Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теплоизоляционные материалы па основе полимерного волокнистого техногенного сырья 11
1.1. Современные методы утилизации полимерного волокнистого техногенного сырья 11
1.2. Теплоизоляционные материалы на основе полимерных волокнистых отходов 21
1.2.1. Классификация теплоизоляционных материалов по теплофизическим свойствам 22
1.2.2. Эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов и пути их повышения 29
1.2.3. Теплофизические характеристики полимерных волокнистых теплоизоляционных материалов 34
Процессы, определяющие теплофизические характеристики теплоизоляционных материалов 35
1.3Л. Кондуктивная теплопроводность 36
1.3.2- Радиационная теплопроводность 39
1.3.3. Конвективная теплопроводность 40
1.3.4. Излучение в дисперсных материалах 43
1.3.5. Влияние пористости на теплопроводность 44
1.3.6. Влияние кпажности на теплопроводность дисперсных материалов. 45
1.4-Выводы к главе 47
Глава 2- Модели многокомпонентных полимерных волокнистых материалов 48
2.1. Физика разрушения полимерных волокнистых материалов 48
2ЛЛ. Термофлуктуационный разрыв полимерной цепи 49
2Л .2. Фононная концепция разрушения полимерных волокнистых материалов 53
2.2. Расчетные и экспериментальные модели мехаиико-технологических схем измельчения 55
2.2Л, Матричная модель многоступенчатого измельчения 60
2.2,2, Математическая модель устройств многоступенчатого измельчения 6 І
2.3. Модели теплоизоляционных материалов на основе волокнистого полимерного сырья 66
2.3Л, Характеристика основных моделей 66
2.3,2. Расчет моделей 74
2.4. Модель теплоизоляционного материала на основе техногенного сырья производства линолеума ПВХ 75
2А1. Определение механического состава материла 78
2.4.2. Определение пористости материала 81
2.4.3. Определение теплопроводности материала 84
2.4.4. Определение плотности материала , 86
2.4.5. Влияние формы частиц на тештофизические свойства материала... 88
2.5. Выводы к главе 92
Глава 3, АСУ ТП переработки техногенного сырья производства линолеума ПВХ 94
3.1. Способы и машины для переработки ПВХ сырья 94
3.2» Статистические методы определения характеристик устройств ТП по параметрам АСУ 99
3.3. Функциональные и структурные схемы АСУ ТП 107
3.4. Принципиальная и функциональная схемы АСУ устройства для переработки техногенного сырья производства линолеума ПВХ 115
3.5. Структурная схема АСУ устройством для получения синтетического утеплителя 118
3.6. Выводы к главе 120
Глава 4. Технико-экономическое обоснование (ТЭО) производства и использования ТИМ из отходов ПВХ линолеума 122
4.1- Промышленная технология производства синтетического утеплителя , 122
4.2. Область применения получаемого утеплителя 123
4.3. Технико-экономическое обоснование линии переработки отходов линолеума ПВХ 127
4.4. Выводы к главе 131
Заключение 132
Литература
- Теплоизоляционные материалы на основе полимерных волокнистых отходов
- Влияние пористости на теплопроводность
- Расчетные и экспериментальные модели мехаиико-технологических схем измельчения
- Статистические методы определения характеристик устройств ТП по параметрам АСУ
Введение к работе
Актуальность темы* Важными показателями целесообразности применения линолеумов являются низкие удельные капитальные затраты на организацию их производства, высокое качество материала^ широкая гамма расцветок, многообразие рисунков, значительная износостойкость, простота в эксплуатации.
Однако, наряду с положительными качествами, у этого синтетического многокомпонентного продукта есть один существенный недостаток — он, в отличие от многих природных материалов, выполнив свои функции, не уничтожается достаточно быстро под действием агрессивных факторов окружающей среды: света, тепла? атмосферных газов, микроорганизмов, а продолжает существовать в виде долгоживущих отходов, причиняя ущерб окружающей природной среде.
