Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні

Вступ. Проблеми утилізації зношених автомобільних шин гостро постають на теренах нашої країни, оскільки обсяг останніх безперервно збільшується. Крім того, недосконалість наявних методів термічної утилізації зношених автошин спонукає до розробки новітньої технології піролізу в поєднанні зі статичним...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2018
Main Authors:	Маркіна, Л.М., Крива, М.С.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2018
Series:	Наука та інновації
Subjects:	Наукові основи інноваційної діяльності
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/162614
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні / Л.М. Маркіна, М.С. Крива // Наука та інновації. — 2018. — Т. 14, № 6. — С. 38-54. — Бібліогр.: 16 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-162614
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1626142025-02-23T19:56:18Z Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні Study of Technological Parameters of Pyrolysis of Waste Tires Under Static Load Исследование технологических параметров пиролиза изношенных автомобильных шин при их статической нагрузке Маркіна, Л.М. Крива, М.С. Наукові основи інноваційної діяльності Вступ. Проблеми утилізації зношених автомобільних шин гостро постають на теренах нашої країни, оскільки обсяг останніх безперервно збільшується. Крім того, недосконалість наявних методів термічної утилізації зношених автошин спонукає до розробки новітньої технології піролізу в поєднанні зі статичним навантаженням. Проблематика. Через відсутність даних щодо особливостей робочого процесу, що ускладнює проведення налагоджувальних робіт та реалізацію утилізації гумових відходів термічним розкладанням під дією статичного навантаження в промислових умовах, важливим є визначення особливостей деструкції гумових відходів в реакторі устаткування під час статичного стискання. Мета. Визначення фізичних характеристик теплотехнічного процесу деструкції зношених автошин в піролізному реакторі в поєднанні зі статичним навантаженням. Матеріали й методи. Для оцінки ефективності запропонованого методу проведено серію експериментальних досліджень: традиційний піроліз подрібнених автошин в реакторі та піроліз автошин зі статичним навантаженням. За допомогою програми COMSOL Multiphysics досліджено теплофізичні характеристики вертикального піролізного реактора, заповненого автошинами, при взаємодії температури й статичного стискання. Результати. Шляхом використання програмою методу кінцевих елементів та розв'язання диференціального рівняння теплопровідності, побудовано графіки, що демонструють теплопровідність і процес розподілу температурного поля всередині піролізного реактора за умов ущільнення перероблюваних продуктів. Розраховано термін перебування автошин в реакторі, що складає 7,8 год. Визначено оптимальний тиск на автошини, необхідний для досягнення максимального ущільнення. Висновки. Обґрунтовано підвищення продуктивності установки утилізації гумотехнічних відходів шляхом впровадження в технологічну схему багатоконтурного циркуляційного піролізу статичного навантаження. Показано ефективність застосування статичного навантаження під час процесу, про що свідчить збільшення коефіцієнту теплопровідності масиву автошин в реакторі і, як наслідок, більш рівномірний розподіл температури в об'ємі ущільнених автошин. Introduction. Disposal of waste tires is a pressing problem in our country, since their amount has been constantly increasing. Inadequacy of the existing methods for thermal waste tire utilization has given rise to the necessity of developing an advance technology for their pyrolysis combined with static load. Problem Statement. Since no data on specific features of work process are available, this complicates the adjustment works and implementation of waste tire utilization by thermal decomposition under static load in industrial conditions. The determination of specific features of waste tire destruction in the reactor under static load is a relevant problem to be solved. Purpose. To determine the physical parameters of waste tire destruction in the pyrolysis reactor, under static load. Materials and Methods. To assess the effectiveness of the proposed method a series of experiments have been carried out. It includes the conventional pyrolysis of grinded waste tires in the reactor and tire pyrolysis under static load. Using COMSOL Multiphysics program, the physical parameters of vertical pyrolysis reactor filled with tires under temperature effect and static compression have been studied. Results. Diagrams that show thermal conductivity and distribution of temperature field inside the pyrolysis reactor in the case of compaction of processed products have been built using the method of end elements and solution of differential thermal conductivity equation. The time of tire stay in the reactor has been estimated as 7.8 hours. Optimal pressure on tire, which is required for maximum compaction has been determined. Conclusions. Raising performance of the plant for waste tire utilization by introducing static load into the process technology for multi-loop circulation pyrolysis has been substantiated. The