Пенопласт

                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………...3

1. Аналитический обзор ……………………………………………………….....6

2. Технологическая часть………………………………………………..............10

2.1 Характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов, готовой продукции………………………………………………..………10

2.2 Разработка и описание технологической схемы. .....................18

2.3 Материальный баланс………………………………………………...27

2.4 Выбор и расчет количества основного и вспомогательного оборудования……………………………………………………………...30

2.5 Тепловой и механический расчет основного оборудования...............................................................................................37

3. Применение ЭВМ…………………………………………………………......38

4. Система управления проектируемого производства………………..……...40

4.1 Выявление параметров, требующих автоматической стабилизации………………………………………………………………41

4.2 Выбор параметров контроля, сигнализации и защиты……………..42

4.3 Некоторые рекомендации по выбору технических средств систем управления…………………………………………………………..…….43

4.4 Оформление функциональной схемы автоматизации……………...44

5. Безопасность и экологичность производства…………………………….....55

5.1 Выбор и краткое описание объекта анализа………………………...55

5.2 Анализ потенциальной опасности объекта анализа для персонала и окружающей среды.....................................................................................55

5.3 Классификация производства..............................................................57

5.4 Мероприятия по производственной санитарии.................................60

5.5 Мероприятия и средства по обеспечению безопасности труда.............................................................................................................62

5.6 Мероприятия и средства по обеспечению безопасности в чрезвычайных ситуациях…………………………………………………62

5.7 Мероприятия и средства по защите окружающей среды…………..64

6. Экономическое обоснование производства…………………………………66

6.1 Расчет прироста производственной мощности объекта …………..66

6.2 Расчет прироста объема производства и продаж продукции............67

6.3 Расчет прироста производительности труда......................................68

6.4 Расчет снижения себестоимости продукта в результате реконструкции (модернизации) объекта………………………………...68

6.5 Расчет прироста прибыли от производства продукции в результате

реконструкции (модернизации) объекта……………………………………….70

6.6 Расчет    рентабельности     продаж     продукции     действующего     и проектируемого производств…………………………………………..72

6.7 Расчет   капитальных   вложений   (инвестиций)   для   реконструкции (модернизации) объекта………………………………...73

6.8 Расчет срока окупаемости капитальных затрат на реконструкцию (модернизацию) объекта.......................................................................................76

Выводы…………………………………………………………………………...78

Литература……………………………………………………………………….82

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Пластические массы – это материалы, содержащие в своем составе полимер, который в период формования изделий находится в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном или кристаллическом состоянии. [1]

В зависимости от характера  процессов, сопутствующих формованию изделий, полимерные материалы делят на реактопласты и термопласты. К числу реактопластов относят материалы, переработка в изделия которых сопровождается химической реакцией образования сетчатого полимера – отверждением; при этом пластик необратимо утрачивает способность переходить в вязкотекучее состояние (раствор или расплав). При формовании изделий из термопластов не происходит отверждения, и материал в изделии и сохраняет способность вновь переходить в вязкотекучее состояние. Среди термопластов наиболее разнообразно применение полиэтилена, поливинилхлорида и полистирола, преимущественно в виде гомогенных или пластифицированных материалов, реже газонаполненных и наполненных минеральными порошками или синтетическими органическими волокнами. [1,2]

Полимерные материалы  обычно состоят из нескольких взаимно  совмещающихся и не совмещающихся  компонентов. При этом, помимо полимера, в состав полимера могут входить наполнители полимерных материалов; пластификаторы, понижающие температуру текучести и вязкость полимера; стабилизаторы полимерных материалов, замедляющие его старение, красители и др. Полимерные материалы могут быть однофазными (гомогенными) или многофазными (гетерогенными, композиционными) материалами. В гомогенных полимерных материалах полимер является основным компонентом, определяющим свойства материала. Остальные компоненты растворены в полимере и способны улучшать те или иные его свойства. В гетерогенных полимерных материалах полимер выполняет функцию дисперсионной среды (связующего) по отношению к диспергированным в нем компонентам, составляющим самостоятельные фазы. Для распределения внешнего воздействия на компоненты гетерогенного пластика необходимо обеспечить прочное сцепление на границе контакта связующего с частицами наполнителя, достигаемое адсорбцией или химической реакцией связующего с поверхностью наполнителя.

