Подача сырьевого материала полистирола.

 

Первый рабочий шаг при изготовлении материалов на основе пенополистирола состоит в транспортировке сырья в бункер предварительного вспенивания. В производстве, создаваемом заново, сырье транспортируется в бункер кратчайшим путем. Пропускные способности рассчитываются с достаточным резервом, для дальнейшего расширения производства. К устройству подачи предъявляются следующие требования:

 

• достаточная пропускная способность
• не повреждающий материал транспорт
• надежность
• работа с минимум техобслуживания
• реальная цена
• незначительное энергопотребление.

 

Механические устройства подачи более предпочтительны на основании большей надежности и отсутствия истирания. Если еще хватает высоты помещения, бак для сырьевого материала может устанавливаться над бункером предвспенивателя. В этом случае пенополистирол свободно попадает в бункер предвспенивателя.

 

Механические устройства подачи.

 

При подаче пенополистирола хорошо проявили себя жесткие и гибкие шнеки.

 

А). Жесткие шнеки.

 

Это механическое подающее устройство при соответствующем диаметре может обеспечить очень большую подачу. Поэтому бак с запасом сырья должен быть запроектирован таким образом, чтобы он мог принять не менее 1 тонны пенополистирола. Сырье подводится к шнеку через засыпную воронку. С помощью таких жестких шнеков могут преодолеваться расстояния до 10 м.

 

Повороты, в особенности, с вертикальной подачей хотя и удорожают устройство, но принципиально возможны и допустимы в отдельных случаях. Износ проявляется в незначительной мере. Другим преимуществом является цена и производственные издержки.

 

Б). Гибкие шнеки.

 

В гибкой трубе вращается спираль, свитая из стального прутка. Привод размещен над зоной выноса. Пропускная способность регулируется смещаемой гильзой в зоне втягивания. Передача материала может осуществляться как горизонтально, так и вертикально. При горизонтальной передаче пропускание материала возрастает вдвое. При применении гибких шнеков истирание материала мало. Исходя из этого, они пригодны и для окраски сырьевых материалов.

Поскольку невозможно синхронизировать наполнение бункера предварительного вспенивания и подачу материала, подающая система должна работать в прерывистом режиме. Для автоматической эксплуатации необходимы граничные выключатели уровня заполнения. Обычно такие приборы работают по принципу индукции.

 

Пневматическая подача.

 

а). Инжекторная подача.

 

Для загрузки  в канал подачи может быть использован инжектор. Его всасывающий штуцер является продолжением всасывающей трубы. Для вариации нагрузки (соотношение количества материала к воздуху) целесообразно снабдить штуцер регулируемым дополнительным устройством, большей частью изготовленной в коаксиальной оболочной трубе. Пропускание материала регулируется давлением подающего воздуха. Всасывающая труба просто вставляется в емкость с сырьевым материалом, инжектор всасывает материал и подает его в бункер.

 

Недостатком данного способа транспортировки является высокая скорость подачи. Из-за этого на местах перегиба канала может повреждаться поверхность гранул. Другим недостатком является высокое потребление воздуха и связанные с этим высокие производственные затраты. На современных предприятиях, перерабатывающих пенополистирол, инжекторная подача большей частью заменена на более рациональную, и щадящую материал.

 

б). Воздуходувная подача.

 

При этом материал всасывается в подающий канал от воздуходувки. Воздуходувка монтируется на отсекателе, который одновременно служит буферным бункером. Итак, вся система находится под пониженным давлением. Поэтому часто эта система обозначается как вакуумная подающая система. При начавшемся поступлении разгрузочный клапан из бункера самостоятельно закрывается пониженным давлением. Материал накапливается в отсекателе, а воздух удаляется через фильтр. Системы вакуумной подачи большей частью работаю в прерывистом режиме. Длительность подачи, в зависимости от модификации управляется либо таймером, либо пружиной выпускного клапана. Кроме того, в некоторых моделях имеются выключатели, связанные с уровнем. Скорость подачи при малых диаметрах канала подачи - очень велика. Поэтому, в случае вакуумной подачи речь идет о еще большей степени использования щадящих каналов подачи материала.

