ВДК при различных температурах _

компонентов в смеси, и системы уравнений математического описания кинетики массопереноса жидкой фазы в окружающую среду:

\dX . ] -^■ = -a.-X.-S, Jfj ы0 = Х_д, a=a(PJ,Re), / = 1,2...../Д (5)

где: Xi%, а,- - массовая доля и коэффициент испарения i-го компонента жидкой фазы; S - площадь испарения; Р -давление; Т-температура; Re - критерий Рейнольдса.

Для решения системы уравнений (3,5) (при условии: Р, Re - const) зависимость коэффициентов испарения компонентов от температуры определяется экспериментально с последующей аппроксимацией, предельная плотность смеси определяется выше изложенной методикой. Результаты решения представлены на рис. 7. Оценка сдвиговой прочности ВДК на основе анализа ползучести. В основу

методики положены представления о характере развития деформации ВДК в поле сдвиговых напряжений, подтвержденные анализом процесса сдвиговой ползучести ВДК (рис.8). В испытании принципиально важно сохранять постоянство напряжений сдвига. Ниже приводится описание характера развития деформации ВДК в поле постоянных сдвиговых напряжений. Область упругой деформации I — линейна: характеризуется постоянной скоростью сдвига и постоянным сопротивлением без разрушения структуры ВДК.

Рнс.8.Характсрные кривые сдвиговой ползучести на диаграммной ленте ОблаетЬ—начального розру-теюомегричесной станции: / - время; / - деформация; F - сила сдвига. Швния Структуры II —

нелинейна: характеризуется резким уменьшением скорости сдвига и роста сопротивления среды за счет напряжения и частичного обрыва коагуляционных

связей. Вышедшие из зацепления волокна ориентируются в направлении сдвига и вновь входят в зацепление, закрепляя свою ориентацию. Этим объясняется неспособность ВДК быстро восстановить сдвиговую прочность после когезионого разрыва, т.е. масса «запоминает сдвиговую усталость».

Область развитого сдвигового течения ¡11 характеризуется уменьшением скорости сдвига до точки перегиба и увеличением после. В точке перегиба наблюдается динамическое равновесие между частотами обрыва активных связей и включения новых связей, при этом сдвиговое разрушение структуры ВДК продолжается. Эта область, часто называемая структурной ветвью кривой течения, определяет «перерабатываемость» (способность к формованию) ВДК. Область лавинообразного разрушения структуры IV характеризуется резким увеличением скорости сдвига и уменьшением сопротивления. Причина -исчерпание ресурсов прочности, т.е. частота включения активных связей меньше критической. Динамическое равновесие нарушается, но система уже не способна к саморегулированию. Процесс с ускорением переходит в лавинообразный, теряет устойчивость, наступает когезионный разрыв.

Область когезиониого разрыва V характеризуется постоянной скоростью сдвига, значительно превышающей скорость сдвига всех предыдущих областей и значительно меньшей вязкостью течения жидкой фазы в тонком слое между поверхностями когезионного разрыва.

На основе изложенного выше механизма развития деформации ВДК и результатов обработки проведенных испытаний в качестве критерия сдвиговой прочности среди следующих конкурирующих критических характеристик сдвига: напряжение сдвига, время сдвига (индукционный период), импульс напряжения сдвига, деформация сдвига, работа сдвига и др. следует выбрать величину критического градиента деформации сдвига, поскольку эта величина не зависит от напряжения сдвига, в отличие от остальных конкурирующих характеристик (рис. 9).

При этом критический градиент деформация сдвига существенно зависит от природы и концентрации растворителей и твердой фазы, а также температуры массы, т.е. чувствителен к внешним факторам. Результаты анализа чувствительности выбранного критерия сдвиговой прочности частично приведены на рис. 10.

11,0 I 10,0

ё- 9,0 -

О!

4

1 г 8,0 -

5 £

в 3 7.0

I 6.0'

1 5,0

у =0,0279х +9,9214

80% 03

Sö% 12

. 80% 04

у =-0,0751х+6,1302 'У =-0,1364х +4,5783

0,15 0,25 0,35

Напряжение сдвига, МПа

0,45

70 75 НО 85 90 95

Содержание растворителя [%]

Рис. 9. Независимость критического градиента деформации сдвига от напряжения сдвига для ВДК с различными растворителями (12,03,04) и одинаковым их содержанием 80 %

Рис. 10. Зависимость критического градиента деформации сдвига от содержания растворотеяя для ВДК с различными растворителями (12,03,04)_

Градиент деформации сдвига, характеризующий накопленную сдвиговую деформацию ВДК в наиболее напряженной области, далее будем называть индексом прочности. Критический градиент деформации сдвига, определяемый по данной методике, далее будем называть критическим индексом прочности. Условие устойчивости поведения ВДК в поле сдвиговых напряжений в общем случае определяется следующим образом:

У У У < У1р или — <1 или 1-->0 (6)

У1:р У < р

где: у ~ индекс прочности; уыр - критический индекс прочности.

Индекс прочности у характеризует фактическую максимальную деформацию сдвига («сдвиговую усталость»), накопленную ВДК в наиболее напряженной области поля сдвиговых деформаций:

•к

У = ¡УтУ (7)

о

где: Утах - максимальная скорость сдвига 1К - время пребывания массы в наиболее напряженном сечении поля скоростей сдвига.

Выражение у / укр характеризует уровень прочности (устойчивости), а выражение 1 - у / укр характеризует запас прочности (устойчивости). В третьей главе дано описание математической модели процесса формования ВДК для анализа и оптимального проектирования одношнекового пресса, а также систем управления процессом в условиях периодически изменяющихся внешних условий, в том числе связанных с плановым изменением состава ВДК или нестабильностью фазы подготовки ВДК.

