Курсовая работа (т): Расчет производительности экструдера

Расчет производительности экструдера

Реферат

Тема курсового проекта: расчет производительности экструдера.

Ключевые слова: экструзия, экструдер, шнек, производительность, коэффициент геометрической формы головки, формующая головка, ПЭНП.

Цели: рассчитать коэффициент геометрической формы головки и производительности одншнекового однозаходного экструдера для производства пленки из ПЭНП с объемным расходом расплава 10 см3/с и шнеком с постоянным шагом и переменной глубиной спирального канала

Исходные данные: диаметр шнека -63 мм, температура расплава 180оС, объемный расход расплава - 10 см3/с.

Во время выполнения курсового проекта были изучены различные виды экструзии и различные виды применяемых экструдеров соответственно. Были рассчитаны: коэффициент геометрической формы головки и производительность данного экструдера.

Содержание

Введение

. Основная часть

.1 Полиэтилен низкой плотности

.2 Экструзия

.3 Общие свойства полимерных пленок

.3.1 Эксплуатационные свойства

.3.2 Физико-механические свойства

.3.3 Физико-химические свойства

.3.4 Физические свойства

.3.5 Санитарно-гигиенические свойства

.4 Описание технологического процесса производства рукавной пленки из ПЭНП

. Расчетная часть

.1 Расчет коэффициента геометрической формы головки

.2 Расчет производительности экструдера

Заключение

Список использованных источников

Введение

Тара и упаковка из пленочных материалов находит широкое применение во многих отраслях народного хозяйства благодаря преимуществам перед другими видами тары. Использование полимерных пленок для упаковывания разнообразных видов продукции различных отраслей промышленности и сельского хозяйства позволяет не только защитить продукцию от внешних воздействий, но и сохранить ее качество. Благодаря незначительной массе тара из пленок является экономически выгодной. Возможность красочного оформления современными способами печати позволяет изготавливать тару привлекательную, содержащую наглядную информацию о назначении товара или изделия.

Наибольшее распространение в качестве сырья для упаковочных пленок нашел ПЭНП (полиэтилен низкой плотности). Это объясняется его невысокой стоимостью и доступностью, наличием ряда ценных эксплуатационных свойств и его высокой технологичностью, то есть сравнительной легкостью ведения технологического процесса его переработки и возможностью более простого аппаратурного оформления.

Из ПЭНП производят все виды упаковочных пленок. Полукристаллическая структура облегчает процесс его переработки. Низкая температура стеклования ПЭНП, высокое содержание аморфной части способствует сравнительно легкому получению расплава при температуре не намного превышающей температуру плавления полимера. Вязкость расплава при этой температуре обеспечивает формоустойчивость заготовки на выходе из головки и в то же время допускает значительную деформацию при формовании рукава пневмораздувом. Благодаря ориентации элементов структуры при вытяжке пленки и охлаждению рукава происходит быстрая кристаллизация полимера, в результате которой стабилизируется форма и размеры рукавной пленки. Для производства рукавной пленки используют полиэтилен с низким значением индекса расплава (0,8 - 1,5 г/10 мин.). С увеличением индекса расплава (что соответствует меньшей молекулярной массе или повышению полидисперсности полимера) механическая прочность пленок снижается.

Тонкие пленки из ПЭНП используются как оберточные при мелкой расфасовке и упаковке, а также для изготовления кульков. Снижение толщины упаковочных пленок способствует уменьшению их материалоемкости, обеспечивает экономию полимерного сырья.

Для изготовления упаковочных пленок из ПЭНП в основном используются технологические линии для производства рукавных пленок, доработанных с целью обеспечения возможности получения пленок с заданными степенью и напряжением усадки, временем релаксации и толщиной. [1]

Экструзия представляет собой непрерывный технологический процесс, заключающийся в продавливании материала, обладающего высокой вязкостью в жидком состоянии, через формующий инструмент (экструзионную головку, фильеру), с целью получения изделия с поперечным сечением нужной формы. В промышленности переработки полимеров методом экструзии изготавливают различные погонажные изделия, такие, как трубы, листы, плёнки, оболочки кабелей, элементы оптических систем светильников - рассеиватели и т. д. Экструзия, наряду с литьем пластмасс под давлением, является одним из самых популярных методов изготовления пластмассовых изделий. Плоскощелевая экструзия используется для получения полимерных листов и пленок.

Основным технологическим оборудованием для переработки полимеров в изделия методом экструзии являются одночервячные, многочервячные, поршневые и дисковые экструдеры.

