автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Исследование закономерностей механотермической сушки синтетических каучуков с целью оптимизации процесса

На правах рукописи Для служебного пользования --- Экз.№ 03 4

о 0 л

11С СЛЕД О В АНИ Е ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ МЕХАНОТЕ РМПЧЕ СКО Й СУШКИ СПНТЕТНЧЕСК1К КАУЧУКОВ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА (на примере каучука СКИ-З)

05.17.06 - технология и переработка пластических масс,

эластомеров и композитов 05.13.16- применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (в отрасли технических наук)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-2000

Работа выполнена в Воронежской государственной технологической академии (ВГТА) на кафедре «Технология переработки полимеров» и в ВОАО «Синтезкаучукпроект» г. Воронеж

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Шеин Владимир Сергеевич

Научный консультант;

кандидат технических наук Щербань Георгий Трофимович

Официальные о'пйоненты: доктор технических наук, профессор Глуховской Владимр Стефанович

доктор технически наук, профессор Подвальный Семен Леонидович

Ведущая организация: ОАО «Воронежаштезкаучук»

Защита диссертации состоится «30» июня 2000 г. в 14х часов на заседании диссертационного Совета К 063.90.03 при Воронежской государственной технологической академии в аудитории j4° 30 по адресу: 394017, г. Воронеж, проспект Революции-19, ВГТА.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью) просим направлять по адресу: 394017 г. Воронеж, проспект Революции, 19, ВГТА, диссертационный совет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГТА.

Автореферат разослан « » мая 2000 г. Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент ^Х^-^й' ^-А Седых

А¥25. 6Z 0,53) —i ^О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Практика показывает, что синтез пояиизоггрена с заданными свойствами не вызывает особых проблем, гораздо большие трудности возникают на стации выделения продуктов реакции. Зактючительным процессом технологии выделения целевого продукта является сушка, которую в производстве полиизопрена в основном осуществляют в червячных сушильных агрегатах (механотермическая сушка) методом сброса давления. Механотермическая сушка включает последовательные, но разнородные, как по физической природе, так и по преследуемым целям процессы. Это экструзия и разогрев влажного каучука в червячной сушильной машине (экспандере) и собственно сушка, происходящая в момент выгрузки нагретого каучука в зону пониженного давления, после чего каучук досушивают конвективным способом, в форме крошки в состоянии непродуваемого виброкипящего слоя.

Процесс экструзии предпочтительно осуществлять при нахождении каучука в вязкотекучем состоянии. Для сушки рационально снижать затраты тепла на испарение влаги. Однако развивать текучесть каучука целесообразно в технологии переработки полимеров для увеличения производительности червячного агрегата, а уменьшение энергозатрат, снижая начальную влажность материала, целесообразно осуществлять в процессе конвективной сушки. Для механотермической сушки данные принципы оп-тимизашш процесса неэффективны, так как приводят к росту температуры сушки, вызывают пластикацию каучука и его потери, а в некоторых случаях не позволяют достичь требуемого конечного влагосодержания продукта. Особо остро это проявляется при сушке высокопластичных и высокопрочных каучуков и каучуков, стабилизированных легколетучим антиоксидантом. Так как червячные сушильные агрегаты являются высокопроизводительным оборудованием, экономические убытки, связанные со снижением качества сушки и потерями полимера, становятся весьма значительными. К тому же, повышенные температуры сушки требуют дополнительного охлаждения каучука перед упаковкой, в противном случае инициируется деструкция и/или структурирование каучука в период остывания брикета, а также наблюдается разрыв полиэтиленовой пленки и прилипание брикета к бумажному мешку. Это в последующем приводит к дополнительным затратам при переработке каучука у потребителей.

Основной целью работы являлось выявление условий, позволяющих проводить процесс механотермической сушки при более низких температурах, высушивая полимер до заданной влажности, что позволит уменьшить температуру брикета и потери каучука за счет пластикации и структурирования, а также снизить расход антиокси-данта. Поставленная цель определила основные задачи теоретических и экспериментальных исследований.

Задачи исследования.

- выявить закономерности процесса сушки каучука при сбросе давления, используя математическую модель процесса;

- разработать методику определения оптимальных режимов сушки, базирующуюся на реометрических и прочностных свойствах каучука;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований определить предпочтительные режимы сушки, оптимальные конструкции узлов сушильных агрегатов и основные критерии управления процессом;

- разработать и исследовать технические и технологические приемы сушки каучука, позволяющие осуществлять процесс при одновременном охлаждении каучука.

Объектом исследования настоящей работы является технология сушки каучука методом сброса давления, осуществляемая в червячных сушильных агрегатах. Общие закономерности процесса исследовались на примере производства изоггренового каучука. Каучук соответствовал требованиям ГОСТ 14925-79*.

Методы исследования. Основные теоретические задачи работы решались с привлечением математического аппарата, используемого для решения линейных дифференциальных уравнений и дифференциальных уравнений в частных производных. С целью проверки полученных расчетных соотношений, а также учета факторов, не нашедших отражения в известных теоретических разработках, проведены экспериментальные исследования на лабораторных установках и в промышленных условиях. Экспериментальное изучение температурной зависимости реометряческих свойств каучука проводили при температурах 373-483 К (100-210 °С) на крутильном маятнике при частотах 0,5-15 Гц. Изучение прочностных свойств каучука при двухосном деформировании проводили на лабораторной установке собственной конструкции, с последующей обработкой результатов эксперимента по разработанной методике. Закономерности воздушно-испарительного охлаждения изучались на пилотной установке при дальнейшем уточнении оптимальных параметров в условиях производства.

Дчя сложных расчетов применяли прикладной пакет программ «МаЛса!». Для обобщения результатов экспериментов и приведению расчетных зависимостей к виду, удобному для инженерных расчетов, применяли методы математической статистики.

Научная новизна работы заключается в определении условий для быстрого и полного перевода высушиваемого каучука в высокоэластическое состояние, при котором возможен его разрыв. В связи с этим сушка рассматривается как процесс тепломассообмена, протекающий во временном периоде, ограниченном временем релаксации каучука и критерием осуществления сушки будет условие, при котором скорость деформации опережает скорость релаксации напряжений в каучуке, а последняя зависит от его реометрических и прочностных (когезионных) свойств.

