Диссертация (Совершенствование тепловой работы печи термостабилизации при производстве углеродных волокон с целью сокращения энергозатрат)

2ОГЛАВЛЕНИЕВведение …………………………………………………………….……….……..4Глава 1. Анализ существующих методов производства углеродныхволокон ……….…….…………………………….….………………………..........91.1 Углеродные волокна. Свойства и область применения ……….………...…91.2 Производство углеродных волокон из полиакрилонитрила ………..…...…141.2.1 Получение ПАН волокон ……….…….…………………….…........141.2.2 Модификация ПАН волокон перед их термообработкой …….…..181.2.3 Получение углеродных волокон из ПАН волокон ………………..221.3 Способы и конструкции печей для проведения термическойстабилизации ПАН волокон …………………………………………………....…291.4 Постановка задачи исследования ………………………………………....…47Глава 2.

Математическая модель процесса термостабилизацииПАН жгутов в печи ВУЛОН …………..…………….………………………........512.1 Концептуальная модель процесса и основные допущенияматематической модели ……...……………….…………………….…………......512.2 Математическая модель сопряженного теплообмена в каналепечи ВУЛОН ……………………….……………….………...…………..……......532.2.1 Получение ПАН волокон ….…….…….…………….……...……......532.2.2 Математическая модель радиационно-конвективноготеплообмена в печи ВУЛОН ………….…….………………………….……........552.2.3 Методы численного решения уравнений внутренней ивнешней задач и алгоритм сопряжения ………………..…………….……….......612.3 Выводы по второй главе ………….………….…………………..…….…......65Глава 3. Теплофизические исследования процесса термостабилизации ............663.1 Основные характеристики процесса термостабилизации …...…….….........663.2 Экспериментальная установка и методика экспериментов …….….…........673.3 Исследование процесса термостабилизации …….………….……..…...........

7333.4 Выводы по третьей главе …………………….…………………..…….…......83Глава 4. Численное исследование процесса термостабилизацииПАН жгутов в печи ВУЛОН с применением ЭВМ ...............................................854.1 Рабочая панель и возможности программы …...………..…………….…......854.2 Проектные параметры нагрева ПАН жгутов в печи ВУЛОН ….….….........884.3 Разработка нового режима нагрева волокна с целью сокращенияэнергозатрат …….………………………………………………….….…..….........954.4 Выводы по четвертой главе ………………….…………………..…….…..... 102Глава 5.

Экспериментальная проверка применимости разработанноймодели для сокращения энергозатрат на печах термостабилизациитипа ВУЛОН ...........................................................................................................103Заключение …………………….………………….…………………..…….…..... 113Список литературы ……………………….…………………………..…….….... 114Приложение ……...…………….………………….…………………..…….….... 1274ВВЕДЕНИЕУглеродные волокна (УВ) являются одним из основных видов армирующихэлементов, применяемых при создании композиционных материалов.

Для ихпроизводстваиспользуютсяразличные полимерныеволокна,чащевсегополиакрилонитрильные (ПАН волокна). Себестоимость производства УВ весьмавысока, причем основной статьей затрат являются затраты на энергопотребление.Существующая технология производства УВ состоит из трех последовательныхстадий термообработки исходного волокна: термостабилизации, карбонизации играфитации. После стадии термостабилизации нити полимерного волокнаприобретают структуру, необходимую для получения требуемого качества УВ.После карбонизации они приобретают прочность, а после графитации –упругость.Наиболее продолжительной по времени и энергоемкой (более 70% отобщего расхода энергии на трех стадиях) является термостабилизация.

В связи сэтим целесообразно сокращать энергозатраты на производство УВ, уменьшая ихна стадии термостабилизации, совершенствуя для этого конструкцию и режимработы печи. Операция термостабилизации заключается в нагреве исходноговолокна в присутствии кислорода до температуры 300 0С. При этом изменяетсяструктура молекул углерода, приближаясь к необходимой для получениякачественного УВ, и удаляются примеси.

