автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Научно-технические основы высокоэффективных промышленных процессов и аппаратов переработки наполненных дисперсных композиций

005020609

На правах рукописи

Равичев Леонид Владимирович

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ПЕРЕРАБОТКИ НАПОЛНЕННЫХ ДИСПЕРСНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

05.17.08 - процессы и аппараты химических технологий 05.17.06 - технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

5 ДПР Ш1

Москва-2012

005020609

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

Научный консультант доктор технических наук, профессор по специальности

05.17.08 - процессы и аппараты химических технологий Гордеев Лев Сергеевич, РХТУ им. Д.И. Менделеева Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Петропавловский Игорь Александрович, РХТУ им. Д.И. Менделеева

доктор технических наук, профессор Скуратов Владимир Кириллович, Московский государственный университет инженерной экологии

доктор технических наук, профессор Носов Геннадий Алексеевич, Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

Ведущая организация: Ивановский государственный химико-технологический

университет.

Защита состоится 17 мая 2012 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д212.204.03 в РХТУ имени Д.И.Менделеева» (125047 Москва, Миусская пл., д. 9) в конференц-зале (ауд. 443).

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.204.03 кандидат технических наук, доцент

Женса А.В.

Актуальность работы.

Несмотря на большие научные достижения в теории и практике переработки большого класса пластмасс, таких как гомогенные расплавы натуральных и синтетических полимеров (термопласты, реактопласты, эластомеры и их смеси) в отраслях перерабатывающих наполненные дисперсные композиции доминирует эмпирический подход при проектировании и эксплуатации оборудования для их подготовки и формования.

До настоящего времени для большинства видов наполненных дисперсных композиций не удается, не только оптимизировать, но даже стабилизировать процесс шнекового формования в силу недостатка знаний о физико-механических свойствах этих систем, в частности степени завершения процесса пластификации и, как следствие, выбор неоптимальных технологических параметров формования и конструкции шнекового пресса. В этом случае главной проблемой является потеря устойчивости процесса формования наполненных дисперсных композиций, часто называемая срывом массы - по сути своей прекращение процесса формования.

Нестабильность процессов шнекового формования наполненных дисперсных композиций и отсутствие прогноза потери устойчивости выявили необходимость более тщательного изучения их физико-механических, как результата набухания и растворения твердых частиц полимера, и построения математической модели процесса взаимодействия дисперсной фазы наполненных дисперсных композиций с дисперсионной средой, позволяющей прогнозировать реологические свойства перерабатываемой композиции с учетом широкого спектра воздействующих факторов.

Сложность и непредсказуемость поведения наполненных дисперсных композиций в процессе деформирования подчеркивает важность точной постановки задачи исследования, выбора инструмента исследования и достоверной интерпретации результатов исследования физико-механических свойств наполненных дисперсных композиций, в виде адекватного математического описания.

Таким образом, проблема заключается в необходимости разработки научно-обоснованных методов и методик исследования, для обеспечения устойчивой работы шнекового оборудования при переработки наполненных дисперсных композиций сч

одновременным совершенствованием как собственно оборудования, так и поиска оптимальных решений технологической реализации процесса.

Цель и задачи работы. Цель работы - совершенствование процессов пластификации и формования наполненных дисперсных композиций, разработка новых методик исследования структурных, вязкостных и физико-механических свойств наполненных дисперсных композиций, новых конструкций оборудования для их переработки в готовое изделие, а также разработка пакета моделирующих программ для аппаратно-программного комплекса «Исследование и переработка наполненных дисперсных композиций».

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

• выявить закономерности процесса взаимодействия наполнителя дисперсных композиций с дисперсионной средой;

• разработка методик расчета структурных характеристик наполненных дисперсных композиций;

• изучение и моделирование вязкостных свойств наполненных дисперсных композиций;

• определение физико-механических свойств наполненных дисперсных композиций;

• разработка методики оценки формуемости наполненных дисперсных композиций с использованием математической модели одношнекового пресса;

• определение условий, обеспечивающих устойчивость процесса одношнекового формования наполненных дисперсных композиций;

• разработка аппаратно-программного комплекса для исследования, проектирования и управления процессом переработки наполненных дисперсных композиций.

Научная новизна:

Для обеспечения устойчивой работы аппаратов, используемых в процессе переработки наполненных дисперсных композиций, на примере системы «нитрат целлюлозы - растворитель формальглицерин» (НЦ-ФГ), осуществлен выбор состава композиции, реализующий необходимый комплекс физико-механических свойств. Чтобы решить эту проблему были проведены следующие исследования:

1. Получены новые данные по влиянию фракционного состава и размеров частиц на порозность наполнителя дисперсных композиций. Впервые разработана методика расчета структурных характеристик наполнителя, содержащего частицы произвольной геометрической формы и размера.

2. Получены новые данные по кинетике набухания сферических частиц полимера в растворителе и впервые разработана математическая модель процесса набухания и растворения полифракционного полимера в растворителе.

3. Получены новые данные о влиянии на вязкость дисперсной композиции размеров частиц и фракционного состава наполнителя. Впервые разработана методика, позволившая рассчитать вязкость наполненных дисперсных композиций с учетом влиянием различных факторов: фракционного состава, размера и формы частиц полимера, концентрации дисперсной фазы, температуры, скорости сдвига.

4. Предложенная в настоящей работе интегральная характеристика уплотнения концентрированных растворов нитроцеллюлозы - модуль удельной работы уплотнения, служит экспресс-оценкой степени пластификации, и дает возможность оперативно определять формуемость (перерабатываемость) этих растворов.

5. Методом анализа кривых ползучести в режиме постоянного напряжения сдвига определен предел текучести, как максимальное напряжение сдвига, при котором в течение заданного времени не происходит когезионный разрыв образца.

6. Показано на основании исследования сдвиговой прочности концентрированных растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине, как основного показателя сверханомалии, что эти растворы следует отнести к классу наполненных дисперсных композиций.

7. Разработанная методика изучения свойств концентрированных растворов нитроцеллюлозы, в которой в качестве инструмента исследования использовалась математическая модель одношнекового пресса, позволяет существенно сократить объем экспериментальных исследований и оценить в совокупности физико-механические свойства с точки зрения формуемости растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине различных составов на любом другом прессе.

8. Разработанная методика определения границы области устойчивости с заданным запасом устойчивости позволяет прогнозировать потерю устойчивости

шнекового формования в широком диапазоне изменения технологических параметров: температуры, концентрации растворителя, давления прессования.

Практическая значимость и реализация результатов заключается в их использовании при прогнозировании поведения наполненных дисперсных композиций и обеспечения устойчивой работы технологического процесса при переработке их в готовое изделие с учетом возможных отклонений физико-механических и структурных характеристик на стадии подготовки наполненных дисперсных композиций и сверханомального их поведения. Практическая реализация включает:

1. Разработаную программу расчета и оптимизации структурных характеристик полифракционного наполнителя дисперсных композиций.

2. Использование методик оценки вязкостных свойств наполненных дисперсных композиций как в случае «инертной», по отношению к наполнителю, дисперсионной среды, так и для случая, когда дисперсионная среда является растворителем для наполнителя (на примере системы «нитроцеллюлоза - формальглицерин»).

3. Полученная трехфакторная зависимость плотности растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине от давления, содержания растворителя и температуры может быть использована в качестве математического описания плотности этих растворов в любой модели процесса переработки, том числе с использованием шнековых прессов.

4. Показано, что уравнение Балкли-Гершеля, одним из параметров которого является предел текучести, хорошо аппроксимирует экспериментальные кривые течения растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине.

5. Доказано, что критический индекс прочности может служить мерой устойчивости сдвигового деформирования концентрированных растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине.

6. Разработана методика оценки формуемости концентрированных растворов нитроцеллюлозы позволяющая определить границы области неустойчивости формования для различных составов «нитроцеллюлоза - формальглицерин».

7. Аппаратно-программный комплекс «Исследование и переработка пластмасс» (с 2011 года «Исследование и переработка наполненных дисперсных композиций») в 2010 году успешно апробирован в ОАО «Пластик» в качестве:

- автоматизированной системы исследования физико-механических свойств пластических масс в процессе их получения и переработки;

- автоматизированной системы проектирования узла пластификации и формования пластических масс;

- подсистемы информационного обеспечения гибкого автоматизированного производства, обеспечивающей оперативное планирование загрузки и выбор оптимальных режимов работы узла пластификации и формования пластмасс в составе технологических линий многоассортиментного производства.

8. Научно-технический Совет ОАО «Научно-исследовательский институт лакокрасочных покрытий с опытным машиностроительным заводом «Виктория»» принял решение об использовании разработанного АПК «Исследование и переработка пластмасс» в процессах получения порошковых лакокрасочных материалов и композиционных материалов различного назначения с использованием шнекового оборудования. Рекомендовано использования АПК для повышения квалификации и тренинга руководящих работников и специалистов по направлению «Управление процессом переработки высоконаполненных дисперсных композиций на шнековом оборудовании в пищевой промышленности, промышленности строительных материалов и изготовление гранулированных материалов для агропромышленного комплекса» в рамках организуемого в Московском регионе химико-технологического инновационного кластера НП «ХТ кластер».

9. Для снижения энергоёмкости и повышения устойчивости процесса формования и качества грапулята разработаны новые конструкции многоканального пресс-инструмента и втулки шнек-пресса. Конструкции защищены авторским свидетельством и патентами РФ.

Личный вклад автора. Автору принадлежит: обоснование цели и задачи работы, решающая роль в выборе методов исследования, непосредственное участие в исследованиях, научные результаты (анализ, обобщение и выводы), прикладные результаты и их внедрение в промышленность.

Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции «Химреактор -II». Харьков, 1992; Inter, sem. «Monolith Honeycomb supports and catalysts». St.

Petersburg, Russia, 1995; 2-ой Международной конференции, посвященной памяти академика Г.К. Борескова. Новосибирск, 1997; 12th International Conference «Process Control '99». Bratislava. 1999; 14th Internathional Congress of Chemical and Process Engineereng. Praha, Czech Republic. 2000; 2-ой Международной конференции «Образование и устойчивое развитие общества». Москва. 2004; Международной конференции по химической технологии ХТ - 07, посвященной 100-летию со дня рождения академика Н.М. Жаворонкова, Москва 2007; XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24». Киев. 2011.

Список публикаций. По теме диссертации опубликованы 50 научных работ, из них 16 статей в научных журналах, в которых должны быть опубликованы основные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук. Новизна разработок защищена 1 авторским свидетельством СССР и 4 патентами РФ. Результаты работы в области применения новых конструкций шнековых прессов в химической технологии использованы в учебном процессе РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, приложений и изложена на 373 страницах, содержит 132 рисунка и 44 таблицы. Список литературы из 335 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика и краткое изложение диссертационной работы.

В первой главе выполнен аналитический обзор работ, посвященных процессу пластификации наполненных дисперсных композиций, совместимости полимеров с пластификаторами и методам её определения, набуханию и растворению полимеров в растворителе, разработана математическая модель процесса взаимодействия полимера с растворителем.

На практике очень важно знать способность полимеров к набуханию в различных жидких средах, в том числе и нитроцеллюлозы, являющейся основой целого класса широко используемых полимерных материалов. Способность к

набуханию оценивается по степени набухания, которая выражается количеством жидкости поглощённой полимером, отнесённым к единице объёма полимера:

Г,--— (1)

где V'- текущий объем набухающего образца; V - начальный объем образца.

Термин «степень набухания» используется в основном для ограниченно набухающих или для набухающих и частично растворяющихся полимеров. Анализ

выражения (1) показывает, что оно дает возможность рассчитать у, не только для ограниченно набухающих полимеров, но для случая неограниченного набухания (растворения), включая все возможные промежуточные случаи. На рис. 1 впервые приведены все возможные кинетические кривые набухания полимера в избытке растворителя. Кривые 1,2,3 относится к случаю ограниченного набухания. Кривые 4,5,6 относятся к случаю неограниченного набухания, когда полимер полностью растворяется в растворителе. В этом случае предельная степень набухания у„р = -1. Очевидно, что математическое описание процесса взаимодействия полимера с растворителем должно включать в себя все возможные случаи рассмотренные выше, и основываться на уравнении материального баланса.

Система уравнений, описывающая процесс набухания и растворения полифракционного полимера в нелетучем растворителе имеет вид:

Рис. 1. Возможные зависимости степени полимера от времени взаимодействия с растворителем.

варианты набухания

¿У? _ с/У; йУ? Л с11 ек

~ , Ьу0! У, \ )

<и

л рпй " 11 ''

с" =

V" -V"

" V"

-а)]

(2)

с,п =

т т т т/Р

1=1 (=1 1=1 1 /;

где К" - объем полимера после набухания; £> - коэффициент диффузии; 6 - толщина диффузионного слоя; с/ - равновесная концентрация растворителя в полимере;. С,р -текущая концентрация растворителя в полимере; Буд - удельная поверхность; V -растворившийся объем полимера; р - коэффициент массоотдачи; р/7 - текущая плотность полимера; с/ - равновесная концентрация полимера в растворителе; Р, -текущая внешняя поверхность полимера; с/7 - текущая концентрация полимера в растворителе; V - начальный объем полимера; Ур°. - начальный объем растворителя; р - пористость частиц полимера; рр - плотность растворителя т - число фракций полимера. При 1=0 V" = V", V/1 = 0, V,' = V".