Модель базируется на вышеуказанных представлениях о характере развития деформации ВДК, поэтому детально описывает поля напряжений и скоростей сдвига в зонах возможного проявления когезионного разрыва: распределенность по длине и высоте канала конструктивных, технологических параметров пресса и основных физико-механических свойств ВДК: сверханомальное реологическое поведение, обусловленное наличием предела текучести, предела сдвиговой прочности (срыв массы) и проскальзыванием на стенках каналов. В модели учитывается важнейшая конструктивная особенность одношнековых прессов для формования ВДК - наличие рифов на корпусе в зоне дозирования для предотвращения скольжения массы. Краткое описание модели:

• движение массы в канале представлено конечной последовательностью ячеек потока с условно постоянными конструктивными параметрами, параметрами состояния потока и физико-механических свойств ВДК вследствие активного перемешивания потока циркуляционной составляющей движения;

• с учетом рифления корпуса любое поперечное сечение потока массы рассматривается как три взаимосвязанные области с различным характером движения: канал шнека, впадины рифов и зазор между выступом рифа и ребордой шнека. Каждая область описывается отдельной системой уравнений;

• сдвиговое деформирование ВДК в докритической области кривой течения

описывается уравнением Балкли-Гершеля с параметрической зависимостью от температуры и характеризует стержневой характер течения в зонах ячейки с напряжением сдвига меньше предела текучести;

• скольжение массы на стенках каналов, включая боковые, имеет место при условии, когда сила внутреннего вязкого трения превышает силу внешнего трения;

• для оценки устойчивости формования ВДК используется распределение индекса прочности по высоте капала, характеризующее фактическую накопленную деформацию сдвига («сдвиговую усталость») ВДК, в т.ч. максимальную в наиболее напряженном аксиальном сечении зазора зоны дозирования в предматричной области.

Таким образом, реальное трехмерное движение массы в канале зоны дозирования одношнекового пресса моделируется конечной последовательностью ячеек вдоль оси канала с раздельным двухмерным представлением характера движения в каждой из трех выделенных областей ячейки и учетом массообмена между ячейками, контактирующими вдоль канала и через реборду, а также теплообмена с корпусом и шнеком.

Математическое описание физико-механических свойства ВДК, полученных с использованием рассмотренных выше методик, является важнейшей составляющей математического описания процесса шнекового формования, с учетом распределенности параметров по длине шнека:

Кривая течения в области докритического реологического поведения (структурная ветвь кривой течения) с допустимой погрешностью описывается уравнением Балкли-Гершеля с учетом параметрической зависимости от температуры:

у = к(ТНт-г0У, к(Т) = кн-ехр[Ьт-(Т-Тн)], (8)

где У - скорость сдвига; Т - ■ напряжение сдвига; - предел текучести; п -индекс течения; к(Т) - коэффициент консистенции в зависимости от текущей температуры массы; начальное значение к(Т„)\ Т„ и Т - начальная и текущая температура; Ьт-термический коэффициент.

Трение ВДК на стенках каналов (внешнее трение) в области высоких давлений удовлетворительно аппроксимируется 4-х параметрическим уравнением:

+ (9)

где г« - напряжение внешнего трения; \>с - скорость скольжения на твердой поверхности; Р - давление; с;..с\| - коэффициенты.

Плотность ВДК в широком интервале существенно нелинейна по давлению и близка линейной по доле жидкой фазы. В области высоких давлений (зона дозирования одношнекового пресса) плотность ВДК с допустимой погрешностью аппроксимируется линейной функцией давления, температуры и доли жидкой фазы:

р- а, +а2 ■ X + а3 -Р + а4 -Т, (10)

где: р - плотность массы; Х - доля жидкой фазы; Р - давление; 7'- температура; аг- а4 - коэффициенты.

Сдвиговая прочность ВДК, характеризуемая критическим индексом прочности Ук,, с допустимой погрешностью аппроксимируется линейной функцией давления, температуры и доли жидкой фазы:

ук =е]+е1-Х + еъ-Р + е4-Т, (11)

где:Х~доля жидкой фазы; Р- давление; '/'-температура; ег~ коэффициенты.

В результате математического моделирования одношнекового пресса определяются следующие характеристики потока массы в пределах каждой ячейки и их совокупности: ноле напряжений и скоростей сдвига, давление, температура, напряжения трения и скорости скольжения на стенках канала, объемные скорости прямотока, противотока и утечек в рифленом зазоре, мощности внутреннего и внешнего трения, рассеиваемые в канале, зазоре и рифах.

Анализ чувствительности модели по основным технологическим и конструктивным параметрам, а также физико-механическими параметрами ВДК на входе в пресс подтверждает возможность использования разработанной модели для решения поставленных задач. Во всех случаях характер отклика модели на изменение параметров согласуется с теоретическими представлениями и экспериментальными данными о характере поведения объекта моделирования.

На рис. 11 представлены результаты исследования устойчивости

Диаметр шнека

Запас устойчивости

- угроза срыва = 0,5;

- номинал = 0,3;

- оптимум — 0,6.

Шаг шнека

Запас устойчивости

- угроза срыва ~ 0,2;

- номинал = 0,29;

- оптимум = 0,37.

Срыв \

Угроза срыва

Запас V ст о й ч и в о ст и

- угроза срыва = 0,28;

- номинал = 0,29;

- оптимум = 0,67.

Давление

Запас устойчивости

- угроза срыва = 0,22;

- номинал = 0,48;

- оптимум =0,2 2.

Глубина канала

- угроза срыва = 0,23;

- номинал = 0,30;

- оптимум = 0,36.

Температура

Рис. 11. Диаграмма устойчивости номинального и оптимального режимов одношнекового формования в пространстве основных конструктивных и технологических параметров дтя ВДК с растворителем 12 (8(1 %). Все величины даны относительно номинала. Область угрозы устойчивости выделена желтым цветом___

И

номинального и оптимального режимов формования ВДК с растворителем 12 (80%) гранулирующего одношнекового пресса: наружный диаметр однозаходного шнека - 120 мм; шаг - 60 мм; глубина канала - 8 мм; на корпусе 15 рифов глубиной 1,5 мм; давление формования - 5 МПа, температура - 42,5 °С. В четвертой главе выполнена оптимизация конструкции пресса и режима формования. В результате оптимизации: критерий оптимальности (удельные затраты энергии [кДж / кг]), уменьшен на 62 %. Запас устойчивости увеличен с 0,3 до 0,64 (рис. 11). В основу оптимизации конструкции заложены два предложения с новыми конструкциями одношнековых гранулирующих прессов для переработки ВДК в различных отраслях промышленности, например, химической (производство катализаторов), пищевой и других.

