Способ плавления термопластичных полимеров и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области полимерного машиностроения, а именно к переработке полимерных отходов, в первую очередь имеющих малую насыпную плотность, например, пленочных, волокнистых и т.п. для получения расплавов на предприятиях по производству синтетических волокон, пластических масс в химической промышленности. Технический результат группы изобретений: сохранение структуры полимера при нагревании без разрушения в продолжительный период времени при приближении температуры расплава к температуре деструкции, снижение энергозатрат и увеличение КПД. Способ плавления в тепловой среде осуществляют путем образования смеси тепловой среды и расплава полимера. Расплавление производят непрерывно движущейся со скоростью 80,0-100,0 м/с тепловой средой, которой является водяной пар температурой 300-500^oС. Разделение тепловой среды с расплавом полимера осуществляют путем центробежного сепарирования при одновременном наружном прогреве. В устройстве камера плавления с загрузочным бункером выполнена с отверстиями на обоих торцах - одно для подачи тепловой среды, другое с расширяющимся насадком - для вывода смеси тепловой среды и расплава. К последнему присоединен расплавопровод, соединяющий проходную камеру плавления и узел разделения. Узел разделения выполнен в виде центробежного сепаратора, который снабжен наружным кожухом, образующим полость вокруг сепаратора, и нижняя ее часть соединена с нагревателем тепловой среды, а верхняя - с нагнетателем тепловой среды. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области полимерного машиностроения, а именно к переработке полимерных отходов в первую очередь имеющих малую насыпную плотность, например, пленочных, волокнистых и т.п. для получения расплавов на предприятиях по производству синтетических волокон, пластических масс в химической промышленности.

Известен способ плавления термопластов путем подачи частиц полимера в нижнюю часть емкости с жидким металлом, нагретым выше температуры плавления термопласта, пропускание частиц сквозь слой жидкого металла и отбора расплава с поверхности металла, который предварительно пропускают сквозь слой полиорганосилоксановой жидкости (а.с. 1742078, В 29 В 13/02). Способ нетехнологичен и трудноосуществим из-за того, что для осуществления способа, во-первых, требуется такой металл, который имеет низкую температуру плавления, а они чаще всего агрессивны, во-вторых, требуется мелкодисперсное дробление полимера. Кроме того, трудно обеспечить экологическую безопасность и осуществить отбор расплава.

Отбор расплава проще осуществляется при плавлении термопластов в специальных устройствах - экструдерах. Согласно этому способу теплоносителем заполняют камеру, где происходит плавление, а для управления технологическим тепловым режимом используют индивидуальные источники нагрева-охлаждения теплоносителя (а.с. 1761532, В 29 С 47/48). Получение расплава в экструдерах - процесс энергоемкий, т. к. нагреванию подвергают камеру расплава, которая, излучая тепло, нагревает и расплавляет полимер. Потери теплоносителя при этом большие, КПД - невысокий.

В способе расплавления органического продукта с помощью микроволн (п. 2052352, В 29 В 13/02) подвод энергии осуществляется направленно, непосредственно в зону, где находится продукт, поэтому потери энергии теплоносителя значительно меньше, чем в приведенных выше. Согласно этому способу микроволны направляют так, чтобы электромагнитное поле обеспечило непосредственный контакт волн с верхней свободной поверхностью твердого продукта, находящегося в емкости, для образования в процессе плавления жидкого слоя. Твердую часть продукта, которая находится в контакте с жидкостью, эродируют таким образом, чтобы получить частицы твердого продукта во взвешенном в жидкости состоянии, и перемешивают эту взвесь. Эрозия и перемешивание продвигаются к нижней части емкости одновременно с плавлением продукта и одновременно продолжают подводить электромагнитное поле к контакту со свободной поверхностью жидкости по меньшей мере в течение части времени плавления, после полного расплавления продукта он удаляется из емкости. Использование в качестве носителя тепла электромагнитное микроволновое поле требует специальных мер защиты от микроволнового излучения. Кроме того, применение этого способа для полимеров типа полипропилен (полиэтилен), у которых температура плавления выше, чем у полиуретанов, тем более, если требуется довести температуру расплава, при которой достигается максимальная текучесть его, способ становится явно энергоемким.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ плавления термопластичных полимерных материалов в жидкой тепловой инертной среде с последующим разделением полимерного материала и тепловой среды, которая происходит в результате приложения механического напряжения от 0,1 до 70 МПа, приводящего к движению компонентов смеси с различной скоростью, зависящей от их вязкости. При использовании в качестве инертной тепловой среды жидкостей менее вязких, чем расплав полимера в 800 и более раз, приложение такого механического напряжения приводит к удалению из смеси более текучего компонента (тепловой среды) (заявка 95108763, МПК В 29 В 17/00, 13/02, приоритет 30.05.95., опубл. 20.02.97.) В указанном способе отсутствует система регулирования и контроля состояния тепловой среды. Это прямым образом влияет на качество продукта, получаемого из расплава. Продолжительное нахождение полимера в жидкой тепловой среде может привести к его деструкции, изменению (ухудшению) свойств и даже разрушению. Кроме того, энергозатраты при осуществлении такого способа также достаточно велики (требуется энергия не только на разогрев жидкой среды, но и на создание достаточно высокого механического напряжения для разделения), а КПД - невысок.