Система уравнений (2) пригодна для описания процесса набухания и растворения не только системы полифракционных частиц состоящих из одного и того же полимера (Д Д С2\ рп одинаковы для всех фракций), но и для системы, содержащих частицы разных полимеров. Это значительно расширяет область применения полученного математического описания, вплоть до моделирования поведения полифракционных систем, содержащих одновременно полимерные частицы ограниченно и неограниченно набухающих в растворителе.

Экспериментальные исследования процесса взаимодействия нитроцеллюлозы различной степени этерификации (полимер №1 и №2) с растворителем 4-гидроксилметил-1,3-диоксолан (формальглицерин) позволили определить значение равновесной концентрации растворителя в полимере №1 и №2 и температурную зависимость коэффициентов диффузии и массоотдачи для системы «полимер-растворитель» и получить математическую модель адекватно описывающую процесс набухания и растворения частиц нитроцеллюлозы в формальглицерине в диапазоне

изменения температуры от 20°С до 80°С. Впервые получена математическая модель позволяющая моделировать кинетику набухания полифракционного полимера, содержащего частицы сферической, цилиндрической формы или их смеси.

Система уравнений (2) является основой математической модели, описывающей физико-механические свойства и, в частности, реологические свойства полифракционных наполненных дисперсных композиций в случае, когда дисперсионная среда является растворителем (пластификатором) для полимерного наполнителя.

Во второй главе проведено исследование структурных характеристик наполнителя дисперсных композиций, предложены формулы и методики их расчёта.

Для эффективного управления процессом переработки наполненных дисперсных композиций необходимо знание зависимости вязкости таких дисперсий от структурных характеристик наполнителя: формы, размера, распределения по размерам частиц наполнителя (фракционного состава). Эти структурные характеристики определяют основные параметры физико-механического состояния наполненной дисперсной композиции: плотность, вязкость, скорость седиментации, характер взаимодействия частиц дисперсии между собой.

Изучение вязкостных свойств полифракционных дисперсий показало, что данные многих исследователей, включая и собственные экспериментальные данные, описываются формулой Муни:

где ц, г)ср - вязкость дисперсии и дисперсионной среды; К,,, - коэффициент взаимодействия частиц дисперсии с дисперсионной средой; Ф - объемная концентрация твердой фазы в дисперсии. Наличие подобной обобщающей зависимости указывает на то, что вязкость дисперсий частиц в значительной степени определяется максимальной концентрацией наполнителя Ф,< приобретающей фундаментальное значение для характеристики технологических качеств дисперсии и предсказания ее реологических свойств.

(3)

Максимальная концентрация наполнителя может быть выражена через порозность слоя, содержащего такие же частицы и в том же соотношении, как и дисперсия.

Анализ литературных экспериментальных данных по величине порозности и

максимальной концентрации частиц, показал, что Фм зависит от размера частиц и резко уменьшается при эквивалентном диаметре

частиц меньше 100 мкм (рис. 2).

Обработка полученных

экспериментальных данных показал, что зависимость Фм от

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Lg(d™)

Рис. 2. Зависимость максимальной концентрации от эквивалентного диаметра частиц.

эквивалентного диаметра частицы хорошо аппроксимируется формулой:

Ф,,=В + Й-—+

А/ о I j I »2

а,., а.„.

(4)

где В„=0,6137; В,= -4,970; В2=\8,930.

Хорошее согласование с экспериментальными данными, дает известный метод расчета порозности, использующий аналитические и полуэмпирические зависимости. Формулы для расчета были обобщены нами для случая полифракционной смеси, содержащей М фракций частиц различного эквивалентного диаметра с/, и позволили получить соотношения для расчёта порозности и максимальной концентрации полифракционной смеси частиц:

?У(1 +

к.

4 «уо+г^+а-«»,)1

2 U '

d-Q + cpMd-^y

} i= 1, 2.....М-1

j= 1, 2, ..., М-i

Aj - íj' "i

4 = 2>,Ч,-.)

/ = 2, 3, ..., М

(6)

м

Л = £ (*, 4,7-1)

/ = 1, 2.....М- 1

(7)

>1=у13+ХГП°+Л4

I = 1, 2.....М

(8)

п

тах

тах

(9)

тах

Ф= 1-е

м

(10)

В приведенных соотношениях х, объемная доля фракций, п° — коэффициент порозности фракций частиц, образующих полифракционную смесь.

Для более точного расчета порозности соотношения (5-10) были дополнены соотношением (4). Кроме этого, если полифракционная смесь содержит пористые частицы, общая пористость системы может быть получена из соотношения:

где От/, р, - масса и плотность материала частиц 1-й фракции.

Используя приведенные выше формулы, соответствующим образом меняя соотношение фракций на входе можно построить диаграммы, изображенные на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость максимальной концентрации трехфракционной смеси сферических частиц от содержания фракций, а) - с/,/с12и, = 1,0/0,9/0,8; б) - = 1,0/0,5/0.1; с) - ¿¡/¿/¿з = 1,0/0,2/0,04.

Разработанный метод расчета структурных характеристик наполнителя дисперсии: максимальной концентрации, пористости, насыпной плотности, фактора формы, внутренней, внешней и суммарной поверхности является необходимым

(И)

100

элементом математической модели, описывающей реологические свойства полифракционных наполненных дисперсных композиций.

В третьей главе выполнено исследование вязкости дисперсных композиций, разработана математическая модель позволяющая рассчитать вязкость наполненных дисперсных композиций в широком диапазоне воздействующих факторов.

Использование косвенных методов определения пластифицирующего эффекта растворителя, таких как исследование реологических свойств полимерных композиций, дает наиболее полную информацию как о характере и завершенности процесса пластификации, так и о возможности переработки полученной композиции в готовое изделие. Исследование вязкостных свойств наполненных дисперсных композиций осложняется большим количеством воздействующих факторов, и тем, что большинство этих факторов взаимосвязаны.

В качестве основного уравнения для расчета вязкости системы «полифракционный полимер - растворитель» было выбрано уравнение Муни (3).

Система уравнений математического описания вязкостных свойств дисперсий полифракционного полимера в растворителе может быть записана в виде:

где //„ >1с/>1 - текущее значение эффективной вязкости дисперсии и дисперсионной среды; Квю - коэффициент взаимодействия при / = 0 ; с/" - усредненная концентрация растворителя в полимере; Ф, - текущее значение объемной концентрации полимера;

о = /<?) Р = /Р)

с2=ЛТ)

с," =ДО,/},с1,с2) с," =ПО,р,с\,с\) Ф,=/(0,р,с1с\)

I =/(д/?,с;,с;)

(12)

кт=/и,ч>)

Фм - текущее значение максимальной объемной концентрации полимера; у/ - фактор формы; у - скорость сдвига; Т - температура; А - фракционный состав; а' -эквивалентный диаметр частиц фракций; а, Ь, К/, К3 - константы; т - количество фракций частиц.

При 7 = 0, или если дисперсионная среда не является растворителем для полимера, система уравнений (12) принимает вид:

Коэффициенты а и Ь определяют зависимость вязкости дисперсионной среды от температуры и могут быть достаточно просто определены по имеющимся экспериментальным значениям вязкости среды от температуры.

В дальнейших исследованиях в качестве «инертной» среды использовался глицерин, в качестве растворителя - формальглицерин.

Вместо эффективной вязкости >/, удобнее использовать понятие относительной вязкости. Использование относительной вязкости позволяет сравнивать результаты экспериментов, проведенных при различной температуре и для различных дисперсий.

Для исследования реологических свойств дисперсий полимера в глицерине и растворителе были отобраны пять фракций сферического полимера с диаметрами частиц 30, 70, 150-200, 400-500, 700^800 мкм и пять фракций волокнистого полимера с длиной частиц <160,160-300, 300-500,500-700, 700+900 мкм.

Исследования проводили с помощью ротационного вискозиметра «Реотест-2». Исследование поведения системы «сферический полимер - глицерин».

Результаты исследования дисперсий, содержащих частицы полимера в глицерине («инертная» среда) показывают, вязкость таких систем существенно зависит не только от концентрации и скорости сдвига, но и от размера частиц и фракционного состава. Существенное увеличение вязкости наблюдается для дисперсий, содержащих частицы менее 100 мкм, особенно в области малых скоростей сдвига.

Фм =/(фд,0ДДум)

(13)

Использование полифракционных смесей сферического полимера заметно влияет на вязкость дисперсий. Так, вязкость двухфракционных дисперсий, содержащих частицы 30 и 700-5-800 мкм, значительно меньше, чем вязкость дисперсии, содержащей частицы диаметром 30 мкм. Минимальное значение вязкости наблюдается при содержании фракций: 65% объемных -крупная и 35% мелкая (рис. 4). При данном соотношении фракций величина Фм, рассчитанная по уравнениям (5-10), с учетом поправки на зависимость максимальной концентрации для фракции ФМо от диаметра частиц (4), имеет наибольшее значение (кривая 1, рис. 4).

Проведенные экспериментальные исследования вязкости моно- и полифракционных дисперсий сферических частиц в глицерине позволили определить значение коэффициента взаимодействия в уравнении (3) и его зависимость от скорости сдвига. Характерно, что экстраполяция этой зависимости в область малых скоростей сдвига дает значение близкое к 2,5 - значению, определенному Эйнштейном для разбавленных дисперсий сферических частиц. Полученная система уравнений (14) позволяет рассчитывать вязкость полифракционных дисперсий в

1,07979- Ю-. expí^p

0,3

о 20 40 60 80 10 Х„%об. 10 80 60 40 20 О Х1} %об. Рис. 4. Зависимость относительной вязкости и максимальной концентрации (кривая 1) двухфракционной дисперсий от соотношения фракций. Концентрация - 30 % об. X, - 700-800, X} - 30 мкм. Концентрация твердой фазы в суспензии: Д-15%, в-25%, о.30%об.

К„ = 2,344 + 0,290 - lg(y') + 0,204 • [lgO')]2 + 0,067 ■ [lg(y)]5

(14)

1

Фкш = 0,6137 - 4,970 —+ 18,930- —

ш, d, df

Фи =f{éu.,d,Á) К.-Ф

i - 1,2,...,т

Ч = ПсР- ехР

Фи-Ф

широком диапазоне концентрации сферического наполнителя и скорости сдвига.

Исследование поведения системы «волокнистый полимер - глицерин».

Поведение волокнистых дисперсий в глицерине существенно отличается от поведения дисперсий, содержащих сферические частицы. Следует отметить две основные особенности: первая - более высокие значения вязкости волокнистых дисперсий, особенно при малых скоростей сдвига; вторая - существенное неньютоновское поведение: падение вязкости при увеличении скорости сдвига достигает нескольких порядков, в то время как для сферических частиц - 3-4 раза. Такое сверханомальное поведение волокнистых дисперсий прежде всего объясняется разрушением пространственной сетки зацепления и ориентацией волокон в направлении движения дисперсионной среды.

Ориентационные эффекты, возникающие в дисперсии волокнистого полимера при наложении сдвиговых деформаций, значительно усложняют задачу расчета структурных и реологических свойств таких дисперсий. Количественно ориентация волокон по потоку выражается величиной максимальной концентрации Фл/. Так, для хаотично ориентированных волокон величина Фм равна 0,52, для волокон, ориентированных в одном направлении - 0,83. Обработка имеющихся экспериментальных данных по вязкости волокнистых дисперсий позволила получить значения Фм в диапазоне от 0,1667 до 437,4 с"1.

Выполненные исследования вязкости волокнистых дисперсий в глицерине позволили определить зависимость коэффициента взаимодействия от длины волокна и скорости сдвига (рис. 5) и получить окончательно систему уравнений (15),

Ш с'

Рис. 5. Зависимость коэффициента взаимодействия для волокнистых дисперсий от скорости сдвига и длины волокна.

позволяющей рассчитывать вязкость дисперсий, содержащих волокнистые частицы: '6069,70'

П = 1,07979-КГ -ехр

К,, = 2,344 + 0,290 • Ш + 0,204 • [1ё(/)]2 + 0,067 • [1ё(/)]3

(15)

Фш =0,6137-4,970 —+18,930

/ = 1,2,..., т

К..-Ф

1 =

Полученная математическая модель адекватно описывает поведение дисперсий, содержащих волокнистые частицы в диапазоне скоростей сдвига 0,1667+437,4 с"1 и концентраций 0+30% об.

Исследование поведения системы «полимер - растворитель».

Для исследования реологических свойств дисперсий полимера в растворителе были отобраны образцы сферического тринитрат целлюлозы (полимер №1) и динитрат целлюлозы (полимер №2). В качестве растворителя применялся формальглицерин. Исследования

вязкостных свойств дисперсии проводили с помощью ротационного вискозиметра

ЯНЕОТЕ8Т-2.

Проведенные исследования вязкостных свойств дисперсий сферического полимера №1 и №2 в растворителе показывают, что кинетические кривые изменения вязкости качественно одинаковы как для ограниченно набухающего полимера (полимер №1), так и для полимера полностью

ч

Па. с

Диаметры частиц 700-800 мкм 9 150-200; Д 400-5С Ю; а

//

/

7

/

о

10 час-

Рис. 6. Зависимость вязкости дисперсий сферического полимера №2 от времени взаимодействия с растворителем. Концентрация 2% об. Скорость сдвига 100 с"1. Температура в эксперименте 80 °С.

растворяющегося в растворителе (полимер №2). Можно выделить три области: первая

- увеличения вязкости; вторая - область уменьшения вязкости; третья - область постоянной во времени вязкости (рис. 6).

