Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ конструкции ударно центробежных мельниц и процессов, протекающих в них 13
1.1. Анализ конструкций ударно - центробежных мельниц 13
1.2. Теоретические исследования работы ударно -центробежных мельниц 25
1.2.1. Расчет траекторий движения частиц материала в ударно - центробежных измельчителях 26
1.2.2. Движение газо - жидкостных потоков 31
1.2.3. Расчет оптимального количества рабочих элементов ударно - центробежных измельчителей 35
1.2.4. Расчет производительности ударно - центробежных 4 измельчителей 37
1.3. Теоретические и экспериментальные исследования процесса износа ударных элементов 41
1.3.1. Состояние вопроса теории износа 41
1.3.2. Износ рабочих органов ударно - центробежных измельчителей 45
1.4. Расход энергии в ударных измельчителях 49
1.5. Активация материалов в процессе измельчения и методы ее оценки 52
1.5.1. Теории активации материалов при измельчении 52
1.5.2. Методы оценки степени активности порошков 58
1.6. Выводы по литературному обзору 60
Глава 2. Теоретические расчеты конструктивных и режимных параметров мельниц дезинтегра-торноготипа 63
2.1. Расчет скоростей и углов вылета измельчаемого материала с плоского ударного элемента 63
2.2. Расчет количества плоских ударных элементов в каждом ряду мельницы дезинтеграторного типа 67
2.3. Расчет производительности мельницы дезинтеграторного типа с плоскими ударными элементами 77
2.4. Расчет максимального размера частиц продукта сепарационной мельницы 86
2.5. Определение производительности сепарационной мельницы 94
Глава 3. Экспериментальные исследования мельниц дезинтеграторного типа 91
3.1. Описание экспериментальной установки 97
3.2. Методика экспериментальных исследований 100
3.3. Исследование влияния конструктивного оформления дезинтегратора на процесс тонкого измельчения материалов и износ рабочих органов 105
3.3.1. Определение оптимального угла установки плоских ударных элементов 105
3.3.2. Определение необходимого числа плоских ударных элементов 110
3.4. Исследование процесса измельчения и износа рабочих органов в комбинированной мельнице дезинтеграторного типа 113
3.5. Исследование влияния технологических параметров на процесс тонкого измельчения, износ рабочих органов и потребляемую мощьность 119
3.6. Исследование износа плоских ударных элементов 132
3.7. Сравнительные характеристики ряда измельчителей 140
3.8. Пути повышения изностойкости и долговечности рабочих органов ударно - центробежных измельчителей 144
3.8.1. Мероприятия по увеличению межремонтного цикла 145
3.8.2. Исследование влияния геометрической формы, угла установки и распределения по рядам ударных элементов
на их износ и эффективность процесса измельчения 145
3.9. Исследование режимных параметров дезинтегратора на характеристики процесса измельчения 150
3.10. Исследование влияния крупности исходного материала на характеристики процесса измельчения в дезинтеграторе 156
3.11. Исследования по определению оптимального числа плоских ударных элементов в дезинтеграторе 161
3.12. Измельчение материалов в дезинтеграторе с их одновременным смешением 165
3.13. Измельчение материалов в сепарационной мельнице 167
Глава 4. Математическое моделирование процесса активации материалов при обработке их в дезинтеграторе 176
Глава 5. Исследование процесса механо - химической активации поливинилхлорида - эмульсионного ... 181
5.1. Методики экспериментальных исследований 181
5.2. Результаты экспериментальных исследований по обработке ПВХ - Е в дезинтеграторе 182
5.3. Исследования энергии активации элиминирования хлористого водорода в ПВХ-Е, обработанного в дезинтеграторе 197
5.4. Исследование влияния ПАВ на активацию ПВХ в дезинтеграторе 201
5.5. Математическое моделирование процесса активации ПВХ - Е... 205
Глава 6. Принципиальные схемы основных конструк ций мельниц центробежно - ударного действия, разработанных на основе теоретических и экспериментальных исследований и их расчет 211
6.1. Двухступенчатая мельница ударно - отражательного действия... 211
