Дипломная работа: Повышение качества полиэтиленовых газопроводных труб

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Специальность

кафедра естественных наук

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

На тему: Повышение качества полиэтиленовых газопроводных труб

Студент-дипломник:

Научный руководитель:

Доктор наук,

Доцент кафедры

Рецензент:

Кандидат наук,

Доцент кафедры

Допустить к защите

Зав. кафедрой

доктор наук,

профессор кафедры

2009

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка листов, таблицы, 8 чертежей формата А1, источников.

Полиэтилен средней плотности, переработка, экструзия, сушка, калибрование, параметры, изделие.

Цель дипломного проекта: повышение качества полиэтиленовых газопроводных труб.

На основании проведенного информационного анализа в проекте предложены следующие новые технологические решения:

¾  замена базовой марки сырья ПЭ-80 на ПЭ-100 для улучшения эксплуатационных характеристик полимерных газовых труб, диаметром 110мм;

¾  совершенствование конструкции экструзионной головки, т.е. использование формующей головки с вращающимся дорном для повышения прочности изделий в радиальном направлении.

Разработана технологическая схема, обоснованы параметры переработки, выполнены технологические расчеты.

В разделе «Автоматика» дано обоснование автоматизации технологической линии.

Предусмотрены мероприятия по безопасности процесса.

Проведена экологическая экспертиза проекта.

Доказана технико-экономическая целесообразность предлагаемых технических решений для ОАО «Трубопласт» (г. Энгельс).

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Основная часть

1. Технологический раздел

1.1. Информационный анализ

1.2. Патентные исследования

1.3. Характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов и готовой продукции

1.4. Описание технологического процесса

1.5. Основные параметры технологического процесса

1.6. Техническая характеристика основного технологического оборудования

1.7. Технологические расчеты

1.7.1. Расчеты удельных норм расхода сырья и вспомогательных материалов

1.7.2. Расчет основного технологического оборудования

1.7.3. Теплоэнергетические расчеты

2. Раздел «Безопасность проекта»

3. Раздел «Экологичность проекта»

4. Раздел «Автоматика»

5. Организационно-экономический раздел

Заключение

Введение

Развитие химической промышленности, машиностроения и других отраслей невозможно без интенсивного использования пластических масс. Промышленность полимерных материалов относится к числу важнейших отраслей химической индустрии и в значительной степени определяет прогресс в развитии всей промышленности.

Широкий диапазон рабочих температур и давлений в сочетании с коррозионными воздействиями агрессивных сред на трубопроводы и их материалы, предъявляют к ним особые требования.

Применение пластмассовых труб, взамен дорогостоящих труб из нержавеющей стали, цветных металлов и сплавов, является эффективным средством повышения долговечности технологических трубопроводов, предназначенных для транспортировки различных жидких и газообразных сред. При этом, наряду с повышением долговечности, снижаются затраты на сооружение трубопроводных коммуникаций. Стоимость труб изготовленных из полимерных материалов значительно ниже, при равной пропускной способности, труб изготовленных из нержавеющей стали, цветных металлов и сплавов.

Еще 20 лет назад полиэтиленовые коммуникации стали символом надежности и долговечности, вытесняя хрупкие и ненадежные металлические трубы.

Газификация считается приоритетным направлением, способствующим стабилизации социально-экономического положения края, решению вопросов обеспечения населения газом теплом, улучшению экологической обстановки.

Строительство газопроводов на основе полиэтилена –это техническое решение, позволяющее радикальным образом решить проблемы надежности и долговечности коммуникаций, сократив при этом затраты как на монтаж, так и поддержание работоспособности в процессе эксплуатации.

Анализ сравнительных характеристик затрат при строительстве газопровода из стальных и полиэтиленовых труб показывает, что:

газопроводы из полиэтиленовых труб при строительстве дешевле втрое; не нужна изоляция, упрощается технология соединения труб и их укладка в траншеи;

время строительства полиэтиленовых газопроводов сокращается по сравнению со стальными в 10 раз;

пропускная способность полиэтиленовой трубы на 25-30% выше, чем у стальной такого же диаметра;

гарантийный срок службы газопроводов из ПЭ труб около 100—150 лет, против 25-30 лет - из стальных;

при эксплуатации ПЭ газопроводов отпадает необходимость в осуществлении мероприятий по антикоррозийной защите.

Процесс производства труб из ПЭ методом экструзии прост, производителен, более экономичен, чем производство металлических труб с точки зрения затрат электроэнергии: на 1 тонну ПЭ труб расход в 3-7 раз ниже затрат на 1 тонну металлических труб.

На ОАО «Трубопласт» (г. Энгельс) организованно производство экструзионных напорных труб на основе полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) по технологии, учитывающей передовые идеи и мировой опыт в области переработки полимерных материалов. Актуальной проблемой для предприятия является расширение номенклатуры газонапорных труб и обеспечение их конкурентоспособности.

Целью данной работы является: разработать технологическую часть эскизного проекта по производству труб из полиэтилена для систем газоснабжения.

1.   Технологический раздел

1.1      Информационный анализ

Полиэтилен является одним из наиболее крупнотоннажных и широко распространенных полимерных материалов. Высокая технико-экономическая эффективность использования ПЭ обеспечивает увеличение объемов потребления пластических масс в народном хозяйстве. Способность ПЭ к переработке всеми известными для пластических масс способами, его хорошие эксплуатационные свойства позволяют применять этот полимер практически во всех отраслях промышленности.

Существенный рост и развитие в настоящее время получили трубы из полимерных материалов. Трубы из этих материалов начали вытеснять традиционные стальные трубы из больших областей строительства.

Одним из самых распространенных материалов для изготовления труб является полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен и т.д. [2]

Трубы из различных материалов обладают уникальными свойствами и преимуществами перед другими. Российский и зарубежный опыт исследования показывает, что трубы из полимерных материалов могут находиться в эксплуатации без существенных химических и механических изменений в течение 50 и более лет. Полимеры имеют высокие эксплуатационные показатели, и большинство полимеров обладают водоотталкивающими свойствами. Технологический процесс их производства позволяет обеспечить крайне низкую шероховатость внутренней поверхности труб, поэтому трение между протекающей жидкостью и поверхностью труб незначительно. Кроме того, при длительной эксплуатации внутреннее сечение труб не уменьшается из-за зарастания отложениями, а значит нет необходимости, как в случае с остальными трубами, увеличивать затраты на электроэнергию для перекачки.

В случае строительства наружных магистральных трубопроводов нет необходимости в использовании тяжелой трубоукладочной техники, тяжелого большегрузного транспорта.

Структура и свойства ПЭ определяются способом его получения и в зависимости от этого подразделяются на ПЭ полученный при высоком давлении - ПЭВД, при низком давлении - ПЭНД, при среднем давлении - ПЭСД. [5]

Эти три типа полиэтилена различаются по степени разветвленности (наиболее разветвленные ПЭВД, наименее разветвленные ПЭСД, на 1000 углеродных атомов в ПЭВД - 15-25, в ПЭНД - 3-6, в ПЭСД - не более 3 и, следовательно, по степени кристалличности и плотности, а также по молекулярной массе, молекулярно-массовому распределению и другим показателям. В макромолекуле ПЭ на концах основной полимерной цепи и боковых цепей содержатся СН₃-группы. В ПЭВД боковые ответвленности располагаются друг от друга со средним интервалом ~50 углеродных атомов. Короткие ответвления в ПЭВД - метальные, этильные и бутильные группы. У ПЭВД наряду с короткими ответвлениями имеются и длинные боковые цепи, величина и характер распределения которых пока окончательно не установлен.

В макромолекуле ПЭ содержатся также насыщенные связи трех типов: винилиденовые RRC=CH₂, винильные RCH=CH₂ и транс-виниленовые RCH=CHR. Число ненасыщенных связей на 1000 атомов углерода в ПЭВД 0,4-0,6, в ПЭНД и ПЭСД 0,6-0,8. В ПЭ может содержаться также очень незначительное число групп >С=О или -ОН. Степень кристалличности ПЭВД»60-75%, ПЭНД»70-85% и ПЭСД»90%.

Конформация цепи ПЭ - плоский зигзаг. ПЭ обладает орторомбичной ячейкой с пространственной группой симметрии. Относительная величина дефектов в кристаллитах ПЭ достигает несколько процентов и на порядок выше чем у низкомолекулярных кристаллов. Размеры кристаллитов обычно колеблются в интервале 50-200А для ПЭВД и 50-100 для ПЭНД и ПЭСД.

Надмолекулярная структура прессованных образцов характеризуются наличием сферолитов с размерами 1-10 мкм для ПЭВД и 1-20мкм для ПЭНД. Размеры сферолитов существенно зависят от режимов изготовления изделий (скорости и равномерности охлаждения). При растяжении ПЭ сферолитная структура исходного образца превращается в фибриллярную, ориентированную в направлении вытяжки. Поэтому свойства изделий из ПЭ будут определяться не только свойствами исходного образца, но и конфигурацией изделий и режимами их изготовления. Среднемассовая молекулярная масса промышленных марок составляет 30тыс.- 400тыс. для ПЭВД и от 50тыс.- 800тыс. для ПЭНД и ПЭСД. Предел текучести, модуль упругости при изгибе, твердость возрастают с уменьшением числа коротких боковых цепей в макромолекуле ПЭ и повышением степени кристалличности и плотности полимера. Прочность при растяжении, относительное удлинение, температура хрупкости, стойкость к растрескиванию под напряжением и ударная вязкость в большей степени определяются величиной молекулярной массы, чем степенью кристалличности. Сужение молекулярно-массового распределения линейного ПЭ приводит к повышению прочности при растяжении, относительного удлинения, ударной вязкости, уменьшению усадки и стойкости к растрескиванию под напряжением. ПЭ выгодно отличается от других термопластов сочетанием высокой прочности с достаточной эластичностью и способностью «работать» в очень широком интервале температур (от -120 до 100°С). ПЭ - неполярный полимер, обладающий высокими электроизоляционными свойствами. Для ПЭ характерно незначительное изменение электрических свойств в широком диапазоне температур и частот. Тангенс угла диэлектрических потерь ПЭ например в интервале температур от -160 до 120°С и частоте 10-50кгц находится в пределах 2×10^-4 - 4×10^-4. Диэлектрические свойства ПЭ ухудшаются с увеличением степени его окисления и при наличии примесей.

Свойства ПЭ можно модифицировать смешением с другими полимерами или сополимерами. Так при смешении ПЭ с полипропиленом повышается теплостойкость, при смешении с бутилкаучуком или этиленпропиленовым каучуком - удельная вязкость и стойкость к растрескиванию. ПЭ обладает низкой газопаропроницаемостью. Газопроницаемость разветвленного ПЭВД в 4-8 раз выше, чем ПЭНД и ПЭСД. Проницаемость ПЭ наименьшая для сильнополярных веществ и наибольшая для углеводородов. ПЭ характеризуется малой проницаемостью для воды и водяных паров. ПЭ стоек к природному углеводородному газу, но недостаточно устойчив к сжиженному пропан-бутану.[6] ПЭ инертен к действию многих химических реагентов, химстойкость зависит от молекулярной массы, молекулярно-массового распределения и плотности. Определяющим показателем является плотность и с ее увеличением химстойкость возрастает. Наиболее высокой химстойкостью обладают линейные ПЭНД и ПЭСД.

ПЭ не реагирует с щелочами любой концентрации, с растворами нейтральных, кислых и основных солей, с органическими кислотами, с растворами солей-окислителей и даже с концентрированной соляной и плавиковой кислотами. При действии H₂SO₄ (концентрации 80% и выше) и температуре не ниже 50°С свойства ПЭ изменяются. ПЭ разрушается при комнатной температуре 50% азотной кислотой, а также жидкими газообразными хлором и фтором.

Разрушительное действие указанных реагентов увеличивается с повышением температуры. Бром и йод диффундируют через ПЭ. Разбавленные растворы хлора и различные отбеливающие вещества незначительно изменяют свойства ПЭ. При обработке 80-85% азотной кислотой при 100-135°С или смесью азота и кислорода в четыреххлористом углероде при 78°С происходит термоокислительная деструкция ПЭ. Таким способом получают ПЭ молекулярной массы 1000-2000, содержащий карбоксильные группы; он легко диспергируется в воде с образованием стойких эмульсий. ПЭ не растворяется в органических растворителях при комнатной температуре, но несколько в них набухает; выше 80°С - растворяется во многих растворителях, особенно хорошо в алифатических и ароматических углеводородах и их галогенопроизводных. Степень набухания и растворимость увеличивается с уменьшением плотности и молекулярной массы ПЭ.

На воздухе под действием СО, СО₂, влаги и О₂ в изделиях из ПЭ, подвергающихся длительному растяжению при различных напряжениях могут появляться мелкие трещины. Процесс этот происходит в течение нескольких лет или даже десятков лет. Но он значительно ускоряется при контакте с активными средами. Стойкость к растрескиванию под напряжением в поверхностно-активных средах возрастает при увеличении молекулярной массы ПЭ и расширении молекулярно-массового распределения, снижение плотности достигается путем сополимеризации этилена с пропиленом, бутиленом и другими мономерами, либо добавлении к ПЭ полиизобутилена или бутилкаучука, а также при хлорировании, бромировании или сульфохлорировании ПЭ.

При энергетическом и механических воздействиях в ПЭ могут происходить окисление, деструкция и сшивание. При обычных условиях переработки эти реакции практически незначительны. ПЭ стоек при нагревании в вакууме им атмосфере инертного газа. Лишь при температуре несколько выше 290 ºС происходит термическая деструкция, а при 475°С - пиролиз с образованием воскообразного вещества и газообразных продуктов нестабилизированный ПЭ при нагревании на воздухе подвергается термоокислительной деструкции, а под влиянием солнечной радиации - фото старению. Оба процесса протекают по цепному радикальному механизму. Термостарение сопровождается выделением альдегидов, кетонов, перекиси водорода и других продуктов, в результате ухудшаются диэлектрические свойства ПЭ, снижается прочность при растяжении и относительное удлинение.

