Шило В А Автореферат Виробництво пінополіуретену

Роль полімерів в сучасній техніці, а точніше у всіх сферах діяльності людини, дуже велика. Недаремно 20 вік називали століттям полімерів. До пластмас відносяться матеріали, основу яких складають полімери. За короткий період полімери набули широкого поширення практично у всіх областях промисловості і будівництва.

Актуальність теми

Питання математичного моделювання процесів полімеризації висвітлені в літературі і реалізовані на практиці не у тому ступені, як процеси отримання низькомолекулярних речовин, що пов'язане з недостатньою розробкою физико-молекулярних основ цих складних процесів, теорії розрахунку молекулярної і надмолекулярної структури полімерів що визначає комплекс їх физико-механічних і реологій властивостей. Проведення робіт по моделюванню полімеризацій процесів вимагає певній систематизації відомостей по математичному опису, включаючи чисельні значення констант, точнеопис умов і т.д. Ступінь подробиці таких моделей залежить істотно від їх призначення і обмежень області використання. При побудові математичних описів можуть використовуватися як "теоретичні" детерміновані і стохастичні, так і напівемпіричні моделі. Завдання побудови адекватної моделі є не що інше, як завдання вибору - серед сукупності тих, що конкурують - моделі, найкращим чином що відображає експериментальні дані. При цьому ніколи не виключається можливість існування деякій інший моделі, що детальніше відображає механізм процесу і, отже, більшою описовою силою, що володіє.

Мета роботи

Метою магістерської роботи є створення електронної системи управління технологічним процесом виробництва жорсткого заливального пенополіуретана (ППУ). Дана електронна система дозволить контролювати параметри процесу виробництва заливального ППУ, діагностувати технічний стан основних вузлів, виполнять захисний-блокувальні функції, а також вести диспетчерський облік споживання сировини і продукції, що випускається.

Розгорнений зміст магістерської роботи

Введення
1. Аналіз стану досліджуваного питання.
    1.1. Аналіз існуючих систем виробництва пенополіуретана.
    1.2. Цілі і завдання дослідження.
2. Розробка математичної моделі технологічного процесу.
    2.1. Розробка математичної моделі планування.
           2.1.1. Вибір і обгрунтування методу планування.
    2.2. Практичне застосування математичної моделі.
3. Опробиваніє розробленої математичної моделі і аналіз результатів.
4. Розробка електронної системи управління технологічним процесом виробництва пенополіуретана.
    4.1. Вимога до системи в цілому.
           4.1.1. Вимозі до структури і функціонування системи.
           4.1.2. Вимога до збереження інформації при аваріях.
    4.2. Вимога до функцій, що виконуються системою.
    4.3. Вимога до видів пробеспеченіє.
          4.3.1. Вимога до інформаційного забезпечення.
          4.3.2. Вимога до програмного забезпечення.
          4.3.3. Вимога до технічного забезпечення.
          4.3.4. Вимога до математичного забезпечення.
5. Взаємодія розробленої системи з іншими системами.
Виводи про виконану роботу.
Список використовуваних джерел.

Очікувані результати і ступінь їх новизни

Строгий контроль за точним дотриманням всіх параметрів технологічного процесу сприяє отриманню ППУ високої якості. Для кожної композиції ППУ повинен бути відпрацьований оптимальний технологічний режим спінювання і окрема рецептура по початкових компонентах. Неякісне змішення початкових компонентів може привести до освіти крупноячєїстой структури ППУ, появі крихкості і іноді до спаду піни; надмірне тривале змішення знижує вспеніваємость. З використанням комп'ютерної техніки в процесі літьевого формування з'являється можливість течно задавати, контролювати і регулювати програмно наступні технологічні параметри: температуру початкових компонентів, теплоносія; тиск у витратних ємкостях і головці змішувача; тривалість окремих технологічних і допоміжних операцій; масові витрати компонентів, їх співвідношення; рівень заповненої ємкісних апаратів. При формуванні ППУ важко добитися рівномірної щільності композиції, що заливається, унаслідок ущільнення ППУ по поверхні і краям форми. На цих ділянках осередки виходять замість сферичних витягнутими у напрямі спінювання.

