CC BY
14
УДК 621.317.33
РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ КИНЕТИКИ СУШКИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИЙ
ИЗ КАПРОЛАКТАМА
© 2014 г. О.И. Господинко, И.В. Осадчий, А.С. Сухов
Господинко Ольга Ивановна - ведущий инженер, Федеральное государственное унитарное предприятие особое конструкторско-технологическое бюро «Орион». E-mail: gospodinko57@mail.ru
Осадчий Игорь Васильевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Тепловые электрические станции», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.
Сухов Анатолий Сергеевич - начальник лаборатории, Федеральное государственное унитарное предприятие особое конструкторско-технологическое бюро «Орион».
Gospodinko Olga Ivanovna - chief engineer, Federal State Unitary Enterprise Special Design-Technological Bureau «Orion». E-mail: gospodinko57@mail.ru
Osadchiy Igor Vasilevich - Candidate of Technical Sciences, department «Thermal Power Plants», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).
Suhov Anatoly Sergeyevich - head of the laboratory, Federal State Unitary Enterprise Special Design-Technological Bureau «Orion».
Разработано устройство для автоматического контроля сушки сыпучих материалов в производствах, где требуется высокая степень высушенности (до 0,05 - 0,1 %) при ограниченных возможностях интенсификации процесса сушки. Принцип действия устройства основан на зависимости влажности воздуха от влажности материала в замкнутом пространстве, описываемом изотермой десорбции материала. Применение так называемого «объемного» метода исследования сорбционных характеристик материалов позволило создать средство контроля сушки на основе высокоточных стандартных гигрометров, выпускаемых отечественной промышленностью.
Ключевые слова: капролактам; измеритель влажности; сушильная камера; кинетика сушки; пробоотборник; десорбция; тепломассобмен.
The device is developed for automatic control of drying of bulks in productions where high degree of dryness (to 0,05 - 0,1 %) is required at limited opportunities of an intensification ofprocess of drying. The principle of operation of device is based on the dependence of humidity of air on humidity of a material in the closed space, described by an isotherm of a desorption of a material. Application of a so-called "volume " method of research of sorption characteristics of materials allowed to create a drying control device on the basis of the high-precision standard hygrometers released by the domestic industry.
Keywords: caprolactam; humidity measuring instrument; drying camera; drying kinetics; sample thief; desorption; heatmass exchange.
В машиностроении важнейшей задачей является создание машин с малой себестоимостью, металлоёмкостью и с высокими качественными характеристиками.
В настоящее время подавляющее большинство червячных передач изготавливается с колесами, имеющими бронзовый венец. Замена дорогостоящей бронзы на дешевую пластмассу является актуальной проблемой.
Анализ исследований по усталости пластмасс показал, что целесообразнее для этих целей применение капролона. Технические изделия из капролона обладают высокой износостойкостью и легко перерабатываются. Однако он имеет и существенный недостаток - высокое влагопог-
лощение до 8 - 12 %. Поэтому чаще используются его модификации, полученные в процессе синтеза путем добавления различных функциональных добавок.
Поэтому в производстве изделий из полимеров (полиэтилена, полиамида, капролактама и др.), в технологии изготовления электрических аккумуляторов и других технологиях, где используются сыпучие материалы (порошки и гранулы), одной из непременных подготовительных операций является сушка.
Так, например, при изготовлении отливок из капролактама он должен быть предварительно высушен до влажности 0,05 - 0,1 %. При большей влажности в отливке образуются раковины,
и изделие выбраковывается. В технологии изготовления аккумуляторов требования к исходной влажности порошков еще жестче.
В настоящее время сушка гранулированного капролактама производится в термокамере в течение не менее трех часов, при периодическом перемешивании. Процесс считается завершенным, когда материал при перемешивании начинает «пылить». Очевидно, что такая оценка является субъективной и может привести либо к перерасходу времени и затрат на нагрев термостата, либо к браку. Проблема сушки усугубляется с повышением влажности воздуха в цехе, когда время увеличивают до 5 - 10 ч, а материал еще не «пылит».
Из изложенного следует, что в технологиях, использующих сыпучие материалы, подвергающиеся дальнейшей переработке с жесткими требованиями к влажности материала, необходим инструментальный контроль процесса сушки. Отсутствие до настоящего времени высокоточных оперативных средств контроля сушки порошкообразных веществ объясняется сложностью создания измерителя влажности порошков в потоке из-за вариации их насыпной плотности, гранулированного состава, связи молекул воды с веществом и других факторов, снижающих точность измерения до неприемлемой.
