автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка конструкции валково-шнекового агрегата и совмещенного технологического процесса утилизации полимерной тары и упаковки

На правах рукописи

ПОЛУШКИН Дмитрий~Леонидович

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ВАЛКОВО-ШНЕКОВОГО АГРЕГАТА И СОВМЕЩЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УТИЛИЗАЦИИ ПОЛИМЕРНОЙ ТАРЫ И УПАКОВКИ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (химическая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 П£Н 2009

Тамбов 2008

003457371

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» на кафедре «Переработка полимеров и упаковочное производство».

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Клинков Алексей Степанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Чайников Николай Александрович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бастрыгин Виктор Васильевич

Ведущая организация Государственное предприятие

«Центральное конструкторско-технологическое бюро полимерных материалов», г. Москва

Защита диссертации состоится декабря 2008 г. в /^/ч. 5^?мин. на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 в Тамбовском государственном техническом университете по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.М. Нечаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В мире наблюдается стремительный рост потребления упаковочных полимерных материалов. Однако на рубеже тысячелетий человечество столкнулось с проблемой утилизации отходов изделий из полимерных материалов. На городских свалках даже среднего города ежегодно скапливаются сотни тысяч тонн бытовых отходов, превращаясь в серьезную опасность для окружающей среды и человека.

Выделяют следующие способы утилизации: захоронение, сжигание, деструктивные методы, вторичная переработка (механический рециклинг), каждому из которых обязательно должны предшествовать раздельный сбор и сортировка, что делает утилизацию эффективной. Однако любой из способов утилизации должен способствовать снижению степени загрязнения окружающей среды и стать дополнительным сырьевым источником в условиях дефицита первичного сырья. Известно, что захоронение отходов приводит к нерациональному использованию и сокращению земельных угодий; сжигание -к загрязнению окружающей среды ядовитыми соединениями, образующимися при сгорании; деструктивные методы — сложны технологически и требуют значительных финансовых затрат. В связи с этим вторичная переработка отходов полимерных материалов из изделий, бывших в употреблении, является наиболее приемлемой и позволяет решить вышеозначенные проблемы.

Традиционный технологический процесс утилизации полимерной тары и упаковки включает в себя: сбор, сортировку, измельчение, мойку, сушку и грануляцию. Использование в технологическом процессе всех этих стадий требует значительных трудовых и энергетических затрат, приводит к увеличению производственных площадей и капитальных вложений и, как следствие, к увеличению себестоимости продукции.

Проведенные в настоящей работе разработка валково-шнекового оборудования и исследование совмещенного технологического процесса угилизации полимерной тары и упаковки, а также созданная методика определения величины суммарной деформации сдвига для совмещенного процесса вальцевания-экструдирования и методика инженерного расчета конструктивных размеров и технологических параметров валково-шнекового агрегата и процесса утилизации отходов термопластов с учетом заданного качества получаемого вторичного сырья имеют актуальное научное и практическое значения.

Работа выполнялась по заданию Минобразования РФ с научно-техничекой программой «Научные исследования высшей школы в области химических технологий» (2003 - 2005 гг.) с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научно-технического потенциала высшей школы» (2006 - 2007 гг.).

Цель работы. Диссертационная работа посвящена разработке конструкции валково-шнекового агрегата и совмещенного технологического процесса утилизации полимерной тары и упаковки на валково-шнековом оборудовании.

В соответствии с этим в данной работе решались следующие задачи:

- анализ современного состояния в области утилизации полимерной тары и упаковки;

- создание лабораторного экспериментального стенда валково-шнекового агрегата по изучению непрерывного процесса утилизации полимерной тары и упаковки;

- разработка непрерывной технологии совмещенных процессов вальцевания и экструзии для утилизации полимерной тары и упаковки, позволяющей снизить энергетические и трудовые затраты, сократить производственные площади, что приведет к уменьшению себестоимости получаемого вторичного материала;

- разработка методики расчета и программного обеспечения для определения величины суммарной деформации сдвига совмещенного процесса валково-шнековой переработки, характеризующей влияние различных геометрических размеров валково-шнекового оборудования и технологических параметров процесса утилизации на физико-механические показатели получаемого вторичного термопластичного материала (предел прочности и относительное удлинение при разрыве);

- определение значения величины суммарной деформации сдвига совмещенного процесса утилизации, соответствующего заданным физико-механическим показателям вторичного материала;

- исследование влияния конструктивных и технологических параметров валково-шнекового оборудования и процесса валково-шнековой утилизации на физико-механические показатели получаемого вторичного материала;

- создание методики инженерного расчета геометрических размеров валково-шнекового оборудования и технологических параметров совмещенного процесса утилизации с учетом заданных физико-механических показателей получаемого вторматериала.

Научная новизна работы. На основе анализа способов и оборудования для переработки отходов полимеров разработаны непрерывный совмещенный процесс вальцевания-экструдирования и валково-шнековый агрегат для утилизации полимерной тары и упаковки.

Спроектировано отборочное устройство (Патент РФ 67017), обеспечивающее непрерывный съем расплава полимера с поверхности вращающихся валков вальцов и стабильное питание шнекового гранулятора.

Установлены и рекомендованы для проектирования величины суммарной деформации сдвига совмещенного процесса валково-шнековой переработки полимерных материалов (на примере ПЭВД), соответствующие заданным физико-механическим показателям получаемого вторичного материала (усу„ = = 2100...2250).

Практическая ценность. Создан лабораторный стенд валково-шнекового агрегата, позволяющий исследовать совмещенный процесс утилизации широкого класса отходов термопластичных полимерных материалов и определять геометрические размеры оборудования и технологические параметры процесса, при которых достигаются заданные физико-механические показатели получаемого вторсырья.

Разработана методика расчета и программное обеспечение для определения величины суммарной деформации сдвига совмещенных процессов вальцевания и экструзии, характеризующей влияние различных геометрических размеров оборудования и технологических параметров процесса на физико-механические показатели получаемого вторичного материала.

Создана методика инженерного расчета геометрических размеров валково-шнекового оборудования и технологических параметров совмещенного про-

цесса утилизации с учетом заданных физико-механических показателей получаемого вторичного материала, позволяющая проектировать валково-шнековый агрегат или оснащать промышленные вальцы разработанным шне-ковым отборочным устройством.

Внедрение результатов работы на ОАО «НИИРТмаш» (г. Тамбов) позволило снизить энергозатраты при производстве 1 кг вторсырья на 20 % за счет исключения из технологической цепочки дробления и отмывки пластика, сократить производственные площади, а также уменьшить время проектирования оборудования.

Полученный на разработанной установке гранулированный из отходов вторичный полиэтилен низкой плотности используется на НПП ООО «Эласт» в производстве полиэтиленовых труб методом экструзии.

Программное обеспечение на ЭВМ для расчета основных параметров процесса утилизации и конструкции применяемого валково-шнекового агрегата используется в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 261201 и магистров по программе 150400.26.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на V Международной научно-технической конференции «Авиакосмические технологии «АКТ-2004» (г. Воронеж, 2004 г.); Международной школе-семенаре молодых ученых «Проблемы экономики и менеджмента качества» (г. Тамбов, 2006 г.); XII и XIII научных конференциях ТГТУ «Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование» (г. Тамбов, 2007-2008 гг.); XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии - ММТТ-20» (г. Ярославль, 2007 г.); Международной конференции по химической технологии (Москва, 2007 г.); VI Международной теплофизической школе «Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством» (г. Тамбов, 2007 г.); Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов ВУЗов «ЭВРИКА-2007» (г. Новочеркасск, 2007 г.); III Всероссийской научно-практической конференции «Процессы, технологии, оборудование и опыт переработки отходов и вторичного сырья» (г. Самара, 2008 г.).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 37 работ, из которых 4 в ведущих научных журналах из перечня ВАК, доклады сделаны на 22 международных, 4 всероссийских и 6 региональных научно-технических конференциях, получен 1 патент и 4 свидетельства регистрации программы для ЭВМ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 98 наименований и приложения. Содержит 115 страниц основного текста, 40 рисунков, 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано краткое содержание работы, обоснованы ее актуальность, научная новизна и практическая значимость. ,

В главе 1 проведен литературный обзор современного состояния в области утилизации отходов термопластичных полимерных материалов.