6.2. Дезинтегратор 213
6.3 Мельница для измельчения сыпучих материалов 214
6.4. Мельница смеситель 217
6.5. Устройство для пылеулавливания и абсорбции вредных газов... 219
6.6. Инженерная методика расчета мельниц дезинтеграторного типа.. 221
6.6.1. Расчет мельниц дезинтеграторного типа с плоскими ударными элементами с центральной загрузкой 221
6.6.2. Расчет мельниц дезинтеграторного типа с плоскими ударными элементами с внутренней классификацией
измельчаемого материала 223
Глава 7. Использование мельниц дезинтеграторного типа в различных технологиях 224
7.1. Измельчение материалов, применяемых в порошковой металлургии 224
7.2. Тонкое измельчение оксидов алюминия 230
7.3. Измельчение минерального сырья и наполнителей 237
7.3.1. Измельчение фосфоритов месторождения Каратау 237
7.3.2. Измельчение материалов хорошо адсорбирующих влагу... 242
7.3.3. Измельчение золошлаков 248
7.3.4. Дезинтеграторная обработка наполнителей в технологии получения переплетного материала и искусственных кож.. 250
7.4. Применение мельниц дезинтеграторного типа в экологизации различных производств 256
7.4.1. Экологизация процессов гальванического производства 256
7.4.2. Опорожнение капиллярной трубки под действием импульса сжатого воздуха 265
7.4.3. Механо - химический синтез смазочных композиций жидкокристаллической природы 277
7.4.4. Использование дезинтегратора в качестве абсорбера 284
7.4.5. Использование дезинтегратора в качестве мокрого пылеуловителя 287
7.5. Применение ударных мельниц при обработке зерна 294
7.6. Убойные и мясные качества цыплят бройлеров, выращенных
при использовании заменителей гравия 296
Основные выводы 301
Литература
- Расчет траекторий движения частиц материала в ударно - центробежных измельчителях
- Расчет количества плоских ударных элементов в каждом ряду мельницы дезинтеграторного типа
- Исследование влияния конструктивного оформления дезинтегратора на процесс тонкого измельчения материалов и износ рабочих органов
- Результаты экспериментальных исследований по обработке ПВХ - Е в дезинтеграторе
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Повышение эффективности
4 ......
производства является важнейшей составной частью экономической стратегии
страны и в конечном счете выражается в увеличении выпуска продукции
высшего качества с наименьшими затратами. В химической промышленности
это достигается путем технического перевооружения, широкого внедрения
прогрессивных технологий и оборудования.
Для повышения интенсивности гетерогенных процессов гетерогенных
процессов с участием твердых фаз необходимо стремиться к увеличению
поверхности твердой фазы, участвующей в процессе. Поэтому в настоящее
время для химической промышленности многие продукты получают в
тонкодисперсном состоянии, причем требования к дисперсности порошков
непрерывно возрастают.
v Известно, что при измельчении материалов происходит не только
внешнее физическое изменение обрабатываемых веществ, но также и сложные
внутренние физико - химические превращения, оказывающие значительное
влияние на свойства материалов. Очень часто практическое использование
твердых веществ в гетерогенных и твердофазных реакциях вообще невозможно
без их предварительной механической активации.
Увеличение объемов и дисперсности измельчаемых материалов приводит
к резкому повышению энергозатрат. На процесс тонкого измельчения
расходуется более 10 % мирового производства энергии и лишь 0,05 % ее идет
на образование новой поверхности. Поэтому использование более
экономичных и эффективных способов измельчения, а также конструкций
измельчающих машин, является чрезвычайно актуальной задачей.
л\ Особенностью процесса тонкого измельчения абразивных материалов
является интенсивный износ рабочих органов мельниц, что естественно
снижает надежность работы машин и приводит к дополнительным затратам на
изготовление и замену рабочих органов. Поэтому повышение надежности оборудования при измельчении абразивов также является одной из актуальных задач.
