Разработка технологии и оборудования для непрерывного процесса получения высоковязких клеевых композиций

Переход от периодических к непрерывным процессам получения высоковязких клеевых композиций позволит устранить многие из недостатков периодических процессов и обеспечить высокий уровень механизации и автоматизации, уменьшить нестабильность физико-механических показателей получаемых смесей в разных партиях, снизить пожарои взрывоопасность производства, уменьшить металлои энергоемкость, повысить экологическую чистоту и эргономичность производств.

Одним из наиболее перспективных видов оборудования для описанных целей являются двухшнековые смесители непрерывного действия. Они обладают существенными достоинствами: высокая производительность при высоком качестве смешения, большие значения создаваемых в материале скоростей и напряжений деформаций сдвига и растяжения при малом времени обработки, возможность полной механизации и автоматизации процесса и повышения экологической чистоты производств.

Несмотря на большой опыт, накопленный различными исследователями и значительное количество работ, посвященных вопросам поведения полимерных материалов при их течении в двухшнековых машинах и конструированию данного типа машин, из-за значительной сложности потоков перерабатываемых материалов в каналах рабочих органов до настоящего времени отсутствуют надежные инженерные методики, которые позволяли бы рассчитывать основные технологические и конструктивные параметры процесса и оборудования на основе принципов его конструирования и гидромеханического анализа. Такое положение вещей не позволяет при проектировании производств, с одной стороны, обойтись без выполнения соответствующего объема трудоемких экспериментальных и.

Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Беляеву Павлу Серафимовичу за научные консультации в области тепломассообмена. конструкторских работ на промышленных образцах, а с другой, быть уверенным, что разработанная конструкция действительно характеризуется — оптимальными параметрами.

Актуальность темы

Как известно, проектирование смесителей непрерывного действия в настоящее время требует выполнения большого объема трудоемких и дорогостоящих экспериментальных и конструкторских работ на модельных и промышленных образцах.

Вместе с тем, эффективные методы моделирования процессов смешения высоковязких полимерных композиций в смесителях непрерывного действия позволили бы существенно снизить время и затраты, необходимые для проектирования такого оборудования.

Существующим сейчас теоретическим работам и методикам инженерного расчета, посвященным описанному вопросу, присущи следующие основные недостатки:

— в большинстве работ исследуется течение полимерных материалов в винтовых каналах шнеков, тогда как все большее распространение приобретает блочно-модульный способ конструирования, в соответствии с которым рабочие органы смесителей компонуются из различных (не только шнековых) насадокв существующих методиках и программах для расчета • смесительного оборудования не рассматриваются вопросы оптимальной компоновки рабочих органов и оптимизации геометрических параметров проектируемых смесителей.

В связи с этим, проведенные в настоящей работе исследования по созданию математической модели непрерывного процесса получения высоковязких полимерных композиций и разработка инженерной методики и программного обеспечения для расчета и конструирования двухшнековых смесителей непрерывного действия имеют актуальное научное и практическое значение.

Работа выполнялась в соответствии с научно-технической программой Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (код 201. Производственные технологии), 2001;2002 гг.

Предмет исследований. Непрерывный процесс приготовления высоковязких клеевых композиций. Методика обработки экспериментальных данных и получения математической модели объекта с применением современных информационных технологий. Инженерная методика расчета основных технологических и конструктивных параметров двухшнековых смесителей непрерывного действия с учетом минимизации длины рабочих органов.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена разработке технологии и оборудования для непрерывного процесса получения высоковязких клеевых композиций.

Задачи работы. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: анализ современного состояния и направлений развития непрерывных процессов и конструкций смесительного оборудования для приготовления высоковязких полимерных композицийизучение физической картины процесса течения перерабатываемых материалов в каналах рабочих органовразработка математической модели процесса течения неньютоновских жидкостей в каналах шнеков, оснащенных различными смесительными насадками и вращающихся в одну сторонуразработка экспериментальной установки для исследования процесса смешения высоковязких полимерных композиций в зонах с различной геометрией рабочих органовразработка методики инженерного расчета основных технологических и конструктивных параметров двухшнековых смесителей непрерывного действия для получения высоковязких клеевых композиций;

— создание программного обеспечения, позволяющего автоматизировать расчет смесительного оборудования и определять минимальную длину рабочих органов, обеспечивающую требуемое качество смешения.

Методы исследования. Для решения сформулированных задач в работе использованы методы математического моделирования и оптимизации (в частности, метод конечных элементов), экспериментально-аналитические методы конструирования смесительного оборудования, моделирование процесса смешения на персональном компьютере, проведение исследований в лабораторных условиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— создана математическая модель процесса смешения высоковязких клеевых композиций в двухшнековых смесителях непрерывного действия, позволяющая рассчитывать производительность смесителя и динамику коэффициента неоднородности для зон с кулачковыми насадками заданной конфигурации и минимальную длину рабочих органов, обеспечивающую требуемое качество смешения;

— разработана экспериментальная установка, позволяющая определять реологические свойства перерабатываемых полимерных материалов, динамику коэффициента неоднородности и мощность, затрачиваемую на смешение, в зонах с различной конфигурацией смесительных кулачковых насадок.

