Устройство для изготовления пленок из полимерных материалов Советский патент 1992 года по МПК B29D7/01 B29C41/26 B29L7/00 

Изобретение относится к производству пленок и используется в химической промышленности для непрерывного изготовления пленок из растворов полимеров на отливочных машинах ленточного типа.

Цель изобретения - повышение производительности устройства и улучшение физико-механических свойств пленок за счет интенсификации процесса теплообмена.

На фиг.1 изображено устройство для изготовления пленок из полимерных материалов, продольный разрез; на фиг.2 - турбулизаторы, расположенные по обе стороны бесконечной металлической ленты.

Устройство содержит отливочный узел в виде бесконечной ленты 1, огибающей два барабана, ведущий 2 и ведомый 3. Над ведущим 2 барабаном установлена фильера 4, все устройство заключено в герметичный корпус 5, по оси отливочного узла между барабанами 2 и 3 параллельно установлены основная и дополнительная перегородки 6 и 7 с отверстиями. Между стенками корпуса 5 и верхней и нижней ветвями бесконечной ленты 1 образованы сушильные тракты 8- 11, разделенные поперечными стенками 12 и 13. Наружные сушильные тракты 8 и 10 образованы стенками корпуса 5 и рабочей поверхностью бесконечной ленты 1. Внут 4 О

00

ренние с/шильные тракты 9 и 11 расположены со стороны нерабочей внутренней поверхности бесконечной ленты 1.

В каждом сушильном тракте 8, 9,10 и 11 установлены турбулизаторы пароазотной смеси типа конфузор-диффузор 14-17 в виде пластин различной длины. Корпус 5 имеет патрубки 18-20 для подачи пароазотной смеси и патрубки 21-23 для отвода ее. Из нижней части корпуса 5 в верхнюю часть под лентой 1 пароазотиая смесь перетекает по вертикальному каналу 24. Турбулизаторы 14-17 содержат либо короткий гладкий участок 25 диффузора и длинный синусоидальный участок конфузора 26, либо короткий синусоидальный участок 27 диффузора и длинный гладкий участок 28 конфузора. Конфузорные участки наружных сушильных трактов 8 и 10 и расположенные с противоположной им внутренней стороны беско- нечной ленты диффузорные участки внутренних сушильных трактов 9 и 11 выполнены в виде волнистых синусоидальных каналов. Длина длинного участка конфузо- pa-диффузора равна двум длинам коротко- го.

Устройство работает следующим образом.

Пленкообразующий раствор поступает из фильеры 4 на бесконечную металличе- скую ленту 1 и наносится на нее тонким слоем. Поток пароазотной смеси с температурой при -, концентрации паров растворителя 100-200 г/MJ поступает через патрубок 19 над ведомым барабаном 3 про- тив движения ленты 1. Поток проходит в сушильном тракте 8, образованном поверхностью ленты 1 и турбулизатбром 15, со скоростью не выше 2,5 м/с в узком сечении, интенсивно турбулизируется и снимает с пленки пары растворителя.

При этом происходит испарение растворителя из пленки и ее стеклообразова- ние. Влажность пленки уменьшается с 86 до 60%. Поток пароазотной смеси отсасывает- ся через патрубок 22, установленный над ведущим барабаном 2, и направляется на конденсацию.

Поток пароазотной смеси с температурой 110-120°С при

концентрации

J

паров

растворителя 100-200 r/MJ подается через патрубок 18, расположенный под ведущим барабаном 2. Поток проходит в сушильном тракте 10, образованном поверхностью ленты 1 итурбулизатором 14, со скоростью 5-6 м/с, интенсивно турбулизируется и снимает с пленки пары растворителя.

Влажность пленки уменьшается при режиме постоянной скорости сушки с 60 до 15-20%.

