автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Разработка метода расчета и исследование смесительных элементов одношнековых экструдеров

РГ6 од

- 5 А ПМОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ '^ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

ЧЕНЬ ЮНЬ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЕ СМЕСИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОДНОШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ

05.04.09 — Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Московской Государственной академии химического машиностроения.

Научный руководитель — д. т. н., профессор КИМ В. С.

Научный консультант — к. т. и., доцент САМОЙЛОВ В. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ШЕРЫШЕВ М. А., кандидат технических наук КОШЕЛЕВ Г. Г.

Ведущее предприятие: НПО «Пластик».

Защита состоится «ЛЛ» 1993 г. на заседании

специализированного совета по присуждению ученой степени кандидата технических наук (К.063.44.01) в Московской Государственной академии химического машиностроения по адресу: 107884, Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4, МГАХМ в часов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан « ¿Ю» ис^^н.*" 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета к- т. и., доцент

А. А. ПАХОМОВ

Актуальность работа. При экструзии полимерных материалов от экструдерон требуется но только обеспечение необходимой производительности, но и хорошее смешение исходных полимеров с различного рода добавками и наполнителями с целью получения изделий с требуемыми физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Решение проблемы обеспечения хорошего качества смешения особенно пата о при получении и переработке композиционных пол1гмернгге материалов.

Т радиционные шнеки (шнеки дозирующего типа) одноикеконых экструдеров не могут обеспечить заданное качество смеси, особенно, если переработке методом экструзии подвергается многокомпонентная поли- ' мерная смесь. Поэтому с целью интенсификации процессов смешения применяются различного типа смесительные элементы, устанавливаемые стационарно, как правило, в зоне дозирования (ввдавливания) одношне-кового экструдера. В настоящее время выбор того или иного типа см'- -сительного элемента осуществляется чисто эмпирическим путем - проведением экспериментальных поисковых работ непосредственно на экстру-дере при переработке определенного типа полимера или же на модельных установках с модельными жидкостями. Однако такой метод подбора г~ти-ыальной геометрии шнека связан с большими трудоемкостью и экономическими издержками. В связи с этим очевидна актуальность работы, посвященной разработке аналитического метода расчета смесительных элементов одношнековых экструдеров с последующим экспериментальным подтверждением достоверности п- ученных уравнений.

Цель работы. Математическое описание процессов течения и смешения расплавов полимеров в зоне смесительных элементов одношнековых экструдеров ч создание методики их расчета.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими ее результатами:

- экспериментально определена наиболее выгодная зона установки смесительных элементов на шнеке;

- проведено математичэское описание процессов течения расплавов полимеров в смесительных элементах различных конструкций,не исследованных ранее;

- получены уравнения для количественной оценки смесительного• воздействия элементов различных типов;

- по результатам экспериментально-теоретических исследований

- г -

разработана методика подбора оптимальной геометрии смесительных элементов.

Ппактическд.-? значимость работы. Рэдработалная методика расчета переуедкпатедей способности смесительных элементов одноянсковых экст-рудероч позволяет уже на стадии проектирования зыбрать оптимальную их геометр-.ю, г также прогнозкрозать качество смешения полимершх материалов ггри отладка технологического процесса на сучестгующих мазинах.

На практике пссь этот комплекс задач в настоящее время решается эмпирическим путем и характеризуется значительными трудозатратами.

Автор за^щает:

- результаты теоретического описания процессов течения расплавов полимеров в рабочих каналах смесительных элементов различных типов;

- результаты теоретического описания процессов смеиения полимеров в однотникозом экструдере со смесительными элемента!.™ различных типов;

- результаты экспериментального исследования по выбору координат установки смесительных элементов по длине шнека;

- результаты экспериментального исследования процессов смешения полимеров в однолнековом экструдере со сыесительнкми элементами различных типов.

- методику количественной оценки смесительного воздействия элементов различных типов.

Аптюбчдит работ». Отдельные результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях Пекинского института химической технологии (октябрь 1991 г.), Московского института химического машиностроения (1991 г.) ив Ростове-на-Дону (1990 г.).

Публ:ткячии. По материалам диссертации опубликована одна статья и две статьи приняты в печать.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, глав, основных выводов и списка цитируемой литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, изложены основные положения, которые выносятся на защиту.

