Рекомендации по аппаратурному оформлению процесса сушки гранулированных полимерных материалов

УДК 678.01

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО АППАРАТУРНОМУ ОФОРМЛЕНИЮ ПРОЦЕССА СУШКИ ГРАНУЛИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

© А.М. Воробьев, Г.С. Кормилицин, В.М. Дмитриев

Ключевые слова: гранулированные полимеры; внутридиффузные и сорбционно-структурные свойства полимеров; массопроводность полимеров; сушка гранулированных полимеров.

В статье изложены результаты исследования сорбционно-структурных и внутридиффузионных свойств гранулированных полимерных материалов. Приведено аналитическое описание сорбционных кривых полимеров. По результатам исследования массопроводности гранул полимерных материалов были получены зависимости коэффициентов массопроводности от температуры и влагосодержания. Даны рекомендации по аппаратурному оформлению процесса сушки.

Одним из процессов, определяющих качество изделий из пластмасс, является глубокая сушка исходных гранулированных полимеров. Рациональная организация процесса сушки и разработка аппаратов для этого процесса требуют исследования внутридиффузионных свойств гранулированных полимерных материалов, анализа сорбционного равновесия и движущей силы процесса.

Большое количество полимерных материалов для последующей переработки их в изделия выпускаются в виде гранул размером 0,2-4 мм. Высокое содержание влаги в этих исходных полимерах снижает качество изделий из них, а в некоторых случаях даже малое количество ее (около 0,01 %) вызывает деструкцию расплава полимера. В зависимости от продолжительности процесса сушки все полимерные материалы можно разделить на три основные группы.

К первой группе относятся полимеры, размеры частиц которых изменяются в пределах от десятков до сотен микрон. Продолжительность сушки подобных материалов измеряется секундами. Для их сушки применяют трубы-сушилки и распылительные сушилки.

Полимеры второй группы кроме свободной влаги содержат и связанную влагу. Время сушки этих материалов исчисляется минутами, и для них применяют сушилки с кипящим, виброкипящим и фонтанирующим слоями.

Продолжительность сушки гранулированных полимеров третьей группы составляет от 5 до 40 часов, а размеры частиц 2-4 мм.

В связи с использованием широкого ассортимента гранулированных полимеров и большой энергоемкостью процесса их обезвоживания несомненный интерес представляют исследования свойств этих материалов как объектов сушки, а также разработка методов расчета и конструирования сушилок. Поэтому нами были проведены исследования структурно-сорбционных и диффузионных свойств полимерных материалов, совершен анализ существующих заводских способов их сушки, а также разработаны предложения по расчету и

организации стадии глубокой сушки гранулированных полимеров.

Объектами исследований были выбраны полимерные материалы, имеющие наибольшее распространение: полиамиды П-610-Л и П-610-Л-СВ-30; полистиро-лы УПМ-703 и ПВС; сополимер МСН; АБС-пластик; СФД ВМ-БС; полипропилен. Размеры гранул всех перечисленных материалов 3-5 мм. Эти полимерные материалы сорбируют влагу из воздуха, и при хранении их влагосодержание достигает 1,5-2 % у полиамидов и 0,4-0,5 % у остальных полимеров, тогда как качественные изделия из них могут получаться при остаточном после сушки влагосодержании гранул 0,08-0,1 %.

Исследование сорбционно-структурных свойств полимеров. В первой серии опытов были получены изотермы сорбции и десорбции водяного пара гранулированными полимерами весовым методом с использованием весов МакБена-Барна на полностью термостатированной установке. Для получения необходимой влажности воздуха использовались насыщенные водные растворы солей. На рис. 1 для примера приведены изотермы сорбции гранул полиамида П-610-Л при различных температурах.

Аналогичные кривые сорбции были получены и для других гранулированных полимеров. Вид кривых сорбции и отсутствие гистерезиса между прямыми и обратными сорбционными процессами подтверждает отсутствие пор в данных материалах [1].

Из рис. 1 видно, что процесс сорбции водяного пара полимерами характеризуется незначительной температурной зависимостью. В области относительной влажности 0-20 % изотермы сорбции удовлетворительно описываются уравнением:

Ср _ Кт ф,

где Ср - равновесное влагосодержание полимера, %; ф - относительная влажность; Кт - коэффициент, зависящий от вида полимерного материала. Его значения приведены ниже в табл. 1.