Кроме того, использование реометрических и прочностных свойств каучука для прогнозирования сушки важно с точки зрения перехода РФ на интернациональную систему контроля качества продукции (ИСО), в которой реометрическим и прочностным показателям эластомера отводится основное внимание.

Практической ценностью работы являются определение:

- научно-теоретических основ снижения температуры сушки каучука в червячных сушильных агрегатах, базирующееся на выборе оптимальной величины влажности каучука подаваемого на сушку, в зависимости от его реометрических и прочностных свойств, а также с учетом присутствия в полимере гидрофильных примесей, дающей возможность удалять влагу из каучука, как в виде пара, так и в виде жидкости;

- оптимальных условий нахождения полимера в выгрузных устройствах в соот-

ветствии с временем релаксации каучука. Данные, .обобщающие положения могут быть применены для внедрения механотермического способа сушки при производстве различных типов эластомеров.

Кроме того, обоснована возможность улучшения экологического состояния производства за счет снижения в 4-5 раз объема газовых выбросов, образующихся при механотермической сушке, а также использования метода воздушно-испарительного охлаждения для снижения температуры брикета каучука СКИ-3, позволяющего к тому же и улучшать качество сушки.

Апробация работы. Основные материалы диссертации излагались и обсуждались на Всесоюзной (Воронеж-1989), международной (Нижнекамск-1999) и на научной конференции ВГТА (Воронеж - 2000 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе получены 3 авторских свидетельства на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 208 страниц, из них основной текст 180 страниц В работу включены 99 рисунков, 2 таблицы. В списке литературы 282 источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обозначена актуальйость и новизна темы, а также определены основные направления исследований.

Первый раздел посвящен анализу литературных данных о теоретических и прикладных аспектах технологии сушки СК, особенно сушке каучука при сбросе давления, осуществляемой в червячных сушильных агрегатах. Как оказалось, приоритетным направлением в исследовании процесса было изучение течения влажных каучуков в каналах червячных машин, при этом, выбор необходимых температурных режимов сушки, обеспечивающих заданную конечную влажность, базировался на уравнении теплового баланса с поправкой на вязкость каучука по Муки.

В свою очередь, если рассматривать сушку каучука при сбросе давления как релаксационный процесс при установлении равновесия после снятия нагрузки, в котором свойства каучука существенным образом влияют на его ход, то можно предположить, что основным условием осуществления сушки эластомера при сбросе давления является нахождение каучука в высокоэластичном состоянии, в котором возможен его разрыв, после чего и осуществляется сушка. Так как высокоэластическое состояние каучука определяется реометрическими свойствами полимера и скоростью его деформирования, можно предположить, что продолжительность процесса сушки будет ограничиваться временем релаксации полимера, а наступление разрыва будет определяться прочностными свойства каучука. Такой подход предусматривает создание условий для перевода каучука в высокоэластическое состояние на всех стадиях процесса механотермической сушки, а не на развитии текучести каучука, что практиковалось ранее.

Вышеперечисленные факты позволили не только сформулировать задачи исследования, но и конкретизировали направления изучения процесса, что существенно упростило его математическое моделирование.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССА СУШКИ КАУЧУКА ПРИ СБРОСЕ ДАВЛЕНИЯ

В отличие от ранее применяемых подходов математического описания процесса сушки каучука при сбросе давления период нахождения полимера в экспандере нами не рассматривается, так как сушки здесь не происходит, а осуществляется только непрерывное сжатие и разогрев каучука. За начальную точку процесса целесообразнее принять момент входа каучука в канал фильерной плиты, при этом конечной точкой процесса сушки будет формирование брикета каучука. Именно на этой технологической стадии и осуществляется удаление влаги из полимера. В свою очередь указанную стадию можно условно разделить на отдельные последовательные периоды, разли

Период прохождения каучука через формующий канал определен нами как «подготовительный период» сушки. Удаления влаги в данном периоде не происходит, однако именно здесь формируется движущая сила сушки, определяемая давлением на выходе из канала фильерной плиты ДРвых- Его величина не зависит ни от давления, создаваемого экспандером Ро, ни от потерь давления на входе АРа определяется только давлением насыщения паров воды Рнас при данной температуре сушки То, свойствами каучука и временем нахождения его в канале, за которое происходит накопление каучуком обратимых упругих деформаций, которые вызывают разбухание экструдата. Именно первичное разбухание экструдата является толчком для вскипания воды в толще каучука.

Период от начала вскипания воды в каучуке до разрыва каучука определен нами как «первый период» сушки. В этом периоде сушка также не происходит, а осуществляется лишь образование в массе каучука двухфазной смеси «вода-пар», приводящее к увеличению её размеров и охлаждению системы «каучук-вода-пар». «Первый период» сушки оканчивается в момент разрыва частицы каучука, после чего и осуществляется удаление из каучука влаги. Данный период определен нами как «второй период» сушки. Для этого периода характерно дальнейшее снижение температуры при выносе из каучука 97-98 % всей влаги. Ее удаление может происходить частично в виде пара, а частично и в виде жидкости. После завершения «второго периода» наступает «третий период» сушки (медленный), протекающий во время нахождения каучука в вибросушилке и на виброподъемнике. Дтя «третьего периода» сушки характе-

чающиеся ходом тепломассообмена (см. рис. 1).

ТчП*

Пеоегрвтый /

а ™р»°я

Подготовительный

период сушки

Рис. I Схема условного разделения процесса сушки каучука при сбросе давления на последовательные периоды

рен диффузионный механизм удаления влаги, протекающий при дальнейшем снижении температуры.