Первое предложение. Для снижения энергоемкости, повышения устойчивости формования и качества гранулята на внутренней стороне многоканального пресс-инструмента выполнены формующие каналы, которые имеют сужающиеся заходные части, пересечения которых полностью исключают "мертвые" зоны между каналами, образуя при этом поверхность сложной конфигурации в виде совокупности граничащих между собой многоугольных ячеек с острыми вогнутыми непрерывными кромками (рис.12), которые разрезают поток на локальные зоны, равномерно заполняющие заходные части формующих каналов. Масса перемешивается за счет сдвига, и плавно переходит в цилиндрические части каналов, где и завершается процесс формования.

Рис. 12. а) схема пресса. 6) пресс-инструмент, в) сечение А-А пресс-инструмента б. I

Отсутствие "мертвых" зон между каналами уменьшает сопротивление пресс-инструмента, снижает давление прессования до 20% и, следовательно, вероятность срыва массы, а также уменьшает энергетические затраты формования и разбухание гранулята. Кроме того, снижаются пульсации скорости прессования, что приводит к повышению однородности гранул по размерам и поровой структуре до 25%.

Геометрические параметры пресс-инструмента: общая длина формующих каналов, их количество, взаимное расположение, длина и форма сужающейся заходпой части каналов определяются физико-механическими свойствами формуемой массы, а также конструкцией пресса и режимом формования.

Второе предложение. Для повышения производительности пресса, устойчивости процесса формования и расширения диапазона перерабатываемых ВДК по составу и свойствам на втулке (рис. 13) изготовляются винтовые волнообразные рифы с периодически изменяющимся поперечным сечением впадины определенной формы (например, сегмент круга, трапеция и т.д.).

Рис. 13. Втулка корпуса с винтовыми волнистыми рифами

Переход от рифов постоянного сечения в зоне загрузки к переменному сечению в зоне дозирования выполняется плавно с постепенным возрастанием амплитуды изменений поперечного сечения. Волнообразные впадины рифов при этом смещены друг относительно друга так, что площадь поперечного сечения всех рифов в любом произвольном поперечном сечении корпуса одинакова. Масса, перемещаемая ребордой шнека во впадине волнообразного рифа, периодически (шаг волны рифа) вытесняет из зазора массу, отработавшую свой ресурс прочности, в менее напряженную зону канала шнека, где масса перемешиваясь редактирует, восстанавливает частично запас прочности.

Предложенная конструкция повышает устойчивость формования, так как увеличивается ресурс сдвиговой прочности массы за счет более интенсивного ее обновления в зазоре. При этом интенсифицируется перемешивание массы в каналах шнека и, следовательно, стабилизируются физико-механические свойства массы, за счет повышения структурной и температурной однородности, уменьшается опасность локального перегрева массы за счет диссипации энергии, что особенно важно при переработке термореактивных материалов.

При этом существенно повышается качество и устойчивость формования, что приводит в итоге к уменьшению потерь сырья и энергии, за счет сокращения количества аварийных остановов технологической линии из-за срыва массы с рифов

В пятой главе дано описание пакета моделирующих программ (ПМП), входящего в состав разрабатываемого аппаратно-программного комплекса «Исследование и переработка пластмасс», и определена сфера его применения. ПМП разработан для исследователей, технологов, конструкторов, специалистов по управлению и автоматизации в области исследования и переработки пластмасс.

Пакет моделирующих программ выполнен на единой методологической основе с общей базой данных, что обеспечивает:

• ускорение внедрения научных разработок за счет оперативного перехода от экспериментальных исследований к проектированию оборудования и обратно;

• систематизацию экспериментальных данных, полученных в различное время, различными исследователями, по различным методикам для совмещения их использования в исследовании, проектировании и управлении процессами;

• расширение возможностей существующих и создание принципиально новых методик, совмещающих экспресс-анализ экспериментальных данных, а также анализ и проектирование технологического оборудования, в т.ч. построение и эксплуатацию гибких автоматизированных производств.

Ядром пакета моделирующих программ (рис.14) является база данных, обеспечивающая информационную совместимость всех подсистем, которые могут

Рис. 14. Структура пакета моделирующих программ

Подсистемы организационной и математической поддержки являются общим программным компонентом пакета прикладных программ, что вместе с модульным принципом построения обеспечивает: расширение, изменение или полную замену любого, входящего в подсистему, блока; автономную и комплексную работу всех блоков; существенное уменьшение трудоемкости программирования новой методики исследования или проектирования за счет использования общих программных модулей, что позволяет настроить ПМП для решения любых задач в области исследования и переработки пластмасс и в смежных областях.

Подсистема методической поддержки включает в себя: блок методик исследования физико-механических свойств пластмасс, а также методик исследования и проектирования одношнекового пресса, которые могут быть использованы для любых пластмасс, в том числе ВДК.

Оперативное использование в диалоговом режиме единой базы данных с результатами лабораторных и полупромышленных испытаний, выполненных по различным методикам и накопленных за длительный период времени, позволяет повысить оперативность и достоверность математического описания проведенных экспериментов и моделирования одношнекового формования ВДК.

ВЫВОДЫ

1. В результате исследования характера развития деформации ВДК установлено и экспериментально подтверждено, что наилучшей оценкой сдвиговой прочности является критический градиент деформации сдвига (критический индекс прочности), накопленной ВДК в поле сдвиговых напряжений. Предложен критерий устойчивости формования ВДК на основе сравнения предельного градиента деформации сдвига с расчетным градиентом сдвиговой деформацией ВДК в наиболее напряженном аксиальном сечении канала шнека в предматричной зоне.

2. Для оценки устойчивости формования (формуемости) ВДК разработан ряд оригинальных методик: определение сдвиговой прочности ВДК с использованием кривой ползучести; оценка компрессионных свойств ВДК прессованием в замкнутом объеме, экспресс-анализ состава высоколетучей жидкой фазы ВДК.

3. Дано математическое описание сдвиговой прочности ВДК от давления, температуры и соотношения твердой и жидкой фаз ВДК на основе анализа ползучести; внешнего трения в области высоких давлений; компрессионных свойств. Показано, что реологические свойства ВДК в области докритического реологического поведения с допустимой погрешностью описываются уравнением Балкли-Гершеля с параметрической зависимостью от температуры.

4. Разработана новая математическая модель формования ВДК, учитывающая распределенность конструктивных и технологических параметров, а также параметров состояния и физико-механических свойств ВДК. Модель отличает от известных учет особенностей поведения ВДК в поле напряжений сдвига, давлений и температур - сверханомальное реологическое поведение, обусловленное наличием предела текучести, предела сдвиговой прочности и проскальзыванием на стенках каналов.

