Тамбовский государственный технический университет
 Скачать 2.63 Mb.
|
|
1.5.1. Методы переработки отходов ПА Существующие способы переработки отходов ПА можно отнести к двум основным группам механические, несвязанные с химическими превращениями, и физико-химические. Механические способы включают измельчение и различные приёмы и методы, использующиеся в текстильной промышленности для получения изделий с волокнистой структурой. Механической переработке могут быть подвергнуты слитки, некондиционная лента, литьевые отходы, частично вытянутые и невытянутые волокна. Измельчение является не только операцией, сопровождающей большинство технологических процессов, но и самостоятельным методом переработки отходов. Измельчение позволяет получить порошкообразные материалы и крошку для литья под давлением из слитков, ленты, щетины. Характерно, что при измельчении физико- химические свойства исходного сырья практически не изменяются. Для получения порошкообразных продуктов применяют, в частности, процессы криогенного измельчения. Отходы волокон и щетины используют для производства рыболовной лесы, мочалок, сумочек, однако при этом требуются значительные затраты ручного труда. Из механических методов переработки отходов наиболее перспективными, получившими широкое распространение следует считать производство нетканых материалов, напольных покрытий и штапельных тканей. Особую ценность для этих целей представляют отходы полиамидных волокон, которые легко перерабатываются и окрашиваются. Физико-химические методы переработки отходов ПА могут быть классифицированы следующим образом деполимеризация отходов с целью получения мономеров, пригодных для производства волокна и олигомеров с последующим их использованием в производстве клеев, лаков и других продуктов повторное плавление отходов для получения гранулята, агломерата и изделий экструзией и литьём под давлением; − переосаждение из растворов с получением порошков для нанесения покрытий получение композиционных материалов химическая модификация для производства материалов с новыми свойствами (получение лаков, клеев и т.д.). Деполимеризация широко применяется в промышленности для получения высококачественных мономеров из незагрязнённых технологических отходов. Деполимеризацию проводят в присутствии катализаторов, которыми могут быть нейтральные, основные или кислые соединения [5]. Широкое распространение в нашей стране и за рубежом получил метод повторного плавления отходов ПА, которое проводят в основном в вертикальных аппаратах в течение 2–3 ч ив экструзионных установках. При длительном термическом воздействии удельная вязкость раствора ПА в серной кислоте снижается на 0,4 ... 0,7%, а содержание низкомолекулярных соединений возрастает с 1,5 до 5 ... 6%. Плавление в среде перегретого пара, увлажнение и плавление в вакууме улучшают свойства регенерированного полимера, однако не решают проблемы получения достаточно высокомолекулярных продуктов. В процессе переработки экструзией ПА окисляется значительно меньше, чем при длительном плавлении, что способствует сохранению высоких физико-механических показателей материала. Повышение влагосодержания исходного сырья (для снижения степени окисления) приводит к некоторой деструкции ПА. Получение порошков из отходов ПА путём переосаждения из растворов представляет собой способ очистки полимеров, получения их в виде, удобном для дальнейшей переработки. Порошки могут применяться, например, для чистки посуды, как компонент косметических средств и др. Широко распространённым методов регулирования механических свойств ПА является наполнение их волокнистыми материалами стекловолокном, асбестовым волокном и т.п.). Примером высокоэффективного использования отходов ПА является создание на их основе материала АТМ, обладающего высокими прочностью, износостойкостью, стабильностью размеров. Перспективным направлением улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств изделий из вторичного ПКА является физическое модифицирование формованных деталей путём их объёмно- поверхностной обработки. Объёмно-поверхностная обработка образцов из вторичного ПКА, наполненного каолином и пластифицированного сланцевым мягчителем в нагретом глицерине приводит к росту ударной вязкости на 18%, разрушающего напряжения при изгибе на 42,5%, что может быть объяснено формованием более совершенной структуры материала и снятием остаточных напряжений. 