Шило В А Автореферат Производство пенополиуретана

Роль полимеров в сoовременной технике, а точнее во всех сферах деятельности человека, очень велика. Недаром 20 век называли веком полимеров. К пластмассам относятся материалы, основу которых составляют полимеры. За короткий период полимеры получили широкое распространение практически во всех областях промышленности и строительства.

Актуальность темы

Вопросы математического моделирования процессов полимеризации освещены в литературе и реализованы на практике не в той степени, как процессы получения низкомолекулярных веществ, что связано с недостаточной разработкой физико-молекулярных основ этих сложных процессов, теории расчета молекулярной и надмолекулярной структуры полимеров, определяющей комплекс их физико-механических и реологических свойств. Проведение работ по моделированию полимеризационных процессов требует определенной систематизации сведений по математическому описанию, включая численные значения констант, точное описание условий и т.д. Степень подробности таких моделей зависит существенно от их назначения и ограничений области использования. При построении математических описаний могут использоваться как "теоретические", детерминированные и стохастические, так и полуэмпирические модели. Задача построения адекватной модели представляет собой не что иное, как задачу выбора - среди совокупности конкурирующих - модели, наилучшим образом отражающей экспериментальные данные. При этом никогда не исключается возможность существования некоторой другой модели, детальнее отражающей механизм процесса и, следовательно, обладающей большей описательной силой.

Цель работы

Целью магистерской работы является создание электронной системы управления технологическим процессом производства жесткого заливочного пенополиуретана (ППУ). Данная электронная система позволит контролировать параметры процесса производства заливочного ППУ, диагностировать техническое состояние основных узлов, выполнять защитно-блокировочные функции, а также вести диспетчерский учет потребления сырья и выпускаемой продукции.

Развёрнутое содержание магистерской работы

Введение
1. Анализ состояния исследуемого вопроса.
    1.1. Анализ существующих систем производства пенополиуретана.
    1.2. Цели и задачи исследования.
2. Разработка математической модели технологического процесса.
    2.1. Разработка математической модели планирования.
           2.1.1. Выбор и обоснование метода планирования.
    2.2. Практическое применение математической модели.
3. Опробывание разработанной математической модели и анализ результатов.
4. Разработка электронной системы управления технологическим процессом производства пенополиуретана.
    4.1. Требование к системе в целом.
           4.1.1. Требованию к структуре и функционированию системы.
           4.1.2. Требование к сохранности информации при авариях.
    4.2. Требование к функциям, выполняемым системой.
    4.3. Требование к видам обеспечение.
           4.3.1. Требование к информационному обеспечению.
           4.3.2. Требование к программному обеспечению.
           4.3.3. Требование к техническому обеспечению.
           4.3.4. Требование к математическому обеспечению.
5. Взаимодействие разработанной системы с другими системами.
Выводы о проделанной работе.
Список используемых источников.

Ожидаемые результаты и степень их новизны

Строгий контроль за точным соблюдением всех параметров технологического процесса способствует получению ППУ высокого качества. Для каждой композиции ППУ должен быть отработан оптимальный технологический режим вспенивания и отдельная рецептура по исходным компонентам. Некачественное смешение исходных компонентов может привести к образованию крупноячеистой структуры ППУ, появлению хрупкости и иногда к спаданию пены; чрезмерно продолжительное смешение снижает вспениваемость. С использованием компьютерной техники в процессе литьевого формования появляется возможность точно задавать, контролировать и регулировать программно следующие технологические параметры: температуру исходных компонентов, теплоносителя; давление в расходных емкостях и смесительной головке; продолжительность отдельных технологических и вспомогательных операций; массовые расходы компонентов, их соотношение; уровень заполненности емкостных аппаратов. При формовании ППУ трудно добиться равномерной плотности заливаемой композиции вследствие уплотнения ППУ по поверхности и краям формы. На этих участках ячейки получаются вместо сферических вытянутыми в направлении вспенивания.