 

Как и в случае инжекторной подачи, здесь имеется опасность повреждения поверхности гранул из-за высокой скорости. Появляющийся вследствие этого износ за счет истирания ведет к отложениям на фильтре воздуходувки. Поэтому ряд фирм предлагают системы вакуумной подачи, которые продувают фильтр противотоком воздуха. Вероятность появления неисправностей при этом существенно уменьшается.

1. Транспортировка предварительно вспененного полистирола.

 

Выходящий из устройства предварительного вспенивания расширенный пенополистирол должен транспортироваться в силосы промежуточного хранения, и оттуда по истечении требуемого времени промежуточного хранения -  в производственные силосы. Для этого процесса хорошо проявила себя пневматическая система. Под этой системой понимается транспортирование материала в трубопроводах посредством воздушного потока.

 

Основа пневматической транспортировки.

 

Этот процесс транспортировки может иметь различные формы, например, летящая подача, вихревая подача, поступательная транспортировка, транспортировка в тюках, попеременное отлеживание и завихрение.

 

Существенным параметром для типа потока, наряду с размером, формой и плотностью частиц, является так называемая загрузка. Под ней понимается соотношение поданной в единицу времени массы m  материала к потребляемому в единицу времени количеству воздуха me .Так как материал в большинстве случаев движется по трубопроводу медленнее, чем воздух, загрузка, в общем, равна массовому соотношению обоих сред внутри определенного объема. Однако, при определенных условиях могут приниматься упрощающие предпосылки. Потребность в энергии для пневматической транспортировке складывается из нескольких компонентов, а именно из энергии:

 

• на работу по подъему
• на работу по ускорению частиц
• на покрытие потерь механической энергии вследствие столкновения частиц со стенками и другими частицами
• на покрытие потерь, на трение воздуха о стойки.

 

В нашем расчете предполагается, что работа на подъем настолько мала, что им можно пренебречь, т.е. материал, подлежащий транспортировке относительно легок и трубопроводу, в основном проходят горизонтально.

Воздушный поток для транспортировки вспененного пенополистирола создается в большинстве случаев с помощью воздуходувки или вентилятора. Их характеристики можно представить как соотношение давления подачи P  воздуха к расходу V для постоянного числа оборота n. Если посредством дросселя на воздуходувке меняют расход воздуха, то рабочая точка перемещается вдоль графической характеристики при n = const.

 

В качестве рабочей точки системы устанавливается точка пересечения имеющейся характеристики вентилятора с имеющейся дроссельной кривой, т.е расход воздуха, при котором давление воздуходувки достаточно для преодоления всех потерь давления. Общая потеря давления в системе показывает каким должно быть требуемое давление воздуходувки. В качестве ориентировочных значений для коэффициентов потерь давления можно указать:

 

Сужений или расширений в трубопроводной системе следует по возможности избегать. Уже минимальные изменения поперечного сечения при одинаковом расходе оказывают значительное влияние на потерю давления.

 

2.Загрузочные устройства

Для загрузки пенополистирола в воздушный поток пригодны различные устройства, в зависимости от плотности и времени промежуточного хранения пенополистирола, причем должны соблюдаться определенные границы нагрузки, т.е. объемного соотношения и скорости.

 

А). Продувной лопастной питатель для объемной плотности от 8 до 150 кг/м3, сразу после предварительного вспенивания. Продувной лопастной шпатель особенно щадит пенополистирол, надежен при эксплуатации. Очень хорош для больших потоков пенополистрола.

 

Б).приводимый воздуходувкой инжектор для объемной плотности от 20 до 150 кг/м3 сразу после предварительного вспенивания и для малых и средних потоков пенополистирола до 200кг/час.