Приведена классификация отходов и проведен подробный анализ по способам вторичной переработки отходов термопластов и применяемого оборудования. Показано, что традиционный технологический процесс утилизации полимерной тары и упаковки требует значительных энергетических и трудовых затрат, что приводит к увеличению себестоимости продукции. В результате разработан непрерывный совмещенный процесс вальцевания-экструдирова-ния, позволяющий снизить энергетические затраты на утилизацию полимерной тары и упаковки за счет исключения дробления и сушки материала.

Первая глава завершается постановкой задач исследования.

Глава 2 посвящена рассмотрению совмещенного технологического процесса утилизации отходов термопластов, разработке конструкции валково-шнекового оборудования и шнекового отборочного устройства, а также методики расчета геометрических размеров шнекового отборочного устройства с учетом заданной производительности, изложены требования, предъявляемые к перерабатываемым отходам полимерной тары и упаковки.

Разработанный совмещенный технологический процесс утилизации (рис. 1) осуществляется следующим образом: отходы поступают на участок сортировки /, в процессе которой из них удаляют случайные инородные и металлические включения и выбраковывают сильно загрязненные куски. Далее отходы полимеров непрерывно загружаются через загрузочный бункер, с левой стороны поверхности валков валково-шнекового агрегата 2.

В процессе вальцевания происходит плавление отходов, удаление летучих компонентов, пластикация, возможно модифицирование различными добавками и окрашивание расплава. Температура переработки Т = 130 °С.

Для профилирования вальцуемого материала расплав полимера снимается специальным ножом с противоположной стороны поверхности валков и направляется в межвитковое пространство шнека шнекового отборочного устройства. Расплав полимера захватывается витками шнека и транспортируется к зоне выгрузки, где продавливается через формующее отверстие с образованием экстру-дата заданного поперечного сечения. Полученный экструдаг охлаждается сжатым воздухом вентилятора 5, режется фрезой 7, гранулы собираются в емкости 8.

Шнековое отборочное устройство (Патент РФ 67017) (рис. 2) представляет собой цилиндр 1 с расположенным внутри шнеком 2 предназначенным для транспортирования массы и создания давления перед формующей головкой 3, где профилируется сечение экструдата б. Наличие шнекового отборочного устройства позволяет также дополнительно гомогенизировать, пластицировать и диспергировать расплав полимера, что улучшает качество целевого продукта.

1 3 4 5 6 7 8

Рис. 1. Схема технологического процесса утилизации отходов полимерной тары и упаковки:

1 - участок сортировки отходов;

2 ~ валково-шнековый агрегат;

3 - отходы полимеров; 4 - шнековое отборочное устройство; 5 - устройство охлаждения; б - тянущее устройство; 7-режущее устройство;

8 - емкость для гранул

1 - цилиндр; 2 — шнек; 3 - профилирующая формующая головка;

4 - загрузочное окно; 5 - нож; 6 - расплав полимера

Отборочное устройство снабжено съемными профилирующими приставками с различным количеством фильер разной конфигурации, что дает возможность получения изделий непосредственно из вторичного сырья.

По данной технологии могут перерабатываться не только отходы полимерной тары и упаковки производственного и общественного потребления, но и различные технологические отходы термопластов.

В главе 3 описана методика расчета величины суммарной деформации сдвига для совмещенного валково-шнекового процесса утилизации термопластов.

В процессе переработки на физико-механические показатели получаемого вторичного термопластичного материала (прочность и относительное удлинение при разрыве) определяющее влияние оказывает сдвиговая деформация, возникающая в рабочих органах валково-шнекового агрегата. Она зависит от различных конструктивных (геометрические размеры валково-шнекового агрегата) и технологических (частота вращения валков вальцов и шнека шнеко-вого отборочного устройства, величины минимального зазора между валками и фрикции, «запаса» материала на валках при заданной температуре переработки) параметров процесса вальцевания, экструзии и профилирования отходов полимерных материалов в формующей головке.

Величина суммарной деформации сдвига для валково-шнекового процесса утилизации полимерной тары и упаковки может быть представлена как алгебраическая сумма суммарных величин сдвига для непрерывного процесса вальцевания ув, процесса экструзии при отборе расплава полимера уш и суммарной величины сдвига, возникающей в формующих каналах уфк:

Усум = Ув"'"^фк- (О

Ранее на кафедре «Переработка полимеров и упаковочное производство» ТГТУ для определения величины суммарной деформации сдвига непрерывного процесса вальцевания длина валка разбивалась на множество элементарных участков <И, на которых осуществлялся периодический процесс вальцевания; считалось, что высота «запаса» полимера на валках вальцов изменяется от зоны загрузки до зоны выгрузки по линейному закону. Наряду с этим длина каждого последующего участка Л определялась, исходя из скоростных потоков течения материала вдоль оси X (поперечное сечение валка) и оси 2 (сечение вдоль оси валка), (рис. 3).

Таким образом, величина суммарной деформации сдвига непрерывного процесса вальцевания может быть определена как

1

Г„ = — . (2)

в о

где уп - величина суммарной деформация сдвига, реализуемая при периодическом режиме вальцевания, определенная в работах Мак-Келви, Р.В. Торнера,

(3)

У =

(1-_arctgxн)+i±^kíL

1 + л„

- А„

1-*.

\~\2^ + х1) 4(1+4) _1_

[2^2^(1 +^Х^к-^н)] '

х.

хи

1 + Х; 1 + Х;

(4)

где ¿(0 = ■

1/0тв(1 + Хк1)

- число проходов; т„ - время вальцевания, с.

Однако описанная методика имеет ряд недостатков, главным из которых является погрешность, вносимая при определении элементарных участков с& исходя из скоростных потоков течения материала и использование линейной зависимости в качестве закона распределения материала по поверхности валка от зоны загрузки к зоне выгрузки, особенно при малых «запасах» (объемах).

Рнс. 3. Схема процесса вальцевания Рис. 4. Схема определения величины

суммарной деформации сдвига при непрерывном режиме вальцевания термопластов

При этом координата входа в зонах загрузки и выгрузки и время пребывания материала на валках должны задаваться, исходя из проведенных дополнительных исследований.

С целью исключения вышеописанных недостатков предложено в качестве функциональной зависимости, описывающей распределение «запаса» полимера на валках вальцов от зоны загрузки до зоны выгрузки использовать

безразмерный комплекс }

+х\ +0,6^ +0,143^ -Хн -х\ -0,6ХЦ -0,143^)+

+ 6 ATKarct&rH (хн + А',, + 0,6 Л^ + ОД 43 х\)- Хък (з,4 + 3,34^ + 0,86ХЦ )+ + 4+3,34^ +0,86^)-6XKarctgÄTK(xH + + 0,6^ + 0,143Л^)-

+ l,4XK ln(l + Х2К)- 1,4ХН ln(l + х;)] dXк,

+

+

н

к >

1+

!+

При этом координата выхода в зоне выгрузки Хт для /-го участка является координатой входа в зоне загрузки Хнн для элементарного участка У + 1.

В итоге, задаваясь производительностью процесса и зная зависимость распределения материала по длине валка, можно определить время пребывания материала на элементарном участке ей и, следовательно, величину суммарной удельной деформации сдвига для непрерывного процесса вальцевания.

В процессе переработки срезаемый с поверхности валков вальцов расплав направляется в межвитковое пространство шнекового отборочного устройства. Дальнейшая переработка представляет собой процесс экструзии, о качестве которого можно судить также по суммарной величине сдвига уш и уфк, представляющей функцию различных конструктивных параметров шнека, формующих каналов профилирующей формующей головки и технологических параметров процесса экструзии.