Анализ исследуемого вопроса по утверждёной теме

Производство ППУ в условиях ЗАО "НОРД"производится на установке, укомплектованной и поставленной итальянской фирмой "Cannon"в 2001 году. Разработчиком технологического процесса и изготовителем основного оборудования являются фирмы "Cannon" и "Afros" . Установка состоит из двух технологических линий: с ручной заливкой сырья в формы и с автоматической. Основное технологическое оборудование - вспенивающая машина модели "Cannon" серии A-System 100, максимальная производительность - 90 кг/мин. Процесс производства заливочного ППУ на данной установке имеет следующую последовательность: компоненты А, В дозировочными насосами из хранилищ по трубопроводам закачиваются в соответствующие расходные емкости машины вспенивания. Насосы переводятся с рециркуляции на заполнение расходных емкостей путем переключения запорной арматуры, расположенной непосредственно у расходных емкостей. Заполнение расходных емкостей контролируется по водомерным стеклам. На главном щите управления при максимальном уровне в расходных емкостях срабатывает световая сигнализация. После заполнения насосы переключаются в режим рециркуляции сырья в хранилищах, а в расходные емкости подается осушенный воздух давлением до 0,4 МПа (4кгс/см2). Давление в емкостях контролируется визуально на манометрах. После заполнения сырье термостатируется до температуры 20-220С. Температура регулируется автоматически и контролируется приборами TERMOTRONIC. Производительность дозировочных насосов устанавливается с помощью лимбов по каждому компоненту в соответствии с заданным массовым соотношением компонентов. Кнопки включения и выключения дозировочных насосов расположены на электрощите управления. На главном щите управления световой цифровой индикацией контролируется объемная производительность дозировочных насосов по каждому компоненту и объемное соотношение компонентов А, В. Объемное количество компонентов, подаваемое в 1 секунду, с учетом плотности, пересчитывается в массовое и затем определяется массовое соотношение. Исходя из объема форм, установленной производительности дозировочных насосов и требуемой кажущейся плотности изделия, рассчитывается объем заливки для каждой формы и устанавливается вручную на соответствующем индикаторе. Заливка в форму происходит по нажатию кнопки "Заливка" на пульте управления. После заполнения форму быстро закрывают крышкой и плотно замыкают. Залитые формы выдерживаются в течение 15-20 минут. По истечении времени выдержки формы открываются вручную или автоматически размыкаются и изделие осторожно извлекается. Для вызревания изделия выдерживают в вентилируемом помещении в течение 24 часов при комнатной температуре. В процессе вызревания происходит окончательное отвердение материала, замена двуокиси углерода в ячейках на воздух.

Результаты теоретических исследований

Жесткий заливочный пенополиуретан представляет собой вспененный материал с неоднородной ячеистой структурой, который получают в виде блоков по размерам литьевых форм с допуском на усадку 40 мм, плотностью от 17 до 35 кг/м3. Применяется в мебельной, автомобильной промышленности, а также как теплоизоляционный и амортизирующий материал в различных областях народного хозяйства и промышленности.

К настоящему моменту освоено много способов производства ППУ. Это значительно расширяет технологические возможности их использования и позволяет в каждом конкретном случае применить способ, который в наибольшей степени отвечает требованиям конструкции, возможностям производства, имеющемуся в наличии оборудованию и экономическим соображениям. Наиболее распространенным в промышленности способом производства ППУ является способ периодической заливкой, в котором различают две технологии производства: единичное дозирование и метод маточной смеси. В условиях ЗАО "НОРД" принята технология производства ППУ по методу маточной смеси.

Технологический процесс производства ППУ по методу маточной смеси - это многостадийный процесс, который можно разделить на несколько последовательных модулей

Рисунок 1 - Технологический процесс производства ППУ

Модуль "подготовка" состоит в том, что расходные емкости заполняются компонентами композиционной смеси. ППУ получают в результате смешения основных компонентов: полиэфира, который содержит гидроксильную группу OH и легко взаимодействует с изоцианатами; ТДИ (толуилендиизоцианат), который содержит изоцианатную группу -N=C=O с высокой степенью ненасыщенности и легко вступает во взаимодействие с соединениями, содержащими атомы водорода. А также добавок и катализаторов: амина - катализатор, который ускоряет реакции взаимодействия изоцианатов и с водой, и с гидроксилсодержащими соединениями; воды - вспенивающий агент, который при взаимодействии с изоцианатными группами выделяет углекислый газ, который и вспенивает композицию; силиконовое масло, предназначено для стабилизации пены; октоат олова - используют для ускорения реакции между изоцианатом и простым полиэфиром, и чтобы вязкость массы быстро увеличивалась, а газ мог оставаться в пене.

При периодическом способе производства ППУ существует технология производства по методу маточной смеси. Этот метод заключается в том, что необходимо предварительно подготовить маточную смесь (компонент А). Эта смесь готовится из полиэфира, воды, силиконового масла и амина.

Модуль "дозирование и смешение" состоит в том, что в смесительную головку дозируются, а затем смешиваются компоненты композиционной смеси.

Модуль "заливка в форму" - полученная композиционная смесь транспортируется в литьевую форму для дальнейшего структурирования

В модуле "вызревание" происходит вспенивание и отвердение композиционной смеси в литьевой форме.

Модуль "вторичная переработка" - отходы измельчаются на дробильной машине и подаются в смесительный барабан. Там полученные при измельчении хлопья смешиваются со специальным клеем глютеном - смесь полиэфира и ТДИ. Затем полученная смесь заливается в пресс-форму. По истечении времени вызревания блок извлекают из литьевой формы, разрезают на листы и отправляют на склад в виде готовой продукции - вторичный листовой ППУ.

Основными технологическими модулями, определяющими структурные и реологические характеристики конечной продукции, являются "дозирование и смешение" и "вызревание".

Модуль "дозирование и смешение". Качество ППУ в данном модуле определяется выдержкой рецептуры и технологических параметров, узких в температурном диапазоне и при высоком давлении.

Общее дозируемое количество композиционной смеси определяется размером выбранной формы. Это общее количество рассчитывается следующим образом:

Смесительно-дозирующая установка предназначена для дозированной подачи компонентов реакционной смеси в смесительную головку, тщательного перемешивания этих компонентов и последующего транспортирования композиционной смеси в форму в соответствии с требуемыми температурными, напорно-расходными и временными режимами технологического процесса.