В последние годы для производства тонкодисперсных порошков широкое распространение получили мельницы интенсивного действия с высокой скоростью нагружения. К таким измельчителям, в частности, относятся мельницы ударно-отражательного действия и дезинтеграторного типа. Оптимизация механики движения материала в этих мельницах, достигаемая правильным конструктивным решением, позволяет обеспечивать скорости, достаточные для получения заданного гранулометрического состава готового продукта при минимальных энергозатратах и износе рабочих органов.
Важной задачей является получение порошков заданного узкого гранулометрического состава, потребность в которых возрастает во многих отраслях промышленности. Для получения таких порошков обычно используют два типа машин, установленных последовательно друг за другом: измельчители и классификаторы различного конструктивного оформления. Экономически наиболее целесообразно создание измельчителей с эффективной классификацией материалов непосредственно в процессе их измельчения.
Современной тенденцией при разработке аппаратуры химических производств является совмещение технологических процессов при получении различных дисперсных материалов. Объединение процессов измельчения, активации, классификации и смешения в аппарате - измельчителе интенсифицирует технологию обработки дисперсных композиций.
Экпериментальные исследования показали высокую эффективность применения дезинтеграторов в различных технологиях: для улучшения технологических свойств изделий керамической промышленности, для измельчения отходов цветных металлов, обогащения фосфорсодержащих руд, для активации поливинилхлорида и наполнителей, для проведения химического синтеза и т.д.
Разработка и внедрение измельчающих машин высокоинтенсивного действия позволяет не только достичь определенной тонины помола, но и целенаправленно изменять физико-химические свойства обрабатываемого дисперсного материала. Так, в ряде технологических процессов кинетика реакций с использованием дисперсных материалов, обработанных в измельчителях - активаторах, определяется больше активацией, а не изменением дисперсности системы. Увеличение активности механически обработанного дисперсного материала позволяет значительно снизить температуру, давление и т.д. последующих химико-технологических процессов, а, следовательно, и их энергоемкость.
Несмотря на большое количество исследований проведенных в области механической активации, в настоящее время теория, позволяющая с достаточно хорошей точностью прогнозировать ход процесса активирования дисперсных материалов, развита недостаточно.
Для развития теории механической активации материалов и ее практического применения необходимо более детально исследовать этот процесс и найти связь между режимными условиями нагружения частиц, конструктивными особенностями измельчителей и изменением свойств активированных материалов. Кроме того, необходимым условием для получения порошков узкого гранулометрического состава и композиционных смесей с заданными свойствами является разработка новых способов измельчения, классификации и смешения, а также создание высокоэффективных конструкций измельчителей - активаторов разного принципа действия.
Диссертационная работа выполнялась в рамках постановления ГКНТ СССР от 13.12.82 г. № 539 „Создание и освоение в отраслях народного хозяйства технологий и оборудования для механической активации и измельчения минерального сырья и материалов", а также в рамках постановления ГКНТ СССР от 11.03.87 г. № 68 "Создание и освоение в
отраслях народного хозяйства технологий и оборудования для механической активации и измельчения минерального сырья я материалов". С 1980 года и по настоящее время тематика связана с разработкой техники и технологий переработки материалов в измельчителях ударного действия является составной частью комплексного плана научно - исследовательской работы Ивановской государственной сельскохозяйственной академии, проводимой по планам Главного управления высших учебных заведений министерства сельского хозяйства РФ. Научная новизна:
1. С использованием трех различных подходов разработана
полуэмпирическая математическая модель процесса механической активации
дисперсных материалов, описывающая изменение их свойств, как в процессе
ударного нагружения, так и с учетом релаксационных явлений, которая
позволяет оптимизировать режимы активирования при получении материалов с
заданными свойствами,
Разработана математическая модель движения пленки жидкости под действием импульса сжатого воздуха, позволяющая оценит толщину пленки жидкости в момент перехода ее из турбулентного режима течения в ламинарный.
Разработана полуэмпирическая модель процесса улавливания вредных газов из воздушных потоков, при их хемосорбции в объеме дезинтегратора.