При фотостарении происходят как деструктивные, так и структурирующие процессы. Относительная скорость структурирования (сшивание) под действием света значительно выше, чем под действием тепла. Особенно чувствителен полиэтилен к воздействию УФ - лучей с длиной волны 280-330ммк. [5]

Для изготовления труб, используемых в газоснабжении, применяется ПЭНД, который характеризуется высокой степенью кристалличности, механической прочностью, теплостойкостью, меньшей деформируемостью и газопроницаемостью. (табл.1).

Таблица 1.

Сравнительные свойства ПЭ.

Для изготовления напорных труб рекомендуются экструзионные марки ПЭВП, отличающиеся высокой вязкостью (ПТР=0,3-0,6 г/10мин), наличием тепло- и светостабилизаторов. Достаточно эффективна добавка канальной сажи (1,5-2,5%) для повышения стойкости ПЭ к окислению и деструкции под действием света и тепла. Однако, при содержании сажи более 3% ПЭ становится хрупким. На ООО «Ставролен» налажено производство ПЭ-80 для труб систем газоснабжения с содержанием сажи 2,1% от массы со стандартным отклонением 0,007%. Физико-химические характеристики полученного сырья соответствуют техническим требованиям, определенным в регламенте на получение «знака NF полиэтиленовыми трубами для газа» (NF – французский норматив). Механические испытания полученных труб показывают, что экструдированные из данного ПЭ трубы обладают хорошей стойкостью к медленному и быстрому растрескиванию.[7]

Механические свойства труб зависят от свойств исходного сырья, условий и режимов переработки [6], так с увеличением молекулярной массы наблюдается рост прочности при растяжении; модуль упругости, твердость, предел текучести растет с увеличением степени кристалличности. Важной механической характеристикой ПЭ труб является ударная вязкость, сохраняющаяся практически в температурном интервале от +20 до - 20 ºС.

К недостаткам ПЭ труб следует отнести: горючесть, значительную ползучесть, высокий коэффициент линейного расширения, низкую тепло- и термостойкость.

Международный стандарт JSO 4437 в принципе не допускает применение ПЭ-63 для газовых труб. Фирмой «Cabot Corp. Boston»[7] предложено еще в 60-х годах применение для труб газораспределительных коммуникаций сшитого ПЭ с содержанием сажи около 50%. Для сшивания цепочек полиэтиленовых молекул применяют органические перекиси и высокочастотный нагрев в электрическом поле. Высокое содержание сажи и высокочастотный нагрев обеспечивают надежную защиту труб от действия ультрафиолетовых лучей, уменьшение электризуемости, коэффициента линейного расширения, улучшение сопротивления истиранию, высокую химическую стойкость к маслам, бензину, ароматическим углеводородам, температуру эксплуатации до 100 ºС.

В США запатентован способ получения тонкостенных труб из ультравысокомолекулярного ПЭ, имеющего характеристическую вязкость ³ 5 дл/г [8].

Для транспортировки газа в Германии разработана трубная марка ПЭ с бимодальным ММР (соотношение низкомолекулярного ПЭ к доле высокомолекулярного ПЭ – 0,5 : 2), отличающаяся повышенной стойкостью к трещинообразованию (³1400 час), ударной вязкостью (³7 МДж/мм²), жесткостью (Е_н ³ 1100 н/мм²).[9]

Совершенствование процесса газофазной сополимеризации этилена с бутеном на катализаторе S-2 (хроморганическое соединение) на предприятии «Казаньоргсинтез» позволило создать трубную марку ПЭ-80, обеспечивающую качество газовых труб в соответствии с мировыми стандартами [10]. В настоящее время 6 марок газового ПЭ-80 (сополимеров ПЭ с гексеном и бутеном) выпускает ООО «Ставролен» черного и желтого цветов, обладающих хорошей стойкостью к медленному растрескиванию. Но его применение проблематично для высоконапорных газовых сетей ( Р=6 атм.) с точки зрения быстрого распространения трещин.

В 80-х годах Бельгийский концерн «Сольвей» разработал процесс полимеризации ПЭВП третьего поколения, обеспечивающей встраивание сомономера в аморфную фазу, что приводит к увеличению доли полимерных проходных цепей. Новая марка ПЭ-100 с бимодельным молекулярно-массовым распределением обладает не только лучшей долговременной прочностью, но и стойкостью к гидростатическому давлению и медленному и быстрому распространению трещин [11]. Это позволит повысить рабочее давление в трубах до 10 – 12 атм. при сохранении надлежащего уровня безопасности при эксплуатации газораспределительных сетей. ПЭ-100 марок T LTEX TUB121(черный) и 125 (оранжевый) был успешно переработан на ряде Российских предприятий: ГАЗПЛАСТ (Казань), завод ПЭ труб (г. Буденовск), завод АНД «Газтрубпласт» (г. Москва) и др. Изучено поведение труб из ПЭ-80 производства ОАО «Ставропольполимер» диаметром 110 мм, толщиной стенки 10±0,7 мм при нагружении внутренним давлением при низких климатических температурах (до -44 ºС) [18].

На сегодня ПЭ 100 обеспечивает максимальный уровень надежности трубопроводов: наивысший коэффициент безопасности, низкую чувствительность к надрезу, наивысшее сопротивление быстрому распространению трещин. Применение ПЭ 100 для газовых труб особенно перспективно для России с её большими расстояниями между населенными пунктами и тяжелыми условиями эксплуатации.

Сравнительная характеристика материалов, используемых отечественными и зарубежными производителями для производства труб для систем газоснабжения, приведена в табл.2

Таблица 2

Свойства полиэтилена, используемого для изготовления труб.

Таким образом трубные марки ПЭ третьего поколения с гексеновым сомономером, классифицируемые как ПЭ 100, существенно превышают по своим свойствам, требуемым для изготовления конструкционных изделий , марки полиэтилена типа ПЭ 63 и ПЭ 80. Появившееся совсем недавно последнее (четвертое) поколение бимодального гексенового полиэтилена обладает еще более лучшими физическими характеристиками, превосходя полиэтилен третьего поколения и обеспечивая одновременно лучшую технологичность переработки.[12]

Одним из эффективных способов повышения теплостойкости, теплостойкости, термостабильности и, следовательно, верхнего предела рабочих температур является радиационная сшивка термопластов [].

В работе [13] установлена экстремальная зависимость основных эксплуатационных свойств напорных труб из ПЭВП (ползучести, длительной прочности) от дозы радиоактивного источника γ-излучения (15-100 Мрад). С точки зрения длительной прочности и ползучести оптимальной для ПЭ является доза 25 Мрад, т.к. облучение не дает возможности получить высокую степень сшивки, образующиеся поперечные связи незначительно снижают сегментальную подвижность молекулярных цепей.

Авторами [14] в качестве сшивающего агента для ПЭНП предлагается использовать перекись дикумила (2,5%), обеспечивающей снижение степени деформирования без ухудшения стойкости к тепловому старению.

Использование силанов в качестве сшивающих агентов для модификации полиэтилена является эффективным и экономичным средством дм улучшения полимера, который сам по себе уже является универсальным и гибким в применении. Системы сшивания на основе силанов обладают способностью к образованию поперечных межмолекулярных связей. Новейшие силановые смеси содержат специальные добавки, которые улучшают специфический процесс или конечные характеристики и увеличивают гибкость при производстве. Переработка упрощаемся, поскольку добавки уже сразу включаются в состав силанов. Силановая технология выгодно отличается более низкими капитальными и производственными затратами, более высокой производительностью, более широким диапазоном характеристик при переработке и прекрасными свойствами получаемой продукции.

Сшивание на основе силанов является самым экономичным средством улучшения термостойкости полиэтилена и его химической стойкости. Эти свойства являются особенно ценными при его применении для производства проводов, кабелей, труб, вспененных материалов, полимерных пленок и прессованных изделий. В целом, если в полиэтилене имеются поперечные межмолекулярные связи, то улучшаются его физические свойства при повышенной температуре. Такое сшивание компенсирует потери качества материала, возникающие потому, что при повышенных температурах уменьшаются кристаллические свойства полимера.

Первоначальной причиной сшивания полиэтилена послужило повышение максимальной температуры, при которой может использоваться полимер, эта технология имеет и мною других важных преимуществ:[15]

-     более высокая максимальная температура применения;

-     уменьшение деформации под нагрузкой дает улучшенные характеристики на разрыв, излом при механическом напряжении в пленках и кабелях;

-     улучшенная химическая стойкость;

-     увеличенное абразивное сопротивление в кабельных оболочках и трубах;

-     характеристика эффекта памяти для усадочных трубных обвязок, пленок и упаковочных пленок;

-     улучшенные характеристики динамической нагрузки для прессованных изделий и вспененною материала.

В настоящее время существует несколько зарекомендовавших себя методов промышленного назначения, где при сшивании полиэтилена используются силаны: [4]

1. Двухэтапный процесс, первоначально получивший коммерческое название СИОПЛАС (Sioplas).

2.Одноэгаиный процесс Моносил (Monosil).

При использовании двухэтапного метода силановая смесь, содержащая пероксид, но без катализатора конденсации, расплавляется вмести с полиэтиленом, как правило, в одношнековом экструдере. Для разложения пероксида температура должна быть достаточно высокой (при помощи переоксида образуемся место для привития силана к полиэтиленовой цепочке), а время достаточно продолжительным для завершения процесса привитой сополимеризации. При этом добавляются или привносятся с тем или другим ингредиентом некоторые совместимые добавки (например, антиоксиданты, наполнители и скрепляющие агенты). Этот материал обычно гранулируется, высушивается и хранится в сухом прохладном месте сроком до шести месяцев в мешках с внутренней прокладкой из алюминиевой фолы и. Также готовится маточная смесь катализатора, она состоит из полиэтилена и катализатора конденсации, который обычно представляет собой производное олова.

Маточная смесь привитого сополимера и катализатора соединяются непосредственно перед подачей в экструдер. После соединения полученная смесь быстро теряет стабильность, особенно, если она подвергается воздействию влаги. Эти материалы можно смешивать, складировать или перевозить вместе, только если они тщательно упакованы и не соприкасаются друг с другом. Полученное изделие часто охлаждается в ванне, таким образом, подвергаясь необходимому воздействию влаги. Показателем истечения времени такою воздействия является возникновение диффузии влаги. При этом часто используется ванна с горячей водой, устройство для подачи сухого пара (типа сауны) или паровой автоклав низкого давления. Оборудование, необходимое для производства полиэтилена, сшитою силаном, предлагается такими компаниями, как Werner & Pfleiderer (Германия) и BUSS (Швейцария).

Для оценки того, подходит ли силановая сшивающая технология для нового продукта, сначала обычно используется процесс по методу СИОПЛАС. Он дает производителю привитых материалов максимальную гибкость, обеспечивая ею нужными материалами в небольших количествах. Производитель может быстро и без особых затрат проверить эти материалы. Это обычно является крайне важным в начале разработки или концептуальной стадии. Именно таким образом начиналось изготовление большинства новых продуктов в сфере производства пленок, проводов и кабелей, а также труб.

При использовании одноэтапного процесса «Моносил» полиэтилен, переоксид , силан, оловянный катализатор и другие совместимые добавки или наполнители добавляются в течение одного непрерывного экструзионного этапа. В рамках такого одноэтапного процесса происходит смешивание сырья, достигается прививка сополимера и непрерывно формуется изделие, такое, например, как провода, кабели или трубы.

Как и при использовании двухэтапного процесса, изготовленное изделие подвергается воздействию влаги. Первоначально все оборудование для процесса данного типа носило название МОНОСИЛ (Monosil), оно производилось только компанией Mailltfer, сейчас оно носит название Nokia-Mailltfer.

Одноэтапный процесс МОНОСИЛ уже используется примерно на 100 линиях в Европе, США, на ближнем Востоке, в Северной Африке и в Корее. Существует, по крайней мере, 5 таких линий в районе Тихого океана. Как нам известно, большинство этих линий используется для производства низковольтажных проводов, труб и кабелей. Некоторые количество таких линий было продано в рамках поставок развивающейся страны, многие из которых производят продукцию для продажи на местном рынке, защищенным льготными тарифами. Ограниченные возможности в плане инвестиций капитала последние годы замедлили развитие сшивающих линий. Тем не менее, почти все новые или модернизированные линии используют технологию сшивания при помощи силана.

На рынок труб в Европе поставляется продукция, изготовленная в рамках промышленного производства несколькими производителями привитых полимеров и материалов, произведенных по методу МОНОСИЛ. Процесс МОНОСИЛ и его варианты также применяются в Корее. Эти трубы монтируются непосредственно под плоскостью пола для его подогрева или используется для питьевой воды. Использование силанового сшивания для производства труб США, также получает широкое распространение в настоящее время.

Сшивание полиэтилена производится уже с применением различных апробированных методов. Последовательность операций для сшивания полимера, при котором, например, используется силан, представляется более гибким и более экономичным процессом.

Полиолефины, сшитые силаном, соединяются посредством связи Si-0-Si, а не связи С-С, которая имеет место в процессах с применением перекиси или при радиационном сшивании. При использовании технологии на основе силана. по крайней мере, некоторые связи образуются, когда получаемая форма находится ниже точки кристаллического плавления базового полиэтилена. В связи с этим, неоднократно высказывалось предположение, что при этом получается превосходный, более термоустойчивый продукт. Хотя это предположение и не было полностью подтверждено, все же ПЭ сшитый силаном, является либо аналогичный, либо, иногда, превосходящим ПЭ на основе перекиси. Более того, поскольку обработка производится не под высоким давлением, технология позволяет производить более сложные по конфигурации объемы с несимметричными осями (включая сложные кабельные конструкции, такие как секторные кабели), где ранее остро стояла проблема деформации.