«Первый период» сушки

Если частицу каучука представить как набор эластичных каучуковых оболочек, заполненных водой и плотно скрепленных (склеенных) между собой, то «первый период» сушки можно описать, а затем и выявить его особенности на примере одной оболочки (см. рис. 2). В момент выхода оболочка имеет температуру сушки То, и вла-госодержание Щ, которое определяет внутренний радиус полости оболочки &з»„,. Оболочка находится под избыточным давлением паров насыщения воды Рна1. (рис. 2А). При вскипашш воды в оболочке, ее внутренний радиус Ят начинает расти (рис. 2Б), а его росту начинает препятствовать давление сил

«¡у

-■а-Л"1

\ Пароводяная смесь

упругости оболочки Рупрь за- рИС- 2. Схема сушки каучука на примере каучуковой оболочки

писываемое известным

уравнением Мьюнианди

Р^е-2*-*-!*-0'. О)

л■

Здесь й - модуль сдвига каучука, А - степень (кратность) увеличения внутреннего рад!гуса оболочки В нашем случае X отражает ход процесса парообра-

зования, так как справедливо равенство

(2)

IV

где № = 1-—- доля пара внутри оболочки, IV - количество воды в оболочке, остаю-

щеися в жидком виде, V :

-- оезразмерныи удельный ооъем пароводяной смеси,

у'- удельный объем жидкой фазы, V-'- удельный объем паровой фазы.

В связи с тем, что «первый период» сушки протекает за короткий промежуток времени, его можно рассматривать как адиабатический процесс, характеризуемый только температурой системы «каучук-вода-пар» Т и параметром X. Отсюда, долю воды, остающуюся в оболочке в жидком виде /7(Т\А), скорость перемещения наружной стенки оболочки мгн(Т,Л) и удельную теплоту парообразования системы г(Т,Л) можно найти из следующей системы уравнений

-ИХ,Л) 7В(Т,Л)2 -4-А(Т,Л)-С(Т,Л)

йТ

йЛ 2-/ЦТ, А)

2-/ЦТ, А)

ЩТ,А)=1Гй

1-

Х-1 КТ)

(4)

3-(1+Г0)

,(5)

Я3 + >Д+

щ,

1-3

г{Т,Х) = га{Т)~

'(2.5-Я*-2-^-0.5) (£<3(7У| Я" \ ЗГ V

н2•<3(7')

1 +

Л3 +1

я5

' и;

Т-ЦТ)-*(Г), (6)

где А(Т,Я), В(Т,Л) и С(Г,/У вспомогательные функции, определяемые согласно выражениям

. (КПЩ-Ц

^со2 г-од

¿+1

1 5(7)

.ял.

+3-И'

'•.СО-

»ьСО-

(25-^-2^-05) ГадтУI

I гг А

Г-5(7)-»(7)

Й7)

>(7) -,(8)

С(Г,Л) = -6■ • Г-V (Г)'■ С(Г)

(9)

Здесь: гц(Т) - удельная теплота парообразования воды; Ск(Т) и Сь(Т) - соответственно, удельные теплоемкости каучука и воды; £(Та)=у4(Т^/у'(То) - отношение удельного объема каучука к удельному объему воды; Ръы(То) - давление, обусловленное величиной накопленных каучуком обратимых эластических деформаций; Рнас (Т) - давление насыщения паров воды.

Уравнения (3-6) описывают состояние оболочки до её разрыва, причем, в момент разрыва температура оболочки снизится от температуры Т0 до температуры Г/, а доля влаги в оболочке, находящейся в жидком виде, снизится с }У0 до IV¡. Дня расчета Т/ и РУ/ необходимо знать величину Л, соответствующую моменту разрыва оболочки, которую из-за отсутствия данных о начальном размере оболочки определить аналитически или экспериментально не представляется возможным: Однако, если принять во внимание тот момент, что наряду с увеличением размера оболочки происходит снижение её толщины, определяемой как 5=Я„ар-Я,и, то можно выразить величину критического увеличения радиуса оболочки Лр от степени уменьшения толщины оболочки Дф в момент разрыва, а последнюю определить экспериментальным путем. Если исходить из того, что объем материала оболочки остается постоянным, то степень увеличения внутреннего радиуса оболочки в момент разрыва Хр, (при известном экспериментальном значении Аф), запишется уравнением

ЖТ|

Я„ =

_1_

"12-4

2 1 +

-1 +Л„Ч1 +

ЖУ

1

н-

2-Л*

1-'Д +

(10)

ЛФ} \ II "о } 1 "о " Л4»

Для численного решения системы (3-10) необходимо знать значения модуля сдвига <3, отражающего реометрические свойства каучука, и величину прочности

полимера, характеризуемую показателем Лф. Эти показатели определялись нами путем экспериментального моделирования.

Значение находили путем моделирования двухосного деформирования мембран на лабораторной установке собственной конструкции. В результате экспериментов установлено, что степень уменьшения толщины мембраны при разрыве подчиняется статистической теории прочности, а наиболее вероятная ее величина для каучука СКИ-3 равна 1^=7,88. Для каучуков СКД и ДССК эти показатели оказались равными Х^ер=4,3 и Яфвер=2.6, соответственно. В связи с тем, что эти полимеры имеют и меньший модуль сдвига, а соответственно и прочность при разрыве, появляется возможность объяснить меньшую температуру сушки этих каучуков. Температурную зависимость модуля сдвига каучука СКИ-3 определяли на крутильном маятнике при частотах колебания 10-15 Гц и температурах 100-210 °С. Полученные данные затем использовались в расчете процесса сушки.

Сушка каучука СКИ-3 («первый период»)

В результате решения системы уравнений (3-10) было установлено, что существуют величины критических минимальных начальных температур и влагосо-держаний, при которых сушка каучука становится невозможной. В частности появление критической минимальной температуры Токрит связано с тем, что давление паров насыщения воды Ршс становится ниже давления, обусловленного силами упругости каучука Рупр. При этом скорость раздува оболочки снижается до нуля, после чего оболочка начинает сокращаться (см. рис. 3). Кроме того, при температуре Т0крчт резко возрастает удельная теплота парообразования г(Г0,Х-1), особенно в начале раздува оболочки. Появление минимального критического влагосодержания Щ^т вызвано испарением всей воды в оболочке еще до её разрыва. Для каучука СКИ-3 параметры ТУд^^ и Т^т можно записать в следующем виде. ^о.,Л?'о) = 1,б41.10-1+1,882-10^ ехр(2-10Г2 Т0), (11) = 416 -1,127 -\п(Ю- (12)

Уравнение (11) аппроксимирует численное решение (4), а зависимость (12) решение уравнения Р„ас(Та)-Рупр(То)=0, с учетом зависимости

(Ю)- , .