Предложен метод расчета оптимального количества плоских ударных элементов в каждом ряду дезинтегратора в зависимости от режимов работы дезинтегратора физико - механических свойств измельчаемого материала и воздушной среды, рассчитанных скоростей и углов встречи частиц с рабочими элементами, а также геометрических параметров измельчителя.
5. Предложены зависимости для определения максимальной
производительности мельниц дезинтеграторного типа и сепарационных
мельниц дезинтеграторного типа.
Получена зависимость для определения граничного размера частиц готового продукта сепарационной мельницы дезинтеграторного типа.
Обнаружено явление интенсивного процесса сорбции паров влаги из воздушной среды материалами, измельчаемыми в дезинтеграторе и влияние их на свойства конечного продукта.
Практическая ценность работы:
Разработан ряд мельниц дезинтеграторного типа, предназначенных для обработки дисперсных материалов. 13 конструкций защищены авторскими свидетельствами СССР;
Разработан инженерный метод расчета дезинтеграторов с плоскими ударными элементами и метод расчета дезинтегратора с внутренней сепарацией.
Показана целесообразность и эффективность использования мельниц дезинтеграторного типа для активации полимерных материалов и композиций на основе полимеров, для проведения химических реакций, в технике получения высокодисперсных порошков, для обработки наполнителей в технологии получения переплетных материалов и искусственных кож, в качестве абсорбера и мокрого пылеуловителя.
Автор защищает:
Математическую модель процесса активации дисперсных материалов в результате механической обработки.
Математическую модель конструктивного расчета дезинтеграторов с плоскими ударными элементами;
3. Математическую модель определения граничного размера частиц продукта сепарационной мельницы;
Математическую модель движения пленки жидкости под действием импульса сжатого воздуха.
Математическую модель абсорбции оксидов азота из воздушного потока.
6. Результаты экспериментальных и опытно-промышленных
исследований процесса измельчения, смешения, активации, химического
синтеза и абсорбции газов в мельницах дезинтеграторного типа.
7. Конструкции мельниц и активаторов дезинтеграторного типа.
Расчет траекторий движения частиц материала в ударно - центробежных измельчителях
В ударно-центробежных мельницах с центральной загрузкой материала частицы начинают свое движение от центра ротора к периферии. В безлопастных машинах частицы вылетают с вращающегося диска со скоростью около 40-45% от окружной скорости, что объясняется импульсным их контактом с разгонным диском [82].
Исследованию дезинтегратора с плоскими ударными элементами посвящена работа А.В. Богородского [83].
В дезинтеграторе с плоскими ударными элемента частицы материала после соударения с рабочим органом разгоняются вдоль его поверхности. Причем, по мнению одних авторов, частицы движутся по поверхности ударного элемента в один слой [83], другие считают, что слой движущегося по элементу материала имеет переменное сечение, и через определенные интервалы времени на этот слой выпадают новые порции материала [84, 85].
Известно, что разрушение частицы происходит лучше при прямом или близком к нему угле столкновения частицы с поверхностью ударного элемента [86]. Поэтому ударные элементы должны устанавливаться под такими углами к радиусу, чтобы обеспечить прямой угол атаки частицы поверхности рабочего органа. Для этого необходимо достаточно точно рассчитывать углы и скорости вылета частиц с ударных элементов.
Расчету углов и скоростей вылета частиц с вращающихся поверхностей посвящен целый ряд работ [83, 87-97].
В машинах с радиально расположенными лопастями скорость вылета частиц равна геометрической сумме окружной скорости вращения ротора и относительной скорости перемещения материала по поверхности разгонной лопасти. В этом случае величину скорости вылета без учета сил трения Роукс предложил вычислять по следующей формуле [88]: VBbM.=coV2R +RB2H. «coRHV2 (і.і) где со - угловая скорость ротора; RH и RB„ - радиусы наружной и внутренней кромок разгонной лопасти.
Силы трения частицы о лопасть уменьшают значение скорости вылета. В связи с этим, Планиоль [89] рекомендует следующую формулу для определения скорости вылета частицы: VBU], = l,27c»RH (1.2) Им же определены углы вылета частиц с лопасти, в среднем равные 38 к касательной, проведенной к окружности, описываемой концами лопастей.