Величина суммарной деформации сдвига при отборе расплава полимера

где F(a), G(a) - функции; <? - коэффициент дросселирования, характеризующий отношение прямотока и противотока; h - глубина винтового канала шнека, м.

Величина суммарной деформации сдвига в формующих каналах фильеры шнекового отборочного устройства определяется следующим образом:

где Уф, - у,тф,; тф, = ; уф,, у,, Тф, - сдвиг, скорость сдвига, время пребывания У/

перерабатываемого материала в /-м канале, соответственно; Р„ /„ (),, - площадь поперечного сечения, длина и производительность /'-го канала, соответственно.

Таким образом, решение уравнения (1) совместно с (2) - (4), (6), (7) позволяет определить величину суммарной деформации сдвига для непрерывного процесса валково-шнековой утилизации термопластичных полимерных материалов. При этом определение численного значения величины суммарной деформации сдвига для конкретного термопластичного материала позволяет рассчитывать технологическое оборудование и режимы утилизации термопластов с заданными физико-механическими показателями получаемого вторичного материала.

п

(7)

F,h

Глава 4 посвящена экспериментальным исследованиям совмещенного процесса утилизации термопластов на валково-шнековом агрегате.

Дана методика определения безразмерных координат сечения входа Хи и выхода методики проведения экспериментов, определения физико-механических характеристик и молекулярной массы (метод вискозиметрии) получаемого термопластичного вторматериала (на примере ПЭВД), проведены исследования структуры вторичного ПЭВД методами рентгеноструктурного анализа (РСА) и ИК-спектроскопии, дана сравнительная характеристика свойств вторичного термопласта, полученных по различным технологиям.

Цель экспериментов заключалась в определении значения величины суммарной деформации сдвига совмещенного процесса усум, при которой физико-механические показатели получаемого вторичного термопластичного материала являются наилучшими.

Поскольку валково-шнековая утилизация отходов полимерных материалов - это технология совмещенных процессов вальцевания и экструзии, были проведены исследования на традиционных валковых и шнековых машинах по оценке влияния технологических параметров процесса и оборудования на свойства получаемого вторичного термопластичного материала. Исследования проводились на валковой машине Лб 80/80 200 при осуществлении непрерывного и периодического режимов вальцевания и с изменением в широком диапазоне частоты вращения валков пв, величины минимального зазора между валками h0, величины фрикции /, а также на шнековых машинах с диаметром червяка 20 и 32 мм. Полученный в процессе переработки на валковой и шнековых машинах вторичный термопластичный материал подвергался физико-механическим испытаниям с целью определения предела текучести ат, прочности <Тр и относительного удлинения е при разрыве.

После расчета величины суммарной деформации сдвига для процесса вальцевания ув по формулам (2) - (4), а также для процесса экструзии уш (6) в зависимости от геометрических размеров и технологических параметров процесса и оборудования были получены зависимости физико-механических свойств вторматериала ор от величины суммарной деформации сдвигаув и уш, показанные на рис. 5.

СГ„МП« С^МПа

2 ч ч 1

// п ,f ■ ч V

У/ / /

550 1100 1650 2200 2750

а)

У.

550 1)00 1650 2200 2750 б)

Рис. 5. Зависимость прочности при разрыве <тр от величины суммарной деформации сдвига при переработке на вальцах у« (я) и в экструдере уш (б):

а - непрерывный (1) и периодический (2) режим работы вачьцов; б-экструдеры с диаметром червяков 20 мм (/) и 32 мм (2)

Анализ графических зависимостей (рис. 5) показал, что наилучшие физико-механические свойства вторичного материала, в частности, прочность при

разрыве crp> как для процессов периодического и непрерывного вальцевания ув,

так и для процесса экструзии уш наблюдается при одинаковой величине суммарной деформации сдвига у = 2100. ..2250.

Вследствие этого, достижение заданного значения величины суммарной деформации сдвига может быть положено в основу инженерной методики расчетов конструктивных параметров и технологических режимов при разработке валково-шнековых агрегатов или шнековых отборочных устройств для вторичной переработки термопластичных материалов с заданным качеством.

На основании проведенных экспериментальных исследований на лабораторных вальцах Лб 80/80 и экструдерах с диаметрами шнеков 20 и 32 мм, а также с учетом величины суммарной деформации сдвига, рассчитанной по уравнению (I), был реализован технологический процесс утилизации термопластов на разработанном валково-шнековом агрегате, при котором может бьггь получен вторичный экструдат с заданными физико-механическими показателями при заданном значении величины суммарной деформации сдвига усум.

На экспериментальной валково-шнековой установке был осуществлен изотермический режим непрерывного процесса переработки ПЭВД 15803-020. Переработку проводили при изменении в широком диапазоне частоты вращения валков вальцов и шнека шнекового отборочного устройства.

Полученный в процессе переработки материал собирался в емкости для последующего проведения экспериментов по определению прочности и относительного удлинения при разрыве, молекулярной массы, а также для изучения структурных изменений методами РСА и ИК-спекгроскопии.

В результате была получена зависимость, представленная на рис. 6.

Проведенные экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы: изменение частоты вращения шнека пш шнекового отборочного устройства при постоянной частоте вращения вальцов и„ не вносит существенного влияния на величину показателя прочности при разрыве сгр (рис. 6) получаемого вторичного термопластичного материала, что является следствием недостаточной величины сдвиговой деформации, возникающей в межвитковом пространстве шнекового отборочного устройства. Однако, наблюдаются изменения прочностных свойств вторичного материала при различной частоте вращения вальцов п,.

Это вызвано тем, что основное сдвиговое воздействие на материал со стороны рабочих органов технологического оборудования в процессе вторичной переработке осуществляется на валковом плаеггикаторе. При этом сравнительный анализ прочности при разрыве стр получаемого вторматериала с первичным ПЭВД 15803-020 показал, что в процессе вторичной переработки происходит структурирование.

17,5 0б/мИН

Рис. 6. Зависимость прочности при разрыве стр от частоты вращения валков вальцов и, при различной частоте вращения шнека пш

ф л»-бЗ об/мин

О лв=35 об/чин о пя-Л9 о5/ммн

• п. = 70 об/мин

О об/мин V »1„=5б оа'мин

■ л_*77 об/мин

При этом молекулярная масса исследованных образцов, также как и прочность при разрыве стр этих образцов, превышает соответствующую величину для исходного материала. Это подтверждает теорию, что в процессе вторичной переработки происходит структурирование, которое приводит к увеличению молекулярной массы (на 13,5...48 %), (рис. 7).

После расчета величины суммарной деформации сдвига для непрерывного режима вальцевания у„ по формулам (2) и суммарной деформации сдвига в каналах шнека уш (6) в зависимости от технологических и конструктивных параметров процесса и оборудования, а также на основании проведенных экспериментальных исследований (рис. 6), была получена графическая зависимость прочности при разрыве ор вторичного термопластичного материала от величины суммарной деформации сдвига усум, показанные на рис. 8.

Ч,МПа

М-Ю

27,5--

V

^исх мнп" —+

=18500

н—^

'.2,5 15 17,3 п,, о5/мин

Рис. 7. Зависимость молекулярной массы М от частоты вращения валков вальцов яв при различной частоте вращения шнека иш

|1 пИ=6Э обАшн

• • « • г.и- »

• & • V 1

О «„,=35 об/юы О яа*Ч2 об/мин

а п5/--ан V пу=56 ОЫкял

„,=•70 об/чин гя=77 об/шш

1250 1500 1750 20«! 225С у

'сум

Риг. 8. Зависимость прочности при разрыве <тр от величины суммарной деформации сдвига 7су» при переработке термопластов на валково-шнековом агрегате

Анализ рис. 8 позволяет сделать вывод, что наилучшие показатели по прочности вторичного термопластичного материала, также как и для традиционных процессов вальцевания и экструзии, наблюдаются при одинаковой величине суммарной деформации сдвига (усум = 2100...2250).