Математическое описание реологических свойств дисперсий полимера в растворителе представляет собой систему уравнений (12).

Использование полученной математической модели позволяет теоретически рассчитывать вязкостные свойства наполненных дисперсных композиций в широком диапазоне скоростей сдвига и проследить изменение этих свойств во времени (рис. 7).

Рис. 7. Расчетная зависимость вязкости дисперсии сферического полимера №2 в растворителе от скорости

сдвига и времени взаимодействия. Температура 40°С, концентрация - 2% об., диаметр частиц 150-200 мкм.

В четвертой главе представлены исследования физико-механических свойств концентрированных растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине, по которым эти многофазные растворы можно отнести к классу наполненных дисперсных композиций.

Сложность при исследовании физико-механических свойств в лабораторных условиях и в промышленной переработке концентрированных растворов нитроцеллюлозы заключается в непрерывно продолжающемся процессе пластификации (растворении и набухании волокон нитроцеллюлозы).

Основными факторами, определяющими степень пластификации, являются природа и фракционный состав полимера, концентрация растворителя, температура проведения процесса, интенсивность и продолжительность сдвиговых деформаций.

сть сдвига,

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 Время, час

Исследование плотности концентрированных растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине.

Исследования выполнялись методом «глухого» прессования (в закрытой пресс-форме). Результаты эксперимента представлены на рис. 8 в виде зависимости плотности растворов нитроцеллюлозы в формальгицерине от давления прессования.

10 12 1-1 16 18 20 22 24 26

30 32 34 36 Р,МШ

Рис. 8. Зависимость плотности от давления растворов нитроцеллюлозы различных по содержанию растворителя и температуре.

Модуль удельной работы уплотнения (на единицу массы) является количественной интегральной оценкой характера процесса уплотнения и жесткости различных НДК, в том числе концентрированных растворов нитроцеллюлозы:

А_ т

• к

^РЛУ

д =

р л

17 ар,

г

(16)

где Р - давление; У0 и У„ - начальный и конечный объемы массы.; т - масса композиции; р0ярК- начальная и конечная плотности композиции.

Рост содержания растворителя и повышение температуры массы, увеличивают эффективность процесса пластификации и это, как следствие, отражается на характере процесса уплотнения растворов нитроцеллюлозы и затратах энергии на уплотнение.

Модуль удельной работы уплотнения может служить экспресс-оценкой степени пластификации, т.е. определить степень готовности растворов нитроцеллюлозы к формованию («перерабатываемость»). Модуль удельной работы позволяет также

оценить потери механической мощности пресса на уплотнение концентрированных растворов нитроцеллюлозы в процессе формования.

Исследование реологических характеристик течения концентрированных растворов нитроцеллюлозы.

Узкий интервал течения концентрированных растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине (НЦ-ФГ) по скорости сдвига и напряжению сдвига (1-1,5 порядка) и высокая чувствительность физико-механических свойств от внешних факторов в процессе пластификации (природа и фракционный состав твердой фазы, вид и содержание растворителя и т.д.) предъявляют повышенные требования к выбору методик и качеству исследования.

Наиболее надежным методом оценки реологических характеристик концентрированных растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине является анализ кривых ползучести в режиме постоянного напряжения сдвига в области развитого сдвигового течения.

На рис. 9, 10 приведены результаты аппроксимации кривых течения концентрированных растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине при различных абсолютных содержаниях растворителя: 70%; 80%; 90%; 100% и температуре 20°С уравнением Балкли-Гершеля:

Г = к-(т-т0)" или т = т0+м0-уп, (П)

где: У - скорость сдвига; Т - напряжение сдвига; - предел текучести; п - индекс течения; Мо - коэффициент вязкости; к - коэффициент консистенции.

Рис. 9. Аппроксимация зависимости напряжения сдвига Рис. 10. Нормированные в интервале 0+] параметры от скорости сдвига для раствора НЦ-ФГ уравнением реологического уравнения Балкли-Гершеля для Балкли-Гершеля. растворов нитроцеллюлозы в зависимости от

содержания растворителя ФГ.

Исследование сдвиговой прочности концентрированных растворов нитроцеллюлозы.

Условие устойчивости наполненной дисперсной композиции в поле сдвиговых напряжений в общем случае определяется следующим образом:

У У

У<7ш или —<1 или ' >0 (18)

II Кр у у

Г кр ' кр

где: у - индекс прочности; укр- критический индекс прочности.

Выражение у / укр характеризует уровень прочности композиции. Выражение 1-у / укр характеризует запас прочности НДК.

U.6 11,4 11,2 11,0 10,8 10,6

10,0

0,10 0,15 0J0 0,25 0,30 0,35 Р, МПа 70 75 80 85 90 95 С„ %

Рис. 11. Независимость критического индекса прочности Рис. 12. Зависимость критического индекса прочности от от напряжения сдвига раствора НЦ в ФГ 70%; 20°С в абсолютного содержания растворителя дня растворов доверительном интервале с вероятностью 0,95. НЦ-ФГ при температуре 20°С.

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

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

Проведенные исследования показали, что критический индекс прочности не зависит от напряжения сдвига (рис. 11) и существенно зависит от содержания растворителя (рис. 12),

Исследование внешнего трения концентрированных растворов нитроцеллюлозы.

Внешнее трение наполненных дисперсных композиций на твердых поверхностях рабочих органов машин чрезвычайно сложно для изучения и описания в силу большого числа воздействующих факторов и их взаимного влияния. Значительное влияние на величину напряжения внешнего трения оказывают следующие факторы: скорость скольжения по твердым поверхностям, давление, температура, состав и структура наполненной дисперсной композиции, а также вид твердого контактирующего материала (его природа) и шероховатость поверхности.

т^ =с,-(1 + сг-Рс>)-1п( 1 + Ус<),

Напряжение внешнего трения [МПа]

□ 0.40-0,45 00.35 0.10

■ 0.30-0,35

□ 0,25-0.30 ЯП.?О.П?в 00.15-0,20

□ 0.10-0.15

■ 0.05-0.10

.00-0,05

_ .Аяйа____________

к ^ни;янп111||||||||||Ц||||

0.40 0,35 0.30 0.25 0.20 0.10 0.10 0.05 0.00

О 200 4С0 630 800 1000 1200 140С 160Э 1800 2С00 2200 2400 2600 2800 3000

Давление [МПа] Скорость скольжения [мм/мин]

Рис. 13. Аппроксимация зависимости напряжения внешнего трения от скорости скольжения и давления.

На рис. 13. представлены результаты обработки серии экспериментов, по оценке напряжения внешнего трения концентрированных растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине с относительным массовым содержанием растворителя 40% при температуре раствора 80°С в зависимости от скорости скольжения и давления.

В пятой главе представлена методика оценки формуемости (перерабатываемое™) наполненных дисперсных композиций с использованием математической модели одношнекового формования при исследовании влияния рецептуры и режима приготовления композиции.

Существующие в настоящее время критерии формуемости массы, например: контрольное давление, коэффициент технологичности, показатель комкуемости и т.д. не отражают физико-механические свойства массы, конструктивные особенности формующего оборудования и технологические параметры режима переработки, оказывающих решающее влияние на характер процесса формования массы при прочих равных условиях.

Для оценки формуемости НДК и, в частности, растворов нитроцеллюлозы из множества математических моделей одношнекового формования выбрана наиболее подходящая модель, учитывающая особенности физико-механических свойств НДК, в частности, сверханомалию сдвигового деформирования и анизотропию структуры, вызывающих неустойчивость процесса формования и срыв массы с рифов на корпусе, что приводит к значительным экономическим потерям в производстве изделий, поскольку требуется останов, очистка и последующий запуск не только пресса, но всей технологической линии.

Проверка адекватности математической модели выполнена с использованием экспериментальных данных, полученных на лабораторном одношнековом прессе. Средняя относительная погрешность математической модели в сравнении с экспериментальными значениями для всех рассматриваемых составов нитроцеллюлоза - формальглицерин не превышает 4,5 % по производительности пресса. Максимальная относительная погрешность не превышает 10%.

Оценка формуемости растворов нитроцеллюлозы с различным содержанием формальглицерина в интервале: 70%+100% в зависимости от давления формования фактически заключается в получении отклика математической модели на изменение содержания растворителя и, следовательно, физико-механических характеристик (глава 4), а также давления формования в некотором интервале, включающем срыв массы, который определяется точкой пересечения фактического индекса прочности в зазоре с критическим согласно условию устойчивости (глава 4). При этом определяется критическое давление формования и другие критические параметры (рис. 14): все составляющие производительности и мощности, затрачиваемые на внутреннее (сдвиговое) трение и внешнее трение на стенках каналов и рифов, а также

относительные характеристики, например критические удельные затраты энергии в зоне дозирования.

Рис. 14. Индекс прочности и удельные затраты энергии в зависимости от давления формования для растворов НЦ в ФГ. Концентрация растворителя 70+100%. Критические значения отмечены стрелками.

В шестой главе выполнено исследование устойчивости стационарных режимов работы одношнекового пресса при оценке формуемости концентрированных растворов нитроцеллюлозы. Применяемые ниже термины: устойчивость, уровень устойчивости, запас устойчивости следует читать в техническом смысле применительно к процессу формования наполненных дисперсных композиций.

Для оценки формуемости концентрированных растворов нитроцеллюлозы разработана методика оценки границ области угрозы устойчивости с заданным запасом устойчивости, примыкающей к области неустойчивости (критической).

Анализ диаграммы устойчивости по давлению формования (рис. 15) показывает, что с ростом абсолютного содержания растворителя уменьшается область угрозы

Рис. 15. Диаграмма устойчивости по давлению формования [МПа] на одношнековом прессе диаметром 92 мм растворов НЦ в ФГ 70%+100%.

устойчивого формования и увеличивается критический градиент запаса устойчивости, следовательно, увеличивается относительная скорость приближения давления формования к границе устойчивости. Следовательно, увеличивать содержание растворителя за пределами относительно безопасного интервала (70%-=-90%) в процессе пластификации нитроцеллюлозы вдвойне опасно с точки зрения потери устойчивости процесса формования, поскольку оба фактора уменьшают допустимое время реагирования системы управления на угрозу потери устойчивости. Последнее наглядно показывает тесную взаимосвязь процессов пластификации и формования.

В седьмой главе приведена структура аппаратно-программного комплекса «Исследование и переработка наполненных дисперсных композиций».

Аппаратно-программный комплекс «Исследование и переработка наполненных дисперсных композиций» состоит из базы данных и трех подсистем поддержки: организационной, математической и методической (рис. 16). Ядром комплекса является база данных, обеспечивающая информационную совместимость указанных подсистем.

Подсистема организационной поддержки включает блок подготовки информации, блок информационного обмена, блок контроля и редакции информации, блок преобразования массивов данных, а также блок графического отображения информации.

Подсистема математической поддержки содержит блок методов статистического анализа и математического описания экспериментальных данных, а также блок численных методов анализа (аппроксимация, оптимизация, решение систем уравнений и т.д.).

Подсистема методической поддержки определяет целевое назначение аппаратно-программного комплекса. Подсистема методической поддержки включает в себя блоки, которые могут быть использованы практически для любых наполненных дисперсных композиций различной природы, реологическое поведение которых и поведение на границе с твердой поверхностью значительно различается: от ньютоновской вязко-пластической жидкости без скольжения на твердой поверхности, до композиций, характеризующихся сверханомальным реологическим поведением, обусловленным наличием предела текучести, предела сдвиговой прочности (когезионный разрыв) и скольжением на твердой поверхности.

порозность, пористость и удельная поверхность

Блок методик исследования

фнжко-механнческих свойств НДК:

компоессгюнных

реологических

сдвиговой пппчности

поведения на границе с твердой поверхностью

Блок исследования я моделирования процесса взаимодействия наполнителя с дисперсионной средой Блок исследования и моделирования вязкостных свойств НДК:

• система «полифракционный полимер-инертная среда»

• наполнитель -частицы сферической формы

• система «полифракционный полимер-растворитель»

• наполнитель -частицы цилиндрической формы

поверочный расчет

оптимальное проектирование

Блок исследования

устойчивости работы аппаратов, используемых для

синтеза и переработки НДК:

проточный

реактор

смешения

одношнековый пресс

Рис. 16. Структура АПК «Исследование и переработка наполненных дисперсных композиций».

Все перечисленные подсистемы могут работать как в комплексе, так и автономно. Обмен информацией между этими подсистемами осуществляется посредством базы данных (рис. 7.1), которая служит для долговременного хранения экспериментальных данных, результатов обработки, а также оперативного хранения промежуточных результатов в автономном режиме работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ Для обеспечения устойчивой работы аппаратов используемых в процессе переработки наполненных дисперсных композиций, на примере системы «нитроцеллюлоза - формальглицерин», осуществлен выбор состава композиции для реализации необходимого комплекса физико-механических свойств. Для решения этой проблемы были проведены следующие исследования:

1. Получены новые данные по влиянию фракционного состава и размеров частиц на порозность наполнителя дисперсной композиции. Впервые разработана методика расчета структурных характеристик наполнителя дисперсной композиции содержащих частицы произвольной геометрической формы и размера.

2. Получены новые данные по кинетике набухания сферических частиц полимера в растворителе и впервые разработана математическая модель процесса набухания и растворения полифракционного полимера в растворителе.

