автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка процесса и оборудования для изготовления латексной пенорезины

005043878

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛАТЕКСНОЙ ПЕНОРЕЗИНЫ

Специальность 05.17.08 — Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАЙ 2012

Тамбов 2012

005043878

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «11 "ГУ») на кафедре «Переработка полимеров и упаковочное производство».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

кандидат технических наук, профессор Клинков Алексей Степанович

Туголуков Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор, Тамбовский государственный технический университет, профессор кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»

Скуратов Владимир Кириллович,

доктор технических наук, профессор, Московский государственный университет инженерной экологии, профессор кафедры «Полимерсервис»

ОАО «Научно-исследовательский институт резинотехнического машиностроения» (г. Тамбов)

Защита состоится

»

мая 2012 г. в 15 часов 30 мин. на заседании диссерта-

ционного совета Д 212.260.02 ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, скреплённые гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ». Автореферат разослан ««£ У » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Нечаев Василий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время из-за увеличения количества потребителей, в частности, транспортной, мебельной промышленности, производства упаковки, основы для ковров и т.д., возрастает потребность в получении пенорезины. Возникает необходимость разработки, модернизации и внедрения в производство технологии и оборудования линии по производству высококачественной пенорезины. До настоящего времени разработка аппаратурного оформления данного производства основывалась на опыте работы предшествующего оборудования. При этом оно характеризуется завышенными массогабаритными и энергоемкими показателями. В связи с этим актуальными являются комплексные исследования по оптимальному проектированию линии производства пенорезины.

Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2012 годы» Государственный контракт № 14.740.11.0141 от 13.09.2010 г.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена исследованию процесса изготовления латексной пенорезины и его аппаратурного оформления, включающего новую технологическую операцию - вспенивание латекса в устройстве лабиринтного типа. В данной работе поставлены задачи:

- разработать конструкции вспенивателя как устройства, обеспечивающего одновременно получение пены и ее подачу на следующую технологическую операцию;

- провести экспериментальные исследования по определению режимов работы вспенивателя в зависимости от кратности пены;

- разработать математическое описание основных операций производства пенорезины: получение пены из латекса в лабиринтном вспенивателе; определение длины агрегата желатинирования-вулканизации на основе решения задачи нестационарной теплопроводности, гидродинамики потока моющей жидкости в валковой машине;

- разработать математическую модель основных стадий процесса изготовления пенорезины, которая может служить для целей оптимизации работающего оборудования и для разработки нового;

- создать лабораторную установку для получения пены и ее транспортирования;

- провести экспериментальные исследования по определению режимов получения пены заданного качества.

Научная новизна работы. Разработана новая конструкция вспенивателя латексной смеси, позволяющая эффективно создавать пену и одновременно осуществлять ее транспортирование на следующую технологическую операцию. Предложена методика определения оптимальной длины камеры агрегата желатинирования-вулканизации, на основе которой можно производить его расчет и конструирование для заданных условий производства.

Практическая ценность. Доказана эффективность получения пенорезины с использованием вспенивателя лабиринтного типа. Разработана инженерная методика для расчета режимных и конструктивных параметров оборудования для производства пенорезины.

Методики расчета оптимальных параметров вспенивателя, агрегата желатинирования-вулканизации (АЖВ), машины по отмывке пенорезины приняты ОАО «НИИРТМаш» (г. Тамбов) для промышленного проектирования линии по производству пенорезины, с разработанным вспенивателем лабиринтного типа. Расчетный экономический эффект от результатов работы составляет 245 тыс. р. в год.

Результаты проведенных исследований и созданная на их основе инженерная методика и программное обеспечение использованы и внедрены в учебный процесс Тамбовского государственного технического университета и используются при подготовке инженеров по специальности 655400 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, в нефтехимии и биотехнологии» в рамках дисциплины «Оборудование для переработки полимерных материалов».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на XII научной конференции ТГТУ «Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование» (г. Тамбов, 2008), на II Всероссийской научно-инновационной молодежной конференции (с международным участием, г. Тамбов, 2010 г.), на научно-практической конференции ТГТУ «Решение региональных экологических проблем» (г. Тамбов, 2011).

Публикации. По материалам исследований опубликовано шесть работ, из них пять в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 72 наименований и 3 приложений. Содержит 121 страницу основного текста, 31 рисунок, 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведен литературный обзор современного состояния в области технологии и оборудования для изготовления пенорезины из латекса, дана характеристика исходных материалов для ее получения, представлена структурная схема процесса изготовления.

Рассмотрено поведение пены после ее получения и факторы, влияющие на размер пузырьков и механизм их разрушения.

Первая глава завершается постановкой задач исследования.

Вторая глава посвящена рассмотрению анализа оборудования для получения пены из латекса. В настоящее время применяемые в промышленности вспенивате-ли имеют одинаковую принципиальную схему и отличаются только конструкцией отдельных элементов. Наибольшее распространение имеют вспениватели английской фирмы «Оакев» и вспениватель типа ВН-1, разработанный СКБ «Ленполи-мермаш» на базе голландского вспенивателя «Еиг-о-шайс». Анализ конструкций и работы указанных вспенивателей показывает, что они имеют ряд существенных недостатков:

— большая металлоемкость вспенивателей и смесительной головки;

— трудность разборки при чистке;

— большой разброс по размерам пузырьков в пене;

- необходимость дополнительного насоса для прокачки латекса через вспе-ниватель.

