Участок переработки полимерных материалов

Министерство образования  РФ

ЭТИ СГТУ

Кафедра "МХП"

 

 

 

 

 

Расчетно-пояснительная  записка к курсовому проекту  по дисциплине "Машины и аппараты химических производств"

на тему

"участок переработки  полимерных материалов"

 

 

 

 

 

Выполнил: 

 

Принял:        

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

Пояснительная записка 46 листов, 4 рисунка, 11 таблиц, 4 листа чертежей формата А, 8 источников.

Экструдер, головка формующая, полиэтилен, червяк, цилиндр, расчет технологический, расчет механический.

Объектом разработки является оборудование участка переработки полимерных материалов.

Цель работы – выбор  и проектирование экструзионной  установки для получения полиэтиленовых труб.

Основные конструктивные и технико – экономические  характеристики:

• производительность (кг/ч)                  22

• марка материала      ПЭВП 273-79
• диаметр червяка (мм)                                             32
• диаметр труб (мм)                                                  54×2, 80×3

 

 

Содержание

 

Введение

1. Технология процесса
2. Описание конструкции экструдера

3. Технологические расчеты

3.1 Исходные данные

     3.2 Выбор  типа червяка и расчет его  геометрических характеристик

3.3 расчет гидравлического сопротивления головки

3.4 расчет производительности экструдера

3.5 расчет длин технологических зон

4. Механический расчет

4.1 расчет мощности двигателя

4.2 Прочностной расчет  червяка

4.3 Расчет шлицевых  соединений червяка

4.4 Прочностной расчет  цилиндра

4.5 Расчет резьбы цилиндра

4.6 Расчёт резьбового  фланца

5. автоматизация процесса

6. безопасность и экологичность производства

6.1 Вредные и опасные производственные  факторы

6.2 охрана окружающей среды

Заключение

список литературы

Приложение

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В настоящее время  одним из наиболее распространенных способов изготовления изделий из пластмасс  является экструзия, так как червячные прессы (экструдеры) универсальны и имеют достаточную производительность, а также высокую степень механизации и автоматизации.

При переработке пластмасс  методом экструзии основной задачей  является получение высококачественных изделий  (по внешнему виду, прочности, по деформационным и прочим показателям) при максимальной производительности.

Практически на червячных  прессах можно перерабатывать любые  термопластические материалы. Благодаря  своим преимуществам - непрерывность процесса, возможности автоматизации и механизации - червячные прессы широко распространены в промышленности.

Червячные прессы применяются  для изготовления из термопластов шлангов, труб, рукавной и плоской пленки, листов, профилей, для наложения покрытий на провода и рулонные материалы (бумагу, ткани, фольгу и т. п.). Экструзионным способом получают заготовки для производства полых изделий методом раздува. Червячные прессы нашли широкое применение для подготовки термопластических материалов к последующей переработке (предварительная пластикация в машинах для литья под давлением, окрашивание материала, смешение его с другими компонентами и удаление влаги и летучих веществ).

На современном этапе  развития производства трубы из термопластов все шире заменяют металлические. Особенно широко такие трубы применяются в химической промышленности взамен дорогостоящих труб из цветных сплавов и нержавеющих сталей. Трубы изготовляют из всех известных термопластов, но главным образом из полиэтилена высокого и низкого давления и поливинилхлорида.

 

 

 

 

1. Технология процесса 

 

Сырьем для производства служат гранулы полиэтилена размером 3-5мм высокой плотности марки 209-79 .

Процесс изготовления труб можно разбить на следующие стадии:

1. Подготовка и транспортировка сырья.

2. Переработка расплава и непрерывное формование трубы.

        3. Калибрование и предварительное  охлаждение горячей трубы в  специальной насадке.

                4. Охлаждение трубы в водяной  ванне.

5. Равномерное вытягивание  трубы из калибрующей насадки  специальным тянущим устройством.

                6. Намотка или резка труб.