3. Получены новые данные о влиянии на вязкость дисперсной композиции размеров частиц и фракционного состава наполнителя. Впервые разработана методика, позволившая рассчитать вязкость наполненных дисперсных композиций с учетом влиянием различных факторов: фракционного состава, размера и формы частиц полимера, концентрации дисперсной фазы, температуры, скорости сдвига.

4. На основании результатов исследования процесса уплотнения растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине в широком интервале изменения давления, содержания растворителя, температуры получено математическое описание этого процесса.

5. На основании результатов исследования физико-механических свойств растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине: реологических характеристик, сдвиговой прочности, внешнего трения, плотности получено математическое

описание этих свойств в широком интервале воздействующих факторов: содержание растворителя, давление и температура.

6. Разработана методика исследования и получены новые результаты по формуемости растворов нитратов целлюлозы в формальглицерине в широком интервале изменения основных факторов: содержание растворителя, давление и температура с использованием математической модели одношнекового пресса. Методика позволила оценить в совокупности физико-механические свойства широкого класса наполненных дисперсных композиций, т.е. степень готовности массы к формованию.

7. Установлены условия устойчивости стационарных режимов работы аппаратов для переработки наполненных дисперсных композиций в части выбора состава и реализации необходимого комплекса физико-механических свойств. Для определения устойчивости процесса формования в одношнековом прессе разработана методика оценки границ области устойчивости с заданным запасом устойчивости.

8. Разработан и апробирован в ОАО «Пластик» аппаратно-программный комплекс «Исследование и переработка наполненных дисперсных композиций», позволяющий проводить исследования процесса взаимодействия полимера с растворителем на стадии пластификации, структурных характеристик и физико-механических свойств на стадии пластификации и формования в одношнековом прессе с учетом неустойчивости.

9. Разработаны и защищены авторским свидетельством и патентами РФ новые конструкции гранулирующих шнековых прессов, обеспечивающих повышение устойчивости формования наполненных дисперсных композиций, увеличение производительности пресса при значительном снижении потерь сырья и энергии.

Основные положения диссертации опубликованы:

а) в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Равичев JI.B., Беспалов A.B. Экструзионное формование масс с повышенной вязкостью. // Хим. пром-ть. 1996. №9. С. 607-608.

2. Равичев Л.В., Беспалов A.B. Стационарные режимы работы проточного реактора смешения непрерывного действия. // Хим. пром-ть. 1996. №11. С. 737-739.

3. 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-ть. 1998. №1. С. 112-114.

4. 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-ть. 1998. №3. С. 176-177.

5. Равичев Л.В., Логинов В .Я., Беспалов A.B., Старостина Н.Г. Моделирование вязкостных свойств высококонцентрированных суспензий. // Известия ВУЗов. Серия «Химия и химическая технология». 1999. №6. С. 33-35.

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

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

8. Старостина Н.Г., Равичев Л.В., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Физико-механические свойства алюмооксидной катализаторной массы (внутреннее трение). // Хим. пром-ть. 2001. №7. С. 33-37.

9. Равичев Л.В., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Расчет вязкости суспензий катализаторных и полимерных масс. // Хим. пром-ть. 2002. №5. С. 45-50.

10. Равичев Л.В., Старостина Н.Г., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Физико-механические свойства алюмооксидной катализаторной массы (внешнее трение). // Хим. пром-ть. - 2002. №10. - С. 9-11.

11. Равичев Л.В., Беспалов A.B. К расчету порозности неподвижного зернистого катализаторного слоя. // Хим. пром-ть сегодня. 2007. №1. С. 4-9.

12. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Моделирование вязкостных свойств концентрированных суспензий // Теоретические основы химической технологии. 2008. Т. 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-ть 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-ть сегодня. 2009. № 10. С. 18-24.

15. Равичев JI.B., Логинов В.Я., Беспалов А.В. Аппаратно-программный комплекс для исследования, проектирования и управления процессом переработки пластических масс. Устойчивость формования высоконаполненных дисперсных композиций в одношнековом прессе. // Хим. пром-ть сегодня. 2009. № 11. С. 35-39.

16. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов А.В. Аппаратно-программный комплекс для исследования, проектирования и управления процессом переработки пластических масс. Блок исследования и проектирования одношнекового пресса. // Хим. пром-ть сегодня. 2009. № 12. С. 42-48.

б) наиболее значимые работы, опубликованные в других изданиях

17. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов А.В. Исследование устойчивости и динамики переходных режимов работы проточного реактора смешения. / Докл. Всесоюзной конференции «Химреактор - II». Часть I. Изд. ХПИ, Харьков. 1992. С. 197-201.

18. Бесков B.C., Беспалов А.В., Равичев Л.В. Усовершенствование методов приготовления блочных катализаторов сотовой структуры из ванадиевых контактных масс. Тез. докл. Inter, sem. Monolith Honeycomb supports and catalysts. St.Petersburg, Russia. 1995.

19. 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 Т.К. Борескова, Century Science and Engineering «Catalysis on there of the XXI». Новосибирск: 1997. С. 23-24.

20. Loginov V.Y., Ravichev L.V., Bespalov A.V., Starostina N.G.. The modeling of extrusion forming of catalyst masses. / 12th Conference «Process Control '99». Bratislava. 1999. V.l.P. 113-114.

21. Равичев Л.В., Беспалов A.B., Логинов В.Я., Старостина Н.Г. Влияние конструктивных и технологических параметров одношнекового пресса на прочностные характеристики экструдируемой высоконаполненной дисперсной массы: сб. научных тр. / РХТУ им. Д.И.Менделеева. М. 2000. Выпуск 178. С. 53-57.

22. Loginov V.Y., Ravichev L.V., Bespalov A.V. The modeling of extrusion forming. / 14th International Congress of Chemical and Process Engineering. Praha, Czech Republic. 2000. P. 45-47.

23. Равичев JI.B., Беспалов A.B., Логинов В.Я., Старостина Н.Г. Исследование свойств алюмооксидной катализаторной массы на границе с твердой поверхностью (измерение внешнего трения). / Всероссийская конференция по технологии неорганических веществ. Казань, 19-22 мая 2001 г., Менделеевск. С. 151-152.

24. Равичев Л.В., Беспалов A.B., Логинов В.Я., Старостина Н.Г. Моделирование вязкостных свойств высоконаполненных дисперсных композиций. / Технология неорганических веществ: сб. научн. тр. Вып. 180. РХТУ им. Д.И.Менделеева. М. 2002. С. 110-124.

25. Равичев Л.В., Старостина Н.Г., Беспатов A.B., Логинов В.Я. Исследование свойств алюмооксидной катализаторной массы на границе с твердой поверхностью (измерение внешнего трения). / Технология неорганических веществ: сб. научн. тр. Вып. 180. РХТУ им. Д.И.Менделеева. М. 2002. С. 137-142.

26. Равичев Л.В., Старостина Н.Г., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Физико-механические свойства алюмооксидной катализаторной массы (внутреннее трение) / Технология неорганических веществ: сб. научн. тр. Вып. 180. РХТУ им. Д.И.Менделеева. М. 2002. С. 125-136.

27. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Старостина Н.Г., Беспалов A.B. Компрессионные свойства алюмооксидной катализаторной массы. / Технология неорганических веществ: сб. научн. тр. Вып. 180. РХТУ им. Д.И.Менделеева. М. 2002. С. 143-147.

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

29. Равичев Л.В., Беспалов A.B. Расчет структурных характеристик зернистого слоя полифракционного состава. // Химическая технология: сб. тезисов докладов Международной конференции по химической технологии ХТ-07. М.: ЛЕНАНД. 2007. Т.З. С. 400-402.

30. Равичев Л.В., Беспалов A.B. Расчет порозности неподвижного зернистого катализаторного слоя. // Химическая технология: сб. тезисов докладов

Международной конференции по химической технологии ХТ-07. М.: ЛЕНАНД. 2007. Т.З. С. 403-405.

31. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Моделирование вязкостных свойств суспензий сферических частиц. Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-24: сб. трудов XXIV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 3. Секция 3 / под общ. ред. B.C. Балакирева. Киев: Национ. Техн. Ун-т Украины «КПИ». 2011. С. 99-100.

32. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B., Губин М.С. Моделирование процесса взаимодействия полимера с растворителем. Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. трудов XXIV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 7. Секция 11 / под общ. Ред. B.C. Балакирева. Пенза: Пенз. гос. технол. ак-мия. 2011. С. 82-83.

33. Логинов В.Я., Равичев Л.В., Беспалов A.B. Математическое моделирование шнекового формования наполненных дисперсных композиций. Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. трудов XXIV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 7. Секция 11 / под общ. Ред. B.C. Балакирева. Пенза: Пенз. гос. технол. ак-мия. 2011. С. 90-92.

в) авторские свидетельства, патенты

34. Гранулирующий шнековый пресс для высококонцентрированных полидисперсных материалов: авт. свид. 1726256 (СССР) № 4736041; заявл. 01.08.1989, зарег. в Гос. реестре. 15.12.1991.

35. Гранулирующий шнековый пресс: пат. 2079405 Рос. Федерация. № 95107300; заявл. 05.05.1995, опубл. 20.05.1997, бюл. №14.

36. Гранулирующий шнековый пресс: пат. 2092318 Рос. Федерация. № 96105736; заявл. 26.03.1996; опубл. 10.10.1997, бюл. №28.

37. Гранулирующий шнековый пресс: пат. 2122495 Рос. Федерация. № 97119939; заявл. 02.12.1997; опубл. 27.11.1998, бюл. №33.

38. Гранулирующий шнековый пресс: пат. 2198787 Рос. Федерация. № 2001134910; заявл. 25.12.2001; опубл. 20.02.2003, бюл. №5.

Заказ № 23_Объем 2,0 п.л._тираж 100 экз.

Издательский центр РХТУ им. Д.И.Менделеева

Актуальность работы. Термин «пластмассы» в данной работе определяет самые различные композиции: от смеси твердых частиц различной формы в жидкости -суспензии до наполненных растворов натуральных и синтетических полимеров, представляющих собой коллоидные капиллярно-пористые тела с каркасом из агломератов твердой фазы, удерживающим внутри жидкую и газовую фазы, например концентрированные растворы целлюлозы и ее производных. Характерные признаки деформирования таких систем в поле сдвиговых напряжений - это заметное проявление упруговязкопластичных свойств. Физико-механические свойства таких систем допускают их переработку методом проходного прессования, в частности шнековое формование. Далее в тексте все перечисленные пластические массы будем называть наполненными дисперсными композициями (НДК) или дисперсными системами или дисперсиями. По классификации, предложенной академиком П.А. Ребиндером [В.1] понятие дисперсная система включает в себя самые разнообразные системы, отличающихся друг от друга агрегатным состоянием фаз и размерами частиц, входящих в дисперсную систему. Используемый далее в тексте термин дисперсия,, подразумевает систему, включающую твердые частицы полимера различного размера и формы как в «инертной» среде (свободнодисперсная система -суспензия по классификации П.А. Ребиндера), так и в среде растворителя, когда происходит взаимное проникновение дисперсионной среды в дисперсную твердую фазу и наоборот (образование связнодисперсной системы).

В процессе переработки НДК в готовые изделия можно выделить три основные технологические стадии [В.2]:

1. синтез и подготовка компонентов дисперсной композиции;

2. пластификация НДК - смешение и взаимодействие компонентов, обеспечивающих комплекс физико-механических свойств, необходимых для переработки массы в готовое изделие;

3. формование полученной массы в готовые изделия на прессах, в частности шнековых.

В процессе подготовки НДК используются специально подобранные вещества -пластификаторы, вызывающие ограниченное набухание и(или) полное растворение полимерного материала. В этом случае стадия пластификации является основной технологической стадией при переработке таких полимеров и в значительной степени определяет как условия перерабатываемости массы в процессе формования, так и эксплуатационные свойства готового изделия.

Несмотря на большие научные достижения в теории и практике переработки большого класса пластмасс, таких как гомогенные расплавы натуральных и синтетических полимеров (термопласты, реактопласты, эластомеры и их смеси) в отраслях перерабатывающих НДК доминирует эмпирический подход при проектировании и эксплуатации оборудования для подготовки и формования НДК.

До настоящего времени для большинства видов НДК не удается, не только оптимизировать, но даже стабилизировать процесс шнекового формования в силу недостатка знаний о физико-механических свойствах этих систем, в частности степени завершения процесса пластификации и, как следствие, выбор неоптимальных технологических параметров формования и конструкции шнекового пресса. В этом случае главной проблемой является потеря устойчивости процесса формования НДК, часто называемая срывом массы - по сути своей прекращение процесса формования.

Нестабильность процессов шнекового формования НДК и отсутствие прогноза потери устойчивости выявили необходимость более тщательного изучения физико-механических свойств НДК, как результата набухания и растворения твердых частиц полимера, и построения математической модели процесса взаимодействия дисперсной фазы НДК с дисперсионной средой, позволяющей прогнозировать * реологические свойства перерабатываемой НДК с учетом широкого спектра воздействующих факторов.

В системе «полимер-пластификатор» всегда находятся не растворившиеся крупные надмолекулярные образования, размеры которых могут достигать сотен микрон, и поэтому следует ожидать зависимость различных физико-механических свойств пластифицированных полимеров от предыстории образования дисперсной фазы (особенности макроструктуры, условий стабилизации, степени измельчения и т.д.). Это особенно актуально, если частицы полимера ограничено набухают в пластификаторе, либо в случае использования композиций, представляющих собой смесь из нескольких полимеров, один из которых неограниченно растворяется, образуя дисперсионную среду для других полимеров, набухающих и (или) ограниченно растворяющихся в этой среде. Это приводит к тому, что данные системы проявляют свойства, характерные для суспензий и, следовательно, это необходимо учитывать при исследовании и моделировании их физико-механических свойств, в частности реологических.

