CC BY
22
fr-------------------------------------------1 I------------------------------------*
------------------------------------------------------------------------------------------□ ID-
Розроблено технологічні засади ущільнення пінополістиролу та його відходів з одночасною модифікацією полівінілпіролі-доном в рідинних середовищах. Встановлено вплив одержаного модифікату на технологічні властивості полікапроаміду
Ключові слова: пінополістирол, поліві-нілпіролідон, полікапроамід, модифікація, утилізація
□-------------------------------------□
Разработаны технологические принципы уплотнения пенополистирола и его отходов с одновременной модификацией поли-винилпирролидоном в жидкостных средах. Установлено влияние полученного модифи-ката на технологические свойства полика-проамида
Ключевые слова: пенополистирол, поли-винилпирролидон, поликапроамид, модификация, утилизация
□-------------------------------------□
Technological principles of compression of foam polystyrene and his wastes with simultaneous modificationpolyvinylpirrolidone in liquid environments are developed. Influence of got modifikatu on technological properties of polik-aproamide is set
Keywords: foam polystyrene, polyvinylpir-rolidone, polycaproamide, modification, utilization
-------------------□ □------------------------
ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ МОДИФІКАЦІЇ ПІНО-ПОЛІСТИРОЛЬНИХ ВІДХОДІВ ПОЛІВІНІЛ-ПІРОЛІДОНОМ ДЛЯ ПЕРЕРОБКИ У
в'язкотекучому
СТАНІ
В.Є. Левицький
Доктор технічних наук, доцент, професор* Контактний тел.: (032) 258-25-04
В.С. Моравський
Кандидат технічних наук, асистент* Контактний тел.: (032) 258-25-04
О.В. Суберляк
Доктор хімічних наук, професор, завідувач кафедри* Контактний тел.: (032) 258-21-86 *Кафедра хімічної технології переробки полімерів Національний університет “Львівська політехніка” вул. С. Бандери, 12, м. Львів, Україна, 79013
Вступ
Під час переробки литтям під тиском відходів спінених термопластів на стандартному обладнанні виникає ряд труднощів, пов’язаних з наявністю газової фази, що призводить до зниження продуктивності, підвищення неоднорідності розтопів і погіршення якості готових виробів. Тому під час підготовки таких відходів до вторинної переробки у в’язкотекучому стані важливе значення приділяється операціям, які б дали можливість звести до мінімуму цей негативний вплив. Серед них найбільш ефективними з економічної та технологічної точок зору є методи, що базуються на ущільненні матеріалу нагріванням на повітрі або в рідинних середовищах [1-3].
Одержані внаслідок такої обробки відходи можуть бути використані для створення композиційних матеріалів суміщенням у в’язкотекучому стані.
Результати досліджень
Оскільки проблемі виробництва і утилізації спіненого пінополістиролу приділяється підвищена увага процес ущільнення спінених матеріалів було досліджено на прикладі пінополістиролу (ППС) та його відходів. Для встановлення оптимальних параметрів ущільнення спінених матеріалів згідно методики [1] були досліджені кінетичні закономірності зміни об’єму ППС зразків при різних температурах в різних середовищах.
Враховуючи, що такі технологічні характеристики сировини, як ступінь подрібнення і початкова уявна густина ППС в значній мірі матимуть вплив на процес дегазації, а також з метою встановлення оптимальних технологічних параметрів процесу ущільнення були проведені дослідження кінетики дегазації залежно від еквівалентного радіуса зразка (гекв) та уявної
З
густини ППС (ру). Одержані результати наведені на рис. 1, 2.
420 360 -300 -240 180 120 60 -
0
2 3 4 5 6 7
г„10*,м
Рис. 1. Вплив еквівалентного радіуса зразка (гєкв) на час досягнення максимальної густини ППС в бутанолі.
Т = 363 К
110 п 100
90 -
80
70
60
50
10
20 ЗО 40 р„ кгУм^
50
60
нення для подальшої вторинної переробки у в’язко-текучому стані.
