И оборудование утилизации обрезиненного кордного волокна изношенных шин
На правах рукописи
Дорж Оюунчимэг
Технология и оборудование утилизации обрезиненного кордного волокна изношенных шин
05.17.08. – Процессы и аппараты химических технологий
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Иваново - 2007
Работа выполнена в Ивановском государственном химико-технологическом университете (ИГХТУ)
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор Блиничев Валерьян Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Тимонин Александр Семенович (Московский государственный университет инженерной экологии)
доктор технических наук, профессор Лапшин Владимир Борисович (Ивановская государственная сельскохозяйственная академия)
Ведущая организация: Ивановская государственная текстильная академия (ИГТА), г. Иваново
Защита диссертации состоится «04» июля 2007 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.05 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000 г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет».
Автореферат разослан « » 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Зуева Г. А.
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Существуют данные, известные далеко не всем, но весьма впечатляющие: ежегодно в мире остается около 1 миллиарда использованных автопокрышек. Вследствие экономического развития наблюдается тенденция долгосрочного роста поступлений изношенных шин.
Проблема переработки изношенных шин и вышедших из эксплуатации резинотехнических изделий имеет большое экологическое и экономическое значение для всех развитых стран мира.
Шины представляют собой уникальное утильсырье. Резина и кордное волокно шин в процессе эксплуатации подвергаются изменениям, однако их свойства остаются относительно близкими к первоначальным.
С момента внедрения механического способа отделения кордного волокна от резины на регенератных заводах стали накапливаться большие запасы этого волокна. Содержание резины в волокне доходит до 40-55%.
Утилизация такого волокна возможна лишь в том случае, если будет создано условие для надежного отделения прочно соединенной резины от кордных волокон.
В этой связи целью настоящей работы является разработка технологии и оборудования для отрыва резины от волокна и разделения резинотканевой смеси на отдельные составляющие: тонкодисперсную резиновую крошку и распушенное кордное волокно.
Методы исследований. Экспериментальные и теоретические исследования проводились на базе кафедры МАХП Ивановского государственного химико-технологического университета с использованием современной измерительной аппаратуры. Использовались стандартные методики и компьютерные методы обработки полученных экспериментальных данных.
Научная новизна работы:
- Предложена новая технология переработки обрезиненных тканевых отходов, образующихся в процессе валкового измельчения изношенных шин. Данная технология состоит из трех операций:
а) ударно-отражательное измельчение тканевых отходов с целью отрыва частиц резины от кордных волокон;
б) вырыв (освобождение) частиц резины из распушенного волокна с помощью специально созданного расчесывающего устройства;
в) виброразделение резино-волокнистой смеси на резиновую крошку и ватообразное кордное волокно.
- Теоретически найдена скорость однократного ударного нагружения, при которой происходит разрушение резин.
Получена эмпирическая зависимость вероятности разрушения резины и отрыва ее от кордных нитей от скорости ударного нагружения в двухступенчатой мельнице ударно-отражательного действия.
- Найдены оптимальные режимы измельчения обрезиненных тканевых отходов в мельнице ударно-отражательного действия, обеспечивающие 100% вероятность отрыва резиновой крошки от волокон.
- Определены режимно-конструктивные параметры разработанного расчесывающего устройства (оптимальные длина иголок, шаг между ними, число рядов игл и разность скоростей вращения валков).
- Экспериментально найдена зависимость усилия разрыва смеси распушенного кордного волокна и резиновой крошки от шага между иглами и высоты разрываемого слоя.
- Получены зависимости скоростей движения распушенного кордного волокна и слоя резиновой крошки от амплитудно-частотных характеристик и угла наклона виброрешетки.
- Найдена зависимость эффективности разделения смеси распушенного волокна и резиновой крошки на составляющие от амплитудно-частотных характеристик колебания виброрешетки и ее длины.
Практическая значимость:
- Найдены способ и конструкция измельчителя, обеспечивающие высокую эффективность отрыва резины от обрезиненных кордных нитей.
- Разработана конструкция расчесывающего, разрыхляющего устройства, вырывающего запутавшуюся резиновую крошку из распушенного кордного волокна.
