Предприятие по изготовлению гранул вторичного ПЭВД мощностью производства 1000 тонн в год

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

"Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых"

(ВлГУ)

Кафедра химических технологий

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине "Организация и управление ХТП"

«Предприятие по изготовлению гранул вторичного ПЭВД мощностью производства 1000 тонн в год»

Руководитель проекта,

Проф. кафедры ХТ

Панов Ю.Т.

Студент гр. ЗХТуд-116

Соснина Е.Н.

Владимир,

2020



Реферат

Расчетно - пояснительная записка курсового проекта состоит из 75 страниц печатного текста, 6 рисунков, 16 таблиц, 54 формул, 29 источников, 2 приложений (аппаратурно - технологическая схема изготовления гранул вторичного ПЭВД, чертеж, формат А1; Экструдер одношнековый, сборочный чертеж, формат А1), оформленных в соответствии с ГОСТ 2. 105 - 95 ЕСКД и ГОСТ 2. 109 - 73 ЕСКД.

Цель работы - спроектировать технологию предприятия по изготовлению гранул вторичного ПЭВД. Выполнить расчет материального баланса предприятия. Осуществить расчет и подбор основного оборудования, его основных сборочных деталей и узлов. Выполнить расчет мощности привода ведущего оборудования. Разработать аппаратурно-технологическую схему предприятия по изготовлению гранул вторичного ПЭВД. Дать краткую характеристику исходному сырью и готовой продукции производства.

баланс оборудование гранулы вторичный полиэтилен



Содержание

Реферат

Введение

1. Технологическая часть

1.1 Характеристики готовой продукции

1.2 Обоснование выбора сырья

1.3 Характеристика выбранного сырья

1.4 Обоснование метода переработки

1.5 Физико-механические основы технологического процесса

1.6 Описание технологической схемы производства

1.7 Нормы технологического режима и контроль производства

1.8 Виды брака и способы его устранения

2. Расчетная часть

2.1 Материальный баланс производства на 1000 кг готовой продукции

2.2 Расчет, выбор и описание работы основного оборудования

2.3 Выбор вспомогательного оборудования

3. Безопасность и экологичность

Заключение

Список использованных источников



Введение

Для уменьшения себестоимости и снижения затрат на производство продукции из полимеров товаропроизводители все чаще практикуют использование вторичного полиэтилена высокого давления (гранул ПВД). Из переработанного полиэтиленового вторсырья выходит первосортный и весьма выгодный гранулированный материал, который по качественным характеристикам не уступает сырью из первичного полиэтилена. Каждая гранула вторичного ПЭВД имеет низкую плотность и обладает такой же разветвленной структурой молекул, что и до обработки. На сегодняшний момент получение вторичных гранул из отходов ПВД, помогает решать целый комплекс экологических проблем по утилизации полимеров, а также позволяет существенно снизить затраты на производство продукции из полимеров ПЭВД.

ПЭВД вторичной переработки находит широкое применение в машиностроении, строительстве, на транспорте, авиации, кабельной промышленности, производстве современных предметов и т.д.

Без преувеличения можно сказать, что в настоящее время практически нет ни одной отрасли народного хозяйства, в которой бы не применялись полимеры.

Среди выпускаемых промышленностью полимерных материалов, большое значение имеет полиолефин - полиэтилен. Это один из наиболее распространенных и дешевых полимеров. Из этого полимера также получают разного вида и предназначения пленки - термоусадочные, морозостойкие, накрывные, парниковые и т.д. Самым химически чистым, эластичным и дешевым является полиэтилен высокого давления (ПЭВД), а потому он и является наиболее востребованным.



1. Технологическая часть

1.1 Характеристики готовой продукции

ПЭВД вторичный гранулированный изготавливается в соответствии с настоящими требованиями технических условий ТУ 63-178-74-88, согласованных и утвержденных в установленном порядке по технологической документации. Настоящие технические условия распространяются на ПЭВД вторичный, полученный из вторичного полиэтиленового необработанного сырья ГОСТ 63.8-81 методами дробления, агломерации, экструзии с последующей грануляцией.

Технические требования:

1. Полиэтилен высокого давления вторичный должен изготавливаться в соответствии с требованиями настоящих технических условий и по технической документации, утвержденной в установленном порядке.

2. По техническим характеристикам полиэтилен высокого давления вторичный должен соответствовать параметрам, указанным в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики готовой продукции

Наименование показателя	Норма
Внешний вид	Гранулы одинаковой геометрической формы в пределах одной партии, размер их в любом направлении должен быть 2-5мм. Допускаются гранулы размером свыше 5 до 8мм, массовая доля которых не должна превышать 5% и гранулы размером свыше 1до 2мм массовая доля которых не должна превышать 2%. Допускаются серые и окисленные гранулы, массовая доля не должна превышать 0,5%. В окрашенном и не окрашенном полиэтилене допускаются гранулы другого цвета, массовая доля не должна превышать 0,1%.
Цвет гранул	Согласно образца, согласованного с заказчиком
Плотность, г/см3	0,9185±0,0015
Показатель текучести расплава (номинальное значение) с допуском, % г/10мин	0,5±10
Разброс показателей текучести расплава в пределах партии, % не более	10
Количество включений штук, не более	15

3. Гарантийный срок хранения полиэтилена высокого давления вторичного составляет 12 месяцев.

4. Гарантийный срок эксплуатации изделий из полиэтилена высокого давления вторичного составляет 24 месяца.

Упаковка.

Вторичный полиэтилен должен упаковываться в четырехслойные мешки по ГОСТ 2226 марки НМ с открытой горловиной и внутренним полиэтиленовым вкладышем или в полиэтиленовые мешки по ГОСТ 17811.

По соглашению с потребителем допускается упаковывать вторичный полиэтилен высокого давления в другие мешки, по качеству соответствующие требованиям вышеуказанной нормативной документации.