В). Пневмотранспортировка вследствие опасности уплотнения и повреждения гранул начиная от объемной плотности 50 кг/м 3 до 150 кг/м3 после промежуточного хранения.

 

Для пневматической транспортировки предварительно вспененного полистирола в большинстве случаев применяют воздуходувки с давлением до 30 мбар.

 

В связи с тем, что  нагрузка, соответственно объемное соотношение при пневматической транспортировке предварительно вспененного полистирола  относительно низкие, долей объема полистирола в общем транспортируемом потоке при первом приближении можно пренебречь, что к тому же дает надежность при выборе вентилятора, т.е. он выбирается несколько более мощным по своему расходу воздуха.

 

Вентилятор выбирается таким образом, что на его графической характеристике при заданной пропускной способности имеется по меньшей мере рассчитанное общее давление. Следует избегать слишком больших размеров вентилятора, так как в зависимости от кривых характеристик получаются слишком высокие скорости потока, которые могут привести к повышению объемной плотности вследствии компрессии материала.

3.Анализ эксплуатации.

 

Даже небольшое комкование может привести к помехам при загрузке материала с помощью инжектора. Поэтому между установкой предварительного вспенивания и мостом загрузки (инжектором) должно быть предусмотрено сито, в случае необходимости, с устройством измельчения. После моста загрузки для ускорения материала должен следовать прямой горизонтальный участок длиной 3,5 - 4,0 м. гибкие шланги приводят к высоким потерям давления. Несколько колен на небольшом расстоянии друг от друга снижают скорость транспортировки и повышают опасность закупорки. Загрузка материала посредством засасывания  и подачи воздуходувкой является технически наиболее простой и почти не подвержена помехам. Даже очень крупные комки материала не мешают транспортировке. В связи с тем, что для скомкованного материала следует ожидать проблемы при изготовлении формованных изделий, так же и здесь целесообразно просеивание. Недостатком при транспортировке материала воздуходувкой является повышение объемной плотности, которая, например, при 20 кг/м 3 составляет приблизительно 2-3 кг/м3. Это уплотнение возникает вследствие соударения предварительно вспененных частиц полистирола с рабочим колесом воздуходувки. Во время последующего отлеживания, фаскообразное отщепление гранул частично восстанавливается, а именно приблизительно на 50 %. На практике это оставшееся уплотнение учитывают  при предварительном вспенивании. При более высокой объемной плотности (более 30 кг/м3) этим нежелательным уплотнением пренебрегают. Трубопроводы воздуходувки используют по возможности в конце транспортировочного трубопровода. Несмотря на это, установка транспортирования должна запускаться всегда порожней, чтобы предотвратить закупорку. Для регулировки загрузки целесообразно предусмотреть второе, регулируемое всасывающее отверстие для воздуха.

 

Как загрузка с помощью инжектора, так и всасывание пенополистирола  воздуходувкой, не пригодны для транспортировки большого количества свежевспененного пенополистирола с низкой объемной плотностью, например, после вторичного вспенивания. Единственной возможностью щадящей транспортировки пенополистирола является продувной лопастной питатель. Это загрузочное устройство имеет свою наибольшую пропускную способность при средних числах оборотов.

 

Предварительное вспенивание полистирола.

 

Обычная переработка полистирола для производства пенополистирола производится в 3 этапа:

 

• предварительное вспенивание
• вторичное вспенивание
• третье вспенивание в отдельных случаях.

 

Пенополистирол состоит из полистирола, термопластичного синтетического материала и углеводородного соединения с низкой точкой кипения - вспенивания. При нагревании полистирол размягчается, одновременно возрастает паровое давление вспенивателя. При этом гранулы увеличиваются в 50 - 60 раз по сравнению с их первоначальным объемом.

 

Источники энергии.