0,78

05

026

с„,% /

А А

/ у ч ф.%

Ч80вС 450 * С \30*С

12*

25

Рис. 1. Зависимость равновесного влагосодержания Ср от относительной влажности воздуха ф и температуры для полиамида П-610-Л

Таблица 1

Значения коэффициента Кт

Наименование полимера Кт

Полиамид П-610-Л 1,25

П-610-Л-СВ 30 0,94

УПМ-703 0,32

МСН 0,65

АВС-пластик 0,52

СФД-ВМ-БС 0,64

Аналитическое описание сорбционных кривых позволяет обоснованно производить расчеты кинетики процесса сушки [2].

Исследование диффузионных свойств полимерных материалов. Во второй серии опытов исследовались диффузионные свойства полимерных материалов. В связи с малыми размерами гранул для определения концентрационной зависимости коэффициента массо-проводности был использован метод определения ее из кинетических кривых сушки. При этом для измерения убыли веса гранул при сушке применялись кварцевые пружины с чувствительностью 1 мм/мг. Изменение длины пружины регистрировали катетометром КМ-8 с точностью 5 мкм.

Температура воздуха в термостатируемом объеме изменялась от 30 до 200 °С с точностью регулирования ±0,15 °С. Скорость воздуха в рабочей камере измерялась микроманометром ММН со специальной пневмо-метрической трубкой и изменялась в пределах 1-5 м/с с помощью заслонки. Полностью экспериментальная установка описана в работе [3]. Коэффициенты массо-проводности рассчитывались зональным методом [4]. Для примера на рис. 3 представлены зависимости коэффициентов массопроводности Кт от концентрации влаги (С) и от температуры.

Зональный метод определения концентрационной зависимости коэффициента массопроводности применим для материалов, перенос влаги в которых происходит в изотермических условиях или близких к ним.

Поэтому в третьей серии опытов исследовалась кинетика нагрева гранулированных полимеров в процессе сушки. На базе этих исследований выделялся изотермический участок кривой сушки, используемый для зонального метода расчета коэффициента массопро-водности.

Исследования кинетики нагрева и массопроводности гранул полимерных материалов. Исследования кинетики нагрева гранул осуществлялись с помощью хромель-копелевой термопары диаметром 0,008 мм и потенциометра КСП-4. В грануле цилиндрической формы термопара располагалась по оси цилиндра. Такое размещение термоприемника параллельно изотермической поверхности не искажает температурное поле, и погрешность измерения температуры при этом минимальна [5-6]. Эксперименты показали, что время прогрева гранул до условий, близких к изотермическим (когда их среднеобъемная температура приблизительно равна температуре сушильного агента), составляет около 100 с.

Для проверки корректности использования зонального метода при определении коэффициентов моссо-проводности были рассчитаны значения чисел Био по условиям серий опытов, описанных выше. Значения чисел Био находятся в пределах (1-70)-103. Эти данные свидетельствуют о том, что в опытах по определению массопроводных свойств гранулированных полимеров рассматривалась чисто внутренняя задача переноса массы. Соответствующей обработкой экспериментальных данных [5] были получены зависимости коэффициентов массопроводности от абсолютной температуры Т и влагосодержания С гранулированных полимеров:

К т = А • ехр[ - В • С -

Р(Б - Н • С) Т

Для данного уравнения в табл. 2 приведены значения констант А, В, Б, Б и Н в зависимости от вида полимера.

Эти зависимости дают возможность производить вариантные кинетические расчеты процесса сушки в температурной области, определяемой технологией производства, по зональной методике [7-8] и, кроме того, совместно с анализом существующих заводских способов сушки разработать конструкции сушилок гранулированных полимерных материалов.

Рис. 2. Концентрационная зависимость коэффициента внутренней диффузии влаги для полиамида П-610-Л

]

Таблица 2

Значения констант

Полимер A B D F H

Полиамид П-б10-Л 2,б2-10-6 3,852 9205 0,386 0,191

Полиамид П-б10-Л-СВ30 2,5б • 10-7 3,772 9200 0,363 0,191

АВС - пластик 3,62 • 10-7 3,589 9212 0,334 0,184

МСН 8,56 • 10-7 3,763 9160 0,362 0,191

Полипропилен 2,56 • 10-7 3,772 9205 0,366 0,190

СФД ВМ-БС 9,85 • 10-7 2,754 9180 0,345 0,194

Рис. 3. Сушилка с кольцевым поперечно-продуваемым слоем гранулированного материала: 1 - корпус; 2 - внешний сетчатый барабан; 3 - внутренний сетчатый барабан; 4 - слой гранул; 5 - циклон; 6 - загрузочный лоток; 7 - магистраль пневмотранспорта; 8 - бункер-питатель; 9 - затвор; 10, 11 - патрубки входа и выхода сушильного агента

Рекомендации по аппаратурному оформлению процесса сушки гранулированных полимеров. В заводских условиях гранулированные полимеры чаще всего высушивают в полочных сушильных шкафах или в аппаратах УСПЭ-901 с фонтанирующим слоем материала.