В парвор главе рас ютрено состояние проблемы. Показано, что,

- о -

несмотря на .гирокое применение одноьнековых экструдероп п качестве смесителей-пластикаторов непрерывного действия, в настоящее время выбор той или иной конструкции смесительных элементов одношнекозых экструдеров производится чисто интуитивно или зге экспериментальным путем. На основе анализа осяоршвс положений теории ламинарного смешения делается вывод, что возможен аналитический подход к выбору оптимальной геометрии смесительных элементов одношнехолч'х машин. С учетом вышеизложенного сформулированы кошгретные цели и задачи исследований, необходимых для разработки методики расчета (подбора) оптимальной геометрии смесительных элементов одноигнековых экструдеров.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию кинетики плавления полимера в одношнековом экструдере с целью определения нг чальной координаты установки смесительных элементов по длине шнека. Эксперименты проводились на одноинековом экструдере со шнеком диаметром 32 мм и отношением его длины к диаметру, равным 20. Экструдер представлял собой модернизированный вариант лабораторной установки "Камил" (Франция) и давал возможность плавного регулирования частота вращения с одновременной регистрацией температуры по зонам материального цилиндра. Эксперименты проводились с полиэтиленом высоко.; давления марки ПЗНГ1-108. Исследования проводились по известной из литературных источников методике - материальный 1, ¡линдр со те ком разогревался до заданной температуры по зонам, запускался з работу экструдер и после выхода на установившийся режим работы он останавливался. Затем снек вместе с расплавом полимера охлатдался до температуры 353-363 К и извлекался из материального цилиндра вместе с застывшим полимером. Визуально устанавливалась -сартина плавления полимера по длине шнека. Эксперименты проводились при перемените частотах вращения снека, значениях температуры по зонам цилиндра и сопротивлениях формующего 1-нструмента. В диссертации покпзано,_ что по окончании процесс, плавления полимера для устойчи1огоПраспл&аа полимера через формующий инструмент достаточно 2-3 витков нарезки шнека в зоне дозирования. Следовательно, смесительные элементы можно устанавливать уже после 2-3 витков нарезки пнека в зоне дотирования. Наличие ухаз&нных витков необходимо для транспортировки расплава цо-лимера без пульсации производительности в зону смесительных элементов .

В греты;;* главе рассматриваются процессы течения расплава полк-мэра через рабочие каналы различных тилон смесительных элементов.

Целью такого -теоретического исследования процессов течения расплава полимера япляется получение уравнений для расчета скоростей потока б рабочих каналах смесительных элементов и времени пребывания для последующего их использования при аналитическом описании процессом смещения. Задачи рассматривается п ньютоновском и изотермическом приближении, а неньктоновское поведение расплава полимера учитывается впедением э^гЬективной вязкости вместо ньютоновской.

При репеник указанных задач используется общепринятые допущения - несжимаемость жидкости, пренебрежения инерционными членами и смачиваемость стенок канала.

В диссертации теоретическому анализу подвергаются три типа смесительных элементов, рис. I а, б, в.

Для описания течения расплава полимера в смесительном элементе типа "торпеда', рис. 1а, рабочий канал по длине разбит на четыре зоны длиной ¿^ , [_ 2 » I. ^ > скорости потока в которых соответственно равны , 1Г2 , ¿^ и .В зоне / у из условия разковесия сил, действующих на элементарный цилиндр, рис. 1а, пырезаншй в жидкости, получим, что

?£.Г = г). (I >

Эл: Э г

Интегрированием данного уравнения при граничных условиях ¿{^ - О при Г ш и У = /?<? ^ У ¿у , а реологическое уравнение

задано '¿ч"- (и , получим:

где (К^'Х /Я ; + - текущий радмус торпе-

ды на участке ; Р - давление; - эффективная вязкость

расплава полимера.

Расход жидкости на участке длиной , равен

4 \xw\\\w

1T

1

^W^VÑVfYNV!

A-A

Ul

r

a.

Л

Mi

\ЧЧЧ\\

у

ЬР

-i , //////тгУ'/ L

С,

Ъг

z ■

к

о

Pîic.I. Типы смесительных элементов.