Аналіз досліджуваного питання по утвержденой темі

Виробництво ППУ в умовах ЗАО "НОРД"производится на установці, укомплектованою і поставленою італійською фірмою "Cannon"в 2001 року. Розробником технологічного процесу і виготівником основного устаткування є фірми "Cannon" і "Afros" . Установка складається з двох технологічних ліній: з ручною заливкою сировини у форми і з автоматичною. Основне технологічне устаткування - вспенівающая машина моделі "Cannon" серії A-System 100, максимальна продуктивність - 90 кг/мін. Процес виробництва заливального ППУ на даній установці має наступну послідовність: компоненти А, В насосами дозувань з сховищ по трубопроводах закачуються у відповідні витратні ємкості машини спінювання. Насоси перекладаються з рециркуляциі на заповнення витратних ємкостей шляхом перемикання замочної арматури, розташованої безпосередньо у витратних ємкостей. Заповнення витратних ємкостей контролюється по водомірних стеклах. На головному щиті управління при максимальном рівні у витратних ємкостях спрацьовує світлова сигналізація. Після заповнення насоси перемикаються в режим рециркуляциі сировини в сховищах, а у витратні ємкості подається осушене повітря тиском до 0,4 Мпа (4кгс/см2). Тиск в ємкостях контролюється візуально на манометрах. Після заповнення сировина термостатіруєтся до температури 20-220С. Температура регулюється автоматично і контролюється приладами TERMOTRONIC. Продуктивність насосів дозувань встановлюється за допомогою лімбів по кожному компоненту відповідно до заданого масового співвідношення компонентів. Кнопки включення і виключення насосів дозувань розташовані на електрощиті управління. На головному щиті управління світловою цифровою індикацією контролюється об'ємна продуктивність насосів дозувань по кожному компоненту і об'ємне співвідношення компонентів А, В. Объемное кількість компонентів, що подається в 1 секунду, з урахуванням щільності, перераховується в масове і потім определяєтся масове співвідношення. Виходячи з об'єму форм, встановленої продуктивності насосів дозувань і необхідної щільності виробу, що здається, розраховується об'єм заливки для кожної форми і встановлюється уручну на відповідному індикаторі. Заливка у форму відбувається по натисненню кнопки "Заливка" на пульті управління. Після заповнення форму швидко закривають кришкою і щільно замикають. Залиті форми витримуються протягом 15-20 хвилин. Після закінчення часу витримки форми відкриваються уручну або автоматично розмикаються і виріб обережно витягується. Для визрівання вироби витримують у вентильованому приміщенні протягом 24 годин при кімнатній температурі. В процесі визрівання відбувається остаточне затвердіння матеріалу, заміна двоокису вуглецю в осередках на повітря.

Результати теоретичних досліджень

Жорсткий заливальний пенополіуретан є вспененний матеріалом з неоднорідною комірчастою структурою, який отримують у вигляді блоків по розмірах літьевих форм з допуском на усадку 40 мм, щільністю від 17 до 35 кг/м3. Застосовується в меблевій, автомобільній промисловості, а також як теплоізоляційний і амортизуючий матеріал в різних областях народного господарства і промисловості.

До справжнього моменту освоєно багато способів виробництва ППУ. Це значно розширює технологічні можливості їх використання і дозволяє у кожному конкретному випадку застосувати спосіб, який найбільшою мірою відповідає вимогам конструкції, можливостям виробництва, устаткуванню, що є в наявності, і економічним міркуванням. Найбільш поширеним в промисловості способом виробництва ППУ є спосіб періодичною заливкою, в якому розрізняють дві технології виробництва: одиничне дозування і метод маткової суміші. В умовах ЗАТ "НОРД" прийнята технология виробництва ППУ по методу маткової суміші.

Технологічний процес виробництва ППУ по методу маткової суміші - це багатостадійний процес, який можна розділити на декілька послідовних модулів:

Малюнок 1 - Технологічний процес виробництва ППУ

Модуль "підготовка" полягає в тому, що витратні ємкості заповнюються компонентами композиційної суміші. ППУ отримують в результаті змішення основних компонентів: поліефіра, який містить гідроксильну групу OH і легко взаємодіє з ізоцианатамі; ТДІ (толуїлендіїзоцианат), який містить ізоцианатную групу -N=C=O з високим ступенем ненасиченості і легко вступає у взаємодію із з'єднаннями, що містять атоми водню. А також добавок і каталізаторів: аміну - каталізатор, який прискорює реакції взаємодії ізоцианатов і з водою, і з гидроксилсодержащимі з'єднаннями; води - вспенівающий агент, який при взаємодії з ізоцианатнимі групами виділяє вуглекислий газ, який в е р бспеніваєт композицію; силіконове масло, призначено для стабілізації піни; октоат олова - використовують для прискорення реакції між ізоцианатом і простим поліефіром, і щоб в'язкість маси швидко збільшувалася, а газ міг залишатися в піні.

При періодичному способі виробництва ППУ існує технологія виробництва по методу маткової суміші. Цей метод полягає в тому, що необхідно заздалегідь підготувати маткову суміш (компонент А). Ця суміш готується з поліефіра, води, силіконового масла і аміну.

Модуль "дозування і змішення" полягає в тому, що в головку змішувача дозуються, а потім змішуються компоненти композиційній суміші.

Модуль "заливка у форму" - отримана композиційна суміш транспортується в літьевую форму для подальшого структуризації.

У модулі "визрівання" відбувається спінювання і затвердіння композиційної суміші в літьевой формі.

Модуль "вторинна переробка" - відходи подрібнюються на дробильній машині і подаються в барабан змішувача. Там отримані при подрібненні пластівці змішуються із спеціальним клеєм глютеном - суміш поліефіра і ТДІ. Потім отримана суміш заливається в прес-форму. Після закінчення часу визрівання блок витягують з літьевой форми, розрізають на листи і відправляють на склад у вигляді готової продукції - вторинний заливальний ППУ.

