Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов)
..pdf
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
предварительного определения |
ос |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
новных |
геометрических |
параметров |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
машины в зависимости от заданной |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
производительности, |
вида экструди |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
руемого |
|
изделия |
и |
перерабатывае |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мого материала. В табл. VIII. 2 при |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ведены |
значения |
средних градиен |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тов |
|
скорости |
ус = |
JtDN/h2i |
реали |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зуемых |
при переработке различных |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
термопластов |
на |
современных |
экс |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
трудерах. Там же содержатся реко |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мендации |
по |
относительной |
длине |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
различных зон червяка и значению |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
коэффициента |
изменения |
объема |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
винтового |
канала. Таблица |
состав |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лена применительно к червякам с |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
LjD = 20. |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Чтобы |
распространить рекомен |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дации, приведенные на стр. 340, со |
|||||||||||
|
|
|
|
|
10 |
|
20 |
|
|
|
ставленные для червяков с диамет |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
Р, мПа |
|
|
|
ром 63 мм, на машины с произволь |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ным |
|
диаметром червяка, необходи |
|||||||||
Рис. VIII. 57. |
Внешние характеристики |
мо |
воспользоваться |
условиями |
мо |
|||||||||||||||||
делирования. |
Обычно |
принимают, |
||||||||||||||||||||
червяка |
(/, 2, |
3, |
4) и головки |
(5, б), |
||||||||||||||||||
рассчитанные |
для |
|
экструдера |
Гримм |
что у геометрически |
подобных |
чер |
|||||||||||||||
Е 00 |
(0 = 90 мм; |
1/0 = 22; Л0= 0,3 см; |
вяков средний градиент скорости в |
|||||||||||||||||||
Д| = 1,2 см; £ J/ 0 = |
1O; ступень |
сжатия |
||||||||||||||||||||
/ = 0; |
е = 0,1 0; |
температура по зонам: |
канале |
должен |
быть |
одинаковым |
||||||||||||||||
/ - 3 6 0 |
К; |
/ / - 4 1 5 ; |
|
/ / / — 425; |
/ V |
- 425; |
[22; |
105, |
с. 309; 106]. Предлагаемый |
|||||||||||||
голоака —425 К |
при |
переработке |
поли |
закон |
изменения |
глубины |
канала |
|||||||||||||||
этилена |
низкой |
плотности |
|
(я = 2,5 ; |
||||||||||||||||||
ц<,= 15 |
Нс1/2’ 5/см2; 0—0 ,0 1 1К " 1); |
/, 2 , |
выглядит следующим образом: |
|
||||||||||||||||||
5, 4—характеристики червяка |
при ча |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
стоте |
|
вращения |
N, |
равной |
соответст |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
венно 60, |
4 5, 32 |
|
и 22 |
об/мин; |
5 —харак |
А/А0 = |
(D 0/D )'!‘ |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
теристика |
головки, |
рассчитанная |
при |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
425 |
К; |
5 —характеристика |
головки, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
скорректированная с учетом изменения |
Строго говоря, этот закон прило |
|||||||||||||||||||||
температуры расплава. Пунктиром на |
||||||||||||||||||||||
несены изотермы. |
|
|
|
|
|
жим только к термически нейтраль |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ным червякам |
(обогрев или охлаж |
дение червяка отсутствует). Тем не менее он был использован при построении номограммы (рис. VIII. 58), по которой предваритель но определяют диаметр червяка. При этом у червяков, предназна ченных для переработки полиэтилена низкой и высокой плотности, полипропилена, полиамида 6,6 и высокопрочного полистирола, длина зоны дозирования составляет около половины общей длины черняка.
На червяках, предназначенных для переработки полистирола, сухой смеси пластифицированного поливинилхлорида и отходов полиолефинов, может быть установлен смесительный наконечник (торпеда), который повышает гомогенизирующую способность черняка и снижает флуктуации производительности экструдера.
VIII. 23. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФЛУКТУАЦИЙ СВОЙСТВ СЫРЬЯ НА СТАБИЛЬНОСТЬ РАЗМЕРОВ И ТЕМПЕРАТУРЫ ЭКСТРУДАТА
Предположим, что нестабильность свойств сырья проявляется в основном в изменениях параметров цо и п, в то время как темпе-
-ратурный коэффициент b остается практически постоянным. В этом случае анализ влияния колебаний свойств сырья сведется к иссле дованию влияния этого изменения на расположение рабочей точки. Следует иметь в виду, что такое влияние носит весьма сложный характер. Здесь трудно надеяться на получение каких-либо общих выводов. В каждом случае для выявления характера влияния не обходимо проводить специальное исследование. Поэтому автор не пытается давать никаких общих рекомендаций, излагая ниже ме тод исследования, применение которого позволяет почувствовать особенности конкретной установки, представляющей сочетание
экструдера и формующей головки.