Существенное влияние на эти показатели оказывает количество гидрофильных примесей в полимере. При растворении их в воде образуются насыщенные растворы, температура кипения которых выше температуры кипения воды, а также происходит уменьшение доли воды, участвующей в парообразовании. Все это снижает вероятность разрыва каучука. Поэтому, для снижения температуры сушки необходима дополнительная отмывка полимера, которую можно осуществлять непосредственно перед сушкой. В работе приведен один из возможных вариантов

= -лд!-1-!-1-!-1-!-!-1

; I 1.« 1^ -2.«' 3« 3-Я «4?

|". Степень увеличения внутреннего радиуса оболочки - А.

Рис. 3. Зависимость скорости расширения оболочки от степени увеличения внугреш^го радиуса оболочки при начальном алагосо держании Ш0=<),075 кг/кг, и температуре сушки Т<,*4 10 К.

реализации способа отмывки каучука СКИ-3 перед сушкой, предусматривающий противоток парового конденсата паров дегазации.

Для «первого периода» сушки нами введен параметр процесса Л/, определяемый как отношение тепла, запасенного каучуком, к удельной теплоте парообразования в этом периоде г(Т,Л.).

«X'

(едэ+ад)-^)-^-т^лю) (сдаад).»;)-^, -г^то)

03)

г(Г=Т0,Л = 1)

Параметр К/ фактически показывает возможность протекания процесса сушки, причем, в его состав входит показатель, характеризующий эластические свойства каучука -й. Чем больше величина Я/, тем выше вероятность того, что сушка каучука осуществится.

При использовании К/ и Лр нами получены зависимости, позволяющие рассчитывать (К/ и Ту. Эти уравнения аппроксимируют численное решение уравнений (3) и (4). При решении системы в качестве исходных данных использовались параметры промышленной сушки каучука СКИ-3.

-а„-К?-х;*). (14)

Т^Т^-От-КГ-Х*), (15)

Здесь ат=0,1867, вт=0,09683, ст=-0,339, а»~0,002225, Ь^О.371, с,у=4,186605. На рис. 4 и 5 показаны результаты расчета ЙР} и Г; по уравнениям (14) и (15). Рис. 4 наглядно иллюстрирует наличие минимального критического влагосодержания, при котором сушка каучука становится невозможной. При повышении начального влагосодержания колщество неиспарившейся воды в момент разрыва остается достаточно высоким, что свидетельствует о расходе тепловой энергии на преодоление сил упругости каучука. Это же подтверждают данные рис. 5, В период раздува оболочки температура снижается весьма существенно, на 25-55 градусов. Следует отметить, что в «первом периоде» сушки фактически происходит формирование пористой структуры каучука. Если следовать определению пористости, как отношению доли геометрического объема пор в теле к геометрическому объему всего тела, то можно предположить, что пористость крошки в «первом периоде» изменяет-

^ 0.176 « Л

1 | 0.132 «а Л///

\ Л// / / /

¡£.0.083 у 1 6 0.044 |

аЗ 0

0.05 0.09 0.13 0.17 0,21

(-[анальное алагосодержш¡ис каучука - (кг/кг)

Рис. 4. Зависимость алагосодержшиш каучука в момент разрыва крошки от начального влагосолержашя. (Цифры у кривых, температура сушки -То, (К))

" 0.05 0.09 0.13 0.17 0.21 Начальное алагосодержание каучука -VI а, (кг/кг)

Рис. 5. Зшшсимосги температуры крошки в момент ралрыяа от начального влагосолсржании. (Цифры у кривых, температура сушки - Та. (Ю)

с я от какой то начальной пористости е0, определяемой начальным влагосодержа-

нием , ^ , до пористости £>, зависящей от степени увеличения радиуса

' ед,)+»с,

оболочки в момент разрыва г - В результате расчета величин £о и £> ус-

тановлено, что г^ изменяется в достаточно в широких пределах, которые определяются начальным влагосодержанием, а диапазон изменения £/, наоборот, очень незначителен. В частности, величина дисперсии £о составила <т/ =1.05-10"3, а дисперсия £/ оказалась равной сг/=5.бб-10'5. Иными словами, е/ практически не зависит от начального влагосодержания, а определяется лишь прочностными свойствами каучука, а разрыв крошки всегда происходит, когда геометрический объем пор достигнет определенной величины, одинаковой как для низких, так и для высоких влагосодержаний каучука. Отсюда следует, что от начатьного влагосодержания зависит только величина приращения пористости крошки каучука, что должно выполняться для всех типов каучу-ков. Эта зависимость представлена на рис. 6

и аппроксимируется выражением

= (16)

На основе данных рис. 6 можно сформулировать важное, с точки зрения снижения начальной температуры сушки и управления процессом, правило - повышение начального влагосодержания позволяет снизить начальную температуру сушки, и наоборот, снижение начального влагосодержания требует повышения начальной температуры сушки, ибо в противном случае не произойдет разрыва каучука и сушка не осуществится.

Кроме того, одним из условий для завершения первого периода сушки является реализация состояния, когда продолжительность «первого периода» будет меньше эффективного времени релаксации каучука в^ф, то есть, когда На рис. 7 представ-

лены результаты расчета изменения продолжительности «первого периода» и эффективного времени релаксации каучука СКИ-3 в зависимости от начальной температуры сушки Т0 (исходные данные были следующими: диаметр фильеры Дг=5 мм; начальное влагосодержание-Я^0,075 кг/кг; средняя молекулярная масса полимера - М„= 6-101; содержание гель-фракции -¡г?=15 %; полидисперсность - р=2,2\ индекс течения - п=0,377). Продолжитель-

0Д7 0,12 0,17

Начальное влагосодержаяие - V/,,, (кг/кг)

Рис. 6. Относительное гтрирашенне пористости 8 зависимости от начального влагосодержания

1 !„ с,0°'в

у о,оон

л | Г"з

3 ; а I оооов

- Н!