С целью ликвидации указанных недостатков была предложена конструкция вспенивателя на основе лабиринтного насоса.

Для получения качественной пены необходимо организовать наиболее интенсивную гидродинамическую обстановку в аппарате для смешения двух потоков жидкости, т.е. необходимо иметь значительное число Рейнольдса. В ходе исследования установлено, что больший эффект будет иметь место, если на турбулентный поток будет накладываться дополнительно вихревое движение, что способствует более быстрому и качественному смешению.

Такая гидродинамическая обстановка в потоке жидкости создается в проточной части работающего лабиринтного вспенивателя (основными элементами конструкции лабиринтного вспенивателя являются ротор и статор, имеющие многоза-ходную нарезку взаимопротивоположного направления). При вращении ротора на его выступах и выступах статора происходит непрерывное возникновение и отрыв вихрей, в результате чего наблюдается обмен количествами движения жидкости, прилегающей к ротору, с жидкостью, прилегающей к статору. Такой механизм воздействия рабочих органов на жидкость приводит к созданию напора в жидкости, т.е. образованию насосного эффекта.

Использование лабиринтного вспенивателя для вспенивания жидкостей дает возможность одновременно перемещать и вспенивать латекс. Применение конструкции ротора и статора в виде расходящихся усеченных конусов по ходу движения жидкости облегчает разборку и чистку вспенивателя, который в процессе работы забивается коагулюмом латекса.

Вспенивание латексной смеси в устройстве такого типа происходит в результате ее смешения с воздухом. Представить четко механизм образования воздушных пузырьков довольно затруднительно. Можно только предположить, что интенсивность смешения, рост образующихся пузырьков и их размер определяется гидродинамическим фактором, геометрией рабочей поверхности устройства и параметрами работы вспенивателя.

Тогда число образующихся пузырьков при вращении ротора можно представить в виде зависимости

Ж

= (1)

ах

где г - число заходов винта; Яе - число Рейнольдса; т - время пребывания латекса во вспенивателе.

Ке = ^, (2)

Ц

где с4Р - приведенный диаметр проходного сечения; 1) - окружная скорость ротора; (Л. - динамический коэффициент вязкости латекса; р - плотность латекса.

2 п

Подставив (3) и (4) в (2), получим

4иРр

(4)

(5)

На рисунке 1 представлен поперечный разрез вспенивателя лабиринтного типа. При работе вспенивателя происходит как образование, так и разрушение пузырьков в результате их объединения, обусловленное разностью диаметров и внутреннего давления.

Принимая такой механизм уменьшения количества пузырьков, будем считать, что число их определяется зависимостью

сШ-

<к

2__

= ьыи

(6)

Рис. 1. Поперечный разрез вспенивателя лабиринтного типа

где Ь — коэффициент.

Тогда количество образованных пузырьков

сШ = dNx - с1М2 .

Из уравнений (1), (6), (7) определяем число пузырьков В свою очередь, число пузырьков в пене

4 г я

(7)

(8)

(9)

где Уь - объем воздуха в пене; г - средний радиус пузырьков в пене.

В уравнении (9) выразим Уь через кратность пены «К», которая определяется выражением

еткуда Уь*ул(к-1),

'л 'л

где У„ - объем латекса; Уп - объем пены. Тогда

N =

4г3к

(10)

Из уравнений (8) и (10) определяем радиус пузырьков

г = 3, ЗГл(ЛГ-1)

|4л2Кет(1-0,56 т) Расход латекса при вспенивании

т

Линейная скорость вращения ротора

60

где — средний наружный диаметр ротора; и - число оборотов ротора. Подставив значения Яе, и, в (11), получим

рс/српГ(1-0,5Ьт)р

Смоченный периметр проходного сечения вспенивателя П = [л(П1+02)+2((2-г)],

где - диаметр впадин; - диаметр впадин втулки; г - ширина зуба. В свою очередь,

А=^ср+ 2/;

Подставив (16) и (17) в (15), получим

П = 2(лй?ср+2/-Гг).

Проходное сечение вспенивателя

где/- площадь в сечении ротора, равная / = —\/з .

4

Заменив Бу и £>2 через их значения, получим

Подставив (18) и (20) в (14), получим

г = 1,045

Чр"Р(1-0,56т)|

Уравнение (21) характеризует радиус пузырька, который зависит от технологических и конструктивных параметров и реологических свойств латекса.

В третьей главе описана конструкция лабораторной установки со вспенивателем лабиринтного типа, схема которого представлена на рис. 2.

Дана методика и программа проведения эксперимента исследований. Рассмотрено течение двухфазной жидкости в проточной части вспенивателя.

Проведены экспериментальные исследования по определению рабочих характеристик вспенивателя, которые представлены на рис. 3.