use of static load has been shown to be an effective method, as it leads to an increase in the thermal conductivity coefficient of waste tire mass in the reactor and, consequently, a more even temperature distribution in the compacted tire mass. Введение. Проблемы утилизации изношенных автомобильных шин остро стоят в нашей стране, поскольку их объем непрерывно увеличивается. Кроме того, несовершенство существующих методов термической утилизации изношенных автошин побуждает к разработке новой технологии пиролиза в сочетании со статической нагрузкой. Проблематика. Из-за отсутствия практических знаний особенностей рабочего процесса затрудняется проведение наладочных работ и реализация утилизации резиновых отходов термическим разложением под действием статической нагрузки в промышленных условиях, важным является определение особенностей деструкции резиновых отходов в реакторе оборудования при статическом сжатии. Цель. Определение физических характеристик теплотехнического процесса деструкции изношенных автошин в пиролизном реакторе в сочетании со статическим нагружением. Материалы и методы. Для оценки эффективности предложенного метода проведена серия экспериментальных исследований: традиционный пиролиз измельченных автошин в реакторе и пиролиз автошин со статической нагрузкой. С помощью программы COMSOL Multiphysics исследовано тепло-физические характеристики вертикального пиролизного реактора, заполненного автошинами, при взаимодействии температуры и статического сжатия. Результаты. Путем использования программой метода конечных элементов и решения дифференциального уравнения теплопроводности, построены графики, демонстрирующие теплопроводность и процесс распределения температурного поля внутри пиролизного реактора в условиях уплотнения перерабатываемых продуктов. Рассчитан срок пребывания автошин в реакторе, что составляет 7,8 ч. Определено оптимальное давление на автошины, необходимое для достижения максимального уплотнения. Выводы. Обоснованно повышение производительности установки утилизации резинотехнических отходов путем внедрения в технологическую схему многоконтурного циркуляционного пиролиза статической нагрузки. Показана эффективность применения статической нагрузки во время процесса, о чем свидетельствует увеличение коэффициента теплопроводности массива автошин в реакторе и, как следствие, более равномерное распределение температуры в объеме уплотненных автошин. 2018 Article Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні / Л.М. Маркіна, М.С. Крива // Наука та інновації. — 2018. — Т. 14, № 6. — С. 38-54. — Бібліогр.: 16 назв. — укр. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin14.06.038 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/162614 uk Наука та інновації application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Наукові основи інноваційної діяльності Наукові основи інноваційної діяльності
spellingShingle	Наукові основи інноваційної діяльності Наукові основи інноваційної діяльності Маркіна, Л.М. Крива, М.С. Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні Наука та інновації
description	Вступ. Проблеми утилізації зношених автомобільних шин гостро постають на теренах нашої країни, оскільки обсяг останніх безперервно збільшується. Крім того, недосконалість наявних методів термічної утилізації зношених автошин спонукає до розробки новітньої технології піролізу в поєднанні зі статичним навантаженням. Проблематика. Через відсутність даних щодо особливостей робочого процесу, що ускладнює проведення налагоджувальних робіт та реалізацію утилізації гумових відходів термічним розкладанням під дією статичного навантаження в промислових умовах, важливим є визначення особливостей деструкції гумових відходів в реакторі устаткування під час статичного стискання. Мета. Визначення фізичних характеристик теплотехнічного процесу деструкції зношених автошин в піролізному реакторі в поєднанні зі статичним навантаженням. Матеріали й методи. Для оцінки ефективності запропонованого методу проведено серію експериментальних досліджень: традиційний піроліз подрібнених автошин в реакторі та піроліз автошин зі статичним навантаженням. За допомогою програми COMSOL Multiphysics досліджено теплофізичні характеристики вертикального піролізного реактора, заповненого автошинами, при взаємодії температури й статичного стискання. Результати. Шляхом використання програмою методу кінцевих елементів та розв'язання диференціального рівняння теплопровідності, побудовано графіки, що демонструють теплопровідність і процес розподілу температурного поля всередині піролізного реактора за умов ущільнення перероблюваних продуктів. Розраховано термін перебування автошин в реакторі, що складає 7,8 год. Визначено оптимальний тиск на автошини, необхідний для досягнення максимального ущільнення. Висновки. Обґрунтовано підвищення продуктивності установки утилізації гумотехнічних відходів шляхом впровадження в технологічну схему багатоконтурного циркуляційного піролізу статичного навантаження. Показано ефективність застосування статичного навантаження під час процесу, про що свідчить збільшення коефіцієнту теплопровідності масиву автошин в реакторі і, як наслідок, більш рівномірний розподіл температури в об'ємі ущільнених автошин.