5 ~ к ^ о,особ

« =1 О.ООС4

2 * -

в;

& 0,0002-1 - Л 440 <45 450 455 *60 465 470 47в 430 435 430 4Э5

Температура сушки - "Г0, К Рис. ?. Изменение продолжительность «первого периода» сушки и эффективного времени релаксации полимера в зависимости от начальной температуры сушки (- о • эффективное время релаксации каучука в •спервом периоде» сушки; - 0 - продолжительность «первого перкола» сушки)

носгь первого периода рассчитывалась, исхода из средней скорости расширения оболочки \Унср, как 11=0,5 -Оо-(Хр-1)^нср. Эффективное время релаксации каучука рассчитывалось как отношение эффективной продольной вязкости т],,р к модулю сдвига - 0,ф=т]ц/О. Скорость деформации рассчитывали по изменению толщины -оболочки как у = (Д$ -1)//,. Из данных рисунка следует, что при определенных начальных влагосодержаниях и температурах эффективное время релаксации полимера становится равным продолжительности «первого периода» сушки, а при дальнейшем повышении температуры эффективное время релаксации полимера становится меньше продолжительности «первого периода» сушки. В случае наступления таких условий каучук переходит из высокоэластического в вязкотеку-чее состояние, для которого характерно отсутствие пределов деформирования до разрыва, в связи с чем сушка переходит в диффузионный режим удаления влаги. Таким образом, для осуществления сушки каучука при сбросе давления необходимо обеспечить условие, когда вур^^ еще до совершения процесса, и для этого следует выдерживать влагосодержание каучука, температуру сушки и время прохождения каучука через фильерную плиту, исходя из чистоты полимера, его рео-метрических и прочностных свойств. В случае соблюдения этих положений возможно наступление «второго периода» сушки с присущими ему массообменными особенностями.

«Второй период» сушки каучука СКИ-3 После разрыва оболочки начинается «второй период» сушки (рис. 2В). При этом происходит дальнейшее снижение температуры системы с Г/ до Т„ при снижении влагосодержания до конечной величины Как уже отмечалось ранее, для этого периода сушки характерно удаление влаги как в виде пара, так и в виде жидкости, учитываемой коэффициентом термомеханического выдавливания %. Наиболее просто определить % можно, если рассчитать конечное влагосодержание каучука Цггр при его охлаждении от температуры Г/ до Тк и сравнить найденную величину с действительным конечным влагосодержанием каучука {Ук

I т. гй ) т, го

-^-• (17)

В результате обработки экспериментальных данных промышленной сушки каучука СКИ-3 установлено, что влага действительно удаляется в двух формах, причем, коэффициент х хорошо аппроксимируется зависимостью, учитывающей эластические и прочностные свойства каучука

х = 1 -кй[ах ■ОУ0-^т).Ль; <<], (19)

графическая иллюстрация которого представлена на рис. 8. Здесь Ко - оператор функции Макдональдса нулевого порядка, аг=0,02248, Ьг=3,727, сг- -0,11444 (коэффициент корреляции (18) Я=0,98). Из рис. 8 видно, что при повышении температуры сушки может наблюдаться перегрев каучука, характеризующийся падени-

ем ^до нулевой величины.

О степени перегрева можно судить по температуре каучука в вибросушилке Тк. На рис. 9 представлена зависимость Тк от х .которая аппроксимируется простым выражением, с коэффициентом корреляции Я=0,914

Т, =ат> -%+сТ1 -Г (19)

где аТк=423, ЪТк=-43, сп=Ю0, с!п=-128.

Выражение (18) важно для управления процессом. Только путем замера температуры крошки каучука в вибросушилке можно оцешггь, насколько оптимальна температура сушки. Если температура крошки каучука в начале вибросушилки будет выше 423 К (140 °С), можно утверждать, что каучук перегрет, или его начальное влагосодержание мало для данной температуры сушки То. Кроме того, массообменная особенность процесса, заключающаяся в удалении части влаги из каучука, минуя парообразную фазу, позволяет теоретически обосновать возможность проведения сушки каучука при более низких температурах. Теоретическое и практическое доказательство данного положения рассмотрено в следующем разделе автореферата.

3 03 0,07 0.11 0 1S 0.20

Начальное алагосолержание - Wo, (кг/кг)

Рис. S. Зависимость коэффициента гермолгехгни-ческого вылавливания от начального влалэсодер-жания. (Цифры v кривых, температура сушки -То, (К))

— И

Г" 120 1«

i «5 ■х

а 'Л'

Ъ

J Ж'

Ss4e. 0

Го> соЭ> °0

0 о

х 0 \

\

|

3 0,12 03 ops S.<3 5,8 0/J Коэффициент терчомеханического выдавливания - X Ряс. 9. Зависимость конечной температуры каучука СКИ-3 от коэффициента термомёха-пнческого выдавливания

ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОЛГЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СУШКИ

Наиболее просто показать возможность снижения температуры сушки можно, построив кривые изменения конечного ачагосодержание каучука Я* в зависимости от Т0 и 1У0. Для расчета конечной температуры каучука Тк. предложены выражения (20) в сочетании с (14), (15) и (18)

■ з + т,

= 3 + г, - -

(Г,)

(20)

—jy= 0,998xt —| R = 0,363 г Á jo

'Й

- ! 0 i

i ¡3&XI i

- Г, -С» (Г,) ^ С, (7-,),

точность которых иллюстрируется рис. 10.

Конечное влагосодержание можно найти из (17) при дополнении (14, 15 и 18), и учитывая

Рис. 10

Тк (К) - расчет

и ! Í ¡

lo ! L .. -I— i 1 !

равновесное влагосодержание процесса Wkj>cu¡H

г г. ' г.

