Введение к работе
Актуальность темы. Практика показывает, что синтез пояиизоггрена с заданными свойствами не вьвывает особых проблем, гораздо большие трудности возникают на стадии выделения продуктов реакции. Заключительным процессом технологии выделения целевого продукта является сушка, которую в производстве полиизопрена в основном осуществляют в червячных сушильных агрегатах (механотермическая сушка) методом сброса давления. Механотермическая сушка включает последовательные, но разнородные, как по физической природе, так и по преследуемым целям процессы. Это экструзия и разогрев влажного каучука в червячной сушильной машине (экспандере) и собственно сушка, происходящая в момент выгрузки нагретого каучука в зону пониженного давления, после чего каучук досушивают конвективным способом, в форме крошки в состоянии непродуваемого виброкипящего слоя.
Процесс экструзии предпочтительно осуществлять при нахождении каучука в вязкотекучем состоянии. Для сушки рационально снижать затраты тепла на испарение влаги. Однако развивать текучесть каучука целесообразно в технологии переработки полимеров для уведзгчения прошводительности червячного агрегата, а уменьшение энергозатрат, снижая начальную влажность материала, целесообразно осуществлять в процессе конвективной сушки. Для механотермической сушки данные принципы оп-тимизашш процесса неэффективны, так как приводят к росту температуры сушки, вызьгеают пластикацию каучука и его потери, а в некоторых случаях не позволяют достичь требуемого конечного влагосодержания продукта. Особо остро это проявляется при сушке высокопластичных и высокопрочных каучуков и каучуков, стабилизированных легколетучим антиоксидантом. Так как червячные сушильные агрегаты являются высокопроизводительным оборудованием, экономические убытки, связанные со снижением качества сушки и потерями полимера, становятся весьма значительными. К тому же, повышенные температуры сушки требуют дополнительного охлаждения каучука перед упаковкой, в противном случае инициируется деструкция и/или структурирование каучука в период остывания брикета, а также наблюдается разрыв полиэтиленовой пленки и прилипание брикета к бумажному мешку. Это в последующем приводит к дополнительным затратам при переработке каучука у потребителей.
Основной целью работы являлось выявление условий, позволяющих проводить процесс механотермической сушки при более низких температурах, высушивая полимер до заданной влажности, что позволит уменьшить температуру брикета и потери каучука за счет пластикации и структурирования, а также снизить расход антиокси-данта. Поставленная цель определила основные задачи теоретических и экспериментальных исследований.
Задачи исследования.
выявить закономерности процесса сушки каучука при сбросе давления, используя математическую модель процесса;
разработать методику определения оптимальных режимов сушки, базирующуюся на реометрігческих и прочностных свойствах каучука;
на основе теоретических и экспериментальных исследований определить предпочтительные режимы сушки, оптимальные конструкции узлов сушильных агрегатов и основные критерии управления процессом;
- разработать и исследовать технические и технологические приемы сушки
каучука, позволяющие осуществлять процесс при одновременном охлаждении кау
чука.
Объектом исследования настоящей работы является технология сушки каучука методом сброса давления, осуществляемая в червячных сушильных агрегатах. Общие закономерности процесса исследовались на примере производства изопренового каучука. Каучук соответствовал требованиям ГОСТ 14925-79*.
Методы исследования. Основные теоретические задачи работы решались с привлечением математического аппарата, используемого для решения линейных дифференциальных уравнений и дифференциальных уравнений в частных производных. С целью проверки полученных расчетных соотношений, а также учета факторов, не нашедших отражения в известных теоретических разработках, проведены экспериментальные исследования на лабораторных установках и в промышленных условиях. Экспериментальное изучение температурной зависимости реометрических свойств каучука проводили при температурах 373-483 К (100-210 С) на крутильном маятнике при частотах 0,5-15 Гц. Изучение прочностных свойств каучука при двухосном деформировании проводили на лабораторной установке собственной конструкции, с последующей обработкой результатов эксперимента по разработанной методике. Закономерности воздушно-испарительного охлаждения изучались на пилотной установке при дальнейшем уточнении оптимальных параметров в условиях производства.
Дія сложных расчетов применяли прикладной пакет программ «Maihcat». Для обобщения результатов экспериментов и приведению расчетных зависимостей к виду, удобному для инженерных расчетов, применяли методы математической статистики.
Научная новизна работы заключается в определении условий для быстрого и полного перевода высушиваемого каучука в высокоэластическое состояние, при котором возможен его разрыв. В связи с этим сушка рассматрішается как процесс тепломассообмена, протекающий во временном периоде, ограниченном временем релаксации каучука и критерием осуществления сушки будет условие, при котором скорость деформации опережает скорость релаксации напряжений в каучуке, а последняя зависит от его реометрических и прочностных (когезионных) свойств.
Кроме того, использование реометрических и прочностных свойств каучука для прогнозирования сушки важно с точки зрения перехода РФ на интернациональную систему контроля качества продукции (ИСО), в которой реометрическим и прочностным показателям эластомера отводится основное внимание.
Практической ценностью работы являются определение:
научно-теоретических основ снижения температуры сушки каучука в червячных сушильных агрегатах, базирующееся на выборе оптимальной величины влажности каучука подаваемого на сушку, в зависимости от его реометрических и прочностных свойств, а также с учетом присутствия в полимере гидрофильных примесей, дающей возможность удалять влагу из каучука, как в виде пара, так и в виде жидкости;
оптимальных условий нахождения полимера в выгрузных устройствах в соот-
ветствші с временем релаксашш каучука. Данньге, .обобщающие положения могут быть применены для внедрения механотермического способа сушки при производстве различных типов эластомеров.
Кроме того, обоснована возможность улучшения экологического состояния производства за счет снижения в 4-5 раз объема газовых выбросов, образующихся при механотермической сушке, а также использования метода воздушно-испарительного охлаждения для снижения температуры брикета каучука СКИ-3, позволяющего к тому же и улучшать качество сушки.
Апробация работы. Основные материалы диссертации излагались и обсуждались на Всесоюзной (Воронеж-1989), международной (Нижнекамск-1999) и на научной конференции ВГТА (Воронеж - 2000 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе получены 3 авторских свидетельства на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 208 страниц из них основной текст 180 страниц В работу включены 99 рисунков, 2 таблицы. В списке литературы 282 источника.