- б -

Из равенства расхода жидкости в разных сечениях канала дХ ]Эх Т } дх ^

где

получим

дх /(эс)9х <5)

Интегрирование последнего выражения приводит к следующему уравнении

и дР с< откуда ^

гяе т-Р-*-^-

Следовательно

С учетом, что » л ' при

( И )

- 0.8 * 0,9). Г Г Ьр

Р

¿(Р(<-/>)% 2/> с

Из(8)и(9) получим

Постоянные интегрирования С1 и ¿Г^ получены при грвиич-условиях

Х = о ;

Х-Л . в- .£* ; р= £ . ^ Я

где /Э , /5 - давление на входе и выходе рассматриваемого участка канала;

Тогда

эр _

/

5=

— 4.

1Е.

(а(^ *•) ЪР-е.)

С 12 )

гт =

^ ^ Р

где

а -

^ ( е-

Выражение для окружной сс тавляющей скорости 1Г&

( II )

< )

потока по-

лучено из условия равновесия моментов, двлствуюпрк на элементарный

:

цилиндр при

дг

при граничных условиях - 0 при у »

= при Г=

25V (Й„+Щ 9<)г(й V

( 14 )

где Г/ - частота вращения шнека.

Аналогичный образом для участка ¿2 получены выражения

_ ^ (Я'-г')и ■ и» ~ г (я2- П.')

Дня участка ¿3

■ 0 г(1-р)г0-/г)

а~ 7ч-^ '

р _ (Ъ-ъНд О* ' е вЛЙ+Кг ; '

*г. («+*<,)

¡2_ 'л Р^ - давление на входе к выходе рассматриваемого участка.

Дня участка получены следующие выражения и .<9 :

О = —• А . < 22 >

4 <?/<Л 3

Для смесительного элемента с клиновыми пазами, рис. 16, решением системы дифференциал ,шх уравкегий

дР _ дТух

дх ~ --

ау ' { 23 )

~ 7 ¿У

при граничных условиях Н = ° * ¡. ~

и при г£/у_.„ - о •

ЗУ (К-В)Ц-Х ) 7 . (24)

где > Р ~ параметры расходной характеристики шнека;

К - число каналов смесительного элемента.

Остальные обозначения приведены на рис. 16.

Полученные зависимости использованы для вывода аналогичного решения более общего случая - смесительного элемента со ступенчатыми клиновыми пазами.

Для смесительного элемента с продольными цилиндрическими пазами, рис. 1в, решением системы дифференх^иальных уравнений ( 23 ) при граничных условиях — О и = Х1М' на участках

С * . ¿г и ¿^у , рис. 1а, получены следующие выражения скоростей потока:

Выражения для расхода жидкости через указанные участки элемента приведены в диссертации.

Решением системы дифференциальных уравнений ( 23 ) при граничных условиях VII »0 получены выражения

^ ¡Чхс ' и-и

г

'у-н

г дг- ' ' ( 29 >

( 31 )

др _

Г

<р=? (с*+ё)(а1+ ег)е< * С<+а)(1+аг]Сг + £ С учетом ( 31 ) из ( 30 ) получим, что

П- ¿"К* Ф _

1Г. 'т^Щ' '

3 диссертации приведены теоретические эпюры скоростей потока, пестро ею с-я по расчетам полученных уравнений.

При известных выражениях скоростей штока в каналах смесительных элементов различных типов в диссертационной работе проведено аналитическое описание процесса снесения.

Теоре п»*зский анализ процесса смеаения основан на основополагающей уравнение теорий ламинарного смешения:

г _ ^ос

~ 'то' . ( 33 )

при //с - текущее значение толгрты полосы; у~0(- - начал ¿.лая толщина полосы;

р - суммарная деформация сдвига о смесительном элементе; £ - доля ключевого компонента.

г= ¡Гу-е, (34)

¿Г/у - компонента тензора скоростей дебормации в рабочих каналах смесительных элементов; £ - время пребывания частиц жвдкости в смесительных элементах. Из уравнения видно, что наименьшее значение дефО]^ации сдвига (наихудшее качество смешения) будет иметь место при минимальном времени пребывания частиц полимера в зоне смесительных элементов. Для нахождения минимального времени пребывания из условия

» 0, рис. 1а, получим значение координаты Г* . при которой частицы жидкости не участвуют в циркуляционном течении.

Для смесительного элемента типа "торпеда", рис. 1а суммарная деформация сдвига по участкам просчитывалось как

о Ух I 1г,г*

//

В диссертации приведены выражения для А* минимального

времени пребывания и суммарной деформации сдьига на отдельных участках рассматриваемого типа торпеды.