Горловину вкладыша и полиэтиленовых мешков заваривают или прошивают машинным способом, горловину бумажных мешков прошивают машинным способом.

Масса вторичного полиэтилена в мешках должна быть 25±0,3 кг или 30±0,3 кг.

Маркировка.

Транспортная маркировка - по ГОСТ 14192 с указанием манипуляционных знаков «Боится сырости», «Боится нагрева» и следующих данных:

- наименование и товарный знак предприятия-изготовителя;

- обозначение полиэтилена;

- обозначение настоящих технических условий;

- номер партии;

- год и месяц изготовления;

- масса нетто.

Допускается на полиэтиленовые мешки, получаемые на специальной упаковочной установке, вместо манипуляционных знаков наносить соответствующие надписи.

Размер букв должен быть не менее 7мм. Каждое тарное место снабжается упаковочным листом, который должен содержать:

- наименование предприятия изготовителя;

- обозначение полиэтилена;

-обозначение настоящих технических условий;

- номер сертификата соответствий;

- вес нетто в тарном месте;

- номер партии;

- дата выпуска.

Правила приемки.

Полиэтилен высокого давления вторичный принимают партиями. За партию принимается количество продукции, однородной по своим качественным показателям, оформленной одним документом о качестве, и изготовленную за один технологический цикл, при этом технологический цикл не должен превышать одних суток. Документ о качестве должен содержать:

- наименование предприятия изготовителя;

- марка полиэтилена;

- обозначение настоящих технических условий;

- количество полиэтилена в партии;

- результаты испытаний и подтверждение соответствия показателей требованиям настоящих технических условий;

- номер партии;

- дата выпуска;

- подписи ответственных лиц;

- печать ОТК предприятия.

От каждой партии полиэтилена изготовителем отбираются точечные пробы в количестве не менее 5, для проверки полиэтилена на соответствие требованиям таблицы 1.

На каждую пробу полиэтилена, отобранную из партии, прикрепляют этикетку, в которой указывается:

- Наименование производителя;

-Условное обозначение протектора;

-Тип резьбы;

- Обозначение настоящих технических условий;

- Дата изготовления и номер партии;

- Дата отбора пробы.

Транспортирование и хранение.

Полиэтилен высокого давления вторичный может транспортироваться всеми видами транспорта.

Полиэтилен высокого давления вторичный не относится к опасным грузам, и согласно ГОСТ 19433-88 не требует специального обозначения (трафарета) во время транспортировки.

Полиэтилен высокого давления вторичный хранят в закрытом помещении, исключающем попадание прямых солнечных лучей, на расстоянии не менее 1м от нагревательных приборов.

1.2 Обоснование выбора сырья

В данном производстве исходным сырьем для получения вторичной гранулы являются брак и отходы от пластмассовых изделий из полиэтилена.

Основным источником сырья для изготовления гранул вторичного ПЭВД служат отходы, которые образуются на некоторых производствах, а также в результате выхода из строя изделий из ПЭВД. Как показал анализ, подавляющую часть отходов ПЭВД составляют вышедшие из употребления упаковочные материалы, находящиеся в бытовом мусоре (бутылки из-под напитков и парфюмерии, упаковка различных предметов бытового применения и пр.).

Продукция предназначена для производства изделий технического назначения и комплектующих к ним.

Таблица 2. Ассортимент выпуска продукции

Наименование изделия	Стандарт на готовую продукцию	Цвет	Назначение
1. ПЭВД высший сорт	ГОСТ 16337 - 77	Бесцветный	Экструзионный

1.3 Характеристика выбранного сырья

Сырьём для вторичной гранулы в данном проекте служат отходы и брак изделий из полиэтилена высокого давления. Химическая формула полиэтилена:

[-CH₂ -CH-]_n

Сырьем для получения гранул является, соответственно, полиэтилен. Выпускается согласно ГОСТ 16338-85. Используются марки 273-83 и 273-79.

Полиэтилен получают полимеризацией мономера этилена в присутствии металлоорганических катализаторов.

Полиэтилен является кристаллизующимся полимером, содержание кристаллической фазы не достигает 100%; наряду с кристаллической фазой всегда содержится аморфная. Так же, как и остальные полиолефины, полиэтилен - неполярный полимер. Он растворяется только при повышенных температурах в хлорированных, ароматических углеводородах, стоек к кислотам и щелочам. Отдельные марки полиэтилен допущены к контакту с пищевыми продуктами и используются для производства изделий медико-биологического назначения.

Полиэтилен применяется для производства изделий конструкционного профиля, газо- и продуктопроводных напорных труб, пленок, изделий бытового назначения и т.д. Для получения труб с повышенной морозостойкостью и ударной прочностью полиэтилен модифицируют различными добавками.

Теплофизические и электрические свойства полиэтилена приведены в таблице 3.

Таблица 3. Теплофизические и электрические свойства полиэтилена

Наименование показателя	Значение показателя
1. Плотность, кг/м3	954 - 960
2. Насыпная плотность, кг/м3	500 - 550
3. Водопоглощение за 30 сут., % 20 0С 70 0С	0,005 0,04
4. Температура плавления, °С	132 - 124
5. Температура хрупкости, єС	(-150) - (-70)
6. Удельная теплоемкость при 20єС, кДж/(кг* єС)	0,45 - 0,50
7. Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К)	10*10-4 - 10,5*10-4
8. Модуль упругости при изгибе	650 - 750
9. Твердость по Бринеллю, Мн/ м2 (кгс/мм2)	49 - 60
10.Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом*м	017 - 018

1.4 Обоснование метода переработки

При проектировании предприятия по изготовлению гранул ПЭВД вторичной переработки, перед производством ставятся следующие основные задачи:

- производство должно иметь достаточную рентабельность, при минимальных затратах на проведения технологического процесса;

- технологическая линия производства должна иметь компоновку, занимающую минимальную площадь предприятия;

- предприятие должно соответствовать основным нормам и требования экологической безопасности окружающей среды;

- основное и дополнительное оборудование, которое применяется на данном предприятии должно быть экономически целесообразным, доступным в ремонте и эксплуатации;

- при проектировании предприятия, необходимо стремиться в наибольшей степени автоматизировать каждую стадию технологического процесса.

