Для регистрации потребляемой мощности аппарат снабжен киловаттметром типа д305, а для контроля температуры установлен потенциометр ксп2-005.

Для переработки использована изношенная полиэтиленовая пленка сельскохозяйственного применения ОСТ 63-786-72, собираемая в пределах Харьковской области и полиэтиленовые мешки из-под минеральных удобрений, тара и упаковка из полиэтилена низкого и высокого давления (ПЭНД, ПЭВД), образующихся в компактных местах накопления жилого и нежилого (коммерческие отходы) секторов г. Харькова.

Показатель текучести расплава полиэтилена определялся по методике ГОСТ 11643-73 при температуре 190 ^оС и нагрузке 2,16 кг и 5 кг.

Реологические характеристики определялись на микровискозаметре МВ-2, насыпную плотность материалов по ГОСТ 11035-64.

определение физико-механических свойств проводилось на стандартных образцах, полученных вырубкой из пластин, отпрессованных из вальцованного материала.

Вальцевание проводилось на лабораторных вальцах при температуре 130 ^оС в течение 10 мин.

Прессование пластин производилось в соответствии с ГОСТ 16337-70 на гидравлическом прессе типа PV-140.

Предел текучести при растяжении, разрушающее напряжение при раз-рыве и относительное удлинение при разрыве определялись по ГОСТ 11262-68.

Определение формуемости вторичного полиэтилена проводили на термопластавтомате типа «Plastigector» с объемом впрыска 60 см³.

Температура литьевой формы поддерживалась в пределах 30-40^оС. получаемая отливка – стандартные образцы. Максимальная толщина – 4 мм. Коэффициент использования мощности машины по впрыску 0,5.

В процессе литья измерялись две группы параметров: условия формования и скорость формования. Определение условий формования производилось посредством диаграммы в координатах температура-давление при постоянной скорости впрыска, времени охлаждения в форме (τ_охл. = 45 сек.) и времени выдержки под давлением (τ_выд. = 10 сек.).

Скорость формования определялась при изменении длительности выдержки под давлением и времени охлаждения.

Отработка режимов переработки в промышленных условиях производилась на выдувных агрегатах, экструдере ЧП-90 х 20 и термопласт-автоматах.

2.2 Исследование процесса регенерации полиэтилена из пленочных отходов на роторном агломераторе

эксперимент проведен на роторном агломераторе, представляющем собой цилиндрическую емкость, снабженную высокоскоростной лопастной мешалкой с системой ножевых элементов (рис. 2.2), в производственных условиях опытно-экспериментального производства ООО «Харьковвтор-полимер».

Процесс переработки (регенерации) полиэтиленовых пленочных отходов основан на использовании теплоты трения, выделяющейся при движении материала по стенке рабочей камеры и внутреннего трения в материале.

Вращение ротора с ножевыми элементами обеспечивает дробление материала и его разогрев до пластического состояния.

Характеристика процесса регенерации предварительно дробленой на дробилке мокрого измельчения отмытой в ванне изношенной полиэтиленовой пленки сельскохозяйственного происхождения представлена на рис. 2.2. процесс включает в себя стадии промывки, сушки, плавления полимера и получение агломерата. Стадия дробления исключена по причине значительного абразивного износа ножей, невозможности полного удаления песка и крупных включений, содержащихся в изношенной пленке в количестве до 5 % и значительного удлинения стадии отмывки, что снижает производительность аппарата в 1,5-2 раза. Дробление мешков из-под минеральных удобрений, технологических отходов производства и отходов полимерной тары и упаковки осуществляли совмещением со стадией отмывки.

Рисунок 2.2 – Кривые изменения потребляемой мощности двигателя (1),

температуры (2), влажности (3), загрязненности (4) пленки в процессе регенерации вторичного полиэтилена

Основной характеристикой процессов в роторном агломераторе является потребляемая мощность. Наблюдается два типа мощности. На стадии дробления и отмывки значительная величина мощности связана с достаточно высокой плотностью системы вода-пленка и процессом дробления. Второй тип обусловлен изменением физико-механических характеристик материала, связанных с температурой.