На сегодняшний день в России существует более 40 предприятий по производству линолеума. Каждый год на этих предприятиях образуется около 2340,4 тыс. м отходов. Общедоступной технологии по переработке и вторичному использованию многокомпонентного техногенного сырья производства линолеума в синтетический утеплитель (СУ) не существует.
Решение вопросов экологической безопасности индустриальных центров и получение дополнительных экологически чистых высококачественных строительных теплоизоляционных материалов (ТИМ) повышенной эксплуатационной надежности является актуальной проблемой современных производственных процессов, развития энерго- и ресурсосберегающих технологий, расширения сырьевой базы отдельных отраслей промышленности.
Цель работы: исследование и контроль теплофизических характеристик синтетического утеплителя из техногенного сырья производства линолеума поливинилхлоридного.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать состояние , вопроса в области утилизации волокнистых полимерных отходов;
Определить физико-механические свойства многокомпонентного полимерного техногенного сырья производства линолеума ПВХ с позиции их вторичного использования;
Обосновать методику определения физико-механических свойств продуктов переработки линолеума ПВХ с целью огтределения сфер их применения;
Обосновать автоматизированную технологическую линию переработки отходов линолеума ПВХ в утеплитель с позиции контроля механических характеристик конечного продукта, определяющих его теплофизические свойства, энергосбережения и рационального природопользования.
Объектом исследований является волокнистый негомогенный многокомпонентный полимерный материал, получаемый в процессе механической переработки (измельчения) техногенного сырья производства линолеума ПВХ.
Методика исследования. При решении поставленных задач
использовались методы: математического моделирования, наименьших
квадратов, теории автоматического регулирования технологическими
процессами, определения пористости негомогенных полимерных
волокнистых материалов и оценки экологического ущерба от захламления почв промышленными отходами»
Научная новизна. Проведены теоретическое и экспериментальные исследования состава и строения нового материала с целью обеспечения надежности и долговечности строительного теплоизоляционного материала.
Обоснована и усовершенствована методика контроля механических и теплофизических характеристик получаемого в процессе переработки синтетического утеплителя.
8 Исследовано влияние технологических факторов производства ТИМ на их структуру и теплофизические свойства- Оптимизирована технология получения синтетического утеплителя заданной структуры и свойств.
Проанализированы основные методы переработки и вторичного использования полимерных волокнистых отходов промышленности, разработана автоматизироваїшая технологическая линия по утилизации негомогенных волокнистых отходов производства линолеума, что позволяет решать задачи ресурсосбережения и повышения экологичности современного производственного процесса.
Разработанная принципиальная схема автоматизации процесса многоступенчатой переработки отходов линолеума ПВХ позволяет осуществлять контроль за параметрами конечного продукта и получать синтетический утеплитель с заданными механическими и теплофизическими свойствами в зависимости от конкретных условий изготовления.
Решена задача утилизации негомогенных ПВХ - материалов с позиции вторичного использования получаемых продуктов в качестве полимерных волокнистых ТИМ, что способствует расширению сырьевой базы современного производства.
Практическая ценность работы состоит в том, что содержащиеся в ней теоретические и методические разработки, выводы и практические рекомендации обеспечивают решение вопросов экологической безопасности производства по замкнутому циклу, ресурсосбережения в современных технологиях по обращению с эластомерами и развитию сырьевой базы производства.
Разработанная технологическая схема позволяет утилизировать негомогенные полимерные волокнистые отходы на самих предприятиях в качестве завершающей стадии производственного процесса; решает вопросы снижения захламления производственных площадей техногенными отходами; определяет направления организационно-технического совершенствования производственных систем.
9 Разработана модель синтетического утеплителя. Проведенные исследования на ее основе позволяют применять получаемый в процессе переработки отходов линолеума ПВХ материал в качестве неорганического волокнистого теплоизоляционного материала, эксплуатационные показатели которого не уступают современным ТИМ серийного производства.