Рекомендуется сшивание полиэтилена переоксидными соединениями с целью повышения их теплостойкости, прочности, сопротивления растрескиванию, химической стойкости [16].

Процесс сшивания проводят при нагревании предварительно полученной смеси полиэтилена с органическими пероксидами (пероксид дикумила или пероксидные соединения дитрет-бутила). При нагреве происходит термический распад перокеидов с образованием двух свободных радикалов [6].

R-O-O-R -+ 2RO×

Часть этих радикалов отрывает активные атомы от полимерных молекул, что приводит к образованию полимерных радикалов:

RO- +~ СН₂- СН₂ - СН₂~-> ROH + СН₂- С - СН₂~

׀

R

В результате миграции радикала вдоль полимерной цепи и появления пар радикалов в непосредственной близости друг от друга при распаде одной молекулы пероксида происходит рекомбинация макрорадикалов с образованием поперечной углерод-углеродной связи между макроцепями.

Суммарный эффект реакции определяется соотношением скоростей реакции сшивания и распада макроцепей полимера. Максимальный эффект процесса пероксидного сшивания равен одной сшивке на одну молекулу, разложившегося пероксида. Для увеличения степени сшивания и повышения скорости процесса пероксидного сшивания используются ускорители.

В качестве ускорителей применяют соединения, содержащие ненасыщенные группы триллилциапурат, триалллилфосфат, дитдокарбаматы и другие. Содержание ускорителей обычно составляет 0,5-2%. Кроме ускорителей для регулирования распада пероксидов в состав композиции могут быть введены регуляторы процесса сшивания (динитразосоединения, этилендиметокрилат и другие), а для предотвращения термодеструкции сшитых полиэтиленов - антиоксиданты (1,3-дигидро-2.2.4-триметилхенон, фенил-β-нафтиламин и другие), не вызывающие ингибирование реакции сшивания.

Радиационно-химическое сшивание - это образование трехмерной сетчатой структуры в полимерах, макромолекулы которых не содержат функциональных групп, способных к формированию межмолекулярных химических связей.

Радиационное сшивание - это образование поперечных химических связей между макромолекулами полимеров под действием ионизирующего излучения [5].

Из различных видов ионизирующих излучений используют β- и γ- излучения. Применение ускоренных электронов (β- излучение) позволяет проводить сшивание с большей производительностью, но проникающая способность ускоренных электронов невелика (до 1см при энергии 2МэВ). Для сшивания материалов в более толстых слоях используют γ- излучение (⁶⁰Со), хотя интенсивность его ниже, чем (β- излучения. В процессе воздействия ионизирующего излучения на полимерные молекулы проявляются два конкурирующих явления: сшивание полимера и его деструкция. Соотношение деструкции и сшивание характеризуется отношением числа актов разрыва связей β и образования поперечных связей α. Если (β/α >1, то полимеры относят к преимущественно деструктирующим, при β/α<1 - к преимущественно сшивающимся.

Эффективность радиационного сшивания оценивают радиационно-химическим выходом Gc-числим поперечных связей, образующихся в полимере при поглощении 100эВ энергии излучения. Для большинства способных к сшиванию полимеров Gc =1÷4.

Основным свойством, отличающим изделия из полимеров, полученные путем радиационно-химического сшивания, является повышенная теплостойкость.

Эффективность радиационного сшивания может быть повышена в 5-10 раз введением сенсибилизаторов, которые способствуют образованию дополнительных связей между сшиваемыми молекулами или за счет раскрытия ненасыщенных связей в молекуле сенсибилизатора (аллилакрилаты, аллилметакрилаты, дивинилбензол), или за счет получения свободных радикалов при облучении (пероксиды или хлорированные углеводороды).

В работе [17] установлено положительное влияние радиационного излучения мощностью 30-50 Мрад/час в среде аргона на свойства ПЭ трубных марок. В ПЭВП, линейном полимере с высокой степенью кристалличности, образование сшивок идет в преимущественно небольших аморфных областях, снижает склонность к ползучести материала при повышенных температурах (»80 ºС) и в значительной степени повышает долговечность.

В последнее десятилетие данная технология все чаще и чаще используется в технологическом процессе. При этом происходит усовершенствование наборов химических препаратов, созданных на основе силана, применяющихся для любого; специфического процесса и конкретной задачи. Силановые композиции варьируются в плане особенностей употребления, специфики самого производственного процесса конкретного их состава или полимера.

Разрабатываются новые составы, их образцы могут быть представлены такими производителями силана как WITCO, группа органосиликонов (SILCAT сшивающие силаны). Могут быть созданы продукты для любых специфических применений, с тем чтобы они удовлетворяли любым запросам, таким, например, как требования по стабилизации при производстве изоляции проводов, труб для питьевой воды или труб, предназначенных для применения в отопительных приборах.

Особенности модификации ПЭ, используемого для производства труб с целью улучшения его свойств.

Получение изделий на основе полиэтилена с улучшенными эксплуатационными свойствами возможно за счет химической модификации его ненасыщенными кремнийорганическими соединениями с легко гидролизуемыми группами.

Эффективность сшивания определяется природой кремнийорганических соединений (КОС), их количеством, условиями прививки на Стадии получения материала и сшивки после формирования изделий.

Наиболее широко в качестве сшивающих агентов используется винилинтpиэтoкcиcилaн и γ-мeтaкpилoкcипpoпилтpимeтoкcиcилaн.

В работах [15] для сшивания предложена смесь винилтри - (β-этаксиэтилокси)- силана (ВТЭЭС) и этилсиликата, что позволило увеличить скорость гидролитической поликонденсации и степени сшивания полиэтилена.

Данные исследования проводили на порошкообразном полиэтилене с показателем текучести расплава (ИГР) 7г/10мин. В качестве сшивающих агентов использовали ВТЭЭС, ВТОКС - продукт частичной переэтерификации этоксигидроксисилоксанов полигликолями. ГС-этилсиликат, модифицированный акрилатным латексом, и их смеси. Инициатором прививки служили перекись дикумила - ПДК.

Предварительно определяли необходимое количество кремнийорганических соединений, обеспечивающих высокий процент сшивания полиэтилена при содержании нерекисною инициатора 0,2%. Использование ГС и ВТОКС обеспечивает низкий процент сшивки, мало изменяющийся при увеличении их количества в полиэтилене (содержание гельфракции не превышает 10%). При введении ВТЭЭС до 2% степень сшивки возрастает до 50%. При совместном использовании ВТЭЭС и ГС степень сшивки достигает 60%, а ВТЭЭС и ВТОКС -75%.

Такое различие эффективности действия кремнийорганических соединений связано с их химическим строением и, в первую очередь, с количеством двойных связей, по которым осуществляется их прививка к полиэтилену. Наибольшее количество связей содержит ВТЭЭС. При совместном использовании ВТЭЭС и модифицированных этилсиликатов эффективность сшивания повышается за счет увеличения числа функциональных групп, способных к гидрометической поликонденсации с образованием пространственно сшитого полиэтилена.

Переработка композиций, содержащих 0,2% перекиси дикумила затруднена из-за резкого нарастания вязкости материала, так как наряду с прививкой силанов к ПЭ возможно его сшивание по С-С- связи. На стадии прививки в экструзионном оборудовании при содержании перекиси дикумила 2% наблюдается сшивание ПЭ. Поэтому содержание перекиси дикумила снижается до 0,1%.

Более высокие температуры экструзии, очевидно, способствуют интенсификации процесса термоокислительной деструкции, увеличению числа образующихся макрорадикалов и, как следствие, повышению эффективности прививки. На величину термомеханохимической деструкции ПЭ на стадии прививки КОС оказывает влияние время пребывания материала при температуре экструзии и интенсивность воздействия на расплав, регулируемое числом оборотов шнека.

При меньших числах оборотов шнека экструдера степень сшивания увеличивается, так как процесс образования накопления макрорадикалов и их рекомбинация проходят более глубоко с увеличением времени воздействия температуры и сдвиговых усилий. Эффективность прививки подтверждается снижением показателя текучести расплава ПЭ с увеличением количества КОС при меньших числах оборотов шнека. Таким образом, получения силанально-сшивающего ПЭ, эффективность совместного использования ВТЭЭС с модифицированными этилсиликатами при общем содержании КОС 2%.

Под воздействием влаги модифицированный силанами ПЭ превращается в пространственно сшитый в результате реакции гидролитической поликонденсации привитых фрагментов КОС с образованием силаксановых связей между макромолекулами ПЭ. Образование силаксановой связи может проходить уже при комнатной температуре. Однако наибольшее распространение получила термообработка изделий из сшивающегося ПЭ водой при температуре 80-90°С. По данным работы ДО| время термообработки ПЭ составляет 8-10 часов. При использовании в качестве сшивающих агентов смесь ВТЭЭС и этилсиликата (ЭТС) время термообработки сократилось до 3-4 часов. При этом было показано [15], что введение в матрицу ПЭ привитых фрагментов органосиланов коэффициент диффузии мало меняется в пределах погрешности измерения (изменение составляет 10-15%). Также мало меняется энергия активации процесса. При переходе к сшитым структурам коэффициент диффузии уменьшается в 1,3-1,5 раза при общем слабом измерении энергии активации.

Это свидетельствует о том, что процесс силанольной сшивки мало зависит от скорости диффузии воды в ПЭ и определяемся в основном скоростью просекания реакций гидролитической поликонденсации ВТЭЭС и ЭТС. Значительное ускорение продесса сшивания ПЭ при совместном использовании ВТЭЭС и этилсиликата или ею модификаций (ВТОКС или ГС) объясняемся чем, что с гидролитической гомополиконденсацией возможно протекание гетерофазной поликонденсации. Гидролиз может протекать раздельно по этакси- группам ВТЭЭС и ВТОКС. Также возможен согидрому ОН- групп ВТОКС и ВТЭЭС. Не исключена реакция ОН-групп гликоля, входящих ВТОКС с ОН- или OCsHs-группами ВТЭЭС. Для данной сшивающей системы использование оловоорганических катализаторов сшивки оказалось мало эффективным.

Гидролитическая сополиконденсация и гетерофазная поликонденсация происходит за счет взаимодействия - ОС₂Н₅ и ОН- групп ВТОКС с ОС₂Н₅ ОС₂Н₄ и ОН- руинами ВТЭЭС, что подтверждается снижением интенсивности полосы при 990см^-1 и практически полным исчезновением полосы 3200-3600см^-2.Это свидетельствует о протекании реакции гидролиза и конденсации с образованием новых Si-0-Si- связей. Образование новых силоксановых связей подтверждается также резким возрастанием интенсивности полосы при 380см^-1, характерной для деформационных колебаний Si-O-Si-групп.

Следует отметить снижение интенсивности при 1400см^-1, характерной для С=С - связей. Можно предположить, что происходит раскрытие двойных связей в результате термоокислительной деструкции с последующим сшиванием по С-С-связям. При наличии ПЭ но этим группам идет прививка ВТЭЭС к ПЭ.

Степень сшивания оказывает существенное влияние на комплекс физико-химических свойств ПЭ. Силанольносшитый ПЭ проявляет высокоэластические свойства, причем температура стеклования смещается в область более высоких температур, а величина высокоэластической деформации снижается » в 1,5 раза.

ВЫВОД: Проведенный информационный анализ свидетельствует:

¾  о повышенных требованиях к полиэтиленовым трубам для систем газоснабжения из-за высокой взрыво- и пожароопасности транспортируемой среды;

¾  о необходимости модификации полиэтилена на стадии синтеза или переработки для повышения уровня эксплуатационных характеристик экструзионных трубных марок;

¾  о возможности повышения теплостойкости, термостабильности, снижения деформируемости ПЭВП путем химического и радиационного сшивания;

¾  о преимуществах Силановой технологии для улучшения качества продукции и повышения технологичности.

В связи с вышеизложенным, в курсовом проекте предлагается следующее технологическое решение для организации производства газонапорных труб:

¾  замена базовой марки сырья ПЭ-80 на ПЭ-100 для улучшения эксплуатационных характеристик полимерных газовых труб, диаметром 110мм;

¾  совершенствование конструкции экструзионной головки, т.е. использование формующей головки с вращающимся дорном для повышения прочности изделий в радиальном направлении.

1.2 Патентные исследования

Задачей патентных исследования является исследование тенденций развития производства полиэтиленовых труб с повышенной прочностью.

По результатам проведенного поиска по РЖ ВИНИТИ Химия «Технология полимерных материалов», и бюллетеня «Изобретения. Полезные модели» выявлено, что ведущей страной в разработке технологии получения полиэтиленовых труб является РФ, эта страна выбрана в качестве страны поиска. Глубина поиска по источникам патентной и научно-технической документации принята 10 лет, исходя из потребности для решения поставленной задачи. Начало поиска 1 января 2006г.

Поиск проводился по фондам ЭТИ СГТУ и в Интернете: http://www.fips.ru по следующим материалам:

Научно-техническая и патентная документация, отобранная для анализа:

1. Пат. 2190796 Российской Федерации, МПК 7 F16L9/12

Способ изготовления полиэтиленовой трубы / / Нахаев С. С., заявитель и патентообладатель Нахаев С. С. / - 2000126177/06; заявлено 17.10 2000; опубл.10.10. 2002 // Изобретения. Полезные модели -2002.-№14.-с.324.

Изобретение относится к области производства труб , которые могут быть использованы при строительстве трубопроводов для транспортирования газообразных и жидких, в том числе химически агрессивных сред, при переменных давлении и температуре преимущественно в средних и южных широтах. Техническим результатом изобретения является обеспечение надежности работы трубы при эксплуатации ее при высоких температурах, а также снижение трудозатрат на ее изготовление. Способ изготовления трубы включает выполнение канавок по спирали, укладку в них длинномерного элемента с последующим покрытием эластичным материалом. Используют однослойную полимерную трубу, по спирали которой с помощью, например, резца выполняют канавку, глубина которой не превышает половины толщины стенки трубы и определяется сечением длинномерного элемента. Покрытие длинномерного элемента эластичным материалом осуществляют с помощью сварки, например экструдером с предварительным подогревом стенок канавки.