Так как для реализации заявляемого способа не найдено устройство среди известного технического уровня, предлагается новое устройство получения расплава термопластичных полимеров.

Известно множество устройств для расплавления термопластичных материалов, в которых используются различные теплоносители (тепловые среды), способствующие разогреву и плавлению полимеров.

В экструдерах плавление осуществляется с помощью теплового излучения поверхности камеры, внутри которой находится материал, а камера в свою очередь нагревается внешними источниками тепла (а.с. 1761531, В 29 С 47/64, 14.06.90. ). Известны экструдеры, в которых рабочий орган - червяк выполнен полым и заполнен теплоносителем в виде герметичных капсул, имеющих рабочую камеру с индивидуальным источником нагрева-охлаждения (а.с. 1761532, В 29 С 47/49, 09.07.90.). Коэффициент полезного действия экструдеров, и производительность, как правило, невелики из-за больших потерь тепла. Кроме того, отсутствие контроля состояния теплоносителя приводит к снижению качества расплава.

Известно также устройство для плавления полимеров по патенту России 2102232, В 29 В 13/02, 17.06.94. Устройство содержит обогреваемые корпус для жидкого теплоносителя и загрузочный узел, накопитель полимера, сепарирующие элементы, перемешивающий механизм, размещенный внутри корпуса, и выполненный в виде вращающегося вокруг своей оси возвратно-поступательно перемещающегося поршня и неподвижного диска, которые выполнены перфорированными, а торцевые поверхности их, обращенные друг к другу, имеют выступы. Обогреваемый узел загрузки полимера оснащен транспортирующим узлом, штуцером для подачи теплоносителя и дверцей, связанной с перемещающимся поршнем, а сливной бак, закрепленный на корпусе и имеющий систему подачи теплоносителя из бака в обогреваемый узел загрузки полимера, снабжен дополнительно системой удаления расплава полимера из этого бака. К недостаткам этого устройства следует отнести то, что оно является также энергоемким: с одной стороны требуется источник тепла для поддержания соответствующих тепловых характеристик теплоносителя, с другой - необходим дополнительный источник тепла, обогревающий питатель и загрузочный узел.

Известно и другое устройство, в котором также используется специальный теплоноситель. Это устройство содержит емкость для жидкой инертной тепловой среды, нагревательные элементы, расплавопровод, загрузочный бункер с питателем, узел разделения, включающий цилиндрический корпус с загрузочным окном, транспортирующий элемент в виде шнека и гидравлическое сопротивление. Узел разделения размещен в вертикальном или горизонтальном положениях, а его загрузочное окно расположено в верхней или нижней части его боковой стенки в зависимости от соотношения плотностей термопластичного полимерного и жидкой инертной тепловой среды. Устройство дополнительно снабжено насосом, обеспечивающим циркуляцию жидкой инертной тепловой массы (патент России 2120377, В 29 В 13/02, 17/00, 30.05.95.). Это устройство выбрано в качестве прототипа, как наиболее близкое по достигаемому результату и технической сущности к заявляемому устройству.

В основу настоящего изобретения положена задача: сохранение структуры полимера при нагревании без разрушения в продолжительный период времени при приближении температуры расплава к температуре деструкции, снижение энергозатрат и увеличение КПД.