В данном курсовом проекте при разработке аппаратурно - технологической линии производства за основу была принята технологическая схема по утилизации и вторичной переработки твердых бытовых отходов полиэтиленовых материалов успешно применяемая на практики в Англии.

В качестве усовершенствования процесса было предложено вести процесс непрерывным методом, что в свою очередь повысит выход основной продукции. Также изменена монтажная компоновка узлов основного оборудования в одноэтажном цехе предприятия, что сравнительно заметно уменьшит производственную площадь предприятия и снизит затраты при строительстве производственного сооружения. Внедрена автоматизированная система управления технологическим процессом.

Основное оборудование, применяемое на данном производстве удобно в эксплуатации, легко ремонтируемо, экономически доступно.

1.5 Физико-механические основы технологического процесса

Технологический процесс экструзии складывается из последовательного перемещения материала вращающимся шнеком в его зонах: питания, пластикации, дозирования расплава, затем продвижения расплава в канал формующей головки.

Зона питания.

Полимер в виде гранул поступает через загрузочную воронку в канал червяка и увлекается им за счет разности сил трения между полимером и стенкой цилиндра и полимером и стенками винтового канала. При этом фактическое расстояние, на которое перемещается полимер за один оборот червяка, не равно шагу нагрузки, а за счет проскальзывания полимера относительно стенок оказывается во много раз меньше. По мере продвижения полимера по червяку в нем развивается высокое гидростатическое давление. Возникающие на контактных поверхностях силы трения при движении полимера создают работу трения. Выделяющееся при этом тепло идет на нагрев полимера. Некоторая часть тепла подводится также и за счет теплопроводности от стенок цилиндра, температура которых обычно превышает температуру поступающего в экструдер полимера.

Верхний предел, до которого нагревают стенку цилиндра в зоне питания экструдера, определяется значением коэффициента трения и его температурной зависимостью. При нормальном температурном режиме в начале образуется длинная пробка из полимера, которая проталкивается силами трения по винтовому каналу. Длина пробки должна быть достаточно велика для того, чтобы развивающаяся вследствие относительного движения продольная сила обеспечивала проталкивание полимера через зону плавления. По мере продвижения твердой пробки по каналу червяка давление в ней возрастает, пробка уплотняется; поверхность пробки, соприкасающаяся с внутренней стенкой, нагревается, а на ней образуется тонкий слой расплава. Постепенно толщина этого слоя увеличивается; когда она сравняется с размером радиального зазора между стенкой корпуса и гребнем, нарезки червяка, он начинает соскребать слой расплава со стенки, собирая его перед своей толкающей гранью. Это сечение червяка является фактически концом зоны питания и началом зоны плавления.



Зона плавления.

В пределах зоны плавления полимерная пробка расплавляется под действием тепла, подводимого от стенки корпуса, и тепла, выделяющегося в тонком слое расплава за счет вязкого трения.

Суммарный эффект поступательного движения полимерной пробки и вращения червяка проявляется в существовании относительного движения вязкой жидкости между стенкой корпуса и пробкой в направлении к толкающей стенке. Под действием этого движения в тонком слое расплава, образовавшемся на наружной поверхности пробки (поверхность раздела фаз), возникает течение, направленное к толкающей стенке канала. Этот расплав натыкается на толкающую стенку, поворачивает вдоль нее и собирается в поток, оттесняя материал пробки к передней стенке. В результате этого оттесняющего действия высота пробки остается примерно постоянной, а ширина по мере продвижения по червяку постепенно уменьшается.

Описанный механизм плавления обеспечивает плавление пробки при ее движении по каналу до тех пор, пока пробка сохраняет достаточную прочность. Как только ширина пробки достигает предельного значения, циркуляционное течение в потоке расплава, собирающемся перед толкающей стенкой, разрушает остатки пробки, дробя ее на мелкие куски. Сечение червяка, в котором начинается дробление пробки, можно считать концом зоны плавления и началом зоны дозирования.

Зона дозирования.

Течение расплава в зоне дозирования возникает под действием сил вязкого трения, развивающихся вследствие относительного движения червяка и стенок цилиндра, подобно течению жидкости в винтовых насосах, и движения расплава в зоне дозирования осуществляется по винтовой траектории. Принято представлять это течение как сумму двух независимых движений: поступательного течения вдоль оси винтового канала и циркуляционного течения, возникающего в виде кругового движения в плоскости, нормальной к оси винтового канала.

Объемный расход поступательного течения определяет производительность экструдера и, следовательно, лимитирует скорость движения пробки гранул в пределах зоны питания и плавления. Циркуляционное течение возникает вследствие существования составляющей скорости относительного движения в направлении, перпендикулярном оси винтового канала, увлекающей расплав в этом направление.

Двигаясь поперек канала, поток поступает толкающую стенку и поворачивает ее к дну канала, а затем в обратную сторону. Циркуляционное течение обеспечивает гомогенизацию расплава, выравнивает распределение температур и позволяет использовать экструдер для смешения.

В начале зоны дозирования температура расплава равна температуре плавления. Продвигаясь по винтовому каналу в зоне дозирования, полимер продолжает разогреваться, как за счет подвода тепла извне, так и за счет тепла, выделяющегося вследствие интенсивной деформации сдвига.

Одновременно идет процесс гомогенизации расплава. Происходит окончательное расплавление мелких включений и выравнивание температурного поля. Для нормальной работы экструдера необходимо, чтобы поступающий к рабочему инструменту расплав имел заданную однородную по сечению температуру. Поэтому, время пребывания расплава в зоне дозирования должно быть достаточно для его прогрева и гомогенизации.