W,,

Г, '

т, го

■dT

г ' П

dT

.(21)

fc COIS

I.

y DOlí

Л аД'

ОЛИ j 0СС6

п ди

ш

1

— y = 0,8891 R = 0,755

i»

<Í <b ✓

>

К V" ^ o <b

I6 0

эх* Рис. 11

¡ :.Х7 ОСЯМ : Л (2ДП5 ОЕП

Wk (кг/кг) - расчет

Наиболее вероятная- величина минимального равновесного влагосодержания, найденная нами, оказалась равной Wk_pam = 0,0033 (кг/кг). Рис. 11 иллюстрирует точность расчета Wk по зависимости (21). Наблюдается незначительное завышение расчетных значений по сравнению с экспериментальными величинами W¡¡, однако средние отклонения расчетных и экспериментальных значений не превышают точность, допускаемую в анализах по определению потери массы каучука согласно ГОСТ (при 105 °С). Следует заметить, что во всех ранее предлагаемых моделях расчета влажности каучука после сброса давления отклонения расчетных и экспериментальных данных составляли от 300 до 500 %.

На рис. 12 представлены результаты расчета. Для наглядности на рисунке нанесена кривая критического влагосодержания Щкрит и кривая, соответствующая условию, при котором ^=0 (пограничная кривая влагосодержания). Цифры у кривых соответствуют величине конечного влагосодержания при данных значениях начальных температуры и влагосодержания каучука. Данные рис. 12 наиболее наглядно иллюстрируют все нюансы процесса. Прежде всего отметим, что при одном и том же начальном влагосодержа-ний, но разных начальных температурах, можно получить одно и тоже значение конечного влагосодержания. Например, влагосодержание 0,006 кг/кг (0,6 % мае) можно получить при начальном влагосо-держании 0,175 кг/кг (15 % мае) и температурах сушки 462 К (189 °С) и 492 К (219 °С). Во-вторых, как следует из рисунка, сушку каучука СКИ-3 вообще нецелесообразно проводить при температурах выше 463-468 К (190-195 °С). Построение гистограмм распределения конечного влагосодержания каучука, высушенного при температурах ниже 463 К (190 °С), и высушенного при температурах выше 463 К (190 °С) показало, что повышение температуры приводит не только к росту наиболее вероятной величины конечного влагосодержания с 0,007 до 0,008 (кг/кг), но

Температура сушки - То, (К) Рис. 12 Зависимость конечного влагосодержания каучука от параметров сушки (То и

существенно расширяет диапазон конечного влагосодержания в большую сторону, до 0,017 кг/кг (1,67 % мае). Кроме того, при температуре сушки вьпле 463 К (190 °С) необходимо снижать начальное влагосодержание полимера, но при этом велика вероятность попадания в область, ограниченную кривой Wo^n и кривой влагосодержания, при котором %=0. В этом случае становится невозможным прогнозировать величину Wk, так как по мере увеличения температуры сушки величина коэффициента термомеханического выдавливания падает, влага из полимера начинает удаляться в большей степени в паровой фазе. В связи с этим возрастает вероятность ее неполного удачения, а при дальнейшем росте температуры сушка вообще может прекратиться, по причине невозможности разрыва каучука.' И • это приведет к диффузионному режиму удаления влаги. Кроме того, при повышенных температурах сушки резко возрастает конечная температура каучука, что требует дополнительного охлаждения брикета каучука.

Как правило, в промышленных условиях, при стремлении получить каучук с минимальной влажностью сразу же после сброса давления сушку каучука проводят при температурах выше 463 К (190 °С) и необоснованно высоких подачах воздуха в вибросушилку. Выше нами показана возможность снижения температуры сушки каучука СКИ-3 на 40-50 К (°С), но можно снизить и подачу воздуха на сушку. Так как процесс сушки с термодинамической точки зрения является необратимым, он должен характеризоваться ростом энтропии. В связи с тем, что пар и жидкость, удаляясь из каучука, не совершают работы, общая энтропия системы возрастает только за счет энтропии смешения воздуха с парами воды. В результате расчета установлено, что функция изменения энтропии имеет максимум, соответствующий расходу воздуха 5000-6000 нм3/ч. Это положение особо важно не только с позиций качества сушки, но и с экологической точки зрения. Так как в настоящее время расход воздуха на сушку достигает 25000 нм3/ч, появляется возможность снизить нагрузку на системы каталитического дожита в 4-5 раз.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАУЧУКА

В начале описания работы нами указан принцип, в соответствии с которым необходимо осуществлять механотермическую сушку - это нахождение каучука в высокоэластическом состоянии, в том числе и в период нахождения каучука в выгрузных устройствах. В данном случае давление на выходе из мундштука фильер-ной плиты, а соответственно и первичная скорость разбухания экструдата будут максимальны, что позволит обеспечить разрыв каучука при пониженных температурах сушки (см. рис. 3). В работе показано, что для выполнения этого положения необходимо выдерживать время прохождения полимера через мундштук гя равным эффективному времени релаксации полимера то есть, когда tM=9*p. Следуя данному условию, отношение длины мундштука фильерной плиты Lm к диаметру DM следует выдерживать в пропорции LJDM »0,25-0^-ум, где скорость сдвига в мундштуке. Кроме того, чем меньше эффективное время релаксации полимера или больше его объемный расход, тем короче должен быть мундштук, и наоборот. В случае снижения температуры сушки время релаксации будет увели-

чиваться, отсюда, длину мундштука или время прохождения полимера через него необходимо увеличивать.

В соответствии с данными положениями нами была разработана конструкция фильерной головки червячной сушильной машины, защищенная а.с.№ 1453785, позволяющая автоматически поддерживать на заданном уровне продолжительность нахождения каучука.в фильерной головке (см. рис. 13). Устройство работает следующим образом. При увеличении подачи каучука в червячную. машину давление на подвижную (нажимную) фильерную плиту будет возрастать. Это приведет к тому, что она переместится в сторону неподвижной плиты. При этом общий геометрический объем выгрузного устройства уменьшится, а соответственно и уменьшится время нахождения каучука в выгрузном устройстве. В случае уменьшения подачи каучука на сушку устройство работает в обратном порядке. Если в пространство между фильерными плитами подать воду, то появляется возможность регулирования температуры сушки, а в некоторых случаях и начального влагосодержания каучука. Кроме того, изменяя жесткость тарельчатых пружин и/или конструкцию мундштука, можно осуществлять настройку головки на различные марки каучуков.