Проведенный анализ технико-экономических показателей
разработанной технологии показал эффективность применения автоматизированной технологической линии по переработке техногенного сырья производства линолеума ПВХ, На защиту выносятся:
1. Структурная модель многокомпонентного негомогенного
синтетического утеплителя из техногенного сырья производства
линолеума ПВХ, позволяющая определять его тештофизические и
механические характеристики;
2. Методика определения теплофизических и физико-механических
свойств продуктов переработки линолеума ПВХ, позволяющая
определить сферы их применения;
Автоматизированная технологическая линия переработки техногенного сырья производства линолеума ПВХ, позволяющая контролировать механические характеристики сырья и конечного продукта, определяющие его теплофизические свойства;
Технико-экономическое обоснование эффективности использования синтетического утеплителя из техногенного сырья производства линолеума ПВХ в строительной и других отраслях промышленности.
Апробация и публикация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались;
1. На межрегиональном научно-практическом семинаре «Энергосбережение и охрана природы в промышленности и ЖКХ» Ижевск, УдГУ, 2001г.;
Российской научно-практической конференции «Энергосбережение, экология, эффективность» , Ижевск, УдГУ, 2002;
Научно-практической конференции «Высокие и информационные технологии в механике», ИжГТУ, г. Ижевск, 2002;
Международном конгрессе по управлению отходами «ВэЙстТэк 2003», Москва, 2003;
Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов», г. Екатеринбург, 2003г.
Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов», г. Екатеринбург, 2004 г.
Основные материалы диссертации отражены в 8 печатных работах.
Теплоизоляционные материалы на основе полимерных волокнистых отходов
Полимерные волокнистые материалы (ПВМ) получают все большее применение в промышленности и быту, и производство их непрерывно возрастает. Это, в свою очередь, приводит и к росту отходов производства полимерных материалов- Проблема рециклинга вторичного сырья на сегодняшний день выходит на одно из основных мест в области экологии индустриальных центров.
Полимеры с заранее заданными свойствами можно получить синтетически, подбирая исходные мономеры и соответствующие условия синтеза, от которых зависит структура образующегося полимера. Полимерные волокнистые материалы (ПВМ) имеют ряд преимуществ по сравнению с природным материалом, а именно: 1. При их производстве и переработке требуются меньшие капиталовложения и меньшая затрата труда; 2. Малая объемная масса; 3. Возможность замены некоторых дефицитных природных материалов; 4. Возможность получения материалов с новыми улучшенными свойствами: полимеры не гниют, кислотно- и щелочеустойчивы, обладают большой механической прочностью, а также характеризуются хорошими звуко- и термоизоляционными свойствами.
Строительные материалы для тепловой изоляции ограждающих конструкций зданий, промышленного и энергетического оборудования и трубопроводов называют теплоизоляционными. Такие материалы имеют низкую теплопроводность (не более 0,18 Вт/м С) и небольшую плотность (не выше 600 кг/м]). Применение ТИМ является одним из важнейших направлений технологического развития в строительстве [28 - 36].
Теплоизоляционные материалы и изделия подразделяются по следующим основным признакам [32]: виду основного исходного сырья; структуре; форме; возгораехмости (горючести); содержанию связующего вещества; тепловым свойствам.
По виду основного исходного сырья материалы и изделия подразделяют на неорганические (минеральные) и органические. Изделия, изготовленные из смеси органического и неорганического сырья, относят к неорганическим, если количество последних в смеси превышает 50% по массе.
По структуре материалы и изделия подразделяют на волокнистые, ячеистые и зернистые (сыпучие).
По содержанию связующего вегцества материалы и изделия подразделяют на содержащие связующее вещество и не содержащие связующее вещество По форме материалы и изделия подразделяют на рыхлые (вата, перлит и др.), плоские (плиты, маты, войлок и др.), фасонные (цилиндры, полуцилиндры» сегменты и др.) и шнуровые.
