1.4 Обоснование метода переработки
При проектировании предприятия по изготовлению гранул ПЭВД вторичной переработки, перед производством ставятся следующие основные задачи:
- производство должно иметь достаточную рентабельность, при минимальных затратах на проведения технологического процесса;
- технологическая линия производства должна иметь компоновку, занимающую минимальную площадь предприятия;
- предприятие должно соответствовать основным нормам и требования экологической безопасности окружающей среды;
- основное и дополнительное оборудование, которое применяется на данном предприятии должно быть экономически целесообразным, доступным в ремонте и эксплуатации;
- при проектировании предприятия, необходимо стремиться в наибольшей степени автоматизировать каждую стадию технологического процесса.
В данном курсовом проекте при разработке аппаратурно - технологической линии производства за основу была принята технологическая схема по утилизации и вторичной переработки твердых бытовых отходов полиэтиленовых материалов успешно применяемая на практики в Англии.
В качестве усовершенствования процесса было предложено вести процесс непрерывным методом, что в свою очередь повысит выход основной продукции. Также изменена монтажная компоновка узлов основного оборудования в одноэтажном цехе предприятия, что сравнительно заметно уменьшит производственную площадь предприятия и снизит затраты при строительстве производственного сооружения. Внедрена автоматизированная система управления технологическим процессом.
Основное оборудование, применяемое на данном производстве удобно в эксплуатации, легко ремонтируемо, экономически доступно.
1.5 Физико-механические основы технологического процесса
Технологический процесс экструзии складывается из последовательного перемещения материала вращающимся шнеком в его зонах: питания, пластикации, дозирования расплава, затем продвижения расплава в канал формующей головки.
Зона питания.
Полимер в виде гранул поступает через загрузочную воронку в канал червяка и увлекается им за счет разности сил трения между полимером и стенкой цилиндра и полимером и стенками винтового канала. При этом фактическое расстояние, на которое перемещается полимер за один оборот червяка, не равно шагу нагрузки, а за счет проскальзывания полимера относительно стенок оказывается во много раз меньше. По мере продвижения полимера по червяку в нем развивается высокое гидростатическое давление. Возникающие на контактных поверхностях силы трения при движении полимера создают работу трения. Выделяющееся при этом тепло идет на нагрев полимера. Некоторая часть тепла подводится также и за счет теплопроводности от стенок цилиндра, температура которых обычно превышает температуру поступающего в экструдер полимера.
Верхний предел, до которого нагревают стенку цилиндра в зоне питания экструдера, определяется значением коэффициента трения и его температурной зависимостью. При нормальном температурном режиме в начале образуется длинная пробка из полимера, которая проталкивается силами трения по винтовому каналу. Длина пробки должна быть достаточно велика для того, чтобы развивающаяся вследствие относительного движения продольная сила обеспечивала проталкивание полимера через зону плавления. По мере продвижения твердой пробки по каналу червяка давление в ней возрастает, пробка уплотняется; поверхность пробки, соприкасающаяся с внутренней стенкой, нагревается, а на ней образуется тонкий слой расплава. Постепенно толщина этого слоя увеличивается; когда она сравняется с размером радиального зазора между стенкой корпуса и гребнем, нарезки червяка, он начинает соскребать слой расплава со стенки, собирая его перед своей толкающей гранью. Это сечение червяка является фактически концом зоны питания и началом зоны плавления.
Зона плавления.
В пределах зоны плавления полимерная пробка расплавляется под действием тепла, подводимого от стенки корпуса, и тепла, выделяющегося в тонком слое расплава за счет вязкого трения.
Суммарный эффект поступательного движения полимерной пробки и вращения червяка проявляется в существовании относительного движения вязкой жидкости между стенкой корпуса и пробкой в направлении к толкающей стенке. Под действием этого движения в тонком слое расплава, образовавшемся на наружной поверхности пробки (поверхность раздела фаз), возникает течение, направленное к толкающей стенке канала. Этот расплав натыкается на толкающую стенку, поворачивает вдоль нее и собирается в поток, оттесняя материал пробки к передней стенке. В результате этого оттесняющего действия высота пробки остается примерно постоянной, а ширина по мере продвижения по червяку постепенно уменьшается.