Изготовление изделий из пластмасс – сравнительно сложный процесс, базирующийся на использовании физико-химических, реологических, термодинамических, теплофизических и других закономерностей. В зависимости от условий формования изменяются и физико-механические свойства полимеров, поэтому выбор и обоснование параметров имеют принципиальное значение.

Технология переработки полимеров – это область науки и техники, изучающая процессы, предназначенные для получения изделий из пластических масс или улучшения свойств полимеров.

Технология переработки  начала развиваться, как самостоятельная область науки после завершения целого ряда фундаментальных исследований по физике и механике полимеров. Особое значение и развитие теоретических основ переработки полимеров приобретает в настоящее время в связи с появлением быстродействующей компьютерной техники. Переработка пластмасс в изделие трудоемкий процесс и что бы в ближайшие годы обеспечить резкое повышение выпуска изделий из пластмасс без увеличения численности запятых в этой отрасли рабочих, необходимо разрабатывать принципиально новые технологические процессы, автоматические линии и переводить их на управление с использованием ЭВМ. Перевод технологии на автоматизированное управление (АСУТП) потребует создания математических моделей, учитывающих весь комплекс протекающих физико-химических процессов.

Пенопласты можно получить почти из всех известных пластмасс. Сохраняя многие свойства монолитных пластмасс, пенопласты отличаются от них легкостью, отличными электрическими характеристиками, хорошими теплоизоляционными и акустическими свойствами. Вспененные пластмассы имеют структуру твердой пены с ячейками, изолированными друг от друга или сообщающимися между собой и атмосферой. Замкнутоячеистые вспененные пластмассы часто называют пенопластами, а открытоячеистые –поропластами. [5]

Целью проектирования является реконструкция цеха по производству блочного пенополистирола на ДСК-3, принципиальное усовершенствование и увеличение производительности действующих производств на базе новой техники и технологии с применением современной системы управления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Аналитический обзор.

Производство  пенополистирола

В настоящее время изделия из пластических масс производятся весьма разнообразными методами. При этом выбор метода изготовления изделий обусловлен видом полимера, его исходным состоянием, а также конфигурацией и габаритами изделия.

Изделия из расплавов или растворов термопластичных полимеров изготавливают экструзией (непрерывное выдавливание расплава), литьем под давлением (заполнение расплавом полости формы), каландрованием (течение между валками), выдуванием (для пустотелых изделий), спеканием, напылением. и т.д. в некоторых случаях, например, при получении врпеиенных изделий в полимер вводят порообразователи. [3]|

Изделия из термореактивных материалов могут быть получены прессованием, литьем под давлением, контактным формованием, намоткой и другими методами с использованием отдельных компонентов (связующих, наполнителей, отвердителей, красителей) или готовых композиций (пресс-материалов). [4]

В количественном отношении наиболее важными полимерами для технологии вспенивания являются полиуретан (ПУ) и полистирол (ПС).

Основной областью применения обоих видов пенопластов стало изготовление изоляционных материалов и упаковок. [8]

Формование пенополистирола получило весьма широкое распространение во всем мире и занимает доминирующее положение в промышленном производстве пенополистирольного пенопласта строительного назначения, что связано с простотой изготовления и обслуживания применяемого оборудования, сравнительно низкими капитальными затратами и высокой технологической гибкостью рабочего процесса. [9]

Пенополистирол представляет собой теплоизоляционный поропласт, получаемый вспучиванием полистирола при нагревании под действием газообразователя. Формирование такого материала происходит под действием повышенной температуры за счёт спекания гранул друг с другом.

Для производства пенополистирольных блоков используется пснополистирол. Пенополистирол может быть получен разными методами.