Процесс сушки гранулированных полимеров в полочных шкафах осуществляется в насыпных слоях толщиной 0,03-0,1 мм, размещенных на поддонах. Поддоны с материалом помещают в замкнутый термо-статируемый объем. Температура среды в шкафу поддерживается в пределах 70-80 °С. Нагрев материала происходит, в основном, за счет теплопроводности зернистого слоя, поэтому прогрев слоя идет медленно.

Удаляемая влага из гранул проходит через поровое пространство насыпного слоя материала, что снижает движущую силу процесса. Сочетание таких условий тепломассопереноса приводит к значительному времени сушки, достигающему 10-15 часов, а в целом ряде случаев вообще недостижимо рекомендуемое конечное влагосодержание полимеров из-за высокой влажности воздуха в сушильном шкафу.

Сушка в фонтанирующем слое гранулированных полимеров в аппарате типа УСПЭ-901 имеет следующие основные недостатки. Теплоноситель, образующий фонтан материала, выбрасывается из сушилки не полностью отработанным. При подаче теплоносителя с высокой температурой с целью ускорения процесса сушки возможно образование агрегатов частиц в нижней части аппарата.

На основе описанных выше данных по сорбционному равновесию и температурно-влажностных зависимостей коэффициента массопроводности полимерных материалов нами разработан и испытан в промышленных условиях аппарат, схема которого приведена на рис. 3.

Этот аппарат представляет собой сушилку шахтного типа с кольцевым продуваемым слоем 4 влажного материала. Материал загружается в сушилку пневмотранспортом из нижнего бункера 8 через циклон 5 или вручную через лоток б. Далее материал попадает в кольцевой зазор между внешним и внутренним сетчатыми цилиндрами. В нижней части находится затвор 9 для организации выгрузки высушенного материала. Сушильный агент подается из калорифера через патрубок 10 во внутреннее пространство кольцевого слоя толщиной 100 мм, пронизывает его и выходит из корпуса 1 через патрубок 11. При этом весь гранулированный материал равномерно омывается теплоносителем и быстро прогревается.

Исследования работы этого аппарата показали, что прогрев материала в продуваемом слое заканчивается через 15 мин. За счет продувания слоя гранул происходит постоянная замена воздуха, что обеспечивает по сравнению с не продуваемым слоем большую движущую силу процесса и сокращает время сушки в 3 раза.

ЛИТЕРАТУРА

1. Папков С.П., Файнберг Э.З. Взаимодействие целлюлозы и целлулоидных материалов с водой. М.: Химия, 1976.

2. Кошелева М.К. и др. // Производство и переработка пластмасс и синтетических смол. М.: НИИПМ, 1975.

3. Дмитриев В.М. Кинетика сушки материалов с большим внутри-диффузионным сопротивлением: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: МИХМ, 1976.

4. Очнев Э.Н., Рудобашта С.П., Плановский А.Н., Дмитриев В.М. Зональный метод определения зависимости коэффициента массо-проводности от концентрации // ТОХТ. 1975. Т. 9. № 4. С. 491-495.

5. Ярышев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарных температур. Л.: Энергия, 1967.

6. Рудобашта С.П., Плановский А.Н. Исследование кинетики сушки при переносе влаги в материале по закону молекулярной диффузии // ТОХТ. 1976. Т. 10. № 2. С. 197-204.

7. Рудобашта С.П., Плановский А.Н., Очнев Э.Н. Зональный метод вычисления непрерывнодействующих массообменных аппаратов для систем с твердой фазой // ТОХТ. 1974. Т. 8. № 1. С. 22-29.

8. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой. М.: Химия, 1980. 248 с.

Поступила в редакцию 28 мая 2012 г.

Vorobyov A.M., Kormiltsin G.S., Dmitriyev V.M. RECOMMENDATIONS ON HARDWARE DESIGN OF PELLITIZED POLYMER MATERIALS DRY PROCESS

The article presents the research results of sorption and structural and intradifiusion properties of pelletized polymer materials. The analytical description of sorption curve polymers is given. The dependencies of coefficients of mass conductivity from temperature and moisture content were obtained as research results of mass conductivity of granules of polymer materials.

Key words: granular polymers; intradifiusion and sorption and structural properties of polymers; mass conductivity of polymers; granular polymers drying.