WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

КАЛЕНОВА Ольга Сергеевна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛО-МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ ПОЛИОЛЕФИНОВ

Специальность 05.17.08 Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново 2008

Работа выполнена в ГОУВПО “Ивановский государственный химико-технологический университет” на кафедре процессы и аппараты химических технологий.

Научный руководитель:

доктор техни­ческих наук, профессор Липин Александр Геннадьевич

Официальные оппоненты:

доктор техни­ческих наук, профессор Мизонов Вадим Евгеньевич

доктор техни­ческих наук,профессор Шерышев Михаил Анатольевич

Ведущая организация:

Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова (МИТХТ)

Защита состоится «13» октября 2008 г. в 1300 час. на заседании совета по защите кандидатских и докторских диссертаций Д 212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом универ­ситете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, 7, ауд. Г-205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического универ­ситета.

Автореферат разослан «___» сентября 2008 г.

Ученый секретарь Зуева Г.А.

совета Д 212.063.05

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Порошковые материалы из синтетических и природных полимеров широко применяются в самых разных отраслях промышленности: в производстве пластмасс, резин, лакокрасочных материалов, косметических средств, строительстве, дорожном строительстве, антикоррозионной защите металлов. Полимерные порошки используются в качестве наполнителей входящих в состав различных композиционных материалов, порошковых красок, сорбентов нефти и нефтепродуктов, для нанесения высокоэффективных антикоррозионных покрытий.

Получение порошков из полимерных отходов является одним из путей решения проблемы рециклинга полимеров. Переработка отходов полимерных материалов с целью получения полимерных порошков имеет важное значение не только с позиции охраны окружающей среды, но и с точки зрения сокращения расхода первичных полимеров, поскольку в условиях дефицита сырья полимерные отходы являются мощным сырьевым ресурсом. Однако широкому применению вторичных полимерных материалов препятствует недостаток соответствующих производственных мощностей.

Весьма перспективна в этом плане технология получения порошков полиолефинов, разработанная в Институте химии растворов РАН, которая основана на выделении полимера из его раствора в органическом растворителе. Получаемый по данной технологии тонкодисперсный порошок полиэтилена является эффективным сорбентом нефтепродуктов. В связи с этим задача реализации технологии получения порошков полиолефинов в промышленных масштабах является актуальной. Сложность протекающих процессов и явлений обуславливает применение при разработке аппаратурно-технологического оформления методов математического моделирования. Вместе с тем, в научно-технической литературе слабо отражены вопросы построения расчетно – теоретических моделей производственных установок по получению порошков полиолефинов, правильно учитывающих основные экспериментальные факты и достаточно простых с инженерной точки зрения.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научным направлением кафедры ПАХТ “Разработка новых высокоинтенсивных гетерогенных процессов и их аппаратурное оформление” в рамках тематического плана НИР Ивановского государственного химико-технологического университета на 2006 – 2010 г.

Цель работы. Разработка методики расчета промышленной установки по получению порошков полиолефинов, позволяющей повысить качество проектирования и эффективность ее последующего применения на базе более достоверного расчетного прогнозирования конструкционных и технологических параметров.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

  • экспериментальное исследование процессов набухания и растворения полимера;
  • разработка математического описания и расчет процесса растворения гранул полимера;
  • экспериментальное исследование удаления растворителя из водной суспензии полимерного порошка, насыщенного растворителем;
  • разработка математической модели процесса удаления растворителя из системы полимер – растворитель – вода;
  • создание методики расчета основных стадий технологического процесса получения полимерного порошка.

Научная новизна:

  1. Разработана математическая модель процесса растворения гранулированного полимера в емкостном аппарате с перемешивающим устройством, учитывающая наличие стадии набухания полимера.
  2. Экспериментально установлены зависимости эффективного коэффициента диффузии растворителя в полимер и коэффициента скорости растворения от технологических параметров процесса растворения.
  3. Разработана математическая модель процесса удаления растворителя из суспензии насыщенного растворителем полимерного порошка в воде, позволяющая исследовать влияние технологических параметров на его характеристики.
  4. На основе экспериментальных данных выполнена параметрическая идентификация и верификация разработанных моделей, показавшая их удовлетворительные прогностические возможности.

Практическая ценность:

  1. Разработана методика расчета основных стадий технологического процесса получения полимерных порошков методом фазового разделения из раствора (в емкостном аппарате с мешалкой).
  2. Выявлены рациональные режимно-технологические параметры процесса получения порошка полиэтилена низкой плотности (ПЭНП).
  3. Разработаны средства компьютерной поддержки моделирования и расчета процесса получения полимерных порошков.

Автор защищает:

  1. Математические модели процессов растворения гранул полимера в емкостном аппарате и удаления растворителя из системы полимер – растворитель – вода.
  2. Результаты экспериментальных исследований процесса растворения гранулированного ПЭНП.
  3. Результаты численного эксперимента по моделированию основных стадий технологического процесса получения порошка ПЭНП.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: III Всероссийская научная конференция «Физикохимия процессов переработки полимеров» (Иваново, 2006); VIII Всероссийская научно-практическая конференция аспирантов и студентов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2007); III Конференция молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах» (С.Петербург, 2007); Международная конференция по химической технологии «ХТ-07» (Москва, 2007); Международная научная конференция «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием» (Иваново, 2007); III Международная научно-техническая конференция «Полимерные композиционные материалы и покрытия» (Ярославль, 2008); Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2008» (Москва, 2008); ХХI Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологии ММТТ - 21» (Саратов, 2008).

Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 11 опубликованных печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 120 наименований.

Благодарности. На всех этапах работы в качестве консультанта активное участие принимал д.х.н. Почивалов К.В.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, научная новизна, практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ способов получения и областей применения полимерных порошков. В настоящее время известны четыре основных способа получения полимерных порошков: суспензионная полимеризация, переосаждение из растворов, криогенное измель­чение, дроб­ление при нормальной температуре с использова­нием комбинированного ударного, сдвигового воздействия, резания и истирания.

Рассмотрены физико-химические основы растворения полимеров в низкомолекулярных жидкостях. Особенностью данного процесса является глубокое проникно­вение растворителя во внутренние слои веществ (набу­хание), которое на много порядков обгоняет по скорости процесс диффузии вещества в растворитель. Вследствие этого, образование слоя, представляющего собой раствор вещества в растворителе, происходит не над поверхно­стью твердого тела (как в случае низкомолекулярных веществ), а как бы в поверхностных слоях самого по­лимера.

Когда поверхностный слой достигает определенной концентрации благодаря непрерывной диффузии рас­творителя в полимер и соответственно определенной вяз­кости, происходит срыв его из-за конвекционных пото­ков в жидкости. При этом, чем выше градиент скорости, задаваемый перемешивающим устройством, тем более глубокие слои могут быть сорваны таким путем.

Таким образом, изучение механизма взаимодействия компонентов в системе полимер-растворитель представляет значительный интерес, поскольку процесс растворения полимера включает в себя два явления: проникновение растворителя в макромолекулу и растворение полимера.

В выводах по первой главе сформулированы основные задачи и направления исследований диссертационной работы.

Вторая глава посвящена физическому и математическому моделированию процесса растворения частиц полимера в аппарате с перемешивающим устройством. Согласно современным представлениям процесс растворения полимеров имеет две стадии: набухания и собственно растворения с отрывом макромолекул и распределения их в растворителе. Поскольку стадия набухания определяет время индукционного периода процесса растворения, то на первом этапе изучалась кинетика набухания полимера в низкомолекулярном растворителе. Экспериментально были получены кривые изменения плотности образца полиэтилена в форме пластины при набухании в толуоле в изотермических условиях (рис.1). Обработка полученных данных позволила получить зависимость эффективного коэффициента диффузии растворителя в полимер.

. (1)

Рис.1. Зависимость плотности образца от времени набухания при различных температурах процесса: - 60oC;

- 50 oC; ѕ - 45 oC

Рис.2. Схема лабораторной установки. 1 – электродвигатель с регулируемым числом оборотов; 2 – конденсатор паров; 3 – датчик температуры в ячейке; 4 – термостатирующая ячейка; 5 - механическая пропеллерная мешалка; 6 – термостат жидкостной


На втором этапе исследовался процесс растворения гранулированного ПЭНП в лабораторном аппарате с мешалкой и рубашкой обогрева, схема которого приведена на рис.2. В качестве растворителя использовался толуол. Изучалось влияние температуры, числа оборотов мешалки и массового отношения полимер-растворитель на кинетику растворения. Концентрация полимера в растворе определялась по массе сухого остатка после испарения растворителя из образца.

Процесс растворения осуществлялся в изотермическом режиме. Температура теплоносителя варьировалась в интервале 75110 0С. Перемешивание осуществлялось с помощью пропеллерной мешалки, скорость вращения n которой устанавливалась в пределах 30180 мин-1. Массовая доля полимера в приготавливаемом растворе СПЭНП составляла 5 25 %.

На рис.3,4 приведены некоторые результаты опытов по растворению гранулированного ПЭНП в толуоле при различных значениях параметров процесса.

Рис.3. Изменение массовой доли растворившегося полимера Х во времени при СПЭНП =25%, n=180 мин-1:- tт=80 0C, - tт=88 0C,

ѕ- tт=110 0C

Рис.4. Изменение массовой доли растворившегося полимера Х во времени при СПЭНП =25%, t=95 0C: - n=30 мин-1, - n=130 мин-1,ѕ- n=180 мин-1

Математическая модель процесса отражает два протекающих в системе массообменных процесса: проникновение растворителя в макромолекулу и растворение полимера. Процесс набухания моделируется как диффузия молекул растворителя в полимер. Распределение концентрации растворителя CS по радиусу шарообразной частицы описывается уравнением (2). Краевые условия представлены следующими соотношениями: условием симметрии (3); концентрация на поверхности CSW(t) принимается соответствующей предельной степени набухания при данной температуре (4); в начальный момент времени концентрация растворителя в полимере равна нулю (5).

, 0<x<1, >0, (2)

, (3)

, (4)

. (5)

В этих уравнениях x=r/R – безразмерный радиус. Конкурирующие процессы набухания и растворения полимера приводят к изменению размера полимерной частицы. Радиус гранулы рассчитывается по соотношению (6):

. (6)

Среднеобъемная концентрация растворителя в грануле:

. (7)

В процессе набухания концентрация растворителя внутри гранулы возрастает и в некоторый момент времени на поверхности полимерной частицы достигает состояния подвижного геля соответствующего возможности отрыва макромолекул. Далее одновременно протекают два процесса: диффузия растворителя в полимер и переход макромолекул в раствор. Последний приводит к уменьшению массы полимера в грануле.

Изменение массы полимера в грануле характеризуется уравнением:

, (8)

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»