Описанный механизм плавления обеспечивает плавление пробки при ее движении по каналу до тех пор, пока пробка сохраняет достаточную прочность. Как только ширина пробки достигает предельного значения, циркуляционное течение в потоке расплава, собирающемся перед толкающей стенкой, разрушает остатки пробки, дробя ее на мелкие куски. Сечение червяка, в котором начинается дробление пробки, можно считать концом зоны плавления и началом зоны дозирования.
Зона дозирования.
Течение расплава в зоне дозирования возникает под действием сил вязкого трения, развивающихся вследствие относительного движения червяка и стенок цилиндра, подобно течению жидкости в винтовых насосах, и движения расплава в зоне дозирования осуществляется по винтовой траектории. Принято представлять это течение как сумму двух независимых движений: поступательного течения вдоль оси винтового канала и циркуляционного течения, возникающего в виде кругового движения в плоскости, нормальной к оси винтового канала.
Объемный расход поступательного течения определяет производительность экструдера и, следовательно, лимитирует скорость движения пробки гранул в пределах зоны питания и плавления. Циркуляционное течение возникает вследствие существования составляющей скорости относительного движения в направлении, перпендикулярном оси винтового канала, увлекающей расплав в этом направление.
Двигаясь поперек канала, поток поступает толкающую стенку и поворачивает ее к дну канала, а затем в обратную сторону. Циркуляционное течение обеспечивает гомогенизацию расплава, выравнивает распределение температур и позволяет использовать экструдер для смешения.
В начале зоны дозирования температура расплава равна температуре плавления. Продвигаясь по винтовому каналу в зоне дозирования, полимер продолжает разогреваться, как за счет подвода тепла извне, так и за счет тепла, выделяющегося вследствие интенсивной деформации сдвига.
Одновременно идет процесс гомогенизации расплава. Происходит окончательное расплавление мелких включений и выравнивание температурного поля. Для нормальной работы экструдера необходимо, чтобы поступающий к рабочему инструменту расплав имел заданную однородную по сечению температуру. Поэтому, время пребывания расплава в зоне дозирования должно быть достаточно для его прогрева и гомогенизации.
Взаимосвязь отдельных этапов процесса экструзии показывает, что для анализа процесса в целом надо рассматривать совокупность всех его стадий, имея в виду соблюдения условий постоянства материального расхода полимера для любого сечения червяка.
При движении полиэтилена в зоне дозирования возможна деструкция полимера, из-за наличия у него третичного атома углерода, который снижает его стойкость к окислительной деструкции. Сам процесс окисления может ускоряться и активнее развиваться под действием многих факторов: теплового (термоокислительное старение), солнечного света, излучений (световое, радиационное старение), солей металлов переменной валентности (отравление полимеров примесями этих солей), механическими воздействиями (пластикация и утомление). Деструкция полиэтилена происходит при температуре от 270 0С.
Из всех видов старений основное значение имеет термоокислительное, рассмотрим его подробнее. При термическом воздействии на полиэтилен происходит резкое уменьшение его молекулярной массы, связанное с распадом молекулярных цепей. Наличие в полиэтилене разветвлений увеличивает скорость термического распада. Скорость распада уменьшается при увеличении времени нагревания полиэтилена. Это объясняется тем, что вначале распадаются связи и у мест разветвления макромолекул, и по мере уменьшения их молекулярной массы стабильность осколков молекул возрастает. После начального распада макромолекулы полиэтилена на два радикала реакция деструкции может идти по следующим направлениям:
или
1.6 Описание технологической схемы производства
Основные этапы технологического процесса изготовления гранул вторичного ПЭВД представлены схемой на рис. 1:
Рис. 1. Технологическая схема основных этапов при изготовлении вторичного ПЭВД.
Сбор, сортировка и предварительная очистка сырья
Основным источником сырья для изготовления гранул вторичного ПЭВД служат отходы, которые образуются на некоторых производствах, а также в результате выхода из строя изделий из ПЭВД. Как показал анализ, подавляющую часть отходов ПЭВД составляют вышедшие из употребления упаковочные материалы, находящиеся в бытовом мусоре (бутылки из-под напитков и парфюмерии, упаковка различных предметов бытового применения и пр.).