5. Расчеты, выполненные по предложенной математической модели, позволили определить области работы одношнекового пресса: устойчивую и неустойчивую, обусловленную срывом массы в наиболее напряженном аксиальном сечении

15

(зазор реборды шнека - риф), в зависимости от изменения в широком диапазоне конструктивных и технологических параметров одношнекового пресса.

6. Предложена оригинальная методика оценки границ области угрозы устойчивости с заданным запасом устойчивости в пространстве конструктивных и технологических парамегров одношнекового пресса.

7. Предложен ряд новых конструкций одношнековых прессов: изготовление формующих каналов в пресс-инструменте с сужающимися заходными частями, винтовых волнообразных рифов на внутренней поверхности корпуса, позволяющих увеличить производительность одношнекового пресса за счет значительного повышения устойчивости формование ВДК и, таким образом, значительно снизить потери сырья и энергии.

8. Разработан пакет моделирующих программ в составе аппаратно-программного комплекса «Исследование и переработка пластмасс», использование которого позволило исследовать физико-механические свойства ВДК, выполнить поверочные расчеты одношнековых прессов, выбрать оптимальные конструктивные и технологические параметры формования, обеспечивающие минимум удельных затрат энергии на единицу массы получаемого гранулята в условиях устойчивой и экономичной работы одношнекового пресса.

АББРЕВИАТУРА ВДК - высоконаполненные дисперсные композиции; ПМП - пакет моделирующих программ.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Логинов В.Я., Кондаков Н.С., Бояринов А.И.. Математическое моделирование процесса формования полимерной массы как объекта управления ХТС. // Тез. докл. III Всесоюзной конференции "Математическое моделирование сложных ХТС". Таллин, 1982, С.82.

2. Логинов В.Я., Кондаков Н.С., Иванов С.Н.. Математическое моделирование процесса формования полимерной массы с целью проектирования оптимального технологического процесса и системы управления.// Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева. 1983. Выпуск 127, С.70-78.

3. Логинов В.Я., Кондаков Н.С., Заботнова Р.Ф. Подсистема информационного обеспечения гибкого автоматизированного производства по переработке пластмасс.//Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева. 1988. Выпуск 152, С.97-102.

4. Логинов В.Я., Равичев Л.В., Беспалов A.B., Старостина Н.Г. Основные концепции математического моделирования формования высоконаполненных дисперсных масс в одношнековом прессе // Тез. докл. 10 Межд. конф. по химии и хим. технологии «МКХТ-96». М.: 1996. 4.1. С.144.

5. Loginov V.Y., Ravichev L.V., Bespalov A.V., Starostina N.G. New conception extrusion forming of catalyst masses.// Тез. докл. 2-ой Межд. конф., посвященной памяти академика Г.К. Борескова, Century Science and Engineering "Catalysis on there of the XXI " Новосибирск: 1997. C.23.

6. Логинов В.Я., Равичев Л.В., Беспалов A.B., Старостина Н.Г. Выбор конструктивных параметров одношнекового пресса, обеспечивающих условия его непрерывной стабильной работы. // Хим. пром-сть. 1998. №2.С. 112-114.

7. Логинов В.Я., Равичев JI.B., Беспалов A.B., Старостина Н.Г. Выбор технологических параметров одношнекового пресса, обеспечивающих условия его непрерывной стабильной работы. // Хим. пром-сть. 1998. №3.С. 176-177.

8. Loginov V.Y., Ravichev L.V., Bespalov A.V., Starostina N.G.. The modeling of extrusion forming of catalyst masses.// 12lh Conference "Process Control '99", Bratislava, 1999, V.l, P.142 - 144.

9. Логинов В.Я., Равичев Л.В., Беспалов A.B., Старостина Н.Г. Математическая модель формования наполненных композиций в одношнековом прессе.// ТОХТ. 1999. Т.ЗЗ. №2. С.208-216.

10.Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Математическое моделирование вязкостных свойств суспензий полифракционного состава // Хим. пром-сть. 2000. №9.С.487-491.

П.Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Моделирование экструзионного формования // Тез. докл. 2-ой Межд. конф. "Образование и устойчивое развитие общества", Москва, 2004, С. 163.

12.Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Моделирование вязкостных свойств концентрированных суспензий // ТОХТ, 2008, том 42, № 3, с. 326-335.

13.Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Аппаратно-программный комплекс для исследования, проектирования и управления процессом переработки пластических масс // Хим. пром-сть сегодня. 2009. № 8.с.51-55.

14.Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Аппаратно-программный комплекс для исследования, проектирования и управления процессом переработки пластических масс. Блок методик исследования физико-механических свойств пластических масс //Хим. пром-сть сегодня. 2009. № 1 O.e. 18-24.

15.Авт. свид. № 1726256 (СССР) В 28 В 3/22- Гранулирующий шнековый пресс для высококонцентрированных полидисперсных материалов / Логинов В.Я., Равичев Л.В., Беспалов A.B., Федосеев А.П., Заботнова Р.Ф., Бровкин Ю.А., заявка № 4736041, приоритет 01.08.1989г., регистрация 15.12.1991г.

16.Патент РФ № 2092318, Гранулирующий шнековый пресс, / Логинов В.Я., Равичев Л.В., Беспалов A.B., Старостина Н.Г., заявка № 96105736, приоритет 26.03.1996г., регистрация 10.10.1997г., Бюл. .№ 28 от 10.10.97 г.

17.Патент РФ № 2122495, Гранулирующий шнековый пресс, / Логинов В.Я., Равичев Л.В., Беспалов A.B., Старостина Н.Г., заявка № 97119939, приоритет 02.12.1997г., регистрация 27.11.1998г., Бюл. .№33 от 27.11.98 г.

18.Патент РФ № 2198787, Гранулирующий шнековый пресс, / Равичев Л.В., Беспалов A.B., Логинов В.Я., заявка № 2001134910, приоритет 25.12.2001г., регистрация 20.02.2003г., Бюл. .№ 5 от 20.02.2003г.

Заказ № 68_Объём 1.0 пл._Тираж 100 экз.

Издательский центр РХТУ им. Д.И.Менделеева

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Физико-механические свойства пластмасс.