Температурный режим процесса определяется уровнем потребляемой мощности и зависит от расхода воды на стадии промывания и интенсивности удаления пара на стадии сушки. Температура материала на стадии агломерации определяется только температурой его перехода в вязко-текучее состояние. Для вторичного полиэтилена она равна 115-120 ^оС.

Стадию отмывки предварительно дробленой и промытой в ванне полиэтиленовой пленки проводили при расходе воды 1,5 л/мин. Загрязненность исходной пленки составляла 3 %. Следует отметить, что добиться уменьшения загрязненности методом промывки в ванне, шнековых промывателях и ванне флотации существующей конструкции невозможно из-за включения загрязнителей в микротрещины поверхности пленочных отходов. В зависимости от условий эксплуатации, сбора и хранения пленок поверхностная загрязненность составляет 1-3 %. При промывке на роторном агломераторе остаточная загрязненность составила 0,15 %, что объясняется интенсивным воздействием рабочих органов аппарата на поверхность пленки. Улучшение отмывки сказывается на физико-механических свойствах материала (увеличение относительного удлинения, понижение температуры хрупкости) на улучшении внешнего вида и уменьшении износа перерабатывающего оборудования. Таким образом, регенерация вторичного полиэтилена на роторном агломераторе обеспечивает получение материала высокого качества.

Производительность стадии сушки определяется величиной потребляемой мощности и исходной влажностью материала.

Величина потребляемой мощности зависит от величины загрузки, конструкции ротора, коэффициента трения материала и его размеров. Для вторичной полиэтиленовой пленки, дробленой на сетке с диаметром отверстий 8 мм и исходной влажностью 33 %, зависимость мощности от загрузки показана на рис. 2.3 и представляет собой линейную зависимость. Более интенсивной с технологической точки зрения является зависимость потребляемой мощности от средней насыпной плотности в аппарате, определяемой величиной загрузки и конструкцией уплотняющих элементов.

Рисунок 2.3 – Зависимость потребляемой мощности на стадии сушки от величины загрузки (1), средней насыпной плотности в аппарате (2) и производительности от величины загрузки (3)

При значении насыпной плотности 138 г/л наблюдается скачкообразное нарастание мощности. Этот скачок связан с механизмом возникновения сил трения и определяет величину оптимальной загрузки аппарата. Для роторного агломератора диаметром 500 мм она составляет 8-8,5 кг. На оптимальность этой величины указывает и зависимость производительности агломератора от величины загрузки. Необходимо отметить наличие минимальной величины потребляемой мощности, определяемой конструкцией ротора и величиной загрузки при которой стадия сушки и агломерации невозможны, т.е. вся мощность расходуется на тепловые потери в аппарате.

Зависимость производительности роторного агломератора диаметром 500 мм при одностадийном проведении сушки и агломерации 8,5 кг вторичной полиэтиленовой пленки от ее влажности представлена на рис. 2.4.

60

50

40

30

20

10

0 25 50 75 100

Рисунок 2.4 – Зависимость производительности роторного агломератора

диаметром 500 мм от влажности пленки при проведении стадий

сушки и агломерации

На кривой можно выделить два участка. Участок высокой влажности (до 30 %) характеризуется малой зависимостью производительности от влажности. Это объясняется тем, что сушка материала влажностью выше 30 % происходит за счет отжима. Дальнейшее удаление влаги происходит путем энергоемкого процесса испарения, что приводит к большим энергетическим затратам. Этот факт необходимо учитывать при разработке технологического процесса.

Стадия аломерации характеризуется высоким значением потребляемой мощности и температуры материала.

В процессе агломерации значение мощности увеличивается приблизи-тельно в 2 раза в сравнении со стадией сушки, что приводит к недоисполь-зованию мощности двигателя на стадии сушки. Относительная величина расходуемой мощности выше для вторичных полимеров, чем для технологических отходов полимерного сырья. Это оказывается вероятно, с увеличением адгезионных свойств и вязкости расплава вторичного полиэтилена.