Исследование и моделирование вязкостных свойств НДК осложняется не только большим количеством воздействующих факторов, но и тем, что большинство этих факторов взаимосвязаны и, следовательно, необходимо чтобы в математической модели не только была установлена связь между воздействующими факторами и выходной характеристикой - вязкостью системы, но и учитывалось взаимовлияние факторов. Особая сложность при исследовании физико-механических свойств в лабораторных условиях и в промышленной переработке НДК заключается в непрерывно продолжающемся процессе пластификации (растворении и набухании частиц полимера). Степень пластификации или оценка перерабатываемое™ массы является комплексной оценкой некоторых физико-механических свойств НДК: компрессионных, реологических, трибометрических, т.е. всех тех свойств, которые определяют характер движения массы в каналах формующего оборудования и в конечном итоге качество изделия.

Основными факторами, определяющими степень пластификации, являются химическая природа и фракционный состав полимера, концентрация растворителя, температура проведения процесса, интенсивность и продолжительность сдвиговых деформаций на стадии пластификации и т.д.

Сложность и непредсказуемость поведения НДК в процессе деформирования подчеркивает важность точной постановки задачи исследования, выбора инструмента исследования и достоверной интерпретации результатов исследования физико-механических свойств НДК, в виде адекватного математического описания.

Поэтому .;,,. для исследования физико-механических свойств , выбраны и разработаны специальные методики исследования физико-механических свойств наполненных дисперсных композиций.

Для прогноза устойчивости стационарных состояний, при анализе формуемости НДК, разработана методика оценки устойчивости с заданным запасом устойчивости в пространстве конструктивных и технологических параметров одношнекового пресса [В.З]. Эта методика может служить; элементом системы ; проектирования любого оборудования, проявляющего подобную технологическую неустойчивость, а также элементом системы управления для прогноза значений технологических параметров и их градиентов в переходных процессах.

Таким образом, решение задачи обеспечения устойчивости работы технологического процесса при переработке наполненных дисперсных композиций в готовое изделие с учетом возможных отклонений физико-механических и структурных характеристик на стадии пластификации и формования НДК носит системный характер и является актуальной темой исследования. Успешное решение сложных задач системного характера невозможно без системного анализа, принципы которого для исследования процессов химических технологий представлены и развиты в научных трудах [В.4-В.30].

Целью настоящей работы является совершенствование процессов пластификации и формования наполненных дисперсных композиций (НДК), разработка новых методик исследования структурных, вязкостных и физико-механических свойств НДК, новых конструкций оборудования для их переработки в готовое изделие, а также разработка пакета моделирующих программ для аппаратно-программного комплекса (АПК) «Исследование и переработка наполненных дисперсных композиций».

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

• исследование процесса взаимодействия наполнителя дисперсных композиций с дисперсионной средой;

• разработка методик расчета струюурных характеристик НДК;

• исследование и моделирование вязкостных свойств НДК;

• исследование физико-механических свойств НДК;

• разработка методики оценки формуемости НДК с использованием математической модели одношнекового пресса;

• исследование устойчивости одношнекового формования НДК;

• разработка аппаратно-программного комплекса (АПК) для исследования, проектирования и управления процессом переработки НДК.

Следует отметить, что предложенный в диссертации пакет моделирующих программ в составе АПК «Исследование и переработка наполненных дисперсных композиций», в котором реализованы новые и действующие методики исследования структурных, вязкостных и физико-механических свойств НДК, методики анализа и оптимального проектирования одношнекового пресса, методики исследования устойчивости работы аппаратов, используемых для синтеза и переработки НДК, нашли применение в процессах синтеза и переработки НДК в готовые изделия. В частности, АПК «Исследование и переработка пластмасс» (с 2011 года разработанный АПК носит название «Исследование и переработка наполненных дисперсных композиций») успешно апробирован в ОАО «Пластик» (см. приложение) в качестве:

- автоматизированной системы исследования физико-механических свойств пластических масс в процессе их получения и переработки;

- автоматизированной системы проектирования узла пластификации и формования пластических масс;

- подсистемы информационного обеспечения гибкого автоматизированного производства, обеспечивающей оперативное планирование загрузки и выбор оптимальных режимов работы узла пластификации и формования пластмасс в составе технологических линий многоассортиментного производства.

Принято решение о поэтапном внедрении АПК «Исследование и переработка пластмасс» в этой организации.

Научно-технический Совет ОАО «Научно-исследовательский институт лакокрасочных покрытий с опытным машиностроительным заводом «Виктория»» принял решение об использовании разработанного АПК «Исследование и переработка пластмасс» в процессах получения порошковых лакокрасочных материалов и композиционных материалов различного назначения с использованием шнекового оборудования, а также использования АПК для повышения квалификации и тренинга руководящих работников и специалистов по направлению «Управление процессом переработки наполненных дисперсных композиций на шнековом оборудовании в пищевой промышленности, промышленности строительных материалов и изготовление гранулированных материалов для агропромышленного комплекса» в рамках организуемого в Московском регионе химико-технологического инновационного кластера НП «ХТ кластер» (см. приложение).

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Всесоюзной конференции «Химреактор - II». Харьков, 1992;

Inter, sem. «Monolith Honeycomb supports and catalysts». St. Petersburg, Russia, 1995;

2-ой Международной конференции, посвященной памяти академика Г.К. Борескова. Новосибирск, 1997;

12th International Conference «Process Control '99». Bratislava. 1999;

14th Internathional Congress of Chemical and Process Engineereng. Praha, Czech Republic. 2000;

2-ой Международной конференции «Образование и устойчивое развитие общества». Москва. 2004.

Международной конференции по химической технологии XT - 07, посвященной 100-летию со дня рождения академика Н.М. Жаворонкова, Москва. 2007.

XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24». Киев. 2011.

По теме диссертации опубликованы 50 научных работ [В.31-В.80], из них 16 работ [В.36, В.37, В.44, В.45, В.47, В.48, В.52, В.56, В.60, В.61, В.70, В.73, В.74-В.77] в научных журналах, в которых должны быть опубликованы основные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук. Новизна разработок защищена 1 авторским свидетельством СССР [В.31] и 4 патентами РФ [В.34, В.38, В.46, В.67].

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 Л.С., программисту отдела лицензирования и аккредитации образовательных программ РХТУ им. Д.И.Менделеева, к.т.н. Логинову В.Я. и профессору кафедры общей химической технологии, д.т.н. Беспалову A.B.

Литература

В.1. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. Избр. труды. М.: Наука, 1978. 368 с.

В.2. Фиошина М.А., Русин Д.Л. Основы химии и технологии порохов и твердых ракетных топлив: Учеб. пособие / М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2001. 316 с.

В.З. Логинов В.Я. Формование высоконаполненных дисперсных композиций в одношнековом прессе: дис. канд. техн. наук. М., 2009.272 с.

В.4. Арис Р. Оптимальное проектирование химических реакторов. М.: ИЛ, 1963. 238 с.

В.5. Крамере X., Вестертерп К. Химические реакторы. Расчет и управление. М.: Химия, 1967. 264 с.

В.6. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов / Пер. с англ. под ред. М.Г. Слинько. М.: Химия, 1967.414 с.

В.7. Розенброк X., Стори С. Вычислительные методы для инженеров-химиков / Пер. с англ. Б.М. Авдеева, Ю.В. Ковачича, В.Н. Левицкого. М.: Мир, 1968. 444 с. В.8. Писаренко В.Н., Погорелов А.Г. Планирование кинетических исследований. М.-Л.: Наука, 1969. 640 с.

В.9. Дудников Е.Г., Балакирев В.С, Кривсунов В.Н., Цирлин A.M. Построение математических моделей химико-технологических объектов. М.: Химия, 1970. 312 с. В. 10. Островский Г. М., Волин Ю. М. Методы оптимизации сложных химико-технологических систем. М.: Химия, 1970. 325 с.

В.11. Фрэнке Р. Математическое моделирование в химической технологии / Пер. с англ. Д.К. Бейлиной и Э.Ф. Ишмаевой. Под ред. B.C. Тропцова. М.: Химия, 1971. 270 с.

В.12. Гордеев Л.С., Кафаров В.В;, Бояринов А.И. Оптимизация процессов химической технологии. М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1972. 257 с.

В. 13. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами / Пер. с англ.

В.Д. Скаржинского. Под ред. В.Т. Горского. М.: Мир, 1973. 957 с.

В. 14. Кафаров В.В., Перов В.Л., Мешалкин В.П. Принципы математического моделирования химико-технологических систем. М.: Химия, 1974. 344 с.

В. 15. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии.

М.: Химия, 1975. 576 с.

В. 16. Островский Г.М., Волин Ю.М. Моделирование сложных химических систем. М.: Химия, 1975.311 с.

В. 17. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии. М.: Наука, 1976. 500 с.

В.18. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высшая школа, 1978. 319 с.

В. 19. Кафаров В.В., Ветохин В.Н. Основы построения операционных систем в химической технологии. М.: Наука, 1980. 429 с.

В.20. Перов В.Л., Егоров А. Ф., Хабарин А.Ю. Управление химико-технологическими системами. М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1981. 52 с.

В.21. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Липатов Л.Н. Системный анализ процессов химической технологии. Статистические методы идентификации процессов химической технологии. М.: Наука, 1982. 344 с.

В.22. Луценко В.А., Финякин Л.Н. Математическое моделирование химико-технологических процессов на аналоговых вычислительных машинах. М.: Химия, 1984. 272 с.

В.23. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1985.448 с.

В.24. Кафаров В.В., Ветохин В.Н. Основы автоматизированного проектирования химических производств. М.: Наука, 1986. 624 с.

В.25. Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С, Вент Д.П. Основы конструирования и проектирования промышленных аппаратов. М.: Химия, 1997. 386 с. В.26. Бесков B.C. Общая химическая технология: Учеб. для вузов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2005.452 с.

В.27. Беспалов A.B., Харитонов Н.И. Задачник по системам управления химико-технологическими процессами: Учеб. пособие для вузов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. 307 с.

В.28. Гартман Т.Н., Клушин Д.В. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов: Учеб. пособие для вузов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 416 с.

В.29. Беспалов A.B., Харитонов Н.И. Системы управления химико-технологическими процессами. Учеб. для вузов. М.: ИКЦ. «Академкнига», 2007. 690 с.

В.30. Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С., Вент Д.П. Процессы и аппараты химической технологии, учебное пособие для вузов. М.: Химия, 2011. 1230 с.

В.31. Гранулирующий шнековый пресс для высококонцентрированных полидисперсных материалов: авт. свид. 1726256 (СССР) № 4736041; заявл.

01.08.1989, зарег. в Гос. реестре. 15.12.1991.

В.32. Равичев JI.B., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Исследование устойчивости и динамики переходных режимов работы проточного реактора смешения. Докл. Всесоюзной конференции «Химреактор - II». Ч. I. Изд. ХПИ, Харьков. 1992. С. 197201.

В.ЗЗ. Бесков B.C., Беспалов A.B., Равичев Л.В. Усовершенствование методов приготовления блочных катализаторов сотовой структуры из ванадиевых контактных масс. Тез. докл. Inter, sem. Monolith Honeycomb supports and catalysts. StPetersburg, Russia. 1995.

B.34. Гранулирующий шнековый пресс: пат. 2079405 Рос. Федерация. № 95107300; заявл. 05.05.1995, опубл. 20.05.1997, бюл. №14.

В.35. Логинов В.Я., Равичев Л.В., Старостина Н.Г., Беспалов A.B. Основные концепции математического моделирования формования высоконаполненных дисперсных масс в одношнековом прессе // Тез. докл. 10 Межд. конф. по химии и хим. технологии «МКХТ-10». М.: 1996.4.1. С. 144-145.

В.36. Равичев Л.В., Беспалов A.B. Экструзионное формование масс с повышенной вязкостью. // Хим. пром-ть. - 1996. - N9. - С. 607-608.

В.37. Равичев Л.В., Беспалов A.B. Стационарные режимы работы проточного реактора смешения непрерывного действия. // Хим. пром-ть. 1996. №11. С. 737-739. В.38. Гранулирующий шнековый пресс: пат. 2092318 Рос. Федерация. № 96105736; заявл. 26.03.1996; опубл. 10.10.1997, бюл. №28.

В.39. Равичев Л.В., Старостина Н.Г., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Экструзия катализаторных масс в одношнековом прессе: состояние, моделирование, перспективы. Деп. в ВИНИТИ, №3618-96, от 14.12.96.

В.40. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B., Старостина Н.Г. Моделирование вязкостных свойств высококонцентрированных суспензий. Деп. в ВИНИТИ №361996 от 14.12.96.

В.41. 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. С. 23-24.

B.42. Равичев Л.В., Старостина Н.Г., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Условия непрерывной стабильной работы одношнекового экструдера (технологические параметры). Тез. докл. 11 Межд. конф. по химии и химической технологии «МКХТ-11». М. 1997.4.2. С. 120.

В.43. Равичев JI.B., Старостина Н.Г., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Условия непрерывной стабильной работы одношнекового экструдера (конструктивные параметры). Тез. докл. 11 Межд. конф. по химии и химической технологии «МКХТ-11». М. 1997.4.2. С. 119.