 

Водяной пар как источник энергии имеет две особенности:

 

• при конденсации он высвобождает большое количество тепловой энергии
• он проникает в клетки быстрее, чем может выделяться вспениватель. Расширение полистирола  под воздействием пара делает это средство нагревания идеальным источником энергии.

 

Другие источники энергии, как горячий воздух, вода, микроволны менее рентабельны и не применяются на практике.

 

Теоретически для предварительного вспенивания 1 кг полистирола необходимо затратить 134 кдж тепловой энергии. Эта тепловая энергия обеспечивает 0,006 кг насыщенного пара, который в процессе конденсации выделяют тепло. Фактически расход пара зависит от следующих факторов:

 

• типа изоляции вспенивающего устройства
• значения требуемой объемной плотности
• особенностей предварительного вспенивания данной марки полистирола
• качества пара
• высоты места разгрузки.

 

Влияние этих факторов настолько значительно, что точно рассчитать расход пара невозможно. Фактически расход пара колеблется от 0,15 до 0,4 кг пара на 1 кг полистирола.

 

2. Объемная плотность.

 

Мерой вспенивания служит объемная плотность расширяющихся частиц. Измеряется в кг /м3 и примерно соответствует кажущейся плотности. Различные марки полистирола при предварительном вспенивании достигают различной минимальной объемной плотности. Время, требуемое для достижения полистиролом минимальной объемной плотности варьируется в зависимости от марки полистирола и условий предварительного вспенивания. Низкой объемной плотности (<14 кг/м3) достигают путем повторного (вторичного) вспенивания уже предварительно вспененного полистирола в непрерывно работающих аппаратах.

 

На первом этапе работы добиваются объемной плотности, значение которой в 1,5 раза выше итоговой плотности. После 4-10 часов промежуточного хранения полистирол можно снова подвергать вспениванию. Для подачи предварительного вспененного полистирола в контейнер аппарата предвспенивателя используют шнековые транспортеры, рассчитанные на перемещение от 4 до 100 м3 полистирола в час. Чтобы создать необходимые рабочие условия и следить за постоянством изготавливаемой продукции, нужно производить замеры объемной плотности. На практике применяются ручные и автоматические способы.

 

При ручном способе цилиндрический сосуд с емкостью от 5 до 10 л наполняют предварительно вспененным полистиролом и определяют все и объемную плотность. Пробы материала необходимо брать всегда из одной и той же точки, желательно, в конце конвейера - сушки (при его наличии) и наполнять сосуд при одних и тех же условиях (стряхивание, сбрасывание).

 

При автоматическом способе, подобные измерения материала производятся автоматически с постоянном временным интервалом.

 

3. Методы и устройства предварительного вспенивания.

 

Предварительное вспенивание полистирола может осуществляться с помощью непрерывно и прерывисто работающих аппаратов. Цилиндрические емкости для вспенивания обычно устанавливаются в вертикальном положении.

 

Непрерывно работающие аппараты - вспениватели предназначены для крупных партий поступаемого материала. Сырье и пар непрерывно поступают в контейнер при постоянном помешивании. Для этого необходим насыщенный пар по возможности с низким давлением ( р =0,1-0,3 бар).

 

Полистирол извлекается через отверстие верхней части контейнера. Обычно предел заполняемости у предвспенивателей одинаков, поэтому время пребывания гранул в контейнере зависит исключительно от производительности аппарата. Оптимальное количество пара устанавливается, как правило, только один раз в зависимости от размера емкости.

 

Точная регулировка насыпной плотности производится за счет регулировки оборотов шнекового транспортера подающего материал в емкость. Таким же образом работают аппараты - регуляторы объемной плотности. Оптимальная величина объемной плотности для непрерывно работающего аппарата - вспенивателя составляет 14-16 кг/м3.

 

III. Промежуточное хранение предварительно вспененного полистирола.

 

Физические процессы после предварительного вспенивания.