Прессовый метод, состоит  из трех основных операций: смешение полистирола с газообразователями, прессование композиции и вспенивание заготовки. Вспученный полистирол имеет вид гранул размером 5-15мм. Иногда гранулы полистирола используют в теплоизоляционных засыпках и в качестве легкого заполнителя в производстве теплоизоляционных штучных материалов с применением различных связующих. Большей же частью зернистый пенополистирол перерабатывается в изделия без применения каких-либо вяжущих.

Пенополистирол является особым видом материала, отличающийся явно выраженной физической неоднородностью, своеобразием микроструктуры, напоминающей структуру застывшей пены. Он состоит из более или менее правильно чередующихся слоев полимерной основы, образующих стенки ячеек, заполненных газом.

Пенополистирол ПСБ, который получается при тепловой .обработке гранул, состоит из мелкоячеистых сферических частиц (гранул) диаметром 3-10мм, спекшихся между собой. Структура ПСБ и ПСБ-С несколько различаются: для ПСБ-С характерно наличие несколько уплотненной оболочки, в то время как ПСБ имеет по объему более равномерную структуру.

Ячейки в пенополистироле могут быть как изолированными друг от друга, так и сообщаться между собой и атмосферой. Содержание закрытых ячеек в пенополистироле, изготовленном по прессовой технологии, составляет 88-96%. Значительную часть объема открытых ячеек беспрессового пенополистирола ПСБ и ПСБ-С составляют пустоты и полости между гранулами. [10]

Пенополистирольные плиты (по существу являясь пластиком) устойчивы к старению и при правильном применении сохраняют стабильные свойства форму и размеры длительное время, – т.е. является долговечным материалом. технология производства пенополистирола фирм BASF разработана в 1950 году.

Применение пенополистирола (пенопласта) в строительстве позволяет:

• сократить расходы на материалы – ни один из подобных изоляционных материалов не имеет такой приемлемой стоимости. Например, при сравнительно равных ценах за куб.м., минеральной ваты потребуется в 1,5 раза больше, чем пенополистирола;
• сократить расходы на монтаж – работа с пенополистиролом не представляет трудностей, плиты легки, приятны на ощупь и не загрязняют окружающую среду;
• сократить расходы на отопление – деньги, потраченные на теплоизоляцию (в среднем от 1 до 5% от стоимости нового здания) окупаются за очень короткий срок.

Из многих способов получения газонаполненных материалов наиболее широко распространен процесс вспенивания. Основные этапы этого процесса:

1) зарождение газовых пузырьков в жидкой полимерной системе, суспензии, жидкой смеси или расплаве;

2) рост и стабилизация  этих пузырьков; 

3) отверждение полимерной фазы посредством полимеризации или охлаждения с образованием устойчивой ячеистой структуры.

Особенности протекания процесса вспенивания определяются природой исходного материала.

Обычная переработка Стиропора проводится в 3 этапа:

1. Предварительное вспенивание.

2. Промежуточное хранение.

3. Окончательное вспенивание.

Стиропор состоит из полистирола, термопластичного и синтетического материала и углеводородного соединения с низкой точкой кипения вспенивателя. При нагревании полистирол размягчается, одновременно возрастает паровое давление вспенивателя. При этом гранулы увеличиваются в 50 раз по сравнению с их первоначальным объемом.

Мерой для вспенивания  служит объемная плотность расширяющихся частиц. Она примерно соответствует кажущейся плотности изготавливаемого пенопласта. В аппараты-вспениватели, работающие прерывно, сырье поступает отдельными партиями и обрабатывается паром при постоянном перемешивании. Процесс вспенивания завершается, по достижении пены определенной высоты после сигнала индикаторной лампочки или спустя установленное заранее время.

По прошествии небольшого времени предварительно вспененные частицы извлекаются из контейнера. Современное устройство для предварительного вспенивания складывается из следующего:

• компьютерное управление с видеотерминалом и функциональным дисплеем;
• станция загрузки с устройством транспортировки сырья;
• аппарат для предварительного вспенивания;
• сушка-конвейер сортирующего типа и измельчитель;
• приборы по автоматическому контролю;
• станция загрузки для транспортировки предварительно вспененного стиропора с помощью пневматики;
• учет данных с выходом на общую систему учета данных на предприятии.