- Разработана методика расчета потребляемой мощности расчесывающего, разрыхляющего устройства.
- Найдены оптимальные режимы работы виброрешетки для разделения смеси на распушенное волокно и резиновую крошку.
- Разработана методика расчета вибросита (виброгрохота).
Автор защищает:
- Технологию переработки обрезиненных тканевых отходов, образующихся в процессе валкового измельчения изношенных шин.
- Результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволяющие осуществить 100% отрыв резины от кордного волокна.
- Конструкцию и оптимизацию разрыхляющего устройства для волокнистого материала.
- Процесс виброразделения резинотканевой смеси: гидродинамику движения измельченной резинокордной смеси, кинетику виброразделения.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы были представлены и обсуждены на: VII Международной научной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования». Иваново, 2005г; VI Региональной студенческой научной конференции «Фундаментальные науки – специалисту нового века». Иваново, 2006г; Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2007). Иваново, 2007; Международной конференции по химической технологии (посвящается 100-летию со дня рождения академика Николая Михайлова Жаворонкова). Москва, 2007; IV Международной научно-практической конференции “Экологические проблемы индустриальных мегаполисов”. Москва, 2007; студенческой научной конференции «Дни науки-2007». Иваново, 2007.
По результатам проведенной работы опубликованы 7 научных работ, из них 1 статья в журнале «Известия вузов. Химия и химическая технология», 6 тезисов докладов конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора (глава 1), изложения результатов исследований (2,3,4 главы) и выводов общим объемом 130 страниц машинописного текста (в том числе 34 рисунков, 15 таблиц, списка использованной литературы из 102 наименования).
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность работы, отмечены научная новизна и практическая значимость исследования.
Первая глава посвящена обзору научных работ, в которой рассматриваются проблемы переработки изношенных шин и их вторичного использования.
В литературном обзоре рассмотрены два основных вопроса:
первый – связанный с аспектами проблемы, т.е. состоянием и перспективой переработки изношенных автомобильных шин и потребления регенерата;
- второй – связанный с проблемой переработки волокна кордных нитей, частично утративших свои ценные качества, и вторичного их использования в различных отраслях промышленности.
Анализ литературных источников показал, что по существующим технологиям переработки изношенных шин резиновая крошка и кордное волокно могут использоваться только в чистом виде.
Однако при переработке изношенных шин механическим способом резиновая крошка получается сравнительно чистой, а кордное волокно получается очень загрязненным и практически не очищенным от резины (содержание около 50% по массе). На регенератных заводах (например, Чеховском Моск. обл.) накоплено большое количество кордного волокна, загрязненного прочно соединенной с ним резиной (рис.1). В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе нет сведений о способах переработки или использования кордного волокна, содержащего такое количество резины. На этой основе сформулированы цели и задачи исследований.
 а) |  б) |
 в) |  г) |
| Рис.1. Составляющие компоненты отходов текстильного корда: а) чистые волокна; б) обрезиненные волокна; в) агрегаты; г) резиновая крошка. | |
Вторая глава – посвящена исследованиям процесса отрыва резиновой крошки от кордных волокон путем измельчения.
В работах Кольского Г. и Бидермана В. Л. связь между максимальными напряжениями и усилиями при ударном нагружении описана следующими уравнениями
(1)
=0,84
, (2)
используя которые, мы получили выражение для расчета критической скорости ударного нагружения
(3)
где к1 =((1-12)/Е1+(1-22)/Е2); 1 – плотность резины, г/см3; 1, 2 – коэффициенты Пуассона для резины и материала ударного элемента мельницы, соответственно.
Учитывая, что при ударном нагружении главным напряжением является касательное напряжение сдвига, то вместо предела растяжения раст подставляем касательное напряжение, равное
, (4)
получим
. (5)
Критическая скорость, рассчитанная по формуле (3), необходимая для разрушения резины при однократном ударном нагружении, составляет 120 м/с.
Механизм ударно-сдвигового разрушения обрезиненных волокон представлен на рис.2.