2. Заявка 2002122406 Российской Федерации, МПК 7 F16L9/12

Композиция на основе сшиваемого полиэтилена, способ получения из нее трубы и труба / Корнет Мартин, Лефебвр Лоран, Вандевейвер Эрик, заявитель Корнет Мартин, Лефебвр Лоран, Вандевейвер Эрик - / 2002122406/04; заявлено 10.01.2004, опубл. 20.08.2005 // www.fips.ru.

Изобретение относится к композиции на основе сшиваемого полиэтилена, способу изготовления трубы из указанной композиции и трубе. Композиция содержит от 0,05 до 0,24 гидролизуемых силановых групп на 100 единиц -СН2- и имеет стандартную плотность, по меньшей мере, 954 кг/м3. При этом показатель текучести расплава композиции, измеренный в соответствии со стандартом ASTM D 1238, при нагрузке 5 кг (MI5) ниже 1,5 г/10 мин и при нагрузке 21,6 кг (HLMI) выше 2 г/10 мин. Указанные композиции, содержащие сшиваемый полиэтилен, применяются для производства труб. Способ изготовления трубы предусматривает на первой стадии экструзию композиции в форме трубы. После чего на второй стадии полученную трубу подвергают гидролизу для сшивания сшиваемого полиэтилена. Полученные по изобретению трубы имеют высокое долговременное сопротивление давлению свыше 12,5 МПа, определяемое в соответствии со стандартом ISO/TR 9080, и могут быть использованы для транспортировки текучих веществ под высоким давлением. 3 н. и 10 з.п. ф-лы.

3. Пат. 2143628 Российской Федерации, МПК 6 F16L9/12

Способ изготовления полиэтиленовой трубы, армированной металлическим каркасом/ Нахаев С. С., заявитель и патентообладатель Нахаев С. С. / - 98111368/06; заявлено06.09.1998.; опубл. 12.27.1999. // Изобретения. -1999.-№ 22.-с. 467.

Изобретение относится к производству полиэтиленовых труб . Способ включает размещение на оправке продольной металлической арматуры, навивку на нее с заданным шагом витков поперечной арматуры, скрепление арматуры в точках ее пересечения, формирование полиэтиленовой оболочки и разделение непрерывной трубы на отрезки мерной длины. В результате сокращаются трудозатраты и экономится расходуемый материал.

4. Заявка 2000126177 Российской Федерации, МПК 7 F16L9/12

Способ изготовления полиэтиленовой трубы / Нахаев С. С., заявитель Нахаев С. С. / - 2000126177/06; заявлено 17.10.2000; опубл. 9.10.2002 // Изобретения. Полезные модели -2002.-№12.-с.372.

Способ изготовления полимерной армированной трубы, включающий выполнение канавок по спирали, укладку в них длинномерного элемента с последующим покрытием последних эластичным материалом, отличающийся тем, что используют однословную полимерную трубу, по всей длине которой с помощью, например, резца выполняют канавку, глубина которой не превышает половины толщины стенки трубы и определяется сечением длинномерного элемента, а покрытие последнего эластичным материалом осуществляют с помощью сварки при предварительном подогреве стенок канавки.

5. Заявка 98118100 Российская Федерация, МПК 7 F16L9/12

Многослойная труба/ Бореалис А. С., Эк Карл-Густаф, Сандберг Ханс, Линдстрем Хельге, заявитель Бореалис А. С., Эк Карл-Густаф, Сандберг Ханс, Линдстрем Хельге / - 98118100/06; заявлено 5.10.1998; опубл. 27.08.2000// www.fips.ru.

Многослойная пластиковая труба, состоящая, по меньшей мере, из двух слоев различных пластиковых материалов, с улучшенной стойкостью к быстрому распространению трещины, отличающаяся тем, что пластиковые материалы состоят из полиолефинового пластика, а труба имеет стойкость к быстрому распространению трещины, выраженную в виде критической температуры трубы, которая ниже взвешенного среднего значения критической температуры однослойных труб из отдельных пластиковых материалов, включенных в многослойную трубу, имеющую одинаковый размер, причем критические температуры однослойных труб из отдельных пластиковых материалов различаются по меньшей мере на 5°С, а критическая температура трубы является самой низкой температурой, при которой трещина, образуемая в трубе , распространяется в трубе на расстояние, равное, по существу 4 диаметрам трубы, при перепаде давления между внутренней стороной и наружной стороной трубы 0,5 МПа.

2. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что она имеет критическую температуру, которая ниже температуры всех включенных пластиковых материалов отдельно.

3. Труба по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она имеет критическую температуру ниже -5°С, предпочтительно ниже -15°С, измеренную на трубе , имеющей наружный диаметр 110 мм и толщину стенки 10 мм.

4. Труба по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что слои состоят, по меньшей мере, из одного пластика, который выбран из полиэтиленового пластика и полипропиленового пластика.

5. Труба по п. 4, отличающаяся тем, что слои состоят, по меньшей мере, из двух слоев полиэтиленового пластика, значения Т_крит. которых отличаются по меньшей мере на 10°С.

6. Труба по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что слои состоят, по меньшей мере, из двух слоев полипропиленового пластика, значения Т_крит. которых отличаются, по меньшей мере, на 10°С.

7. Труба по любому из пунктов, отличающаяся тем, что пластиковый материал, имеющий самую низкую критическую температуру, Т_крит., расположен, по меньшей мере, на внешней стороне трубы .

8. Труба по п. 7, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, три слоя, а материал, имеющий самую низкую критическую температур.

6. Заявка 2002105658 Российской Федерации, МПК 7 F16L9/12

Способ упрочнения полиэтиленовых труб/ Магарил Я. Ф., Багиров Р. Р., Бирюков С. Д., Завьялов М. П., Шпанер Я. С., заявитель Магарил Я. Ф., Багиров Р. Р., Бирюков С. Д., Завьялов М. П., Шпанер Я. С. /- 2002105658/06; заявлено 04.03.2002; опубл. 10.09.2003 // www.fips.ru.

Способ упрочнения полиэтиленовых труб, включающий нанесение армирующего, герметизирующего и защитного слоев, отличающийся тем, что армирующий слой наносят плотным плетением по системе “два через два”, по концам трубы устанавливают втулки с зубчатыми кольцевыми канавками в зоне полиэтиленовой трубы и сплошными кольцевыми канавками в зоне армирующего слоя, сверху надевают муфту с зубчатыми кольцевыми канавками по внутреннему диаметру и встречными выступами по наружному диаметру, через внутренний диаметр втулки протягивают дорн диаметром, большим внутреннего диаметра втулки, по муфте протягивают матричную втулку с формирующим диаметром, меньшим наружного диаметра муфты, а край муфты совместно с армирующим слоем приваривают к втулке.

7. Заявка 2002121101 Российской Федерации, МПК 7 B29D23/00

Способ изготовления полиэтиленовой трубы / Маганов Р. У., Некрасов В. И., Вятчинин М. Г., Лесничий В. Ф., Инюшин Н. В., Ларионов А. Ф., заявитель Маганов Р. У., Некрасов В. И., Вятчинин М. Г., Лесничий В. Ф., Инюшин Н. В., Ларионов А. Ф. / - 2002121101/12; заявлено02.08.2002; опубл. 27.03.2004 // www.fips.ru.

Способ изготовления трубы, включающий формование полиэтиленовой трубчатой заготовки, ее калибрование с охлаждением и армирование намоткой и полимеризацией волокнистого материала со связующим, отличающийся тем, что калибрование с охлаждением трубчатой заготовки ведут в коническом калибраторе.

8. Заявка 2002122976 Российской Федерации, МПК 7 B29D23/00

Способ изготовления трубы/ Грейлих В. И., Маевский И. И., Кобяков Н. И., Зырянова Л. Н., заявитель закрытое акционерное общество "НПП Композит-нефть" /- 2002122976/12; заявлено 26.08.2002; опубл.10.03.2004. // www.fips.ru.

1.Способ изготовления трубы, включающий поочередное нанесение на полиэтиленовой слой праймерного слоя и композиционно-волокнистого материала, и последующую термообработку с замоноличиванием элементов, отличающийся тем, что после нанесения на полиэтиленовый слой праймерного слоя выполняют их термообработку с прогревом только поверхностного слоя полиэтиленовой оболочки, а термообработку композиционно-волокнистого материала выполняют при температуре меньшей предыдущей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение на полиэтиленовый слой праймерного слоя выполняют методом соэкструзии.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение на полиэтиленовый слой праймерного слоя выполняют методом намотки пленки из сэвиленовой композиции с ее обмоткой тонким слоем композиционно-волокнистого материала.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение на полиэтиленовый слой праймерного слоя выполняют методом намотки пленки из двухслойной сэвиленовой композиции.

5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве материала внутренней оболочки используется, например, полипропилен, поливинилхлорид, полиэтилен высокой или низкой плотности, полиамид и т.п., а в качестве термоотверждающегося материала, например, полиэфирная, эпоксидная, эпоксифенольная и т.п. композиция

9. Заявка 2001112853 Российской Федерации, МПК 7 F16L9/12

Способ изготовления полиэтиленовой трубы / Маганов Р. У., Некрасов В. И., Вятчинин М. Г., Лесничий В. Ф.,.Инюшин Н. В, Ларионов А. Ф., заявитель Маганов Р. У., Некрасов В. И., Вятчинин М. Г., Лесничий В. Ф.,.Инюшин Н. В, Ларионов А. Ф. / - 2001112853/06; заявлено 08.05.2003; опубл.27.02.2003 // www.fips.ru.

Способ изготовления трубы, включающий нанесение на полиэтиленовый слой праймерного слоя, намотку композиционно-волокнистого материала и последующую термообработку с замоноличиванием элементов, отличающийся тем, что намотку композиционно-волокнистого материала выполняют в виде двух спиральных взаимно перекрестных слоев и в процессе термообработки сначала замоноличивают наружный из взаимно перекрестных слоев, а затем - остальные элементы трубы.

ВЫВОД: Анализ патентной документации и научно-технической документации показывает наличие большого количества данных, посвященных проблеме производства полиэтиленовых труб. Отмечено, что упрочнение полиэтиленовых труб достигается при нанесении армирующего слоя плотным плетением, по концам трубы устанавливают втулки, сверху надевают муфту, через внутренний диаметр втулки протягивают дорн диаметром, большим внутреннего диаметра втулки, по муфте протягивают матричную втулку с формирующим диаметром, меньшим наружного диаметра муфты, а край муфты совместно с армирующим слоем приваривают к втулке.

Показано, что меняя параметры процесса и применяя новое оборудование можно изготовить полиэтиленовые трубы различного назначения в связи с чем ассортимент значительно расширится.

В данном дипломном проекте предлагается совершенствование технологии производства полиэтиленовых газопроводных труб путем использования в качестве сырья полиэтилена марки ПЭ-100 и головки экструдера с вращающимся дорном.

1.3 Характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов и готовой продукции

Исходя из условий эксплуатации труб, для их изготовления необходимо использовать такой материал, который бы удовлетворял следующим специальным требованиям:

не допускать вредного воздействия на воду, не допускать появления механических и других примесей от вымывания составляющих материалов;

обеспечить изготовление труб окрашенных в массе в черный цвет;

показатели материала не должны изменяться более чем на 5% в процессе хранения в течение двух лет в закрытом помещении;

поверхность труб должна быть гладкой и ровной, допускаются незначительные следы от формующего инструмента на наружной поверхности трубы, а также углубления от маркирующего устройства глубиной не более 0,5мм.

Материалом удовлетворяющим этим требованиям является полиэтилен среднего давления ПЭ 100 (производитель ОАО «Ставролен»).

Гранулированный ПЭ поступает на производство в полиэтиленовых мешках с сертификатом качества предприятия – изготовителя. Использование вторичного полиэтилена для производства газопроводных труб недопустимо.

ПЭ выпускается в виде гранул черного цвета размером 2 – 5 мм. Показатели качества должны соответвтвовать требованиям, указанным в табл. 3

Вода необходимая для охлаждения труб общая жесткость которой должна составлять не более 7,0 мг-экв/л.

Вспомогательные материалы приведены в табл. 4

Таблица 3

Качественные показатели ПЭ марки ПЭСП (ПЭ 100) производитель ОАО «Ставролен»

Таблица 4

Характеристика вспомогательных материалов.

Готовой продукцией являются трубы для газопроводов из полиэтилена (ПЭ 100) с техническими характеристиками:

¾  Наружный диаметр, мм 110 ± 1,0

¾  Толщина стенки, мм 6,3 ± 1,0

¾  Овальность, мм не более 6,6 + 0,8

(в отрезках) 2,2

¾  Внешний вид гладкая наружная и внутренняя поверхность

¾  Цвет черный с желтыми продольными маркировочными полосами по окружности трубы

¾  Относительное удлинение при разрыве, % не менее 350

¾  Изменение длины труб после прогрева, % не более 3,0

¾  Стойкость при постоянном внутреннем 100

давлении при 20 ºС, час, не менее (при σ_нач в стенке трубы 10 МПа)

¾  Стойкость при постоянном внутреннем давлении 165

при 80 ºС, в час, не менее (при σ_нач -4,6 МПа)

¾  Стойкость к газовым составляющим при 80 ºС и начальном напряжении в стенке руб 2 МПа, час, не менее 20

¾  Термостабильность труб при 200 ºС, мин, не менее 20

¾  Стойкость к быстрому распространению трещин для труб с номинальной толщиной стенки 15 мм или при максимальном рабочем давлении трубопровода 0,4 МПа для всех диаметров Мор/2,4

1.4 Описание технологического процесса

Процесс изготовления труб основан на непрерывном выдавливании расплава через кольцевую щель формующей головки с последующим калиброванием, охлаждением и отводом трубы в соответствующие приемные устройства. Методом экструзии можно изготавливать трубы диаметром от десятых долей миллиметра (капиллярные трубки) до 500мм и более.