В.44. 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-ть. 1998. №1. С. 112-114. В.45. Логинов В.Я., Равичев Л.В., Беспалов A.B., Старостина Н.Г. Выбор технологических параметров одношнекового пресса, обеспечивающих условия его непрерывной стабильной работы. // Хим. пром-ть. 1998. №3. С. 176-177. В.46. Гранулирующий шнековый пресс: пат. 2122495 Рос. Федерация. № 97119939; заявл. 02.12.1997; опубл. 27.11.1998, бюл. №33.

В.47. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B., Старостина Н.Г. Моделирование вязкостных свойств высококонцентрированных суспензий. // Известия ВУЗов. Серия «Химия и химическая технология». 1999. №6. С. 33-35.

В.48. Логинов В.Я., Равичев Л.В., Беспалов A.B., Старостина Н.Г. Математическая модель формования наполненных композиций в одношнековом прессе. // Теоретические основы химической технологии. 1999. Т. 33. №2. С. 208-216. В.49. Равичев Л.В., Беспалов A.B., Старостина Н.Г. Физико-механические свойства алюмооксидного катализатора Клауса. Тез. докл. 13 Межд. конф. по химии и химической технологии «МКХТ-13». М. 1999. С. 40.

В.50. Loginov V.Y., Ravichev L.V., Bespalov A.V., Starostina N.G. The modeling of extrusion forming of catalyst masses.// 12th Conference «Process Control '99», - Bratislava. 1999. V. 1,P. 113-114.

B.51. Равичев Л.В., Беспалов A.B., Логинов В.Я., Старостина Н.Г. Влияние конструктивных и технологических параметров одношнекового пресса на прочностные характеристики экструдируемой высоконаполненной дисперсной массы. // Сб. научных трудов РХТУ им. Д.И.Менделеева. М. 2000. Вып. 178. С. 53-57. В.52. Равичев Л.В., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Математическое моделирование вязкостных свойств суспензий полифракционного состава // Хим. пром-ть. 2000. № 9. С. 487-491.

В.53. Старостина Н.Г., Равичев Л.В., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Исследование внешнего и внутреннего трения высоконаполненных дисперсных композиций. // Тез. докл. 14 Межд. конф. по химии и химической технологии «МКХТ-14». М. 2000. Вып. 14.4.3. С. 101.

В.54. Loginov V.Y.,Ravichev L.V., Bespalov A.V. The modeling of extrusion forming. // 14th International Congress of Chemical and Process Engineering. Praha. Czech Republic. 2000. P. 45-47.

B.55. Равичев Л.В., Беспалов A.B., Логинов В.Я., Старостина Н.Г. Исследование свойств алюмооксидной катализаторной массы на границе с твердой поверхностью (измерение внешнего трения). // Всероссийская конференция по технологии неорганических веществ. Казань, 19-22 мая 2001 г., Менделеевск. С. 151-152. В.56. Старостина Н.Г., Равичев Л.В., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Физико-механические свойства алюмооксидной катализаторной массы (внутреннее трение). // Хим. пром-ть. 2001. №7. С. 33-37.

В.57. Равичев Л.В., Славнова Ю.А., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Экструдирование оксидных катализаторов (конструктивные параметры). // Успехи в химии и химической технологии. 2002. Т. 16. № 4(21). С. 79.

В.58. Равичев Л.В., Славнова Ю.А., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Экструдирование оксидных катализаторов (технологические параметры). // Успехи в химии и химической технологии. 2002. Т. 16. № 4(21). С. 80.

В.59. Равичев Л.В., Беспалов A.B., Старостина Н.Г., Логинов В.Я. Усовершенствование технологической схемы узла экструзионного формования катализатора ИК-27-22. // Успехи в химии и химической технологии. 2002. - Т. 16. № 4(21). С. 68.

В.60. Равичев Л.В., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Расчет вязкости суспензий катализаторных и полимерных масс. // Хим. пром-ть. 2002. № 5. С. 45-50. В.61. Равичев Л.В., Старостина Н.Г., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Физико-механические свойства алюмооксидной катализаторной массы (внешнее трение). // Хим. пром-ть. 2002. № 10. С. 9-11.

В.62. Равичев Л.В., Беспалов A.B., Логинов В.Я., Старостина Н.Г. Моделирование вязкостных свойств высоконаполненных дисперсных композиций. // Технология неорганических веществ: Сб. научн. тр. Вып. 180/РХТУ им. Д.И.Менделеева. М. 2002. С. 110-124.

В.63. Равичев Л.В., Старостина Н.Г., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Исследование компрессионных свойств алюмооксидной катализаторной массы. // Успехи в химии и химической технологии. 2002. Т. 16. №4(21). - С. 67.

В.64. Равичев Л.В., Старостина Н.Г., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Исследование свойств алюмооксидной катализаторной массы на границе с твердой поверхностью (измерение внешнего трения). // Технология неорганических веществ: Сб. научн. тр. Вып. 180/РХТУ им. Д.И.Менделеева. М. 2002. С. 137-142.

В.65. Равичев Л.В., Старостина Н.Г., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Физико-механические свойства алюмооксидной катализаторной массы (внутреннее трение) // Технология неорганических веществ: Сб. научн. тр. Вып. 180/РХТУ им. Д.И.Менделеева. М. 2002. С. 125-136.

В.66. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Старостина Н.Г., Беспалов A.B. Компрессионные свойства алюмооксидной катализаторной массы. // Технология неорганических веществ: Сб. научн. тр. Вып. 180/РХТУ им. Д.И.Менделеева. М. 2002. С. 143-147. В.67. Гранулирующий шнековый пресс: пат. 2198787 Рос. Федерация. № 2001134910; заявл. 25.12.2001; опубл. 20.02.2003, бюл. №5.

В.68. Равичев Л.В., Старостина Н.Г., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Физико-механические, реологические и компрессионные свойства алюмооксидного катализатора ИК-27-22. // Успехи в химии и химической технологии. Сб. научных трудов РХТУ им. Д.И.Менделеева. М. 2003. Т. 17. № 7. С. 22-25. В.69. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Моделирование экструзионного формования // Тез. докл. 2-ой Межд. конф. «Образование и устойчивое развитие общества». М.: 2004. С. 163.

В.70. Равичев Л.В., Беспалов A.B. К расчету порозности неподвижного зернистого катализаторного слоя. // Хим. пром-ть сегодня. 2007. № 1. С. 4-9. В.71. Равичев Л.В., Беспалов A.B. Расчет структурных характеристик зернистого слоя полифракционного состава. // Химическая технология: Сборник тезисов докладов Международной конференции по химической технологии ХТ-07. М.: ЛЕНАНД. 2007. Т. 3. С. 400-402.

В.72. Равичев Л.В., Беспалов A.B. Расчет порозности неподвижного зернистого катализаторного слоя. // Химическая технология: Сборник тезисов докладов Международной конференции по химической технологии ХТ-07. М.: ЛЕНАНД. 2007. Т. 3. С. 403-405.

В.73. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Моделирование вязкостных свойств концентрированных суспензий // Теоретические основы химической технологии. 2008. Т. 42. №3. С. 326-335. * В.74. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Аппаратно-программный комплекс для исследования, проектирования и управления процессом переработки пластических масс // Хим. пром-ть сегодня. 2009. № 8. С. 51-55. В.75. 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-ть сегодня. 2009. № 10. С. 18-24. В.76. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Аппаратно-программный комплекс для исследования, проектирования и управления процессом переработки пластических масс. Устойчивость формования высоконаполненных дисперсных композиций в одношнековом прессе. //Хим. пром-ть сегодня. 2009. № 11. С. 35-39. В.77. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Аппаратно-программный комплекс для исследования, проектирования и управления процессом переработки пластических масс. Блок исследования и проектирования одношнекового пресса. // Хим. пром-ть сегодня. 2009. № 12. С. 42-48.

В.78. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Моделирование вязкостных свойств суспензий сферических частиц. - Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-24: сб. трудов XXIV Между нар. Науч. Конф.: в 10 т. Т. 3. Секция 3 / под общ. Ред. B.C. Балакирева. Киев: Национ. Техн. Ун-т Украины «КПИ». 2011. С. 99-100. В.79. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B., Губин М.С. Моделирование процесса взаимодействия полимера с растворителем. - Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. трудов XXIV Междунар. Науч. Конф.: в 10 т. Т. 7. Секция 11 / под общ. Ред. B.C. Балакирева. Пенза: Пенз. гос. технол. ак-мия. 2011. С. 82-83.

В.80. Логинов В.Я., Равичев Л.В., Беспалов A.B. Математическое моделирование шнекового формования наполненных дисперсных композиций. - Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. трудов XXIV Междунар. Науч. Конф.: в 10 т. Т. 7. Секция 11 / под общ. Ред. B.C. Балакирева. Пенза: Пенз. гос. технол. ак-мия. 2011. С. 90-92.

5.7. Выводы и рекомендации по результатам оценки формуемости концентрированных растворов нитроцеллюлозы с использованием математической модели одношнекового пресса.

Анализ семейства зависимостей важнейших параметров формования растворов НЦ-ФГ от давления формования (рис. 5.8-5.11) позволяет сделать следующие выводы:

1. С ростом абсолютного содержания растворителя уменьшается область устойчивого формования (рис. 5.8), причем не только за счет уменьшения критического индекса прочности, но и увеличения скорости роста фактического индекса прочности при увеличении давления формования.

2. Максимальный фактический индекс прочности в зазоре (4.3.1) в критических условиях больше индекса прочности в канале шнека для всех составов НЦ-ФГ, кроме 100%, при котором наблюдается обратная картина (рис. 5.6). Отметим при этом одинаковый характер этих зависимостей в области малых давлений формования для всех составов НЦ-ФГ.

3. Зависимость запаса прочности от давления формования при различном содержании растворителя (рис. 5.8) позволяет наглядно определить границы области неустойчивости формования и выдать рекомендации по допустимому интервалу устойчивого формования для различных составов НЦ-ФГ. С учетом того факта, что для разных марок продуктов формования сопротивление пресс-инструмента различно и, следовательно давление формования тоже известно с некоторой погрешностью, зависимость запаса прочности от давления формования при различном содержании растворителя (рис. 5.8) может служить для выбора оптимального состава раствора НЦ-ФГ для заданной марки продукта. При необходимости многократный расчет позволит уточнить оптимальный состав.

4. Производительность формования фактическая, определяемая прямотоком за вычетом противотока и утечек в зазор между корпусом и шнеком также существенно зависит от давления формования при различном содержании растворителя (рис. 5.9). При этом относительный вклад противотока и утечек в зазор на изменение фактической производительности приблизительно равен.

5. Мощность вращения шнека механическая, затрачиваемая в зоне дозирования и ее составляющие — мощности, затрачиваемой на внутреннее (сдвиговое) и внешнее трение на стенках каналов и рифов, а также создания напорности шнека для преодоления сопротивления пресс-инструмента наглядно представлены на рис. 5.10, 5.11. Рост потери мощностей внешнего трения и напорности приближается к линейной зависимости от давления формования в отличие от роста потери мощности внутреннего трения,^ приближающегося к экспоненциальной зависимости. Но по величине потерь мощность внутреннего трения на порядок меньше остальных составляющих. Поэтому рост общих потерь мощности в зоне дозирования приближается к линейной зависимости от давления формования.

6. При увеличении содержания растворителя ФГ наблюдается уменьшение критической производительности пресса (рис. 5.9), но при этом критическая производительность пресса относительно прямотока наоборот увеличивается (рис. 5.11).

7. Удельные затраты энергии в зоне дозирования растут с ростом давления формования (рис. 5.11), но при этом скорость их роста увеличивается с увеличением содержания растворителя ФГ. В данном интервале изменения содержания растворителя (70*100%) оптимальным с точки зрения минимума удельных затрат энергии следует признать 70%. Разработанная в данной работе методика оценки формуемости массы с использованием математической модели процесса одношнекового формования позволяет оценить в совокупности физико-механические свойства массы с точки зрения ее формуемости на стенде (лабораторном одношнековом прессе диаметром 92 мм), и таким же образом, оценить формуемость растворов НЦ-ФГ и других наполненных дисперсных композиций в процессе одношнекового формования на любом другом прессе.

1.1. Козлов П.В. Пластификация и надмолекулярные структуры полимеров. // ЖВХО им. Д.И. Менделеева. 1964. Т. 9. № 6. С. 660-679.

2. Папков С.П. Физико-химические основы переработки растворов полимеров. М.: Химия, 1971.363 с.

3. Тиниус К. Пластификаторы. М-Л.: Химия, 1964. 916 с.

4. Барштейн P.C., Кириллович В.П., Носовский Ю.Е. Пластификаторы для полимеров. М.: Химия, 1982.200 с.

5. Папков С.П. Равновесие фаз в системе полимер-растворитель. М.: Химия, 1981. 272 с.

6. Чалых А.Е., Герасимов В.К., Михайлов Ю.М. Диаграммы состояния полимерных систем. М.: «Янус-К», 1998.215 с.

7. Авдеев H.H., Чалых А.Е., Мойса Ю.Н., Барштейн Р. С. Об оценке совместимости и фазового равновесия в системах полимер-пластификатор. // Высокомолек. соединения. 1980. А. Т. 22. № 4. С. 945-947.

8. Суворова А.И., Мелентьева Ю.И., Белова Л.П. Фазовые диаграммы системы поливинилхлорид-пластификатор. // Высокомолек. соединения. 1980. Б. Т. 22. № 4. С. 287-289.