В способе поставленная задача решается тем, что расплавление производят непрерывно движущейся со скоростью 80,0-100,0 м/сек тепловой средой, которой является водяной пар температурой 300-500^oС, а при разделении расплава полимера и пара скорость снижают до 4-5 м/сек, при этом разделение осуществляют путем центробежного сепарирования при одновременном наружном прогреве. Прогрев осуществляют также водяным паром и паровая среда имеет замкнутый контур.

Поставленная задача так же решается новым устройством для получения расплава из термопластичного материала. Для этого в известном устройстве, содержащем нагнетатель тепловой среды и нагреватель, камеру плавления с загрузочным бункером, расплавопровод и узел разделения, камера плавления выполнена с отверстиями на обоих торцах - одно для подачи тепловой среды, другое с расширяющимся насадком - для вывода смеси тепловой среды и расплава, к которому присоединен расплавопровод, соединяющий проходную камеру плавления и узел разделения, при этом узел разделения выполнен в виде центробежного сепаратора, который снабжен наружным кожухом, образующим полость вокруг сепаратора, и нижняя ее часть соединена с нагревателем тепловой среды, а верхняя - с нагнетателем. Кроме того, тепловой средой является водяной пар, устройство дополнительно содержит узел регулирования плотности водяного пара, установленный в нагревателе и узел регулирования температуры потока пара, установленный в камере плавления. Кроме того, нагреватель тепловой среды содержит прогревочную камеру с тэнами внутри его, замедлителем потока на входе и ускорителем потока на выходе.

Предложенный способ отличается от прототипа тем, что: 1. плавление ведут непрерывно движущейся тепловой средой; 2. тепловой средой является водяной пар; 3. водяной пар имеет скорость 80,0-100,0 м/сек и температуру 300-500^oС; 4. разделение производят центробежным сепарированием; 5. тепловая среда имеет замкнутый контур.

Предлагаемое для реализации способа устройство отличается от прототипа тем, что: 1. камера плавления выполнена с отверстиями на обоих торцах - одно для подачи тепловой среды, другое - для вывода смеси расплава и тепловой среды, создавая таким образом проходную, проточную камеру; 2. выходное отверстие камеры плавления снабжено расходящимся насадком, позволяющим снижать скорость потока водяного пара до величины, необходимой для работы узла разделения; 3. узел разделения выполнен в виде центробежного сепаратора и снабжен наружным кожухом, образующим замкнутую полость вокруг сепаратора; 4. нижняя часть полости соединена с нагревателем тепловой среды, а верхняя - с нагнетателем;
5. нагреватель тепловой среды состоит из прогревочной камеры с размещенными замедлителем потока на входе в камеру и ускорителем потока на выходе из камеры, прогрев которой производят с помощью тэнов, расположенных внутри ее;
6. устройство дополнительно содержит регулятор плотности водяного пара, установленный между нагнетателем и нагревателем тепловой среды;
7. устройство дополнительно содержит регулятор температуры потока пара, установленный перед распределителем потоков.

Благодаря использованию в качестве тепловой среды водяного пара с заданными параметрами и созданию замкнутой паровой среды, циркулирующей через проточную камеру плавления и обогреваемый этим же паром узел разделения, полимер, получая постепенно тепловую энергию, расплавляется, не испытывая тепловых ударов. Поток водяного пара, обволакивающий подвергаемый расплаву полимер, частично конденсируясь, предохраняет его от длительного воздействия тепловой среды, предотвращая его деструкцию. Преимущественный разогрев только тех объемов, где присутствует полимер, и замкнутая циркуляция водяного пара сводят до минимума тепловые потери, обеспечивая тем самым снижение энергозатрат и увеличение КПД.

В основе единого изобретательского замысла решена проблема создания и реализации экономичного, неэнергоемкого способа получения расплава из термопластичных полимеров путем исключения тепловых потерь за счет прямого воздействия теплового носителя на подвергаемый расплаву материал, а также за счет использования замкнутого циркулирующего потока водяного пара на всем протяжении технологического процесса от расплавления массы до разделения расплава полимера и тепловой среды.

В последующем настоящее изобретение поясняется подробным описанием конкретного примера, его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 схематически изображает общий вид установки для осуществления способа плавления термопластичных полимеров;
фиг.2 - камера плавления;
фиг.3 - распределитель потоков.