Таблиця 1
Раціональні технологічні параметри процесу ущільнення
■ оі С ^ п Середовище Технологічні параметри Властивості ППС
Р МПа Т, К т, хв. р, кг/м3 дч, %
1 Повітря 0,1 0,005 373-393 353-363 10-12 5-7 950 87
2 Вода 0,1 363-373 20-3 780 73
3 Вода - бутанол 10% 0,1 363-373 10-15 930 84
4 Бутанол 0,1 363-373 1,5-2 1020 93
5 Бутанол 0,1 378-388 1-1,5 1040 96
5 Бутанол-толуол 5-10% 0,1 323-333 1-1,5 1040 96
ДV - ступінь ущільнення
Рис. 2. Вплив уявної густини зразка (ру) на час досягнення максимальної густини ППС в бутанолі. Т=363 К
Як бачимо (рис. 1), час досягнення максимальної густини ППС (тм) майже не змінюється для зразків з еквівалентним радіусом (3...5)-10-3 м, а при більшому радіусі він істотно зростає та наближено описується рівнянням: тм=11,94гекв3-136,32гекв2+509,56гекв-534,3. У зв’язку з цим, оптимальним еквівалентним радіусом зразків після подрібнення для дегазації є (3...5)-10-3 м.
Також, слід відзначити, що така технологічна характеристика ППС, як уявна густина в межах 10 - 50 кг/м3, не суттєво впливає на час досягнення максимальної густини, який при цьому становить 90 - 100 сек. (рис. 2).
Проведені дослідження з вивільнення газової фази з ППС залежно від умов процесу, природи середовища та встановлені математичні залежності часу досягнення максимальної густини від еквівалентного радіуса зразків і початкової уявної густини ППС дозволили встановити раціональні технологічні параметри проведення процесу ущільнення при використанні різних середовищ залежно від характеристик вихідної сировини. Одержані результати наведені в табл. 1.
Отже, використовуючи різні середовища та змінюючи температуру можна контролювати процес дегазації пінополістиролу в широких межах та одержувати дегазований ППС з заданим ступенем ущіль-
Поряд з цим, на нашу думку, доцільніше одночасно з дегазацією проводити модифікацію пінополістиролів водо- чи спиртоворозчинними полімерами, наприклад, полівінілпіролідоном якому притаманний комплекс цінних властивостей. Це дозволить надати пінополістиролу спеціальних властивостей і поряд з підготовкою до вторинної переробки розширити сфери його застосування [4].
У зв’язку з цим, були проведені дослідження спрямовані на модифікацію пінополістиролу полівінілпі-ролідоном (ПВП) з його водних та спиртових розчинів, для чого визначали величину граничної сорбції ПВП на пінополістирольних зразках залежно від концентрації ПВП в розчині, його молекулярної маси, температури і технологічних характеристик пінополістиролу.
Слід відзначити дещо більше значення сорбції макромолекул ПВП з водного середовища порівняно з спиртовим, що особливо проявляється для більш концентрованих розчинів. Це, на нашу думку, є наслідком меншого ступеня ущільнення пінополістирольних зразків у водному середовищі (табл. 1., рис. 3а), а, отже, і їх більшою величиною питомої поверхні та прагненням системи зменшити значення міжфазного натягу між водою та полістиролом внаслідок сорбції макромолекул ПВП на поверхні.
У випадку бутанольного розчину значення сорбції починає зростати (рис. 3 б) при температурах найін-тенсивнішої дегазації і не залежить від площі поверхні, що може бути підтвердженням того, що сорбція ПВП переважно відбувається внаслідок фіксації макромолекул всередині полістиролу в умовах набряклого стану в бутанолі.
Отже, при проведенні модифікації ППС в бута-нольних розчинах ПВП оптимальною температурою процесу є = 363 К. При цьому залежність вмісту газової фази від температури описується рівнянням:
Wгф=0,87Т4 - 14,5Т3 + 88,1Т2 - 233,02Т + 231,6;
а залежність величини сорбції від температури -
Ws = 0,0133Т3 - 0,16Т2 + 0,6467Т - 0,56.