Проведенные дополнительные исследования методом ИК-спектроскопии подтвердили предположение, что повышение прочности при разрыве ар связано со структурированием вторичного термопластичного материала в процессе вторичной переработки на разработанном валково-шнековом агрегате и выражаются в изменении концентрации метальных групп в исследуемых образцах.

С целью исключения вероятности повышения прочности при разрыве вследствие ориентирования материала в процессе течения в формующем канале шнеко-вого отборочного устройства, были проведены исследования методом РСА. Проверка образцов на анизотропию показала, что структура образца в экваториальном и меридианальном направлениях не имеет существенных различий.

В глане 5 предложена методика инженерного расчета основных конструктивных и технологических параметров валково-шнековых агрегатов и процесса утилизации с учетом заданного качества получаемого термопластичного вторматериала, позволяющая решать два типа задач:

1) проектирование валково-шнекового агрегата - при заданной производительности процесса 2 необходимо определить основные геометрические размеры проектируемого валково-шнекового агрегата (диаметр и длину валков вальцов; диаметр, длину, шаг, глубину винтовой нарезки и ширину гребня шнека шнекового отборочного устройства) и технологические параметры совмещенного процесса;

2) оснащение вальцов разработанным шнековым отборочным устройством - при заданных геометрических размерах валков вальцов необходимо определить производительность процесса <2 и основные геометрические размеры шнекового отборочного устройства (диаметр и длину шнека).

В качестве исходных параметров должны быть заданы: производительность процесса, температура переработки и тип перерабатываемого материала. До проведения расчета необходимо определить реологические константы, а также величину суммарной деформации сдвига, соответствующую заданным физико-механическим показателям вторичного сырья, для перерабатываемого материала на описанном выше лабораторном стенде.

Решение первого типа задачи сводится к определению основных геометрических размеров валков (диаметр и длина) и выбору валкового оборудования в соответствии с ГОСТ 14333-73; определению оптимальной высоты «запаса» материала на валках, оптимальной величины минимального зазора между валками; основных размеров шнекового отборочного устройства (диаметр, длина, шаг, глубина винтовой нарезки и ширина гребня шнека); силовых и энергетических параметров процессов вальцевания и экструзии; проводится прочностной расчет основных деталей и узлов валково-шнекового агрегата и тепловой расчет процесса утилизации. Составляется техническая характеристика спроектированного валково-шнекового оборудования.

При решении второго типа задач, в случае оснащения валковых пласти-каторов шнековым отборочным устройством, определяется производительность совмещенного процесса; далее находятся такие же параметры как для первого типа задач.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Разработан валково-шнековый агрегат и непрерывный совмещенный процесс вальцевания-экструдирования для вторичной переработки отходов полимерной тары и упаковки, позволяющий снизить удельные энергозатраты на утилизацию и получить вторичный материал заданного качества.

Спроектирован и смонтирован лабораторный стенд (валково-шнековый агрегат) позволяющий определять значение величины суммарной деформации сдвига, соответствующей заданным физико-механическим показателям отходов термопластов.

Спроектировано отборочное устройство (Патент РФ 67017). обеспечивающее непрерывный съем расплава полимера с поверхности вращающихся валков и стабильное питание шнекового гранулятора.

Разработана методика инженерного расчета геометрических размеров шнекового отборочного устройства при заданных производительности валкового пластикатора и реологических свойствах полимерного материала.

Разработана методика расчета и программное обеспечение для определения величины суммарной деформации сдвига процесса валково-шнековой пе-

реработки, характеризующей влияние различных геометрических размеров валково-шнекового оборудования и технологических параметров процесса утилизации ка физико-механические показатели получаемого вторичного термопластичного материала, на которое получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Найдено численное значение величины суммарной деформации сдвига совмещенного процесса валково-шнековой переработки полимерных материалов (на примере ПЭВД), соответствующее заданным физико-механическим показателям (у[ум = 2100...2250).

Проведены исследования влияния конструктивных и технологических параметров валково-шнекового оборудования и процесса утилизации на физико-механические показатели получаемого вторичного термопластичного материала.

Созданная методика инженерного расчета геометрических размеров вал-ково-шнекового оборудования и технологических параметров совмещенного процесса утилизации с учетом заданных физико-механических показателей получаемого вторичного материала, позволяет проектировать валково-шнековый агрегат или оснащать существующее валковое оборудование разработанным шнековым отборочным устройством.

Результаты работы приняты ОАО «НИИРТМаш» к использованию при проектировании промышленного валково-шнекового агрегата по переработке промышленных и бытовых отходов термопластов. Рассчитанный экономический эффект от создания валково-шнекового агрегата непрерывного действия составляет 340 тыс. р.

Гранулят, полученный на экспериментальной установке из отходов ПЭВД промышленного и общественного потребления, используется на НГ1П ООО «Эласт» для производства электроизоляционных полимерных труб, применяемых в железобетонных строительных плитах, методом экструзии.

Методика инженерного расчета и программное обеспечение на ЭВМ для проектирования валково-шнековых агрегатов внедрены в учебный процесс при подготовке специалистов по специальности 261201 по дисциплинам «Оборудование для производства тары и упаковки», «Утилизация упаковки» и магистров по программе 150400.26 по дисциплине «Утилизация и вторичная переработка полимерных материалов».

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

R„ - радиус валка, м; /.„ - длина рабочей части валка, м; L - длина нарезной части шнека, м; хт х„ - координаты сечения входа и выхода, м; / - фрикция; 2h0 - величина минимального зазора между валками, м.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Новая технология вторичной переработки и утилизации пленочных полимерных материалов / Д.Л. Полушкин, И.В. ¿Пашков, A.C. Клинков, М.В. Соколов // Вестник Тамб. гос. техн. ун-та. - 2006. - Т. 12. - № 1А. - С. 76 - 82.

2. Исследования свойств вторичного гранулята, полученного на валково-шнековом агрегате / Д.Л. Полушкин, A.C. Клинков, М.В. Соколов, В.Г. Однолько // Известия Самарского научного центра РАН : сб. ст. III Всерос. науч.-практ. конф.

«Процессы, технологам, оборудование и опыт переработки отходов и вторичного сырья». - Самара, 2008. - С. 56 - 62.

3. Мобильный валково-шнековый агрегат по переработке отходов термопластичных полимерных материалов / Д.Л. Полушкин, A.C. Клинков, М.В. Соколов [и др.] // Известия Волг. гос. техн. ун-та. Сер. Химия и технология элементоор-ганических мономеров и полимерных материалов. Вып. 5. - Волгоград, 2008. -№ 1 (39)-С. 129- 133.

4. Технология производства вторичного гранулята заданного качества вал-ково-шнековым способом / Д.Л. Полушкин, М.В. Соколов, A.C. Клинков, В.Г. Од-нолько // Известия ОрелГТУ. Сер. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2008. - № 2-2/270 (545)- С. 43 - 49.

5. Моделирование непрерывного процесса вальцевания отходов полимерных материалов / И.В. Шашков, A.C. Клинков, Д.Л. Полушкин [и др.] // Авиакосмические технологии «АКТ-2004». Ч. II: Прикладные задачи механики. Математическое моделирование. Аэрогидродинамика и тепломассообмен : тр. V Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 2004. - С. 166 - 172.

6. Современное состояние в области утилизации пленочных полимерных материалов / И.В. Шашков, Д.Л. Полушкин, A.C. Клинков, М.В. Соколов // X научная конференция ТГТУ : тез. докл. - Тамбов, 2005. - С. 55-56.

7. Утилизация упаковки из пленочных полимерных материалов на валковых машинах непрерывного действия / И.В. Шашков, Д.Л. Полушкин, A.C. Клинков [и др.] // Новые технологии получения и переработки полимеров : сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - М.. 2005. - С. 59 - 62.

8. Прогнозирование качества вторичного гранулята при )тилизации пленочных термопластов / Д.Л. Полушкин, A.C. Клинков, М.В. Соколов [и др.] // Прогрессивные технологии развития : сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф. -Тамбов, 2005.-С. 170-171.