9. Рабинович И.Б., Хлюстова Т.Б., Мочалов А.Н. Калориметрическое определение термохимических свойств и фазовой диаграммы смесей нитрата целлюлозы с дибутилфталатом. // Высокомолек. соединения. 1985. А. Т. 27. № 3. С. 525-531.

10. Свиридов А.Ф., Мясникова A.M., Сопин В.Ф., Перцин А.И. Физикохимический анализ бинарных систем, образованных нитроцеллюлозой с формалем глицерина и дибутилфталатом. // Кристаллография. 1985. Т. 30. № 4. С. 698-701.

11. Тагер A.A. Термодинамическая устойчивость систем полимер растворитель и полимер полимер. // Высокомолек. соединения. 1972. А. Т. 14. № 12. С. 2690-2706.

12. Штаркман Б. П. Пластификация поливинилхлорида. М.: Химия, 1975. 244 с.

13. Тагер A.A. Физико-химия полимеров. 4-е изд., перераб. и доп. Учеб. пособие для хим. фак. ун-тов / A.A. Тагер; под ред. А. А. Аскадского. М.: Научный мир, 2007. 573с.

14. Flory P.J. //J. Chem. Phis. 10. 1942. P. 51.

15. Haggins M.L. Ann. N.Y. Acad. Sei. 1942. V. 43. P. 132.

16. Flory P.J. Principles of Polymer Chemistry. Ithaca, Cornell Univ. Press. 1953. 672 p.

17. Flory P.J.,Garrett R.R., Newman S., Mandelkern L.J. Polimer. 1954. V.12. P. 97.

18. Бакаев A.C., Ульянов В.П., Шнеерсон Р.И., Папков С.П. Структурные переходы в системах нитроцеллюлоза дибутилфталат и нитроцеллюлоза - касторовое масло. // Труды МХТИ им. Д.И.Менделеева. 1970. Вып. 66. С.219-223.

19. Лотменцев Ю.М., Шнеерсон Р.Л. Термодинамические и структурные свойства нитроцеллюлозы, пластифицированной нитроглицерином. // Труды по химии и хим. технологии: Межвуз. сб. / Горький: Изд-во ГГУ. 1974. Вып. 1. С. 126-128.

20. Лотменцев Ю.М., Головин В.А. Некоторые термодинамические и структурные параметры пластифицированных нитратов целлюлозы. // Сб. трудов 2й Всесоюз. конф. по термодинамике орган, соединений. Горький. 1976. С. 89-91.

21. Головин В.А., Лотменцев Ю.М., Шнеерсон Р.Л. Исследование совместимости тринитрата глицерина с нитратом целлюлозы статическим методом измерения давления насыщенного пара. // Высокомолек. соединения. 1975. А. Т. 17. № 10. С. 2351-2354.

22. Головин В.А., Лотменцев Ю.М. Исследование структуры и термодинамических параметров взаимодействия компонентов в пластифицированных нитратах целлюлозы. //Высокомолек. соединения. 1981. А. Т. 23. С. 1310-1314.

23. Хлюстова Т.Б., Мочалов А.Н., Кокурина Н.Ю. Физико-химический анализ бинарных смесей нитроцеллюлозы с триацетином и диэтилфталатом. // Термодинам, орг. соедин.: Межвуз. сб. / Горький: Изд-во ГГУ. 1982. С. 77-83.

24. Кирьянов К.В., Рабинович И.Б. Энтальпия смешения поливинилхлорида, диацетата целлюлозы и нитроцеллюлозы с рядом пластификаторов. // Научно-техн. конф. по пластификации полимеров: Тез. докл. / Казань: Изд-во КИ-СИ. 1984. С. 4445.

25. Рабинович И.Б., Хлюстова Т.Б., Мочалов А.Н. Физико-химический анализ смесей нитрата целлюлозы с триацетином и термодинамика их смешения. // Высокомолек. соединения. 1985. А. Т. 27. № 8. С. 1724-1730.

26. Хлюстова Т.Б. Термодинамика и физико-химический анализ смесей нитрата и ацетата целлюлозы со сложными эфирами (пластификаторами).: Дисс. . канд. хим. Наук. Ленинградский технол. ин-т. целлюлозно-бумажн. пром-ти. 1986. 160 с.

27. Шильникова П.И., Тагер A.A., Сопин Б.Ф. Термодинамика пластифицированных этилкарбитолом формальглицерином нитратов целлюлозы разной степени замещения. / Тр. 3й Всесоюз. науч.-техн. конф. по пластификации полимеров. Владимир. 1988. Ч. 1. С. 8-9.

28. Тагер A.A., Шильникова П.И., Сопин Б.Ф., Марченко Г.Н. Влияние степени замещения нитрата целлюлозы на термодинамическое сродство к формальглицерину. // Высокомолек. соединения. 1989. А. Т. 31. № 4. С. 246-248.

29. Урьяш В.Ф. Химическая термодинамика биологически активных веществ и процессов с их участием: Дис. доктора хим. наук. Нижний Новгород. 2005. 390 с.

30. Кирьянов K.B. Химическая термодинамика процессов модификации и синтеза линейных и сверхразветвлённых полимеров: Дис. . докт. хим. наук. Нижний Новгород. 2005. 369 с.

31. Козлов П.В., Пайков С.П. Физико-химические основы пластификации полимеров. М.: Химия, 1982. 224 с.

32. Молодцова Е.Д. Критерии выбора растворителей для полимеров. // Пластические массы. 1991. № 8. С. 47-51.

33. Воюцкий С.С. Растворы высокомолекулярных соединений. М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1960. 132 с.

34. Гальперин Д.И., Мосеев JI.M. О теплотах набухания и растворения нитроцеллюлозы. // Коллоид, журн. 1957. Т. 19. Вып. 2. С. 167-171.

35. Тагер A.A., Каргин В.А. Процесс растворения и набухания эфиров целлюлозы. // Журн. физ. химии. 1945. Т. 15. № 9. С. 1036-1054.

36. Woodman A.L., Adicoff А. Набухание нитроцеллюлозы в пластификаторах. // Industr. and Eng. Chem. Prod. Res. and Developm. 1962. 1. № 4. P. 278-280.

37. Зуев B.B., Успенская M.B., Олехнович A.O. Физика и химия полимеров: Учеб. пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010.45 с.

38. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1985.448 с.

39. Иванов В.А., Мартемьянова Ю.А., Стукан М.Р. Компьютерное моделирование фазового равновесия в растворах жесткоцепных полимеров. // В кн. «Методы компьютерного моделирования полимеров и биополимеров». М.: Книжный дом «ЛИБЕРКОМ». 2009. 328 с.

40. Денисюк Е.Я. Механодиффузионные явления в полимерных сетках: Дисс. . докт. физ.-мат. наук. Пермь. 2004. 382 с.

41. Храмченков Э.М. Математическое моделирование массопереноса в природных набухающих средах: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Казань. 2007. 14 с.

42. Елизаров И.А., Матвейкин В.Г., Фролов C.B. Периодический процесс растворения полидисперсного материала. // Матем. моделирование. 2002. Т. 14. № 12. С. 23-28.

43. Hartmann H., Derksen J.J., van den Akker. Numerical simulation of a dissolution process in a stirred tank reactor. // Chemical Engineering Science. 2006. № 61. C. 30253032.

44. Каленова О.С., Липин А.Г., Почивалов К.В., Юров М.Ю. Моделирование процесса растворения полимера' в емкостном аппарате. // Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. №9. С. 95-97.

45. Кухленко A.A., Иванова Д.Б. Василишин М.С. Разработка математической модели процесса растворения в аппарате роторно-пульсационного типа. // Труды Всерос. научной молод, школы-конф. «Химия под знаком Сигма». Омск. 2010. С.101-102.

46. Одинцов A.B., Моделирование процесса растворения двухслойных гранул. // Современные наукоемкие технологии. Инженерно-технические науки. 2010. № 1. С. 63-68.

47. Каленова О.С. Моделирование тепло-массообменных процессов в технологии получения порошков полиолефинов: Дис. . канд. техн. наук. Иваново. 2008. 141 с.

48. Романков П.Г., Рашковская Н.Б., Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии (системы с твердой фазой). Л.: Химия, 1975. 326 с.

49. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975. 576 с.

50. Розенброк X., Стори С. Вычислительные методы для инженеров химиков. М.: Мир, 1968. 444 с.

51. ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАПОЛНИТЕЛЯ ДИСПЕРСНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

52. Основные структурные характеристики наполнителя дисперсныхкомпозиций.

53. Эквивалентный диаметр частиц наполнителя.

54. Средний эквивалентный диаметр частиц.

55. Для слоя, содержащего две или три фракции частиц, в работе 2.11. при расчете среднего эквивалентного диаметра ((1ре) использовали соотношение:а = 6 ур=6 В-УМеШит)+{С-У8та11) (25)

56. Бр ге) +(В- ЗШШит ) + (С • 83та1,)где А, В, С массовое процентное содержание фракций больших, средних и маленьких частиц,

57. УмесИшь $МеШит> УбшЫЬ ^БтаИ ~ Объем И ПОВерХНОСТЬбольшой, средней и маленькой частицы.

58. В работе 2.12. расчет среднего эквивалентного диаметра (с!е„) проводили по формуле:-1

59.1. Жегров Е.Ф., Милёхин Ю.М., Берковская Е.В. Технология порохов и твердых ракетных топлив в приложении к конверсионным программам. М.: Архитектура-С, 2006. 392 с.

60. Фиошина М.А., Русин Д.Л. Основы химии и технологии порохов и твердых ракетных топлив: Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004. 264 с.

61. Витюгин В.М., Богма A.C. Известия Томского политехнического института. Издание ТПИ. 1967. №175. С. 112-116.

62. Ничипоренко С.П. Физико-химическая механика дисперсных структур в технологии строительной керамики. Киев: Наукова думка, 1968. 76 с.

63. Дзисько В.А. Основы методов приготовления катализаторов. Новосибирск: Наука, 1983.264 с.

64. Чарикова О.Г. Технология экструзионного формования энергосберегающих ванадиевых сернокислотных катализаторов для насыпных слоев контактных аппаратов. Дисс. канд. техн. наук. М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева. 1993. 157 с.

65. Физико-химические исследования новых строительных материалов. Сборник трудов ВНИИНСМ: под ред. B.C. Фадеевой. Вып. 4. М.: ВНИИНСМ, 1965.136 с.

66. Самахов, A.A., Щербань В.П., Гриднев Ю.М. Моделирование процесса экструзии катализаторных масс на одношнековом прессе / Научные основы технологии катализаторов. Вып. 6. Новосибирск. 1976. С. 108-116.

67. Раувендааль К. Экструзия полимеров / Пер. с англ. под ред. А.Я. Малкина. СПб.: Профессия, 2006. 768 с.

68. Емельянов Е.Ю., Репин В.В. Напорно-расходная характеристика шнекового аппарата при переработке вязкопластичных сред с переменными по пространству свойствами // Реология, процессы и аппараты химической технологии. Тр. ВПИ. Волгоград, 1986. С. 22-28.

69. Ильюшин A.A. Механика сплошной среды. М.: МГУ, 1990. 310 с.

70. Мак-Келви Д.М. Переработка полимеров. М.: Химия, 1965.442 с.

71. Tadmor Z., Klein I. Engineering Principles of Plasticating Extrusion. Wiley-Interscience, New York. 1970.

72. Tadmor Z. and Gogos C. Principles of Polimer Processing. Wiley, New York, 1979. 425 p.

73. Силин B.A. Динамика процессов переработки пластмасс в червячных машинах. М.: Машиностроение, 1972. 150 с.

74. Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров. М.: Химия, 1977. 464 с.

75. 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.

76. Ким B.C. Теория и практика экструзии полимеров. М.: КолосС, 2005. 568 с.

77. Басов Н.И., Ким B.C., Скуратов В.К. Оборудование для производства объемных изделий из термопластов. М.: Машиностроение, 1972.272 с.

78. Бердышев Б.В., Дергачев М.В., Скопинцев И.В., Скуратов В.К. Моделирование работы экструзионного оборудования для переработки полимерных материалов. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2002. № 10. С. 3-6.

79. Соколов М.В., Клинков A.C., Беляев П.С., Скуратов В.К., Однолько В.Г. Методология расчета оборудования для производства длинномерных резинотехнических заготовок заданного качества. М.: Машиностроение, 2009. 352 с.

80. Шульман З.П., Волченок В.Ф. Обобщенное куэттовекое течение вязкопластичной жидкости // Инженерно-физический журнал. 1977. Т.ЗЗ. №5. С. 880888.

81. Генералов М.Б., Кривцов JI.H. В кн.: Процессы и аппараты для производства полимерных материалов, методы и оборудование для их переработки в изделия. Тез. долк. М.: 1982. Т. 1. С. 78-79.

82. Логинов В.Я. Формование высоконаполненных дисперсных композиций в одношнековом прессе. //Дис.канд. техн. наук. М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева. 2009. 272 с.

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

84. ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ АППАРАТОВ СИНТЕЗА И ПЕРЕРАБОТКИ НАПОЛНЕННЫХ ДИСПЕРСНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

85. Исследование и анализ устойчивости работы аппаратов, в частности проточных химических реакторов, используемых для синтеза и подготовки компонентов НДК приведены в приложении к главе 6.

86. Исследование устойчивости работы одношнекового пресса при оценке формуемости концентрированных растворов нитроцеллюлозы.