По возгораемости (горючести) материалы и изделия подразделяют на несгораемые, трудно сгораемые и сгораемые»
Теплоизоляционные материалы и изделия должны удовлетворять следующим общим техническим требованиям [51]: - обладать теплопроводностью не более 0,175 Вт/(м-К) при 25 С; - иметь плотность (объемную массу) не более 500 кг/м3; - обладать стабильными физико-механическими и теплотехническими свойствами; - не выделять токсических веществ и пыли в количествах, превышающих предельно допускаемые концентрации. По средней плотности. В отличие от многих других строительных материалов марка теплоизоляционного материала устанавливается не по показателю прочности, а по величине средней плотности, которая выражается в кг/м3. Марка теплоизоляционного материала представляет собой верхний предел его средней плотности. (Например, изделия марки 100 могут иметь среднюю плотность равную 75-100кг/ м3).
Влияние пористости на теплопроводность
Волокнистые материалы имеют ярко выраженную зависимость коэффициенты теплопроводности от толщины волокон. Ряд авторов [19, 60,91] приводят данные, показывающие возрастание коэффициента теплопроводности минеральной ваты с ростом толщины волокон. Достаточно точные количественные зависимости к — f(fl) для всех видов волокнистых материалов, в частности для минеральной ваты, получены Б. Н. Кауфманом [49,60,91]
Отмечено, более существенным фактором в таких рыхлых материалах является эффективная плотность, т. е. содержание воздуха.
Доля теплоизлучения в полимерных волокнистых материалах мала вследствие невысоких температур их эксплуатации. Основная теплопередача в системах с участием волокон происходит путем конвекции. Теплоизолирующие свойства волокнистых конструкций обусловлены тем, что в них создаются препятствия для свободного перемещения воздуха, т. е. затрудняется теплопередача конвекцией. Чем больший объем воздуха удерживается волокнистым каркасом, тем лучше теплоизолирующие свойства такого материала.
Таким образом, собственно теплоизолирующим веществом оказывается не полимер, из которого состоит волокно, а воздушная прослойка, удерживаемая волокнами. Коэффициент теплопроводности для полимеров на три десятичных порядка выше коэффициента теплопроводности газов. Объем воздуха, удерживаемый волокнистыми материалами, достаточно высок, а скорость воздухообмена резко снижена.
Для текстильных тканей особое значение имеет объемность материала. Каркас, изготовленный из «объемных» волокон (из шерсти, имеющей естественную извитость, или из искусственно извитых химических волокон) или каркас с различными включениями, оказывается лучшим теплоизолятором, чем из «гладких» волокон, поскольку в первом случае слой удерживаемого воздуха значительно толще.
Перенос тепла во влажном волокнистом материале нельзя рассматривать независимо от переноса влаги. Влияние процесса переноса вещества на процесс переноса тепла особенно сказывается в тонкодисперсных и переувлажненных материалах. На процесс переноса влаги влияют ряд параметров — структура, свойства и состояние материала, разница давлений в порах, температура и др.
Кришер построил кривые зависимости ). - f(W)- которые иллюстрируют влияние переноса влаги (диффузия) на величину коэффициента эффективной теплопроводности в порах влажного материала. Эти кривые обнаруживают сильное возрастание Л = f(W) с ростом температуры. На графике (рис. 10) показано при какой температуре начинает играть заметную роль тепловой эффект в волокнистых полимерных материалах, обусловленный переносом пара.
При очень высоких температурах и значительных температурных перепадах, в случаях переувлажненного состояния сред и для особо мелкопористых структур этот эффект возрастет [55, 56,91].
Как было отмечено в предыдущей главе, одним из способов повышения тешіофизическах показателей материала является его механическое измельчение (механическая диспергация). Полимерные материалы характеризуются особыми прочностными показателями, в частности, для них характерны ярко выраженные релаксационные свойства яри .механическом разрушении [2, 17].
Для расчетов теоретической прочности полимеров используется наиболее простая структурная модель одноосно-ориентированного линейного полимера (волокна) в которой все цепи считаются расположенными вдоль оси ориентации.
