Исследование свойств порошка полиэтилена как объекта сушки

УДК 66.011: 66.047

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОРОШКА ПОЛИЭТИЛЕНА

КАК ОБЪЕКТА СУШКИ

Ю.М. Шкурин, А.Г. Липин, А.А. Липин

Ивановский государственный химико-технологический университет

Приведены сорбционно-структурные и гигротермические характеристики порошка полиэтилена, полученного методом упругодеформационного измельчения полимерного геля. Даны рекомендации по методу сушки и аппаратурному оформлению процесса.

Ключевые слова: сушка, порошок, полиэтилен, сорбция, десорбция, влажность, температура.

Полиэтилен - один из многотоннажных термопластов. Он находит широкое применение в различных отраслях промышленности, транспорта и сельском хозяйстве. Переработка отходов полиэтилена с целью получения тонкодисперсных порошков имеет большое значение не только с позиции охраны окружающей среды, но и с точки зрения сокращения расхода первичных полимеров, поскольку в условиях дефицита сырья полимерные отходы являются мощным сырьевым ресурсом. Кроме того, порошки полио-лефинов являются хорошими сорбентами нефти и нефтепродуктов, что решает еще одну важную экологическую проблему, как ликвидация разливов нефти и нефтепродуктов.

Имеется технология получения порошков полиолефинов путем упругоде-формационного измельчения полимерного геля [1]. Заключительной стадией данного способа является удаление остаточного растворителя из частиц порошка. После отгонки органического растворителя из полимерного порошка в токе водяного пара материал содержит до 20 % влаги.

Научно обоснованный выбор способа сушки и режимных параметров этого процесса предполагает знание ряда характеристик объекта сушки: сорбционно-структурных, тепловых, гигротермиче-

ских, структурно-механических, технологических.

Сорбционно-структурные характеристики материала определяют внутреннее диффузионное сопротивление в процессе сушки. Их отображают в виде кривых сорбции-десорбции и кривых распределения пор по радиусам. Изотермы сорбции-десорбции водяного пара представляют собой зависимости равновесного влагосодержания материала ир от относительной влажности воздуха ф в процессе сорбции (или десорбции) при постоянной температуре.

Исследования по определению равновесной влажности были проведены тензиметрическим (статическим) методом для фракции порошка полиэтилена низкой плотности с размером частиц 40 -100 мкм. Навеска материала помещалась в эксикатор, где создавалась среда с различной относительной влажностью воздуха. Для создания заданного парциального давления водяных паров использовались растворы серной кислоты различной концентрации. Материал выдерживался в эксикаторе до установления равновесия, которое контролировалось периодическим взвешиванием исследуемых навесок.

Полученные в опытах данные представлены на рис.1. В области малых значений ф изотермы выпуклостью обращены к оси равновесного влагосодержания

материала, что характерно для мономолекулярной адсорбции. При значениях ф>0,9 имеет место крутой подъём вверх участка изотерм, обращенного выпуклостью к оси относительной влажности воздуха, что характерно для области капиллярной конденсации в переходных порах.

Суммарный удельный объем мик-ропор найден с помощью преобразованного уравнения Дубинина [2]:

ир = Умикр Рж еХР

т

2 (

- в-т а2

1

у

, <Р)

где ир - равновесное влагосодержа-ние материала, кг вл/кг а.с.м.; Умикр -объем микропор, м3/кг; рж - плотность жидкости, кг/м3, В - константа, характеризующая абсорбент, в - коэффициент аффинности; Т - температура, оК; ф - относительная влажность воздуха.

Изотерма, построенная в координатах 1п ир и ^(1/ф), имеет вид прямой линии (рис.2), отсекающей на оси отрезок, по которому можно определить влагосо-держание материала, соответствующее заполнению микропор.

0,07

0,01

1

1 _-——

Г  - 2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

ф , доли

Рис. 1. Изотермы сорбции и десорбции для порошка полиэтилена: 1 - кривая десорбции, 2 - кривая

сорбции. Температура 20оС

0,5

1§(1/ф) 1 1,5

£ й

-4

-5

-6

Рис.2. Начальный участок изотермы сорбции порошка полиэтилена в логарифмических координатах

уравнения Дубинина при п=1

0

2

Суммарный удельный объем мик-ропор рассчитан по формуле

Умикр _ имикр / Рж . (2) Значение имикр определено по графику: 1п имикр= -5. Суммарный удельный объем микропор для исследованного образца порошка полиэтилена, полученного методом упругодеформационного измельчения полимерного геля составил Умикр=е"5/1000=б,74^10"6 м3/кг.