Основними технологічними модулями, що визначають структурні і реології характеристики кінцевої продукції є "дозування і змішення" і "визрівання".

Модуль "дозування і змішення". Якість ППУ в даному модулі визначається витримкою рецептури і технологічних параметрів, вузьких в температурному діапазоні і при високому тиску.

Загальна кількість композ, що дозуєтьсяіционной суміші визначається розміром вибраної форми. Це загальна кількість розраховується таким чином:

Дозуюча для Змішувача установка призначена для дозованої подачі компонентів реакційної суміші в змішувач головку, ретельного перемішування цих компонентів і подальшого транспортування композиційної суміші у форму в відповідності з необхідними температурними, напірний-витратними і тимчасовими режимами технологічного процесу.

Малюнок 2. Дозуюча для Змішувача установка

Підготовлені до змішення компоненти для виробництва ППУ термостатіруются до температури 20-220С у витратних ємкостях А, В, а потім дозують за допомогою насосів дозувань 1,2 в певному співвідношенні через розподільники потоків і інжекційні сопла із швидкістю 100-200 м/с в головку змішувача 4. Струмені компонентів під тиском 10-20МПа (100-200кгс/см2) соударяются між собою і із стінками головки змішувача, утворюючи турбулентні потоки з безліччю завихрень, розбиваються на велике число шарів - страт з розвиненою поверхнею контакту, інтенсивно перемішуються в режимі турбулентного масообміну, а потім через вихідне сопло композиційна суміш транспортується в літьевую форму в режимі ламінарного течії із швидкістю 2-8 м/с. Процес змішення відбувається унаслідок дії на систему "полімер - компоненти" напруги зрушення, що виникає в результаті деформації системи під дією зовнішніх сил, прикладених до її меж. Головним моментом, в даному випадку, являєтся величина зовнішніх сил взаємодії, які визначаються величиною сил в'язкого тертя. Отже, процес деформації системи протікатиме тим інтенсивніше, чим вище величина в'язкості. Природно, що і збільшення гідростатичного тиску приводить до зростання в'язкості, і теж сприяє інтенсифікації процесу деформації системи. У даному модулі управління процесом подачі і змішення компонентів повинне відбуватися в строгій послідовності і в часі, і відповідно до рецептури. У модулі "визрівання", відбувається спінювання і затвердіння композиційної суміші. Початкова композиція, що заливається в літьевую форму, починає відразу вспеніваться. Утворення піни відбувається у декілька етапів. Першим етапом при отриманні піни є утворення вуглекислого газу, за рахунок якого в композиційній суміші швидко утворюються незліченна безліч крихітних бульбашок. На малюнку 3 представлені очікувані закономірності утворення бульбашок:

Малюнок 3 - Зміненийіє концентрації газу в суміші, утворення бульбашок і зростання пір.

Даний графік застосовується для опису утворення поліуретанових пен. У інтервалі часі, відповідному зоні I, концентрація газу в суміші перевищує рівноважну концентрацію насичення - суміш стає перенасиченою і досягає такої концентрації, при якій починається самозародження бульбашок з одночасно швидким утворенням піни. Утворення бульбашок продовжуватиметься до тих пір, поки концентрація газу знаходиться в межі зони II. Потім концентрація газу зменшується за рахунок утворення нових бульбашок і за рахунок дифузії газу в бульбашки, що раніше утворилися (зона III). Концентрація газу зменшуватиметься до тих пір, поки не встановиться рівноважна концентрація насичення змішай газом. Починаючи з цього моменту, бульбашки ростуть тільки за рахунок дифузії газу з менших бульбашок у великих або за рахунок злиття бульбашок. Після цього відбувається затвердіння композиції і спостерігається зміна властивостей реологій - зростає в'язкість і пружність. Технологічними параметрамистадії визрівання, що визначають продуктивність процесу і якість ППУ, є тривалість циклу структуризації в літьевой формі. Оптимальною тривалістю затвердіння в літьевой формі є досягнення в кінці циклу такого ступеня структуризації, при якому піноблок можна витягувати з літьевой форми без деформації і порушення його сплошності. Тривалість структуризації ППУ складає 20-25 хвилин. Після витягання піноблоку з літьевой форми в нім продовжує протікати хімічні реакції і фізичні процеси фазової впорядкованості. Відбувається видалення пари ізоцианата, заміна двоокису вуглецю в порах на повітря, що сприяє підвищенню физико-механічних показників готового виробу. Враховуючи, що з'являється можливість управляти процесом виробництва блокового ППУ, запрограмованим в стадії в часі, із строгим виконанням регламенту, як по дозуванню, так і по змішуванню компонентів, то рекомендується створити електронну систему управленія технологічним процесом виробництва заливного ППУ

Імітація процесу запінення холодильної шафи:
1 .В'їзд холодтльника на конвєєр.
2. Під'їзд до заливальної головки.
3. Опускання заливальної головки і здійснення вприску.
4. Проходження процесу полімеризації.
5. Витягання готової шафи.

Список використовуваної літератури

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