В такой структурной модели имеется четыре типа разрушения (рис. 11) [5]. Теоретическая прочность при растяжении вдоль оси волокна (I) и при сдвиге поперек волокна (IV) наибольшая, а при растяжении поперек оси волокна (II) и при сдвиге вдоль оси волокна (Ш) - наименьшая. В случаях II и III разрушение связано с преодолением межмолекулярных сил, которые на 1 - 2 порядка меньше прочности химических связей. В неориентированном состоянии вследствие отсутствия макроскопической анизотропии остаются два типа разрушения: при растяжении и сдвиге в любом направлении. Теоретические прочности неориентированного полимера занимают промежуточные положения между теоретическими прочностями ориентированното полимера I и II (при растяжении) и III и IV (при сдвиге).
Расчетные и экспериментальные модели мехаиико-технологических схем измельчения
В практике измельчения различного видов сырья получили распространение две основные механико-технологические схемы измельчения, которые учитывают крупность исходного сырья, требования к конечному продукту, его физико-механические свойств и т.д-! а именно:
- измельчение за один или множество приемов в одном измельчителе без классификации; - многоступенчатое измельчение в одном или нескольких последовательно установленных измельчителях, процесс разрушения в которых идет с обязательной операцией просеивания (сепарирование), на классификаторах, устанавливаемых в каждой ступени.
Основным критерием для выбора механико-технологической схемы измельчения является эффективность её работы, под которой понимается выход фракции заданных размеров по времени, то есть производительность по конечному продукту, затраты энергии на получение единицы продукции, количество обслуживающего персонала, трудоемкость обслуживания и ремонта выбранного оборудования или отдельной дробилки, надежность работы и занимаемая производственная площадь.
Большинство технологических схем работают по принципу многоступенчатого измельчения, что позволяет решить главный вопрос -получить продукт измельчения заданного гранулометрического состава, избежать переизмельчения и снизить за счет этого неизбежные потери готового продукта. С других позиций многоступенчатые схемы измельчения снижают эффективность переработки сырья по указанным выше показателям, имеют крайне низкий общий КПД.
Получение продукта измельчения выровненного (заданного) гранулометрического состава в технологических схемах с одним измельчителем без классификации невозможно по следующим основным показателям:
- измельчаемый материал имеет негомогенную структуру и, вследствие этого, отдельные частицы не одинаковы по своим физико-механическим свойствам:
- разнородность сырья по физико-механическим свойствам исключает идентичность разрушения отдельных частиц в рабочей камере измельчителя, имеющего, как правило, постоянную рабочую скорость мелющих тел;
- наличие одной камеры в измельчителе, в которой рабочие органы имеют фиксированную скорость, определяют время пребывания измельчаемого сырья в ней по условию разрушения до нужных размеров самых твердых частиц;
- ведение цикла измельчения но разрушению самых прочных элементов сырья приводит к неизбежному переизмельчению разрушаемой массы, следствием чего является высокая степень неравномерности граїїуло метрического состава, повышенный расход энергии, затрачиваемой на ненужное переизмельчение, быстрый износ рабочих органов;
- неравномерность получаемого продукта помола по гранулометрическому составу приводит к снижению эффективности его переработки (снижается энергия горения, изменяются активность в химических реакциях, повышается взрывоопасность, снижается питательная ценность и т.д.)_
Процесс многоступенчатого измельчения с элементами поэтапной классификации можно представить как состоящий из отдельных ступеней, в которых измельчение идет за один прием в одном измельчителе [23, 24], Число ступеней измельчения определяется характером исходного сырья и требуемой степенью измельчения.
В многоступенчатых технологических схемах [86] имеющих несколько ступеней измельчения, на первую ступень поступает весь поток измельчаемого материала Qt\. Весь поток измельчаемого материала поступает на классификатор 5 , то есть Qn=Su (38) Поскольку часть материала (измельченного продукта) P i выделяется классификатором в готовый продукт, то на вторую ступень измельчения поступит поток P sj равный Q.rKi (39) где индексы пи. с означают проход и сход продукта.