По достижении температуры плавления частички материала слипаются и уплотняются. Находящиеся на лопастях ротора режущие элементы предотвращают образование крупных кусков.

Для предотвращения слипания материала его охлаждают введением до 4 % воды. Испаряясь, вода охлаждает материал и фиксирует его форму.

Гранулометрический состав агломерата из вторичной полиэтиленовой пленки представлен в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Гранулометрический состав агломерата из вторичной полиэтиленовой пленки

Размер частиц, мм	До 3	3-5	5-7	7-10
Содержание, %	51,7	25,5	18,3	4,5

Свойства вторичного полиэтилена в процессе сушки и агломерации заметных изменений не претерпевают, что объясняется низкой температурой переработки.

Проведенные эксперименты позволяют определить основные параметры процесса регенерации пленочного полиэтилена в агломерат и являются основанием для расчета промышленного образца роторного агломератора.

Для расчета промышленного образца роторного агломератора были применены уравнения моделирования для мешалок. Возможность применения этих уравнений была подтверждена экспериментальными опытами на макете с диаметром рабочей камеры 115 мм и на опытной установке с диаметром рабочей камеры 500 мм.

Базовой моделью для расчета послужил агломератор с диаметром рабочей камеры 500 мм.

Основными параметрами, необходимыми для расчета агломератора являются потребляемая мощность, скорость вращения ротора и его размеры. Потребляемая мощность может быть найдена из уравнения:

,

где φ – коэффициент сопротивления среды движения лопасти,

d – диаметр лопасти, см,

n – скорость вращения лопасти, об/сек.

Коэффициент сопротивления величина постоянная для всех геометрически подобных аппаратов при условии перемешивания одной и той же среды и может быть определена на основании экспериментальных данных.

Величина коэффициента сопротивления для лабораторного агломератора равна 2,96 ּ 10 ^–12.

Для сохранения подобия протекания процесса существует ограничение по мощности. Необходимо, чтобы отношение величины потребляемой мощности к загрузке было величиной постоянной. Это легко достигается под-бором соответствующей скорости вращения ротора. Расчетные значения по-требляемой мощности и скорости вращения ротора при переработке полиэти-леновых пленочных технологических отходов представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Расчетные значения основных параметров роторных агломераторов для переработки технологических отходов полимерного сырья

Параметр	Диаметр рабочей камеры, мм
	500	750	900	1000	1200
Скорость вращения ротора, об/мин.	* 1500 1500	1180	1040 1000	1000	880
Потребляемая мощность, кВт	15 15	50	88 100	132	205
Величина разовой загрузки, кг	7,5 7,5	24	42 40	60	100
Производительность, кг/час	22 22	72	120 110	180	300

* числитель – расчетная величина, знаменатель – действующий агломератор.

Как видно из табл. 2.2 расчетные данные удовлетворительно совпадают с разработанными и внедренными промышленным образцом агломератора с диметром рабочей камеры 900 мм. Это подтверждает правильность подхода к расчету модели.

Таблица 2.3 – Производительность роторного агломератора

с диаметром корпуса 500 мм и 900мм

Диаметр корпуса, мм	Вид сырья	Производительность по стадиям, кг/час				Производи-тельность за цикл, кг/час
		дробление отмывка	дополни-тельная отмывка	отжим сушка	агломе-рация
500	Технологич. отходы	95	570	28	190	19
	Мешки из-под мин. удобрений	95	190	28	190	18
	Изношен., с/х парниковая пленка	–	95	19	190	15
	Изношен. пленка 20 %	–	–	58	190	45
900	Технологич. отходы	480	1200	200	800	110
	Мешки из-под мин. удобрений	480	600	200	800	100
	Изношен., с/х парниковая пленка	–	400	86	800	65
	Изношен. пленка 20 %	–	–	270	800	200

В табл.2.3 представлена сравнительная производительность агломератора с диаметром корпуса 500 мм и 900 мм при переработке различного сырья (по абсолютной длительности без учета стадии загрузки и выгрузки).