Экспериментальные исследования образования пены при различных режимах проводились на модельной жидкости, которая по основным физическим параметрам аналогична латексу. Контрольные испытания проводились на латексе марки БС-50.

Кривая распределения диаметра пузырьков при различной кратности пены представлена на рис. 4. При этом с увеличением кратности пены возрастает смещение кривой в сторону повышенных размеров пузырьков.

Рис. 2. Схема установки вспенивателя:

1 - вспениватель; 2 - штуцер подачи латекса; 3 - патрубок подсоса воздуха; 4 - клиноременная передача; 5 - электородвигатель амперметр; б - вольтметр; 7 - амперметр

Ю „.„"'л/с

Рис. 3. Зависимость характеристик вспенивателя от производительности:

Н - величина напора; ЛУ. - расходуемая мощность; Нвс - вакуумическая высота всасывания

мм

Рис. 4. Кривые распределения диаметров пузырьков в пене модельной жидкости при <2 = 2-Ю"6 м'/с, п = 3260 об/мин:

1 — кратность К = 2;

2 — кратность К = 4

Как показали эксперименты, на размер пузырьков оказывают существенное влияние режимы работы вспенивателя. Из рисунка 5 видно, что с увеличением кратности пены размер пузырьков увеличивается при уменьшении числа оборотов ротора, также возрастает диаметр пузырьков при увеличении расхода латекса.

4р.

мм 02+

0.15

мм 0.4

0.30.20.1-

2 3 4 К 1 2 3 4|).|о м /с

а) 6)

Рис. 5. Зависимость среднего диаметра пузырьков от:

а - кратности пены в модельной жидкости при = 2-КГ6 м3/с; б — от производительности вспенивателя при К = 4;

I -п- 2312 об/мин; 2 - л = 3260 об/мин

Результаты проведенных исследований представлены в виде графика на рис. 6. Как видно, значение среднего диаметра пузырьков практически не отличаются от величин пузырьков при вспенивании модельной жидкости. Однако для латекса характерна более монодисперсная пена. При этом величина среднего диаметра пузырьков удовлетворительно описывается уравнением (21), где поправочный коэффициент Ь = 0,43, определенный на основе экспериментальных данных.

Проведенные экспериментальные исследования по пенообразующей способности лабиринтного вспенивателя подтверждают возможность его использования как для получения пены, так и для её транспортирования к последующей технологической операции. При этом отпадает необходимость применения латексного насоса, что уменьшает расходы на производство пенорезины.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований работы вспенивателя предложен порядок расчета, для которого требуется иметь данные, исходя из потребности конкретного производства, а именно: расход латексной смеси -2Л, м3/с; кратность пены - «К»; число оборотов ротора - п, об/мин; Н - напор, мм. вод. ст.

0.3 4р,мм

Рис. 6. Кривые распределения диаметров пузырьков в пене латекса марки БС-50 при = 2-Ю"6 м3/с, п = 3260 об/мин:

1 - кратность К = 2; 2 - кратность К = 4

На основании работ по исследованию лабиринтных насосов выбираем треугольный профиль резьбовой нарезки с углом а = 60°, который создает максимальный напор при равенстве других параметров, т.е. обеспечивает максимальное вихреобразование в проточной части вспенивателя.

Определяем величину проходного сечения вспенивателя по формуле (22), задаваясь диаметром винта с!:

F =

* пр

Q

v

tl.— cos а т 2

V =

ndn

~6(Г

(22)

где Т)т = 0,4.. .0,5 - коэффициент увеличения.

Шаг между зубьями в поперечном сечении ротора / = -

Tld

Принимаем число заходов 2 и определяем высоту нарезки из соотношения

X

Рабочая длина ротора и статора определяется по формуле

kudgH

k,z

/ \2 v Q .

---—+ tga

2 F ч "Р >

(23)

Проверяем значение проходного сечения вспенивателя по формуле

рщ> =

D -d* \-2zf

(24)

где Dud- соответственно диаметры впадин статора и ротора; /— площадь сечения треугольника нарезки.

Четвертая глава посвящена вопросу формирования пенорезины в агрегате желатинирования-вулканизации. Процесс желатинирования можно описать уравнениями связанного тепломассообмена:

Э и

dt d2t д t = a —r-H--7г

dz [дх2 ду у

д2и д^м) ди Хе дх2+д^jlb р/

д t гЪи дх сЭт

Э2t | d2t

Э/ + э/

ее dt

+—V—

г дх

(25)

(26)

Численное решение этого уравнения представлено графиком на рис. 7, по которому рассчитываем длину камеры желатинирования

1^.= tv = 120-0,02 = 2,4 м.