9. Расчет параметра качества гранулята при утилизации отходов термопластов на вальцах непрерывного действия / И.В. Шашков, A.C. Клинков, Д.Л. Полушкин, М.В. Соколов // Наука на рубеже тысячелетий : сб. материалов. Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов, 2005. - С. 130- 132.

10. Валково-шнековый метод переработки термопластов и эластомеров / Д.Л. Полушкин, A.C. Клинков, М.В. Соколов [и др.] Н Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование : сб. тр. XII науч. конф. ТГТУ. - Тамбов, 2007. - С.118 - 122.

11. Согласование работы валковой машины и отборочно-шнекового устройства при утилизации отходов термопластов / Д.Л. Полушкин, A.C. Клинков, М.В. Соколов [и др.] // Математические методы в технике и технологии - ММТТ-20. : сб. тр. XX Меадунар. науч. конф. В 10 т. Т. 4. Секция 5 / под общ. ред. B.C. Балакирева -Ярославль, 2007. - С. 143 - 145.

12. Валково-шнековая технология утилизации отходов полимерных материалов / Д.Л. Полушкин, A.C. Клинков, М.В. Соколов, И.В. Шашков // Химическая технология : сб. тез. докл. Междунар. конф. по химической технологии ХТ'07. Т. 2 / под. ред. A.A. Вошкина, H.H. Кулова, А.И. Холькина, Е.В. Юртова. - М., 2007.-С. 247-249.

13. Валково-шнековая технология вторичной переработки термопластов с заданным качеством / Д.Л. Полушкин, A.C. Клинков, М.В. Соколов, И.В. Шашков // Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством : материалы VI Междунар. теплофиз. шк. В 2 ч. - Тамбов. 2007. - Ч. И. - С. 101 - 103.

14. Гуреев, С.С. Мобильный мини-завод по переработке отходов полимеров / С.С. Гуреев, В.П. Беляев, Д.Л. Полушкин // Сборник конкурсных работ Всерос. смотра-конкурса научно-технического творчества студентов ВУЗов «ЭВРИКА-2007». - Новочеркасск, 2007. - С. 380-381.

15. Полушкин, Д.Л. Анализ интегрального критерия качества при переработке полимеров на валковых машинах / Д.Л. Полушкин, A.C. Клинков, М.В. Соколов // Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование : сб. тр. XIII науч. конф. ТГТУ. - Тамбов, 2008. -С. 106-109.

16. Энергосберегающая технология переработки отходов полимерных материалов валково-шнековым способом / Д.Л. Полушкин, A.C. Клинков, М.В. Соколов [и др.] // Вопросы современной науки и практики. Серия Технические науки / Университет им. BJÎ. Вернадского.-2008. № 1(11).-Т. 2.-С. 137-141.

17. Пат. РФ 67017 RU В29В 7/64. Шнековое отборочное устройство к валковым машинам / Д.Л. Полушкин, A.C. Клинков, М.В. Соколов, П.С. Беляев, В.Г. Однолько; Тамб. гос. техн. ун-т. - № 2006106300/12; заявл. 28.02.2006; опубл. 10.10.2007, Бюл. № 28.

18. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. -№ 2006612171. Расчет суммарной величины сдвига при переработке термопластов на вальцах / Д.Л. Полушкин, М.В. Соколов, И.В. Шашков, A.C. Клинков, П.С. Беляев; Тамб. гос. техн. ун-т. - № 2006611436; заявл. 03.05.2006. Зарегистрировано 22.06.2006.

19. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. -№ 2008610876. Расчет станин вальцов на прочность и жесткость / С.С. Гуреев, ДЛ. Полушкин, М.В. Соколов, АС. Клинков, В.И. Кочетов, П.С. Беляев; Тамб. гос. техн. ун-т. - № 2007615273; заявл. 24.12.2007. Зарегистрировано 20.02.2008.

20. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. -№ 2008612658. Расчет на прочность и жесткость валков вальцов / П.В. Макеев, Д.Л. Полушкин, М.В. Соколов, A.C. Клинков, В.И. Кочетов, П.С. Беляев; Тамб. гос. техн. ун-т. - № 2008611473; заявл. 07.04.2008. Зарегистрировано 28.05.2008.

21. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. -№ 2008613114. Расчет интегрального критерия качества - суммарной величины сдвига для непрерывного вальцевания / С.С. Гуреев, Д.Л. Полушкин, М.В. Соколов, A.C. Клинков, П.С. Беляев; Тамб. гос. техн. ун-т. - № 2008612201; заявл. 19.05.2008. Зарегистрировано 27.06.2008.

Подписано в печать 25.11.2008. Формат 60 х 84 / 16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100. Заказ № 528

Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Классификация отходов

1.2 Способы активной борьбы с полимерным мусором

1.2.1 Захоронение (депонирование) 17 *

1.2.2 Сжигание

1.2.3 Деструктивные методы утилизации полимеров

1.2.4 Использование биодеградируемых полимеров (материалов с регулируемым сроком службы) 23 1.2.5. Повторное применение

1.3 Особенности переработки некоторых видов пластмасс

1.3.1 Переработка отходов полиолефинов

1.3.2 Переработка отходов поливинилхлорида

1.3.3 Переработка отходов полиуретана, полиамида, полистирольных пластиков и реактопластов

1.4. Постановка задачи исследования

2 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УТИЛИЗАЦИИ ПОЛИМЕРНОЙ ТАРЫ И УПАКОВКИ ВАЛКОВО-ШНЕКОВЫМ МЕТОДОМ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Технологический процесс утилизации полимерной тары и упаковки валково-шнековым методом

2.2 Описание экспериментальной установки

2.3 Расчет геометрических размеров отборочно-шнекового устройства

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО КРИТЕРИЯ КАЧЕСТВА ПРИ ЗАДАННОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

3.1 Определение величины суммарной деформации сдвига при вальцевании термопластов

3.1.1 Определение величины суммарной деформации сдвига при периодическом режиме процесса вальцевания термопластов

3.1.2 Определение величины суммарной деформации сдвига при непрерывном режиме процесса вальцевания термопластов

3.2 Определение величины суммарной деформации сдвига в каналах отборочно-шнекового устройства и формующего инструмента

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА УТИЛИЗАЦИИ ТЕРМОПЛАСТОВ НА БАЖОВ О-ШНЕКОВ ОМ АГРЕГАТЕ

4.1 Исследование свойств вторичного термопластичного материала при переработке на валковых машинах

4.1.1 Методика проведения эксперимента

4.1.2 Определение безразмерных координат сечения входа

4.1.3 Зависимость между безразмерными координатами входа Хн и выхода Хк

4.1.4 Определение показателя текучести расплава гранул ПЭНП полученных при непрерывном процессе вальцевания

4.1.5 Определение предела текучести, прочности при разрыве, относительного удлинения при разрыве вторичного ПЭ, полученного при непрерывном процессе вальцевания

4.1.6 Исследование свойств вторичного термопластичного материала при переработке на вальцах

4.2 Исследование свойств вторичного термопластичного материала при переработке в шнековых машинах

4.3 Исследование свойств вторичного термопластичного ( материала полученного в процессе валково-шнековой утилизации

4.3.1 Методика проведения эксперимента

4.3.2 Определение молекулярной массы вторичного материала

4.3.3 Построение графической зависимости физико-механических показателей вторичного термопластичного материала от величины суммарной деформации сдвига процесса валково-шнековой утилизации термопластов

4.4 Изучение структурных изменений полученного вторичного термопластичного материала

4.4.1 Исследование степени ориентации и кристалличности методом рентгеноструктурного анализа

4.4.2 Изучение структурных изменений методом ИК-спектроскопии

4.5 Сравнительная оценка производительности, удельной мощности и свойств вторичного термопластичного материала при использовании бокового отборочно-гранулирующего устройства и валково-шнекового агрегата

5 МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА УТИЛИЗАЦИИ НА ВАЛКОВО-ШНЕКОВОМ АГРЕГАТЕ

5.1 Расчет параметров процесса и оборудования при проектировании валково-шнекового агрегата

5.2 Расчет параметров процесса и оборудования при оснащении вальцов шнековым отборочным устройством

Общий федералышй закон о промышленных и бытовых отходах, который носит название «Об отходах производства и потребления», был принят Государственной думой в 1998 году. Закон «определяет правовые основы обращения с отходами производства и потребления в целях предотвращения вредного воздействия отходов производства и потребления на здоровье человека и окруэ/сающую природную среду, а также вовлечения таких отходов в хозяйственный оборот в качестве дополнительных источников сырья».