 

После предварительного вспенивания  гранулы полистирола снова подвергаются воздействию окружающей среды с целью стабилизировать образовавшуюся в результате вспенивания клеточную структуру. Из-за тонких стенок клеток это приводит к быстрому изменению состояния газовой смеси в клетках.

 

  При заниженных показателях состояния перенасыщенности одного из компонентов газовой смеси (сначала воды, затем вспенивателя) начинается процесс конденсации в гранулах, и   внутренне давление быстро падает ниже давления внешней среды.

 

Образовавшаяся при этом разница давлений сначала компенсируется исключительно за счет одновременно нарастающей прочности полимерной структуры гранул. Пониженное давление может быть выровнено только медленно нагнетаемым воздухом  из окружающей среды. При низкой насыпной плотности (тонкие стенки клеток) гранулы только что вспененного материала особенно чувствительны к дополнительному давлению среды (например, при перемещении с помощью пневматики) или к быстрому изменению состояния (охлаждение воздухом). Поэтому предварительно вспененный полистирол непосредственно после вспенивания подвергается стабилизации.

 

В первый раз это происходит непосредственно после вспенивания в вентилируемых бункерах. На практике чаще всего используют бункеры со спиралевидным расположение слоев. Альтернативный способ сушки - это вакуумная сушка. В обоих случаях количество влаги на поверхности гранул должно быть снижено до такого уровня, при котором предварительно вспененный полистирол можно пневматически поместить из предвспенивателя в  бункеры промежуточного хранения, и во время дальнейшего хранения он оставался гигроскопичным. Первый этап стабилизации с помощью сушки приводит к достаточной стабильности полимерной структуры материала.

 

После сушки предварительно вспененный полистирол должен быть осторожно перемещен с помощью пневматики в бункера промежуточного хранения. В этом случае практически всегда используют принцип транспортировки под давлением. Транспортировка гранул с помощью пневматики от сушки до бункера промежуточного хранения можно также рассматривать как дальнейшую простую сушку. Однако, собственно процесс стабилизации полистирола происходит только во время промежуточного хранения.

 

Условия и сроки промежуточного хранения.

 

Промежуточное хранение предварительно вспененного полистирола следует понимать не как хранение в собственном смысле этого слова. По большей части оно служит для стабилизации гранул полистирола, которые после вспенивания обнаруживают некоторую остаточную влажность (< 5%), а при высокой объемной плотности - неподходящее для дальнейшей переработки повышенное содержание вспенивателя.

 

Пониженное давление в гранулах выравнивается в процессе увеличения времени предварительно хранения и  с помощью подаваемого из внешней среды воздуха. Скорость поглощения воздуха зависит при этом от диаметра гранул полистирола, объемной плотности и температуры хранения. Как правило, температура хранения должна соответствовать нормальным условиям окружающей среды, поэтому поглощение воздуха для большинства марок занимает приблизительно 12 часов. При двухступенчатом вспенивании полистирол после первого этапа предварительного хранения  дополнительно от 4 до 8 часов.

 

После промежуточного хранения в ячейках остается воздух, который значительно повышает стабильность гранул, что является важным условием дальнейшей переработки, особенно для полистирола с низкой объемной плотностью. Так, например, полистирол, выдержавший сроки предварительного хранения, можно перемещать с помощью пневматического транспортера без ущерба его объемной плотности. В то же время воздух в клетках при последующем вспенивании способствует увеличению объема под воздействие тепла. Непродолжительное, и тем самым, плохое поглощение воздуха при низкой насыпной плотности приводит к тому, что полистирол после вторичного вспенивания не будет обладать достаточной механической стабильностью или не будет достигнута требуемая минимальная объемная плотность.