В качестве примера такого исследования на рис. VIII. 59 в ло
гарифмических |
координатах |
нанесены |
рабочие |
характеристики, |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рассчитанные |
|
для |
червяка |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
диаметром |
63 мм и L/D = 26,3. |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Исследовалось |
влияние |
изме |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нения индекса течения в диа |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пазоне |
2 ^ |
п ^ 4. |
Среднее |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
значение |
п = 3; |
основные па |
|||||||
C) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
раметры |
режима: температура |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
корпуса |
7\ = |
483 |
К, |
частота |
||||||
CM3/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вращения |
|
|
червяка |
|
N = |
|||||
Q( |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
60 об/мин. Остальные харак |
||||||||
Ig |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
теристики червяка |
и |
расплава |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
приведены в подписи под ри |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сунком. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прежде |
всего обращает на |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
себя внимание, что все три |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кривые можно явно разделить |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на два участка. Первый уча |
|||||||||
Рис. VIII. 59. Исследование |
|
влияния |
флуктуа |
сток |
отличается |
слабой |
зави |
||||||||||||||
ции п на |
производительность, температуру |
симостью |
Q от |
Рг |
(для |
Рг |
|||||||||||||||
и давление экструдера. Материал — полиэтилен |
^ |
10 МПа). В пределах этого |
|||||||||||||||||||
низкой |
плотности |
|
|
|
|
Н -с^2, 5/см2; |
|||||||||||||||
ft= 1.04-io 2 К |
Г^.=48'5 К). Кривые—внеш |
участка |
характеристики |
рас |
|||||||||||||||||
ние характеристики червяка |
при разных |
зна |
полагаются |
совершенно |
сим- |
||||||||||||||||
чениях п (1 — 3; 2 — 2; 3 — 4). |
Числа |
на |
кри |
батно |
(в логарифмических ко |
||||||||||||||||
вых —температура |
расплава |
в К- |
Наклонные |
||||||||||||||||||
точки /, |
//, |
III — голопка |
с малым |
сопротив |
ординатах— это |
параллельные |
|||||||||||||||
прямые — характеристики |
головки. |
Рабочие |
прямые). |
В |
пределах |
второго |
|||||||||||||||
лением; IV, |
V, |
VI — головка с высоким сопро |
|||||||||||||||||||
тивлением. |
Геометрические |
|
характеристики |
участка малые изменения дав |
|||||||||||||||||
червяка: |
A/D = 26,3; |
D =6,3 |
|
см; |
Aj=43 |
см; |
|||||||||||||||
£2 = 23,8 |
см |
(зона |
плавления); /rj=0,9S |
см; |
ления |
приводят |
к |
существен |
|||||||||||||
Л2=0,17 см; * = 6,3 см; |
е=0,б3 см; |
6=0,02 см |
ным |
изменениям |
|
расхода. |
а |
б |
Рис. VIII. 60. Влияние нзмененнА индекса течения п на основные |
параметры процесса эка |
||
рузнн: |
|
|
|
а, б —относительная объемная оронзводнтелыюсть (Q3 — значение |
производительности при |
||
п = 3); в, г —температура |
расплава; д, е —давление в головке |
(а, |
в, б —щелевая головка |
с малым сопротивлением; |
б, г, е —кабельная головка с высоким сопротивлением). |
Рис. VIII. 61. Внешние характеристики червяка (температура корпуса 7^= 4 8 0 К; JV-60 об/мин; РО равно:
/ —5,1 н * с ^ . 5/см2; 2—3,4 Н*с^2, 5/см2. д— it7 ц . с1/2, 5/см2). |
числа |
на кривых—температура |
||||
расплава |
в К. |
Наклонные прямые — характеристики |
головки |
(три |
левые |
прямые — щелевая |
головка, |
три |
правые —кабельная головка); числа |
на прямых —значения |
|Х3 и температуры |
врабочей точке.
Впределах этого участка характеристики червяков имеют различ ную форму, перекрещиваясь в области давлений 12—16 МПа. При
уменьшении индекса течения резко возрастает функция диссипа ции, а это приводит к сильному разогреву расплава. Из сопостав ления температур расплава в точке со сравнительно малым проти водавлением (Рг ~5М П а) видно, что по мере роста п от 2 до 4 температуры расплава располагаются в следующем порядке: 633, 533, 453 К. Рабочие точки экструдера рассчитывались для гипоте тической щелевой головки с размерами w = 45 см, h = 0,05 см и L = 5 см. Соответственно, значения коэффициента сопротивления головки были равны:
Я |
2 |
3 |
4 |
*Г |
5,6-10“ 7 |
2,35 • 1(Г9 |
К Г 11 |
Рассчитанные графо-аналитически относительное изменение расхода и абсолютное изменение температуры в зависимости от индекса течения приведены на рис. VIII. 60.
