Д.т.н. Микулёнок И.О., к.т.н. Вознюк В.Т., Крутась И.О.

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт», г. Киев, Украина

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕРМОПЛАСТИЧныХ ПОЛИМЕРОВ

И МАТЕРИАЛОВ С ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

Переработка термопластичных материалов, в том числе и с использованием вторичного сырья, включает три группы процессов: подготовительные, формообразующие и заключительные. К подготовительным процессам относят сушку, дозирование компонентов, приготовление композиций (в первую очередь с помощью роторных смесителей и вальцов), а также процессы, характерные для обработки вторичного сырья (сортировка, измельчение, мойка, сушка) и некоторые другие. Формообразующие процессы, с помощью которых осуществляется плавление термопластичного полимера, гомогенизация расплава, формование из него изделий, а также их термообработка можно разделить на две группы: непрерывные процессы (экструзия, каландрование) и периодические, или циклические, процессы (литьё под давлением, прессование, а также различные виды формования: выдувное, ротационное, пневмо- и вакуумформование и др.). К заключительным же процессам относят отделочные, механические процессы, сварку, склеивание, нанесение на изделие рисунков и надписей, а также упаковывание и контроль качества продукции.

Каждый из указанных процессов реализуется на соответствующем оборудовании, которое по аналогии с процессами подразделяют на три класса: подготовительное, формующее (формообразующее, технологическое) и отделочное оборудование. Кроме того, в отдельную группу также можно выделить вспомогательное оборудование, которым комплектуются технологические линии или участки подготовительного, формующего и обрабатывающего производства.

Несмотря на разнообразие процессов, характерных для технологии каждого отдельного изделия, качество получаемой продукции в первую очередь определяется процессами подготовки термопластичной композиции, её дальнейшего формования, а также термообработкой (как правило, охлаждением) отформованных материалов, полуфабрикатов и изделий.

Как показывает полувековая промышленная переработка термопластичных материалов, наиболее прогрессивными, универсальными и высокопроизводительными среди процессов формования остаются экструзия и каландрование: более половины перерабатываемых в странах Европы термопластов приходится именно на эти процессы.

Технологические линии на базе экструзионного и валкового оборудования включают множество единиц различного оборудования и устройств, но в любом случае они комплектуются оборудованием, которое в конечном счёте определяет их производительность: экструдерами, смесителями, вальцами, каландрами и устройствами для термообработки отформованной продукции.

Переработка термопластов связана в первую очередь с подводом и отводом энергии к каждой единице технологического оборудования и большинству единиц вспомогательного оборудования и устройств, что обеспечивает получение продукции с заданными свойствами (при этом режимы переработки даже в пределах одной единицы оборудования могут существенно отличаться на различных участках). Таким образом, процессы переработки термопластов являются процессами неизотермическими.

С точки зрения поведения макрообъёмов перерабатываемого материала во время прохождения им определённого вида оборудования, его в целом или его отдельные участки можно разделить на два типа. К первому из них относится оборудование или его участок, в котором имеет место течение слоёв материала друг относительно друга, а ко второму – в котором предварительно отформованная заготовка, полуфабрикат или изделие движутся как сплошное твёрдое тело.

Процессы первого типа проходят в технологическом (полимерперерабатывающем) оборудовании: смесительном, экструзионном, валковом, а процессы второго типа – преимущественно во вспомогательном (полимеробрабатывающем) оборудовании.

Таким образом, согласно конструктивным особенностям технологических линий и их оборудования можно выделить такие основные физические модели неизотермических процессов переработки и обработки термопластов: в зонах деформирования термопласта и вне указанных зон.

Производительность оборудования, как правило, определяется производительностью лимитирующей стадии технологического процесса и поэтому при расчёте остального оборудования может быть принята заданной, а тепловые потери рассчитывают по известным уравнениями теплообмена или соответствующей методике расчётов. Энтальпия же материала чаще всего определяется технологическим регламентом процесса в зависимости от его заданной начальной и допустимой конечной температуры. При этом, чем меньше допустимая конечная температура, тем меньше энергозатраты процесса, однако качество переработки зависит от качества смешения, связанного с деформацией сдвига и, соответственно, диссипацией энергии в объёме перерабатываемого материала.

Процессы переработки термопластов характеризуются значительными диссипативными тепловыделениями, которые могут существенно превышать количество теплоты, подводимой в оборудовании к термопласту или отводимой от него внешними системами термостабилизации (теплообеспечения). Так, во время приготовления ПВХ-композиции в роторном смесителе 250/22-44 энергия диссипации в конце процесса смешения превышает 500 кВт.

Одним из основных принципов моделирования оборудования является учёт взаимной связи и взаимного влияния отдельных его зон друг на друга. Такой подход позволяет определить лимитирующую стадию процесса (например, экструзии) и адекватно выполнить анализ этого процесса в целом [1].

Во время расчёта процессов и оборудования периодического, или циклического, действия (роторные смесители, вальцы) моделирование в большинстве случаев сегодня сводится к определению мощности привода и системы теплообеспечения рабочих органов (роторов, валков). В то же время не менее важным является определение времени пребывания материала в оборудовании при данных условиях переработки, от которого зависит его производительность. Необходимо также отметить принципиальную особенность переработки высоковязких материалов, которая состоит в решающем значении диссипативной составляющей теплового баланса оборудования в процессе переработки. Так, в производстве полимерных труб на длине червяка, который обычно не превышает нескольких метров, в материал вследствие диссипации вводится такое количество энергии, для отвода которой теплопроводностью необходимая длина охлаждающей ванны достигает десятков метров.

В периодических процессах переработки основная доля энергии вводится в перерабатываемый материал диссипацией. Такой ввод можно осуществить за меньшее время за счёт повышения мощности привода и частоты вращения рабочих органов (увеличение скорости деформации). Однако повышение частоты вращения приводит к росту неоднородности скоростных полей в объёме массы и, соответственно, неоднородности температурных полей, что отрицательно влияет на качество переработки. Одно и то же количество энергии можно ввести в массу также за большее время при уменьшенных мощности привода и частоте вращения рабочих органов, что будет содействовать повышению качества переработки, но будет уменьшать производительность оборудования. Итак, во время переработки каждого отдельного материала существуют оптимальные соотношения между мощностью привода, частотой вращения рабочих органов и временем переработки, при которых достигается необходимое качество получаемого изделия. Связь между этими параметрами должна быть учтена при разработке математических моделей полимерперерабатывающего оборудования периодического действия.

Литература:

Микулёнок И.О. Оборудование и процессы переработки термопластичных материалов с использованием вторичного сырья: монография / И.О. Микулёнок. – Киев: ИВЦ «Издательство „Политехника”», 2009. – 265 c. [на укр. яз.]