Для смесительного элемента с клиновыми и ступенчатыми пасами имеет место циркуляционный характер течения. При этом анализ эпюр скоростей потока показывает, что наихудшее качество смеси будет наблюдаться по линии, разделятацеЯ прямой и обратный потоки, т.е. при

—0. Это условие соблюдается при значении координаты, рис. 16

1 (зб)

" зге-хм.-*)

Время пребывания частиц, имеющих указанное значение координаты,

равно

Для любого значения продольной координаты, деформация сдвига на этой линии приближенно описывается зависимостью вида:

где и ^ скорости сдвига в напряжении соответствующих

осей.

Для зоны, не участвующей в циркулями, смешение происходит за счет сдвигового течения в поле скоростей ¿Гл к .В диссер-

тации приведены уравнения для расчета границ указанной области.

Идентичный подход использован и при анализе процесса смешения в смесительном элементе с продольными цилиндрическими каналами. При :ом из-за сложности конфигурации рабочих каналов смесительный элемент был расбит на три участка, для каждого из которых были получены выражения для минимального времена пребывания, скоростей сдвига и значения координат частиц жидкости, где ТХ^—0.

Расчет суммарной деформации сдвига проьсдился по формуле ( 28 ).

Четпертая глана диссертации посвящена экспериментальному исследованию процессов смешения полимеров в одношнековом экструдере без смесительных элементов, со смесительными элементами различных типов, рис. I а, б, я, проверке адекватности полученных уравнений реальному процессу, а также разработке методики расчета (подбора) наиболее эффективных конструкций смесительных элементов.

Эксперименты проводились на одношнековом экструдере на базе лабораторного комбаЛна "Камил" (Франция) с плавным регулированием частоты вращения, снабженном шеком с различными типами смесительных элементов. Объектом исследований служил полиэтилен низкой плотности марки ПЭНР-10Э. В качестве ключевого компонента использовался концентрат черного цвета на базе ПЗНП-108. Методика эксперимента заключалась в выводе установки на стационарный режим экструзии П5Ш-108 с добавками концентрата черного цвета, в последующей остановке экстру-дера, охлаждении и извлечении шнека со слепками застывшего полимера. Для последующего исследования со слепков снимались в определенной последовательное.и микротомные срезы, которые затем подвергались изучению на измерительно« микроскопе марки !"£У-ЗУ4.2 с целью определения текущих значений толщин полос. Оотоприставка давала возможность получать снимки для визуального анализа качества смешения. Эксперименты проводились при разных температурных и скоростных режимах с капиллярами различных геометрических размеров. Одновременно замерялась про-

изводительность одношнекояого экструдера с различными смесительными элементами.

Для определения эффективности процесса смешения необходимо было оценить конечную толщину полосы или соответствующую ей характеристику смеси и сравнивать ее с исходным значением. Исходное значение качества смешения характеризуется абсолютными значениями размеров белых и черных гранул и дисперсией среднего расстояния ме*цу указанными гранулами в смеси. Гранулометрический состав определялся замерами характерных размеров гранул - их диаметра и длины. В качестве характеристики исходной смеси были приняты средние диаметр и длина гранул черного цвета, а также условная величина толщины /У (где Г -толщина полосы, с! - диаметр гранул), определенная в диссертации аналитически для идеальной смеси черных и белых гранул при принятой схеме ортогональной упаковки шаров.

Перед загрузкой гранулы черного (&£ по весу) и белого цветов предварительно перемешивались п смесителе типа "пьяная" бочка.

Исследовании подвергались экструдер с традиционным снегом дозирующего типа с ^-/р ■ 20 (для последующей оценки эффективности сме-сительно-диспергируящих элементов разЛ1гчных типов), экструдер со шнеком ^/т) " 20 со смесительным элементом типа "торпеда", экструдер со иноком ■ 20 со смесителььым элементом со ступенчатыми паза-

ми, экструдер со внеком 4^7) - 20 со смесительным элементом с продольными цилиндрическими пазами, экструдер со шнеком ^- 10 со смесительными элементами, установленными в начале зоны дозирования.