Взаимосвязь отдельных этапов процесса экструзии показывает, что для анализа процесса в целом надо рассматривать совокупность всех его стадий, имея в виду соблюдения условий постоянства материального расхода полимера для любого сечения червяка.

При движении полиэтилена в зоне дозирования возможна деструкция полимера, из-за наличия у него третичного атома углерода, который снижает его стойкость к окислительной деструкции. Сам процесс окисления может ускоряться и активнее развиваться под действием многих факторов: теплового (термоокислительное старение), солнечного света, излучений (световое, радиационное старение), солей металлов переменной валентности (отравление полимеров примесями этих солей), механическими воздействиями (пластикация и утомление). Деструкция полиэтилена происходит при температуре от 270 ⁰С.

Из всех видов старений основное значение имеет термоокислительное, рассмотрим его подробнее. При термическом воздействии на полиэтилен происходит резкое уменьшение его молекулярной массы, связанное с распадом молекулярных цепей. Наличие в полиэтилене разветвлений увеличивает скорость термического распада. Скорость распада уменьшается при увеличении времени нагревания полиэтилена. Это объясняется тем, что вначале распадаются связи и у мест разветвления макромолекул, и по мере уменьшения их молекулярной массы стабильность осколков молекул возрастает. После начального распада макромолекулы полиэтилена на два радикала реакция деструкции может идти по следующим направлениям:

или

1.6 Описание технологической схемы производства

Основные этапы технологического процесса изготовления гранул вторичного ПЭВД представлены схемой на рис. 1:

Рис. 1. Технологическая схема основных этапов при изготовлении вторичного ПЭВД.

Сбор, сортировка и предварительная очистка сырья

Основным источником сырья для изготовления гранул вторичного ПЭВД служат отходы, которые образуются на некоторых производствах, а также в результате выхода из строя изделий из ПЭВД. Как показал анализ, подавляющую часть отходов ПЭВД составляют вышедшие из употребления упаковочные материалы, находящиеся в бытовом мусоре (бутылки из-под напитков и парфюмерии, упаковка различных предметов бытового применения и пр.).

Сбором отходов ПЭВД занимаются в основном производственно-заготовительные предприятия вторичных ресурсов, а также коммунального хозяйства. Сбор отходов потребления ПЭВД производится через приемные пункты вторичного сырья, а также и путем раздельного сбора в местах образования.

В данном курсовом проекте предусмотрено, что сырье, состоящее из отходов ПЭВД поставляется на перерабатывающее предприятие грузовым транспортом. Разгрузка сырья осуществляется специальной площадке временной дислокации, оборудованной навесом и подъездными путями.

С площадки временной дислокации, сырье, состоящее из отходов ПЭВД, при помощи погрузчика, поставляется в первое помещение цеха сортировки отходов ПЭВД, где группой рабочего персонала в ручную осуществляется разделение отходов на основное сырье производства ПЭВД и примесей крупных включений, которые в свою очередь, складируются на площадке дислокации отходов, подлежащих утилизации путем сжигания.

Отсортированное сырье для изготовления гранул ПЭВД, при помощи ленточного конвейера транспортируется во второе помещение производственного цеха, где осуществляется грубый помол и предварительная очистка сырья в воздушном классификаторе, необходимая перед его последующим измельчением.

Измельчение сырья

Для пластичных материалов используют методы срезывания и истирания, хрупкий вторичный полиэтилен предварительно дробят срезом либо ударом, раздавливают. Для выполнения этих техпроцессов используют ножевые дробилки (дайсеры), молотковые и роторные типы измельчителей, струйные мельницы.

В данном курсовом проекте для измельчения сырья, необходимого для изготовления гранул ПЭВД, предусмотрено применение ножевой дробилки, принципиальное устройство которой представлено на рис. 3.



Рис. 3. Принципиальное устройство ножевой дробилки.

1 - корпус; 2 - приводной вал; 3 - крышка; 4 - щека; 5 - решетка; 6 - крепежный винт; 7 - нож неподвижный; 8 - крепежный винт; 9 - бункер; 10 - нож подвижный; 11 - ротор крепежный винт; 12 - щека.

В ножевой дробилке материал измельчается в зазоре между ножами на быстро вращающемся роторе и ножами, жестко закрепленными на корпусе. Под ротором расположено сито, размеры отверстия которого определяют крупность гранул.

Ножевые дробилки выполняют с горизонтальным или (для экономии производственных площадей) вертикальным расположением роторов. Дробилки отличаются видом и количеством ножей, мощностью привода, скоростью вращения ротора, размерами дробильной камеры, габаритными размерами загрузочного устройства.

Конструкции ротора и подвижных ножей в наибольшей степени влияют на качество измельчения, производительность дробилки и потребляемую мощность. Как правило, ротор соединяется с приводным электродвигателем либо непосредственно, либо через клиноременную передачу.

Конструкция ротора ножевых дробилок связана со свойствами измельчаемого материала, размерами и формой отходов.

Процесс разрезания материала состоит из двух фаз: деформации и разделения. Жесткие хрупкие профили требуют при этом относительно высокого усилия резания. Однако они деформируются незначительно, а происходит хрупкое разрушение со скоростью разрастания трещин (которая выше, чем собственно скорость резания). Более пластичные профили деформируется сильно, но требует более низких усилий резания.

Промывка и сепарация сырья

При промывке вторичного ПЭВД в агрегат предварительной промывки могут добавляться специальные реагенты и химикаты для удаления с сырья сложных загрязнений (нефтепродукты, жир, масло). Могут выполнятся операции мини-флотации и металлосепарации. Перед отправкой в сушильную камеру, для отделения лишней влаги и оставшихся твердых фракций, сырье направляется в центрифугу. Чтобы не было образования разного рода дефектов (вздутий, раковин, пор) на этой стадии обработки, процесс сушки полимера выполнятся при высокой влажности.