(27)

Рис. 7. Измепеннн влагосодержания и температуры пены при ее желатинировании в зависимости от времени при скорости движения пенорезины V = 0,02 м/с: 1,2,3 - изменения влагосодержания в пене соответственно в верхнем

слое, в середине толщины и на подложке; 6,5,4 — изменение температуры в аналогичных точках

100 80

1 и, '

кг/кг

■ 0.8- __6 __5 - 4

0.6-

- 0.4-

- 0.2

0.05 -П -~~2 - 3

20 40 60 80 100 120

После желатинирования идет процесс вулканизации пенорезины. Для решения задачи теплопроводности при вулканизации пенорезины используем задачу нестационарной теплопроводности, описываемой уравнениями (28) с краевыми и граничными условиями (29) - (33):

эt{x,y,i) (д2 t{x,y,%) д2 t(x,y,%)

Эх

■ =а

, 0<х</, 0<y<h, т>0;

дх2 ду2

t{x,y,Q)=f{x,y)\

дх ах

ХЭ£кМ_Оз(Г(х>0,хКз)=0;

ду ду

Решением этой задачи является уравнение (34), которое имеет вид

«(wK^i ± ÄS.

N rri NM

n — l /7—1 TH—\

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

Для решения данной задачи составлена программа расчета на ЭВМ. В качестве примера приводится расчет температуры в пенорезине при данных: начальная температура заготовки 100 °С; температура горячего воздуха 160 °С; ширина заготовки 0,6 м; толщина заготовки 0,04 м; теплоемкость резины 1,25-103 Дж/(кг-град); плотность резины 60 кг/м3; теплопроводность резины 0,038 Вт/(м-град).

По графику, представленному на рис. 8, рассчитана длина камеры вулканизации при /в = 148 °С; тв = 640 с.

з ■ з ' г г г

О 300 600 900 1,2*101,5*101,8*102,1*102,4*10 2,7*10 т> с Рис. 8. Зависимость времени вулканизации от температуры Длина участка вулканизации

4 =tbv = 640-0,02 = 12,8 м. Общая длина агрегата желатинирования-вулканизации L0 = ¿ж +Z,B =2,4 + 12,8 = 15,2 м .

(35)

(36)

В пятой главе рассмотрено устройство для отмывки пенорезины после агрегата желатинирования-вулканизации.

Мойка изделия необходима для придания ему высоких санитарно-гигиенических свойств. В настоящее время мойка и отжим производится в установках валкового типа.

Недостатком существующих моечно-отжимных устройств является высокая остаточная влажность изделий, которая является основным критерием оценки

эффективности процесса обезвоживания. Этот процесс зависит как от конструктивных параметров, так и от режимов работы.

Качество промывки и целостность изделий обеспечивается определенными режимами, зависящими от условий движения изделия между валками и течением влаги через поры пенорезины.

Основным параметром, требующим определения, является усилие на валках, которое необходимо для расчета нажимных пружин.

Схема работы отжимных валов представлена на рис. 9.

Рис. 9. Схема работы отжимных валов

В работе проведены исследования по отжиму пенорезины от влаги между парой валков диаметром 800, 600,400 мм с различной твердостью покрытия.

Из анализа полученных данных видно, что увеличение диаметра валков с 400 до 600 мм повышает эффект отжима, дальнейшее увеличение диаметра не повышает, а наоборот, хоть и незначительно, но снижает качество отжима. Практически оптимальный диаметр валков лежит в пределах 600 мм.

После процесса отмывки в валковой машине в пенорезине остается достаточно много влаги. Анализ рассмотренных работ по сушке пенорезины после отмывки показывает, что наиболее приемлемым способом сушки, как с точки зрения качества, так и расхода энергии, является метод сквозной продувки изделия горячим воздухом. Этот способ позволяет интенсифицировать процесс за счет большой поверхности внутренних пор и пустот. Показано, что в исследованном диапазоне изменения параметров сушки процесс протекает целиком в период падающей скорости сушки.

Расчетная формула для определения продолжительности сушки

Кроме конвективной сушки и сушки фильтрацией может быть использован метод с применением токов высокой и сверхвысокой частоты (ТВЧ и СВЧ). Применение ТВЧ и СВЧ - энергии обеспечивает равномерный нагрев изделия по всей толщине независимо от конфигурации изделия. При этом процесс сокращается до 90% при малом тепловом воздействии на изделие, благодаря чему улучшается качество - повышается износоустойчивость. Основным недостатком указанного метода является повышенный расход электроэнергии. Так, на удаление 1 кг влаги расходуется около 2 кВт/ч. Количество тепла, образующего при воздействии переменного электромагнитного поля на диэлектрические материалы, можно определить из выражения

где к = 0,133-Ю'12 - для ТВЧ; к = 0,556-10"12 - для СВЧ.

К недостаткам применения ТВЧ и СВЧ следует отнести повышенную опасность для обслуживающего персонала, а также возможность возгорания пенорезины при малой влажности.

Анализ рассмотренных методов сушки с точки зрения экономической эффективности показывает более целесообразное применение метода сквозной фильтрации. Этот метод будет работать более эффективно, когда камера сушки работает под разрежением, создаваемым всасывающим трубопроводом вентилятора.

Экспериментальные исследования по сушке пенорезины после отмывки, проведенные И.Ф. Пикусом, показали, что наиболее эффективным методом является применение вентилятора, который сокращает время сушки на 5%, а в случае применения воздуходувки может достигать 50%. Однако применение воздуходувки

(37)

<2 = кЕ/г^5 [Вт/см2],

(38)

резко повышает затраты энергии на сушку. Поэтому более целесообразно применение вентиляторов высокого давления с сушкой во всасывающем трубопроводе.