Решение проблемы контроля сушки порошкообразных материалов можно найти, используя достижения электронной промышленности в области гигрометрии. Так, например, разрешающая способность микропроцессорного измерителя влажности и температуры ИВТМ-7 в диапазоне относительной влажности Жотн = 0 -10 % составляет 0,1 %. Этот прибор позволяет накапливать информацию в памяти, протоколировать и просматривать ее, что должно способствовать повышению технологической дисциплины на участке сушки.
Целью данной работы была разработка устройства, предназначенного для автоматического контроля сушки сыпучих материалов в различных производствах, где требуется высокая степень высушенности (до 0,05 - 0,1 %) при ограниченных возможностях интенсификации процесса сушки. Материалом для испытания устройства был выбран капролактам. Испытания проводились в камере сушки капролактама на производственном участке ФГУП ОКТБ «Орион».
Принцип действия устройства основан на зависимости влажности воздуха от влажности
материала в замкнутом пространстве, описываемой изотермой десорбции материала. Применение так называемого «объемного» метода исследования сорбционных характеристик материалов позволило создать средство контроля сушки на основе высокоточных стандартных гигрометров, выпускаемых отечественной промышленностью.
Конструкция индикатора сушки состоит из первичного преобразователя с узлом пробопод-готовки, погружаемого в сушащийся материал и блока индикации, располагаемого вне термокамеры на расстоянии до 10 м и более. В качестве блока индикации используется измеритель влажности и температуры воздуха типа ИВТМ-7МК.
Предлагаемый способ применения гигрометра для контроля сушки порошка состоит в следующем. Если в процессе сушки материала в термокамере часть материала (пробу) ограничить замкнутым объемом, то через некоторое время в этом объеме установится сорбционное равновесие между материалом и воздухом. Объем замкнутого пространства надо подобрать таким, чтобы в диапазоне исходных влажностей материала (1 - 3 %) в воздушном пространстве замкнутого объема не возникало состояние насыщения. Тогда влажность воздуха в объеме будет пропорциональна влажности заключенного в объеме материала. Основанием для использования сорб-ционного равновесия в замкнутом пространстве для цели контроля влажности материала послужил известный в теории и практике тепломассообмена так называемый объемный метод исследования сорбции материалов [1 - 3]. Сущность метода заключается в периодическом наполнении газом-адсорбатом камеры с образцом материала и последующей регистрацией кинетической кривой поглощения газа образцом (по давлению газа) до достижения равновесия. Количество поглощенного газа представляет собой разность между числом молей газа, введенных в камеру, и числом непоглощенного остатка.
Как видно из описания известного метода исследования сорбции материалов и веществ, предлагаемый способ контроля сушки в принципе аналогичен известному способу с той лишь разницей, что предметом исследования является обратный процесс - десорбция. Обязательным условием реализации предлагаемого способа контроля сушки является периодическая смена пробы, что естественно, и произойдет при очередном перемешивании сушащегося материала.
Для реализации предлагаемого способа контроля кинетики сушки был использован упомянутый ранее измеритель влажности и температуры типа ИВТМ-7, выпускаемый ОАО «Практик-НЦ» (Москва, Зеленоград) [4], дополненный камерой пробоподготовки (рис. 1).
Рис. 1. Первичный преобразователь ИПВТ-03-03-01 измерителя ИВТМ7-МК, дополненный камерой пробоподготов-ки: 1 - датчик температуры; 2 - первичный преобразователь; 3 - датчик влажности; 4 - разделительная сетка;
5 - отсек для пробы
На рис. 2 показано расположение датчика в термокамере. По технологическому регламенту в ящик 3 насыпается капролактам слоем не более 400 мм; материал перемешивается через каждые 0,5 ч.
2
-I |-Г
55оС : ' .
II .
и
с
Д 1 arf ; р •ъ ' о * »
Ф
6,75 г/м3
ое -
V
ос ш
и
Такое ведение техпроцесса сушки удачно сочетается с необходимостью смены пробы в соответствии с алгоритмом внедряемого способа контроля кинетики сушки. На время перемешивания первичный преобразователь перемещается из положения I в положение II для фиксации влажности воздуха в термокамере.