Более полные исследования движения частиц в роторе с прямолинейными лопастями, вращающимися вокруг горизонтальной оси, были выполнены В.М. Гребеником [90-91]. Им получено уравнение для определения относительной скорости движения куска материала по лопатке: Ч,,„.=(І,-УУ V 1 2 J + g_ 2(0 A,j — K2Q kx-X2 \2\ о (1.3) COs(q 0+pTp)+- sin(q 0+pTp) (0 —LeMsin(cp0+pTp)-cos((p0+pTp +(0t)} (0 A,i = (-f + Vf2+i)o; x2 = (-f-Vf2 +lJLa ГДЄ A = I 1] - расстояние от центра вращения до точки начала движения частицы по лопатке; Ь- перпендикуляр с оси ротора на направление лопатки;- f -коэффициент трения скольжения; t - время; g - ускорение свободного падения; фо - угол, определяющий начальное положение частицы на лопатке; ртр. - угол трения.
Второе слагаемое правой части уравнения (1.3) учитывает влияние веса куска материала. Поскольку это влияние на скорость вылета не превышает 5% , то уравнение (1.3) Гребеник упростил:
Большую скорость вылета при постоянной частоте вращения ротора частицы приобретают при повороте лопасти в сторону направления вращения. Для прямолинейных лопастей при их оптимальном расположении скорость вылета частицы составляет 117-129 % от окружной скорости вращения ротора. В этой же работе предложены аналитические зависимости 1.5 и 1.6 для определения скорости и угла вылета частиц из горизонтального ротора с прямыми лопастями, повернутыми в сторону вращения:
Расчет количества плоских ударных элементов в каждом ряду мельницы дезинтеграторного типа
Важным этапом для проведения оптимизации процесса измельчения в мельницах дезинтеграторного типа является расчет необходимого количества ударных элементов в каждом ряду. Такие расчеты проводят, исходя из условия отсутствия проскока частиц измельчаемого материала через каждый последующий ряд ударных элементов [10,83]. Применим методику, предложенную Хинтом, для расчета необходимого числа плоских элементов в одном ряду. Поскольку первый ряд в дезинтеграторе с плоскими ударными элементами выполняет в основном роль разбрасывателя, то вывод формулы проведем для второго, третьего и т.д. рядов. На рис. 2.3 показано минимальное расстояние Lj между ударными элементами второго ряда, при котором частицы измельчаемого материала имели бы возможность пройти его, не задев ударных элементов, при условии, что второй ряд неподвижен. Размером частиц пренебрегаем.
Пусть частица измельчаемого материала вылетает с ударного элемента первого ряда под углом а. Из геометрических построений можно найти минимальное расстояние между двумя ударными элементами второго ряда.
Формула (2.22) пригодна для расчета минимального количества ударных элементов в случае, когда второй ряд неподвижен, т.е. для дисмембратора. В дезинтеграторе второй ряд ударных элементов движется на встречу частицам материала. Поэтому расстояние между ударными элементами должно быть больше. Пусть скорость движения частиц материала Vj, тогда за время движения частицы на отрезке пути ВС ударный элемент второго ряда должен пройти путь Lz с угловой скоростью со. (2.24) Величину отрезка ВС можно найти из рис. 2.3 и подставить в формулу (2.24). Будем иметь: тС ( R,+b R,+b ї , sin R2"T arcsin г- cos a - arcsin r cos a (o,R. R2- R2+5 R__ — b COS a V. ( } тогда минимальное расстояние между ударными элементами можно найти суммированием двух отрезков. L = L,+L2 (2.26)
Чтобы использовать полученную формулу для расчетов необходимо определить значения скорости движения частицы материала и угол ее вылета с предыдущего ряда ударных элементов. Для этого необходимо воспользоваться уравнениями (2.14,2.15).
Аналогично определяется необходимое число плоских ударных элементов в третьем, в четвертом и т.д. рядах. Число ударных элементов в первом ряду выбирается с учетом возможности создания необходимой производительности мельницы и будет рассмотрено ниже.