Предварительно проведенные нами исследования, а также теоретические предпосылки свидетельствуют о том, что в высокоскоростных машинах ударно-отражательного типа, имеющих била и отбойники, возможно создание максимальных касательных напряжений, больших предела прочности резины и сил адгезионной связи резины с волокном.
Экспериментальные исследования процесса ударно-отражательного измельчения – отрыва резиновой крошки от волокна проводились нами на двух экспериментальных установках.
 а) |  б) |
| Рис.2. Механизм разрушения обрезиненных кордных волокон. | |
| а) Напряженное состояние частицы при соударении с поверхностью ударного элемента. | б) Механизм ударно- сдвигового разрушения частиц резины в мельнице ударно-отражательного действия. |
Первая экспериментальная установка, представленная на рис.3, позволяла проводить измельчение при разных линейных скоростях ударных элементов двухроторного лабораторного измельчителя.
Эффективность процесса измельчения оценивалась по значению коэффициента эффективности отрыва, равного
Кэ=Gi/Go (6)
где Gi – количество оторванной резины, Go – начальное количество резины, прочно соединенной с волокном.
Результаты экспериментальных исследований представлены на рис.4.
Из рис.4 наглядно видно, что даже при максимальной скорости ударного нагружения второго ротора мельницы, равной 65м/с, эффективность отрыва резины от волокна составляет только 50%.
Рис.3. Схема установки для измельчения кордного волокна:
1 – мельница; 2 – электродвигатель; 3 – мультипликатор; 4 – щит питателя;
5- тахометр; 6 – питатель; 7 – циклон; 8 – сборник измельченного материала.
Многократное пропускание (до 5 раз) исходного материала через первую мельницу не позволило решить проблему полного отрыва резины от волокна, что подтвердило наши теоретические исследования, которые свидетельствовали о необходимости создания больших линейных скоростей ударного нагружения для разрушения резины.
 | Рис.4. Коэффициент эффективности отрыва резины от кордных волокон в зависимости от скорости ударного нагружения при разных числах пропусков через мельницу: 1 – nпр=1; 2 – nпр=2; 3 – nпр=3; 4 – nпр=4; 5 – nпр=5. |
Обработка экспериментальных данных, полученных на первой экспериментальной установке, позволила получить эмпирическую зависимость эффективности отрыва резины от волокна от относительной скорости ударного нагружения
Кэ = 0,22
(7)
Vнагр- текущая скорость ударного нагружения, м/с; V
- минимальная скорость ударного нагружения, равной 30м/с.
По полученной нами формуле (7) коэффициент эффективности отрыва резиновой крошки от кордного волокна можно определить с погрешностью ±5,5%.
Формула (7) действительна при скоростях ударного нагружения до 96м/с.
Дальнейшие исследования процесса измельчения на второй экспериментальной двухроторной установке показали, что при линейной скорости бил обоих роторов, равной 95м/с, резина полностью отрывается от кордного волокна, которое при измельчении интенсивно распушается, приобретая ватообразный вид.
Третья глава – посвящена разработке устройства для разрыхления измельченной резинокордной смеси.
В процессе обработки исходного материала в измельчителе резиновая крошка отрывается от волокон, но достаточно интенсивно запутывается в турбулентных потоках ватообразной массы распушенного волокна.
Как показали исследования кинетики разделения резинокордной смеси, эффективность выделения резиновой крошки из смеси, полученной на выходе из мельницы, даже при малых толщинах слоя материала (610мм) и большом времени пребывания на виброгрохоте 20с и более не превышает 15-30%.
Данные исследования показали, что для решения проблемы надежного разделения смеси резиновой крошки и распушенного волокна с эффективностью разделения не менее 90% необходимо разработать дополнительное устройство для разрушения прочной связи между кордным волокном и запутавшейся в нем резиновой крошкой.
Анализ конструкций чесальных и трепальных машин показывает, что их использование не решит проблему надежного выделения резиновой крошки из распушенного волокна, поэтому нами проведены исследования по созданию эффективной и простой по конструкции машины для решения этой задачи.