Все эти стадии неразрывны, для  их синхронизации требуются бесступенчатые приводы в агрегате.

На стадии подготовки и  транспортировки сырья осуществляется дозирование  компонентов с помощью  секторных дозаторов из бункеров хранения 1  в смеситель 2, где происходит перемешивание компонентов.  Далее композиционный материал на основе гранулированного полиэтилена подается в промежуточную емкость 3, откуда поступает в загрузочный бункер экструдера 6  при помощи воздуха, подаваемого вентилятором 4 из нагревателя 5. При этом происходит подсушивание материала при температуре 50-100^оС.

В процессе экструдирования  происходит размягчение, плавление  полимера и гомогенизация расплава. В первой зоне (зона загрузки) осуществляется охлаждение водой для образования движущейся пробки. Вода подается с расходом 0,5 л/мин. Во второй зоне (зона плавления) поддерживается температура 170^оС. В третьей  зоне (дозирования) температура поддерживается на уровне 180^оС.

По мере продвижения через цилиндр экструдера, сырье плавится от трения и за счет нагревателей, установленных вдоль цилиндра, и гомогенизируется. Материал выдавливается через прямоточную формующую головку 7, где приобретает нужный профиль. Формование происходит при температуре 190^оС.

 

Рис.1 Технологическая  схема получения полиэтиленовых труб.

 

Для создания необходимого профиля в формующей головке  создается давление с помощью  компрессора 8, приводимого в действие электродвигателем.

  Из формующей головки расплав в виде цилиндрической заготовки попадает в калибровочную насадку 9, интенсивно охлаждаемую водой. После этого, двигаясь по опорным роликам, труба поступает для охлаждения в охладительную ванну 10, где поддерживается постоянный уровень воды. Затем, при помощи тянущего устройства 12 через счетчик метража 11 на станцию намотки 13.

 

 

 

 

2. Описание конструкции экструдера

 

Схема одночервячного пресса представлена на рис. 2. Из бункера 3 материал через загрузочную воронку 4 поступает  в канал червяка 5. Червяк вращается внутри корпуса цилиндра 7, снабженного гильзой 8, с высокой поверхностной твердостью из азотируемой стали. Привод червяка от электродвигателя 1, через понижающий редуктор 2. Осевое усилие червяка воспринимается упорным подшипником. Корпус цилиндра обогревается электронагревателями 9; температура контролируется термопарами 6. Под воздействием внешнего обогрева, а также за счет тепла, выделяющегося в перерабатываемом материале от трения, последний пластицируется и, перемешиваясь и уплотняясь червяком, транспортируется вперед, продавливаясь через решетку, перед которой обычно устанавливается набор сит 10, в головку  и далее через формирующий инструмент  к приемному устройству.

 

Рис.2 Одночервячный пресс. 

3. Технологические  расчеты

3.1 Исходные  данные

Параметры переработки  экструдера:

производительность (кг/ч)                  22

материал профиля     ПЭ

марка материала      ПЭВП 273-79

плотность ПЭ (кг/м³)      970

насыпная плотность  материала (кг/м³)  550

температура плавления (^оС)    110

теплоемкость материала                     2146

                                                     Табл.1  Диапазон переработки термопласта

 

Вид термопласта	Температурный интервал переработки		Вид изделия	Температура в зонах, оС
	Tплавл., оС	Tдестр., оС		дозиров.	головка
Полиэтилен высокой  плотности ПЭВП	120 - 125	320	Трубы	170 - 190	170 - 210

 

3.2 Выбор типа червяка  и расчет его геометрических  характеристик

Задаемся значением  среднего градиента скорости по табл. 12.4 [9] =100 c^-1.

Определяем отношение 

V/

= = 6,3·10^-8, м³

По рис.12.4 [9] определяем ориентировочный диаметр червяка D_ор= 29 мм.