format	Article
author	Маркіна, Л.М. Крива, М.С.
author_facet	Маркіна, Л.М. Крива, М.С.
author_sort	Маркіна, Л.М.
title	Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні
title_short	Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні
title_full	Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні
title_fullStr	Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні
title_full_unstemmed	Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні
title_sort	дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2018
topic_facet	Наукові основи інноваційної діяльності
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/162614
citation_txt	Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні / Л.М. Маркіна, М.С. Крива // Наука та інновації. — 2018. — Т. 14, № 6. — С. 38-54. — Бібліогр.: 16 назв. — укр.
series	Наука та інновації
work_keys_str_mv	AT markínalm doslídžennâtehnologíčnihparametrívpírolízuznošenihavtomobílʹnihšinpriíhstatičnomunavantaženní AT krivams doslídžennâtehnologíčnihparametrívpírolízuznošenihavtomobílʹnihšinpriíhstatičnomunavantaženní AT markínalm studyoftechnologicalparametersofpyrolysisofwastetiresunderstaticload AT krivams studyoftechnologicalparametersofpyrolysisofwastetiresunderstaticload AT markínalm issledovanietehnologičeskihparametrovpirolizaiznošennyhavtomobilʹnyhšinpriihstatičeskojnagruzke AT krivams issledovanietehnologičeskihparametrovpirolizaiznošennyhavtomobilʹnyhšinpriihstatičeskojnagruzke
first_indexed	2025-11-24T20:47:39Z
last_indexed	2025-11-24T20:47:39Z
_version_	1849706162077827072
fulltext	38 © МАРКІНА Л.М., КРИВА М.С., 2018 Л.М. Маркіна, М.С. Крива Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, просп. Героїв України, 9, Миколаїв, 54000, Україна, +380 93 608 7550, markserg@ukr.net, marharyta.kryva@nuos.edu.ua ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ПІРОЛІЗУ ЗНОШЕНИХ АВТОМОБІЛЬНИХ ШИН ПРИ ЇХ СТАТИЧНОМУ НАВАНТАЖЕННІ Вступ. Проблеми утилізації зношених автомобільних шин гостро постають на теренах нашої країни, оскільки об- сяг останніх безперевно збільшується. Крім того, недосконалість наявних методів термічної утилізації зношених ав- тошин спонукає до розробки новітньої технології піролізу в поєднанні зі статичним навантаженням. Проблематика. Через відсутність даних щодо особливостей робочого процесу, що ускладнює проведення на- лагоджувальних робіт та реалізацію утилізації гумових відходів термічним розкладанням під дією статичного наван- таження в промислових умовах, важливим є визначення особливостей деструкції гумових відходів в реакторі устат- кування під час статичного стискання. Мета. Визначення фізичних характеристик теплотехнічного процесу деструкції зношених автошин в піролізному реакторі в поєднанні зі статичним навантаженням. Матеріали й методи. Для оцінки ефективності запропонованого методу проведено серію експериментальних досліджень: традиційний піроліз подрібнених автошин в реакторі та піроліз автошин зі статичним навантаженням. За допомогою програми COMSOL Multiphysics досліджено теплофізичні характеристики вертикального піролізного реактора, заповненого автошинами, при взаємодії температури й статичного стискання. Результати. Шляхом використання програмою методу кінцевих елементів та розв’язання диференціального рівняння теплопровідності, побудовано графіки, що демонструють теплопровідність і процес розподілу темпера- турного поля всередині піролізного реактора за умов ущільнення перероблюваних продуктів. Розраховано термін перебування