1.1.1. Компрессионные свойства пластмасс.

1.1.2. Реология пластмасс (вискозиметрия).

1.1.3. Трение пластмасс на твердых поверхностях (трибометрия).

1.2. Математическое моделирование экструзии пластмасс.

1.2.1. Математические модели экструзии расплавов термопластов.

1.2.2. Математические модели экструзии пищевых продуктов.

1.2.3. Математические модели экструзии катализаторных масс.

1.2.4. Математические модели экструзии керамических масс.

1.2.5. Другие подходы к математическому моделированию экструзии.

1.3. Влияние влажности массы на реологию и качество экструдата.

1.4. Влияние конструкции пресса на качество экструдатов.

1.4.1. Пресс-инструмент.

1.4.2. Шнек.

1.4.3. Корпус.

1.5. Масштабирование процессов формования.

1.6. Обсуждение результатов обзора.

1.7. Постановка задачи.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОНАПОЛ

НЕННЫХ ДИСПЕРСНЫХ КОМПОЗИЦИЙ (ВДК).

2.1. Методика оценки компрессионных свойств ВДК.

2.1.1. Описание компрессионных свойств ВДК.

2.1.2. Построение обобщенной зависимости плотности массы от давления, температуры и состава ВДК.

2.1.3. Оценка жесткости ВДК. Модуль удельной работы уплотнения.

2.1.4. Анализ зависимости модуля удельной работы от давления, температуры и состава ВДК.

Краткая историческая справка. Первый зарегистрированный промышленный экструдер был изобретен Джозефом Брамахоли 1795 году. Это была машина ручного действия, предназначенная для изготовления свинцовых труб. Первые патенты на экструзионные машины с архимедовым винтом, были выданы Грею (Англия) и Роулу (США). В середине 19-го века до появления промышленности синтетических полимеров был известен процесс экструдирования изделий из каучука И только в 1925 году экструзия различных типов поливинилхлорида положила начало современной экструзионной технологии Первый шнековый экструдер, созданный специально для переработки синтетических термопластов, был создан в 1935 году в Германии С середины XX века шнековая переработка пластмасс это — самостоятельная область техники, которая динамично развивается по всем направлениям, захватывая новые отрасли промышленности. Экструдер на основе архимедова винта, по сути, стал предпосылкой и символом перехода к высокопроизводительной непрерывной технологии в любой отрасли

Первая статья по теории шнекового формования анонимного автора опубликована в 1922 г Примерно в это же время Роувелл и Финлэйсон [1] одними из первых выполнили теоретические исследования шнековых экструдеров.

Наиболее важными в плане становления теории переработки полимеров считают 122-ю конференцию Американского химического общества (ACS) 1953 г., и ранние публикации наиболее известных авторов- Ребиндера, Виноградова, Малкина, Муни, Бэгли, Дарнелла, Мола, Мэддока, Мак-Келви, Шенкеля, Бернхардта, Тадмора, Эккера и др. [1-29] Базовым элементом этой теории является описание физико-механических свойств пластмасс и, в частности, реология Первое полное математическое описание процесса шнекового формования от загрузочного бункера до фильеры составлено в 1965 г трудами вышеперечисленных авторов. Активное развитие математическое моделирование переработки пластмасс получило в трудах Силина, Торнера, Кима, Генералова, Басова, Скачкова, Тябина, Бортникова, Янкова, Первадчука и других авторов [30-44]. До настоящего времени эта теория быстро развивается и проникает во все отрасли переработки пластмасс.

Актуальность работы. Несмотря на бурное развитие теории и практики переработки пластмасс в некоторых отраслях по-прежнему превалирует эмпиризм в проектировании и эксплуатации шнековых машин.

До настоящего времени для некоторых видов пластмасс не удается не только оптимизировать, но даже стабилизировать процесс одношнекового формования в силу недостатка знаний о физико-механических свойствах этих пластмасс и, как следствие, несовершенства конструкции и неоптимальных технологических параметров формования.

Пластические массы в широком смысле это не только гомогенные расплавы натуральных и синтетических полимеров (термопласты, реактопласты и эластомеры), но и высоконаполненные дисперсные гетерофазные системы, физико-механические свойства которых допускают их переработку, в том числе шнековое формование, например: высококонцентрированные растворы целлюлозы и ее производных, высоконаполненные смеси биополимеров, катализаторные массы и другие высоконаполненные растворы и суспензии. Далее в тексте перечисленные пластмассы будем называть высоконаполненными дисперсными композициями (ВДК).

По структуре ВДК представляет собой коллоидное капиллярно-пористое тело с каркасом из агломератов твердой фазы, удерживающим внутри жидкую и газовую фазы. Характерные признаки деформирования ВДК в поле сдвиговых напряжений — это заметное проявление твердообразных упруговязкопластичных свойств. Примеры продуктов шнекового формования ВДК:

• изделия из экструдированных полимерных композитов с наполнителями и модификаторами в производстве промышленных взрывчатых компонентов и пиротехнических изделий;

• все марки гранулята и блоков катализаторов;

• изделия из экструдированных натуральных продуктов питания и их смесей для дальнейшей переработки или быстрого приготовления пищи в полевых условиях, а также бортовой неприкосновенный запас на морских и воздушных судах;

• гранулированный комбикорм для домашних животных;

• экструдированные изделия строительного и машиностроительного назначения из ВДК, включающие полимеризующпе составы и все виды органических и неорганических наполнителей.

Конструктивная особенность одношнековых прессов для формования ВДК - рифы на корпусе в зоне дозирования для удержания массы от проскальзывания. Важнейшей особенностью процесса формования ВДК в одношнековом прессе является потеря устойчивости процесса в критических условиях, часто называемая срывом массы с рифов на корпусе, которая приводит к прекращению процесса формования. При этом давление в предматричной зоне резко падает до нуля, масса вращается на шнеке и скользит по поверхности когезионного разрыва в зазоре между корпусом и шнеком, возникает локальный перегрев массы за счет внутреннего и внешнего трения, что в итоге приводит к механической и термической деструкции ВДК. Поэтому требуется срочная остановка всей технологической линии, очистка оборудования и новый запуск.