Для разрушения прочной связи между кордными волокнами и частицами резиновой крошки нами было разработано разрыхляющее устройство, представленное на рис.5.
Основу разрыхляющего-разрывающего устройства составляют два валка (быстроходный – 2 и тихоходный -3) с иглами 4, вращающихся с разными угловыми скоростями навстречу друг другу. Исходная смесь подается на эти валки с помощью дозирующих рифленых валков 1.
Для освобождения резиновой крошки из волокна экспериментально были найдены оптимальная разница между линейными скоростями движения игл тихоходного и быстроходного валков, длина игл, число рядов игл и шаг между ними.
 |  |
| Рис.5. Схема разрыхляющего устройства: 1 – валки питателя-формирователя; 2- быстроходный; 3- тихоходный валки; 4 - разрыхляющие иглы. | Рис.6. Установка для определения разрывных усилий в смеси: 1 – верхняя прижимная плита; 2 – нижняя плита (станина); 3 – щели для игл; 4 – держатель иглы; 5 – игла; 6 – исследуемый образец материала. |
Найденная линейная скорость игл тихоходного валка составила 3,3м/с, быстроходного валка 23,2м/с, высота игл hи=8 мм; шаг между иглами по длине валка tи=10 мм; число рядов по диаметру валка zи=8. При этих полученных нами параметрах разрыхляющего-разрывающего устройства запутавшаяся резиновая крошка легко освобождалась из распушенных волокон и далее эффективно отделялась от них на вибросите.
Для создания метода расчета потребляемой мощности разрыхляющего-разрывающего устройства большой интерес представляет знание максимальных усилий разрыва резиноволокнистой смеси. Для определения таких усилий при малых скоростях сдвига была изготовлена специальная экспериментальная установка, представленная на рис.6.
Результаты проведенных исследований по определению усилий разрыва в зависимости от высоты разрываемого слоя и шага между иголками представлены на рис.7.
Как видно из рис.7, с увеличением шага между разрывающими иголками разрывное усилие линейно падает и растет прямо пропорционально толщине слоя материала.
 | Рис.7. Разрывное усилие кордного волокна в зависимости от шага между разрывающими иглами при разных толщинах слоя материала: 1 – h =15мм; 2 – h =20мм; 3 – h =25мм; 4 - h =30мм. |
Потребляемая мощность разрыхляющих валков с учетом экспериментально найденного разрывного усилия Рэ будет равна
Мсопр.сум = Pдин · R · nр, (8) Pдин = Pэ. · кдин, (9)
Nразр = Мсопр.сум · б = Pэ. · кдин · R · nр · б (10)
где Мсопр.сум. – суммарный момент сопротивления разрываемого материала, Нм; б – окружная скорость быстроходного валка, с-1; R – расстояние от центра валка до иглы, м; nр= 11 – число иголок в ряду; Pдин – динамическое усилие, действующее на иглу, Н, кдин – динамический коэффициент; Pэ – статическое усилие разрыва резинокордной смеси, полученное экспериментальным путем.
Четвертая глава – посвящена вибрационному разделению измельченной и разрыхленной резинокордной смеси.
Анализ литературных источников показывает, что исследований по эффективному разделению таких композиционных материалов, как смесь измельченных волокон корда с резиновой крошкой, практически не имеется.
К сожалению, необходимо отметить, что закономерности движения композиционного материала - распушенные волокна и резиновая крошка под действием вибрации практически не изучены, особенно, учитывая то обстоятельство, что в нашем случае объемное содержание распушенных волокон составляет более 90% (массовые доли содержания волокон и крошки примерно равны друг другу).
Предварительные исследования, проведенные нами, показывают, что наиболее простым способом отделения резиновой крошки от распушенного волокна является виброразделение.
В этой связи одной из первых задач исследования закономерностей виброразделения вышеупомянутого композиционного материала явилось изучение характера и скоростей движения отдельно волокнистого материала, резиновой крошки, а также их смесей при различных режимах вибрации.