 

При растущих сроках промежуточного хранения гранулы полистирола выделяют вспениватель. По сравнению с поглощением воздуха этот процесс требует значительно больше времени, при этом количество выделяемого вспенивателя зависит от проницаемости полимерной структуры. Чересчур большая потеря вспенивателя при низкой насыпной плотности полистирола приводит к тому, что, несмотря на завершение процесса поглощения воздуха, уже не может образовываться достаточно прочная структура материала. Однако, принимая во внимание дальнейшее вторичное вспенивание гранул полистирола, потеря вспенивателя может быть в определенной степени желательна, особенно, когда речь идет о переработке материала с высокой объемной плотностью (характерная особенность сырья некоторых отечественных производителей).

 

При высокой объемной плотности продукт обнаруживает достаточную механическую стабильность, однако, с точки зрения технологии переработки, содержит еще слишком много вспенивателя. Короткие сроки промежуточного хранения могут привести к тому, что после вторичного вспенивания может образоваться весьма неоднородный по своим качествам материал. Упрощая, можно сказать, что материал с высокой объемной плотностью, как правило, хранится дольше того времени, которое требуется для промежуточного хранения, в то время, как материал с низкой объемной плотностью перерабатывается после непродолжительных сроков хранения, то есть до наступления чрезмерной потери вспенивателя. И в том, и в другом случаях остаточная влажность снижается до приемлемого с точки зрения технологии обработки уровня, так что при дальнейшей переработке с этим не возникает проблем. Наличие остаточной влажности материала перед вторичным вспениванием с показателем 0,5-1% от общего веса желательно. На практике в процессе промышленного производства едва ли можно было бы придерживаться идеальных сроков промежуточного хранения - даже если бы они были точно известны. Требуется, чтобы продукт мог сразу подвергаться переработке, затратив как можно меньше времени на промежуточное хранение, и чтобы при этом его свойства не изменились. В наше время это можно достигнуть только за счет высокого качества сырья. При объемной плотности в пределах от 15 до 20 кг /м3 время, затраченное на промежуточное хранение, составит от 12 до 24 часов. Простой способ добиться сокращения времени промежуточного хранения очередной партии предварительно вспененного материала - это контролируемое добавление в продукт размолотого материала. Однако, необходимо учитывать, что это может отразиться на свойствах материала  в процессе дальнейшей переработки.

3.Бункера промежуточного хранения.

Для каждой марки полистирола, как и для материалов с разной объемной плотностью в наличие должны быть  специальные бункеры. Бункер должен вмещать от 2 до 2,5 объема дневной продукции. Несколько небольших бункеров предпочтительней, чем один большой, так как это удобнее при переработке. Бункеры промежуточного хранения, расположенные в закрытых помещениях в поперечном сечении представляют собой квадрат или прямоугольник - такая форма позволяет экономить место на предприятии. Высота их превышает в несколько раз самую большую длину сторон. К низу бункера принимают форму конуса (30-45 градусов). Ассиметричные сточные отверстия тоже имеют свои преимущества. Высокие и узкие  бункеры способны обеспечить равномерное стекание продукта.

 

Внутренняя часть бункера чаще всего изготавливается из воздухопроницаемой ткани, например, джута, который за счет естественного баланса влажности защищает от электростатического напряжения. Хорошо подходят ткани из искусственных материалов, снабженные способностью проводить ток металлической нитью. Бункеры помещают в заземленные металлические цилиндры или в деревянные каркасы. Для пола бункера, работающего как сточное отверстие, подходят хорошо проницаемые материалы (например,  ткань или металл, используемые по принципу сита), через которые способен вытечь вспениватель.

 

При устройстве входного устройства в бункере необходимо учитывать, что гранулам пенополистирола нужна длинная, свободная траектория падения. Это достигается за счет подачи материала под углом.

 

Помещения, где установлены бункеры, должны быть снабжены системой вентиляции, чтобы избежать образования взрывоопасных газов. Целесообразным является также откачивание воздуха в нижней части помещения. Эффективность мер должна контролироваться с помощью газовых датчиков. Чтобы предотвратить воспламенение, образующейся в процессе промежуточного хранения газовой смеси воздуха и вспенивателя, в помещении запрещается курить и использовать открытый огонь.