Для большинства ВДК — это значительные материальные и энергетические потери производства, но главное, потери фактической производительности технологической линии. Для некоторых видов ВДК, в частности высококонцентрированных растворов производных целю-лозы, срыв массы с рифов приводит к взрыву, потере оборудования и человеческим жертвам.

Основной причиной неустойчивости формования являются специфические свойств ВДК: сверханомальное реологическое поведение, обусловленное наличием предела текучести, предела сдвиговой прочности и проскальзыванием на твердой поверхности.

ВДК в поле напряжений сдвига проявляют твердообразные упруговязкопластичные свойства, в отличие от более распространенных, хорошо изученных и описанных: гомогенных расплавов термопластов, которые заметно проявляют лишь вязкошгастичные свойства без проскальзывания на твердых поверхностях каналов. Такой широкий набор аномалий деформирования ВДК принято называть сверханомалией.

Неустойчивое поведение ВДК при деформировании усугубляет анизотропия структуры, состава и свойств ВДК в поле давлений, температур и напряжений сдвига, в частности, ориентация макромолекул и надмолекулярных образований и неравномерная миграция газовой и жидкой фазы ВДК, особенно интенсивно на границе с твердой поверхностью каналов с образованием специфического «смазывающего» слоя.

Отклонения физико-механических свойств ВДК от допустимых на предыдущей стадии подготовки ВДК на стадии формования в прессе с определенными конструктивными параметрами, в определенном режиме формования становятся критическими. При этом незначительные относительно критических изменения физико-механических свойств ВДК в прессе, нарушение условий питания зоны дозирования пресса, изменение сопротивления пресс-инструмента, а также технологических параметров формования могут привести к потере устойчивости процесса формования (срыву). Таким образом малые неконтролируемые отклонения параметров формования могут привести к потере устойчивости в системе: подготовка ВДК-формование ВДК в силу тесной взаимосвязи этих стадий в общей технологической линии.

Поиск оптимальной конструкции одношнекового пресса и параметров формования ВДК с целью предотвращения такого грозного явления, как потеря устойчивости, эмпирическими методами не приводит к успеху в силу сложной взаимосвязи параметров и зависимых переменных процесса формования и подготовки ВДК. Задача стабильного формования ВДК и надежного прогноза потери устойчивости не решена до настоящего времени.

Общая постановка задачи. Нестабильность шнекового формования ВДК и ее крайний случай: потеря устойчивости (срыв массы с рифов) — основная проблема формования ВДК. И причина тому — сверханомальное поведение ВДК в поле напряжений сдвига.

Для обеспечения устойчивой работы одношнекового пресса при формовании ВДК с учетом возможных отклонений физико-механических свойств на стадии подготовки ВДК необходимо: • Исследовать явление срыва массы с рифов. Построить математическое описание этого явления: найти количественные оценки и сформулировать условие устойчивого формования

ВДК для использования в качестве ограничения при решении задач конструирования одношнековых прессов, оптимальных в смысле того или иного критерия.

• Построить математическую модель процесса одношнекового формования ВДК с учетом сверханомалии и неустойчивости деформирования ВДК для анализа и оптимального проектирования одношнекового пресса, а также систем управления процессом в условиях периодически изменяющихся внешних условий.

• Предложить систему проектирования процесса формования ВДК, обеспечивающую оптимальные в смысле того или иного критерия технологические параметры процесса с определенным запасом устойчивости и учетом допустимых отклонений физико-механических свойств на стадии подготовки ВДК.

• Создать методику прогноза срыва массы с рифов в процессе формования на действующем прессе с использованием экспресс-анализа критических характеристик формуемости ВДК на стадии подготовки.

• Исследовать устойчивость переходных процессов и стационарных состояний одношнекового формования ВДК с привлечением аппарата теории устойчивости движения.

• Выделить и оценить влияние наиболее опасных возмущающих воздействий, угрожающих срывом массы.

• Выделить и оценить влияние наиболее эффективных управляющих воздействий для компенсации условий нарушения устойчивости процесса, угрожающих срывом массы.

• Построить систему автоматического управления, которая, выполняя основную задачу оптимального ведения процесса, позволяет оперативно оценивать и поддерживать устойчивость процесса на заданном уровне.

Перечисленный комплекс исследований и разработок можно считать общей постановкой задачи системного характера, которую невозможно решить в рамках одной работы. Поэтому цель настоящей работы заключается в том, чтобы выявить и описать характер и причины неустойчивости формования ВДК в одношнековом прессе, разработать рекомендации по их устранению, создать инструмент исследования физико-механических свойств и процесса шнекового формования ВДК с учетом неустойчивости.

Отсутствие в настоящее время надежных методов прогноза потери устойчивости формования, обусловленной срывом массы, выявили необходимость тщательного изучения физико-механических свойств ВДК с точки зрения сдвиговой прочности и построения новой математической модели одношнекового формования ВДК с учетом возможного срыва массы.

Поиск наилучшего критерия устойчивости следует вести, как нам представляется, путем сравнительного испытания нескольких конкурирующих характеристик сдвига на основе экспериментальных данных по физико-механическим свойствам ВДК.

Применяемые в настоящей работе термины устойчивость, уровень устойчивости, запас устойчивости следует читать в вышеизложенном техническом смысле применительно к процессу формования ВДК без претензии на известный общий характер их использования в теории устойчивости движения, основанной академиком A.M. Ляпуновым [45—48,77,79].

Правомерность использования этих терминов в данной работе, возможно, будет вызывать некоторые сомнения, поскольку анализ устойчивости стационарных состояний процесса в данной работе выполняется специально разработанной методикой без привлечения известного аппарата теории устойчивости движения.

Применяемая в данной работе методика оценки границ области угрозы устойчивости с заданным запасом устойчивости в пространстве конструктивных и технологических параметров одношнекового пресса разработана из необходимости прогноза устойчивости стационарных состояний при проектировании пресса и анализе режимов формования ВДК. Эта методика может служить элементом системы проектирования любого оборудования, проявляющего подобную техническую неустойчивость, а также элементом системы управления для прогноза значений технологических параметров и их градиентов в переходных процессах.

Отметим далее, что настоящую работу следует считать начальным этапом решения вышеуказанной общей задачи, в том числе исследования устойчивости процесса формования ВДК в самом общем смысле теории устойчивости движения, поэтому понятная всем терминология принята с учетом продолжения работы.