На рис. 14 представлен мундштук, который N мент в предыдущей конструкции. Конфигурация мундштука признана а.с. № 1392750. Мундштук позволяет перераспределять воду, находящуюся в экс-трудате, из внутренних слоев к внешним. Данное обстоятельство особо важно для снижения температуры сушки. Кроме того, конструкция предусматривает отказ от ножа для резки жгутов каучука на гранулы. Дробление экструдата начинается в самом мундштуке и заканчивается в процессе вскипания воды в толше каучука. Образующаяся крошка не имеет строгой геометрической формы и по своему внешнему виду напоминает кусочки ваты, обладая развитой удельной поверхностью и высокой пористостью.

Наиболее полное использование,упруги* свойств каучука предусматривается в способе сушки синтетического каучука согласно а.с. № 1508812 (рис. 15). Отличительной чертой данной схемы является использование упругих свойств полимера на стадии его загрузки в экспандер. В схему включен дисковый экструдер, принцип создания давления в котором основан только на использовании упругих свойств' каучука. Это позволяет не только уменьшить длину экспандера, за счет исключения зоны уплотнения, но и уже в процессе сушки измерять некоторые

Тарельчатая пружина 1 , >. , РТ

Нажимная фильерная плита ! Г Д1Н Неподвижна? фипьернэя плита

Цилиндр Мундштук

Рис. 13 1

ожно использовать как эле-

а| б

дт б

А-А Б-Б Вид по С

---

--41]Рул

•4*- «ив?3

Рис. 14

реометрические характеристики полимера, в частности, величину суммы коэффициентов первой и второй разности нормальных напряжений и время релаксации каучука, фиксируя период пульсаций давления между дисками. Это дает возможность более точно регулировать заданную температуру сушки и более оперативно управлять процессом.

Приведенные приемы предусматривают оптимизацию механотерми-ческои сушки непосредственно перед массообменом, на подготовительной стадии. Однако в технологии сушки предусматривается стадия охлаждения полимера в процессе транспортирования крошки каучука на брикетирование, во время которой можно осуществить дополнительную сушку каучука.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭФФЕКТА ВОЗДУШНО-ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ В ЗАВЕРШАЮЩЕЙ СТАДИИ СУШКИ КАУЧУКА СКИ-3

В связи с тем, что при сушке методом сброса давления часть влаги из полимера удаляется в жидком виде, температура каучука, особенно СКИ-3, после сброса давления колеблется от 398-408 К (125-145 °С). Это вызывает значительные проблемы, которые указанны в начале автореферата.

В результате изменения средней температуры слоя крошки каучука на витках зиброподъемника и последующем решении обратной задачи теплообмена, были определены теплофизические характеристики слоя крошки каучука на витках виброподъемника и коэффициенты процесса теплообмена, которые представлены в табл.

'Пористость СЛОЯ - £-, 0.89

¡Коэффициент теплопроводности слоя - а,,. Вт/м-с 3.56

¡Коэффициент температуропроводности слоя - о,„ м"/с 1,71-10"5

^Коэффициент теплопередачи от слоя к поверхности лотка-аи Вт/м4-с 49.87

^Коэффициент теплопередачи от слоя к воздуху -от?, Вт/м"-с 81,12

Располагая коэффициентами теплообмена, путем расчета кинетики охлаждения крошки каучука на витках виброподъемника, удалось определить причину невозможности охлаждения крошки каучука до требуемых температур. Оказалось, что времени нахождения крошки каучука СКИ-3 на витках виброподъемника недостаточно для охлаждения до заданной температуры даже при снижении температуры охлаждающего воздуха. В этом случае происходит резкое охлаждение слоя на периферии, что инициирует слипаемость крошки в крупные агломераты. При этом, температура в центре слоя все равно остается высокой. Особо явно это про-

-ун'-и ИЗНЭЛ 1

упоавлеикя I

Т 1 1 1

| Зымислитепьное устройство''' |

Г"I I

_; лсспаидер^ |

Зиааосущирка

-Ы

Е*

Кг учу» на

эисропсзъ-

Каучук на отжим Д. Р1 „О—

(ЩЩЗДнэ

Т

^кспеллео

Рис. 15

является при производительности сушильной установки близкой к номинальной. Однако, при снижении температуры крошки на входе в виброподъемник охладить каучук до необходимых температур вполне реально и для этого можно использовать воздушно-испарительный метод охлаждения.

С целью проверки возможности использования данного метода сначала были проведены эксперименты, выявляющие способность нагретой крошкой каучука поглощать воду. Эксперименты проводились путем утопления крошки, отобранной на выходе из виброподъемника, в воде. На рис. 16 представлены результаты экспериментов, из которых следует, что при взаимодействии крошки каучука с водой может наблюдаться эффект десорбции воды, и это вызвано высокой температурой крошки.

Аналогичные результаты наблюдались в процессе моделирования охлаждения отдельной крошки каучука, нагретой до температуры 343-353 К (70-80 °С), на лабораторной установке, при орошении крошки водой, распыленной в потоке воздуха. С ростом температуры крошки и при определенной плотности орошения атажность крошки может достигнуть величин, меньших, чем до момента орошения. Иными словами, может наблюдаться эффект дополнительной сушки при снижении температуры крошки каучука. Данные предположения полностью подтвердились в ходе испытания воздушно-испарительного способа охлаждения в промышленных условиях, при орошении крошки каучука на входе в виброподъемник холодной водой, распыленной в потоке воздуха. На рис. 17 показано о, лосительное снижение температуры кромкг каучука на выходе из виброподъ-' С)

2.5 г. М

| 1.7 1-1.5

О ''3

< '''

3 0.3 ~ ¡3.7 '3.5

1 1 1 ■ 1 ! 1 и

! ! 1 П 1> л \

1 1 | !

\ 1 1/г

! I 1 |

И* \/1 1 1 1 ,

^ М I \ :

!' ! 1 ! 1

■Л ■1*1 ! | 1 !

