Разработка оборудования и технологии для утилизации отходов термопластов

Общий федеральный закон о промышленных и бытовых отходах, который носит название «Об отходах производства и потребления», был принят Государственной думой в /998 году. Закон «определяет правовые основы обращения с отходами производства и потребления в целях предотвращения вредного воздействия отходов производства и потребления на здоровье человека и окружающую природную среду, а также вовлечения таких отходов в. хозяйственный оборот в качестве дополнительных источников сырья».

1. В настоящее время проблема переработки отходов полимерных материалов имеет актуальное значение. В первую очередь с позиций охраны окружающей среды, но также и с тем, что в условиях дефицита полимерного сырья, пластмассовые отходы становятся мощным сырьевым и энергетическим ресурсом.

Проблем, связанных с утилизацией полимерных отходов, достаточно много. Они имеют свою специфику, но их нельзя считать неразрешимыми. Однако решение невозможно без организации сбора, сортировки и первичной обработки амортизованных материалов и изделийбез разработки системы цен на вторичное сырьё, стимулирующих предприятия к их переработкебез создания эффективных способов переработки в торичного полимерного.

Автор выражает благодарность за консультациипри написании кандидатской диссертации зав. кафедрой «ПП и УП» ТГТУ, к.т.н., Подушкину Д.Л.

Автор выражает благодарность за консультацию в области математического моделирования и программирования д.т.н., зав. кафедрой «ГММСиИ» ТГТУ Соколову М. В. сырья, а также методов его модификации с целыо повышения качествабез создания специального оборудования для его переработкибез разработки номенклатуры изделий, выпускаемых из вторичного полимерного сырья.

Отходы пластических масс можно разделить на 3 группы: а) Технологические отходы производства, которые возникают при синтезе и переработке термопластов. Они делятся на неустранимые и устранимые технологические отходы. Неустранимые — это кромки, высечки, обрезки, литники, облой, грат и т. д. В отраслях промышленности, занимающихся производством и переработкой пластмасс, таких отходов образуется от 5 до 35%. Неустранимые отходы, по существу, представляющие собой высококачественное сырьё, по свойствам не отличаются от исходного первичного полимера. Переработка его в изделия не требует специального оборудования и производится на том же предприятии. Устранимые технологические отходы производства образуются при несоблюдении технологических режимов в процессе синтеза и переработки, т. е. этотехнологический брак, который может быть сведен до минимума или совсем устранен. Технологические отходы производства перерабатываются в различные изделия, используются в качестве добавки к исходному сырью и т. д. б) Отходы производственного потребления — накапливаются в результате выхода из строя изделий из полимерных материалов, используемых в различных отраслях народного хозяйства (амортизованные шины, тара и упаковка, детали машин, отходы сельскохозяйственной пленки, мешки из-под удобрений и т. д.). Эти отходы являются наиболее однородными, малозагрязненными и поэтому представляют наибольший интерес с точки зрения их повторной переработки. в) Отходы общественного потребления, которые накапливаются у нас дома, на предприятиях общественного питания и т. д., а затем попадают на городские свалкив конечном итоге они переходят в новую категорию отходов — смешанные отходы.

Наибольшие трудности связаны с переработкой и использованием смешанных отходов. Причина этого в несовместимости термопластов, входящих в состав бытового мусора, что требует их постадийного выделения. Кроме того, сбор изношенных изделий из полимеров у населения является чрезвычайно сложным мероприятием с организационной точки зрения и пока ещё у нас в стране не налажен.

Основное количество отходов уничтожают — захоронением в почву или сжиганием. Однако уничтожение отходов экономически невыгодно и технически сложно. Кроме того, захоронение, затопление и сжигание полимерных отходов ведет к загрязнению окружающей среды, к сокращению земельных угодий (организация свалок) и т. д.

Термические методы применяемые для разложения отходов пластмасс и создание биоразрушающихся полимеров требуют значительных финансовых затрат, сложны технологически. Поэтому для России наиболее приемлемым является переработка отходов полимерных материалов механическим рециклингом.

Однако имеющаяся технология переработки отходов полимерных материалов включающая в себя измельчение, мойку, сушку, переработку в червячно-дисковых экструдерах требует значительных затрат электроэнергии, трудовых затрат, увеличение производственных площадей, что приводит к увеличению себестоимости продукции. В связи с этим предлагается непрерывная технология переработки отходов пленочных полимерных материалов на вальцах. Применение данной технологии предполагает снижение энергозатрат, трудовых затрат, сокращение производственных площадей, что приведет к уменьшению себестоимости продукции.

Также отсутствует модель процесса переработки полимерного материала в зазорах рабочих органов валково-шнекового агрегата с учетом получения качественного гранулята. Поэтому поставленная в настоящей работе задача изучения непрерывного процесса переработки о тходов полимерных материалов на валково-шнековом агрегате является весьма актуальной как в научном, так и практическом плане.

Настоящая работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процесса вторичной переработки отходов полимерных материалов по непрерывной технологии на валково-шнековом агрегате.