Как было отмечено выше, общая задача обеспечения устойчивой работы одношнекового пресса при формовании высоконаполненных дисперсных композиций (ВДК) с учетом возможных отклонений физико-механических свойств на стадии подготовки носит системный характер и эту задачу невозможно решить в рамках одной работы. Поэтому на начальном этапе решения общей задачи важно заложить основы успешного решения ее в полной мере в будущем, т.е. выбрать стратегию и методы исследования.

Успешное решение сложных задач системного характера невозможно без системного анализа, принципы которого для исследования процессов химических технологий представлены в научных трудах [49—79]. Следование этим принципам в данной работе позволяет выбрать:

• стратегию экспериментальных исследований и математического моделирования, как составляющих задач, подчиняющихся общей цели, с учетом особенностей физико-механических свойств высоконаполненных дисперсных композиций проявляющихся^ неустойчивости процесса шнекового формования;

• блочный принцип математического моделирования [59,62,73], согласно которому исследуемый процесс описывается на микро- и макроуровнях в соответствии с модельными представлениями о его характере и связывается общей системой уравнений математического описания, алгоритм решения которой также строится по блочному принципу.

Различие в подходах к математическому моделированию процессов, в частности шнекового формования пластмасс состоит в том, что первый подход (классический) заключается в упрощении исходной универсальной системы уравнений, в частности системы уравнений механики сплошной среды, согласно модельным представлениям, второй подход (блочный) заключается в «наполнении» модельных представлений системой уравнений математического описания, не исключая возможность применения отдельных уравнений механики сплошной среды.

Первый подход - «жесткий», поскольку модельные представления должны быть вписаны в структуру уравнений. Второй подход - «гибкий», поскольку модельные представления любой сложности по структуре и иерархии описываются соответствующей блочной системой уравнений, также сколь угодно сложной по структуре и иерархии.

Если в первом случае при неудовлетворительном результате математическое описание и алгоритм моделирования приходится строить заново, то во втором случае следуют лишь частичные изменения и расширения отдельных блоков математического описания и алгоритма моделирования. Поэтому блочный принцип позволяет более органично: во-первых строить математическое описание и алгоритм моделирования с использованием комбинации аналитического и численных методов, во-вторых совершенствовать модель при необходимости, как в сторону усложнения, так и упрощения.

Данная работа не преследует цель выработки рекомендаций по формованию конкретной пластмассы определенного состава.

Цель настоящей работы — выявить и описать характер и причины неустойчивости формования ВДК в одношнековом прессе, разработать рекомендации по их устранению, создать инструмент исследования-физико-механических свойств и процесса шнекового формования ВДК с учетом неустойчивости.

Поэтому все . эксперименты и расчеты в данной работе, выполненные для высококонцентрированных растворов этилцеллюлозы, служат лишь примером, демонстрирующим разработанные универсальные методики исследования физико-механических свойств и проектирования одношнековых прессов для любых пластмасс класса ВДК.

Следует отметить, что предложенные в диссертации новые конструкции гранулирующих одношнековых прессов, а также, пакет моделирующих программ в составе, аппаратно-программного комплекса «Исследование и переработка пластмасс», в котором реализованы новые и действующие методики исследования физико-механических свойств ВДК, методики анализа и оптимального проектирования одношнекового пресса, могут найти широкое применение в различных отраслях промышленности, где используется переработка ВДК.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

• Ш Всесоюзной конференции "Математическое моделирование сложных ХТС", Таллин, 1982;

• 2-ой Международной конференции, посвященной памяти академика Г.К. Борескова.

Новосибирск, 1997;

• 12th Conference "Process Control '99", Bratislava, 1999;

• 2-ой Международной конференции "Образование и устойчивое развитие общества", Москва,

2004

По теме диссертации опубликовано 18 научных работ [80-96,241], из них - 7 работ [85,86,88,89,91,92,241] в научных журналах, в которых должны быть опубликованы основные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук: «Теоретические основы химической технологии», «Химическая промышленность», «Химическая промышленность сегодня». В общее число работ включены также 1 авторское свидетельство [93] и 3 патента на новые конструкции гранулирующего одношнекового пресса [94—96].

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность за помощь, ценные рекомендации и советы при выполнении работы: бывшему заведующему кафедрой вычислительной техники профессору, д.т.н. Бояринову А.И. профессору кафедры кибернетики химико-технологических производств, д.т.н. Гордееву JI.C, доценту кафедры управления технологическими инновациями, к.т.н. Равичеву JI.B. и профессору кафедры общей химической технологии, д.т.н. Беспалову A.B.

выводы

1. В результате исследования характера развития деформации высоконаполненпых дисперсных композиций (ВДК) установлено и экспериментально подтверждено, что наилучшей оценкой сдвиговой прочности является критический градиент деформации сдвига (критический индекс прочности) — оценка сдвиговой усталости, накопленной ВДК в поле сдвиговых напряжений. Предложен критерий успюйчивости формования ВДК на основе сравнения предельного градиента деформации сдвига с расчетным градиентом сдвиговой деформацией ВДК в наиболее напряженном аксиальном сечении канала шнека в предматричной зоне.

2. Разработаны специальные методики для исследования физико-механических свойств ВДК с точки зрения анализа причин неустойчивости формования ВДК: определение сдвиговой прочности ВДК с использованием кривой ползучести; оценка компрессионных свойств ВДК прессованием в закрытую пресс-форму, экспресс-анализ состава жидкой фазы ВДК, пластифицированной комбинированными растворителями с высоколетучими компонентами.

3. Предложено математическое описание физико-механических свойств ВДК, в том числе: сдвиговой прочности ВДК от давления, температуры и соотношения твердой и жидкой фаз ВДК на основе анализа ползучести; внешнего трения; компрессионных свойств. Показано в частности, что вязкостные свойства ВДК в области докритического реологического поведения с допустимой погрешностью описываются уравнением Балкли-Гершеля с параметрической зависимостью от температуры

4 Разработана математическая модель одношнекового формования ВДК, учитывающая неустойчивость процесса, распределенность конструктивных и технологических параметров, а также параметров состояния и физико-механических свойств ВДК. Модель отличает от известных учет особенностей поведения ВДК - сверханомальное реологическое поведение, обусловленное наличием предела текучести, предела сдвиговой прочности и проскальзывания на стенках каналов.