Окончательно принимаем  ближайшее стандартное значение по табл. 12.5 [9] D=32 мм

Глубина нарезки червяка  в зоне дозирования   

                    

Число оборотов червяка

с^-1

По рассчитанным значениям D и n из табл.12.5 [9] выбираем модель машины

                                                                                                                     Таблица 2

Условное обознач.	D мм	L/D	Частота вращен. об/мин	Мощность привода кВт	Мощность обогрева кВт	Число зон	Произв-ть кг/ч
ЧП32х20	32	25	21-212	100	3,6	3	23

 

Принимаем шаг нарезки  постоянным t = D = 0,032 м

Ширина гребня из условия   

е = (0,05¸0,12)D = (0,05¸0,12) 0,032 = 0,00192 м

Число заходов нарезки i = 1

Рассчитываем угол подъема

^о

Ширина канала витка  по нормали  

 м

Принимаем радиальный зазор  между гребнем червяка и цилиндром  .

Назначаем температурный  режим переработки согласно табл.12.3 [7]

                                                                                                              Таблица 3

Вид термопласта	Темпер. интервал переработки		Вид изделия	Температура в зонах
	t пл., оС	t дестр., оС		дозирование	головка
ПЭВП	120-125	320	Трубы	170-190	170-210

 

Назначаем температурный  режим переработки материала:

Температура материала  в зонах, ^оС

 

 

 

 

 

                                                                                                          Таблица 4

В бункере	Загружае мых гранул	Цилиндра в зоне загр.	Цилиндра в зоне плав.	На выходе из зоны дозир.	В головке
tб=50	t1=50	tц1=160	tц2=180	t=180	tг=180

 

 

3.3    расчет гидравлического сопротивления головки

Для расчета сопротивления  канал спроектированной трубной  головки разбиваем на отдельные  простейшие участки 

 

 

Рис.3 Схема формующей головки

 

Для удобства проведения расчета сгруппируем  участки по общности геометрических признаков каналов.

Участки 1-2; 3-4; 7-8 – кольцевой канал

конический  кольцевой канал с сужающейся щелью – участки 0-1; 2-3; 4-5; 6-7; 8-9;

щелевой клиновидный канал –  участки 10-11;11-12;

решетки с круглыми отверстиями  – 5-6; 13-14;

По рис.12.8. [7] при  t_доз = 180 ^оС   находим плотность расплава r=793 кг/м³.

Объемная производительность   

, м³/с.

По схеме головки подставляем значения:

радиус входного наружного  диаметра головки  R₁=0,016 м;

радиус входного внутреннего диаметра головки  R₂=0,01 м;

длина входного канала головки    L₁=0,085 м.

  Коэффициент геометрической формы для кольцевого участка 0-1

К_кол =

, м³.

Градиент скорости для  кольцевого участка 0-1

, с^-1.

Из табл.12.2 [7] значения коэффициента консистентности m₁ [Па*с] и показателя степени m уравнения m_э= m₁

 

                                                                                                          Таблица 5

Показатель	Температура,оС
	140	160	180	200	220	240
m1	17000	12150	8930	7600	6600	5800
m	0,42	0,43	0,45	0,46	0,48	0,5

 

 

Для ПЭВП при t = 160 ^оС  m₁ = 12150 Па*с, m = 0,43.

Следовательно эффективная  вязкость на кольцевом участке m_э = 111089 Па*с

Потери давления на участке  при этом расходе

= 4844473 Па;

Значения для  для остальных кольцевых участков и при других производительностях рассчитываются аналогично.

Рассчитаем это же для кольцевого участка 3-4.

Радиус кольца 2-3 наруж. диаметра головки     R₁=0,02 м

Радиус кольца 2-3 внутр. диаметра головки     R₂=0,01 м

Длина канала кольца 2-3 головки                 L₂=0,03 м

Коэффициент геометрической формы для кольцевого участка 2-3

м³

Градиент скорости для  кольцевого участка 0-3

, с^-1;

При t =180^оС   m₁ = 8930 Па*с, m = 0,45.

Следовательно эффективная  вязкость на кольцевом участке m_э = 3875,13 Па*с.