Практическая ценность. Разработаны методика инженерного расчета и рекомендации по проектированию вновь разрабатываемых и модернизации существующих двухшнековых смесителей непрерывного действия для получения резинового клея, рабочие органы которых оснащены смесительными кулачками заданного типа. Методика позволяет уменьшить длину рабочих органов существующих смесителей до 17% при условии обеспечения заданного качества смешения.

Предложенная в работе математическая модель может быть также использована и для исследовании процессов смешения и диспергирования промышленных резиновых смесей различных шифров.

Создано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать процесс расчета основных технологических и конструктивных параметров двухшнековых смесителей непрерывного действия и: обрабатывать экспериментальные данные на стадии реологических исследований, а также проводить экспресс-анализ качества смешения.

Реализация работы. Разработанная методика инженерного расчета внедрена на ОАО «НИИРТмаш» и ОАО «Тамбоврезиноасботехника» (г.Тамбов) при проектировании смесителей типа СН. Программное обеспечение для автоматизации обработки экспериментальных данных на стадии реологических исследований и расчетов двухшнековых смесителей непрерывного действия внедрено в учебный процесс при подготовке инженеров по специальности 170 500 и магистрантов по программе 551 826.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы доложены на межреспубликанских и международных научных конференциях «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (Казань, 1998, 2001 гг.), на V Международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (Казань, 1999 г.), на региональной научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии Центрально-Черноземного региона РФ» (Липецк, 1997 г.), на областной научно-технической конференции «Экология-98 (Инженерное и информационное обеспечение экологической безопасности в Тамбовской области)» (Тамбов, 1999 г.), на 7-й региональной научной конференции «Проблемы химии и химической технологии» (Тамбов, 1999 г.), на научно-технической конференции «Материалы и изделия из них под воздействием различных видов энергии» (Москва, 2000 г.), на III, IV и V научных конференциях, проведенных в Тамбовском государственном техническом университете в 1996;2000 г г., на.

Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии и ресурсосбережения при переработке и восстановлении изношенных шин» (Москва, 2001 г.), на 4-й Международной теплофизической школе (Тамбов,.

2001 г.), на Международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 2001 г.), на XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 2002 г.), на Международной конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (Воронеж-Сочи, 2002 г.), на 8-й Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2002» (Уфа,.

2002 г.), на 4-й Российской научно-технической конференции «Авиакосмические технологии «АКТ-2003» (Воронеж, 2003 г.) и на VII Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования» (Тамбов, 2004 г.).

Публикации. Теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 27 печатных работах (в их числе 1 монография (в соавторстве), 1 патент РФ и 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и результатов, списка использованных источников, включающего 127 наименований, и 2 приложений. Основная часть диссертации изложена на 122 страницах машинописного текста. Работа содержит 50 рисунков и 3 таблицы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

Развитие современной вычислительной техники открыло широкие возможности для применения персональных компьютеров для автоматизации расчета двухшнековых смесителей непрерывного действия для получения высоковязких клеевых композиций. Использование в этой области современных информационных технологий дает возможность автоматизировать как расчеты при обработке экспериментальных данных (в частности, на стадии реологических исследований), так и осуществить моделирование процессов смешения и расчет основных технологических и конструктивных параметров оборудования, что в конечном итоге ведет к сокращению времени, требующегося для проектирования, улучшению качества выпускаемой продукции, снижению металлоемкости оборудования, улучшению экологии производства.

Анализ реализации настоящей работы позволяет сделать следующие основные выводы:

1. Разработана математическая модель непрерывного процесса смешения высоковязких клеевых композиций в двухшнековых смесителях непрерывного действия, позволяющая определять производительность машины и изменение во времени коэффициента неоднородности в зонах с различной конфигурацией смесительных элементов;

2. Создана экспериментальная установка для определения реологических свойств исследуемых, композиций, динамику коэффициента неоднородности и мощность, расходуемую на процесс смешения в зонах с различной конфигурацией рабочих органов при заданном режиме смешения;

3. По разработанным методикам экспериментально определены реологические свойства растворов НК в нефрасе С2−80/120 (индекс течения и коэффициент консистентности), динамика коэффициента неоднородности смеси в режиме реального времени и в режиме экспресс-анализа и мощность, затрачиваемая на процесс смешения;

4. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика инженерного расчета основных конструктивных и технологических параметров двухшнековых смесителей непрерывного действия с учетом минимизации длины рабочих органов при обеспечении заданного качества смешения;

5. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для персональных компьютеров для автоматизации расчетов при проектировании (включая автоматизацию обработки экспериментальных данных на стадии реологических исследований);

6. Разработанные методика инженерного расчета и программное обеспечение внедрены на ОАО «НИИРТМаш» и ОАО «Тамбоврезиноасботехника» (г.Тамбов), что позволяет снизить затраты времени на разработку смесителей и уменьшить их металлоемкость до 17%. Программное обеспечение для персональных компьютеров внедрено в учебный процесс подготовки инженеров по специальности 170 500 и магистрантов по программе 551 826;

7. Разработанные модели, алгоритмы и программное обеспечение могут быть применены для расчета двухшнековых смесителей непрерывного действия для получения промышленных резиновых смесей различных шифров.