На поверхности извлеченного материала сохраняется некоторое количество воды, которая должна быть удалена перед отправлением материала в бункер промежуточного хранения.

При прерывающемся процессе предварительного вспенивания использование  конвейеров перед транспортировкой служит своего рода буфером и выравнивает  поток.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Технологическая часть

2.1 Характеристики  исходного сырья и готовой  продукции

 

[−CH−CH − ] n   –  пенополистирол

            |

          C H

Пенополистирол представляет собой теплоизоляционный поропаст, получаемый вспучиванием полистирола при нагревании под действием газообразователя. Формирование такого материала присходит под действием повышенной температуры за счёт спекания гранул друг с другом.

Для производства пенополистирольных блоков используется пепополистирол. Пенополистирол может быть получен разными методами. Прессовый метод, состоит из трех основных операций: смешение полистирола с газообразователями, прессование композиции и вспенивание заготовки. Вспученный полистирол имеет вид гранул размером 5-15мм. Иногда гранулы полистирола используют в теплоизоляционных засыпках и в качестве легкого заполнителя в производстве теплоизоляционных штучных материалов с применением различных связующих. Большей же частью зернистый пенополистирол перерабатывается в изделия без применения каких-либо вяжущих.

Полистирол получают суспензионной полимеризацией стирола  в присутствии газообразователя – легколетучего углеводорода (изонентана).

Выпускают в виде бисера с последующим рассеиванием по фракциям.

Для получения пенополистирола  используют суспензионный бисерный полистирол. Он применяется для получения изделий по беспрессовой технологии и должен содержать газообразоватсль. Для этого его полимеризуют в присутствии порообразующего компонента или полимер насыщают им после окончания полимеризации.

 

Для изготовления пенополистирола  вначале получают так называемый бисерный полистирол, представляющий собой полуфабрикат, необходимый  для изготовления этого материала. Для его получения в автоклав, снабжённый мешалкой, заливают дистиллированную воду и раствор стабилизатора (сольвар). Мешалку включают на 10-15 минут. Затем вливают нагретый жидкий стирол. После перемешивания смесь охлаждают и вводят газообразователь - изопентан. При перемешивании образуется эмульсия стирола в воде. Её обрабатывают паром под давлением 0,5 Мпа в течение 16-18 часов. В результате полимеризации из капель стирола образуются гранулы полистирола размером 0,5-1 мм с растворённым в них газообразователем, то есть бисерный полистирол. Его обезвоживают на центрифуге и сушат при 20°С до влажности не более 2 %. [12]

Гранулы вспученного  пенополистирола имеют насыпную плотность в пределах 10-30 кг/куб.м, средняя плотность изделий составляет 25-40 кг/куб.м, R(изг)= 0,1 - 1,5 МПа, теплопроводность – 0,03-0,05 Вт/мК

Пенополистирол обладает весьма низкой теплопроводностью, что  частично обусловлено воздухом, захваченным  в многочисленных плотных порах. По мере возрастания плотности пенополистирола, излучение в процессе теплопередачи уменьшается, тогда, как вклад проводимости через полимерную матрицу увеличивается.

Нижняя температурная  граница применения пенопластов из пенополистирола в строительстве практически отсутствует. При работе в условиях более высоких температур значение максимально допустимой температуры зависит от длительности температурного воздействия и механической нагрузки на пенопласт.

В случае кратковременного воздействия (склеивание с помощью  горячего битума) пенопласт способен выдерживать и более высокие  температуры. [13]

 

 

Основные характеристики

Пенополистирол отличается малой гигроскопичностью (0,05‑0,2 %), водопоглощение его не более 2-3 % по объёму. Он может применяться в конструкциях, работающих при отрицательных температурах – до 65 °С. Повышенные температуры выдерживает плохо. Максимальная температура его применения +60 °С. Для повышения теплостойкости поверхность пенополистирольных изделий обрабатывают антипиренами. Такой пенополистирол называют самозатухающим. Он является негорючим материалом, т.к. при удалении источника пламени его горение прекращается.