Потери давления на участке  при этом расходе 

= 262863 Па.

 Рассчитаем это  же для кольцевого участка  9-10.

Радиус кольца 9-10 наружного  диаметра головки   R₁=0,012 м

Радиус кольца 9-10  внутреннего  диаметра головки   R₂=0,009 м

Длина канала кольца  9-10  головки       L₁=0,06 м

Коэффициент геометр. формы  для кольцевого участка 0-1

, м³;

Градиент скорости для  кольцевого участка 0-1

, с^-1;

При t = 180 ^оС   m₁ = 8930  Па*с, m=0,45

Следовательно эффективная  вязкость на кольцевом участке m_э =3875,13  Па*с.

Потери давления на участке  при этом расходе 

=2,8*10⁷ Па

Общие потери давления на цилиндрических участках  _цил= 3,3*10⁷ Па.

Для круглого кольцевого цилиндрического отверстия решетки участка 7-8

Размеры для расчета  решетки:

диаметр отверстия 0,002 м;

количество отверстий 120 шт.;

длина L₈ 0,0075 мм;

эквивалентная вязкость 1070 Па*с.

Коэффициент геометрической формы для круглого сечения

 м³

Градиент скорости на участке  

= 81,7666 с^-1,

Эквивалентная вязкость на участке 7-8 m_э = 1070 Па*с.

Потери давления на участке 7-8      

 Па.

Рассчитываем  конический кольцевой участок 1-2, для которого

D₁ = 0,0121м; D₂ = 0,04 м; D₃ = 0,0206 м; D₄ = 0,04 м; L₅ = 0,005 м.

Рассчитываем значения

R₁=

,                    R₂= ,

,                     ,

= 3851,12 м^-1,

.

 

Коэффициент геометрической формы для конического кольцевого участка

м³,

Эффективная вязкость m_э1 = 1900 Па*с,

Рассчитываем потери давления на коническом участке 1-2

Па.

Рассчитываем конический кольцевой участок 4-5, для которого

D₁=0,01м;  D₂=0,04м;  D₃=0,015м;  D₄=0,05м; L₂=0,015м.

Рассчитываем значения

R₁ =

м,                          R₂ = м,

,                           ,

= 413,932 м^-1,

0,9 с^-1;

Коэффициент геометрической формы для конического кольцевого участка

м³;

Эффективная вязкость m_э1=1900 Па*с.

Рассчитываем потери давления на коническом участке 1-2

 Па.

Рассчитываем конический кольцевой участок 8-9, для которого

D₁ = 0,009 м; D₂ = 0,016 м; D₃ = 0,012 м; D₄ = 0,02 м; L₃ = 0,01 м.

Рассчитываем значения

R₁=

м,                    R₂= м,

,                   ,

= 8120,28 м^-1,

34,11 с^-1.

Коэффициент геометрической формы для конического кольцевого участка

м³

Эффективная вязкость m_э1=1900 Па*с.

Рассчитываем потери давления на коническом участке 8-9 по формуле 

Па,

Общее сопротивление  на конических участках  Р_кон=4,8*10⁸ Па.

Рассчитаем щелевой клиновидный канал на участке 11-12 с параметрами

h₁= 5 мм; h₂ = 25 мм; число каналов - 6; b = 0,02 мм; длина L_к = 10 мм.

Коэффициент геометрической формы для щелевого клиновидного участка 

 м³

 с^-1

Эффективная вязкость m_э1= 2600 Па*с.

Рассчитываем потери давления на участке 11-12

 Па

Общее сопротивление  головки Р = Р_цил + Р_щел = 5,2*10⁸ Па,

Число оборотов  n = 2,54022 с^-1.

Расчет сопротивления  головки для других значений производительности экструдера выполняется аналогичным образом.