5. Разработана методика оценки границ области угрозы устойчивости с заданным интервалом запаса устойчивости в пространстве конструктивных и технологических параметров объекта, на примере процесса формования ВДК в одношнековом прессе. б Предложены два варианта новых конструкций гранулирующих одношиековых прессов: изготовление формующих каналов в пресс-инструменте с сужающимися заходными частями, винтовых волнообразных рифов на внутренней поверхности корпуса, обеспечивающих повышение устойчивости формования ВДК и позволяющих увеличить производительность шнекового пресса при значительном снижении потерь сырья и энергии.

7. Разработан пакет моделирующих программ в составе аппаратно-программного комплекса «Исследование и переработка пластмасс» для исследователей, технологов, конструкторов, специалистов по управлению и автоматизации в области исследования и переработки пластмасс, который обобщает накопленный опыт исследований физико-механических свойств и условий формования пластмасс, в том числе ВДК в одношнековом прессе с учетом устойчивости.

8. Предложенные в диссертации новые конструкции гранулирующих одношнековых прессов, а также пакет моделирующих программ в составе аппаратно-программного комплекса «Исследование и переработка пластмасс», в котором реализованы новые и действующие методики исследования физико-механических свойств ВДК, методики анализа и оптимального проектирования одношнекового пресса, могут найти широкое применение в различных отраслях промышленности, где используется переработка ВДК.

1. Rowell H.S., Finalson D„ "Engineering", 1922, v. 114, № 64, p. 606 611.

2. Mooney M., Explicit Formulas for slip and Fluidity J. of Rheology , 1931, N2, v2, p. 210-222

3. Ребиндер ПА.// В сб. Новые методы физико-хим. исследований поверхностных явлений. Тр. ин-та. Физической химии,- 1950,- Т.1, №5.-С.84-87.

4. Mooney М. The viscosity of concentrated suspensions of spherical particles.// Journal of Colloid Science. 1951.V. 6, №2, p.162-170

5. Carley J. F., MallouR. S., McKelveyJ.M. Ind. Eng. Chem., 1953,45, № 5, p. 974-977.

6. Михайлов H.B., Ребиндер П.А. О структурно-механических свойствах дисперсных и высокомолекулярных систем. // Коллоидный журнал. -1955,- Т.18, №2.- С.136-141.

7. Darnell W., Mol E.A.J. SPE Journal, 1956. v. 12, № 4, p. 20 25.

8. Bagley E.B.End Corrections in The Capillary Flow of Polyethylene, Applied Physics, 1957, V 28, N 5, p. 6249 Maddock В. H. Kunststoffe — Plast., 1957, 4, № 3, P . 281-292.

9. EccherS., Valentinotti A. Ind. Eng. Chem., 1958. 50, № 9, p. 829-836.

10. Балашов M. M., Левин A. H. Хим. маш., 1961, № 6, с. 29-34.

11. Maddock B.H., SPE Journal, 1961. v. 17, № 4, p. 368 373

12. Шенкель Г. Шнековые прессы для пластмасс. Принцип действия, конструирование и эксплуатация. Л.: Гос. науч.-техн. изд-во хим. лит. 1962,- 466 с.

13. Щукин Е.Д., Ребиндер П.А.// В кн.: Тезисы докл.У.Всес.конфер. по коллоидной химии. М.: Изд АН СССР,1962.С.166

14. J.R. Van Wazcr, J W. Lyons, K.Y. Kirn, and R.E. Colwell, «Viscosity and Flow Mea sureraent, A Laboratory Handbook of Rheology», Interscience Publishers, NY, 1963.

15. Виноградов Г.В., Малкин А.Я., Прозоровская H.B., и др. // ДАН СССР, 1963, Т. 150, № 3, С.574-577

16. Бостанджиян С. А., Столин А. И. Изв. АН СССР. Механика жидкости игаза, 1965, № 1, с.185-188

17. Бернхардт Э. Переработка термопластичных материалов: Пер с англ./ Под редакцией Виноградова Г.В / М.: Химия, 1965. 748 с.

18. Мак-Келви Д.М. Переработка полимеров. М.: Химия, 1965,- 437 с.

19. Jastrzebski J.D. Entrance effects and wall effects in extrusion rheometr during the flow of conctntrated suspensions // Industrial and Engineering Chemistry. S. Fundamentals, 1967, V. 6, N. 3, p. 445 454

20. Белкин И.М., Виноградов Г.В. Ротационные приборы. М.: Машиностроение, 1968,- 272с.

21. Tadmor Z, Brouer Т, Polym Eng/ Sci., 1972. v. 12, № 5, p. 378 386.

22. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. М.: Химия, 1977, 440 с.

23. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах.// Изб.Тр. М.: Наука, 1978, 368с

24. Tadmor Z. and Klein I. Engineering Principles of Plasticating Extrusion. Kleiger, Huntington. 1978.

25. Малкин А.Я., Чалых A.E. Диффузия и вязкость полимеров. М. : Химия, 1979,- 304 с.

26. Tadmor Z. and Gogos С. Principles of Polimer Processing. Wiley, New York. 1979.

27. J.M. Dealy, Plast. Eng., March, 1983, p. 57-61.

28. Тадмор 3., Гогос К. Теоретические основы переработки полимеров / Ml: Химия, 1984. 629 с.

29. Силин В.А. Динамика процессов переработки пластмасс в червячных машинах. М.: Машиностроение,

30. Первадчук В. П., Зеленкин В. А., Кауфман. Тр. Пермского политехнического института, 1974, № 153, с. 21-25.

31. ТябинН.В. и др. В книге: Теплообмен, 1974, Советские исследования, М: Наука, 1975, с.195 -198

32. Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров ,-М.: Химия, 1977.-462 с.

33. Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. М.: Химия, 1978, 311с.

34. Ким B.C., Богинская Т.Ф. Движение пласто-раствора в шнеке // В кн. Теор. и прикл. механика. Минск. : Вышейшая школа- 1981,-№8,- С.59-63.

35. Скачков В.В., Торнер Р.В., Стунгур Ю.В., Реутов С.В. Моделирование и оптимизация экструзии полимеров. Л.: Химия. 1984, 152 с.

36. Торнер Р.В., Акутин М.С. Оборудование заводов по переработке пластмасс. М.: Химия.1986.-400 с.15839