1.5.2. Технологические процессы повторной переработки отходов ПА Основными процессами, используемыми для регенерации вторичного полимерного сырья из отходов ПА, являются регенерация ПА путём экструзии изношенных капроновых сетематериалов и технологических отходов с получением гранулированных продуктов, пригодных для переработки в изделия методом литья под давлением регенерация ПА из изношенных изделий и технологических отходов капрона, содержащих волокнистые примеси (не полиамиды, путём растворения, фильтрации раствора и последующего осаждения ПА в виде порошкообразного продукта. Технологические процессы переработки изношенных изделий отличаются от переработки технологических отходов наличием стадии предварительной подготовки, включающей разборку сырья, его отмывку, промывку, отжим и сушку вторичного сырья. Предварительно подготовленные изношенные изделия и технологические отходы поступают на измельчение, после чего направляются в экструдер для грануляции. Вторичное волокнистое полиамидное сырь, содержащее неполиамидные материалы, обрабатывают в реакторе при комнатной температуре водным раствором соляной кислоты, фильтруют для удаления неполиамидных включений. Порошкообразный полиамид осаждают водным раствором метанола. Осаждённый продукт измельчают и полученный порошок рассеивают. В настоящее время в нашей стране технологические отходы, образующиеся в производстве капронового волокна, достаточно эффективно используются для производства нетканых материалов, напольных покрытий и гранулята для литья и экструзии. Основной причиной недостаточного использования вышедших из строя изделий из ПА из компактных источников является отсутствие высокоэффективного оборудования для их первичной обработки и переработки. Разработка и промышленное внедрение процессов переработки изношенных изделий из капронового волокна (чулочно-носочных, сетеснастных материалов и др) во вторичные материалы позволят достичь экономии значительного количества исходного сырья и направить его в наиболее эффективные области применения. 1.6. ВТОРИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА Переработка лавсановых волокон и изношенных изделий из ПЭТ аналогична вторичной переработке полиамидных отходов, поэтому в данном разделе рассмотрим вторичную переработку ПЭТ-бутылок. За более чем 10 лет массового потребления в России напитков в упаковке из ПЭТ на полигонах твёрдых бытовых отходов накопилось по некоторым оценкам более 2 млн. т использованной пластиковой тары, являющейся ценным химическим сырьём. Взрывной рост производства бутылочных преформ, повышение мировых ценна нефть и, соответственно, на первичный ПЭТ повлияли на активное формирование в России в 2000 г. рынка по переработке использованных ПЭТ-бутылок. Существует несколько методов переработки использованных бутылок. Одной из интересных методик является глубокая химическая переработка вторичного ПЭТ с получением диметилтерефталата в процессе метанолиза или терефталевой кислоты и этиленгликоля в ряде гидролитических процессов. Однако такие способы переработки имеют существенный недостаток – дороговизна процесса деполимеризации. Поэтому в настоящее время чаще применяются довольно известные и распространённые механохимические способы переработки, в процессе которых конечные изделия формируются из расплава полимера. Разработан значительный ассортиментный ряд изделий, получаемых из вторичного бутылочного полиэтилентерефталата. Основным крупнотоннажным производством является получение лавсановых волокон (в основном штапельных, производство синтепонов и нетканых материалов. Большой сегмент рынка занимает экструзия листов для термоформования на экструдерах с листовальными головками, и, наконец, наиболее перспективным способом переработки повсеместно признано получение гранулята, пригодного для контакта с пищевыми продуктами, те. получение материала для повторной отливки преформ. Бутылочный полупродукт может быть использован в технических целях в процессе переработки в изделия вторичный ПЭТ можно добавлять в первичный материал компаундирование – вторичный ПЭТ можно сплавлять с другими пластиками (например, с поликарбонатом, с ВПЭ [88]) и наполнять волокнами для производства деталей технического назначения получение красителей (суперконцентратов) для производства окрашенных пластиковых изделий. Также очищенные ПЭТ-хлопья можно непосредственно использовать для изготовления широкого ассортимента товаров текстильного волокна набивочных и штапельных волокон – синтепона утеплитель для зимних курток, спальных мешков и др кровельных материалов плёнок и листов (окрашенных, металлизированных упаковки (коробки для яиц и фруктов, упаковка для игрушек, спортивных товаров и т.