Гранулирование

На данном этапе производства используют специальные грануляторы, в которых расплавленный термопластичный полимер поступает через экструдер.

Экструзия - технологический процесс, который применяют для непрерывного производства изделий высокого качества, точных размеров, с требуемой производительностью и полимерных материалов. Для создания высокоэффективного производства необходимо использовать высокоскоростные машины, имеющие более точное и автоматизированное регулирование параметров экструзионных технологических процессов, внедрять полную механизацию и автоматизацию основных и вспомогательных операций, объединенных общей программой и системой дистанционного управления компьютерами.

После того, как полученный материал остывает в воде или на воздухе, продавленный в виде нитей или жгутов полиэтилен высокого давления разрезается на гранулы. Во время процесса, вторичный ПЭВД может быть соединен с красителями, пластификаторами, антиоксидантами, бактерицидными материалами, из нее удаляются летучие примеси и вода. Вторичная гранула ПЭВД может производиться в окрашенном и неокрашенном видах.

Укупорка и складирование готовой продукции

После производственного цикла вторичная гранула ПЭВД фасуется. Материалы разделяют по плотности, цвету и типу полимера. Осуществляется выборка проб на соответствие технологическим характеристикам качества гранулята. Фасовку производят по 25 килограммов в полиэтиленовые мешки, маркируют и транспортируют на склад готовой продукции.

Рассмотрим аппаратурно - технологическую схему изготовления гранул вторичного ПЭВД, которая приведена на рис. 2.

Рис. 2. Аппаратурно - технологическая схема процесса изготовления гранул вторичного ПЭВД.

1 -- ленточный трансортер для подачи сырья; 2 -- дробилки; 3 -- воздушный классификатор; 4 -- магнитный сепаратор; 5 -- промыватель; 6 -- ленточный транспортер; 7 -- центробежные сушилки; 8 -- мельница; 9 -- экструдер; 10 -- таблетирующее устройство (гранулятор); 11 -- бункер для таблеток.

На установке (см. рис. 2. «Аппаратурно - технологическая схема производства гранул вторичного ПЭВД») сырье, содержащее до 10 % примесей, металла, стекла и других материалов, ленточным конвейером 1 подают на дробилку 2. Измельченное сырье промывают и пневматическим транспортом направляют в воздушный классификатор 3, где отделяется около 3 % тяжелых отходов. Далее отходы дополнительно измельчают в дробилке второй ступени и продувают через магнитный сепаратор 4 для удаления оставшихся металлов. Затем измельченные отходы промывают водой и детергентами и сушат в центробежной сушилке 7. Высушенное сырье перемешивают в турбинной мельнице 8 для предотвращения комкования и подают в экструдер 9, где с помощью таблетирующего устройства 10 материал превращается в таблетки (гранулы).

На установках такого типа перерабатывают в основном сырье из отходов потребления (полиэтиленовая тара, пленки и пр.). Что же касается производственных отходов, то схема процесса их переработки нередко упрощается за счет исключения ряда стадий (особенно 3, 4 и 5) и часто сводится к следующей последовательности: 1 2 6 7.

1.7 Нормы технологического режима и контроль производства

Для производства качественной продукции необходимо осуществлять непрерывный контроль производства, включающий в себя: проверку на соответствие нормам исходного сырья, контроль соблюдения технологических режимов переработки, контроль качества готовой продукции.

Параметры и частота контроля проектируемого производства приведены в таблице 4.



Таблица 4. Контроль производства

Стадия процесса	Контролиру - емый параметр	Частота контроля	Метод контроля	Кто контролирует
Подготовка сырья 1.Передача полиэтилена на склад 2.Транспортирование сырья к загрузочному устройству	Количество полиэтилена на складе Количество сырья	Каждая партия По мере прохождения материала по конвейеру	Визуально Визуально	Кладовщик Машинист дробилок
Дробление полимера 1.Транспортирование дробленного материала по конвейеру к дробилке	Скорость конвейера	2 раза в час	По скорости вращения электродвигателя	Машинист дробилок
Экструзия 1.Формование прутков 2.Гранулирование прутков	Температура зон цилиндра и головки Частота вращения червяка Температура охлаждающей воды в ванне Подача материала в гранулятор	1-2 раза в час 1-2 раза в час В начале и конце смены 1-2 раза в час	По показаниям приборов на пульте управления (190 0С) По показаниям приборов на пульте управления (92с-1) Термометр (60-80 0С) Визуально	Машинист экструдера Машинист экструдера Машинист экструдера Машинист экструдера
Контроль и упаковка 1.Дозирование материала в упаковочный мешок и взвешивание 2.Контроль качества	Вес гранул Свойства гранул (ПТР)	При упаковывании мешков От каждой партии (не менее 1000г)	Электронные весы С помощью лабораторного оборудования (0,5±10 г/10мин)	Машинист упаковки Технолог

При производстве гранул возможны различные отклонения от технологических параметров, приводящие к ухудшению качества изделий и их отбраковке.

Возможные виды дефектов и способы их устранения приведены в таблице 5.

Таблица 5. Виды брака и способы его устранения

Вид брака	Возможные причины брака	Способ устранения
1. В материале имеются включения, гари	1.Завышена температура по зонам 2.Не работает охлаждение 3.Плохо очищен экструдер от предыдущей партии	1.Понизить температуру по зонам 2.Проверить работу системы охлаждения 3.Осуществить чистку
2. Из головки выходит не полностью гомогенизированная масса, прутки рвутся	1.Занижение температуры по зонам 2.Большая скорость экструзии	1.Повысить температуру 2.Уменьшить число оборотов шнека
3.Изменение цвета материала	1.Завышена температура по зонам 2.Не работает охлаждение 3.Неисправность приборов 4.Попадание композиции другого цвета 5.Неправильно осуществлялась чистка	1.Понизить температуру по зонам 2.Проверить работу системы охлаждения 3.Проверить приборы 4.Выгрузить композицию 5.Осуществить чистку
4.Обильное выделение газообразных продуктов	1.Завышена температура по зонам 2.Не работает охлаждение зон	1.Снизить температуру по зонам 2.Проверить работу системы охлаждения



2. Расчетная часть

2.1 Материальный баланс производства на 1000 кг готовой продукции

Материальный баланс производства выполняется с целью определения потребности в сырье, вспомогательных материалах, а также количества возвратных и безвозвратных отходов (потерь). Материальный баланс служит основой для определения производительности оборудования и его количества, технико-экономических показателей производства.