1. В мире наблюдается стремительный рост потребления полимерных материалов. В России его темпы составляют 5-6% ежегодно и к 2010 году, по прогнозам, общий объем производств достигнет 250 млн. тонн. Их потребление на душу населения в индустриально развитых странах за последние 20 лет примерно удвоилось (достигнув 85-90 кг), а к концу десятилетия, как полагают, повысится на 45-50 % [1].

Россия занимает огромную территорию со значительным количеством небольших населенных пунктов, в которых перспектива цивилизованного решения проблемы утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) достаточна далека от совершенства.

На городских свалках даже среднего города ежегодно скапливаются сотни тысяч тонн бытовых отходов, превращаясь в серьезную опасность для окружающей среды и человека. Дымящиеся свалки, кучи выброшенного хлама, переполненные мусорные баки - в России такие картины знакомы многим

1 Автор выражает благодарность за консультацию при написании кандидатской диссертации заведующему кафедрой «ПП и УП» ТГТУ, д.т.н., проф. Беляеву П.С.

2 Автор выражает благодарность за консультацию в области математического моделирования и, программирования к.т.н., доц. кафедры «ПП и УП» ТГТУ Соколову М.В.

3 Автор выражает благодарность за консультацию в области рентгеноструктурного анализа и ИК-спекгроскопии кафедре «Физики» ТГТУ и лично д.х.н., доц. Поликарпову В.М., к.х.н. доц. Головину Ю.М., асс. Холодилину В.Н., асп. Быстрицкому B.C. городским жителям. Подсчитано, что каждый год в стране скапливается только твердых бытовых отходов 140 миллионов кубометров, а к 2005 году эта цифра возросла до 190 миллионов. Значительную долю ТБО составляют отходы пластмасс, которые, с одной стороны, являются ценным сырьем для вторичного использования, а с другой - длительно разлагающимися материалами, существенно загрязняющими природную среду (в России предположительно к 2010 году полимерные отходы составят больше 1 миллиона тонн [2]).

Проблему уничтожения такой огромной массы полимерных отходов, бесспорно, можно отнести к категории экологических, с другой стороны, она самым тесным образом связана с решением сложных технических и экономических вопросов [3,4].

Повышенный интерес к использованию вторичного сырья в развитых странах мира определяется наряду с экономическими соображениями также и жестким экологическим законодательством в отношении переработки отходов производства и потребления. Все большую роль играют международные соглашения по охране природы, особенно в тех направлениях, которые координируют отношения по обращению с отходами. Например, для стран -членов ЕС требуется обязательность наличия планов создания рынка вторичного сырья, введение нормирования использования наиболее распространенных отходов (макулатуры, стекла, металлической и пластиковой упаковки) [5]. Вот почему «героями дня» становятся эффективные, безотходные, а главное - экологически чистые технологии промышленной переработки твердых бытовых отходов (ТБО).

Москва является одним из крупнейших промышленных центров России, на территории которого сосредоточено более 5 тыс. крупных предприятий. В настоящее время в городе ежегодно образуется около 1 млн. промышленных отходов, среди которых объем образования твердых отходов полимерных материалов порядка 300 тыс. тонн в год. При этом, по оценкам, перерабатывается не более 10 тыс. тонн (8-16%), остальная же огромная часть в виде мусора вывозится на свалки [3]. Доля переработки в Санкт-Петербурге составляет 25 - 30%, по России - 4%. В среднем по Евросоюзу - до 40%.

В наши дни, как никогда прежде, люди нашей планеты задумались над огромным засорением Земли непрерывно возрастающими отходами в т.ч. пластиков. Огромное количество пластиков используется для изготовления упаковки пищевых продуктов (из всех выпускаемых пластиков 41 % используется в упаковке; из этого количества 47 % расходуется на упаковку пищевых продуктов [6, 7]). Удобство и безопасность, низкая цена и высокая эстетика являются определяющими условиями ускоренного роста использования пластических масс при изготовлении упаковки.

Проблем, связанных с утилизацией полимерных отходов, достаточно много. Они имеют свою специфику, но их нельзя считать неразрешимыми. Однако решение невозможно без организации раздельного сбора, сортировки и первичной обработки амортизованных материалов и изделий; без разработки системы цен на вторичное сырьё, стимулирующих предприятия к их переработке; без создания эффективных способов переработки вторичного полимерного сырья, а также методов его модификации с целью повышения качества; без создания специального оборудования для его переработки; без разработки номенклатуры изделий, выпускаемых из полимерного вторсырья.

Наибольшие трудности связаны с переработкой и использованием смешанных отходов. Причина этого в несовместимости термопластов, входящих в состав бытового мусора, что требует их раздельного сбора и сортировки. Во многих западных странах организован раздельный сбор твердых бытовых отходов, что значительно упрощает доставку их на предприятия по переработке и их сортировку. К сожалению, в РФ этот вопрос не решен и требует от муниципалитетов организационной работы с населением по раздельному сбору ТБО.

Одним из быстроразвивающихся направлений использования пластмасс является упаковка. Уже с 1975 года полимеры вышли на третье место после стекла, бумаги и картона по применению для упаковки [8]. Наиболее остро, в настоящее время, стоит вопрос вторичной переработки отходов полимерной тары и упаковки.

2. Диссертационная работа посвящена разработке конструкции валково-шнекового агрегата и совмещенного технологического процесса утилизации полимерной тары и упаковки на валково-шнековом оборудовании.

3. Научная новизна. На основе анализа способов и оборудования для переработки отходов полимеров разработаны непрерывный совмещенный процесс вальцевания-экструдирования и валково-шнековый агрегат для утилизации полимерной тары и упаковки.

Спроектировано отборочное устройство (Патент РФ 67017), обеспечивающее непрерывный съем расплава полимера с поверхности вращающихся валков вальцов и стабильное питание шнекового гранулятора.

Установлены и рекомендованы для проектирования величины суммарной деформации сдвига совмещенного процесса валково-шнековой переработки полимерных материалов (на примере ПЭВД), соответствующие заданным физико-механическим показателям получаемого вторичного материала (усум = = 2100.2250).

4. Практическая ценность. Создан лабораторный стенд валково-шнекового агрегата, позволяющий исследовать совмещенный процесс утилизации широкого класса отходов термопластичных полимерных материалов и определять геометрические размеры оборудования и технологические параметры процесса, при которых достигаются заданные физико-механические показатели получаемого вторсырья.

Разработана методика расчета и программное обеспечение для определения величины суммарной деформации сдвига совмещенных процессов вальцевания и экструзии, характеризующей влияние различных геометрических размеров оборудования и технологических параметров процесса на физико-механические показатели получаемого вторичного материала.

Создана методика инженерного расчета геометрических размеров валково-шнекового оборудования и технологических параметров совмещенного процесса утилизации с учетом заданных физико-механических показателей получаемого вторичного материала, позволяющая проектировать валково-шнековый агрегат или оснащать промышленные вальцы разработанным шнековым отборочным устройством.

Внедрение результатов работы на ОАО «НИИРТмаш» (г. Тамбов) позволило снизить энергозатраты при производстве 1 кг вторсырья на 20 % за счет исключения из технологической цепочки дробления и отмывки пластика, сократить производственные площади, а также уменьшить время проектирования оборудования.

Полученный на разработанной установке гранулированный из отходов вторичный полиэтилен низкой плотности используется на НПП ООО «Эласт» в производстве полиэтиленовых труб методом экструзии.