После разрушения на первой ступени измельчения (на втором измельчителе) продукта Рса образуется Р"2 готового продукта, выделенного вторым классификатором, а остальная часть ҐїГ Р 2 Р2 направляется па следующую ступень.
Теоретически процесс доизмельчения и классификации по ступеням должен повторяться до тех пор, пока величина Рс! (т) не станет равной нулю. С позиции многоступенчатого измельчения общий поток готового продукта может быть записан в виде суммы:
Статистические методы определения характеристик устройств ТП по параметрам АСУ
Основные операции технологического процесса подготовки полимерных волокнистых подразделяют на проводимые с целью изменения (Приложение 9): 1) формы и размеров материала, 2) качества материала.
Первые необходимы для того, чтобы можно было обеспечить равномерное питание подготовительного оборудования и однородность вторичного сырья перед формованием, вторые позволяют удалять нежелательные загрязнения, проводить дегазацию и модификацию материала.
Операции, изменяющие форму и размеры отходов — это измельчение, уплотнение, фануляция [24, 37, 69], Громоздкие полимерные отходы необходимо грубо измельчать. В простейших случаях для этого используют пилы (например, ленточные и дисковые), различные резательные приспособления, дробилки.
Операции, изменяющие качество отходов — это промывка и сушка отходов или помола, одно- или многоступенчатая дегазация расплава и его фильтрование. Переплавка обеспечивает диспергирование и гомогенизацию вторичного сырья. На этой стадии процесса подготовки в сырье можно добавлять различные компоненты: стабилизаторы, пластификаторы, пигменты, а также наполнители, усиливающие материалы и т. д.
Для тех промышленных отходов, утилизация которых не связана с необходимостью проведения фазовых превращений или воздействия химических реагентов, но которые не могут быть использованы непосредственно, применяются два вида механической обработки: измельчение или компактирование (прессование). После измельчения, за которым может следовать фракционирование, отходы превращаются is продукты, готовые для дальнейшего использования. Выбор способа переработки полимерных отходов зависит от совокупности ряда показателей, таких как требуемая степень измельчения материала (табл. 8), механические свойства исходного техногенного сырья и др.
Более эффективной с точки зрения ,вторичного использования полимерного сырья является переработка отходов, включающая их предварительное измельчение с получением продуктов различной дисперсности, направляемых на переработку в изделия основного назначения или в производство других технических материалов. В этом случае не просто утилизируют отходы, но и вторично используют содержащееся в них полимерное сырье.
Необходимым условием для реализации этого направления переработки и использования отходов является разработка рациональных способов получения из них дисперсных материалов различной степени дисперсности, которые можно осуществить, используя методы механического измельчения.
Под измельчением понимается процесс разрушения кусков материала до заданных размеров, необходимых для промышленного использования продукта измельчения [69]. Конечную крупность получаемых при измельчении продуктов устанавливают исходя из требований технологии потребляющих производств.
Для переработки волокнистых полимерных материалов применяют процессы резания, что позволяет повысить их пористость Б связи с образованием повой высоко развитой активной поверхностью. Это Б СВОЮ очередь способствует повышению теплофюических характеристик материалов. Особенностью переработки волокнистых материалов является тот факт, что в процессе резания она «распушаются».
Машины для переработки полимерных волокнистых материалов (Приложение 10). Выбор типа машины для переработки зависит от совокупности показателей, таких как прочностные характеристики материала, реологические свойства, размеры исходных отходов и требуемая степень измельчения и др.
Машины режущего действия применяются для осуществления подготовительных операций, заключающихся в разделении исходных кусков отходов на крупные части. Они не получили распространения для мелкого измельчения, что объясняется сложностью конструктивного устройства машины, а также коротким сроком службы режущего органа машин и созданием большого шума при измельчении отходов на больших скоростях.