Для получения истинной картины распределения толщины полос образцы микротомного среза фотографировались под микроскопом о помощью фотоаппарата "Зеки*", поле среза образца на фотографа™ было разделено на зоны по высоте сечения и по ого длине. В диссертации в виде таблиц и графиков приведены результаты экспериментальных исследований указанных выше одношнековьпе экструдеров. л

На рис. 2 а, в, в, г приведены в координатах " /*— * результаты экспериментального исследования качества смешения в экстру-дере со шнеком дозирующего типа (рис. 2а) ,со шнеком с торпедой (рис. 26),се шнеком, снабженным смесительным элементом со ступенчатыми пазами (рис. 2в) и со внеком со смесительными элементами с продольными цилиндрическими пазами (рис. 2г). На этих ке рисунках представлены теоретические кривые, полученные с использованием прг-'едон-

f, MMxlO*

12 10

8 6 4

T, mm*I<£

17 18 19 20 i/o

в/, элемент со ступенчатыми пазами.

17 18 19

г/, элемент с продольными пазами.

20 %

Рис.2. Изменение толщины полос по длине элементов.

1. середина сечения; 2. поверхность элемента; 3. стенка цилиндра.

эксперимент; "---": теория.

ннх выше уравнения для расчета накопленной де<?ормации сдвига ^ При этом начальная толщина полосы определялась экспериментально на входе п смесительный элемент (в зону дозирования для рис. 2аК а для расчета величин Г использовались заимстясяанныо из исю'-сшу.оп значения 3(}ф'?ктиякэГ1 вязкости. Из приведенных графиков видно удовлетворительное совпадение экспериментальных и теоретических данных.

Базируясь на данных экспериментальных и теоретических исследований процессов смешения в одношнеко*ых экструдерах со кнеками различной геометрии, в четвертой главе диссертации разработана инженерная методика расчета смесительнък элементов, позволявшая выбрать их конструкция на стадии проектирования или же прогнозирозать у^ктия-ность процессов смешения при заданной геометрии упомянутых элементов.

ОСНОВШД В'ЭДЩ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Проведен теоретический анализ процессов течения расплавов полимеров через рабочие каналы смесительных элементов различных типов, в результате которого получены уравнения для расчета скоростей потока, градиентов давления и производительности. По теоретическим профилям скоростей потока п золе смесительных элементов возможно определение областей наихудаегс смешения.

2. С использованием полученных уравнений ЯЛп расчета скоростей потока, градиентов давления и производительности проведено теоретическое описание процессов ламинарного смешения в зонах смесительных элементов, позволяющее выбрать наиболее эффективную конструкция смесительных элементов на стадии их проектирования или прогнозироьать

способность _

смезшващую эксплуатируемых элементов. При этом расчетные уравнения

учитываат как реологические свойства перерабатываемой среды, так и

геометрию смесителтых элементов.

3. Экспериментально доказано, что нет необходимости устанавливать смесительные элементы на конце зоны дозирования, а достаточной для их установки является длина, равная (24- 31 3 от конца зоны плавления. Показано, что при этом не наблюдается падения произво -тельности экструдера и ухудшения качества смешения, но можно пппцполо-дить выигрыш в энергозатратах.

Л. Проведена экспериментальная проверка полученных расчетны. уравнений, в результате которой показана их адекватность реальному процессу.

5. Разработана инженерная методика расчета смесительных ь .емен-тов одношнековых экструдеров, позволп^лая сравнительно просто рассчи-

тать оптимальную геометрию смесительных элементов или же прогнозировать качество получаемых смесей при переработке композиционных полимерных материалов на экструдере с заданной конструкцией внекя.

Ссновноо содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. И.Г.Ватчин, П.Чень, В.В.Ким. Проблемы интенсификации процессов смешения писоковязких жидкостей в одночервячных экструцерах. Механика в химической технологии, Сб. научных трудов, М., ?ОТИ им. Менделеева, 1992, с. 60-63.

2. В.С.Ким, В.А.Самойлов, Чень Хйь, Е.М.Шерыаева. Смешение при переработке термопластов экструзией, Химическое и нефтяное машиностроение, М. принята в печать.

3. В.С.Ким, В.А.Самойлов, Ю.Чень. Теоретическое описание процессов течения расплавов полимеров в рабочих каналах смесительных элементов одноинехового экструдера. Маляты и технология переработки каучуков, полимеров и резиновых смесей. Межвузовский Сб. Научных трудов, Ярославль, принята а печать.