0 5 0 5

0 5 0

5

0

5

Поток пароазотной смеси отсасывается через патрубок 21, установленный под ведомым барабаном 3, и направляется на конденсацию. Поток пароазотной смеси с температурой 200°С подается через патрубок 20 на бесконечную металлическую ленту 1 со стороны, обратной нанесенному слою пленки. Поток проходит в нижнем канале с турбулизатором 16 в направлении, противоположном движению ленты 1, турбулизируется и нагревает материал ленты 1 изнутри. Затем по вертикальному каналу 24 паро- азотная смесь перетекает в верхнюю часть ленты 1 и проходит в сушильный тракт с турбулизатором 17. При этом за счет интенсивной передачи тепла материалу ленты 1 температура ее повышается, что особенно важно при начальных условиях формирования слоя пленки, политой из фильеры 4, так как на этом участке ленты 1 необходимая для испарения растворителей энергия отнимается от пленкообразующего раствора и ленты 1. Температура пароазотной смеси при прохождении всего канала снижается от 200 до 60-70°С за счет интенсивной передачи тепла к поверхности ленты 1. Поток пароазотной смеси отсасывается через патрубок 23 и подается в калорифер для нагрева до вновь требуемой температуры. Благодаря высокой интенсивности теплообмена происходит быстрое удаление паров растворителя из пленки, а, следовательно, повышается производительность устройства. Основная предпосылка повышения интенсивности теплообмена в данном устройстве для изготовления пленок из полимерных материалов сводится к следующему.

Течение паровоздушной смеси по диффузору (при положительном градиенте давления) сопровождается ростом турбулентности потока. При этом происходит интенсификация теплообмена. Течение в конфузоре (при отрицательном градиенте давления) связано с уменьшением интенсивности теплообмена из-за прекращения генерации турбулентности и вырождения остаточной турбулентности. В случае течения пароазотной смеси в канале, представляющем собой последовательное чередование диффузоров, энергия турбулентности, накопления потоком в диффузоре, может быть полезно использована в конфузоре.

Таким образом, в результате внесения в поток неоднородностей по давлению представляется возможным интенсификации теплообмена в таких каналах. Неоднородность пленки по толщине уменьшается за счет увеличения степени сушки сформировавшейся пленки на верхней ветви металлической ленты 1. Это достигается увеличением интенсивности теплообмена в каналах типа конфузор-диффузор. Известно однако, что турбулентность потока в диффузорной части повышается, а в конфузорной падает, причем общий уровень турбулентности в пристеночном слое оказывается более высоким, чем в гладком канале. Увеличение турбулентности потока по предлагаемому устройству в конфузорной части достигается за счет стенки конфузора 26 с формой в виде синусоиды с шагом 360 мм. В этом случае изменение продольных градиентов давления потока в канале конфузора 26 приводит к появлению знакопеременного поперечного градиента давления. Под влиянием последнего происходит непрерывный тепло- и массообмен с пленки отливочного полимерного материала. Эффект увеличения интенсивности теплообмена в 1,5 раза обуславливается повышением пристенных скоростей и турбулизацией. Использование турбулизаторов сокращает время процесса пленкообразования за счет увеличения скорости испарения растворителей. Это позволит на нижней части ветви ленты 1, способной к деформации, закончить переход полимера из раствора в стеклообразное состояние без ухудшения свойств пленки по физико-механическим характеристикам. При равной скорости движения паровоз душной смеси в канале верхней ветви ленты 1 v 2,5 м/с интенсивность теплообмена определяется числом Нуссельта а

Nu

А.

-. Отношение интенсивностей

теплообмена в канале с турбулизатором и без него составляет -.,тур6 пп 3 раIMUoIUU

за, при Re 6,3 104 для верхней ветви ленты 1.

Аналогично для нижней ветви ленты 1 при равной скорости движения потока v 5,5 м/с, отношение интенсивностей

сМи-гурб 400 „

теплообмена равно -N yF 2 раза при Re 105, где а- коэффициент теплоотдачи от паровоздушной смеси к поверхности

94 я h

пленки (Вт/м -К); с)экв - 7-гтгу . а и b ширина и высота канала, м; А- коэффициент теплопроводности паровоздушной смеси (Вгл/м°С).