На рис. 3 представлены кинетические кривые 2 - десорбции влаги из материала, заключенного в пробоотборнике 5 (рис. 1). Огибающая кривая 1 в процессе сушки асимптотически приближается к кривой 3 - влажности воздуха в термокамере, становясь вырождающейся функцией времени. Поэтому задача определения момента окончания сушки сводится к установлению конечной разности между влажностью воздуха в пробоотборнике и влажностью воздуха в термокамере АИкон Величина АИкон должна обеспечить попадание конечной влажности ка-пролактама в диапазон 0,05 - 0,1 %, регламентированный ОСТ 5.9686-77 (технология получения отливок из капролактама).
И, г/м3
10
№
'thu
AWB = Wв-Wв = (10 -1 2) г/м3
кон пр терм V^^ ^¿.juiyi
J_I_
-I-!--1_L
1
2
3
4
5 t, ч
тгтт777777777777ТЛШ
Рис. 2. Камера сушки капролактама, дополненная устройством контроля кинетики сушки: 1 - камера сушки; 2 - устройство для перемешивания и удаления влажного воздуха из камеры; 3 - ящик с капролактамом; 4 - термометр; 5 -первичный преобразователь ИПВТ-03-03-01; 6 - блок измерения, управления и индикации влажности; 7 - регулятор температуры в термокамере
Рис. 3. Кинетические кривые сушки: 1 - огибающая кривая; 2 - влажность воздуха в пробоотборнике Ипр; 3 - влажность воздуха в термокамере; АИкон = Ипр - Итерм
Исходя из предположения, что АИкон является функцией влажности воздуха в термокамере, были поставлены опыты по обнаружению статистической связи между этими величинами путем определения конечной влажности материала весовым методом. В связи с тем что возможности весового метода определения влажности материала в диапазоне менее 0,1 % весьма ограничены, вес проб был взят предельно большой для аналитических весов (~ 200 г) и проба считалась высушенной, если ее влажность была меньше 0,1 %. Зависимость АИкон = ЛИтерм) представлена на рис. 4.
2
5
6
0
4
I
5
7
3
WK0H, г/м3 2,0
1,5
1,0
0,5
У л
-Ряд
4,90 5,70 6,65 7,30 7,85 8,50 9,50
^Терм, г/м3
Рис. 4. Зависимость Д Wк0н от влажности воздуха в термокамере
Так как эта зависимость не имеет явно выраженного характера, то на первом этапе внедрения для надежного ведения техпроцесса следует считать процесс сушки законченным, когда ДЖкон станет равной 1,0 г/м во всем диапазоне ^терм = (4 - 8) г/м3. В дальнейшем величину ДЖкон можно постепенно увеличивать (соответственно, время сушки сократится) по мере накопления опытных данных. Уточнить величину ДЖкон можно с помощью образцов-свидетелей, изготовленных из материала, состоящего из крупных гранул (просеянного ситом с диаметром ячеек 5 мм). Материал для образцов-свидетелей следует отбирать последовательно, в моменты,
когда ДЖкон станет равным 2,0; 1,5; 1,0 г/м3. Величину ДЖкон, выбранную как гарантирующую высушенность материала до величины 0,05 - 0,1 %, следует завести в микропроцессорную систему измерителя ИВТМ-7 как пороговую, и тогда момент окончания сушки будет фиксироваться световым и звуковым сигналом.
Выводы
Использование предлагаемого автоматического устройства контроля сушки капролактама и других сыпучих материалов позволит регулировать время сушки при различной влажности окружающей среды, что даст значительную экономию электроэнергии, уменьшит количество выбракованных изделий, повысит технологическую дисциплину, сократит продолжительность рабочих смен.
Литература
1. Лыков А.В. Тепломассообмен. М., 1978, 478 с.
2. Тимофеев Д.П. Кинетика адсорбции. М., 1962. 252 с.
3. Экспериментальные методы адсорбции и молекулярной хроматографии / под ред. А.В. Киселева, В.П. Дребенга. М., 1973. 356 с.
4. Микропроцессорный измеритель относительной влажности и температуры ИВТМ-7 МК-С. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. АООТ «Практик-НЦ», Москва, Зеленоград.
Поступила в редакцию
18 ноября 2013 г.
0