В шестой главе на основе технологической схемы изготовления пенорезины с использованием лабиринтного вспенивателя предложено математическое описание процесса, которое устанавливает связь выходных параметров величин с входными, определяющими режим ведения процесса.

Экономическую целесообразность применения вспенивателя лабиринтного типа, который может заменить латексный насос, можно оценить путем сравнения затрат мощности при работе с существующей линией и в случае замены насоса на вспениватель.

Для сравнительного расчета принимаем производительность по латексу в обоих случаях одинаковый и равный Q = 200 кг/ч. Принимаем мощность латексно-го насоса Ni =2,1 кВт. Мощность N2 вспенивателя с учетом его КПД и коэффициента запаса будет равна

*а=АГ^Л^ = <МЗкВт, (39)

г) 0,35

где А" — коэффициент запаса; Т| — КПД вспенивателя.

Затраты мощности на единицу продукции существующего оборудования

2,1

S, = -2- = 0,0105 кВт • ч/кг. (40)

1 200

Затраты при работе вспенивателя лабиринтного типа

S2 = = 0,00215 кВт ■ ч/кг. (41)

2 200

Экономическая эффективность

5, = 00105_ = 2 S2 0,00215

Применение лабиринтного вспенивателя сокращает в 4,88 раза затраты электроэнергии на единицу выпускаемой продукции.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Предложена новая конструкция вспенивателя латексной смеси в производстве пенорезины, которая позволяет не только получать пены, но и их транспортирование к последующей технологической операции.

2. Проведенные экспериментальные исследования вспенивателя лабиринтного типа подтверждают возможность его применения как для вспенивания латекса, так и его транспортирования.

3. Предложена методика получения пены во вспеиивателе лабиринтного типа, которая подтверждена результатами проведенных экспериментов.

4. На основе экспериментальных данных разработана зависимость полученных размеров воздушных пузырьков пены от технологических параметров ведения процесса вспенивания,

5. Показано, что с увеличением числа оборотов вращения ротора размер пузырьков уменьшается и увеличивается их монодисперсность.

6. Для всех режимов работы вспенивателя кривые распределения размеров пузырьков приближается к закону нормального распределения с математическим ожиданием, определяющим средний размер пузырьков.

7. Разработана методика расчета вспенивателя, которая может быть использована при проектировании нового оборудования для получения пенорезины.

8. Предложена методика инженерного расчета получения пенорезины с использованием вспенивателя лабиринтного типа.

9. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана конструкция лабиринтного вспенивателя для промышленного производства.

10. Разработана методика расчета оптимальной длины камеры желатинирования-вулканизации.

11. Предложены уравнения, описывающие работу валковой отжимной машины в процессе отмывки пенорезины от примесей, которая подтверждается экспериментальными данными.

12. Решена в аналитической форме задача теплопроводности латексной пены при сушке после ее отмывки.

13. Показана экономическая целесообразность применения вспенивателя лабиринтного типа в технологической схеме изготовления пенорезины.

14. Методики расчета оптимальных параметров вспенивателя, агрегата желатинирования-вулканизации (АЖВ), машины по отмывке пенорезины приняты ОАО «НИИРТМаш» (г. Тамбов) для промышленного проектирования линии по производству пенорезины, с разработанным вспенивателем лабиринтного типа. Расчетный экономический эффект от результатов работы составляет 245 тыс. р. в год.

15. Результаты проведенных исследований и созданная на их основе инженерная методика и программное обеспечение были использованы и внедрены в учебный процесс Тамбовского государственного технического университета и используются при подготовке инженеров по специальности 655400 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, в нефтехимии и биотехнологии» в рамках дисциплины «Оборудование для переработки полимерных материалов».

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

2 - число заходов винта; с/пр - приведенный диаметр проходного сечения; я) - окружная скорость ротора; р - динамический коэффициент вязкости латекса; р - плотность латекса; Т7 - проходное сечение вспенивателя; П - периметр проходного сечения; Я2 - радиус гидравлический; Ьж - длина камеры желатинирования; ¿в - длина камеры вулканизации; Ь0 - общая длина агрегата желатинирования-вулканизации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Кульбашный, A.C. Разработка конструкции вспенивателя латексной смеси и методика его расчета / A.C. Кульбашный, A.C. Клинков // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2010. - Т. 16, № 3. - С. 643 - 648.

2. Интенсификация сушки латексных гелей / Н.В. Амелина, A.C. Кульбашный, A.C. Клинков, В.Г. Однолько // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2010. - № 7 - 9(30). - С. 325 - 328.

3. Определение расхода коагулянта при гелеобразовании / Н.В. Амелина, A.C. Кульбашный, A.C. Клинков, П.С. Беляев // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2010. - № 7 - 9(30). - С. 322.

4. Режимы движения формы при изготовлении маканых изделий из латекса / Н.В. Амелина, A.C. Кульбашный, A.C. Клинков, В.Г. Однолько // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2010. -№ 10-12(31).-С. 355.