Материал на 98% состоит из воздуха – лучшего природного теплоизолятора. Проводимые испытания на теплопроводность в соответствии с требованием ГОСТ 15588-86 подтверждают, что в не зависимости от марки используемого сырья и предприятия-изготовителя полистирольиый пенопласт обладает теплопроводностью в пределах 0,037-0,043 Вт/(м*К).

В течение непродолжительных  промежутков времени ПСБ-С выдерживает  температуру 110°С, позволяя, например, кратковременный контакт с горячим битумом. В случаях постоянного воздействия повышенных температур рекомендуется не превышать 90°С во избежание деформаций и усадки. Нижний предел температуры для пенополистирола составляет: ~180°С.

Отдельные ячейки пенопласта имеют форму полиэдров (многогранников). Эти ячейки полностью замкнуты. Пенопласт, таким образом, состоит приблизительно на 98% из воздyxa и 2% из полистирола. Решающим фактором, определяющим теплоизоляционные свойства, является замкнутый     в     ячейках     воздух,     который     обладает     высокими теплоизолирующими показателями. По сравнению с другими пенопластами, содержащими иные газы, воздух не покидает ячеек этих пенопластов и их теплоизолирующие свойства сохраняются на постоянном уровне.

Теплоизоляционная способность материала определяется своей теплопроводностью. Теплопроводность – это количество тепла, которое при постоянном перепаде температуру в 1К за одну секунду проходит через слой материала толщиной в 1м от более теплой стороны к более холодной. Измерение теплопроводности при прочих постоянных условиях зависит от объемной плотности (кг/м ) пенопласта. [14]

У пенопластов с низкой объемной плотностью теплопроводность выше. Она понижается с ростом объемной плотности, проходит свой минимум в диапазоне от 30 кг/м до 50 кг/м , а затем начинает постепенно возрастать. Замеренные по ПШ 52612 значения теплопроводности для пенопласта с объемной плотностью 20 кг/м составляют от 0,033 до 0,036 Вт(м*К).

В отличие от многих других материалов пенопласты из Стиропора не гигроскопичны. Даже находясь под водой, они поглощают очень незначительное количество влаги. Поскольку стенки ячеек непроницаемы для воды, она может просачиваться только по каналам между отдельными, связанными друг с другом ячейками. Это означает, что поглощаемое количество воды зависит как от свойств пенопласта при переработке, так и от условий переработки, в частности, от процесса вспенивания.

Поглощение воды практически  не зависит от объемной плотности. Оно достигает через 28 дней приблизительно до 3% (в пересчете на объем).

Водопоглощсние при выдерживании под водой играет лишь незначительную роль для большинства случаев применения материала и представляет интерес только в особых ситуациях. К таким ситуациям относится использование материала в подземных и фундаментных сооружениях и т.п.

В отличие от воды, водяной пар, содержащийся в воздухе, может при определенном перепаде температур постепенно проникать (диффундировать) в пенопласт и выпадать (конденсироваться) в виде воды при охлаждении. По отношению к такой диффузии водяного пара различные материалы проявляют большую или меньшую устойчивость. Жесткие пенопласты могут иметь, в зависимости от объемной плотности, различные значения коэффициента сопротивления диффузии водяного пара, лежащие в интервале от µ= 20 до 100.

Все материалы подвержены определенным изменениям 'размеров, независимо от того, идет ли речь о сырьевых материалах, полуфабрикатах или отформованных изделиях. В случае пенопластов различают варианты изменения размеров как в связи с воздействием тепла, так и из-за дополнительной усадки.

Коэффициент термического расширения пенопластов лежит в интервале от 5*10 до 7*10, что соответствует интервалу изменения от 0,05мм до 0,07мм на 1мм и 1°С. Это означает, что при изменении температуры на 1-7°С имеет место необратимое изменение длины, равное 0,1%, т.е., 1 мм/м.