Процесс изготовления труб состоит из следующих технологических

операций: [19,20]

1) подготовка сырья;

2) плавление и гомогенизация расплава;

3) формование профиля трубы из расплава;

4) калибрование трубы;

5) охлаждение трубы;

6) намотка или резка;

7) маркировка.

Исходный материал из бункера для хранения направляется в сушилку гранул 1 для удаления поверхностной влаги из полимера. Гранулы полимера загружаются в бункер экструдера 2, где они расплавляются и выдавливаются через формующую трубную головку 3. Трубчатый профиль поступает внутрь калибровочной насадки 4, где частично охлаждается и приобретает необходимые размеры. Для прижатия расплава к стенкам калибрующей насадки внутрь трубы подводится сжатый воздух или создается вакуум между трубой и насадкой. Затем труба 7 охлаждается в ванне с двумя температурными зонами 5 и 6, проходит маркировку в устройстве 8, протягивается тянущим устройством 9 , разрезается пилой 10 и подается на приемный стол (штабелирующее устройство) 11. Бракованные изделия измельчаются в дробилке 12. (лист1)

Плавление полимера и гомогенизация расплава

Подготовка расплава к формованию проводится на шнековых экструдерах. При плавлении полимера и гомогенизации расплава требуется обеспечить хорошую однородность расплава по температуре, а также полное плавление гранул, чтобы исключить попадание в изделие нерасплавленных частиц полимера. В противном случае качество изделий понижается. Кроме того, чтобы происходило качественное формование расплава и последующее сохранение заданной формы, полимер должен быть нагрет до определенной температуры. Экструзионный агрегат должен работать при частоте вращения шнека, обеспечивающей заданную скорость выхода расплава и определенное избыточное давление на входе в формующую головку.

Скорость экструзии обычно выбирается из условия исключения эластической турбулентности (дробления расплава и появления шероховатости) или в зависимости от скорости охлаждения трубы с учетом длины охлаждающей ванны.

Формование профиля трубы.

Формование осуществляется за счет течения расплава полимера через кольцевую щель головки. При переработке ПЭВП, имеющего линейное строение макромолекулы ориентируются по направлению течения полимера, а максимальная прочность обеспечивается в поперечном направлении или под некоторым углом к направлению действия напряжений сдвига.

Необходимо учитывать также, что при увеличении скорости может появиться шероховатость поверхности, так как при напряжениях сдвига, превышающих силы адгезии расплава, происходит периодический срыв расплава с поверхности формующего канала.

При формовании профиля трубы расплав из головки выходит не свободно, а отводится с помощью тянущего устройства. Если расплав отводится со скоростью большей, чем скорость выхода расплава, происходит уменьшение толщины стенки трубы и повышается осевая ориентация макромолекул. В зависимости от степени вытяжки расплава увеличивается усадка в продольном направлении. При этом в тангенциальном направлении при нагревании труб, изготовленных с вытяжкой, наблюдается не уменьшение, а увеличение размеров. Формование профиля трубы происходит в канале, образованном дорном и формующим кольцом, закрепленным фланцем и болтами. Осевое течение расплава осуществляется под действием перепада давления в головке.. С увеличением частоты вращения дорна значительно уменьшается также относительное удлинение при растяжении вдоль направления экструзии и возрастает в тангенциальном. Таким образом, проявляется одинаковая зависимость разрушающего напряжения и относительного удлинения от частоты вращения дорна. Прочность на гидравлический разрыв при этом увеличивается на 20 — 25%. При исследовании физико-механических свойств образцов установлено, что относительное удлинение изделий, получаемых при осевом течении расплава в направлении экструзии, на 12% ниже, чем в перпендикулярном. В целом изменение разрушающего напряжения и относительного удлинения соответствуют друг другу. Выявлено, что повышение производительности экструдера приводит к увеличению анизотропии прочности труб, т.е. происходит уменьшение прочности вдоль направления экструзии, тогда как по периметру трубы прочность повышается. Влияние температуры на изменение анизотропии незначительное, т.е. с повышением температуры экструдата наблюдается не большое увеличение прочности. При выборе режима экструзии нужно оперировать не скоростью вращения дорна, а напряжением сдвига, возникающего при течении расплава в формующем канале.

При гидравлических испытаниях образцов труб, изготовленных с вращающимися формующими элементами они выдерживают большее давление, чем обычные трубы. При гидравлических испытаниях труб на стенде установлено, что трубы, изготавливаемые с вращением дорна, разрушаются с образованием разрыва не вдоль трубы, как обычно, а поперек. Кроме того, значительно увеличивается долговечность труб: испытания до разрушения они выдерживают во времени примерно в два раза дольше, чем трубы, изготовленные при неподвижном дорне.

Калибрование труб

Для придания профилю экструдата заданных размеров и исключения его деформации в охлаждающем устройстве трубы калибруют, т.е. предварительно охлаждают с обеспечением расплаву определенной конфигурации и размеров.

Трубчатая заготовка расплава выдавливается из головки и поступает внутрь металлической гильзы калибратора. При подаче сжатого воздуха внутрь трубы происходит частичное раздувание по диаметру, вследствие чего труба на выходе из головки плотно прилегает к охлаждаемым стенкам калибрующей гильзы. Чтобы не произошло разрушения (раздувания) экструдата, насадка в данном случае крепится вплотную к головке, а в рубашку калибрующей насадки подается охлаждающая жидкость. Для исключения прилипания расплава, гильза насадки охлаждается до температуры, которая всегда должна быть ниже температуры стеклования или плавления. При этом на поверхности трубы образуется слой твердого полимера, который после выхода из насадки должен выдерживать внутреннее давление воздуха, а также силы трения, возникающие в насадке.

С повышением температуры калибрования прочность труб в продольном направлении повышается, а в тангенциальном практически не меняется. Изменение прочности вдоль направления экструзии от температуры калибрующей гильзы обусловлено повышением степени кристалличности полимера.

От температуры охлаждающей воды в насадке зависит также шероховатость поверхности. С повышением температуры шероховатость труб понижается, так как в поверхностном слое степень кристалличности повышается. Давление калибрования выбирается в зависимости от диаметра трубы, толщины ее стенки, а также от свойств полимеров и температуры расплава. При этом следует учитывать, что при низком давлении ухудшается внешний вид труб (образуется поверхностная рябь), а при чрезмерно большом снижается прочность из-за возрастания коэффициента трения и появления микротрещин.

При охлаждении экструдата происходит усадка трубы, величина которой определяется природой полимера, исходной температурой и скоростью охлаждения. На величину усадки труб из ПЭВД по длине и диаметру существенное влияние оказывает скорость экструзии (отвода трубы). Чем выше производительность экструдера, тем выше напряжения сдвига в формующих каналах головки и соответственно ориентация макромолекул вдоль направления экструзии. При охлаждении объем полимера уменьшается больше в направлении ориентации, поэтому усадка труб происходит преимущественно в продольном направлении, а по диаметру с ростом скорости экструзии уменьшается. Величина усадки трубы по длине в основном зависит от степени вытяжки расплава на выходе из тубы, напряжений сдвига и температуры расплава полимера.

Охлаждение труб.

Охлаждение труб проводится орошением их водой или пропусканием через водяную ванну. Основное требование к этой операции — равномерное и быстрое охлаждение расплава. Поскольку труба движется в горизонтальном направлении, то создаются неравномерные температурные поля по верху и по низу трубы. Чтобы исключить это, в ваннах обеспечивается интенсивное перемешивание жидкости, для чего устанавливают барботажные трубки, разбрызгивающие форсунки или создают спиральный поток воды вокруг трубы. Интенсивное перемешивание необходимо также для удаления пузырьков воздуха, оседающих на поверхности трубы и нарушающих теплообмен. В противном случае поверхность становится дефектной (с оспинами).

Температура охлаждающей воды обычно выбирается в зависимости от полимера, а также с учетом требований, предъявляемых к трубам. При очень низкой температуре поверхностные слои имеют аморфную или мелкокристаллическую структуру, а во внутренних слоях возникают кристаллические образования больших размеров. Для выравнивания структуры применяют охлаждение по зонам, с различной температурой или двухстороннее охлаждение.

Трубы хорошего качества получаются, если температура расплава на внутренней поверхности после выхода из ванны понижается до температуры плавления или текучести. Поэтому необходимо обеспечивать определенную скорость отвода трубы тянущим устройством. Если отвод трубы чрезмерно ускорить, расплав на внутренней поверхности срезается плавающей пробкой и гладкость трубы нарушается. Высокая температура на внутренней поверхности после охлаждения приводит к увеличению размеров кристаллических структур и ухудшению качества труб, возможна также деформация труб при сжатии их треками тянущего устройства.

Маркировка и упаковка труб.

После охлаждающей ванны труба поступает в тянущее устройство, с помощью которого обеспечивается постоянная скорость отвода трубы. При этом труба должна иметь хорошее сцепление с треками или роликами тянущего устройства, исключающее ее проскальзывание и появление вследствие этого кольцевых утолщений стенки.

По ходу движения трубы обычно устанавливают устройство для измерения ее длины и маркировки. Надпись на трубы наносится накаткой краски или методом горячего тиснения. На обогреваемом ролике надпись выполняется в виде выступающих знаков, которые при нажатии на трубу оставляют углубления.

Трубы с помощью режущего устройства разрезаются на отрезки определенной длины и упаковываются в виде связанного пучка. При изготовлении труб, а также перед их упаковкой периодически проводится визуальный осмотр, измерение основных размеров (диаметра, толщины стенки) и испытание на соответствие ГОСТам. На современных агрегатах диаметр трубы и толщина стенки измеряются автоматически приборами.

1.5 Основные параметры технологического процесса

В качестве основных технологических параметров приняты следующие: распределение температур по зонам нагрева экструдера, давление пластикации, температура калибрования, скорость отвода труб, температура воды в охлаждающих ваннах.

Переработка полиэтилена высокой плотности требует корректировки режимов пластикации: увеличение температуры пластикации на 10 °С и увеличение линейной скорости вращения шнека.

Температура по зонам материального цилиндра:

1 зона – 125 ± 10°С

2 зона – 160 ± 10°С

3 зона – 190 ± 10°С

4 зона – 190 ± 10°С

5 зона – 195 ± 10°С.

Температура по зонам головки:

1 зона – 195 ± 10°С

2 зона – 190 ± 10°С

3 зона – 180 ± 10°С

4 зона – 170 ± 10°С.

Линейная скорость вращения шнека – 12-117 об/мин.

Вакуум - 0,03 – 0,012 кгс/см².

Скорость отвода трубы – 5 м/мин.

Температура воды в охлаждающих ваннах - не выше 30°С.

1.6 Технологическая характеристика основного технологического оборудования

I.    Линия для производства труб ЛТ 125-75/160. [21]

¾  Максимальная производительность, кг/час 250

¾  Размеры выпускаемых труб:

наружный диаметр, мм 75-160

толщина стенки, мм 6-9

длина отрезков, мм 6000-12000

¾  Скорость протягивания труб, м/мин 5

¾  Общая установленная мощность

электрооборудования линии, кВт в т.ч. 186

электродвигателей 151

электронагревателей 35

¾  Электроснабжение – сеть трехфазного тока:

напряжение, В 380/220

частота, Гц 50

¾  Объемный расход воды, м³/час, не более

(Т=20 ºС, давление =0,3 – 0,6 МПа) 7,0

¾  Объемный расход сжатого воздуха, м³/час, не более

(давление = 0,3 – 0,5 МПа) 0,5

¾  Габаритные размеры: длина, мм 39000

ширина, мм 3700

высота, мм 2900

¾  Масса, кг 11600

Состав линии:

1.   Сушилка СГ-300 – предназначена для автоматической загрузки, нагрева и подсушки гранулированного полиэтилена.

¾  Температура нагрева воздуха, ºС 50-160

¾  Производительность, кг/час 300

¾  Емкость бункера загрузчика, м³, не менее 0,15

¾  Емкость бункера устройства нагрева гранул, м³, не менее 0,15

¾  Высота подачи материала, м 6

¾  Длина транспортного трубопровода, м, не более 10

¾  Установленная мощность, кВт 14

¾  Мощность нагревателей, кВт 12

¾  Габаритные размеры бункера загрузчика, мм не более:

длина 950

ширина 600

высота 905

¾  Габаритные размеры устройства нагрева гранул

с циклоном загрузчика, мм не более: длина 1050

ширина 720

высота 1670

¾  Масса, кг 300

2. Пресс червячный (экструдер) ЧП 125 х 25:

¾  Диаметр червяка, мм 125

¾  Отношение рабочей длины червяка к его диаметру 25

¾  Производительность пресса, кг/час не более 500

¾  Число обогреваемых зон корпуса 4

¾  Частота вращения червяка, об/мин 12-117

¾  Общая мощность электронагревателей, кВт 35

¾  Габаритные размеры, мм длина 4660

ширина 3700

высота 1800

¾  Масса, кг 4400

3. Головка трубная:

¾  Количество зон обогрева 3

¾  Максимальная температура нагрева корпуса головки, ºС 250

¾  Габаритные размеры, мм 1090 х 910 х 1280

¾  Масса, кг 620

4. Ванна охлаждения водяная (2 шт):

¾  Габаритные размеры, мм 6320 х 820 х 1250

¾  Масса, кг 770

5. Машина тянущая:

¾  Скорость протягивания, м/мин не более 13

¾  Тип тянущего устройства роликовое с резиновыми траками

¾  Усилие сжатия траков, кгс 1000

¾  Габаритные размеры, мм 3065 х 1844 х 2200

¾  Масса, кг 2400

6. Машина для резки труб:

¾  Тип отрезного устройства маятниковый

¾  Режущий инструмент пила дисковая (Ø 500 мм)

¾  Номинальная частота вращения пилы, об/мин 1500

¾  Привод каретки пневматический

¾  Габаритные размеры, мм 2675 х 920 х 1600

¾  Масса, кг 540

7. Измельчитель пластмасс роторный УИ. предназначен для измельчения отходов термопластов до размеров, пригодных для дальнейшей переработки.