В случае наклонных пластин на угол у относительно радиуса диска в сторону вращения расстояние между ударными элементами второго ряда (рис.2.4), также определяется путем суммирования двух отрезков, длины которых получены с некоторыми упрощениями аналогично уравнениям (2.22, 2.25):
В реальной мельнице частицы материала не сохраняют своей первоначальной скорости. Скорость быстро падает за счет сопротивления оказываемого воздушной средой и столкновения между частицами. Направление отрезка АС (рис. 2.3, 2.4) - это усредненное направление движения материала. Возможен проскок частиц измельчаемого материала. Поэтому ударных элементов в мельнице нужно ставить больше, чем рассчитано по изложенной методике. В дезинтеграторе с плоскими ударными элементами ударный элемент должен выполнять двоякую роль: материал должен соударяться с ударным элементом и разгоняться им в целях получения более высоких скоростей, поэтому желательно, чтобы ударные элементы состояли как бы из двух частей - бил и разгонных лопаток. Значит необходимо, чтобы ударные элементы "перекрывали" друг друга. Отсюда следует, что число ударных элементов, рассчитанное по изложенной методике, необходимо увеличивать в два раза.
Расчеты, основанные на условии отсутствия проскока материала, не учитывают сопротивления воздушной среды. Мельница может работать эффективно, если частицы измельчаемого материала при встрече с ударным элементом последующего ряда незначительно теряют скорость их вылета с предыдущего ряда. Интенсивность изменения скорости зависит от размера частиц, их плотности, начальной скорости и параметров воздушной среды [306-309].
Исследование влияния конструктивного оформления дезинтегратора на процесс тонкого измельчения материалов и износ рабочих органов
Оптимальным для разрушения частиц является прямой угол их столкновения с поверхностью ударных элементов [81], а износ мягких сталей, к которым относится сталь Ст.З, при этом условии минимален. Для мягких сталей максимальный износ наблюдается при углах падения абразивных частиц около 30 [140,146, 153, 155, 327].
В соответствии с уравнениями (2.13-2.15), определены скорость и угол вылета частиц с ударных элементами каждого последующего ряда в дезинтеграторе (табл. 3.2). Расчеты показывают, что угол атаки измельчаемого материала не превышает 60 , т.е. далек от прямого угла. Исследовано влияние углов установки плоских ударных элементов к радиусу ротора на процесс тонкого измельчения и их износ (рис. 3.4 - 3.6). Из \ рис. 3.4 следует, что минимальному износу соответствует угол установки ударных элементов равный 15, при этом угол атаки частиц приближается к Г/ прямому. Однако мы не получаем наибольшей степени измельчения материала и имеем неравномерный элементов каждого ряда, а также угол встречи частиц материала с ударными износ пластин по рядам (рис. 3.5, 3.6).
Опыты показали, что наиболее тонкий помол материла и в тоже время максимальный износ рабочих элементов наблюдается при угле установки пластин, равном 45 (рис. 3.4-3.6).
Такой результат противоречит данным, полученным авторами [10,80]. В действительности противоречия нет, так как при углах установки пластин на роторах, равных 45 , углы соударения частиц больше прямого (табл. 3.3) и частицы отражаются, в основном к центру, подвергаясь повторному ударному нагружению рабочими элементами ближайшего внутреннего ряда. Интенсивность измельчения возрастает, растет и износ пластин внутренних рядов. Таблица 3.3.
В целях увеличения долговечности дезинтегратора, необходимо создать условия для равномерного износа рабочих элементов на всех рядах мельницы. Этого можно достичь путем подбора угла установки ударных элементов. Первый ряд пластин преимущественно играет роль дозатора (распределителя материала) и участвует в процессе измельчения частиц, которые отражаются со второго ряда. Исходя из условия оптимального захвата частиц измельчаемого материала плоскими ударными элементами первого ряда [67,304, 312].