5. Экспериментальные исследования работы вспенивателя лабиринтного типа / Н.В. Амелина, A.C. Кульбашный, A.C. Клинков, В.Г. Однолько // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2011. — № 2(33). - С. 368.

Публикации в других изданиях:

6. Применение метода ПФЭ для анализа работы линии технических напа-лечников / Н.В. Амелина, A.C. Кульбашный, A.C. Клинков, Д.Л. Полушкин // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2010. -Вып. 23.-С. 167-169.

Подписано в печать 20.04.2012. Формат 60 х 84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 197

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14

61 12-5/3679

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет"

УДК 678.023 На правах рукописи

Кульбашный Антон Сергеевич

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛАТЕКСНОЙ ПЕНОРЕЗИНЫ

Специальность 05.17.08 — Процессы и аппараты химических технологий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор

Клинков Алексей Степанович

Тамбов - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..................................................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................................5

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР................................................................................................................10

1.1 Исходные материалы...............................................................................................10

1.2 Технологический процесс изготовления пенорезины................................11

1.3 Способы получения и свойства пенорезины....................................................15

1.3.1 Плотность и дисперсность пенорезины......................................17

1.3.2 Процессы разрушения пенорезины................................................21

1.3.3 Разрушение пленок пены........................................................................27

1.4 Методы исследования пенорезины..........................................................................29

2 УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛАТЕКСНОЙ ПЕНОРЕЗИНЫ.... 32

2.1 В спениватели используемые в производстве пенорезины..................32

2.2 Вспениватель лабиринтного типа..............................................................................36

2.3 Пенообразование в устройстве лабиринтного типа..................................39

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕНООБРАЗОВАНИЯ ВО ВСПЕНИВАТЕЛЕ ЛАБИРИНТНОГО ТИПА..................................................................................................................47

3.1 Разработка лабораторной установки лабиринтного типа....................47

3.2 Программа и методика проведения экспериментов

во вспенивателе лабиринтного типа......................................................................49

3.3 Течение жидкости во вспенивателе лабиринтного типа......................52

3.4 Рабочие характеристики вспенивателя..................................................................57

3.5 Проведение экспериментальных исследований..........................................62

3.6 Методика расчета вспенивателя лабиринтного типа..............................69

3.7 Основные результаты и выводы..................................................................................71

4 ФОРМИРОВАНИЕ ПЕНОРЕЗИНЫ В АГРЕГАТЕ

ЖЕЛАТИНИРОВАНИЯ И ВУЛКАНИЗАЦИИ............................................................72

4.1 Желатинирование пенорезины....................................................................................72

4.2 Вулканизация пенорезины................................................................................................79

5 ОТМЫВКА ПЕНОРЕЗИНЫ ОТ ПРИМЕСЕЙ................................................................90

5.1 Устройства для отмывки пенорезины....................................................................90

5.2 Процесс отжима пенорезины в валковой машине......................................91

5.3 Экспериментальные исследования работы валковой машины... 103

5.4 Сушка пенорезины после отмывки..........................................................................106

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ

6 ПЕНОРЕЗИНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВСПЕНИВАТЕЛЯ

ЛАБИРИНТНОГО ТИПА..................................................................................................................110

6.1 Математическое описание производства пенорезины............................110

6.2 Экономическое обоснование использования вспенивателя лабиринтного типа при производстве пенорезины................................115

6.3 Методика инженерного расчета получения пенорезины с использованием вспенивателя лабиринтного типа..................................116

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ....................................118

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................................................120

ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................................................................................................................125

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

АУ - объем пузырьков, Н/м ; Уп - объем пены, м3; Ул - объем латекса, м3; ул - удельная масса латекса, кг/м3; рл - плотность латекса, кг/м3;

- масса пены, кг; ц - вязкость жидкости, Па с;

г -радиус пузырька, м;

г - число заходов ротора;

о - окружная скорость ротора, м/с;

2

¥ - проходное сечение вспенивателя, м ; П - периметр проходного сечения, м; а - угол нарезки ротора и статора; () - расход жидкости, м3/с; 5 - шаг нарезки, м.

Индексы н - начальное; к - конечное; сум - суммарная; л - латекс; п - пена; в - воздух; пр - приведенный.

Аббревиатуры

ТГТУ - Тамбовский государственный технический университет; АЖВ -агрегата желатинирования-вулканизации; ПАВ - поверхностно активные вещества.

ВВЕДЕНИЕ

Улучшение экономического и социального положения страны может быть достигнуто, путем повышения темпов и эффективности развития экономики на базе ускорения научно-технического прогресса, технического перевооружения и реконструкции производства. В связи с этим особая роль отводится науке и технике в качественном преобразовании производительных сил, переводе экономики на рельсы всесторонней интенсификации. Требуется ускоренная разработка и внедрение в производство новых поколений высокоэффективной техники, выпуск прогрессивного тепло и массообменного оборудования на основе новых технологических процессов. Эти задачи касаются и производства пенорезины из латекса.