Заметим, что поскольку все три рабочие точки для головки ма лого сопротивления расположены левее точки перекрещивания, а
сильно влияет на температуру расплава. Давление экструзии из меняется на 20—25% (рис. VIII. 62, а). Изменение производитель ности при этом не превышает 15% (рис. VIII. 62, б).
VIII. 24. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О ДИНАМИКЕ ПРОЦЕССА ЭКСТРУЗИИ ПОЛИМЕРОВ
Повышение качества и стабильности характеристик готовых изде лий— одна из наиболее существенных задач современной техно логии переработки полимеров. Применительно к экструзии это означает поддержание стабильности трех основных параметров процесса: объемной производительности, давления и температуры расплава.
Из опыта известно, что в реальных процессах экструзии ни один из этих параметров не остается неизменным. Так, экспери ментальные исследования [73, 75, 107] показывают, что темпера тура и давление расплава на выходе из червяка колеблются, при чем в зависимости от конструкции червяка и режима работы ам плитуда этих колебаний может достигать 30—50 К и 1,0—1,5 МПа. Аналогичные исследования [108, 112] показывают, что при работе в определенных режимах наблюдаются весьма существенные коле бания производительности, достигающие ±30%.
Изучение причин возникновения этих колебаний и поиски мето дов их снижения — типичная задача динамики процесса, которая выходит за рамки изложенных выше методов расчета, статичных по своей природе. Первая попытка создания динамической модели процесса экструзии содержится в работе [ИЗ], основанной на ме тоде, описанном в монографии [114].
Для характеристики динамической устойчивости процессов транспортировки вводится понятие скорости относительной пуль сации производительности:
" ' ^ - д к ^ т г - |
(V,n' 3171 |
где AQS— изменение объемной производительности зоны питания; dQ0(t)/dt — скорость изменения объемной производительности зоны дозирования.
Чем меньше значение n'(Q), тем выше стабильность процесса, поскольку при одинаковых изменениях условий входа реакция си стемы на них оказывается меньшей. В зависимости от соотноше ния между производительностями зон питания, плавления и дози рования каждая из них может оказывать доминирующее воздей ствие на величину пульсаций. Если доминирует влияние зоны пи тания, то одной из причин возникновения пульсаций может быть нестабильность коэффициентов внешнего трения. Проведенный анализ показал, что при изменении коэффициента трения червяк — полимер в диапазоне 0 ^ fs ^ 1 зависимость QJN = f(ф) носит экстремальный характер (рис. VIII. 63). При этом с уменьшением коэффициента трения максимум смещается в область больших
|
|
|
|
|
углов |
подъема |
винтового |
канала. |
||||||||
|
|
|
|
|
Соответственно возрастает абсолют |
|||||||||||
|
|
|
|
|
ное |
значение |
производительности |
|||||||||
|
|
|
|
|
зоны питания. |
|
|
|
изотерми |
|||||||
|
|
|
|
|
Если |
воспользоваться |
||||||||||
|
|
|
|
|
ческой |
моделью экструзии |
ньюто |
|||||||||
|
|
|
|
|
новской |
жидкости |
и |
сопоставить |
||||||||
|
|
|
|
|
злияние угла подъема винтового ка |
|||||||||||
|
|
|
|
1,6 |
нала |
|
на |
производительность |
зоны |
|||||||
|
|
|
|
питания |
(сплошные |
кривые |
на |
|||||||||
|
|
|
|
|
рис. VIII. 63) |
и |
дозирования |
(пунк |
||||||||
|
|
|
|
|
тирная кривая), то видно, что суще |
|||||||||||
Рис. VIII. 63. |
Зависимость |
удельной |
ствует |
область |
значений |
угла |
ф, в |
|||||||||
пределах |
которой |
производитель |
||||||||||||||
производительности |
зон |
питания |
||||||||||||||
(сплошные кривые) |
и |
дозирования |
ность зоны питания превышает про |
|||||||||||||
(пунктирные |
кривые, |
рассчитанные |
изводительность |
зоны дозирования. |
||||||||||||
по упрощенной изотермической модели |
||||||||||||||||
для ньютоновской жидкости) от угла |
Дальнейшее |
увеличение угла подъ |
||||||||||||||
подъема винтового |
канала |
Ф. Числа |
||||||||||||||
на кривых — значения |
коэффициента |
ема |
винтового канала |
(ф>22°48') |
||||||||||||
трепня Д . |
|
|
|
|
приводит |
к |
обратному |
соотноше |
||||||||
в области ф ^ |
|
|
|
нию. Это |
означает, |
что |
|
при |
работе |
|||||||
22° 48' канал червяка |
на участке зоны дозирования |
не будет целиком заполнен расплавом. Существование сопротив ления головки при работе в таком режиме приводит к тому, что какая-то часть червяка, необходимая для создания давления экс трузии, примерно пропорционального эффективной длине зоны до зирования, оказывается заполненной расплавом.