С целью обеспечения наибольшей степени измельчения материалов угол установки пластин на втором ряду принят равным 45. Износ ударных элементов второго ряда принимается за базовый износ. На третьем и четвертом рядах линейная скорость вылета частиц измельчаемого материала возрастает и с целью снижения удельного износа ударных элементов необходимо углы установки пластин на этих рядах уменьшить, т.е. снизить степень отражения материала с последующего ряда на предыдущий ряд. Износ по рядам выравнивается, если на третьем ряду угол установки будет близким к 30, а на четвертом к 15. Выравнивание износа первого ряда достигается путем подбора числа пластин. Для экспериментальной мельницы число пластин на первом ряду составило 12 штук. На разработанный дезинтегратор получено авторское свидетельство [305]. Расчетные параметры для ударных пластин с выбранными углами установки приведены в табл. 3.3.
Нами в работе [297] и в разделе 2 данной работы предложена методика расчета необходимого количества плоских ударных элементов в каждом ряду дезинтегратора. Проверка методики проводилась экспериментально путем исследования влияния количества пластин на процесс измельчения и их удельный износ.
Опыты проведены со следующим количеством пластин в каждом ряду: 3,6,12,24 (в последнем варианте на первом внутреннем ряду установлено 12 элементов, 24 не помещаются). С увеличением количества пластин уменьшается возможность проскока частиц материала без соударения. Увеличение числа соударений материала с ударными элементами и снижение длины свободного пролета частиц, приводит к росту степени измельчения (рис. 3.7). Известно, что суммарный износ элементов повышается при увеличении их количества на роторе, одновременно снижается удельный износ одного элемента [58, 80]. Опыты подтверждают рост суммарного износа элементов с увеличением их количества (рис. 3.8).
Результаты экспериментальных исследований по обработке ПВХ - Е в дезинтеграторе
Процесс механической активации и проверка адекватности предложенной математической модели проведены на эмульсионном поливинилхлориде. Выбор объекта исследования обусловлен масштабами производства и широтой использования полимера в мире [384-391].
В исследованиях степень активации ПВХ-Е оценивалась по вязкости 0,5% раствора полимера в циклогексаноне, энергии активации дегидрохлорирования, тангенсу угла диэлектрических потерь, которые в совокупности с другими методами позволяют раскрыть механизм процесса активации эмульсионного поливинилхлорида в мельницах дезинтеграторного типа.
При обработке ПВХ-Е в дезинтеграторе развиваются высокие температуры, что приводит к реакции дегидрохлорирования с изменением конформаций полимерных цепей [253, 386, 392]. На свойства ПВХ оказывают влияние поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые имеются в промышленном ПВХ, например, натриевые соли алкилсульфокислот, а также среда, например, пары воды, в которой проходит обработка полимера [393].
Таким образом, в дезинтеграторе в процессе обработки эмульсионного поливинилхлорида возможны следующие реакции: а [-СН2 - СНС1 - СН2 - СНС1-]„- [-СН2 - CU = СН- СНС1-]„ + НС1 (5.3) а [-СН2 - СНС1 - СН2- СНС1-]П + Н20- [-СН2 - СНОН - СН- СНС1-]П + НС1 (5.4) а CnH2n+iS03Na + Н2ОН CnH2n+,S03H + NaOH (5.5) CnH2n+,S03Na + НС1-» C„H2n+,S03H + NaCl (5.6) NaOH + HC1-» NaCl + H20 (5.7) a [-CH2 - CHC1 - CH2- CHCl-]„ + CnH2n+1S03Na + H20- j - [-CH2 - CH - CH2 - CHCl-]n + NaCl (5.8) і CnH2n+iS03 Исследовано [394] изменение pH водных вытяжек системы ПВХ-Е - Н20 в зависимости от кратности обработки ПВХ-Е в дезинтеграторе. Зависимость имеет экстремальный характер (рис. 5.1). При обработке в дезинтеграторе частицы ПВХ-Е измельчаются (рис. 5.2) и (рис. 5.3), что приводит к вскрытию ПАВ. Наличие экстремального значения рН после однократной обработки указывает на максимальный выход из ПВХ-Е в водную среду ПАВ, которые в результате гидролиза и увеличивают щелочность среды.