Расчет скорости движения частиц резины и распушенного волокна по вибрирующей поверхности по уравнениям, имеющимся в литературе типа уравнения (9) показал, что расчетные значения скоростей далеко не соответствуют их экспериментальным значениям.
(11)
Без знания действительных скоростей движения разделяемых компонентов невозможно создать метод расчета виброразделяющего устройства.
В этой связи первой решаемой задачей в главе 4 явилось экспериментальное исследование скоростей движения распушенного волокна, резиновой крошки и их смесей в зависимости от амплитудно-частотных характеристик и угла наклона виброрешетки.
Экспериментальные исследования по определению линейных скоростей движения отдельных компонентов резинокордной смеси вдоль горизонтальной оси виброгрохота проводились при разных амплитудах (А=3,58мм) и частотах вибрации (=188377с-1), а также при разных углах наклона (=12о28о) вибрационного сита.
 |  |
Рис.8. Зависимость скорости движения кордного волокна и резиновой крошки от амплитудно-частотных характеристик виброгрохота при разных углах наклона (): 1 - = 12о; 2 - = 20о; 3 - = 28о.
а) кордное волокно б) резиновая крошка.
Как видно из представленных данных на рис.8, зависимость скорости движения кордного волокна от амплитудно-частотных характеристик носит линейный, а резиновой крошки нелинейный характер. При этом скорость движения резиновой крошки всегда превышала скорость движения кордного волокна.
При обработке результатов исследований нами получены эмпирические зависимости линейных скоростей движения каждого из этих материалов от амплитудно-частотных характеристик и угла наклона вибросита.
(12)
(13)
где Vвол.,Vрез. – линейные скорости движения кордного волокна и резиновой крошки, м/с; А – амплитуда колебания, м; - частота колебания, с-1; - угол наклона виброгрохота, град.
Уравнения проверены в диапазоне изменения амплитуды колебания от 2 до 8 мм; частоты колебаний от 93 до 380 с-1; угле наклона от 5 до 28о.
Относительная погрешность между расчетными значениями по уравнениям (12,13) и экспериментальными данными составляет ±15%.
На эффективность выделения резиновой крошки из смеси, кроме параметров грохота, не меньшее влияние оказывает режим работы разрыхляющего устройства, формирующего высоту и связанность разделяемого слоя.
В этой связи с целью определения оптимальной разности линейных скоростей разрыхляющих валков и высоты формируемого слоя проводились экспериментальные исследования.
Эффективность вырыва частиц резины из распушенного волокна оценивались по качеству разделения смеси на резиновую крошку и волокна
= Qi / Qо (14)
где i – эффективность или к.п.д. разделения, %; Qi – количество резиновой крошки, прошедшей через виброрешетку; Qо – содержание резиновой крошки в исходной смеси.
Зависимости степени извлечения резиновой крошки из резинокордной смеси от линейных скоростей быстроходного и тихоходного валков имеют экстремальный характер (рис.9).
Как показали эксперименты, при угле наклона грохота 8о и амплитудно-частотной характеристике A=0.093м/с слой волокнистого материала достаточно интенсивно двигается по поверхности вибросита, что исключает возможности накопления материала на сите и при этом коэффициент извлечения резиновых частиц составляет 92%.
 | Рис.9. Эффективность извлечения резиновой крошки из резинокордной смеси в зависимости от линейных скоротей быстроходного валка при разных линейных скоростях тихоходного валка: 1- Vт = 1.7 м/c; 2 - Vт = 3.3 м/c; 3 - Vт = 4.4 м/c. |
Обработка данных экспериментов в этом режиме виброразделения позволила получить эмпирическую зависимость к.п.д. разделения резинокордной смеси от длины грохота
, (15)
где - к.п.д. разделения резинокордной смеси, %; Lc – длина грохота, м.
Погрешность между экспериментальными и расчетными значениями i составляет ±5%.
 | Рис.10. К.П.Д. виброразделения резинокордной смеси: 1 экспериментальный; 2 – расчетный. |
На основании полученных уравнений для расчета скоростей движения резинокордной смеси по виброрешетке (уравнения (12) и (13)), к.п.д. разделения на составляющие компоненты (уравнение (15)), и экспериментально найденной высоты слоя разработана методика расчета виброгрохота.