В связи с тем что производительность зоны питания весьма чувствительна к изменениям коэффициента трения, длина запол ненного участка зоны дозирования будет соответственно изме няться. Это означает, что все колебания производительности зоны
питания |
будут |
проявляться в |
колебаниях производительности и |
||||||||||||
|
|
|
температуры |
|
экструдата. |
Поэтому |
|||||||||
-------------------------------------на |
практике всегда ограничивают |
||||||||||||||
|
|
|
значение |
угла |
подъема |
|
винтового |
||||||||
|
|
|
канала |
значением |
ф ^17°42'. |
Не |
|||||||||
|
|
|
которое |
представление |
о |
стабиль |
|||||||||
|
|
|
ности работы зоны питания дает |
||||||||||||
|
|
|
график |
зависимости относительной |
|||||||||||
|
|
|
производительности |
Qs/2a |
от |
коэф |
|||||||||
|
|
|
фициента трения fs (рис. VIII.64). |
||||||||||||
|
|
|
Очевидно, что чем меньше значе |
||||||||||||
|
|
|
ние производной dQs/dfs, тем ела |
||||||||||||
|
|
|
бее влияют |
случайные |
изменения |
||||||||||
" |
1 |
’ |
коэффициента |
трения |
на |
произво- |
|||||||||
дительность |
зоны |
питания. |
|
Даже |
|||||||||||
Рис. VIII. 64. Зависимость относительной |
ОеГЛОе |
ЗНЗКОМСТВО |
С |
Г р а ф и к о м |
ПО* |
||||||||||
производительности |
зоны питания от |
||||||||||||||
коэффициента трения fs при различ- |
называет, |
что наиболее |
р а с п р о с т р а - |
||||||||||||
ных углах подъема винтового канала Ф |
¥¥/Ч¥¥Т¥ЛЛ |
„ |
л .............. .. |
|
|
r |
|
г |
|
___ |
|||||
(числа на кривых). |
|
ненное |
в реальных |
машинах |
|
значе* |
витка периодически изменяется (рис. VIII. 65). Соответственно из меняется и эффективная длина зоны загрузки, обеспечивающей по дачу материала. Если предположить, что длина винтового канала, заполненного нерасплавленным материалом, остается постоянной, то периодическое изменение длины зоны питания /а должно приво дить к периодическому изменению длины зоны дозирования /д.
Если принять, что объемная производительность зоны питания не зависит от длины и остается в течение полного оборота червяка неизменной, то изменение длины зоны дозирования должно прояв ляться в виде периодических пульсаций давления и температуры расплава на выходе из червяка. Из рис. VIII. 65 следует, что фак тическая длина зоны дозирования равна:
/д = L - /п - /3 - tNx |
(VIII. 319) |
где т — время, изменяющееся в пределах 0 ^ т ^ |
1/N. |
ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЛИТРОПИЧЕСКОЙ ЭКСТРУЗИИ НЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОСТИ (ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ФЛУКТУАЦИИ)
При анализе динамики экструзии будем считать, что несмотря на наличие периодических флуктуаций давления и температуры, про изводительность экструдера остается практически постоянной. (Ниже будет показано, что это условие соблюдается далеко не всег да, однако при правильном выборе режима оно справедливо.) Следовательно, при установившемся режиме работы dQ/dт = 0.
Фактическое приращение температуры определится выраже нием:
|
|
|
|
|
|
(V1,1.320) |
|
|
Аналогичным образом, давление в головке равно: |
|
|||||
Яг |
HoQ Г , |
, |
MN2L Г, _ |
/„ + |
13 |
(VIII. 321) |
|
kr \ |
+ |
Q L |
L |
Г (1“ Н } |
|||
|
|
Амплитуда колебаний любого параметра процесса определится как разность его максимального и минимального значений. В дан ном случае амплитуды колебаний температуры и давления соот ветственно равны разности значений этих параметров в моменты т = 0 и т = 1/N:
А (Т) = |
у |
In |
1 + M W 2Z. ( I - |
/n~i ~ a ) / Q |
(VIII. 322) |
|
|
||||
|
|
! + |
MV2p ( l |
- ) ] / Q |
|
A(Pr) = ^ ^ { [ Q + MN2 ( L - l „ - l 3 ~ t ) ] - 1- |
|
||||
|
|
Rr |
|
|
|
- [<3 + |
ЛШ-’ ( / . - / п - / з ) Г 1} |
|
(VIII.322a) |
||
При |
этом |
максимальное |
значение температуры |
соответствует |
|
минимуму давления. Увеличение частоты вращения |
червяка при |