Необходимо также учитывать и уменьшение размеров (сжатие) пенопластов из Стиропора при низких температурах. Если принять за опорную температуру 20°С и если в режиме использования материал охлаждается до –20°С, то в таком случае элемент длиной в 40см укорачивается приблизительно на 1мм.

Дополнительной усадкой  называют уменьшение размеров пенопласта после того, как завершилось усадка, имеющая место более 24 часов назад, наступающая после изготовления, которая частично связана с охлаждением материала.

Уменьшение размеров  протекает  сначала относительно  быстро,  затем замедляется и приближается к граничному значению, при котором дополнительная усадка уже не вызывает необходимости в каких-либо специальных конструктивных мерах.

В зависимости от условий  переработки и объемной плотности  пенопласта дополнительная усадка плит лежит в интервале от 0,3% до 0,5%.

 

Конечное значение достигается приблизительно через 150 дней и лежит в пределах 1,5мм до 2мм (от 15% до 0,2%). Такое изменение допустимо во всех случаях строительного применения. [10]

 

Технологические параметры производства [13]

Таблица 1

№ п/п	Наименование параметров	Единица измерения	Норма
1.	Режим предварительного вспенивания: - температура в зоне  вспенивания; - температура поверхности  днища; - давление пара на  магистрали.	°С   °С   кгс/см	90-100   73-90   0,8-1.0
2.	Плотность предвспененных гранул	кг/см	15.1-23.0
3.	Продолжительность вылеживания	ч	14-48
4.	Давление пара в аккумуляторе	кгс/см	2.0
5.	Режимы спекания и  охлаждения: - продолжительность загрузки  и прогрев боковых рубашек  формы; - давление пара в боковых рубашках формы во время спекания материала; - продолжительность охлаждения  блок-формы; - выгрузка блока.	сек     кгс/см     мин (с) мин (с)	1-3     0.4-0.6     0.5 (30) 1 (60)
6.	Вылежка блоков при температуре воздуха в цехе	ч	12-24
7.	Объем блока	м	5.05
8.	Плотность	кг/м	15.1-25
9.	Загрузка блок-формы  предварительно вспененными гранулами	кг	76.5-125
10.	Температура вылеживания	°С	16-25

 

Характеристика готовой продукции

Таблица 2

Показатели	Норма плит марки 25
Плотность, кг/м3	от 15,1 до 25,0
Прочность на сжатие при 10 % линейной деформации, МПа, не менее	0,1
Предел прочности при  изгибе, МПа, не менее	0,18
Теплопроводность в  сухом состоянии при (25±5)ºС, Вт/(м·К), не более	0,039
Время самостоятельного горения плит типа ПСБ-С, с, не более	4
Влажность плит, отгружаемых  потребителю, %, не более	12
Водопоглощение за 24 ч, % по объему, не более	3.0

Размеры плит из пенополистирола регламентируются ГОСТ 15588-86 с учетом требований раскроя плит.

Для производства теплоизоляционных плит из полистирольного пенопласта в качестве основного сырья используют суспензионный вспенивающийся (бисерный) полистирол марок ПСВ-А, ПСВ-С и ПСВ, выпускаемый отечественной промышленностью согласно ТУ 6-05-1905-81 и ОСТ 6-05-202-83.

 

Требования к суспензионному вспенивающемуся полистиролу [13]

 

Таблица 3

Показатели	ПСВ-75С ПСВ ОСТ
Содержание влаги, %, не более	1.0
Массовая доля остаточного  мономера стирола, %, не более	0.25
Массовая доля парообразователя, %, не менее	5.0
Относительная вязкость, с, не менее	1.8
Гранулометрический состав:	1.6±0.25
Средний диаметр частиц, мм
Кажущаяся плотность  полистирола, кг/м	1060

 

2. Схема материальных потоков производства

Технологическая схема производства теплоизоляционных  плит из полистирольного пенопласта

 

Склад сырья

 

Предвспенивание бисера в экспандере