Программное обеспечение на ЭВМ для расчета основных параметров процесса утилизации и конструкции применяемого валково-шнекового агрегата используется в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 261201 по дисциплинам «Оборудование для производства тары и упаковки», V

Утилизация упаковки» и магистров по программе 150400.26 по дисциплине «Утилизация и вторичная переработка полимерных материалов».

5. Достоверность полученных результатов и сделанных выводов обеспечивается широким диапазоном исследованных факторов экспериментов по переработке отходов полиэтилена низкой плотности на разработанной установке по непрерывной технологии, приемлемой воспроизводимостью опытов и сравнением экспериментальных данных с расчётными.

6. Апробация работы и публикации.

По теме диссертации сделаны доклады на 22 международных, 4 всероссийских и 6 региональных научно-технических конференциях,' опубликовано 37 печатных работ, получен 1 патент на полезную модель и 4 свидетельства регистрации программ для ЭВМ. и

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Отходы потребления и промышленные отходы, пригодные к дальнейшей переработке, называют вторичным полимерным сырьем (ВПС), к которому относятся изделия из полимерных и других материалов, а также смесевых композиций (композиционных материалов), утративших свои потребительские свойства в результате физического или морального износа и предназначенные для переработки и использования в народном хозяйстве.

Результаты работы приняты ОАО «НИИРТМаш» к использованию при проектировании промышленного валково-шнекового агрегата по переработке промышленных и бытовых отходов термопластов. Рассчитанный экономический эффект от создания валково-шнекового агрегата непрерывного действия составляет 340 тыс. р.

Гранулят, полученный на экспериментальной установке из отходов ПЭВД промышленного и общественного потребления, используется на НПП ООО «Эласт» для производства электроизоляционных полимерных труб, применяемых в железобетонных строительных плитах, методом экструзии.

Методика инженерного расчета и программное обеспечение на ЭВМ для проектирования валково-шнековых агрегатов внедрены в учебный процесс при подготовке специалистов по специальности 261201 по дисциплинам «Оборудование для производства тары и упаковки», «Утилизация упаковки» и магистров по программе 150400.26 по дисциплине «Утилизация и вторичная переработка полимерных материалов».

1. Пономарева В.Т., Лихачева Н.Н., Ткачик 3. А. Использование пластмассовых отходов за рубежом. Пластические массы. 2002. №5. С.44-48.

2. Вторичные ресурсы: проблемы, перспективы, технология, экономика. Учеб. Пособие / Лобачев Г.К., Желтобрюхов В.Ф. и др.; Волгоград, 1999, 180с.3. www.promeco.hl .ru

3. Заякин С. Вторичная переработка полимеров. Оборудование №5 (101), май 2005. .5. www.recyclers.ru

4. Nie(3ner N. Kunststoffe. 1998. В.88, №6. S.874-876,878-880.

5. Ckapelle A. Kunststoffe. 1995. B.85, №10. S.1636,1638-1640.

6. Hinterwaldner R. et al. Coating. 1995.B.28, №10. S.364,366-367,370.

7. Екатерина Николаева. Переработка вторична. The Chemical Journal. Апрель 2003г.

8. Андрейцев Д.Ф., Артемьева Т.Е., Вильниц С.А. Технические и экономические проблемы вторичной переработки и использования полимерных материалов. М., 1972, 83с.

9. Бобович Б.Б., Девяткин В.В. Переработка отходов производства и потребления. М.: Интермет Инжиниринг, 2000. 496 с.

10. Быстров Г.А., Гальперин В.М., Титов Б.П. Обезвреживание и утилизация отходов в производстве пластмасс. Л.: Химия, 1982. — 264 с.

11. Макаревич А.В. Полимерные упаковочные материалы//Химия и жизнь. 1994. №2. С. 45.

12. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Т.З. Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2003. - 1024 с.

13. Вторичное использование полимерных материалов / Под ред. Любешкиной Е.Г. М., 1985, 192с.

14. RaschR. Chem.-Ing.-Techn. 1976. Jg.48, №1. S.82-84.

15. Беспамятов Г.П. и др. Термические методы обезвреживания промышленных отходов. JL: Химия, 1969. - 112 с.

16. Аристархов Д.В., Журавский Г.И. и др. Технологии переработки отходов растительной биомассы, технической резины и пластмассы. Инженерно- физический журнал. 2001. №6. С.152-156.

17. Rasch R. Chem.-Ztg. 1974. В.98, №5. S.253-260

18. Umwelt. 1979. №4. S.278-280.

19. Кастнер X., Камински В. Повторная переработка пластиков в исходное сырье. Нефтегазовые технологии. 1995. №6. С.42-44.

20. Штарке Л. Использование промышленных и бытовых отходов пластмасс: Пер. с нем. / Под ред. Брагинского В.А.; Л., 1987. 176с.

21. Hunkeler D. et al. Polum. News. 1998. V.23, №3. S.93-94. v

22. Petrotekku. Petrotech. 1997. V.20, №8. S.651-656.

23. Mod. Plast. Int. 1996. V.26, №3. S.86.

24. Wang Jing. et al. Huanjing kexue. Chin. J Envion. 1998, V.19, №5. S.5254.

25. Lefevre C. et al. Chim nouv. 1998. V.16, №62. S.1921-1922.

26. Васнев B.A. Биоразлагаемые полимеры. Высокомол. соед., сер.Б. 1997. Т39, №12. С. 2073-2086.

27. Schlicht R. Kunststoffe. 1998. В.88, №6. S.888-890.

28. Шляпинтох В.Я. Фотохимические превращения и стабилизация полимеров. М., 1979. 344с.

29. Рэнгби Б., Рабек Я. Фотодеструкция, фотоокисление и фотостабилизация полимеров. М., 1978. 676с.

30. Bruce G. Chem. Week. V.159, №15. S.32.

31. Мономеры для поликонденсации / Под ред. Стилла Д. М., 1976. 253с.

32. Фомин В.А., Гузеев В.В. Биоразлагаемые полимеры, состояние и перспективы использования. Пластические массы. 2001. №2. С.42-47.

33. Handbook of Polyoleflns. Second Edition. Ed. Vasile, Marcel Dekker. New York, 2000. -1014 pp. K.Z. Gumargalieva, G.E. Zaikov, A.Ya. Polishchuk, A. A. Adamyan e.c. Biocompatibility and Biodegradation of Poly olefins, pp.477-792.

34. Макаревич A.B. и др. Саморазлагающиеся полимерные упаковочные материалы // Пласт, массы. -1996. №1. - С.34-37.

35. Germansky A., Siroky R. Rekirculacia zmeci odpagnych plastov // Plast a kauc -1976. v.13, №12.- p.360-364.

36. Пластмассовые отходы, их сбор, сортировка, переработка, оборудование. Пластические массы. 2001. №12. С.3-10.

37. Другая жизнь упаковки : монография . И.Н. Смиренный, П.С. Беляев, А.С. Клинков, О.В. Ефремов. Тамбов : Першина, 2005. - 178 с.

38. Мюррей, Р. Цель -Zero Waste . пер. с англ. Горницкого В.О. М. : ОМННО «Совет Гринпис», 2004. - 232 с.

39. Вторичная переработка пластмасс . Ф. JIa Мантия (ред.); пер. с англ. ; под ред. Г.Е. Заикова. — СПб. : Профессия, 2006. 400 с.42. www.otlivka.ru

40. Бобович Б.Б. Утилизация отходов полимеров: Учеб. пособие. М., 1998. 62с.

41. Лебедева Т.М., Шалацкая С.А. Переработка вторичного поливинилхлоридного сырья. Л., 1991. 21с.

42. Wiessenkamper W. Kunststoff Textilabfalle als Sekundarrohstoff. Kunststoffen. 1978. B.68, №5. S.299-302.

43. Вольфсон C.A., Никольский В.Г. Твердофазное деформационное разрушение и измельчение полимерных материалов. Порошковые технологии. Высокомол. соед. сер.Б. 1994. Т.36, №6. С.1040-1056.