Экспериментальные исследования по теплообмену и гидравлическому сопротивлению в волнистых трубах показали, что каналы, представляющие собой последовательность чередующихся конфузорных и

диффузорных участков, можно классифицировать на два основных типа, имеющих различные протяженности конфузорного и диффузорного участков. Первый тип каналов имеет короткий диффузор 27 и длинный конфузор 28, причем длина конфузорного участка в два раза длиннее диффузорного. Второй тип каналов имеет короткий конфузор и длинный диффузор. В предлагаемом

устройстве над поверхностью отливаемой пленки в канале установлены турбулизато- ры 14 и 15, принадлежащие к первому типу указанной классификации. Средний уровень теплообмена турбулизаторов первого

типа в соответствии с данными величинами по турбулентности выше, чем для второго, типа примерно на 18-20%. Но при этом гидравлическое сопротивление турбулизаторов 14 и 15 выше на 35-40%, чем для

турбулизаторов 16 и 17, так как при использовании короткого диффузоре 26 и 27 с большим углом раскрытия (угол равен 14°) наблюдаются более интенсивные вихреоб- разования. Разность температур между

температурой пароазотной смеси и температурой ленту 1 (т.- Gty для турбулизаторов 16 и 17 составляет

АМОО +

At16-17 2

100 + 200 50 + 150

2 ;

для турбулизаторов 14 и 15 составляет 120 + 50 70 + 30

50°С,

At14.15

2

т:

35°С.

Представляется целесообразным с энергетической точки зрения установить на турбу- лизаторах 16 и 17 синусоидальную форму

поверхности на длинном диффузорном участке. Таким образом, повышение интенсивности теплообмена обуславливается в большей мере на 70-80% за счет турбулиза- ции потока. При этом отсутствует разное

возрастание гидравлического сопротивления. Общее количество тепла, необходимое для передачи пароазотной смеси к поверхности металлической ленты 1, обеспечивается более высокой разностью температур (t- GJ 50°С. Для турбу- лизаторов 14 и 15 обеспечивающих интенсификацию теплообмена от потока воздуха к поверхности полимерной пленки на более высоком уровне, чем турбулизаторы 16 и 17, экономически целесообразна установка синусоидальной формы поверхности на длинном конфузорном участке. При этом существенно возрастает турбулентность потока, интенсивность теплообмена

и, как следствие роста интенсивных вихре- образовании на коротком диффузорном уча- стке, гидравлическое сопротивление турбулизаторов 14 и 15 на 40% выше, чем для турбулизаторов 16 и 17 Более низкая разность температур (t- 0) - 35°С компенсируется более высоким значением интенсивности теплообмена в 1,3-1,4 раза.

Проведенный расчет процесса сушки триацетатцеллюлозной смеси в устройствах для изготовления пленок из полимерных материалов по предлагаемому изобретению показывает, что оптимальная скорость отлива основы для устройства с длиной металлической ленты 30 м составляет 8 м/мин. при толщине слоя 140 мкм, а для устройств с длиной ленты 50 м скорость отлива увеличивается до 15-16 м/мин, что в 2-3 раза превышает значение по отношению к прототипу.

Для того, чтобы увеличить производительность устройства в 2 раза, не изменяя теплового и временного режимов формования и высушивания пленки, необходимо удвоить длину металлической ленты 1. Это справедливо по отношению к прототипу,

По предлагаемому изобретению за счет установки в сушильный тракт турбулизаторов, имеющих рациональную геометрию поверхности, при прочих равных с прототипом условиях, увеличение коэффициента теплообмена в 2-3 раза позволит добиться увеличения производительности в 2 раза без удвоения длины металлической ленты

При одинаковом расходе сушащего агента, входящего в патрубок 20 и выходящего из патрубка 23, интенсивность теплообмена в соответствии с формулой Nu меняется только за счет изменения высоты канала о. Так как угол наклона конфузора и диффузора выбираются оптимальными и не меняются, то высота канала b изменяется только за счет расстояния продольной перегородки до поверхности бесконечной ленты. В нижней части ленты 1 скорость потока, проходящего через поперечное сечение канала, Si ai x bi составляет 5-6 м/с, а в верхней части ленты 1 скорость потока, проходящего через поперечное сечение канала, S2 92 х Ь2 составляет 1,5-2 м/с Следовательно, при равной ширине канала а величина значения Ь2 больше bi в 3 раза, т.е. соответственно расстояние продольных перегородок 6 и 7 от оси устройства различно Таким образом, для нормальной работы устройства необходимо, чтобы в конструкции содержалось не менее двух продольных перегородок.

