Д.т.н., проф. Микулёнок И.О., к.т.н., доц. Сокольский А.Л.,
студент Соколенко В.В.

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт», г. Киев, Украина

Обобщённый подход к математическому
моделированию непрерывных процессов
переработки термопластов

Переработка термопластов включает три группы процессов: подготовительные, формообразующие и заключительные, каждый из которых реализуется на соответствующем оборудовании, которое по аналогии с процессами подразделяют на три класса: подготовительное, формующее (формообразующее, технологическое) и отделочное. Кроме того, в отдельную группу также можно выделить вспомогательное оборудование, которым комплектуются технологические линии или их отдельные участки.

Несмотря на разнообразие процессов, характерных для технологии каждого типоразмера изделия, качество получаемой продукции в первую очередь определяется процессами подготовки термопластичного материала (ТпМ), его дальнейшего формования, а также термообработкой (как правило, охлаждением) отформованной продукции.

Как показывает многолетняя промышленная переработка термопластов, наиболее прогрессивными, универсальными и высокопроизводительными среди процессов формования остаются экструзия и каландрование.

Переработка термопластов в первую очередь связана с подводом и отводом энергии к каждой единице технологического оборудования и большинству видов 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 его различных участках). Таким образом, процессы переработки термопластов являются неизотермическими.

С точки зрения поведения макрообъёмов ТпМ во время прохождения им определённого вида оборудования, оборудование или его отдельные участки можно разделить на два типа. К первому из них относится оборудование или его участок, в котором происходит течение слоёв перерабатываемого ТпМ друг относительно друга, а ко второму – в котором предварительно отформованный материал движется как сплошное твёрдое тело. Процессы первого типа проходят в технологическом (перерабатывающем) оборудовании: смесительном, экструзионном, валковом, а процессы второго типа – преимущественно во вспомогательном (обрабатывающем) оборудовании.

Таким образом, в соответствии с конструктивными особенностями технологических линий и их оборудования можно выделить такие основные модели неизотермических процессов переработки и обработки ТпМ: модели в зонах деформирования ТпМ и модели вне указанных зон.

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), а также определению времени пребывания материала в оборудовании при данных условиях переработки, от которого зависит его производительность.

Также необходимо отметить принципиальную особенность переработки высоковязких материалов, которая состоит в решающем значении диссипативной составляющей теплового баланса оборудования в процессе переработки. Процессы переработки ТпМ характеризуются значительными диссипативными тепловыделениями, которые могут существенно превышать количество теплоты, подводимой в оборудовании к ТпМ или отводимой от него внешними системами термостабилизации (так, во время приготовления поливинилхлоридной композиции в роторном смесителе 250/22-44 энергия диссипации в конце процесса может превысить 500 кВт).

В периодических процессах переработки основная доля энергии в перерабатываемый материал также вводится диссипацией. Такой ввод можно осуществить за меньшее время за счёт повышения мощности привода и относительной скорости рабочих органов, т.е. увеличения скорости деформации. Однако повышение указанной скорости приводит к росту неоднородности скоростных полей в объёме ТпМ и, соответственно, неоднородности температурных полей, что снижает качество переработки. То же количество энергии можно ввести в массу и за большее время при уменьшенных мощности привода и относительной скорости рабочих органов, что повысит качество переработки, но снизит производительность оборудования. Таким образом, во время переработки любого ТпМ существуют оптимальные соотношения между мощностью привода, относительной скорости рабочих органов и временем переработки, при которых достигается необходимое качество получаемого изделия. Связь между этими параметрами необходимо учесть при разработке математических моделей оборудования периодического действия.

При этом вопросы производительности оборудования и качества получаемой на нём продукции из ТпМ, как правило, являются альтернативными, поэтому рациональная организация переработки ТпМ предусматривает обеспечение заданной производительности при условии достижения необходимого качества продукции.

Широкая номенклатура перерабатываемых материалов предполагает модернизацию существующего и разработку нового оборудования. Изготовление опытных образцов оборудования, его усовершенствование и отработка на нём режимов переработки каждой из многочисленных композиций не только нецелесообразно с точки зрения существенных затрат конструкционных материалов, энергии, сырья, а и главное – времени. Поэтому анализ технологических свойств перерабатываемого материала, проектирование оборудования, анализ и оптимизация технологии практически невозможны без математического моделирования.

В большинстве работ по переработке полимеров и материалов с их использованием в изделия рассматриваются отдельные из указанных стадий без учёта их взаимосвязи друг с другом, что не позволяет осуществлять комплексный анализ технологической линии. Лишь в немногих работах использован подход, позволяющий анализировать влияние стадий процесса друг на друга. Так, основные принципы моделирования экструзионного оборудования были сформулированы профессором Л. Б. Радченко [1], главным из которых является учёт взаимной связи и взаимного влияния функциональных зон экструдера. Такой подход позволяет определить лимитирующую стадию процесса экструзии и адекватно анализировать его в целом.

Сложность математического моделирования технологических линий состоит не только в том, что ТпМ последовательно проходит множество единиц различного оборудования, процесс переработки (обработки) ТпМ или изделия в каждом из которых описывается различными математическими моделями, а и в том, что подобная картина нередко имеет место даже в одной, отдельно взятой, единице оборудования. Так, например, даже традиционное моделирование червячной экструзии как совокупности последовательных процессов, которые происходят на участках питания, плавления и гомогенизации, может быть существенно осложнено даже в пределах одной зоны вследствие её оригинальной конструкции.

Во время анализа технологической линии или её элементов возможны два основных вида расчётов. Первый из них предусматривает по известной производительности определение размеров и энергетических параметров отдельных видов оборудования и линии в целом, а второй – определение максимально возможной производительности по известным геометрическим размерам и параметрам установленных на оборудовании теплоэнергосилових систем и устройств.

Для эффективного проектирования новых и модернизации разработанных полимерперерабатывающих технологических линий или их элементов в НТУУ «Киевский политехнический институт» в содружестве с киевским ПАО «Научно-производственное предприятие „Большевик”» были разработаны соответствующие математические модели, алгоритмы и программы расчётов [2–5]. Результаты расчётов в соответствии с изложенными принципами моделирования получили практическую реализацию при проектировании и модернизации высокопроизводительного полимерперерабатывающего оборудования, которое эксплуатируется отечественными и зарубежными предприятиями.

Предложенный подход к моделированию полимерперерабатывающего оборудования позволяет использовать традиционные и вновь разрабатываемые методики расчёта как конкретных видов оборудования, так и отдельных стадий переработки в нём термопластов, особенно новых, опыт переработки которых недостаточен или вообще отсутствует.

Литература

1. Радченко Л. Б. Моделирование неизотермических процессов переработки термопластов методом экструзии [на укр. языке] / Л. Б. Радченко // Химическая промышленность Украины. – 1999. – № 4. – С. 40–44.

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

3. Лукашова В. В. Экструзия пенополимеров : монография / В. В. Лукашова, И. О. Микулёнок, Л. Б. Радченко [на укр. языке]. – К. : НТУУ «КПІ», 2011. – 176 с.

4. Вознюк В. Т. Интенсификация процесса изготовления экструдируемых полимерных труб : монография / В. Т. Вознюк, И. О. Микулёнок [на укр. языке]. – Киев : НТУУ «КПІ», 2012. – 144 c.

5. Микулёнок И. О. Моделирование оборудования технологических линий для переработки пластмасс и резиновых смесей на базе валковых машин : монография / И. О. Микулёнок [на укр. языке]. – Киев: НТУУ «КПИ», 2013. – 244 с.