д.); литьевых изделий конструкционного назначения для автомобильной промышленности деталей осветительных и бытовых приборов и др. В любом случае исходным сырьём для деполимеризации или переработки в изделия являются не бутылочные отходы, пролежавшие какое-то время на свалке и представляющие собой бесформенные сильно загрязнённые объекты, а чистые хлопья ПЭТ. Рассмотрим процесс переработки бутылок в чистые хлопья пластика. По возможности бутылки должны уже собираться в отсортированном виде, не смешиваясь с другими пластиками и загрязняющими объектами. Оптимальным объектом для переработки является спрессованная кипа из бесцветных ПЭТ-бутылок окрашенные бутылки должны быть отсортированы и переработаны отдельно. Бутылки необходимо хранить в сухом месте. Пластиковые мешки с ПЭТ-бутылками навалом опорожняют в загрузочный бункер. Далее бутылки поступают в бункер-питатель. Питатель кип используется одновременно и как бункер хранения с системой равномерной подачи, и как разбиватель кип. Транспортёр, расположенный на полу бункера, продвигает кипу к трём вращающимся шнекам, разбивающим агломераты на отдельные бутылки и подающим их на разгрузочный конвейер. Здесь необходимо разделять бутылки из окрашенного и неокрашенного ПЭТ, а также удалять посторонние объекты, такие как резина, стекло, бумага, металл, другие типы пластиков. В однороторной дробилке, оборудованной гидравлическим толкателем, ПЭТ-бутылки измельчаются, образуя крупные фракции размером до 40 мм. Измельчённый материал проходит через воздушный вертикальный классификатор. Тяжёлые частицы (ПЭТ) падают против воздушного потока на экран вибросепаратора. Лёгкие частицы этикетки, плёнка, пыль и т.д.) уносятся вверх потоком воздуха и собираются в специальном пылесборнике под циклоном. На виброэкране сепаратора частицы разделяются на две фракции крупные частицы ПЭТ "перетекают" через экрана мелкие частицы (в основном тяжёлые фракции загрязнений) проходят вовнутрь экрана и собираются в ёмкости под сепаратором. Флотационный танк используется для сепарации материалов с разными относительными плотностями. Частицы ПЭТ опускаются на наклонное дно, и шнек непрерывно выгружает ПЭТ на водоотделительный экран. Экран служит одновременно как для отделения воды, нагнетаемой вместе с ПЭТ из флотатора, таки для отделения тонких фракций загрязнений. Предварительно раздроблённый материал эффективно отмывается в наклонном двухступенчатом вращающемся барабане с перфорированными стенками. Сушка хлопьев происходит во вращающемся барабане, изготовленном из перфорированного листа. Материал перевёртывается в потоках горячего воздуха. Воздух нагревается электрическими нагревателями. Далее хлопья попадают во вторую дробилку. На этой стадии крупные частицы ПЭТ измельчаются в хлопья, размер которых составляет приблизительно 10 мм. Необходимо отметить, что идея переработки состоит в том, что материал не измельчается в хлопья товарного продукта на первой стадии измельчения. Такое ведение процесса позволяет избежать потерь материала в системе, достичь оптимального отделения этикеток, улучшить моющий эффект и уменьшить износ ножей во второй дробилке, так как стекло, песок и прочие абразивные материалы удаляются до стадии вторичного измельчения. Конечный процесс аналогичен процессу первичной воздушной классификации. Остатки этикеток и пыль ПЭТ удаляются с воздушным потоком. Конечный продукт – чистые ПЭТ-хлопья засыпаются в бочки. Таким образом можно решить серьёзный вопрос утилизации вторичной пластиковой тары с получением продукта. Перспективным способом вторичной переработки ПЭТ является производство бутылок из бутылок. Главными стадиями классического процесса рецайклинга для реализации схемы "бутылка к бутылке" являются сбор и сортировка вторичного сырья пакетирование вторичного сырья измельчение и промывка выделение дроблёнки; экструзия с получением гранул обработка гранул в шнековом аппарате с целью увеличения вязкости продукта и обеспечения стерилизации продукта для возможности прямого контакта с пищевыми продуктами. Но для реализации этого процесса необходимы серьёзные капитальные вложения, так как невозможно проведение данного процесса на стандартном оборудовании. 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ВТОРИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ 2.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО НЕПРЕРЫВНОЙ СХЕМЕ НА ВАЛЬЦАХ 2.1.1. Описание технологии и оборудования переработки отходов полимерных материалов по непрерывной схеме на вальцах Разработанный технологический процесс (рис. 2.1) вторичной переработки отходов полимерных материалов по непрерывной технологии осуществляется следующим образом отходы с содержанием посторонних примесей не более 5% поступают на узел сортировки отходов 1, в процессе которой из них удаляют случайные инородные включения и выбраковывают сильно загрязнённые куски. Отходы полимеров 3 непрерывно загружаются через загрузочный бункер, с левой стороны вальцов, на поверхности валков 2. На вальцах происходит плавление отходов, удаление летучих компонентов, пластикация, возможно модифицирование различными добавками и окрашивание расплава. Для гранулирования вальцуемого материала расплав полимера продавливается через отборочно-гранулирующее устройство 4 с образованием прутков (стренгов) заданного поперечного сечения. Полученные Рис. 2.1. Схема технологического процесса вторичной переработки отходов полимерных материалов 1 – узел сортировки отходов 2 – вальцы 3 – отходы полимеров 4 – отборочно-гранулирующее устройство 5 – тянущее устройство 6 – нож 7 – ёмкость для гранул Рис. 2.2. Нижнее отборочно-гранулирующее устройство 1 – передний валок 2 – задний валок 3 – фильера 4 – башмак 3 4 2 1 А–А А А Рис. 2.3. Боковое отборочно-гранулирующее устройство 1 – крышка 2 – фильера сменная 3 – приставка 4 – стакан 5, 6 – уголок 7 – башмак 8 – шток 9 – винт 10 – пружина 11 – передний валок стренги сохраняют свой размер за счёт установки тянущего устройства 5, далее они режутся ножом 6, после чего полученные гранулы собираются в ёмкости 7. Поданной технологии могут перерабатываться не только технологические отходы производства термопластов, но и плёночные отходы производственного и общественного потребления. Для обеспечения непрерывной переработки отходов вальцы снабжены загрузочным бункером и отборочно-гранулирующим устройством 4. Отборочно-гранулирующее устройство выполнено двух различных видов. Нижнее отборочно-гранулирующее устройство показано на рис. 2.2. Расплав полимера из зазора между валками поступает в канал плоскощелевого типа между передним валком и башмаком отборочно- гранулирующего устройства, далее расплав продавливается через канал башмака круглого типа, и окончательное оформление заданного поперечного сечения стренга осуществляется в сменной фильере. Фильеры выполнены следующих диаметров 4 мм, 5 мм, 6 мм. Боковое отборочно-гранулирующее устройство показано на рис. 2.3. Крышка, штоки демпфирующая пружина обеспечивают необходимое давление прижима башмака к поверхности валка. Расчёт перепада давления в отборочно-гранулирующем устройстве Для того чтобы обеспечить заданную производительность, необходимо определить, при каких геометрических параметрах каналов отборочно-гранулирующего устройства выполняется следующее выражение ф ф вх. к к вх. щ P P P P P ∆ + ∆ + ∆ + ∆ ≥ ∆ , (2.1) где щ – перепад давления в канале плоскощелевого типа ∆P вх. к – перепад давления на входе в канал круглой формы к – перепад давления в канале круглой формы ∆P вх. ф – перепад давления на входе в канал фильеры ф – перепад давления в канале фильеры. 2.1.3. Определение перепада давления в канале плоскощелевого типа Расчёт ведём как для шнека экструдера. Считаем, что плоскощелевой канал отборочно-гранулирующего устройства есть нечто иное, как развёртка поверхности впадин нарезки червяка. Объём жидкости, протекающей в единицу времени через участок шириной b сечения потока, определяется интегрированием произведения скорости на площадь экспериментального участка F высотой dy. Рис. 2.4. К расчёту перепада давления в канале плоскощелевого типа b A A А 2R l Fdy n h bm Q n ∫ − + τ = 1 пр, (2.2) где n и m – реологические константы пр – предельное напряжение сдвига h – высота канала. ( ) ( ) dy X X F n n ∫ − + + − − + = 1 1 1 1 1 1 . (2.3) После интегрирования ( ) ( ) ( ) 1 2 2 1 2 2 1 1 + + + − − + − − + = n n n X n X X F . (2.4) Скорость стенки канала (переднего валка) определяется по формуле пр, (2.5) где ( ) ( ) 1 1 1 1 + + − − + = Φ n n X X . (2.6) Введём обозначения ( ) ( ) 1 1 1 1 1 пр (2.7) ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) 2 1 1 2 2 1 1 1 2 пр (2.8) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1 1 2 2 1 1 1 2 1 2 2 1 1 + + + + + − − + + − + − − − + = = = n n n n n X X n X n X X bhu Q q u u . (2.9) Перепад давления в канале плоскощелевого типа определяется по формуле пр щ, (2.10) где l – длина канала. Для определения пр необходимо знать X. Задаваясь значением X и подставляя его в формулу (2.9), получим u . С другой стороны, при заданной производительности Q значение u является постоянной величиной и определяется по формуле bhu Q u = , (2.11) где u – скорость вращения переднего валка. Построив графическую зависимость ( ) X f u = , найдём X, при котором значение u как функции отбудет равняться значению , u найденному по формуле (2.11). Найденное значение X подставляем в выражение (2.6) и находим Из уравнения (2.6) получим формулу для определения пр пр. (2.12) Подставляя значение пр в выражение (2.10), находим перепад давления в канале плоскощелевого типа. Определение перепада давления на входе в канал круглой формы Перепад давления на входе в канал круглой формы определяется по формуле 3 ) 3 ( / 1 к вх. + π + = ∆ n K m R n Q P n , (2.13) где Q – заданная производительность n и m – реологические константы R – радиус канала круглой формы K – постоянная величина. Определение перепада давления в канале круглой формы Перепад давления в канале круглой формы определяется по формуле к, (2.14) где l 1 – длина канала круглой формы. Определение перепада давления на входе в канал фильеры Поскольку канал фильеры имеет круглую форму, то перепад давления на входе в канал фильеры определяется по формуле 3 ) 3 ( / 1 ф вх. + π + = ∆ n K m R n Q P n , (2.15) где Q – заданная производительность n и m – реологические константы R 1 – радиус канала фильеры K – постоянная величина. Определение перепада давления в канале фильеры Перепад давления в канале фильеры определяется по формуле ( ) 2 / 1 ф, (2.16) где l 2 – длина канала фильеры. |