Рассмотренная выше технология регенерации полиэтилена в агломерат, обнаруживает ряд технологических преимуществ и возможностей проведения всего цикла регенерации в одном аппарате, высокое качество очистки, возможность совмещения со стадией агломерации процессов окрашивания, введение до 20 % различных добавок для осуществления модификации, получения композиций для вспенивания, возможность переработки агломерата в изделия без дополнительной грануляции.

3. Физико-химические свойства агломерирования вторичного полиэтилена.

область применения и режим переработки вторичных материалов имеют свои особенности, обусловленные своеобразием свойств. К основным особенностям переработки отходов следует отнести:

1. Низкая насыпная плотность.

2. Особенности реологии расплава вторичного материала.

3. повышенная химическая активность.

Выбор технологических параметров переработки и оборудования для переработки полимерных отходов должно основываться на достаточно детальном изучении физико-химических, механических и реологических свойств вторичного материала.

Физико-механические свойства вторичного полиэтилена изношенной пленки представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Мате-риал	Содер-жание нераст-воримой части, %	Стой-кость к растрес-киванию, час	Разрушаю-щее напря-жение при растяжении, нгс/см2	Относи-тельное удлине-ние при разрыве	Морозо-стойкость, оС	Индекс расплава при температуре 190оС г/10 мин, при нагрузке:
						2,16 кг	5,0 кг
Партия 1	25	>250	101	170	– 30	0,0036	–
Партия 2	31	75	108	125	– 40	0,006	0,23
Партия 3	33	–	119	97	– 30	0,0018	0,1
Партия 4	17	–	105	127	– 20	0,02	0,34
Партия 5	44	74	102	230	– 60	не течет	0,36

Из приведенных данных видно, что в процессе эксплуатации материал претерпевает достаточно глубокие структурно-химические изменения, приводящие к образованию гель-фракции, наиболее характерное содержание которой в исследованных партиях вторичного материала составляет 15-30 %. Вторичный материал характеризуется значительным снижением относительного удлинения при разрыве, морозостойкости и текучести при сравнительно низких напряжениях сдвига. Степень окисления материала значительна, что подтверждается достаточно высоким поглощением в области карбонильных групп (1680-1720 см^-1) на ИК-спектрах.

Прочность вторичного материала по сравнению с первичным изменяется незначительно, что характерно также для подвергнутого искусственному старению (деструкции) первичному полиэтилену.

4. Выводы

В результате исследования процесса регенерации вторичных термопластов из их пленочных отходов с получением агломерированного продукта в аппарате роторного типа установлено:

1. Агломерирование пленочных отходов термопластов в аппарате роторного типа является эффективным способом переработки сырья с низкой насыпной плотностью в материал с высокими технологическими свойствами.

2. Переработка загрязненных отходов в роторном агломераторе с осущест-влением стадий измельчения, отмывки, сушки и агломерирования энерго-емко. Из-за сильного абразивного износа рабочих элементов эксплуатация оборудования сопряжена с затратами, связанными с их реставрацией, при низкой стабильности параметров процесса. Целесообразно применение метода для переработки отходов с загрязненностью не выше 2-5 %.

3. Энергетически выгодно использование роторного агломератора для осуществления стадии сушки подготовленных отходов.

4. Зависимость параметров процесса, связанных с энергетическими затратами может быть выражена в виде математической модели мелкодисперсных сыпучих материалов.

Таким образом, агломерация и грануляция вторичных полимерных отходов являются заключительной стадией подготовки вторичного полимерного сырья для последующей переработки в изделия из полимерных композитных материалов. Эта стадия особенно важна для вторичных пленочных отходов в связи с их низкой насыпной плотностью после измельчения. В процессе агломерирования и гранулирования происходит уплотнение материала, облегчается его дальнейшая переработка, усредняются характеристики вторичного сырья, в результате чего получают материал, который можно перерабатывать на стандартном оборудовании.