Для успешного производства продукции методом экструзии недостаточно только одного экструдера. Кроме него необходимо иметь еще несколько единиц оборудования, вместе составляющих экструзионную линию. [2]

В данном курсовой проекте будет рассмотрена технология производства пленки из ПЭНП, а также представлены расчеты коэффициента геометрической формы головки и производительности одношнекового экструдера

1. Основная часть

.1 Полиэтилен низкой плотности

Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) по объему производства и применения занимает ведущее место во всех странах мира. Свойства ПЭНП в значительной степени определяются степенью разветвленности, которая характеризуется количеством ответвлений на 100 углеродных атомов.

Разветвленность цепи препятствует плотной упаковке макромолекул ПЭНП и уменьшает степень кристалличности, которая колеблется в интервале 55-70%. Другим важным показателем, на который влияет разветвленность цепи, является температура размягчения. Температура размягчения ПЭНП намного ниже температуры кипения воды, поэтому этот материал не может быть использован для контакта с кипящей водой или паром при стерилизации.

ПЭНП получают радикальной полимеризацией в присутствии кислорода и инициаторов (пероксидных соединений) при температуре 200 - 300 °С и давлениях

- 350 МПа. Марочный состав определяется способом получения, плотностью (от 910 до 935 кг/м3) и показателей текучести расплава. Выпускается в виде базовых марок и в виде композиций на их основе со стабилизаторами и другими добавками в окрашенном и неокршенном виде.

Полиэтилен низкой плотности - пластичный, слегка матовый, воскообразный на ощупь материал. Плотность его может изменяться в пределах 0,916 - 0,935 г/см3. Пленки из ПЭНП легко свариваются тепловой сваркой и образуют прочные швы, склеивание пленок затруднено, но возможно при использовании клеев - расплавов, особенно на основе смесей полиэтилена и полиизобутилена. Нанесение печати на пленки из ПЭНП может осуществляться разными методами, но только при условии предварительной обработки поверхности в силу ее инертной неполярной природы химическими или физическими методами. Пленки из ПЭНП обладают такими свойствами, как прочность при растяжении и сжатии, стойкость к удару и раздиру. Очень важно, что сохраняется прочность при очень низких температурах (-60 - -70°С). Пленки водо- и паронепроницаемы, однако проницаемы для газов, поэтому непригодны для упаковки продуктов, чувствительных к окислению. Пленки из ПЭНП имеют высокую химическую стойкость, однако имеют низкую жиро- и маслостойкость. При наполнении ПЭНП крахмалом может быть получен материал, представляющий интерес в качестве биоразлагаемого материала.

Полиэтилены низкой плотности применяются в изготовлении контейнеров и пленки для обертки и изготовления пластиковых пакетов. Получаемый из ПЭНП укрывной материал и пленки для мусорных мешков достигают толщины до 250 микрон. В изготовлении мешков для покупок используются пленки с вариацией по толщине примерно от 30 до 65 микрон. Для пакетов в магазинах самообслуживания достаточно толщины всего 10 микрон. [1]

.2 Экструзия

Экструзия - это метод формования изделий или полуфабрикатов неограниченной длины продавливанием расплава полимера через формующую головку с каналами необходимого профиля. Профиль оформляющего отверстия головки определяет конфигурацию изделия.

В промышленности пластмасс метод экструзии широко используется для производства труб, профильных изделий, листов, пленок и волокон, для нанесения покрытий на рулонные материалы (бумагу, ткань, металлическую фольгу, полимерные пленки), проволоку и кабель, а также для получения выдувных изделий.

В наибольших количествах для переработки методом экструзии используют полиэтилен высокого давления (ПЭВД) (низкой плотности (ПЭНП)) и полиэтилен высокой плотности (ПЭВП (низкого давления) (ПЭНД)). Показатель текучести расплава может изменяться от 0,2 до 20,0 г/мин. Чем больше показатель текучести, тем материал лучше течет, легче оформляется в изделие, в расплаве меньше внутренних напряжений и выше производительность экструзионных машин. Вместе с тем, чем больше показатель текучести, тем ниже физико-механические свойства материала: прочность, стойкость к растрескиванию, удару и износу. С этими закономерностями приходится считаться при выборе марки материала для производства того или иного вида изделия. [3]

Основным оборудованием для переработки пластмасс методом экструзии служат шнековые машины, называемые червячными прессами. Шнековые экструдеры могут быть различных типов: одно- и двушнековые; одно- и двуступенчатые, универсальные и специализированные, с зоной дегазации и без нее, с вращением шнека в одну и в противоположные стороны.

Технологическая схема экструзии содержит ряд процессов, которым необходимо управлять независимо друг от друга. Для улучшения условий управления процессом экструзии созданы типы экструдеров с каскадным расположением червяков. Эти экструдеры обычно состоят из двух отдельных экструдеров с индивидуальными приводами, благодаря чему достигается четкое разделение процесса экструзии на две стадии. На рисунке 1 приведены типы шнеков.