Исходное сырье в виде кусков пленки подается через бункер в поточную камеру расплава, одновременно в камеру подают водяной пар со скоростью 80,0-100,0 м/сек и температурой 300-500^oС. Нагретый пар с высокой скоростью обдувает куски полимера, вынуждая его плавиться, и одновременно срывает с него капли расплава и увлекает их за собой. При этом возможен отрыв от материала нерасплавленных частиц. Поток пара вместе с каплями расплава и недорасплавленными частицами материала под действием аэродинамических сил поступает в расплавопровод. Проходя через расходящийся насадок камеры плавления, скорость потока паровой смеси падает до 4-5 м/сек. Далее эту массу пропускают через подогреваемый снаружи также паром центробежный сепаратор, где она разделяется на собственно расплав полимера и водяной пар. При этом, недорасплавленные частицы, находясь в паровом потоке и далее в подогреваемом также паром сепараторе, постепенно расплавляются. Расплав полимера под действием центробежных сил отбрасывается на теплые стенки сепаратора и по ним стекает вниз, а отработанный пар (отделенный от расплава) подают снова в нагнетатель пара. Пар, пройдя через нагнетатель и нагреватель, восстанавливает свои технологические параметры, снова подается в камеру расплава, замыкая тем самым циркуляцию продвижения тепловой среды. Таким образом, паровая среда (движение водяного пара) имеет замкнутый контур без выброса ее в окружающую среду. Конкретные примеры реализации способа с различными режимами выполнения способа представлены в таблице.

Предлагаемая установка, реализующая способ плавления термопластичных полимеров, содержит соединенные последовательно нагнетатель 1, нагреватель пара 2, распределитель потоков пара 3, камеру плавления проходного типа 4 с бункером подачи исходного сырья 5 и сетчатым накопителем 6, расплавопровод 7 и сепаратор циклонного типа 8, помещенный в кожух 9. Кожух 9 своей нижней частью соединен паропроводом 10 через распределитель 3 с нагревателем 2, а верхней частью с помощью второго паропровода 11 - со всасывающим коллектором 12 нагнетателя 1. Отверстие для выпуска легкой фракции 13 сепаратора 7 также соединено со всасывающим коллектором 12. Так образуется замкнутое пространство постоянного объема, в котором циркулирует водяной пар, отдавая тепловую и кинетическую энергию полимерам, превращая их в расплав. Для обеспечения необходимых параметров паровой среды, с целью стабилизации параметров технологического процесса и поддержания устойчивого режима работы установки устройство дополнительно содержит регуляторы 14 и 15. Регулятор 14 имеет проточную полость и форсунку для распыления воды (на чертеже не показано) и установлен в нагревателе 2. Он предназначен для создания необходимого давления пара и регулирования его перед нагреванием. Регулятор 15 предназначен для регулирования заданной температуры и давления во всем плавильном пространстве (камере плавления), и так же, как регулятор 14, представляет собой проточную полость с форсункой для впрыска воды.

Нагнетатель 1 предназначен для создания необходимой скорости парового потока и перекачки требуемого объема пара для получения расплава и поддержания температуры внутри кожуха 9.

Нагреватель водяного пара 2 состоит из прогревочной камеры 16 в виде цилиндра с тэнами 17, расположенными внутри, вход в нагреватель имеет расширяющийся насадок 18, который снижает скорость потока на входе, и сужающийся насадок 19 на выходе из камеры, ускоряющий поток на выходе из камеры. Тэны, установленные внутри, обеспечивают разогрев пара до температуры 500^oС.

Камера плавления 4 выполнена проходной и представляет патрубок, один открытый торец которого является входом для водяного пара, а второй снабжен расходящимся насадком 20 и служит для выхода паровой смеси. На боковой поверхности камеры закреплен бункер, через который осуществляется подача сырья в камеру плавления. Сетчатый накопитель 6 соединен с бункером 5 и установлен внутри камеры плавления, так, что паровой поток обтекает его со всех сторон.

Распределитель потоков 3 предназначен для разделения потока пара на основной, направленный в камеру плавления, и вспомогательный для прогрева циклона. Он содержит заслонки 21 и 22. Заслонка 21 регулирует баланс разделения потоков, заслонка 22 регулирует скорость основного потока.

Устройство для получения расплава работает следующим образом.