Е
и
0,5 -І--------1------1-------1-------1------1------1-------1-------1------1-------[ О
333 343 353 363 ЗТЗ
ТД
а)
0,35
£ 0,2
0,15 -І—і—і---1—і—і------1 ї і ' і і ' І 0
333 343 353 363 37 3 3 83
Т,К
б)
Рис. 3. Вплив температури на граничну сорбцію ПВП та ступінь дегазації пінополістиролу. Концентрація ПВП — 10 %. МПВП = 12103: а) водний розчин, б) бутанольний розчин
Поряд з виявленням впливу природи середовища та температури на процес сорбції ПВП пінополістиролом становило інтерес дослідити вплив уявної густини ППС на сорбцію. Одержані результати наведені на рис. 4.
0,3
0,23
і 0,26
и '
«Г
£ 0,24 -0,22 -
0,2-------1-------1------1------1------1-----1
0 10 20 ЗО 40 50 60
Рис. 4. Вплив уявної густини ППС на граничну сорбцію
ПВП. Концентрація ПВП — 5 %; МПВП = 28103; Т=363 К
Як бачимо, величина сорбції дещо зменшується при зростанні уявної густини ППС. Таке зменшення сорбції при збільшенні початкової уявної густини, очевидно, можна пояснити меншою пористістю ППС
з більшою уявною густиною, внаслідок чого зменшується, як площа активної поверхні, на якій може відбуватись сорбція, так і кількість та розмір пор, в яких можлива фіксація макромолекул ПВП.
На підставі виявлених закономірностей процесу ущільнення ППС, встановлених фізико-хімічних чин-
Г 100
- 60
■40 8
- 20
ників впливу на міжмолекулярні взаємодії, конфор-маційні зміни, гнучкість та структурні параметри макромолекул ПВП [4], а також закономірностей сорбції ПВП пінополістиролом запропоновані раціональні параметри модифікації пінополістиролу полівінілпі-ролідоном залежно від природи середовища, які наведені в табл. 2.
Таблиця 2
Раціональні технологічні параметри процесу модифікації ППС (гекв=510-3 м, руяв=20 кг/м3)
№ з/п Склад розчинника, % Мпвп.10-4 Спвп, осн.- моль/л Т, К т, хв. Сорбція, г ПВП/г ППС
1 Вода 1,2 2,8 1,0-1,2 0,9-1,1 363- 373 20-25 0,95-1,00 0,80
2 Бутанол 1,2 2,8 0,7-0,9 0,4-0,5 363- 373 1-1,5 0,28 0,27
3 Вода -бутанол 10% 2,8 0,4-0,5 353- 363 10-15 0,18
4 Бутанол - толуол 5-10% 2,8 0,4-0,5 333- 343 1-1,5 0,12-0,15
Отже, одержані результати свідчать про ефективність проведення модифікації ППС функційноактив-ним ПВП з одночасним підвищенням технологічних властивостей ППС внаслідок ущільнення. Встановлено, що ущільнення ППС зразків і сорбція ними ПВП в значній мірі залежать від температури, природи розчинника, концентрації та молекулярної маси ПВП. Направлений підбір розчинника і температури дозволяє прогнозовано регулювати величину сорбції ПВП пінополістиролом і, тим самим, впливати на технологічні і експлуатаційні властивості модифікованих продуктів.
На підставі встановлених закономірностей ущільнення та модифікації ППС в різних середовищах розроблена технологічна схема процесу модифікації ППС внаслідок сорбції ПВП з одночасним ущільненням ППС. Очевидно, що технологічні особливості проведення процесу, енергетичні та сировинні затрати, а також необхідні властивості модифікованих матеріалів в значній мірі будуть визначати конструктивне оформлення основного та допоміжного обладнання для проведення процесу ущільнення і модифікації ППС полі-вінілпіролідоном з розчину. У зв’язку з цим, підвищена увага була приділена вибору конструкції і розрахунку реактора для проведення процесу ущільнення і модифікації. Для даних цілей запропоновано реактор, який являє собою циліндричний апарат з протитечійним рухом розчинника і ППС, що обладнаний шнековим пристроєм для безперервного відведення ущільненого ППС. Використання даного типу реактора обумовлено можливістю проведення процесів ущільнення і модифікації відходів ППС за неперервною схемою з мінімальними втратами сировинних ресурсів, високою продуктивністю та використанням відходів ППС з різними технологічними характеристиками.