¾  Максимальные размеры пустотелых отходов, мм 200´150´100

¾  Производительность, кг/час 50 – 150

¾  Получаемая измельченная фракция, мм не более 6

¾  Частота вращения ротора, об/мин 1450

¾  Мощность привода, кВт 3

¾  Габаритные размеры, мм 1050х750х1300

¾  Масса, кг 230

1.7 Технологические расчеты

1.7.1 Расчеты удельных норм расхода сырья и вспомогательных материалов

Норма расхода - это максимально допустимое плановое количество сырья и материалов на производство единицы продукции установленного качества в соответствии с уровнем развития техники, технологии и организации производства.

Типовая структура нормы расхода пластических масс в основном производстве продукции из них имеет следующий вид;

H_p = m_o + m_то + m_тп ,

где m_o - чистая масса готовой продукции из пластмасса (без арматуры);

m_то - масса технологических отходов;

m_тп - масса технологических потерь.

Технологические отходы представляют собой остатки исходного сырья (смолы, пластмассы), некондиционные изделия, литники, грот и т.д., образовавшиеся в процессе производства продукции и частичного или полностью утратившие свое качество.

В зависимости от способа переработки и от вида готовой продукции норма расхода сырья может быть выражена в граммах на одну штуку, килограммах на тысячу штук изделий (литье под давлением, горячее прессование, выдувное формование); в килограммах на один noгонный метр или на тысячу погонных метров, в килограммах на одну тонну (экструзия листов, труб); в килограммах на один квадратный метр или на тысячу квадратных метров (экструзия пленок) и т.д.

Норма расхода сырья на производство единицы продукции из пластмасс рассчитывается по следующей формуле:

H_p =К_р × m_o ,

где К_р - нормативно составляющие расходного коэффициента по стадиям технологического процесса;

Нр - количество стадий технологического процесса.

Нормативные коэффициенты и их структурные составляющие определяются в безразмерных величинах [22].

Определение расходных норм при производстве труб.

Определить нормы расхода полиэтилена на производство труб размером 110 x 6,3 на 1п.м.(в кг), получаемых экструзионным способом. Определяем массу трубы, исходя из плотности полиэтилена, равной 952 кг/м³ (0,952 г/см³). Фактическая масса 1п.м.трубы , кг равна 2,09 кг.

Определяем нормативные расходные коэффициенты:

К₁= 0,0035 (невозвратные потери, кг)

К₂= 0,0045 (неиспользуемые отходы, кг)

К₃ = 0,035 (используемые отходы, кг)

К₄ = 0,022 (содержание КОС, кг)

К₅ = 0,002 (потери при подготовке, кг).

Суммарный расходный коэффициент равен:

К = К₁ + К₂ + К₃ + К₄ + К₅ = 1,067

Норма расхода полиэтилена составляет: Нр = К × m_o

Размер труб: 110 x 6,0

Норма расхода ПЭ (кг)

Нр = 1,067 • 2,09 = 2,23

Расходные нормы сырья при производстве труб приведена в табл.5

Таблица 5

Расходные нормы сырья при производстве труб

Производительность одношнекового экструдера.

Рассчитывается по формуле:

Q=6 × 10^-2 × k × r_н× m × u × n , кг/час

где k – коэффициент заполнения шнека (0,7),

r_н – насыпная масса гранул (0,6 г/см³),

m – число заходов шнека (1),

u – объем спирального канала, образованного поверхностями цилиндра

и шнека, м³,

n – частота вращения шнека, об/мин.

u = p × h × ( D – h ) × ( t – l ), см³,

где h – глубина нарезки шнека (0,5 см),

D – диаметр червяка (12,5 см),

t – шаг нарезки (12,5 см),

l – ширина гребня витка (0,6 см).

u = 3,14 × 0,5 × (12,5-0,5) × (12,5-0,6) = 224 см³,

Q = 6 × 10^-2 ×0,7 × 0,6 × 1 × 224 × 50 = 282,24 кг/час.

1.7.2 Расчет основного технологического оборудования

Расчет экструдера включает в себя следующее:

- определение основных геометрических параметров шнека;

- определение производительности экструдера;

- определение производительности экструдера;

- нахождение объема загружаемого бункера;

- определение максимального давления раствора в конце шнека;

- определение эффективной вязкости расплава;

- определение мощности, потребляемой экструдером.

Шнек характеризуется следующими основными геометрическими параметрами: диаметр, длина, шаг винтовой нарезки, глубина нарезки, ширина гребня витка, величина зазора между гребнем шнека и внутренней стенкой цилиндра, угол подъема винтовой линии нарезки шнека.

Цилиндр и шнек являются основными технологическими органами экструдера, выполняют последовательно ряд рабочих операций, действия которых можно выделить в три зоны: загрузка, сжатие и дозирование.

Зона загрузки шнека составляет обычно около трети длины рабочей части шнека и составляет:

 ,

где D – диаметр шнека, равный 125 мм;

Тогда L_загр = 10 × D = 1250 мм

Длина шнека L = 3750 мм

Длина зоны сжатия зависит от свойств перерабатываемого материала и составляет:

Принимаем L_сж = 14 × D = 1750 мм.

Зона сжатия необходима для уплотнения материала, создания монолитной массы, обладающей значительно большей теплопроводностью, чем рыхлый, неуплотненный полимерный материал. Уплотненный материал образует в зоне гомогенную свободную от пустот пластифицированную массу, которая поступает в следующую зону – дозирования.

Зона дозирования предназначена для равномерного выдавливания (дозирования) пластифицированного и гомогенизированного материала в формующую головку. Поэтому в этой зон должен быть постоянный шаг и глубина нарезки.

Когда шаг нарезки t = D = 125 мм, угол подъема винтовой линии j=17,5°.

Длина зоны дозирования:

Принимаем  мм. Основное влияние на производительность экструдер оказывает именно доза дозирования. Рассчитаем производительность экструдера, используя формулу:

,

где D – диаметр шнека, равный 125 мм = 12,5см;

h_ср – глубина нарезки в начале зоны сжатия, h_ср = h₂.

Определим h_ср по формуле:

,

где h₁ – глубина спирального канала в начале зоны загрузки (под загрузочной воронкой), см;

h₃ – глубина спирального канала в зоне дозирования, см.

j - угол подъема винтовой линии (j = 17,5°);

n – частота вращения шнека (n = 50 об/мин);

Р – давление в конце шнека (Р = 15 МПа);

h_н – эффективная вязкость в зазоре между гребнем шнека и внутренней стенкой цилиндра (h_н = 3,5×10^-4 МПа×с).

 см.

h₃ рассчитывается по формуле:

,

где i – степень уплотнения материала, принимаемая равной 2,3.

Тогда

 см

Значит  см

Подставляя найденные значения в формулу для нахождения производительности одночервячного экструдера получим:

см³/мин

или  кг/ч,

где r = 950 кг/см³ – плотность материала;

Определим объем загрузочного бункера по формуле:

,

где d₁ – диаметр сердечника (вала) шнека у загрузочной воронки, см.

t – шаг нерезки (t = D = 12,5 см);

е – ширина гребня витка шнека, см.

 см

Тогда  см³

Определение максимального давления расплава в конце шнека:

,

где L_д – длина зоны дозирования шнека (L_д = 750 мм = 75 см);

n – частота вращения шнека (n = 50 об/мин).

h = 18×10² Па×с.

От величины скорости сдвига g (в с^-1) расплава в канале шнека зависит величина эффективной вязкости расплава.

.

Зная скорость сдвига расплава и температуру переработки, определяем эффективную вязкость:Пас. Необходимая для привода шнека мощность рассчитывается по уравнению энергетического баланса экструдера

,

где Q_в – производительность экструдера, кг/ч (320 кг/ч);

с – удельная теплоемкость материала (3 кДж/(кг×К при Т = 493 К);

Т_р – температура расплава материала, К (293 К);

Т₀ – температура загружаемого материала, К (453 К).

Тогда  кВт

1.7.3 Теплоэнергетические расчеты

Тепловой баланс экструдера:

,

где Е_н – теплота, поступающая от внешних обогревателей;

Е_ш – теплота, выделяющаяся при работе шнека;

Е_м – теплота, которая уходит с нагретым материалом;

Е₀ – теплота, уносимая системой охлаждения (водой, воздухом);

Е_п – потри теплоты в окружающую среду через кожух экструдера.

Количество теплоты подводимой внешними электронагревателями (Е_н) рассчитывается по формуле:

 ,

где U – падение напряжения, В; R – сопротивление проводника, Ом.

Так как конечная температура, до которой необходимо довести расплав полимера, известна, то Е_н можно определить из уравнения теплового баланса:

,

где g_м – количество полимерного материала, перерабатываемого экструдером в единицу времени, кг/с;

с_м – средняя удельная теплоемкость полимера в интервале температур переработки, Дж/(кг×К);

t_к, t_н – конечная и начальные температуры полимера, К;

g_в – количество воды, поступающей на охлаждение шнека, кг/с;

с_в – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг×К);

t_в2, t_в1 – конечная и начальные температуры воды, К.

,

где r - плотность воды, кг/м³;

u » 0,1-0,8 - скорость течения воды, м/с;

F – площадь поперечного сечения, м².

Перепад температур t_в2 - t_в1, принимаем равным 5-10°С (или 5-10 К).

Подставляя все известные значения в соответствующие формулы получим:

 кВт

 м²

 кг/ч

 кВт

Тепловые потери Е_п корпуса экструдера рассчитываются по формуле:

 ,

где F – площадь наружной поверхности корпуса или головки, м²;

a - коэффициент теплопередачи при свободной конвекции, кВт/(м²×К), для приближенных расчетов: .

t_н – температура наружной поверхности изолирующего корпуса (t_н =50-80°С), °С;

t_с – температура окружающей среды, °С.

 м²

где d – диаметр трубки в теле шнека, м;

d_к – диаметр корпуса с изоляцией, м;

t_к = 25×D – длина корпуса, м.

 кВт/(м²×К)

 Вт

Количество внутренней теплоты трения (диссипативный нагрев), Е_т, определяют по формуле:

,

где L_н – длина напорной зоны шнека, см;

h_н – глубина нарезки спирального канала в напорной части шнека, см;

d - величина зазора между гребнем шнека и цилиндром, см;

е – ширина гребня шнека, см.

 кВт

 с^-1

 Па×с

Q = 35 см³/с; Р = 15МПа

 с^-1

h₂ = 1,8×10² Пас; е = 0,7 см

Е_т = 4,48 кВт; Е_п = 15,1+2,6+0,43-4,48 = 13,7 кВт

Получаем ,

4,48+13,7 = 15,1+2,6+0,43

18,18 = 18,18

Тепловой баланс экструдера сошелся.

2.   Раздел «Безопасность проекта»

Развитие промышленности, успехи химии в области органического синтеза привели к тому, что перед человечеством с особой остротой встала жизненно важная проблема, связанная с сохранением окружающей среды и ее защитой от последствий собственной деятельности.

На современном этапе человечество поставлено перед фактом возникновения в природе необратимых процессов. По мере ускорения научно-технического прогресса влияние людей на природу становиться все более мощным. И в настоящее время оно уже соизмеримо с действием природных факторов, что приводит к качественному изменению соотношения сил между обществом и природой. В природу внедряется все больше и больше новых веществ, чуждых ей, порой сильно токсичных для организмов. Часть из них не включается в естественный круговорот и накапливается в биосфере, что приводит к нежелательным экологическим последствиям.

Накопление промышленных отходов, обуславливая высокий уровень загрязнения атмосферы, гидросферы и литосферы, способствует повышению заболеваемости людей и животных.

Производство изделий из полиэтилена связано с воздействием на работающих ряда вредных и опасных производственных факторов, таких как: электрический ток, производственный шум, вредные и токсичные вещества (при нарушении режима переработки), которые в ряде случаев взрывопожароопасны. Поэтому при разработке проекта необходимо создать безвредные и безопасные условия труда для рабочих, а также обеспечить защиту окружающей среды от вредных выбросов.

Опасные производственные факторы и мероприятия по технической безопасности

Опасный производственный фактор – это фактор, воздействие которого на работающего в определённых условиях приводят к травме или другому внезапному ухудшению здоровья. По основному технологическому оборудованию рассматриваемого технологического процесса можно выделить следующие опасные производственные факторы:

-      поражение электрическим током;

-      травмирование движущимися частями машин и механизмов;

-      термические ожоги.

Источниками поражения электрическим током являются нетоковедущие части оборудования, которые могут оказаться под напряжением вследствие пробоя изоляции (корпуса сушилки, экструдера, тянущие вальцы, резальный станок), а также токоведущие части, находящиеся под напряжением, отключенные токоведущие части, на которых остался заряд или появилось напряжение в результате случайного включения. Кроме того, возможно электропоражение напряжением шага при нахождении человека в зоне растекания тока на землю, электрической дугой в установках с напряжением более 1000 В, при приближении к частям оборудования, находящимся под напряжением, на недопустимо малое расстояние, зависящее от значения высокого напряжения [49].

По степени опасности поражения электрическим током помещения делят на 3 класса:

1)   помещения без повышенной опасности;

2)   помещения с повышенной опасностью;

3)   особо опасные помещения.

