Файл: 40+%.doc

1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Теоретические основы процесса приготовления смесей

Так как процесс приготовления битумных смесей во многом аналогичен изготовлению резиновых смесей, то представляется возможным рассмотреть теоретические основы процесса на примере смешения каучуков с различ­ными компонентами резиновых смесей.

Смешение каучуков с ингредиентами, имеющими разнообраз­ную форму, агрегатное состояние, различающимися растворимо­стью и скоростью распределения в каучуке, представляет слож­ную техническую задачу, которую приходится решать в условиях повышенных температур, ускоряющих механические процессы взаимодействия каучуков с ингредиентами смеси. Смешение как начальный этап производства резиновых изделий во многом оп­ределяет их качество. Высокая однородность физико-химических характеристик смеси достигается только при равномерном рас­пределении ингредиентов в объеме каучука.

Основные этапы смешения. Смешение можно представить как сумму двух процессов: простое смешение (гомогенизация), заключающееся в равномерном рас­пределении ингредиентов в объеме каучука; диспергирующее смешение, приводящее к разрушению комков и агрегатов ингре­диентов до частиц меньших размеров (в пределе до растворения компонентов смеси). Фактически оба процесса идут одновремен­но, поскольку механическое воздействие на систему обязательно приводит к дроблению агрегатов, однако преобладание одного из них зависит от условий смешения, в частности, от скоростей и напряжений, возникающих в системе.

Считается, что интенсивность простого смешения опреде­ляется скоростью перемешивания компонентов. На практике смешение происходит за счет сдвига слоев материалов относи­тельно друг друга, деформация сдвига между двумя параллель­ными плоскостями выражается безразмерной величиной

γ=l/h=ctgφ=tgα, (1)

где l – длина слоев;

h – толщина слоев.

Скорость сдвига определяется величиной деформации в единицу времени t:

dγ/dt=l/(h₀t) (2)

где l – длина слоев;

h₀ – приведенная толщина слоев;

t – длительность смешения.

Характеризует интенсивность простого смешения, обусловлен­ного для приведенного случая уменьшением толщины слоев и ростом площади их соприкосновения. Единицей измерения γ является с^-1.

Интенсивность дис­пергирующего смешения зависит от вязкости систе­мы, поскольку разрушение агломератов происходит тогда, когда силы внешнего трения в вязкой среде пре­вышают силы сцепления отдельных частиц в агло­мерате. При диспергирую­щем смешении разрушаю­щие деформации невелики, что позволяет использовать в этом случае закон Ньюто­на:

---

τ= η_н* dγ/dt, (3)

τ= η_н* (dγ/dt)ⁿ, (4)

где τ - напряжение сдвига, Па;

η_н - ньютоновская вязкость системы, Па*с;

η_эф эффек­тивная вязкость системы, Па*с.

Уравнение показывает, что для ускорения диспергирующе­го смешения необходимо повышать напряжение сдвига в систе­ме.

Скорость и напряжение сдвига являются основой для коли­чественного описания процесса смешения.

Интенсивность простого смешения можно определить по величине суммарной (накопленной) деформации сдвига γ_∑.

γ_∑.=(dγ/dt)_ср*t, (5)

где (dγ/dt)_ср - средняя скорость сдвига;

t - длительность сдвига (сме­шения).

При простом смешении происходит также диспергирование ингредиентов, поэтому γ_∑ может служить мерой качества приготовления резиновых смесей. Диспергирующее смешение рассчитывают по формуле:

А_∑= А₀+ А_D+W, (6)

где А_∑ - общая работа, совершаемая внешней силой при смешении, Дж;

А₀ – работа, расходуемая на накопление в виде упругой энергии, Дж;

А_D– работа, расходуемая на диспергирование частиц, Дж;

W – интенсивность рассеяния энергии, Дж.

Рассмотрим изменение потребляемой мощности в процессе смешения при условии одновременной загрузки всех материалов.