Учитывая относительную обособленность и узость латексного производства в народном хозяйстве, на данном этапе целесообразным является использование математического моделирования и оптимизации основных процессов латексной технологии, как для целей проектирования необходимого оборудования, так и для его оптимизации при эксплуатации. В настоящее время метод математического моделирования применяется во многих областях науки и техники, начиная от изучения простейших физико-химических процессов и кончая сложными производственными, экономическими и биологическими системами.

Успех распространения метода математического моделирования объясняется возможностью с его помощью исследовать практически любые системы, даже те, которые изучать другими способами невозможно или очень трудно. Многолетняя практика доказала, что математическое моделирование -одно из основных методологических достижений научно-технической революции.

В производстве пенорезины из латекса большинство научных разработок технологического и конструктивного характера решались традиционными методами на основе имеющегося практического опыта. Поэтому трудно

проводить глубокий анализ технических решений проектируемого оборудования из-за отсутствия математических моделей технологических процессов, лежащих в основе разрабатываемых проектов.

Исследованиями вопросов латексной технологии занималось достаточно большое число отечественных и зарубежных ученых. Большой вклад в исследование латексов, их смесей и технологии внесли В.В. Черная, П.Д. Трофимович, Б.А. Майзелис, Ю.В. Грубман, Е.А. Горелик, М.С. Силонова, Т.Н. Каменщикова, В.В. Верхоланцев, B.J1. Кузнецов, Р.Э. Нейман, A.B. Лебедев, Р.Дж. Нобль, В. Шютц, Е.Б. Бредфорд, И.В. Вандерхофф и многие другие. Проведенные исследования показывают, что свойства латексов и их смесей существенно влияют на характер протекания технологических процессов и определяют необходимые параметры этих процессов. Знание закономерностей протекания процессов латексной технологии позволяет разрабатывать оптимальные варианты аппаратурного оформления этих процессов при качественном получении необходимых изделий. Поэтому с целью разработки промышленного оборудования, его оптимальной эксплуатации в данной работе изложены результаты исследований гидро-тепло-массообменных закономерностей основных звеньев процесса изготовления пенорезины из латекса и предложена методология их использования для практического применения.

Актуальность проблемы. В настоящее время из-за увеличения количества потребителей в частности транспортной, мебельной промышленности, производства упаковки, основы для ковров и т.д., возрастает потребность в получении пенорезины. Возникает необходимость разработки, модернизации и внедрения в производство, технологии и оборудования линии по производству высококачественной пенорезины. До настоящего времени разработка аппаратурного оформления данного производства основывалась в основном на опыте работы предшествующего оборудования. При этом оно характеризуется завышенными массогабаритными и энергоемкими показателями. В связи с этим

актуальными являются комплексные исследования по оптимальному проектированию линии производства пенорезины.

Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2012 годы» Государственный контракт №14.740.11.0141 от 13.09.2010г.

Цель работы. Работа посвящена исследованию процесса изготовления латексной пенорезины и его аппаратурного оформления, включающего новую технологическую операцию - вспенивание латекса в устройстве лабиринтного типа. В данной работе решались следующие задачи:

- разработка конструкции вспенивателя, как устройства обеспечивающего одновременно получение пены и ее подачу на следующую технологическую операцию;

- проведение экспериментальных исследований по определению режимов работы вспенивателя в зависимости от кратности пены;

- разработка математического описания основных операций производства пенорезины: получение пены из латекса в лабиринтном вспенивателе, определение длины агрегата желатинирования-вулканизации на основе решения задачи нестационарной теплопроводности, гидродинамики потока моющей жидкости в валковой машине;

- разработка математического описания основных стадий процесса изготовления пенорезины, которая может служить для целей оптимизации работающего оборудования и для разработки нового;

- создание лабораторной установки для получения пены и ее транспортирования;

- проведение экспериментальных исследований по определению режимных параметров получения пены из латекса заданного качества.

Научная новизна. Разработана новая конструкция вспенивателя латексной смеси, позволяющая наиболее эффективно создавать пену и одновременно осуществлять ее транспортирование на следующую технологическую операцию. Предложена методика определения оптимальной длины камеры

агрегата желатинирования-вулканизации, на основе которой можно производить его расчет и конструирование для заданных условий производства.

Практическая ценность. Доказана эффективность получения пенорезины с использованием вспенивателя лабиринтного типа. Разработана инженерная методика для расчета режимных параметров и конструктивных параметров оборудования для производства пенорезины.

Методики расчета основных параметров вспенивателя, агрегата желатинирования-вулканизации (АЖВ), машины по отмывке пенорезины приняты ОАО «НИИРТМаш» (г. Тамбов) для промышленного проектирования линии по производству пенорезины, с разработанным вспенивателем лабиринтного типа. Расчетный экономический эффект от результатов работы составляет 245 тысяч рублей год.

Результаты работы внедрены в учебный процесс: Тамбовского государственного технического университета (ТГТУ) и используются при подготовке инженеров по специальности 655400 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, в нефтехимии и биотехнологии» в рамках дисциплины «Оборудование для переработки полимерных материалов»; в Военно-воздущной академии им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина, Военного авиационного инженерного университета (г. Воронеж) по дисциплине радиационная, химическая и биологическая защита.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы доложены на трех научных конференциях ТГТУ, двух региональных научно-технических конференциях и опубликованы в шести печатных работах.