З
Для досягнення максимального ступеня ущільнення ППС і сорбції ПВП та ефективного проведення процесу геометричні розміри (висота і об’єм) реактора та швидкість руху розчинника в ньому повинні забезпечити необхідний час перебування ППС в реакторі, який становить 1-1,5 хв. На підставі проведених розрахунків з використанням критеріїв подібності, беручи до уваги технологічні параметри сировини, встановлено основні геометричні розміри апарату для сумісної дегазації та модифікації полівінілпіролідо-ном пінополістиролу при продуктивності за подрібненим ППС 10 м3/год: робоча висота реактора Ьі = 1 м, висота реактора над розчинником 1і2 = 0,04 м, діаметр реактора сі = 0,3 м.
Одержані дегазований та модифікований поліві-нілпіролідоном ППС були використані для створення композиційних матеріалів на основі високотонажних промислових термопластів - полікапроаміду та полістиролу [5-7]. Слід відзначити, що полікапроамід під час переробки у в’язкотекучому стані характеризується високою текучістю, що вимагає використання обладнання з спеціальним оснащенням. Вплив природи та вмісту додатку на текучість полікапроаміду оцінювали за значенням показника текучості розтопу (ПТР) полікапроаміду. Одержані результати наведено на рис. 5.
Рис. 5. Вплив природи та вмісту додатку на ПТР ПА-6.
Додаток: 1 — модифікований полівінілпіролідоном ППС:
2 — дегазований ППС
Як бачимо, природа додатку має суттєвий вплив на значення ПТР. У випадку модифікованого ППС цей вплив проявляється найбільше при вмісті 1%, що, очевидно, можна пояснити зростанням густини флуктуаційної сітки внаслідок міжмолекулярних взаємодій за участю амідних груп полікапроаміду і карбаматних груп ПВП. Зростання значення ПТР при використанні як додатку ущільненого ППС, очевидно, є наслідком зростання гетерогенності системи і відсутності міжмолекулярних взаємодій між компонентами.
Слід відзначити, що використання модифікованого полівінілпіролідоном ППС як додатку для полісти-рольних пластиків, на нашу думку, надасть їм специфічних властивостей, зокрема, гідрофілізації поверхні, антистатичності. Як бачимо (рис. 6), на відміну від полікапроаміду, значення ПТР полістиролу зростає незалежно від природи додатку.
Вміст додатку, %
Рис. 6. Вплив природи та вмісту додатку на ПТР сумішей на основі ПС. Додаток: 1 — модифікований полівінілпіролідоном ППС: 2 — дегазований ППС
Більше значення ПТР у випадку модифікованого ППС, очевидно, викликано зростанням гетерогенності системи внаслідок присутності полярного ПВП.
Висновок
Tаким чином, ущільнення пінополістиролу за розробленою технологією дозволяє одержати вторинну сировину з необхідними технологічними властивостями, а використання полівінілпіролідону для модифікації під час ущільнення - розширити сфери застосування полістирольних матеріалів. Встановлено, що основними чинниками впливу на процес ущільнення пінополістиролу є природа середовища
і температура, а у випадку модифікації також і молекулярна маса полівінілпіролідону та його концентрація у розчині. Розроблені модифіковані матеріали відзначаються технологічністю при переробці у в’язкотекучому стані.
Література
1. Суберляк О.В., Левицький В.Є., Моравський В.С., Tарнавський А.Б. Полімерні композицій з відходів полістиролу. Tеxнологічні особливості одержання / / Хімічна промисловість України. - №б. - 200б. - С. 13-1б.
2. Пат. 1275б8б ЕПВ, МПК7 С 08 J 9/1б Process for pro-
ducing reclaimed expandable polystyrene resin particle / Nishimoto Kenryo, Kariyazono Hiroyuki, Hamaishi Kazuto.; заявник і патентовласник Kagoshimaken, Ka-goshima-shi. - № 0191235б.1; заявл. 14.03.2001; опубл. 15.05.2003.