Сначала потребляется энергия, соответст­вующая работе дис­пергирования техниче­ского углерода (и дру­гих нерастворимых порошкообразных ингредиентов) в каучуке, составляет обычно 5 -15 % от площади, ха­рактеризующей общую работу смешения.

Затем загружаемые в смеситель каучук и кусковые материалы измельчаются, на что затрачивается малая энергия. Ее по­требление резко воз­растает после созда­ния в смесителе прес­сующего давления, которое совместно с вращающимися роторами уплотняет находящуюся в камере рыхлую смесь и одновре­менно способствует интенсификации внедрения технического углерода, сыпучих ингредиентов в каучук. При этом параллельно идут два процесса: уплотнение, преобладающее в начале прессования, и смачивание порошкообразных материалов каучу­ком и жидкими ингредиентами (мягчителями и пластификаторами). Это обусловли­вает снижение его вязкости, более быстрое смачивание порошков и приводит к образованию относительно плотной монолитной части смеси, в которой появляются сдвиговые напряжения, начи­нает реализоваться диспергирующее смешение. Оно идет в то время когда в системе имеется свободный наполнитель (тех­нический углерод), то есть процессы смачивания, диспергирова­ния, пластикации и гомогенизации протекают одновременно.

Ин­тенсивность диспергирующего смешения (и соответствующая ей зависимость потребления энергии) меняется по кривой, имеющей максимум, так как в начале в смеси мало несмоченного наполни­теля. При возрастании степени смачивания темпы снижения вяз­кости каучука вследствие роста температуры становятся выше темпов возрастания вязкости смеси из-за внедренного наполни­теля, что приводит к замедлению и прекращению процесса дис­пергирования. В конце цикла смешения происходит деструкция (пластикация) каучука (или другие физи­ко-химические явления) и усреднение, гомогенизация системы.

---

Перечисленным этапам соответствуют характеристические точки на кривых зависимостей свойств смесей от времени сме­шения. Так, в ходе уплотнения и смачивания порошкообразных ингредиентов резко уменьшается удельный объем сме­си.

При этом наполнители интенсивно диспергируются в каучуке, связывая его и увеличивая вязкость смеси в случае слабо деструктурирующегося при смешении каучука. В случае сильно деструктурирующихся каучуков, происходит снижение вязкости смеси вследствие преобладания деструкции над связыванием макро­молекул наполнителем. Установлено, что при уплотнении, сма­чивании и диспергировании наблюдается повышенное разбуха­ние (усадка) шприцованных заготовок до окончания процесса диспергирования.

1.2 Описание работы структурной схемы технологического процесса

Технологический процесс приготовления битумных материалов заключается в смешении компонентов в дозах, определенных рецептом смеси, а также поддержании необходимого уровня технологических параметров. Компонентами смеси являются:

- битум нефтяной (связующее битумной смеси);

- мука известняковая (основной наполнитель битумной смеси);

- асбест (специальный наполнитель);

- пластификатор нефтяной (пластификатор битумной смеси);

- слюда молотая (специальный наполнитель).

К технологическим параметрам относятся температура, однородность и плотность смеси. Структурная схема технологического процесса представлена на рисунке 2.

Битум нефтяной поступает в вагонах для нефтяного би­тума (бункерных полувагонах), цистернах и подается в битумохранилище для разогрева и хранения. При поступлении битума в железнодорожной цистерне разогрев битума осуществляется при помощи ТЭНов, расположенных в днище, затем разогретый битум через универсальное сливное устройство сливается в ванну битумохранилища. При приеме битума в твердом состоянии в рубашки бункерного полувагона подается пар, который оплавляет битум по поверхности сопри­косновения. После этого бункерный полувагон кран-балкой опрокидывают и битум выгружают непосредственно в ванну битумохранилища.

