CC BY
13
Инженерно-технические науки Engineering-technical sciences
УДК 66.040
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА РОТОРНОГО
ДИСПЕРГАТОРА
О.В. Евсеев, А.Г. Липин, Ю.М. Шкурин
Ивановский государственный химико-технологический университет
Представлены экспериментальные данные о влиянии температурного режима на дисперсность порошка полиэтилена. Предложена математическая модель теплообмена в зоне измельчения роторного диспергатора.
Ключевые слова: рециклинг полимеров, полимерные порошки, роторный дис-пергатор, математическая модель теплообмена.
Полимерные порошки с каждым годом все шире применяются в самых разных отраслях: в производстве пластмасс, резин, строительстве, дорожном строительстве, антикоррозийной защите металлов, в качестве наполнителей и связующих при получении композиционных материалов, а так же как сорбенты нефти и нефтепродуктов.
Получение порошков из полимерных отходов является одним из путей решения проблемы рециклинга полимеров. Переработка отходов полимерных материалов с целью получения полимерных порошков имеет важное значение не только с позиции охраны окружающей среды, но и с точки зрения сокращения расхода первичных полимеров, поскольку в условиях дефицита сырья полимерные отходы являются мощным сырьевым ресурсом. Однако широкому применению вторичных полимерных материалов препятствует недостаток соответствую-
щих производственных мощностей.
Создание непрерывно-действующих технологических линий по переработке полимерных отходов в порошки возможно на базе роторных диспергаторов. Однако протекающие в них процессы требуют экспериментального и теоретического изучения с целью создания надежной методики расчета оборудования.
На рис. 1 изображена схема лабораторного диспергатора. Отходы полиэтилена (ПЭ) предварительно растворялись и при необходимости очищались от твердых включений путем фильтрования.
Раствор полиэтилена в толуоле поступает через штуцер в смесительную камеру (а) роторного диспергатора, где температура раствора поддерживается с помощью теплоносителя циркулирующего через рубашку зоны (а) аппарата. Из смесительной камеры раствор под давлением поступает в концентрический зазор измельчительной камеры (б), где он ох-
лаждается до определенной температуры с помощью хладагента. В результате охлаждения раствора и возникающих при движении по кольцевому каналу сдвиговых деформаций происходит образование тонкодисперсного порошка. Удаление
растворителя осуществляется путем испарения под вакуумом с последующей конденсацией паров. Получаемые по данной технологии порошки имеют размер частиц менее 400 мкм.
Рис. 1. Схема лабораторной установки
Проведенные эксперименты показали, что дисперсность образующегося порошка полимера существенно зависит от температурного режима в зоне из-
мельчения. На рис. 2 приведена зависимость среднего размера частиц от температуры теплоносителя, поступающего в рубашку зоны измельчения.
Рис. 2. Зависимость среднего размера полимерных частиц от температуры
Эти данные получены при переработке раствора полиэтилена в толуоле с массовой концентрацией 40%. Снижение температуры теплоносителя в рубашке охлаждения с 55 до 46 °С приводит к уменьшению среднего размера полимерных частиц в 1,5 раза.
Дисперсный состав полимерного порошка определялся методом ситового анализа и представлен на рис. 3.
Уменьшение среднего размера частиц происходит за счет существенного
снижения доли фракций 160-400 мкм и увеличения содержания фракций менее 100 мкм. При этом доля фракции 100-160 мкм изменяется незначительно. Наблюдается её увеличение на ~ 4%.
Уменьшение среднего размера частиц происходит за счет существенного снижения доли фракций 160-400 мкм и увеличения содержания фракций менее 100 мкм. При этом доля фракции 100-160 мкм изменяется незначительно. Наблюдается её увеличение на ~ 4%.
а) б)
Рис. 3. Дисперсный состав полимерного порошка: а) t=46 °^ б) t=55 °C
Понижение температуры в зоне измельчения позволяет получить более тонкодисперсный порошок. С другой стороны чрезмерное снижение температуры может привести к полной остановке процесса. Для устойчивого протекания процесса получения полимерного порошка необходимо поддержание температуры в зоне охлаждения в определенном диапазоне значений. Таким образом, возникает задача моделирования теплооб-
менных процессов в рассматриваемом аппарате.
Рассмотрим достаточно простую модель теплопереноса в зоне измельчения. Принимаем допущение об одномерности температурных полей ротора и полимера. Рассматриваем установившейся режим. При моделировании теплопере-носа в теле ротора воспользуемся уравнением для стержня с боковым теплообменом:
Изменение температуры полимера вдоль кольцевого зазора характеризуется
dt
X р • Sp • d dz — а • (tp — t) — 0.
уравнением теплового баланса
(1)
c • G • — а • Пр ■ (tp — t) + а • Пк ■ (tcт — t) + qд .
(2)
В этих уравнениях: ^ ^, ^т - температуры полимера, ротора и стенки корпуса; а- коэффициент теплоотдачи; с - теплоемкость полимера; G - расход полимера; ХР - теплопро-
ТС
водность материала ротора; а - коэффициент теплоотдачи; 8Р — ~^^р , ПР — лОР - площадь поперечного сечения и периметр ротора; ПК — пОК - периметр сечения корпуса; qд -внутренний источник теплоты за счет диссипации механической энергии.
qд — п• у*а • ~4(К — Б3Р),
(3)
уа - средняя скорость сдвига.
где п - эффективная вязкость раствора полимера,
7а = п(DK - 2Н) ■ П1Н . (4)
Здесь п - частота вращения ротора, h=0,5(DК-DР) - толщина зазора.
При формулировании граничных нице температуры раствора полимера и
условий будем считать, что на левой гра- ротора равны
Ч0) —tР(0) — tH . (5)
На правой границе имеет место пе- С помощью тепловой проводимости а
ренос теплоты к среде с температурой Ю. задаем тепловой поток:
с ■ (tР (L) - tj = -^p • Sp • dtР (L)/dz
Совместное решение уравнений (1) и (2) осуществлялось методом последовательных приближений. При этом в начале полагалось tР(z)=tН и решалось уравнение (2) методом Рунге-Кутта. Затем проводилось решение уравнения (1) конеч-
(6)
но-разностным методом. Далее цикл повторялся до совпадения значений температур в узлах расчетной сетки в двух последовательных приближениях с заданной погрешностью вычислений.
длина ротора, м
Рис. 4. Изменение температуры ротора (1), полимера (2) и стенки корпуса (3)
Реализация решения системы уравнений математического описания осуществлена средствами пакета Mathcad. Выполнен численный эксперимент. В качестве исходных данных приняты параметры лабораторного аппарата, на примере переработки раствора полиэтилена. Рис. 4 иллюстрирует характер изменения тем-
пературы в зоне охлаждения.
Разработанная математическая модель и средства ее компьютерной поддержки позволяют на стадии проектирования прогнозировать температуру охлаждающей жидкости и длину зоны охлаждения роторного диспергатора.
PREDICTION OF A ROTARY DISPERSER TEMPERATURE MODE
O. Yevseyev, A. Lipin, Y. Shkurin
Experimental data about influence of a temperature mode on dispersion of polyethylene powder are presented. The mathematical model of heat exchange in the rotary disperser grinding zone is offered.
Keywords: polymers recycling, polymer powders, rotary disperser, heat exchange mathematical model.