Сложность реализации термообработкиПАН заключается в том, что при температурах 230–280 0С в волокне протекаетэкзотермическаяреакциясвыделениембольшогоколичестватеплоты(1,34·106 Дж/кг). Это явление называют экзоэффектом. При неуправляемомвыделении теплоты экзоэффекта может возникнуть пережог обрабатываемоговолокна, и оно станет непригодным для производства УВ.Дляпредотвращенияпережогаврабочемпространствепечиподдерживается ступенчатый температурный режим.

В существующих печахтермостабилизации переменный температурный режим поддерживается за счетизменениятемпературывоздуха,подаваемоговрабочеепространство,5являющегося теплоносителем и источником кислорода. Воздух подогревается вэлектрокалорифере до заданной температуры и нагревает обрабатываемыеволокна за счет конвективного теплообмена.

Одновременно воздух снимаетизбыточноеколичествотеплоты,выделяющейсявволокнахвходеэкзотермических реакций. Данная технология термостабилизации, реализуемая вовсем мире, крайне неэффективна и трудно управляема. Свыше 93% всейпотребляемой энергии расходуется на подогрев воздуха и лишь около 3% нанагрев обрабатываемого материала. Поэтому в настоящее время актуальнойявляется проблема повышения энергоэффективности печей термостабилизациипри производстве углеродных волокон.Целью данной работы является повышение энергоэффективности печейтермостабилизации ПАН волокон на основании исследования процессов тепло- имассообмена, протекающих в их рабочем пространстве.Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решитьряд научно-технических задач:1.Провести анализ современного состояния теории и практики процессатермостабилизации ПАН волокон и собрать исходные данные, необходимые дляразработки математической модели изучаемого объекта.2.Разработать математическую модель процесса тепло- и массообмена врабочем пространстве печи термостабилизации,учитывающуюразличныемеханизмы теплообмена волокна с рабочим пространством и позволяющуюрассчитыватьтемпературныйрежим,которыйобеспечиваетмонотонноеповышение температуры волокна без его пережога, а также остаточноесодержание примесей в волокне, как функции координат и времени.3.Реализоватьэкспериментальныеисследованияпроцессатермостабилизации ПАН волокон с целью уточнения физической модели данногопроцесса и определения значений физико-химических констант реакций,протекающих в обрабатываемом волокне.4.Разработатьприпомощиматематическоймоделипроцессатермостабилизации наиболее рациональный технологический режим с точки6зрения минимума энергозатрат, полноты завершенности процесса удаления изсырья посторонних примесей и предотвращения пережога обрабатываемогоматериала.Методыисследования.Вдиссертационнойработеиспользованыэкспериментальные и расчетные методы исследования.

В качестве расчетногометода применено математическое моделирование процесса термостабилизацииполимерных волокон с реализацией на персональном компьютере на языке С++ всреде Builder 6.0. Экспериментальное исследование процесса термостабилизациивыполнено на лабораторной установке DSC 404 C Pegasus фирмы NETZSCH илабораторной установке ОАО «НИИграфит» собственной разработки.Научная новизна:1. Впервые доказана возможность использования электронагревателей впечах термостабилизации ПАН волокна во всем интервале температур, чтопозволяет перейти от повсеместно используемого в этих печах конвективногорежима теплообмена к радиационно-конвективному;2.

Показано, что в печах термостабилизации с электронагревателями вовсем интервале температур технологического процесса решающую роль играетрадиационный теплообмен между нагревателями и обрабатываемым волокном. Всвязи с этим впервые появляется принципиальная возможность оперативноуправлять температурным полем в рабочем пространстве печи с любой заданнойточностью.3. Предложена физическая модель процесса термостабилизации ПАНволокна, разделяющая весь процесс на 3 периода: индукционный, окислениелетучих и реакции в твердой фазе.

Согласно данной модели, допустимаятемпература процесса термостабилизации определяется в зависимости от физикохимических свойств обрабатываемого волокна и ограничена температуройперехода от индукционного периода к периоду горения летучих.Практическая значимость:1. Разработана математическая модель процесса термостабилизации ПАНволокнавпечахсэлектронагревателями,котораяпозволяетуправлять7температурнымполемврабочемпространствепечи,чтообеспечиваетминимальные энергозатраты на процесс, равномерную по сечению обработкуПАН волокна и исключает возможность его пережога.2.