Сбором отходов ПЭВД занимаются в основном производственно-заготовительные предприятия вторичных ресурсов, а также коммунального хозяйства. Сбор отходов потребления ПЭВД производится через приемные пункты вторичного сырья, а также и путем раздельного сбора в местах образования.
В данном курсовом проекте предусмотрено, что сырье, состоящее из отходов ПЭВД поставляется на перерабатывающее предприятие грузовым транспортом. Разгрузка сырья осуществляется специальной площадке временной дислокации, оборудованной навесом и подъездными путями.
С площадки временной дислокации, сырье, состоящее из отходов ПЭВД, при помощи погрузчика, поставляется в первое помещение цеха сортировки отходов ПЭВД, где группой рабочего персонала в ручную осуществляется разделение отходов на основное сырье производства ПЭВД и примесей крупных включений, которые в свою очередь, складируются на площадке дислокации отходов, подлежащих утилизации путем сжигания.
Отсортированное сырье для изготовления гранул ПЭВД, при помощи ленточного конвейера транспортируется во второе помещение производственного цеха, где осуществляется грубый помол и предварительная очистка сырья в воздушном классификаторе, необходимая перед его последующим измельчением.
Измельчение сырья
Для пластичных материалов используют методы срезывания и истирания, хрупкий вторичный полиэтилен предварительно дробят срезом либо ударом, раздавливают. Для выполнения этих техпроцессов используют ножевые дробилки (дайсеры), молотковые и роторные типы измельчителей, струйные мельницы.
В данном курсовом проекте для измельчения сырья, необходимого для изготовления гранул ПЭВД, предусмотрено применение ножевой дробилки, принципиальное устройство которой представлено на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальное устройство ножевой дробилки.
1 - корпус; 2 - приводной вал; 3 - крышка; 4 - щека; 5 - решетка; 6 - крепежный винт; 7 - нож неподвижный; 8 - крепежный винт; 9 - бункер; 10 - нож подвижный; 11 - ротор крепежный винт; 12 - щека.
В ножевой дробилке материал измельчается в зазоре между ножами на быстро вращающемся роторе и ножами, жестко закрепленными на корпусе. Под ротором расположено сито, размеры отверстия которого определяют крупность гранул.
Ножевые дробилки выполняют с горизонтальным или (для экономии производственных площадей) вертикальным расположением роторов. Дробилки отличаются видом и количеством ножей, мощностью привода, скоростью вращения ротора, размерами дробильной камеры, габаритными размерами загрузочного устройства.
Конструкции ротора и подвижных ножей в наибольшей степени влияют на качество измельчения, производительность дробилки и потребляемую мощность. Как правило, ротор соединяется с приводным электродвигателем либо непосредственно, либо через клиноременную передачу.
Конструкция ротора ножевых дробилок связана со свойствами измельчаемого материала, размерами и формой отходов.
Процесс разрезания материала состоит из двух фаз: деформации и разделения. Жесткие хрупкие профили требуют при этом относительно высокого усилия резания. Однако они деформируются незначительно, а происходит хрупкое разрушение со скоростью разрастания трещин (которая выше, чем собственно скорость резания). Более пластичные профили деформируется сильно, но требует более низких усилий резания.
Промывка и сепарация сырья
При промывке вторичного ПЭВД в агрегат предварительной промывки могут добавляться специальные реагенты и химикаты для удаления с сырья сложных загрязнений (нефтепродукты, жир, масло). Могут выполнятся операции мини-флотации и металлосепарации. Перед отправкой в сушильную камеру, для отделения лишней влаги и оставшихся твердых фракций, сырье направляется в центрифугу. Чтобы не было образования разного рода дефектов (вздутий, раковин, пор) на этой стадии обработки, процесс сушки полимера выполнятся при высокой влажности.
Гранулирование
На данном этапе производства используют специальные грануляторы, в которых расплавленный термопластичный полимер поступает через экструдер.
Экструзия - технологический процесс, который применяют для непрерывного производства изделий высокого качества, точных размеров, с требуемой производительностью и полимерных материалов. Для создания высокоэффективного производства необходимо использовать высокоскоростные машины, имеющие более точное и автоматизированное регулирование параметров экструзионных технологических процессов, внедрять полную механизацию и автоматизацию основных и вспомогательных операций, объединенных общей программой и системой дистанционного управления компьютерами.