В соответствии с ПУЭ, по степени опасности поражения электрическим током, помещение, в котором протекает рассматриваемый технологический процесс, относится к классу особой опасности, т. к. характеризуется наличием токопроводящих полов и возможностью одновременного прикосновения человека к имеющим соединения с землей технологическим аппаратам и механизмам с одной стороны и к металлическим корпусам электрооборудования с другой. Поэтому для обеспечения электробезопасности рекомендуется применять защитное заземление, зануление и защитное отключение, своевременно контролируют изоляцию, обеспечивают недоступность токоведущих частей [50].

Для предупреждения травмирования движущимися частями экструдера и режущим станком используют предохранительные тормозные, оградительные устройства для изоляции движущих частей; средства автоматического контроля и сигнализации, знаки безопасности, системы дистанционного управления, аварийные системы (кнопки) как для экстренной остановки механизмов и оборудования, так и для устранения возможности пуска в ход в период ремонта. При работе аппаратов не должно быть рывков и ударов, что достигается тщательной регулировкой и отладкой гидропривода, правильной выставкой литников, воздействующих на конечные выключатели экструдера.

Для предохранения от ожогов о нагретые поверхности (сушилка, экструдер, калибровочная насадка) необходимо предусмотреть тепловую изоляцию [49]. По действующим санитарным нормам температура нагретых поверхностей и ограждений на рабочих местах не должна превышать 45оС.

Вредные производственные факторы и мероприятия по гигиене труда и производственной санитарии

К вредным относятся факторы физиологического, гигиенического, химического и психологического характера, длительное действие которых, постепенно накапливаясь, разрушает организм и может вызвать профессиональное заболевание. Вредные факторы – это:

–     неблагоприятные метеорологические условия (температура, влажность, подвижность воздуха);

–     наличие в воздухе газов или пыли;

–     шум и вибрация;

–     наличие тепловых и других невидимых излучений.

Перечисленные факторы формально относятся к вредным, если их уровни превышают действующие санитарные нормы [51].

Вредным называется вещество, которое при контакте с организмом человека может вызывать травмы, заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами как в процессе контакта с ним, так и в отдаленные сроки жизни настоящих и последующих поколений.

Вредные вещества проникают в организм человека через органы дыхания, пищеварительный тракт или кожный покров.

При любой форме отравления характер действия вредных веществ определяется степенью его физиологической активности – токсичностью.

Согласно ГОСТ 12.1.007 – 76 «ССБТ. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности» по степени воздействия на организм вредные вещества подразделяются на 4 класса опасности: 1 – чрезвычайно опасные; 2 – высоко опасные; 3 – умеренно опасные; 4 – малоопасные.

Отнесение вещества к классу опасности производится по показателю (ПДК), значение которого соответствует наиболее высокому классу опасности.

Полиэтилен и композиции на его основе при комнатной температуре не выделяют в окружающую среду токсичных веществ и при непосредственном контакте не оказывают влияние на организм человека, поэтому работа с полиэтиленом не требует особых мер предосторожности.

При нарушении требований регламента, воздушная среда загрязняется вредными парами и газами летучих продуктов термоокислительной деструкции.

Для ограничения неблагоприятного воздействия вредных веществ применяют гигиеническое нормирование их содержания в различных средах. В связи с тем, что требование полного отсутствия промышленных ядов в зоне дыхания работающих часто невыполнимо, особую значимость приобретает гигиеническая регламентация содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны (ГОСТ 12.1.005 – 88).

При переработке полиэтилена в готовое изделие особую опасность представляют выделяющиеся токсичные вещества, такие как формальдегид, ацетальдегид и оксид углерода, которые вызывают тяжелые отравления, нарушения в нервной системе, печени, крови. Кроме того, вредным производственным фактором является органическая пыль, образующаяся в процессе загрузки гранул ПЭ в экструдер и при резке труб. От охлаждающих ванн выделяются пары воды. Кроме того, большое количество тепла выделяется от нагретых поверхностей цилиндра экструзионной машины, от электродвигателя и от электронагревателей. Характеристики веществ, образующихся при нарушении технологических параметров переработки термопласта на основе полиэтилена-100, приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Характеристика вредных веществ [52, 53]

Для улавливания вредных веществ у мест их выделения и предотвращения их перемещения с воздухом предусмотрена местная вытяжная вентиляция, которая подает чистый воздух в рабочую зону, создавая в ней благоприятную метеорологическую обстановку.

Для смены воздуха во всем объеме помещения используют приточно-вытяжную механическую общеобменную вентиляцию.

Для более полного удаления вредных веществ из рабочей зоны используют отсосы открытого типа. Они применяются, когда по технологическим причинам источник не может быть снабжен полным укрытием, и являются наиболее эффективным средством оздоровления воздушной среды [51].

Средства индивидуальной защиты являются дополнительной мерой защиты работающих в производственных условиях и обеспечиваются целесообразным применением спецодежды и спецобуви. Средства индивидуальной защиты применяют для предохранения дыхательных путей, органов зрения, а также кожных покровов от воздействия летучих токсичных веществ, выделяющихся при нарушениях технологического режима.

К средствам индивидуальной защиты органов дыхания относятся фильтрующие респираторы и противогазы, изолирующие защитные приспособления, которые ингаляционно защищают организм от вредных паров и газов.

Для защиты глаз применяют защитные очки и щитки (ГОСТ 12.4.013 – 75 «Очки защитные»).

Для защиты рук используют перчатки (ГОСТ 12.4.003 – 74), профилактические пасты, мази, специальные моющие и защищающие средства.

Метеорологические условия производственной среды – температура, влажность и скорость движения воздуха, определяют теплообмен организма человека и оказывают существенное влияние на отрицательное состояние различных систем организма, самочувствие, работоспособность и здоровье.

Метеорологические условия производственной среды зависят от физического состояния воздушной среды и характеризуются основными метеорологическими элементами: температурой, влажностью и скоростью движения воздуха, а также тепловым излучением нагретых поверхностей оборудования и обрабатываемых изделий и материалов. Совокупность этих факторов, характерных для данного производственного участка, называется производственным микроклиматом. В данном процессе основное влияние на формирование микроклимата и образование явного избытка тепла оказывают сушилка, экструдер, электронагреватели.

Для создания нормальных условий труда в производственных помещениях обеспечивают нормативные значения параметров микроклимата (согласно ГОСТ 12.1.005 – 88). Оптимальные показатели распространяются на всю рабочую зону, а допустимые устанавливают раздельно для постоянных и непостоянных рабочих мест, в тех случаях, когда по технологическим, техническим или экономическим причинам невозможно обеспечить оптимальные нормы.

При нормировании метеорологических условий в производственных помещениях учитывают время года и физическую тяжесть выполняемых работ. Работы, выполняемые на данной технологической установке, относятся к работам средней тяжести – категории II а.

В таблице 2.2. представлены нормы микроклимата для данной категории работ.

Таблица 2.2.

Оптимальные и допустимые метеорологические условия в рабочей зоне производственных помещений для холодного и теплого периодов года

Для обеспечения благоприятных метеорологических условий предусмотрены следующие мероприятия:

1)   теплоизоляция оборудования, аппаратов, выделяющих тепло. Теплоизоляция сделана таким образом, чтобы температура наружных стенок теплоизлучающего оборудования не превышала 45оС;

2)   вентиляция. Основное требование ГОСТа – работа вентиляционных систем должна создавать на постоянных рабочих местах, в рабочей и обслуживаемой зонах помещений метеорологические условия и чистоту воздушной среды, соответствующие действующим санитарным нормам.

В данном технологическом процессе используется комбинированная система вентиляции, включающая общеобменную приточно-вытяжную вентиляцию, при которой смена воздуха происходит во всем объеме помещения, и местную вентиляцию, предназначенную для отсоса избыточного тепла, газов, паров и пыли в местах их образования и удаления их из помещения.

Правильно спроектированное и рационально выполненное освещение производственных помещений оказывает положительное психофизическое воздействие на работающих, способствует повышению эффективности и безопасности труда, снижает утомление и травматизм, сохраняет высокую работоспособность.

Естественное и искусственное освещение в помещениях регламентируется нормами СНиП 23–05–95 в зависимости от характера зрительной работы, системы и вида освещения, контраста объекта с фоном (табл. 2.3).

Таблица 2.3.

Нормы освещенности

Создание в производственных помещениях качественного и эффективного освещения невозможно без рациональных светильников, которые предназначены для перераспределения излучаемого источником светового потока в требуемом направлении, предохранения глаз работающего от слепящего действия ярких элементов источника света, защиты источника от механических повреждений, воздействия окружающей среды и эстетического оформления помещения.

На данном участке рекомендуется использовать светильники с газоразрядными лампами типа ОД [54].

Некоторые производственные процессы сопровождаются значительным шумом и вибрацией. Источники интенсивного шума и вибрации – машины и механизмы с неуравновешенными вращающимися массами, а также технологические установки и аппараты, в которых движения газов, жидкостей и твердых веществ происходит с большими скоростями и имеет пульсирующий характер.

В результате длительного воздействия шума и вибрации нарушается нормальная деятельность сердечно-сосудистой и ЦНС, органов равновесия, пищеварительных органов, появляются заболевания суставов. Интенсивный шум и вибрация ведет к снижению производительности труда и часто является причиной травматизма.

Источниками шума и вибрации в данном технологическом процессе являются сушилка, экструдер, транспортеры, режущий станок.

Допустимые уровни шума для постоянных рабочих мест регламентируются ГОСТ 12.1.83 и СН 3223 – 85. Согласно ГОСТу уровни шума и эквивалентные уровни в производстве на постоянном рабочем месте не должны превышать фактические значения уровня шума, приведенные в таблице 2.4.

Допустимые уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочих местах в производственных помещениях и на территории предприятия по ГОСТ 12.1.003 – 83 с дополнениями (извлечение)

Таблица 2.4

Ультразвук как упругие волны не отличается от слышимого звука, однако, частота колебательного процесса способствует большему затуханию колебаний вследствие трансформации энергии в теплоту.

Биологический эффект воздействия ультразвука на организм зависит от интенсивности, длительности воздействия и размеров поверхности тела, подвергаемого действию ультразвука. Длительное влияние низкочастотного ультразвука вызывает функциональные нарушения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. Изменения ЦНС в начальной фазе проявляются нарушением рефлекторных функций мозга. Контактное воздействие высокочастотного ультразвука на руки приводит к развитию периферических неврологических нарушений.

Гигиенические нормативы ультразвука определены ГОСТ 12.1.001-89.

В рассматриваемом технологическом процессе шумовые характеристики превышают допустимые уровни звука. Поэтому для снижения шума рекомендуется использовать специальные кожухи, которые устанавливаются на источники шума.

Для снижения уровня вибрации используют виброизоляцию – это упругие элементы, помещенные между вибрирующей машиной и ее основанием. В качестве амортизаторов используют стальные пружины или резиновые прокладки. В том случае, если технологическими мерами не удалось снизить уровень шума и вибрации до допустимых значений, применяют индивидуальные защитные средства: противошумные вкладыши, вставляемые в уши; обувь на толстой резиновой или войлочной подошве; рукавицы или перчатки со специальными виброзащитными вкладышами [49, 55].

Взрывопожаробезопасность

Пожароопасность технологического процесса определяется в значительной степени физико-химическими свойствами исходных, промежуточных и конечных продуктов. В зависимости от агрегатного состояния вещества имеют различные показатели пожароопасности.

Термопласт на основе стеклонаполненного полиамида 6 не способен к самовозгоранию и не взрывоопасен. Пожароопасность технологического процесса определяется физико-химическими свойствами веществ, образующихся в производстве при нарушении технологического режима (табл. 2.5).

Таблица 2.5.

Характеристика пожароопасных веществ

*конц. г/м³.

На основании анализа свойств, используемых веществ и НПБ–105–95 цех по производству полиэтиленовых труб относится к пожароопасной категории В. Все вспомогательные и складские помещения в цехе обеспечиваются первичными средствами пожаротушения и пожарного инвентаря, которые имеют отличительную красную окраску.

Для тушения небольших очагов применяются первичные средства пожаротушения, такие как внутренние пожарные краны; различного типа огнетушители; песок, войлок, асбестовое полотно. В условиях современных химических производств наиболее эффективными являются автоматические установки пожаротушения [56, 57].

3.   Раздел «Экологичность проекта»

Проблема охраны окружающей среды приобрела в настоящее время огромное значение. Вследствие антропогенного загрязнения ее токсическими и химическими веществами, количество которых увеличивается, эта проблема превратилась в глобальную.

Достижения человеческого разума в области технической деятельности тесно сопряжены с промышленным выбросом в атмосферу и сбросом в водоемы отходов различных производств. Поступление химических веществ в окружающую среду значительно возрастает за счет промышленных предприятий и автотранспорта, что приводит к постоянному наличию в воздухе загрязняющих веществ различного происхождения.

Одним из видов деятельности по охране окружающей среды является разработка мероприятий по обеспечению экологической безопасности промышленных объектов на всех стадиях их жизненного цикла, начиная от предпроектных и проектных работ и заканчивая приостановкой экологически опасных производств или прекращением деятельности предприятий.

В качестве основных инструментов механизма реализации этой работы используются экологическая экспертиза, государственный экологический контроль, система предупреждения чрезвычайных экологических ситуаций, как составной элемент единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций.

Промышленное производство, сконцентрировавшее в себе колоссальные запасы разлчных видов энергии, вредных веществ и материалов, представляет собой постоянный источник серьезной техногенной опасности и возникновения аварий, сопровождающихся тяжелыми экологическими последствиями [58].

Принципиальное направление охраны природы от промышленных выбросов заключается в создании так называемых безотходных и малоотходных технологических процессов, при которых вредные выбросы невелики или вообще отсутствуют. В настоящее время еще не везде найдены пути создания таких технологий, поэтому отходы подвергают необходимой очистке, чтобы при их выбросе не нарушались установленные санитарные нормы. При эксплуатации технологического оборудования и очистных устройств процесс ведут так, чтобы снизить количество и концентрацию выбросов [59].