Материальный баланс производства 1000 кг вторичного гранулированного полиэтилена высокого давления представлен в таблицах 6 - 7.

Таблица 6. Анализ безвозвратных потерь производства

Безвозвратные потери по стадиям производства	Потери на базовом производстве, %	Потери на проектируемом производстве, %
Хранение, складирование и укупорка готовой продукции	2	1,5
Гранулирование	3	2
Промывка и сепарация исходного сырья	5	4
Измельчение исходного сырья	2	2
Предварительная очистка, сортировка и транспортировка исходного сырья с площадки дислокации	5	5

В соответствии с принятыми потерями на каждом этапе предприятия рассчитаем материальный баланс производства изготовления гранул вторичного ПЭВД на 1000 кг/ч.



Таблица 7. Материальный баланс производства по изготовлению 1000 кг/ч гранул вторичного ПЭВД.

Статьи прихода	Количество, кг/ч	Статьи расхода	Количество, кг/ч
1. Хранение, складирование и укупорка готовой продукции	1015	1. Хранение, складирование и укупорка готовой продукции	1000
2.Гранулирование	1035,3	2.Гранулирование	1015
3. Промывка и сепарация исходного сырья	1077	3. Промывка и сепарация исходного сырья	1035,3
4. Измельчение исходного сырья	1098,5	4. Измельчение исходного сырья	1077
5.Предварительная очистка, сортировка и транспортировка исходного сырья с площадки дислокации	1153,5	5.Предварительная очистка, сортировка и транспортировка исходного сырья с площадки дислокации	1098,5

Вывод: из расчетов материального баланса следует, что для получения производственной мощности в 1000 кг/ч готовой продукции с учетом потерь, необходимо подать на линию переработки 1153,3 кг/ч исходного сырья.

На проектируемом производстве, по сравнению с базовым предприятием, количество потерь сокращается в результате контроля за производством на каждой стадии, что значительно уменьшает возможность получения брака, а так же, использования нового оборудования и частичной автоматизации технологического процесса.

2.2 Расчет, выбор и описание работы основного оборудования

При проектировании данного предприятия основным производственным оборудованиям является одношнековый экструдер рис. 3.

Рис. 4. Принципиальная схема одношнекового экструдера.

1 - электродвигатель; 2 - редуктор; 3 - бункер; 4 - загрузочная воронка; 5 - шнек; 6 - термодатчики; 7 - материальный цилиндр; 8 - экструзионная гильза; 9 - нагреватель; 10 - сито; 11 - кольцевая экструзионная головка; 12 - мундштук; 13 - решетка; 14 - подшипник.

Экструдер (червячная машина, червячный пресс), в котором полимер расплавляется и гомогенизируется, является основной машиной промышленных линий, на которых осуществляется ряд взаимосвязанных операций процесса переработки. Он выполняет функции пластикатора и насоса, непрерывно продавливающего расплав материала, полученного в винтовом канале, через головку (формующий канал).

По устройству и принципу работы основного узла, продавливающего расплав в головку, экструдеры подразделяются на шнековые, бесшнековые и комбинированные. Шнековые машины называют также червячными прессами.

Основным рабочим органом экструдера является вращающийся шнек 5, расположенный в корпусе материального цилиндра 7. Вращение шнека через редуктор 2 обеспечивается электродвигателем 1, позволяющим осуществлять бесступенчатое регулирование числа его оборотов. Осевое усилие, возникающее при экструзии, воспринимается упорным подшипником 14. Транспортирование поступающего из бункера 3 пресса через загрузочную воронку 4, гранулята вдоль оси материального цилиндра с целью его плавления, гомогенизации и последующего продавливания полученного расплава через формующий инструмент осуществляется в межвитковом пространстве шнека. Плавление гранулята осуществляется за счет тепла, поступающего от шнуровых нагревательных элементов 9, расположенных на наружной поверхности корпуса, которые разбиты на четыре зоны обогрева, температура которых по мере поступления увеличивается и контролируется автоматически терморегуляторами, через установленные на пульте управления соответствующие термодатчики 6. Для предотвращения налипания гранулята на поверхности шнека пресса и образования пробки в зоне загрузки, цилиндр пресса оснащен рифленой втулкой, а также системой охлаждения этой зоны, что позволяет в значительной степени уплотнить гранулят перед поступлением его в зону плавления шнека.

Для обеспечения непрерывного поступления полимерного сырья в загрузочную воронку пресс оснащен специальным загрузочным бункером, периодически наполняемым вручную или с помощью системы внутрицехового распределения сырья.

Из червячного пресса расплав полимера через решетку 13 с набором сит 10 поступает в кольцевую экструзионную головку 11 и далее в мундштук 12.

Подшипниковый узел 14 предназначен для восприятия осевого усилия, возникающего на его оси при продавливании расплава полимера через формующий инструмент. Подшипниковый узел представляет корпус под роликоподшипник упорный сферический, один конец вала которого вставляется в тихоходный вал доработанного двухступенчатого редуктора, во второй конец вставляется цапфа шнека.

Узел загрузки состоит из загрузочной воронки и корпуса гильзы. Загрузочная воронка предназначена для подачи материала в пресс.