После выгрузки полувагон возвращают в исходное положение. Из ванны битумохранилища предварительно расплавленный битум са­мотеком поступает в камеру дополнительного разогрева, где его темпе­ратура доводится до 150 ⁰С. Затем битум объемным шестеренчатым насосом с обогреваемой рубашкой по обогреваемому трубопроводу из камеры дополнительного разогрева подают в емкость с обогреваемой ру­башкой, по которой циркулирует диатермическое масло, разогретое до температуры 170-180 ⁰С. Из емкости битум насосом через промежуточ­ный вертикальный нагреватель дозируют согласно рецепту в лопастном смеситель по времени подачи. Основной наполнитель (порошок минеральный или мука известковая) поступает в вагонах (цементовозах). С помощью пневмотранспортного устройства его выгружают в емкости для хранения.

---

Из емкости основной наполнитель пневмотранспортом подают в вер­тикальный циклон для рыхления комков, а затем просеивают через сито для отделения крупных частиц и посторонних примесей.

---

1 – битумохранилище; 2, 9, 11, 13, 15 – регулятор температуры; 3, 7 – воз духодувка; 4, 5 – весы; 6 – емкость для хранения основного наполнителя;

8 - нагреватель; 10 – камера дополнительного нагрева; 12 – промежуточ ный нагреватель; 14 – насос; 16 – лопастной смеситель; 17 – выгружной шнек; 18 – электродвигатель; 19 – циклон; 20 – промежуточная емкость; 21 – дозатор; 22 – буферная емкость.

Рисунок 1 – Структурная схема технологического процесса приготовления битумной смеси.

Из емкости основной наполнитель пневмотранспортом подают в вер­тикальный циклон для рыхления комков, а затем просеивают через сито для отделения крупных частиц и посторонних примесей. Очищенный наполнитель поступает в промежуточную емкость для обогрева воздухом, а крупные частицы и посторонние примеси собирают в контейнер для сбора отход отходов. Основной наполнитель, нагретый до температуры 25-30 ⁰С шнеком в количестве согласно ре­цепту.

Специальные наполнители, упакованные в мешки, подвозят автопог­рузчиком к загрузочной воронке для подачи в расходную емкость. При поступлении слюды в мягких контейнерах загрузку ее производят через: дополнительную воронку со шнеком. Затем слюда, асбест подаются на резервуарные автоматические весы в количестве согласно рецепту, допус­кается дозирование слюды скиповым подъемником согласно рецепту. Известь высокодисперсная, асбест марки скиповым подъемником загружают в лопастной смеситель в количестве согласно рецепту.

Пластификатор нефтяной со склада ГСМ (горюче-смазочных материалов) по обогреваемому трубопроводу поступает в верти­кальную расходную емкость с обогревом. Откуда пластификатор шестерен­чатым насосом через трубопровод с обогреваемой рубашкой подается в смеситель. Навеску материалов производят согласно рецепту.

После навешивания порошкообразные материалы поступают в емкость с мешалкой спирального вида с обогреваемой рубашкой, магнитным сепа­ратором, где производится перемешивание и обогрев материалов воздухом, нагретым в теплообменнике до температуры 120-130 ⁰С.

Приготовление битумной смеси производится в двух лопастных сме­сителях. Загрузка производится при работающем смесителе. Загруженные материалы и отходы битумной смеси подвергаются постоянному перемеши­ванию. Готовую битумную смесь через нижний люк смесителя выгружают в обогреваемую горизонтальную буферную емкость, оснащенную мешалкой, до накопления смеси в достаточном количестве, обеспечивающие непре­рывный процесс питания каландра. Битумную смесь изготавливают в соответствии с рецептами.

Момент окончания смешения может быть определен по изменению потребляемой мощности P(t) и параметру обрабатываемости в процессе смешения λ(t). Об окончании процесса смешения в закрытом резиносмесителе можно судить по времени установлении минимального (или практически неизменного) разброса потребляемой мощности за период - параметра обрабатываемости λ, который рассчитывают по формуле

---