Снижение рН среды при увеличении кратности обработки вызывается нейтрализацией щелочи хлористым водородом, который выделяется при деструкции ПВХ. Влияние кратности обработки ПВХ-Е в дезинтеграторе на содержание НС1 в поливинилхлориде выявлено по результатам термогравиметрических исследований и приведено на рис. 5.4. С увеличением кратности обработки снижается содержание хлористого водорода в полимере, что подтверждается также уменьшением отношения интегральных
Нами проведены спектрофотометрические исследования эмульсионного ПВХ на спектрометре SPECORD 75-IR [396-398]. Рассмотрение полученных спектров в зависимости от кратности обработки полимера в дезинтеграторе при скорости нагружения 140 м/с позволило выявить максимумы поглощения для частот, приведенных в таб. 5.1. Новых частот не появилось [399-403].
Результаты исследований позволяют сделать вывод об отсутствии химических превращений в ПВХ-Е в пределах чувствительности прибора.
Порошки ПВХ-Е с КВг хемосорбируют влагу из воздуха и создают переменный по длине волн светопоглощающий фон. В связи с этим нами предложено приращение оптической плотности для характеристических частот определять по формуле: и In ФбР D, J (5.9) L. _ Добр. _ Пр.Обр. D cx. П Jcfricx. пр.исх . где Іф.обр. и Дф.исх. - интенсивность пропускания фона для обработанного и исходного образцов соответственно; Jnp.o6p. и Jnp.HCx. - интенсивность пропускания для характеристических частот обработанного и исходного образцов.
Определение значений интенсивности пропускания из ИК - спектров показано на рис. 5.6. Результаты расчетов приведены в табл. 5.2.
Из таблицы 5.2. видно, что относительные приращения оптической плотности за счет механической обработки мало зависят от характеристических частот, а максимум приращения соответствует однократному пропусканию в дезинтеграторе, что находится в согласии с наличием экстремальных значений вязкости растворов ПВХ-Е в циклогексаноне рис. 5.1.
Наблюдаемое на опыте приращение оптической плотности образцов ПВХ после нагружения эквивалентно увеличению концентрации молекул (связей). В реальном образце молекулы вещества находятся в окружении других молекул и взаимодействуют с ними. Для полимеров ПВХ-Е характерно образование
глобул, мицелл и т.д. [385]. Наличие взаимодействия в таких образованиях между различными специфическими группами молекул на ИК - спектре проявляется в уширении полос поглощения. Интенсивная механическая обработка должна сопровождаться ростом энергетического уровня фрагментов молекулярных образований с изменением их укладки. Происходят конформационные превращения. Можно утверждать, что при этом образуются более открытые структуры с большим запасом свободной энергии и меньшим межмолекулярным взаимодействием. Соответственно в ИК - спектре можно ожидать после нагружения сужение полос поглощения и соответствующее увеличение оптической плотности образцов. Развитые представления находят подтверждение в ИК - спектрах.
На рис. 5.6. в качестве примера приведена графическая обработка ИК -спектра, соответствующего полосе поглощения 2910 см 1. Так, угол а для исходного материала составил 14. После одного цикла обработки в дезинтеграторе угол а уменьшился до минимального значения 8, в то время как приращение оптической плотности составило максимальную величину (табл. 5.6.)
Предлагаем ввести по аналогии с теорией электролитов понятие коэффициента механо-физико-химической активации ум К, который характеризует влияние молекулярного окружения на энергетическое состояние молекул полимера.
В данной работе методом фракционирования дробным осаждением найдено молекулярно-массовое распределение эмульсионного поливинилхлорида при его обработке в дезинтеграторе (рис. 5.7.). На основании полученных данных построена зависимость средней молекулярной массы от числа циклов нагружения (рис. 5.8). Из рис. 5.8 видно, что при механическом нагружении средняя молекулярная масса снижается. Однако при однократной обработке средняя молекулярная масса возрастает. Имеет место аномалия.