Воронка состоит из бункера, фланца присоединения к корпусу гильзы, рифленой гильзы, коллектора и корпуса.

Корпус гильзы является одной из основных сборочных единиц пресса, в котором происходят основные процессы переработки материала, измельчения полимера. Бункер предназначен для непрерывной подачи гранулированного материала в загрузочную воронку пресса. Для прекращения подачи гранул в пресс нижняя часть бункера оснащена заслонкой. Для выгрузки полимера имеется горловина с пробкой.

Качество получаемой пленки и производительность установки для её производства во многом определяются конструкцией формующей головки. Именно от головки зависит размерная точность пленки, её физико-механические показатели, а также качество подготовки расплава и работа экструдера в целом. Поэтому к конструкции и качеству головки предъявляются следующие требования:

Гидравлическое сопротивление формующей головки должно обеспечивать оптимальную производительность экструдера и гомогенность расплава при его подготовке в экструдере.

Формующие каналы головки должны обеспечить равномерный выход расплава по периметру формующей щели по толщине, температуре и скорости. При этом факторы, определяющие так называемую память расплава, а именно разность величины и скоростей деформации по периметру, должны быть сведены к минимуму.

Каналы головки при формировании заготовки не должны иметь застойных зон, так как материал, долго находящийся при высокой температуре в головке, начинает разлагаться.

При заданной производительности скорости экструзии в каналах головки не должны превышать критические для сохранения качественной поверхности экструдируемого расплава на выходе из головки (поверхность экструдата должна быть гладкой).

Конструкция головки должна быть легко разборной и обеспечивать заданную точность размеров каналов во всех сечениях при заданных давлениях и температурах. Эти требования вызваны необходимостью частой чистки головки, которую осуществляют как при переходе с одного материала на другой, так и при образовании налета разложившегося полимера при длительной работе на одном материале.

Поверхности контакта головки с расплавом должны быть устойчивы против коррозии и иметь незначительную шероховатость, которая уменьшает вероятность образования налета на стенках каналов головки. Это увеличивает срок службы головки и повышает размерную точность.

Обогрев (охлаждение) головки должен обеспечивать равномерное температурное поле по периметру. Следует учитывать, что неравномерное температурное поле окружающей среды вызывает отклонение геометрических размеров и физико-механических свойств заготовки по её периметру (например, в случае применения угловой головки с червячным прессом и фильтром тепловой поток со стороны обогрева фильтра вызывает изменение температуры корпуса головки при работе в адиабатическом режиме.) При конструировании головок с охлаждением или термостатированием формующей щели температура носителя на входе в каналы не должна превышать температуру на выходе более чем на 10-20. °С, что достигается увеличением расхода теплоносителя.

В качестве основных технологических параметров процесса экструзии приняты следующие:

- распределение температур по зонам цилиндра и головки экструдера;

- частота вращения червяка;

- объемная или массовая производительность;

- перепад давления в головке, совпадающий по величине с давлением материала на выходе цилиндра экструдера;

- мощность, потребляемая вращающимся червяком экструдера.

Согласно ассортименту продукции, для выполнения годовой программы изделия рассчитываем количество экструдеров с учетом эффективного времени работы оборудования (Т_эф) и производим проектный расчет экструдера.

Эффективное время работы оборудования рассчитываем по формуле:

Т_эф = (Т_ном - Т_ппр - Т_техн),

где Т_ном - номинальный фонд рабочего времени;

Т_ном = Т_кал - (Т_празд * 24);

Т_кал = 8640 ч; Т_празд = 8;

Т_ном = 8448 ч;

Т_ппр - время простоя оборудования в планово-предупредительных ремонтах в течение года, ч/год;

Т_ппр = Т_{год рем.кап} + Т_{год рем. тек};

где Т_{год рем. кап} - среднегодовое время простоя оборудования в капитальном ремонте,

Т_{год рем. кап} = t_кап/N;

где N - число лет в межремонтном цикле,

N = Т_кап/Т_кал;

где Т_кап - межремонтный пробег в капитальном ремонте, Т_кап =32400ч;

N = 4 года;

t_кап - время на капитальный ремонт, tкап = 480 ч,

Т_{год рем. кап} = 120 ч;

Т_{рем.тек.} - среднегодовое время простоя в текущих ремонтах;

Т_{год. рем. тек.} = (t_тск * n_тск)/N;

где t_тек - время на текущий ремонт, t_тек = 104 ч;

n_тек - количество текущих ремонтов в межремонтном цикле;

n_тек = 14;

Т_{год. рем. тек.} = 364 ч;

Т_ппр = 484 ч;

Т_техн = Т_ном * q;

где q - коэффициент затрат на наладку и пуск оборудования, q = 0,01;

Т_техн = 84 ч;

Т_эф = 8448 - 484 - 84 = 7880 ч.

В проектируемом цехе принимается трехсменный режим работы оборудования без остановок на выходные дни.

Количество основного оборудования (экструдеров), необходимого для выполнения годового плана производства вторичного гранулированного полиэтилена, определяем по формуле:

N_экстр. = Q/(q*T_эф),

где Q - производительность, т/год, q - производительность экструдера, кг/час,

N_экстр. = ? 1.

Таким образом, для производства вторичного гранулированного полиэтилена устанавливаем 1 экструдер типа ЧП 160x25.



Выбор типа червяка и расчет его геометрических характеристик

Согласно [2, табл. 12.3] для переработки ПЭВД зададимся значением среднего градиента скорости с^-1. Определим значения параметра:

м³. (1)

Согласно рассчитанному значению V/, из номограммы [2, рис. 12.4] определим ориентировочный диаметр для быстроходной машины D_ор = 150 мм.

Окончательно принимаем ближайшее стандартное значение диаметра: D = 160 мм.