87. Описание методики оценки границ области угрозы устойчивости с заданным запасом устойчивости.

88. В 6.7. приводится алгоритм методики оценки границ области угрозы устойчивости для анализа параметров математической модели с заданным интервалом запаса устойчивости, состоящий в общем случае из шести шагов.

89. Заданный запас устойчивости 0,3 Определение границ области устойчивости

90. Средний градиент запаса устойчивости (ДУ/ДХ) -0,151

91. Критический градиент запаса устойчивости (с!У / ёХ) кр -0,184

92. Критическая степень угрозы устойчивости (<1У / <ЗХ)кр / (ДУ / ДХ) 1,2201. Результат расчета

93. Граница области угрозы устойчивости

94. Степень угрозы устойчивости

95. Рис. 6.1. Границы области угрозы устойчивости по давлению формования с запасом 0,3 для раствора НЦ ФГ 70%.

96. Заданный запас устойчивости Определение границ области устойчивости

97. Средний градиент запаса устойчивости (ДУ / АХ)

98. Критический градиент запаса устойчивости (с1У / с!Х) кр

99. Критическая степень угрозы устойчивости (с1У / с1Х)кр / (ДУ / ДХ)0,3-0,318 -0,304 0,9541. Результат расчета4

100. Граница области угрозы устойчивости Граница области устойчивости1. Запас устойчивости4,730 5,9492 3 41. Давление формования МПа.13

101. Рис. 6.2. Границы области угрозы устойчивости по давлению формования с запасом 0,3 для раствора НЦФГ 80%.

102. Степень угрозы устойчивости1,30 1,25 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40123456789 10

103. Градиент запаса устойчивости

104. Заданный запас устойчивости 0,3 Определение границ области устойчивости

105. Средний градиент запаса устойчивости (ДУ / АХ) -0,638

106. Критический градиент запаса устойчивости (с!У / с!Х) кр -0,626

107. Критическая степень угрозы устойчивости (с!У / с!Х)кр / (ДУ / ДХ) 0,9801. Результат расчета

108. Граница области угрозы устойчивости

109. Гоаница области устойчивости1. Запас устойчивости2,778 3,2871,0 1,5 2,0 2,51. Давление формования МПа.

110. Степень угрозы устойчивости

111. Рис. 6.3. Границы области угрозы устойчивости по давлению формования с запасом 0,3 для раствора НЦФГ 90%.

112. Заданный запас устойчивости 0,3

113. Определение границ области устойчивости

114. Средний градиент запаса устойчивости (ЛУ / АХ) -1,677

115. Критический градиент запаса устойчивости (с1У / с1Х) кр -1,728

116. Критическая степень угрозы устойчивости (<1У / с!Х)кр / (ЛУ / АХ) 1,0301. Результат расчета

117. Рис. 6.4. Границы области утрозы устойчивости по давлению формования с запасом 0,3 для раствора НЦФГ 100%.

118. Граница области угрозы устойчивости

119. Гоаница области устойчивости1. Запас устойчивости0,831 1,045запаса устойчивости

120. Степень угрозы устойчивости0,50 0,75

121. Z{P.) = / = 1,2,.,«, (6.1)7/где 7 индекс устойчивости; 7!^ - критический индекс устойчивости для /-йзависимости; Р,- давление формования для /-й зависимости; и - количество выбранных для анализа составов растворов НЦ-ФГ.

122. Определяются границы области устойчивости по каждой зависимости семейства (критическое значение параметра) решением соответствующего уравнения запаса устойчивости (рис. 6.1-^-6.4):7 (Р-Р)2{р;р) = 1-^^=0, /=1,2,.,«, (6.2) 7/

123. Определяется критический градиент запаса устойчивости на границе устойчивости для каждой зависимости семейства (рис. 6.1-5-6.4):крz«p = Z(P;p)=dZ(P )dP,У1. РГ<Р;<РГ, /=1,2,.,«,6.4)

124. Определяется критическая степень угрозы устойчивости на границе устойчивости каждой зависимости семейства (рис. 6.1-5-6.4):кр= 1,2,.,«, (6.5)1. А

125. Степень угрозы устойчивости это относительная скорость приближения давления к границе устойчивости:г = 1,2,.,п, (6.6)

126. В результате применения вышеизложенной методики для каждой зависимости семейства (рис. 6.1+6.4) в отдельности определены границы области неустойчивости и угрозы устойчивости для заданного запаса устойчивости.

127. Р,г<Р1<Р«р, если Р,2 <Р;р, / = 1,2,.,«, (6.8)4

128. Ниже рассматривается применение методики оценки границ области угрозы устойчивости для исследования устойчивости одношнекового формования на лабораторном прессе концентрированных растворов нитроцеллюлозы с различным содержанием растворителя.

129. Результаты исследования устойчивости работы одношнекового пресса при оценке формуемости концентрированных растворов нитроцеллюлозы.

130. В табл. 6.1 представлен результат применения модифицированной методики оценки границ области угрозы устойчивости для исследования устойчивости одношнекового формования на лабораторном прессе диаметром 92 мм растворов НЦ

131. Критические характеристики процесса формования на одношнековом прессе диаметром 92 мм растворов НЦ ФГ 70% * 100%.

132. Содер жание раство рителя Давление формования Массовая скорость и ее составляющие Относительная скорость Потери механической мощностив зоне дозирования и ее составляющие Удельные затраты энергии в зоне дозирования

133. ФГ Общая Прямоток Противоток Утечки Общая Сдвиг Трение Напорность1. Р Р в Ор ви вЮд Wp

134. ФГ с различным содержанием растворителя в интервале 70%-Н00% при оценке формуемости этих растворов.

135. На рис. 6.5 представлена диаграмма устойчивости по давлению формования в одношнековом прессе диаметром 92 мм растворов НЦ-ФГ 70%-И 00%. Область угрозы устойчивости с запасом не более 0,3 выделена желтым цветом.

136. Анализ семейства зависимостей важнейших параметров формования растворов НЦ-ФГ от давления формования (рис. 6.1+6.6) позволяет сделать следующие выводы:

137. С ростом абсолютного содержания растворителя уменьшается область угрозы устойчивого формования (рис. 6.5).

138. С ростом абсолютного содержания растворителя увеличивается критический градиент запаса устойчивости (рис. 6.1+6.6), что показывает увеличение относительной скорости приближения давления формования к границе устойчивости.

139. Таким образом, с ростом абсолютного содержания растворителя не только уменьшается область угрозы устойчивого формования, но и увеличивается3,29

140. Рис. 6.5. Диаграмма устойчивости по давлению формования МПа. на одношнековом прессе диаметром 92 мм растворов НЦ ФГ 70% + 100%. ^ Область угрозы устойчивости с запасом не более 0,3 выделена желтым цветом.

141. Производительность кг/час. Производительность относительно прямотока70% 70%100%

142. Мощность дозирования кВт. Удельные затраты дозирования [кДж/кг]100% <100% 3,60

143. Ляпунов A.M. Общая задача об устойчивости движения. М.-Л.: ГИТТЛ, 1950. 473 с.

144. Младов А.Г. Системы дифференциальных уравнений и устойчивость движения по Ляпунову. М.: Высшая школа, 1966. 224 с.

145. Красовский H.H. Теория управления движением. М.: Наука, 1968.475 с.

146. Зубов В.И. Математические методы исследования систем автоматического регулирования. 2-е изд., Л.: Машиностроение, 1974. 335 с.

147. Вайман В.Я. Исследование систем устойчивых в большом. М.: Наука, 1981. 255 с.

148. Беспалов A.B., Харитонов Н.И. Системы управления химико-технологическими процессами. Учебник для вузов. М.: ИКЦ. Академкнига, 2007. 690 с.

149. Логинов В.Я. Формование высоконаполненных дисперсных композиций в одношнековом прессе. // Дис.канд. техн. наук. М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева. 2009. 272 с.

150. ГЛАВА 7. АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ, ПРОЕКТИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПЕРЕРАБОТКИ НАПОЛНЕННЫХ ДИСПЕРСНЫХ КОМПОЗИЦИЙ.

151. Пакеты моделирующих программ.

152. В табл. 7.1 приведен перечень наиболее популярных ПМП и обозначена сфера их применения, а также аппаратно-программный комплекс (АПК) «Исследование ипереработка наполненных дисперсных композиций» (ИПНДК) 7.1,7.2,7.3,7.4.1. Табл. 7.1.

153. Перечень пакетов моделирующих программ (ПМП) и сфера их применения.

154. Отрасли промышленности Наименование пакета моделирующих программ

155. ChemCAD Aspen Plus Технолог Реактор АПК ИПНДК1. Энергетика * *

156. Органический синтез (нефтехимия и переработка природного газа) * * *1. Неорганическая химия * * 1. Фармацевтика * * * * *

157. Производство минеральных удобрений * *

158. Пищевая промышленность * * * 4с

159. Целлюлозно-бумажная промышленность * *

160. Переработка пластмасс *

161. Автоматизированные системы научных исследований и системы автоматизированного проектирование.

162. Аппаратно-программный комплекс «Исследование и переработка наполненных дисперсных композиций»

163. Пакет моделирующих программ (ПМП), входящий в состав разработанного АПК аналогичен по структуре известным в настоящее время автоматизированным системам, которые часто называют симуляторами технологических процессов.

164. Развитие системного подхода к анализу химических производств прослеживается и в последующих трудах 7.18,7.19,7.20,7.21,7.22,7.23,7.24,7.25.

165. Структура аппаратно-программного комплекса «Исследование и переработканаполненных дисперсных композиций»

166. Подсистема организационной поддержки включает блок подготовки информации, блок информационного обмена, блок контроля и редакции информации, блок преобразования массивов данных, а также блок графического отображения информации.

167. Подсистемы организационной и математической поддержки являются общим программным компонентом АПК, что вместе с модульным принципом построения

168. Блок информационного обмена1. Блок контроля и редакции

169. Блок графического отображения информации

170. Блок численных методов анализа:• решение систем линейных, нелинейных и дифференциальных уравнений• поиск экстремума функции многих переменных

171. Подсистема организационной поддержки

172. Подсистема методической поддержки

173. Блок исследования Л и проектирования одношнекового пресса:

174. Особенности аппаратно-программного комплекса «Исследование и переработка наполненных дисперсных композиций»

175. Перечисленные достоинства АПК особенно важны в компьютерном моделировании химико-технологических систем (ХТС), которое должно обеспечить:• оптимизацию ХТС в условиях неопределенности исходной информации с учетомустойчивости стационарного режима.

176. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Аппаратно-программный комплекс для исследования, проектирования и управления процессом переработки пластических массI

177. Хим. пром-ть сегодня. 2009. №8. С. 51-55.

178. Арис Р. Оптимальное проектирование химических реакторов. М.: ИЛ., 1963.238 с.

179. Крамере X., Вестертерп К. Химические реакторы. Расчет и управление. М.: Химия,1967.264 с.

180. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов / Пер. с англ. под ред. М.Г. Слинько. М.: Химия, 1967.414 с.

181. Розенброк X., Стори С. Вычислительные методы для инженеров-химиков / Пер. с англ. Б.М. Авдеева, IO.B. Ковачича, В.Н. Левицкого. М.: Мир, 1968.444 с.

182. Дудников Е.Г., Балакирев В.С, Кривсунов В.Н., Цирлин A.M. Построение математических моделей химико-технологических объектов. М.: Химия, 1970.312 с.

183. Фрэнке Р. Математическое моделирование в химической технологии / Пер. с англ. Д.К. Бейлиной и Э.Ф. Ишмаевой; Под ред. B.C. Тропцова. М.: Химия, 1971.270 с.

184. Гордеев Л.С., Кафаров В.В., Бояринов А.И. Оптимизация процессов химической технологии. М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1972.257 с.

185. Островский Г.М., Волин Ю.М. Моделирование сложных химических систем. М.: Химия, 1975.311 с.

186. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975.576 с.

187. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии. М.: Наука, 1976.500 с.

188. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978.399 с.

189. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1985.448 с.

190. Кафаров В.В., Ветохин В.Н. Основы автоматизированного проектирования химических производств. М.: Наука, 1986.624 с.

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

192. Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С., Вент Д.П. Основы конструирования и проектирования промышленных аппаратов. М.: Химия, 1997.386 с.

193. 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.

194. Равичев Л.В., Беспалов A.B., Логинов В.Я. Математическое моделирование вязкостных свойств суспензий полифракционного состава // Хим. пром-ть. 2000. №9. С.1. У i487.491.

195. Бесков B.C. Общая химическая технология: Учеб. для вузов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2005.452 с.

196. Гартман Т.Н., Клушин Д.В. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов: Учеб. пособие для вузов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 416 с.

197. Беспалов A.B., Харитонов Н.И. Системы управления химико-технологическими процессами. Учебник для вузов, М.: ИКЦ. «Академкнига», 2007.690 с.

198. Равичев JI.B., Логинов В.Я., Беспалов A.B. Моделирование вязкостных свойств концентрированных суспензий // ТОХТ. 2008. Т. 42, №3. С. 326-335.выводы

199. Получены новые данные по кинетике набухания сферических частиц полимера в растворителе и впервые разработана математическая модель процесса набухания и растворения полифракционного полимера в растворителе.

200. На основании результатов исследования процесса уплотнения растворов нитроцеллюлозы в формальглицерине в широком интервале изменения давления, содержания растворителя, температуры получено математическое описание этого процесса.