! 1 1 И ' 1 |

1 5 ю 15 аз зо :5 ло ;о 55 50 55 Пролат/кителььосгь погружения н виду (с)

Рис.16. Кинетика увлажнения крошки каучука СКИ-3 при погружении в воду (температура крошки 343-353 К)

1--

в зависимости

от удельного расхода воды на орошение, а на рис. 18 изменение относительной влаж-

Ж

проитиш

£А\шс)

ности каучука 1

видно из рисунков, при удельном расходе воды на орошение от 0,001 до 0,009 кг воды/ кг каучука) возможно снижение температуры крошки каучука СКИ-3 на входе в вибролодъемник до 15 % (на 10-12 К (°С)),

Рис.¡8 Изменен;',е относительной влажности кгзоджи ка^чм<а СКИ-3 на зыходе И1 еибро-п'одъемника. тссле орошения водой

а также уменьшение остаточного влагосодержания каучука на 40 %. При повышении удельного расхода воды на орошение до 0,016 кг/кг влажность готового каучука всегда остается в пределах, оговоренных ГОСТ, а температура брикета дополнительно снижается на 15-20 К (°С):

ВЫВОДЫ

1. Проведены исследования термомеханической сушки каучука СКИ-3 при сбросе давления, как процесса тепломассообмена, протекающего во временном периоде, ограниченном временем релаксации каучука.

2. Разработана математическая модель процесса тепломассообмена при сушке каучука методом сброса давления, в качестве основных параметров которой являются реометрические и прочностные свойства каучука.

3. Анализ сушки каучука СКИ-3 на основе разработанной математической модели процесса позволил сформулировать основные принципы температурной оптимизации процесса механотермической сушки каучука в следующем виде:

- повышение начального влагосодержания каучука позволяет снижать температуру сушки, и наоборот, снижение начального влагосодержания требует повышения температуры сушки, ибо в противном случае не произойдет разрыв каучука и сушка не осуществится;

- для снижения температуры сушки необходима дополнительная отмывка каучука от гидрофильных примесей, а для увеличения движущей силы сушки и снижения конечной влажности каучука следует увеличивать давление на выходе из мундштука фидьерной плиты.

4. Обработка результатов промышленной сушки каучука СКИ-3 показала, что при сбросе давления до 70 % влаги из каучука удаляется в виде жидкости, исходя из коэффициента термомеханического выдавливания. Для расчета величины коэффициента термомеханического выдавливания предложена математическая зависимость, учитывающая реометрические и прочностные свойства каучука.

5. Доказано, что для увеличения давления на выходе из формующего канала следует выдерживать время течения каучука в мундштуке равным времени релаксации каучука. Разработаны конструкции выгрузных устройств, защищенных авторскими свидетельствами, в которых реализуется указанный принцип.

6. Показана возможность снижения температуры сушки на 40-50 К (°С) при одновременном снижении в 4-5 раз объема выбросов воздуха в атмосферу.

7. Установлено, что сушку каучука СКИ-3 вообще нецелесообразно осуществлять при температурах выше 463-468 К (190-195 °С), так как при этом конечное влагосодержание каучука увеличивается на 0,1-0,2 % мае.

8. Разработана технологическая схема, позволяющая проводить дополнительную отмывку полимера от гидрофильных примесей непосредственно перед сушкой.

9. Разработан новый технологический прием сушки каучука с использованием воздушно-испарительного метода охлаждения, который позволяет снизить температуру брикета каучука на 15-20 К (°С), а также уменьшить на 40 % конечное влагосодержание каучука. Данный способ снижения температуры брикета

каучука нашел свое применение при производстве каучука СКИ-3 на ОАО «Ниж-некамскнефтехим».

По материалам диссертации опубликованы следующие работы

1. Г. Т. Щербань, П.Н. Поярков, B.C. Шеин. Энергосберегающая технология сушки синтетических каучуков. (Промышленность CK: Тем. обзор).М.: ЦНИИТЭ-нефтехим, 1987.С.- 52

2. П.Н. Поярков, Г.Т. Щербань// НТИС. Промышленности CK, Шин и АТИ, М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1987, №12, С. 8-10

3. A.C. 1392750, В 29 В 33/06. Способ сушки синтетических каучуков/П.Н. Поярков, Г.Т. Щербань, A.M. Головачев, Е.Л. Осовский, В.А. Руднев, A.B. Раков. Заявлено 04,09,86; Опубл. 1988, Бюл. № 17, Запрещена публикация в открытой печати.

4. A.C. 1453785, В 29 В 13/06, 15/02. Устройство для переработки полимерных материалов/П.Н. Поярков, Г.Т. Щербань, B.C. Шеин, Н.С. Буркин, B.C. Дворников. Заявлено 17,02,87; Опубл. 1989, Бюл. № 3, Запрещена публикация в открытой печати.

5. A.C. 1508812, G 05 D 27/00, В29 И 13/06. Способ управления процессом сушки синтетических каучуков в червячных сушильных машинах/П.Н. Поярков, Г.Т. Щербань, B.C. Шеин. Заявлено 06,07,87; Опубл. 1989, Бюл. № 34, Запрещена публикация в открытой печати.

6. П.Н. Поярков, Г.Т. Щербань, B.C. Шеин. Воздушно-испарительное охлаждение крошки каучука//Рукопись деп. в ВИНИТИ 23.12.1988, № 8950-В88

7. П.Н. Поярков, Г.Т. Щербань, Воздушно-испарительное охлаждение крошки изопренового каучука.//Тезясы докладов всесоюзной конференции «Каучук-89. Проблемы развития науки и производства»,в 2 ч., (Воронеж, 18-22 сентября 1989 г.), ч. 2, - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1989.-С. 27

8. П.Н. Поярков, Г.Т. Щербань, B.C. Шеин. Особенности сушки синтетических каучуков/АГезисы докладов V-й международной конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-99», в 2 Т., (Нижнекамск-1999 г.), 1999. Т. 2, С. 160-161

9. П.Н. Поярков, B.C. Шеин, В.А. Седых. Механизм удаления влаги при сушке каучука методом сброса давления//Материалы XXXVIII юбилейной отчетной конференции за 1999 г. в 3 ч.//Воронеж. гос. технол. акад. Воронеж-2000, ч. 2,-С. 170-175

Подписано в печать « *2-3». 05.2000 Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная П.Л. 1,2 Тираж 100. Зак. I Ъ2 Воронежская государственная технологическая академия (ВГТА)

Участок оперативной полиграфии Адрес академии: УОП, 394017, г. Воронеж, пр-т Революции 19