а)- шаг винтовой нарезки; δ- толщина гребня; h1 - высота гребня в зоне загрузки; - высота гребня в конце шнека; φ - угол подъема винтовой линии гребня; е - ширина гребня

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

з)

Рисунок 1 - Типы шнеков

а) универсальный шнек; б) трехзонный шнек; в) шнек с уменьшающимся шагом и постоянной глубиной нарезки; г) шнек в зоне загрузки однозаходный, а в зоне плавления и дозирования двухзаходный; д) однозаходный шнек с уменьшающимся шагом нарезки и постоянной глубиной канала; е) однозаходный шнек со скоростным сжатием (ускоренным плавлением); ж) однозаходный шнек с системой дегазации; з) барьерный шнек, в зоне дозирования двухзаходный.

На рисунке 2 приведен экструдер с каскадным расположением червяков.

- экструдер первого каскада; 2 - экструдер второго каскада

Рисунок 2 - Экструдер с каскадным расположением червяков

Верхний экструдер (2) обеспечивает управление процессами загрузки, подогрева и пластикации материала, т.е. переход термопласта из твердой фазы в расплав. Нижний экструдер (1) обеспечивает поведение процессов диспергирования и гомогенизации расплава, т.е. перемешивание материала и дозирование его. Каскадные экструдеры обеспечивают большую производительность, получение изделий лучшего качества. Так как у каскадных экструдеров длина червяка небольшая, то это облегчает их изготовление, а также монтаж и демонтаж экструдера: первый каскад L=13D, второй каскад L=9D. [4]

) Плоскощелевым, используемым главным образом для нанесения покрытий на рулонные материалы, а также для получения аморфной пленки (заготовки) из кристаллических полимеров, которая подвергается дальнейшей обработке при производстве пленочных волокон и ориентированных пленок;

) Рукавным, при котором трубчатая заготовка, выходящая из кольцевого отверстия головки, раздувается изнутри сжатым воздухом. Этим способом получают подавляющую часть пленок из полиэтилена низкой плотности. Пленки из него отличаются высокой гибкостью, значительной деформацией и сравнительно малой прочностью при растяжении.

Выбор способа и его конструктивного оформление зависит главным образом от перерабатываемого материала и назначения пленки.

При получении пленок рукавным методом трубчата заготовка, выходящая из кольцевого оформляющего канала головки подвергается одновременной продольной и поперечной вытяжке, главным образом с помощью сжатого воздуха, подаваемого внутрь рукава через дорн головки. После охлаждения цилиндрический рукав складывается, поступает в сжимающие (сплющивающие) валки и, пройдя систему направляющих и расширительных валков, наматывается в рулон.

Растяжение пленки из трубчатой заготовки может осуществляться и механически, на горизонтальной растяжной раме, как, например, в производстве ориентированных пленок из ПЭ. Варианты метода различаются системой охлаждения или направлением отбора пленки.

Конструктивно процесс может осуществляться с вытяжкой рукава вверх, вниз и в горизонтальном направлении. Наибольшее распространение находит процесс изготовление пленки с отводом рукава вверх

На рисунке 3 представлено технологическая линия для получения рукавной пленки по схеме «снизу-вверх» компании Kung Hsing модели KS-FE50.

В случае водяного охлаждения используют вертикальный отбор рукава сверху вниз. Этот способ применяется в производстве тонких пленок небольших размеров, т.к. под действием собственного веса рукав может обрываться на участке, где полимер находится в высокоэластичном состоянии. К преимуществам такой схемы относятся более легкое налаживание технологического процесса и лучшее охлаждение пленочного рукава. Такая схема применяется при производстве полиамидных пленок.

Горизонтальный отбор рукавной пленки применяется значительно реже (например, в производстве пленки «саран» или пенополистирольной) из-за провисания рукава под действием собственного веса, а также из-за потребности больших производственных площадей.

На рисунке 4 представлена схема агрегата для получения пленок рукавным методом с подачей расплава вниз.

Процесс деформирования рукава происходит в интервале между головкой и линией кристаллизации, а охлаждение продолжается вплоть до сжатия пленки тянущими валками.

- автоматический загрузчик, 2 - бункер, 3 - экструдер, 4 - экструзионная головка, 5 - кольцо охлаждения, 6 - стабилизатор, 7 - корзина, 8 - складывающие щеки, 9 - приемное устройство, 10 - направляющие ролики, 11 - устройство обработки пленки коронным разрядом, 12 - устройство намотки, 13 - панель управления, 14 - башня

Рисунок 3 - Технологическая линия для получения рукавной пленки по схеме «снизу-вверх» компании Kung Hsing модели KS-FE50

Охлаждение и кристаллизация пленочного рукава необходимы для регулирования скорости ориентации и кристаллизации до линии кристаллизации, а выше ее для охлаждения твердой пленки до температур, при которых полотно не будет повреждаться, и слипаться, проходя между складывающими щеками и далее в зазор между тянущими валками.