A.C. Кульбашный, A.C. Клинков. Разработка конструкции вспенивателя латексной смеси и методика его расчета. Вестник ТГТУ 2010. Т. 16 №3, С.643-648.

Н.В. Амелина, A.C. Кульбашный, A.C. Клинков, В.Г. Однолько. Интенсификация сушки латексных гелей. // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского №7 - 9(30) 2010г. С. 325-328.

Н.В. Амелина, A.C. Кульбашный, A.C. Клинков, Д.Л. Полушкин. Применение метода ПФЭ для анализа работы линии технических напалечников. Труды ТГТУ: сборник научных статей / ТГТУ. - Тамбов. 2010 — Вып. 23 С. 167-169.

Н.В. Амелина, A.C. Кульбашный, A.C. Клинков, В.Г. Однолько. Режимы движения формы при изготовлении маканых изделий из латекса. // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского №10 -12(31) / 2010. С. 355.

Н.В. Амелина, A.C. Кульбашный, A.C. Клинков, IT.C. Беляев. Определение расхода коагулянта при гелеобразовании. // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского №7 - 9(30)/ 2010. С.322.

Н.В. Амелина, A.C. Кульбашный, A.C. Клинков, В.Г. Однолько. Экспериментальные исследования работы вспенивателя лабиринтного типа. // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского №2(33)/ 2011.С.368.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 65 наименований и 3 приложений. Содержит 120 страниц основного текста, 31 рисунка, 3 таблицы.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Основными необходимыми материалами для получения пенорезины являются латексы различного типа, но в основном используется латекс натуральный. Пенорезина представляет собой высокопористый материал с низкой плотностью (0,1 - 0,06 г/см3) и достаточной твердостью (модуль при сжатии 60 %, 1 - 4,5 Н/см2). Она широко используется для сидений автомобилей, в мебельной промышленности, в качестве подложки ковров и т.д. Низкая плотность в сочетании с приемлемыми физико-механическими свойствами (твердость, сопротивление многократным деформациям, старению) и гигиеническим свойствам (этому способствует открытая структура пор латексной пенорезины) позволяет ей успешно конкурировать с пенополиуританом.

Натуральные латексы представляют собой консервированный и концентрированный сок бразильской гевеи. Латекс — типичный пример коллоидного состояния высокополимеров, их водную дисперсию. Натуральный латекс имеет размеры частиц примерно 0,05 - 1,0 мкм. Латексная частица в основе своей состоит из плотной, несколько эластичной наружной оболочки, внутри которой находится жидкое, вязкое вещество. Сверху оболочка покрыта защитным слоем, состоящим из протеина, мыла и других защитных материалов. Содержание сухого вещества в латексе колеблется в пределах 30 % - 45 %, для центрифугированного латекса - 60 % и концентрированного до 75 %. Удельный вес латекса зависит от концентрации в нем каучука и лежит в пределах 9500 - 9800 Н/м3. Свежий латекс показывает значение в пределах рН = 5,8.

Центральное место в теории коллоидной химии латексов и практического их использования занимает вопрос коагуляции т.к. получение резинотехнических изделий из латекса связано в первую очередь с ней.

Основными видами или методами коагуляции является: нагревание, введение электролитов (желатинирующих агентов), механические воздействия, замораживание - оттаивание.

Принципиально, пенорезину получают следующим образом: латексную смесь подвергают вспениванию, вводят желатинирующий агент (наиболее часто используются кремнефтористый натрий) заливают в формы или наносят на ткань, астабилизируют дисперсную систему вода - каучук воздействием тепла или холода, вулканизируют пенорезину, промывают и высушивают. Вспенивание латекса производится механическим или химическим путем.

1.2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕНОРЕЗИНЫ

Как уже указывалось, пенорезину изготавливают вспениванием латексной смеси с последующей вулканизацией пены. Существуют различные способы ее получения. Однако для всех этих способов одинаковыми являются основные стадии процесса, такие как приготовление латексной смеси с необходимыми ингредиентами, образование пены и ее отверждением, вулканизация изделий [1]. Различие в способах определяется методами ведения основных стадий процесса. В основном, существуют три способа: способ Данлопа, способ Талалая, инжекционный процесс.

В основе способа Данлопа [2-5] лежит механическое вспенивание латексной смеси во вспенивателях периодического или непрерывного действия с отверждением пены за счет действия желатинирующих добавок. Схема изготовления пенорезины по способу Данлопа представлена на рис. 1.

Вспенивание латекса производится во вспенивателе производительностью до 20 л/мин при скорости вращения ротора 100 - 400 об/мин. Желатинирование происходит в формах, нагретых до 40 - 50 °С, с использованием желатинирующих агентов кремнефтористого натрия, цинкоаммического комплекса, нитропана и других веществ. Продолжительность желатинирования может регулироваться в пределах 5-30

мин. Вулканизация проводится горячим воздухом при температуре 120 - 140 °С в течение одного