3. Suberlak O., Lewicki W., Morawski W., Baranowski W. Opra-
cowanie technologii modyfikacyinych odgazowania styropi-anu oraz wytwananie materiabw konstrukcyjnych o ma ym skurczu pnetwоrczym // Tworzywa sztuczne i chemia. - №
1, (44). - 2009. - С. 40-43.
4. Левицький В.Є., Моравський В.С., Суберляк О.В. Моди-
фікація пінополістиролу полівінілпіролідоном у водних та спиртових розчинах // Вопросы химии и химической технологии. - № 3. - 2007. - С. 100-103.
t
5. Моравський В.С., Левицький В.Є., Суберляк О.В. Модифікований пінополістирол. Експлуатаційні властивості конструкцій-
них матеріалів. // Хімічна промисловість України. - №4. - 2008. - С. 50-54.
6. Моравський В.С., Тарнавський А.Б., Левицький В.Є. Фізико-механічні властивості композитів на основі поліаміду та моди-
фікованого полістиролу // Вісник НУ “Львівська політехніка”. Хімія, техн. речовин та їх застосування. - № 609. - 2008. - С. 378-381.
7. Суберляк О.В., Шибанова А.М., Моравський В.С. Модифікація полістиролу і його відходів додатками різної природи у в’язко-
текучому стані // Хімічна промисловість України. - №6. - 2009. - С. 38-41.
-------------------□ □-----------------------
В статті розглянуті основні характеристики масообміну для високошвидкісного відцентрового тепломасообмінного апарата, при використанні різних видів контактних пристроїв. Наведені експериментальні залежності для масовіддачі у газовій фазі і у фазі рідини
Ключові слова: відцентрові сили, масопе-редача, контактний пристрій
□-------------------------------------□
В статье рассмотрены основные характеристики массообмена в высокоскоростном центробежном тепломассообменном аппарате, при использовании разных видов контактных устройств. Приведены экспериментальные зависимости для массоот-дачи в газовой и жидкой фазах
Ключевые слова: центробежные силы, массопередача, контактное устройство
□-------------------------------------□
In the article are considered basic descriptions of mass-transfer in a high-speed heat and mass transfer centrifugal vehicle, at the use of different types of contact devices. Experimental equalizations are resulted for mass transfer in gas and liquid phases
Keywords: centrifugal forces, mass transfer, contact device -------------------□ □-----------------------
УДК 66.021+66.048
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА МАССООБМЕНА В ЦЕНТРОБЕЖНОМ АППАРАТЕ
Е.В. Манойло
Кандидат технических наук, доцент Кафедра химической техники и промышленной экологии Национальный технический университет «Харьковский
политехнический институт ул. Фрунзе 21, г. Харьков, 61002 Контактный тел.: (057) 707-62-57, 063-252-53-31 E-mail: [email protected]
Проведение процессов массопередачи в условиях действия центробежных сил нашло широкое применение в промышленной практике. Можно отметить, что воздействие на систему взаимодействующих фаз центробежных ускорений является в ряде случаев наиболее простым способом интенсификации процессов тепломассообмена.
В аппаратах центробежного типа процессы тепломассообмена протекают как в тонкой пленке жидкости, так и в виде мелких капель и пузырьков, создаваемых механическим путем. В целом роторные массообменные аппараты по сравнению с традиционными колонными являются более эффективными, так как в них, как правило, удается обеспечить стабильную работу при малых плотностях ороше-
ния, а время выхода аппарата в рабочий режим существенно сокращается. Кроме того возможность независимого регулирования центробежного ускорения и подачи газа и жидкости позволяет по время эксплуатации легко оптимизировать процессы тепло- и массообмена добиваясь выхода необходимого продукта.
В центробежных аппаратах проблема равномерного распределения контактирующих фаз решена с помощью воздействия на систему высоких центробежных ускорений от 200 до нескольких тысяч g. В настоящей работе приводятся результаты исследований массообмена в высокоскоростном центробежном аппарате, принципиальная конструкция которого представленная на рис. 1.
3