Сначала включают нагнетатель 1 и нагреватель 2, при их включении сжатый воздух из нагнетателя 1 поступает в нагреватель, нагревается и, движимый нагнетателем 1, циркулирует по замкнутому контуру. Когда температура потока воздушной среды достигнет 200^oС, через форсунку регулятора 14 в нагреватель впрыскивают порцию воды, которая, испаряясь, образует необходимую паровую среду (сухой насыщенный пар). Поток пара, проходя через нагреватель 1, разогревается до температуры 300-500^oС, при этом удельный объем его увеличивается, и пар получается перегретым. Повышение температуры приводит к увеличению кинетической энергии теплового движения пара. Термодинамический процесс системы является равновесным обратимым, изохорным. При таком процессе объем среды постоянный, а давление в системе прямо пропорционально температуре, и вся подведенная теплота расходуется на изменение внутренней энергии водяного пара: при возрастании температуры пара увеличивается и его внутренняя энергия. После достижения заданных режимов в накопитель 6 камеры плавления 4 через бункер 5 подают исходное полимерное сырье. Паровой поток обтекает находящийся в накопителе полимер и, расплавляя, увлекает за собой, причем поток, представляющий уже смесь расплава полимера и пара, проходя через расходящийся насадок 20 камеры плавления, снижает свою скорость до необходимой технологической скорости подачи потока на вход центробежного сепаратора. Паровая смесь через расплавопровод поступает в сепаратор, где происходит разделение смеси на паровой поток и расплав полимера, при этом, недорасплавленные частицы, находясь в паровом потоке и далее в подогреваемом также паром сепараторе, постепенно расплавляются. Подогрев сепаратора осуществляется потоком пара, поступающим из нагревателя 2 через распределитель 3 по паропроводу 10 в нижнюю часть полости, образованной стенками кожуха 9 и сепаратора 7. Расплав полимера под действием центробежных сил отбрасывается на стенки и по ним стекает вниз, а отработанный пар (отделенный от расплава) через отверстие для выпуска легкой фракции 13, которое соединено с всасывающим коллектором 12, поступает снова в нагнетатель 1. В нагнетателе скорость парового потока увеличивается, далее процесс повторяется. Для увеличения плотности пара через форсунку регулятора 14 производят впрыскивание воды в нагреватель 2, это приводит одновременно к повышению температуры водяного пара. При увеличении температуры выше заданной через форсунку регулятора 15 впрыскивают порцию воды в плавильную камеру, это приводит к уменьшению внутренней энергии пара и, следовательно, к снижению температуры.

Формула изобретения

1. Способ плавления термопластичных полимеров в тепловой среде путем образования смеси тепловой среды и расплава полимера с последующим их разделением, отличающийся тем, что плавление производят непрерывно движущейся со скоростью 80,0-100,0 м/с тепловой средой, которой является водяной пар температурой 300-500^oС, а при разделении расплава полимера и пара скорость снижают до 4-5 м/с, при этом разделение осуществляют путем центробежного сепарирования.

2. Способ по п.2, отличающийся тем, что сепарирование производят при одновременном наружном прогреве.

3. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что наружный прогрев также осуществляют водяным паром.

4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, паровая среда имеет замкнутый контур.

5. Устройство для получения расплава из термопластичного материала, содержащее нагнетатель тепловой среды и нагреватель, камеру плавления с загрузочным бункером, расплавопровод и узел разделения, отличающееся тем, что камера плавления выполнена проходной - с отверстиями на обоих торцах: одно для подачи тепловой среды, другое с расходящимся насадком - для вывода смеси расплава и тепловой среды, к которому прикреплен расплавопровод, соединяющий проходную камеру плавления и узел разделения, выполненный в виде центробежного сепаратора, который снабжен наружным кожухом, образующим полость вокруг сепаратора, и нижняя ее часть соединена с нагревателем тепловой среды, а верхняя - с нагнетателем.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что тепловой средой является водяной пар.

7. Устройство по одному из пп.5 и 6, отличающееся тем, что устройство снабжено регулятором температуры потока пара, который установлен перед распределителем потоков.

8. Устройство по одному из пп.5-7, отличающееся тем, что устройство снабжено регулятором плотности водяного пара, который установлен между нагнетателем и нагревателем.

9. Устройство по одному из пп.5-8, отличающееся тем, что нагреватель тепловой среды содержит прогревочную камеру с тэнами внутри него, замедлителем потока на входе и ускорителем потока на выходе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4