Расположение патрубков, обеспечивающее перемещение сушащего агента противотоком по отношению к бесконечной

ленте, имеет преимущественное значение и с точки зрения теплообмена, и с технологической, так как в месте расположения фильеры 4, подающей раствор на ленту.

температура сушащего агента должна снизится с 70-80 до 48°С во избежание кипения раствора. Это обеспечивается только проти- воточной системой подачи сушащего агента.

0 Для выравнивания поля влажности по толщине полимерной пленки за счет явления термовлагопроводности и тем самым улучшения ее физико-механических свойств (уменьшение скручивания, увеличения удар5 ной прочности, уменьшения термостатной усадки) в предлагаемом устройстве противоположно конфузорному участку наружного тракта размещен диффузорный участок синусоидального канала внутреннего участ0 ка. При этом максимальная величина локального теплообмена, действующего с наружного участка тракта, смещена по отношению к внутреннему.и тем самым устраняется локальный перегрев с обоих сторон

5 пленки полимера. Таким образом, интенсивность теплообмена для верхнего и нижнего участков ленты примерно равны и по величине в 4-5 раз выше, чем для осевого потока, Эффективный, равномерный прогрев беско0 нечной ленты с внутренней и рабочей сторон способствует выравниванию поля влажности по толщине полимерной пленки, уменьшению скручиваемости и повышению производительности устройства, благодаря

5 оптимизации и интенсификации процесса. Формула изобретения Устройство для изготовления пленок из полимерных материалов, содержащее герметичный корпус, отливочный узел в виде

0 фильеры и бесконечной ленты, огибающей ведущий и ведомый барабаны, нагнетающие и отсасывающие патрубки сушащего агента, наружные сушильные тракты, образованные стенками корпуса и рабочей

5 поверхностью бесконечной ленты и снабженные турбулизаторами в виде пластин различной длины, смонтированными с образованием конфузорно-диффузорных участков, и внутренние сушильные тракты с

0 установленной между барабанами основной продольной перегородкой с отверстиями, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности устройства и улучшения физико-механических

5 свойств пленок за счет интенсификации процесса теплообмена, внутренние сушильные тракты снабжены дополнительной продольной перегородкой с отверстиями, размещенной параллельно основной, и турбулизаторами в виде пластин различной

длины, образующих конфузорно-диффузор-положенные противоположно им диффузорные участки с внутренней поверхностьюные участки внутренних сушильных трактов

бесконечной ленты, причем конфузорныевыполнены в виде волнистых синусоидальучастки наружных сушильных трактов и рас-ных каналов.

Изобретение относится к производству пленок из растворов полимеров и м.б. использовано в химической промышленности. Цель изобретения - повышение производительности устройства и улучшение физико- механических свойств пленок за счет интенсификации процесса теплообмена. Для этого в герметичном корпусе размещена бесконечная лента, натянутая на барабаны. Над лентой размещена фильера. Между корпусом и рабочей и нерабочей поверхностями ленты образованы сушильные тракты. В них размещены турбулизаторы в виде пластин, образующих конфузорно-диффузорные участки. Конфузорные участки наружных сушильных трактов и диффузорные участки внутренних трактов выполнены в виде волнистых синусоидальных каналов. При работе обеспечивается интенсивный теплообмен, равномерный прогрев бесконечной ленты Это способствует повышению производительности и улучшению свойств пленок, т.е. уменьшению скручивания, увеличению ударной прочности. 2 ил. сл С

19

28 27 1

26

25

Фиг. 2

тЧ Тг

/ Щ 20

13 // 10 Л

18