Основные результаты и выводы
- Найден надежный и эффективный способ отрыва резины от кордных волокон путем измельчения в многоступенчатых мельницах ударно-отражательного действия.
- Теоретически и экспериментально найдена скорость ударного нагружения, при которой происходит полный отрыв резины от кордных волокон. Найдена эмпирическая зависимость эффективности отрыва резины в зависимости от скорости ударного нагружения в двухроторной мельнице ударно-отражательного действия.
- В процессе обработки исходного материала в измельчителе оторванные частицы резины интенсивно запутываются в ватообразной массе распушенного кордного волокна, и не отделяются от волокон даже при большом времени пребывания на виброрешетке, что потребовало создания специального разрыхляющего - разрывающего устройства.
- Разработано разрыхляющее устройство для разрушения прочной связи между частицами резин и волокнами распушенного корда. Найдена оптимальная разность линейных скоростей тихоходного и быстроходного валков.
- Найдены разрывные усилия волокна при противоточном движении игл в зависимости от шага между ними и высоты разрываемого слоя, на основании которых предложена методика расчета потребляемой мощности разрыхляющих валков.
- Изучен характер движения композиционного материала – резинокордной смеси и найдена эмпирическая зависимость скоростей движения резиновой крошки и кордного волокна от амплитудно-частотных характеристик и угла наклона грохота.
- Найдены эмпирическая зависимость к.п.д. извлечения резиновой крошки от длины грохота и оптимальный режим работы вибрационного грохота.
- Предложена новая технология переработки обрезиненных тканевых отходов, образующихся в процессе валкового измельчения изношенных шин. Данная технология состоит из трех операций:
а) ударно-отражательное измельчение тканевых отходов с целью отрыва частиц резины от кордных волокон;
б) вырыв (освобождение) частиц резины из распушенного волокна с помощью специально созданного расчесывающего устройства;
в) виброразделение резино-волокнистой смеси на резиновую крошку и ватообразное кордное волокно.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах:
- Дорж, О. Разработка оборудования для утилизации резинотканевых отходов [Текст] /О. Дорж, Д. А. Караштин, А. В. Квитков, В. Н. Блиничев // VII Международная научная конференция «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования». - Иваново, 2005. - С.294-295.
- Дорж, О. Разработка технологии и аппаратурного оформления процессов регенерации резинокордных отходов Чеховского регенератного завода [Текст] / О. Дорж, А. В. Квитков, Д. А. Караштин // VI Региональная студенческая научная конференция «Фундаментальные науки – специалисту нового века». Тезисы докладов. - Иваново 2006. - С.153.
- Дорж, О. Влияние виброускорения и угла наклона решетки виброгрохота на скорость движения резинокордной смеси [Текст] / О. Дорж, А. В. Квитков, Д. А. Караштин, С. А. Комаров, В. Н. Блиничев // Известия вузов. «Химия и химическая технология». - Иваново, 2006. Том 49. №10, С.125-126.
- Дорж, О. Экспериментальное определение минимальных усилий разрыва резинокордной смеси [Текст] / О. Дорж, В. Н. Блиничев // Международная научно-техническая конференция «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2007). - Иваново, 2007.
- Дорж, О. Режим движения резинокордной смеси на поверхности виброгрохота [Текст] / О. Дорж, В. Н. Блиничев //Международная конференция по химической технологии (посвящается 100-летию со дня рождения академика Николая Михайлова Жаворонкова). - Москва, 2007.
- Дорж, О. Разработка технологии и оборудования для утилизации отходов переработки изношенных шин [Текст] / О. Дорж, В. Н. Блиничев // IV Международная научно-практическая конференция “Экологические проблемы индустриальных мегаполисов”. - Москва, 2007.
- Дорж, О. Динамика течения корднорезиновой смеси на виброповерхности [Текст] / О. Дорж, С. А. Кочин, В. Н. Блиничев // Студенческая научная конференция «Дни науки-2007». - Иваново, 2007.