3. Научная новизна. Создана экспериментальная установка (Пат. РФ 2 417 881 Яи С2 В29 В 7/64.), позволяющая определять технологические параметры процесса (частота вращения валков, величина минимального зазора между валками, величина «запаса» материала на валках) и конструктивные параметры оборудования при которых достигаются максимальные прочностные показатели получаемого грапулята (предел прочности и относительное удлинение при растяжении).

Разработан технологический процесс переработки отходов термопластов на созданном валково-шнековом агрегате.

Предложено математическое описание процесса переработки термопластич-ных полимерных отходов на валково-шнековом агрегате, позволяющее прогнозировать качественные показатели получаемого материала.

4. Практическая ценность. Предложена методика инженерного расчета и даны, рекомендации по проектированию валково-шнекового агрегата для переработки отходов термопластов с учетом заданной производительности и качества получаемого гранулята.

Предложенное в работе математическое описание процесса переработки отходов термопластов используется для расчета суммарной величины сдвига с целью получения материала заданного качества.

Определены оптимальные режимы переработки отходов термопластичных по-лимерных материалов (ВПВД, ВПНД, ВПС, ВПП) позволяющих получать изделия с высокими физико-механическими показателями (пв — 20 об/мин, пш — 70 об/мип, Ьмин ! мм, 1- 130−170 оС).

Разработанные методика инженерного расчета и программное. обеспечение внедрены на ОАО «НИИРТмаш» (г. Тамбов), что позволило сократить затраты времени на проектирование валково-шнекового агрегата с расчетным экономическим эффектом 196 т.р.

Полученный на разработанной установке гранулят из ВПВД, ВПНД, ВПП используется на НПП ООО «Эласт» в производстве полиэтиленовых труб методом экструзии, а ВПС используется для получения декоративной плитки методом прессования, с расчетным экономическим эффектом 210 т.р.

5. Достоверность полученных результатов и сделанных выводов обеспечивается широкими диапазонами исследованных факторов экспериментов по переработке отходов термопластичных полимерных материалов на валково-шнековом агрегате, приемлемой воспроизводимостью опытов и сравнением экспериментальных данных с расчётными.

6. Апробация работы и публикации. Основные результаты работы доложены на Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (Белгород, 2009 г-) -1-й и 2-й всероссийской научно-молодежной конференции (с международным участием) «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент.» (Тамбов, 2009;2010 гг.) — 1 международной научно-практической конференции «Аспекты ноосферной безопасности в приоритетных направлениях деятельности человека» (Тамбов, 2010.) — 7 всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, 2011).

По материалам диссертации опубликовано 23 работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

Выполнен литературный обзор и анализ состояния вторичной переработки полимерных материалов в РФ и за рубежом. Рассмотрены существующие технологии и применяемое оборудование для вторичной переработки отходов различных термопластичных полимерных материалов, и показаны их достоинства и недостатки.

Разработан технологический процесс и спроектировано оборудование для вторичной переработки отходов термопластичных полимерных материалов валково-шнековый агрегат (Пат. РФ 2 417 881 1Ш С2 В29 В 7/64.), позволяющий изучить процесс переработки отходов термопластов с изменением в широком диапазоне технологических и конструктивных параметров, а также определять значение суммарной величины сдвига соответствующей заданным (наилучшим) физико-механическим показателям отходов термопластов.

Разработана методика расчета и программное обеспечение для расчета сум-марной величины сдвига, характеризующей влияние различных технологических и конструктивных параметров процесса на физико-механические показатели получаемого вторичного термопластичного материала, на которое получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Изучено влияние конструктивных и технологических параметров оборудова-ния и процесса переработки отходов термопластов (ВПВД, ВПНД, ВПП, ВПС) на качественные показатели получаемого вторичного термопластичного материала (предел прочности и относительное удлинение при разрыве), а также определено значение суммарной величины сдвига, при котором качественные показатели вторичного материала являются наилучшими.

Определены оптимальные режимы переработки отходов термопластичных полимерных материалов (ВПВД, ВПНД, ВПС, ВПП) позволяющих получать изделия с высокими физико-механическими показателями (пв — 20 об/мин, пш — 70 об/мин, 11мин — 1 мм, г — 130−170 °С).

Создана методика инженерного расчета параметров процесса переработки отходов термопластов, позволяющая проектировать валково-шнековый агрегат или модернизировать стандартные промышленные вальцы.

Разработанные методика инженерного расчета и программное обеспечение внедрены на ОАО НИИРТМаш к использованию при проектировании промышленного валково-шнекового агрегата по переработке отходов термопластов с расчетным экономическим эффектом 196 тыс. руб. в год.

Полученный на экспериментальной установке гранулят из отходов термопластов, используется на НПП ООО «Эласт» для производства электрозоляционных полимерных труб, применяемых в железобетонных строительных плитах, методом экструзии, для производства декоративной плитки методом прессования с расчетным экономическим эффектом 210 т.р.

Разработанные программы для ЭВМ по расчету основных параметров процес-са переработки отходов термопластов, используются при проведении лабораторно-го практикума в подготовке инженеров по специальности 261 201 по дисциплинам «Оборудование для производства тары и упаковки», «Утилизация упаковки» и магистров по программе 150 400.26 по дисциплине «Утилизация и вторичная переработка полимерных материалов» .