В результате расчетов получены следующие значения

                                                                                                                       Таблица 6

Вариант	1	2	3	4
Производительность  [кг/ч]	22	15	10	5
Производительность [м3/с]	6,3*10-6	4,3*10-6	2,9*10-6	1,4*10-6
Общее сопротивление  головки Па]	5,2*108	6076604	5063837	4051070
Число оборотов [об/с]	1,3247	1,226	1,119	1
Число оборотов [об/мин]	79,482	93,56	67,14	60

 

Для дальнейших расчетов принимаем общее сопротивление DР = 5,2*10⁸ Па.

3.4 расчет производительности экструдера

Для построения рабочих  характеристик червяка расчет производительности произведен по четырем значениям  частоты вращения и трем перепадам  давления.

                                                                                                                Таблица 7

n1 (c-1)	n2 (c-1)	n3 (c-1)	n4 (c-1)	DP1 (Па)	DP2 (Па)	DP3 (Па)
1,3247	1,226	1,119	1	5*109	10*109	15*109

 

Для последующего расчета производительности, предварительно определим значения коэффициентов и задаемся значениями.

Величина радиального  зазора между цилиндром и червяком при диаметре червяка 32 мм согласно табл. [7] составляет d  = 0,00002 м.

Форм-факторы, учитывающие  тормозящее влияние боковых стенок, зависящие от относительного размера сечения винтового канала

Фв = 0,125*(h/b)² - 0,625*(h/b) + 1 = 0,94531

Фр = 0,13*(h/b)² - 0,71*(h/b) + 1 = 0,93777

Рассчитываем объем  межвиткового пространства на длине шага нарезки

Vв =

= 3,3*10^-6, м³

Коэффициент геометрической формы канала червяка

=3,1*10^-11, м³

Коэффициент геометрической формы канала зазора между гребнем  витка

=1,1*10^-12, м³

Принимаем температуру в конце сжатия t_2к = 210 ^оС

Рассчитываем среднюю температуру  в зоне дозирования  t_ср = = 195 ^оС

Рассчитываем градиент скорости в  канале червяка 

= 33,8765 с^-1,

где h_ср – средняя глубина нарезки

Температура стенки цилиндра в зоне дозирования  t_ц = t₃ + 50 = 230 ^оС

Скорость сдвига в зазоре равна

=478,975 с^-1

При частоте вращения n = 1,32 с^-1 градиенты скоростей

в канале червяка  =44,87 с^-1;

в зазоре =632,25 с^-1.

Соответственно этим градиентам эффективные вязкости будут  равны [7]:

в канале червяка при t_ср=195 ^оС    μ_к=1389,72 Па*с;  

в зазоре при t_ц=230 ^оС  μ_з=1253,45 Па*с.

Рассчитываем производительность экструдера

= 4,4*10^-6 м³/с

Производительность экструдера при различной частоте вращения приведена в таблице 8.

 Табл. 8

n (c-1)	g (c-1)	m (Па*с)	DR (Па)	V (м3/с)
1,3247	44,8763	1389,72	5,2*108	7*10-6
			6076604	4,3*10-6
			5063837	4,3*10-6
1,226	41,53265	1452,427	5,17*108	7,12*10-6
			6076604	3,9*10-6
			5063837	4*10-6
1,119	37,9079	1530,03	5,2*108	7*10-6
			6076604	3,6*10-6
			5063837	3,6*10-6

 

1	33,87655	1631,3	5,17*108	6,65*10-6
			6076604	3,2*10-6
			5063837	3,2*10-6

 

 

 

   

Рис. 4 Совмещенная характеристика экструдера с головкой

 

3.5 расчет длин технологических зон

Примем геометрическую длину зоны загрузки, где t_ц < t_пл

l'₁ = 2*D =0,064 м.

Для определения приращения длины зоны загрузки, зависящей от распределения тепловых потоков  подлине червяка в соответствии

Δl₁=

;

где Ф' – безразмерный параметр, определяемый из формулы, полученной на основе совместного рассмотрения баланса массовых и тепловых потоков  при расходе материала G = 22/3600 = 0,0061 кг/с,  и Х_о= b.