Рис2. Смесительно-дозирующая установка

Подготовленные к смешению компоненты для производства ППУ термостатируются до температуры 20-220С в расходных емкостях А, В , а затем дозируют с помощью дозировочных насосов 1,2 в определенном соотношении через распределители потоков и инжекционные сопла со скоростью 100-200 м/с в смесительную головку 3. Струи компонентов под давлением 10-20МПа (100-200кгс/см2) соударяются между собой и со стенками смесительной головки, образуя турбулентные потоки с множеством завихрений, разбиваются на большое число слоев - страт с развитой поверхностью контакта, интенсивно перемешиваются в режиме турбулентного массообмена, а затем через выходное сопло композиционная смесь транспортируется в литьевую форму в режиме ламинарного течения со скоростью 2-8 м/с. Процесс смешения происходит вследствие воздействия на систему "полимер - компоненты" напряжений сдвига, возникающих в результате деформации системы под действием внешних сил, приложенных к ее границам. Главным моментом, в данном случае, является величина внешних сил взаимодействия, которые определяются величиной сил вязкого трения. Следовательно, процесс деформации системы будет протекать тем интенсивнее, чем выше величина вязкости. Естественно, что и увеличение гидростатического давления приводит к росту вязкости, и тоже способствует интенсификации процесса деформации системы. В данном модуле управление процессом подачи и смешения компонентов должно происходить в строгой последовательности и во времени, и в соответствии с рецептурой. В модуле "вызревание", происходит вспенивание и отвердение композиционной смеси. Исходная композиция, заливаемая в литьевую форму, начинает сразу вспениваться. Образование пены происходит в несколько этапов. Первым этапом при получении пены является образование углекислого газа, за счет которого в композиционной смеси быстро образуются бесчисленное множество крошечных пузырьков. На рисунке 3 представлены ожидаемые закономерности образования пузырьков:

Рисунок 3 - Изменение концентрации газа в смеси, образование пузырьков и рост пор.

Данный график применяется для описания образования полиуретановых пен. В интервале времени, соответствующем зоне I, концентрация газа в смеси превышает равновесную концентрацию насыщения - смесь становится перенасыщенной и достигает такой концентрации, при которой начинается самозарождение пузырьков с одновременно быстрым образованием пены. Образование пузырьков будет продолжаться до тех пор, пока концентрация газа находится в пределе зоны II. Затем концентрация газа уменьшается за счет образования новых пузырьков и за счет диффузии газа в ранее образовавшиеся пузырьки (зона III). Концентрация газа будет уменьшаться до тех пор, пока не установится равновесная концентрация насыщения смеси газом. Начиная с этого момента, пузырьки растут только за счет диффузии газа из меньших пузырьков в большие или за счет слияния пузырьков. После этого происходит отвердение композиции и наблюдается изменение реологических свойств - возрастает вязкость и упругость. Технологическими параметрами стадии вызревания, определяющими производительность процесса и качество ППУ, является продолжительность цикла структурирования в литьевой форме. Оптимальной продолжительностью отвердения в литьевой форме является достижение в конце цикла такой степени структурирования, при которой пеноблок можно извлекать из литьевой формы без деформации и нарушения его сплошности. Продолжительность структурирования ППУ составляет 20-25 минут. После извлечения пеноблока из литьевой формы в нем продолжает протекать химические реакции и физические процессы фазовой упорядоченности. Происходит удаление паров изоцианата, замена двуокиси углерода в порах на воздух, что способствует повышению физико-механических показателей готового изделия. Учитывая, что появляется возможность управлять процессом производства блочного ППУ, запрограммированным в стадии во времени, со строгим выполнением регламента, как по дозировке, так и по смешиванию компонентов, то рекомендуется создать электронную систему управления технологическим процессом производства заливочного ППУ.

Имитация процесса запенивания холодильного шкафа:
1 .Въезд холодтльника на конвеер.
2. Подъезд к заливочной головке.
3. Опускание заливочной головки и осуществление впрыска.
4. Прохождение процесса полимеризации.
5. Извлечение готового шкафа.

Список используемой литературы

1. Любартович С.А., Морозов Ю.Л., Третьяков О.Б. Реакционное формование полиуретанов. - М.: Химия, 1990. -288с.
2. Булатов Г.А. Полиуретаны в современной технике. -М., Машиностроение, 1983. -272с.
3. Булатов Г.А. Пенополиуретаны в машиностроении и строительстве. -М., Машиностроение, 1978. -183с.
4. Саундерс Дж. Х., Фриш К.К. Химия полиуретанов: Пер. с англ./Под ред. Энтелиса С.Г. -М.: Химия, 1968. -470с.
5. Домброу Б.А. Полиуретаны: Пер. с англ./Под ред. Благонравовой А.А. -М.: Госхимиздат, 1961. -151с.

На начало

Сайт магистра ДонНТУ ФКИТА Шило В.А.