Определим глубину нарезки червяка в зоне дозирования:

м. (2)

Вычислим число оборотов червяка:

с^-1. (3)

По рассчитанным значениям D и n из [2, табл. 12.5] выбираем модель машины ЧП 160?25, имеющую следующие технические характеристики: D = 160 мм; L/D = 25; n_max = 3 c^-1; N_э = 125 кВт.

Согласно [2, табл. 12.4] принимаем тип червяка 4А с соотношением h₁/h₃ = 4. При этом глубина нарезки в зоне загрузки будет h₁ = 4*3 = 12 мм.

По [2, табл. 12.1] для червяка типа 4А принимаем:

L_об = 22,5*D = 3600 мм;

L₂ = 1*D = 160 мм;

L₃ = 12*D = 1920 мм;

L = 22*D = 20*160 = 3200 мм;

L₁ = L - (L₂ + L₃) = 3200 - (160 + 1920) = 1120 мм.

Принимаем шаг нарезки постоянным t = D = 160 мм; ширину гребня витка e = 0,06*D = 0,06*160 = 9,6 мм; число заходов i = 1.

При принятых параметрах червяка угол подъема нарезки витка составит:

, (4)

Ширина витка по нормали:

мм. (5)

Радиальный зазор между гребнем червяка и цилиндром принимаем д = 0,27 мм. Согласно [2, табл. 12.3] назначаем следующий температурный режим переработки ПЭВД: температура расплава на выходе из зоны дозирования t = 190 ⁰С; температура в формующей головке t_г = 190 ⁰С; температура загружаемого сырья t₁ = 60 ⁰C; температура цилиндра в зоне загрузки t_ц1 = 95 ⁰С; температура цилиндра в зоне плавления t_ц2 = 240 ⁰С.

Расчет гидравлического сопротивления головки

Для расчета сопротивления канал спроектированной трубной головки разбиваем на отдельные участки простейшей геометрической формы, опуская мелкие элементы.

Расчетная схема после подобного преобразования приведена на рис. 5.

Рис. 5. Расчетная схема канала трубной головки.

Общее число расчетных участков примем 14. Для удобства проведения расчета сгруппируем участки по общности геометрических признаков каналов: кольцевой канал - участки 0 - 1, 2 - 3, 5 - 6, 9 - 10; кольцевой канал переменного сечения с путевым расходом, который можно рассматривать как кольцевой канал со средним постоянным сечением - участки 6 - 7, 8^/ - 9; решетки с круглыми отверстиями - участки 7^/ - 8, 13 - 14; конический кольцевой канал со щелью постоянной высоты - участок 3 - 4; щелевой клиновидный канал - участки 10 - 11; 11 - 12.

Расчет сопротивления головки проведем для трех значений производительности Q₁ = 116 кг/ч; Q₂ = 100 кг/ч; Q₃ = 50 кг/ч.

Объемная производительность по расплаву полиэтилена при температуре 190 ⁰С:

м³/с, (6)

где с = 793 кг/м³ - плотность расплава при t = 190 ⁰С по [2, рис. 12.12].

Соответственно Q₂ = 100 кг/ч, V₂ = 0,35*10^-4 м³/с; Q₃ = 50 кг/ч, V₃ = 0,17*10^-4 м³/с.

Коэффициент геометрической формы К и градиент скорости для кольцевого участка канала 0 - 1 при V₁ = 0,4*10^-4 м³/с:

К_кол = м³; (7)

53,6 с^-1. (8)

Значения R₁ = 0,070 м; R₂ = 0,064 м и l₁ = 0,185 м взяты со схемы канала рис. 6.

По [2, рис. 12.3] при температуре 190 ⁰С находим величины эффективной вязкости расплава в головке м_э = 9,8*10² Па*с.

Потери давления на участке при расходе V₁:

Па, (9)

Значения Дp_i для остальных кольцевых участков и при других производительностях рассчитывается аналогично.

Коэффициент геометрической формы для круглого цилиндрического отверстия решетки на участке 7^/ - 8 и градиент скорости при V₁ = 0,4*10^-4 м³/с:

м³, (10)

с^-1, (11)

где z = 3680 - количество отверстий в решетке; d₁ - диаметр отверстия.

Эквивалентная вязкость при с^-1 и температуре в головке t_г = 190 ⁰С [2, рис. 12.3] Па*с.

Потери давления на участке 7^/ - 8 при V₁ = 0,4*10^-4 м³/с:

Па, (12)

Значения Дp_i для других производительностей и на участке 13 - 14 рассчитываются аналогично.

Коэффициент геометрической формы и градиент скорости при V₁ = 0,4*10^-4 м³/с для конического кольцевого участка канала 1 - 2:

м³, (13)

где

мм, (14)

мм, (15)

мм, (16)

мм, (17)

м^-1, (18)

с^-1, (19)

Эффективная вязкость при с^-1 и t_г = 190 ⁰С, м_э = 1,9*10³ Па*с.

Потери давления на участке 1 - 2 при V₁ = 0,4*10^-4 м³/с:

Па.

Аналогичные расчеты Дp_i выполняются для остальных конических участков.

Коэффициент геометрической формы и градиент скорости для щелевого клиновидного канала на участке 11 - 12:

м³, (20)

где значения h₁ и h₂ взяты непосредственно с чертежа схемы канала;

с^-1, (21)

где z = 6 - число каналов.

Эффективная вязкость при с^-1 и t_г = 190 ⁰С равна м_э = 2,6*10³ Па*с.

Потери давления на участке 11 - 12 при V₁ = 0,4*10^-4 м³/с:

Па, (22)

В результате расчетов получены следующие значения общего сопротивления головки Дp_г = ?Дp_i: Дp_г1 = 95*10⁵ при производительности V₁ = 0,4*10^-4 м³/с; Дp_г2 = 90*10⁵ при производительности V₂ = 0,35*10^-4 м³/с; Дp_г3 = 76*10⁵ при производительности V₃ = 0,17*10^-4 м³/с. Характеристика головки изображена на рис. 6.