По экспериментальной изотерме десорбции получены интегральная и

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Гпор,

Рис. 3. Интегральная десорбционно- структурная характеристика порошка полиэтилена

дифференциальная кривые распределения объема переходных пор по радиусам (рис.3 и 4). Максимальный радиус капилляров, содержащих при данной относительной влажности воздуха ф конденсированную влагу, рассчитан по формуле Томсона-Кельвина [2]. Суммарный удельный объем пор, заполненных жидкостью при соответствующем равновесном влагосодержании ир, определен по выражению

Упор=ир/Рж .

0 5 10 15

Г, нм

Рис. 4. Дифференциальная десорбционно-структурная характеристика порошка полиэтилена

По влагосодержанию материала ир при относительной влажности ф=1 при десорбции (рис.1) определен суммарный удельный объем микропор и переходных пор

Усумм=0,064/1000=6,4-10"5 м3/кг удельный объем переходных пор

Упер=6,4^10"5-6,74^10"6=5,726^10"5 м3/кг. Объемная доля микропор составляет 10,5 % и переходных пор 89,5 %.

Анализ полученных результатов позволяет охарактеризовать порошок полиэтилена как переходнопористый материал с присутствием существенного количества микропор.

Для установления гигротермических характеристик проведены эксперименты по сушке порошка, в ходе которых фиксировались изменение веса и температуры образцов. Сушка порошка полиэтилена с крупностью частиц -100+40 мкм осуществлялась в тонком слое толщиной 5 мм в

сушильном шкафу в условиях естественной конвекции. На рис. 5 приведены кривые сушки и термограммы. На кривых кинетики сушки можно выделить три характерных участка: прогрева, постоянной скорости, падающей скорости. Наиболее близка к классической форме кривая сушки при температуре воздуха 60 оС. В период прогрева влагосодержание материала уменьшается с 0,12 кг вл/кг а.с.м. до 0,11 кг вл/ кг а.с.м. Скорость сушки в этот период возрастает от нуля до значения скорости в первый период сушки.

В период постоянной скорости сушки удаляется основное количество влаги. При этом температура материала не остается постоянной, а медленно повышается. При достижении влагосодержания материала ~0,01 кг вл/кг а.с.м. скорость сушки начинает уменьшаться, а темп нагрева материала увеличивается.

U

0,14 0,12 0,10 -0,08 -0,06 -0,04 -0,02 -0,00

t

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0

10 15

Время, мин

20

25

Рис. 5. Изменение влажности и [кг вл/кг а.с.м.] и температуры t [оС] материала в процессе сушки порошка. Температура воздуха в сушильной камере, оС: 1, 4 - 60; 2, 5 - 70; 3, 6 - 80. Средний размер частиц

70 мкм

Увеличение температуры сушильного агента с 60 оС до 80 оС приводит к снижению времени сушки в ~1,5 раза. Повышение температуры воздуха свыше 90 оС нецелесообразно, так как наблюдается размягчение и слипание полимерных частиц.

Анализ кривых сушки показывает, что до 85 % влаги удаляется в первый период сушки. Критическое значение влажности, соответствующее границе периодов постоянной и падающей скорости сушки составляет икр -0,01 кг влаги на кг абсолютно сухого материала.

Учитывая установленные характеристики порошка полиэтилена как объекта сушки, можно рекомендовать конвективную сушку в режиме фильтрующего

слоя, что позволяет снизить до минимума пылеунос. Тем самым сокращаются капитальные и эксплуатационные затраты на систему пылеулавливания. Альтернативным способом может быть кондуктивная сушка в вакуум-гребковых сушилках.

Работа выполнена в лаборатории "Тепломассоперенос в химически реагирующих средах" НИИ Термодинамики и кинетики химических процессов ИГХТУ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Переработка отходов полиэтилена в порошок в роторном диспергаторе / О.В. Евсеев, А.Г. Липин // Изв. вузов. Химия и химич. технол. - 2010. - Т.53, вып. 9. - С. 128-129.

2. Сажин Б.С., Сажин В.Б. Научные основы техники сушки. М.: Наука, 1997. - 448 с.

Рукопись поступила в редакцию 18.02.2014.

THE RESEARCH OF POLYETHYLENE POWDER FEATURES AS DRYING OBJECT

Yu. Shkurin, A. Lipin, A. Lipin

In the article sorption and structural and hygrothermal characteristics of polyethylene powder being got by the method of elastodeformed grinding of polymeric gel are brought out. The recommendations on the method of drying and process hardware formatting are given.

Key words: drying, powder, polyethylene, sorption, desorption, humidity, temperature.

5