Производство деталей из полиэтилена относится к малоотходным производствам. При переработке ПЭ в соответствии с технологическим режимом не происходит образования вредных и отравляющих веществ. И только при значительном превышении температуры пластикации и литья происходит его разложение, сопровождающееся выделением в воздух вредных паров и газов летучих продуктов, содержащих формальдегид, ацетальдегид,окись углерода, аэрозоль полиэтилена, органические кислоты, характеристика вредности которых приведена в табл.3.1.

Экологическая характеристика объекта

1 – сушилка

2 – бункер – дозатор

3 – экструдер

4 – калибрующая насадка

5 – охлаждающая ванна

6 – режущее устройство

Экологическая характеристика загрязнений

При производстве труб из полиэтилена в окружающую среду выделяется тепло от оборудования, пыль полиэтилена, формальдегид, ацетальдегид и окись углерода.

Таблица 3.1.

Предельно-допустимые концентрации вредных веществ.

Операционная схема движения отходов.

Обезвреживание отходов.

Для улавливания вредных веществ у мест их выделения и предотвращения их перемещения с воздухом предусмотрена местная вытяжная вентиляция. Для смены воздуха во всем помещении используют приточно-вытяжную механическую общеобменную вентиляцию. Для предотвращения загрязнения воздушной среды воздух перед выбросом в атмосферу должен подвергаться предварительной очистке.

Существуют различные способы очистки выбросов. Эффективность каждого метода определяется санитарными и техническими требованиями и зависит от физико-химических свойств удаляемых примесей. Наиболее распространенные способы – адсорбционный, абсорбционный, каталитический.

Абсорбционный и адсорбционный методы основаны на поглощении вредных веществ жидкими или твердыми сорбентами. Метод каталитической очистки основан на применении каталитических реакций, в результате которых находящиеся в газе вредные примеси превращаются в безвредные или менее вредные соединения, легко удаляемые из газа [60].

В последнее время были разработаны хемосорбционные волокнистые материалы ВИОН, которые успешно применяются для очистки от вредных примесей не только питьевой воды [61] и промстоков [62], но и газовоздушной среды.

Хемосорбционные волокна, благодаря развитой удельной поверхности, имеют высокую скорость сорбции и десорбции, особенно в начальных стадиях процесса, обеспечивают низкое сопротивление воздушному потоку по сравнению с гранулированными сорбентами [63].

Сопоставление геометрической поверхности волокон и гранул дает представление о преимуществе волокнистых сорбентов перед гранулированными, которая сказывается на скорости хемосорбции и полноте улавливания. Кроме того, волокна можно применять в различных формах: ткань, нетканое волокно, пряжа, порошок (кнопп). Развитая поверхность, разнообразие форм использования волокнистых сорбентов способствует созданию на их основе рационального оформления технологических процессов. Кроме того, материалы ВИОН можно многократно использовать в процессах «сорбция – регенерация» при невысоком расходе регенерирующего реагента.

Хемосорбционные волокна получают следующими способами:

–     привиточной сополимеризацией химически активных мономеров к готовому волокну;

–     формованием волокна из сополимеров, содержащих химически активные группы или группы, которые превращаются в активные путем химических превращений;

–     формованием волокна из смеси полимеров, содержащих группы, обеспечивающие хемосорбцию, а также из полимеров, получающихся в результате химических превращений [63].

При переработке полиэтилена выбросы летучих компонентов незначительны, поэтому для очистки газовоздушной смеси можно использовать фильтры волокна ВИОН, устанавливаемые в вентиляционной системе.

Волокно ВИОН имеет меньшую статическую обменную емкость по сравнению с гранулированными сорбентами того же химического состава, однако благодаря развитой поверхности они обладают высокой скоростью сорбции и десорбции, особенно на начальных стадиях процесса.

Нетканые полотна развесом около 1 кг/м² из волокон ВИОН широко используются в фильтрах производительностью от 3000 до 25000 м³/час для улавливания газов, а также жидких аэрозолей, являющихся наиболее распространенными веществами, отравляющими атмосферу.

Благодаря компактности и низкому аэродинамическому сопротивлению фильтры можно встроить в существующие системы приточно-вытяжной вентиляции. При необходимости подаваемый на очистку воздух доувлажняется и обеспыливается. Фильтры, содержащие ВИОН выдерживают до 1000 циклов сорбция – регенерация.

Очистка воздуха от токсичных газов основана на реакции взаимодействия низкомолекулярных веществ с химически активными группами волокнистого сорбента. Характеристика фильтров, которые можно использовать для очистки газовых выбросов от вредных веществ, приведена в табл. 3.2.

Таблица 3.2.

Техническая характеристика фильтров для очистки газовоздушной среды от вредных выбросов.

Улавливание вредных веществ с помощью хемосорбционных волокон ВИОН позволяет переходить на замкнутые технологические циклы [64].

Воду, используемую в промышленности, подразделяют на охлаждающую, технологическую и энергетическую. При производстве труб из полиэтилена воду используют для охлаждения формы. В этом случае она не соприкасается с материальными потоками и не загрязняется, а лишь нагревается. Вода циркулирует в замкнутой системе, выбросы из которой отсутствуют, поэтому промышленные сточные воды в процессе производства не образуется. Хозяйственно-бытовые стоки поступают в канализацию, а затем – на очистные сооружения предприятия.

Пыль порошка, образующаяся в процессе переработки, собирается на фильтрах, одной из вышеперечисленных марок, загружается в мешки и перерабатывается либо утилизируется.

В настоящее время ведется активное обсуждение способ утилизации отходов полимеров. Среди них предлагается: рецикл материалов, термический метод, сжигание и деградация [65].

В процессе производства полиэтиленовых труб образуются сточные воды, которые сбрасываются во внутренние сети промышленных площадок. Анализ сточных вод показал содержание взвеси 265 мг/м³ (ПДК до 1000 мг/м³), нефтепродукты и ацетон не обнаружены. В связи с этим, очистка сточных вод не является целесообразной.

В данном технологическом процессе экструзии труб из полиэтилена, производственные отходы образуются в виде бракованных изделий, обрезков и тому подобное. Образующиеся при переработке твердые отходы не токсичны, не требуют специальной обработки и подлежат переработке.

При переработке выполняются следующие мероприятия:

1.   отходы, после их образования, собираются в контейнер;

2.   собранные отходы должны попадают в устройство для измельчения;

В производстве данного изделия отходы направляются на производство других неответственных изделий либо утилизируются.

4. Автоматика

Автоматизация химического производства – процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам.

Измерительные приборы и автоматические устройства обеспечивают оптимальное протекание технологического процесса, недоступное ручному управлению. Поэтому автоматизация позволяет наиболее эффективно использовать все ресурсы производства, улучшить качество выпускаемой продукции и значительно повысить производительность труда.

Системы автоматического управления обеспечивают повышение качества продукции и улучшение экономических показателей производства за счет выбора и поддержания оптимальных технологических параметров. Технологический процесс и оборудование, в котором он протекает, представляют собой объект регулирования, а комплекс технических средств и персонал, непосредственно участвующий в управлении, образуют систему управления. При любом виде управления в той или иной степени выполняются следующие этапы: получение информации о состоянии объекта управления; обработка и анализ полученной информации, на основании чего формируется решение о необходимости и характере воздействий на объект управления; реализация принятого решения, например, путем изменения материальных и энергетических потоков. Выполнение первого этапа связано с определение значений величин, характеризующих состояние объекта управления - давлений, температур, физико-химических показателей перерабатываемых веществ [66].

Назначение автоматических систем регулирования (АСР) – поддержание заданных или оптимальных значений величин, определяющих протекание процесса, на определенном уровне. АСР может осуществляться с помощью достаточно простых технических средств – локальных регуляторов. Однако функциональные возможности таких систем очень ограничены. В связи с этим для управления широко применяется автоматизированная система управления (АСУ), предназначенная как для управления технологическими параметрами, так и для организационного управления предприятием [67].

Автоматический регулятор представляет собой совокупность элементов, включающих функции сравнения текущего и заданного значения регулируемой величины, усиления сигналов, формирования алгоритма регулирования.

Согласно предложенной в предыдущем разделе технологической схеме, исходный материал из бункера для хранения направляется в сушилку гранул 1 для удаления поверхностной влаги из полимера. Гранулы полимера загружаются в бункер экструдера 2, где они расплавляются и выдавливаются через формующую трубную головку 3. Трубчатый профиль поступает внутрь калибровочной насадки 4, где частично охлаждается и приобретает необходимые размеры. Для прижатия расплава к стенкам калибрующей насадки внутрь трубы подводится сжатый воздух или создается вакуум между трубой и насадкой. Затем труба охлаждается в ванне с двумя температурными зонами 5 и 7, проходит маркировку в устройстве 8, протягивается тянущим устройством 9, разрезается пилой 10 и подается на приемный стол (штабелирующее устройство) 11. Отходы и бракованные изделия направляются на переработку в дробилку 11.

На основании данной технологической схемы изготовления полиэтиленовых труб для газоснабжения, был предусмотрен выбор следующих приборов и средств автоматизации:

Контроль массы ПЭ-100, осуществляется рычажными весами транспортными стационарными типа РС (5002РС-30Ц13Ас), изготовляемыми Армавирским приборостроительным заводом.

Техническая характеристика весов РС.

Для контроля температуры в бункере используются манометрические термометры ТПГ4 (термометр показывающий газовый). Принцип действия манометрических термометров основан на свойстве газов изменять давление, а жидкостей – объем при изменении температуры.

Приборы предназначены для измерения температуры неагрессивных веществ.

Техническая характеристика термометра ТПГ4

Монтаж манометрических термометров осуществляется на отдельных панелях, щитах или пультах с помощью соответствующих крепежных устройств, предусмотренных в конструкциях приборов, либо непосредственно на технологических установках на месте измерения температуры.

Обслуживание заключается в наблюдении за герметичностью в месте установки термобаллона. Периодически, не реже одного раза в 0,5 года, производится поверка градуировки прибора по контрольному термометру. Измерительный (вторичный) прибор позволяет осуществить настенный или утопленный монтаж манометрического термометра.

Помимо контролирования температуры в бункере необходимо осуществлять контроль влажности.

Для измерения влажности применяем автоматический влагомер типа АВЗК-1. Он предназначен для измерения и регистрации влажности сыпучих материалов и выдачи стандартного сигнала в линию связи. Диапазон измерения влажности составляет 1,0 – 30%. Погрешность измерения до 17% влажности составляет ±0,1%, свыше 17% – ± 0,5%. Изготовитель – московский приборостроительный завод «Манометр».

Для сигнализации уровня в емкостях выбираем сигнализатор уровня мембранный типа МДУ-2С.

Техническая характеристика сигнализатора МДУ-2С

Изготовитель – Могилев-Подольский приборостроительный завод.

Управление исполнительными механизмами, снабженными двух- или трехфазными двигателями с короткозамкнутым ротором осуществляется пускателем магнитным реверсивным типа ПМРТ-69.

0;±24 (при R_вх=160 Ом)

0; 220 (при Z_вх=1,5 кОм)

Номинальная емкость тормоза, мкФ

Изготовитель – Московский завод тепловой автоматики

Для измерения давления был выбран манометр с трубчатой манометрической пружиной МП-Э.

Наиболее приемлемыми датчиками для определения температуры в экструдере являются термоэлектрические преобразователи температуры.

Принцип действия термоэлектрических преобразователей основан на использовании термоэлектрического эффекта.

Термо-э.д.с., развиваемая термоэлементом термоэлектрического преобразователя и соответствующая определяемой температуре, измеряется с помощью приборов (устройств), отградуированных в градусах температурной шкалы. В качестве таких приборов применяются милливольтметры и потенциометры.

Пределы измерения температуры с помощью термоэлектрических преобразователей –200 ¸ +2500°С.

Преобразователи термоэлектрические изготовляются без чехла, со стальным чехлом (до 600°С), с чехлом из специального жаростойкого сплава (до 1100°С), с фарфоровым чехлом (до 1600°С). По способу крепления они подразделяются на преобразователи с неподвижным штуцером, с подвижным штуцером и с подвижным фланцем.

Система автоматического управления температуры состоит из воспринимающего регулирующего элемента, который преобразует информацию, полученную от воспринимающего элемента и нагревательного или охлаждающего элемента, который управляется регулятором.

Каждая зона обогрева регулируется индивидуальным регулятором, датчиками температуры, в которых являются термопары. Регулирующий орган может регулировать температуру только в области расположения термопары. На основании анализа литературы были выбраны первичный и вторичный приборы для измерения, регистрирования и регулирования температуры. Наиболее приемлемым, по нашему мнению, термоэлектрическим преобразователем температуры (термопарой) является тип – ТХА-1479 с градуировкой - ХА. Область применения термопары – различные поверхности; предел измерения, ⁰С - 0¸750; материал защитной арматуры – сталь Х18Н10Т; показатель тепловой инерции, сек. - 60. В качестве вторичного прибора был выбран потенциометр показывающий, самопишущий и регулирующий типа КСП-4. Типоразмер – 41.543.80.037; число точек измерения – 12; время прохождения указателем шкалы, сек. – 2,5; регулирующее устройство – трехпозиционное с раздельным заданием на каждую точку.

Обслуживание преобразователей заключается в периодической проверке герметичности в месте установки, а также в поверке согласно графикам. Поверка производится «по месту» с помощью переносных контрольных приборов, а также в поверочной лаборатории [68].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном разделе дано обоснование автоматизации основного оборудования в технологическом получении композиционных материалов. Предложенная схема регулирования повысит эффективность работы данной технологической схемы, вследствие этого и качество получаемой продукции, также повысится безопасность процесса, улучшатся условия труда для работающего на данном производстве персонала. Кроме этого, за счет проведенной автоматизации повышается ряд технико-экономических показателей, что делает производство более экологически и экономически выгодным.