44. Ахметханов P.M., Кадыров Р.Г., Минскер К.С. Вторичная переработка отходов поливинилхлорида с использованием метода упруго-деформационного диспергирования. Пластические массы. 2002. №4. С.45-47.

45. Маленко С.К., Уманский Н.А., Левин B.C., Коростелев В.И. Пластические массы. 1978. №8. С.60-61.

46. Штурман А.А. Пластические массы. 1991. №3. С.53.

47. Бух Н.Н., Овчинникова Г.П., Артеменко С.Е., Ишанов Б.Р. Увеличение ресурса эксплуатации вторичного ПКА путем его модифицирования. Пластические массы. 1997! №1. С.37-39.

48. Артеменко С.Е., Овчинникова Г.П., Кононенко С.Г. и др. Использование технологических отходов АБС-пластика в автомобилестроении. Пластические массы. 1995. №3. С.44-45.

49. Пат. 67017 RU В29В 7/64. Шнековое отборочное устройство к валковым машинам / Д.Л. Полушкин, А.С. Клинков, М.В. Соколов, П.С. Беляев, В.Г. Однолько; Тамб. гос. техн. ун-т. № 2006106300/12; заявл. 28.02.2006; опубл. 10.10.2007, Бюл. № 28.

50. Рябинин Д.Д., Лукач Ю.Е. Червячные машины для переработки пластических масс и резиновых смесей. М.: Машиностроение, 1965 363 с.

51. Клинков А.С. Исследование непрерывного процесса вальцевания полимерных материалов. Дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.,1972.

52. Оборудование для переработки пластмасс. Справочное пособие. Под ред. Завгороднего. М., «Машиностроение», 1976 г., 407 с.

53. Беляев П.С, Клинков А.С, Маликов О.Г., Однолько В.Г., Соколов М.В. Основы проектирования экструзионных машин предприятий полимерных материалов: Учебное пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. 144 с.

54. Автоматизированное проектирование и расчет шнековых машин: Монография / М.В. Соколов, А.С. Клинков, О.В. Ефремов, П.С. Беляев, В.Г. Однолько. М.: «Изд-во Машиностроение-1», 2004. 248 с.

55. Басов Н.И., Брагинский В.А., Казанков Ю.В. Расчёт и конструирование формующего инструмента для изготовления изделий из полимерных материалов. М.: Химия, 1991. 352 с.

56. Мак-Келви Д.М. Переработка полимеров. М.: Химия, 1965 442 с.

57. Бернхардт, Э. Переработка термопластичных материалов. М.: Изд-во Химия, 1965. с. 747.

58. Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов). — М.: Химия, 1977. 464с.

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

60. Красовский В.Н., Воскресенский A.M. Сборник примеров и задач по технологии переработки полимеров. Минск, "Вышэйш. школа", 1975. 320 с.

61. Шашков И.В. Валковое оборудование и технология процесса непрерывной переработки отходов пленочных термопластов. Автореф. дисс. на соискание уч. степ. канд. техн. наук по спец. 05.02.13: Тамбов, 2005. 16 с.

62. Балашов М.М. Клинков А.С. Исследование непрерывного процесса вальцевания полимеров // Пластмассы и каучук. Нем. 1973, Т. 20. № 4. С. 291 -293.

63. Клинков А.С. Исследование непрерывного процесса вальцевания полимерных материалов. Дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.,1972.

64. Проектирование и расчёт валковых машин для переработки полимерных материалов: Учебное пособие/Клинков А.С., Кочетов В.И., Соколов М.В. и др. Тамбов: Издательство ТГТУ, 2005. 128 с.

65. Сван, Том. Delphi 4. Библия разработчика / Т. Сван ; пер. с англ. -СПб. : Диалектика, 1998. 672 е., ил.

66. Озеров, В. Delphi. Советы программистов / В. Озеров. — СПб. : Символ-Плюс, 2003. 976 е., ил.

67. Осипов, Д. Delphi. Профессиональное программирование / Д. Осипов. — СПб. : Символ-Плюс, 2006. 1056 е., ил.

68. Торнер Р.В. Исследование механики экструзии полимеров: Дис. . д-ра техн. наук. М., 1968.

69. Ким B.C. Исследование смешивающей способности экструзионных машин и разработка основ теории и методов расчета процессов смешения полимерных материалов в экструдерах: Дис. . М.: МИХМ, 1979.

70. Ким B.C., Скачков В.В. Диспергирование и смешение в процессах производства и переработки пластмасс. М.: Химия, 1988. - 240 с.

71. Проектирование экструзионных машин с учетом качества резинотехнических изделий: Монография / М.В. Соколов, А.С. Клинков, П.С. Беляев, В.Г. Однолько. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2007. 292 с.

72. Соколов М.В. Расчет шнековых машин для переработки резиновых смесей при заданном качестве экструдата // Вестник ТГТУ, Т. 12. № 4А. С. 468474.

73. Соколов М.В. Определение суммарной величины сдвига при переработке резиновых смесей // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. №8. С. 3-4.

74. Бекин Н.Г. Исследование процесса листования резиновых смесей на валковых машинах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 1971 г.

75. Торнер Р.В. Основные процессы переработки полимеров. Теории и методы расчета. Изд-во Химия, 1972 г.

76. Балашов М.М., Клинков А.С. Исследование непрерывного процесса вальцевания полимерных материалов. Труды МИХМа, Тамбов, 1972 г.

77. Шатенштейн и др. Практическое руководство по определению молекулярных весов и молекулярно-весового распределения полимеров. М., Издательство «Химия», 1964 г., 188 с.

78. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. Москва, Госхимиздат, 1963 г.,528 с.

79. Вайнштейн Б.К. Дифракция рентгеновских лучей на цепных молекулах. М.: Изд. АН СССР, 1963. -372 с.

80. Поликарпов В.М. Переход «Порядок беспорядок» в кремний-, германий- и борсодержащих полимерах и их органических аналогах// Дис. . д-ра.хим.наук. М.: ИНХС РАН им. А.В.Топчиева, 2003. - 302 с.

81. Пейнтер П., Коулмен М., Кённг Дж. Теория колебательной спектроскопии. Приложение к полимерным материалам: Пер. с англ. — М.: Мир, 1986. 580 с, ил.

82. Р. Збинден. Инфракрасная спектроскопия высокополимеров. Пер. с англ. М.А. Маркевича и Э. Ф. Олейника / Под ред. д.х.н. проф. Л. А. Блюменфельда. Изд. «Мир», Москва, 1966.

83. Лукач Ю.Е., Рябинин Д.О., Метлов Б.Н. Валковые машины для переработки пластмасс и резиновых смесей. М.: Машиностроение, 1967.296с.

84. Автоматизированное проектирование валковых машин для переработки полимеров / Ю.Е. Лукач, Л.Г. Воронин, Л.И. Ружинская и др. К.: Тэхника, 1988. 208 с.

85. Бекин Н.Г. Валковые машины для переработки резиновых смесей (основы теории). Ярославль: ЯТИ, 1969.

86. Рябинин Д.Д., Лукач С.Е. Смесительные машины для пластмасс и резиновых смесей. М.: Машиностроение, 1972.

87. Тадмор Э., Гогос К. Теоретические основы переработки полимеров: Пер. с англ. М.: Химия. 1984. 628 с.

88. Мирзоев Р.Г. Машины и технология переработки полимеров. JL,1967.

89. Машиностроение: Энциклопедия в 40 т. Раздел IV. Расчет и конструирование машин. Т. IV-12. Машины и аппараты химических и нефтеперерабатывающих производств. М.: Машиностроение, 2004, 829 с.

90. Раувендааль К. Экструзия полимеров / Пер. с англ. под ред. А.Я. Малкина- СПб.: Профессия. 2007.-768 е., ил.

91. Шенкель Г. Шнековые процессы для пластмасс. Д., 1962. - 467с.

92. Фишер Е.Г. Экструзия полимеров: Пер. с англ. . Под ред. С.И.3

93. Гдалина, М.: Химия, 1970, 283 с.