автошин в реакторі, що складає 7,8 год. Визначено оптимальний тиск на автошини, необхідний для досягнення максимального ущільнення. Висновки. Обгрунтовано підвищення продуктивності установки утилізації гумотехнічних відходів шляхом впрова- дження в технологічну схему багатоконтурного циркуляційного піролізу статичного навантаження. Показано ефек- тивність застосування статичного навантаження під час процесу, про що свідчить збільшення коефіцієнту тепло- провідності масиву автошин в реакторі і, як наслідок, більш рівномірний розподіл температури в об’ємі ущільнених автошин. К л ю ч о в і с л о в а: багатоконтурний циркуляційний піроліз, зношені автошини, статичне навантаження, ущіль- нення, теплопровідність, моделювання. ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14(6): 38—54 https://doi.org/10.15407/scin14.06.038 Інтенсивний розвиток транспортних зв’яз- ків та підвищення економічного значення сві- тових транспортних перевезень є свідченням того, що в найближчі декілька років пробле- ма гумотехнічних відходів (ГТВ) буде особ- ливо актуальною та вимагатиме ефектив них рішень. Для вирішення цієї проблеми та можливос- ті утилізації зношених шин було проведено дослідження на установці багатоконтурного циркуляційного піролізу (БЦП), розробленій в Національному університеті кораблебуду- вання імені адмірала Макарова. Для інтенсифікації термічної деструкції, підвищення коефіцієнту корисної дії устатку- вання, проведення процесу в безперервному 39ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні режимі роботи, а також для можливості утилі- зації цілих шин запропоновано поєднання БЦП зі статичним навантаженням [1]. В основу інноваційної технології утилізації ГТВ термічним розкладанням під дією статич- ного навантаження було покладено принцип збільшення теплопровідності загального об’є- му автошин в реакторі за рахунок досягнення максимального ущільнення цілих автошин в процесі їх піролізу, що дозволяє повністю ви- тіснити надлишок повітря чи іншого газу з низькою теплопровідністю із об’єму призначе- них для утилізації автошин [2]. Дослідження знаходиться на стадії теоре- тичного обґрунтування, отримання конструк- торської документації, однак відсутнітні прак- тичні знання робочого процесу устаткування, що ускладнює проведення налагоджуваль- них робіт та реалізацію процесу утилізації гу- мо вих відходів термічним розкладанням під дією статичного навантаження в промисло- вих умовах. Основні зусилля щодо підвищення ефек- тивності піролізу спрямовані в напрямку оп- ти мізації продуктивності установок, інтенси- фікації утворення парогазової суміші та збіль- шення виходу цільових продуктів, які можуть знайти практичне застосування як альтерна- тивне паливо. Таким чином, актуальність роботи полягає в тому, щоб отримати експериментальні дані що до можливості оптимізації тепло-фізично- го режиму реактору при встановлених робо- чих параметрах процесу піролізу, зіставити та порівняти теплотехнічні та експлуатаційні по- казники процесу при традиційному піролізі гумових відходів за технологією БЦП та при утилізації їх за допомогою термічного розкла- дання під дією статичного навантаження. Аналіз останніх досліджень і публікацій про поєднання процесів термічної деструкції та статичного навантаження для утилізації гумотехнічних відходів не дає жодних резуль- татів. Однак існують технології утилізації гумових відходів, що використовують поєд- нання традиційного піролізу з механічними методами. Так, в роботі [3] запропоновано ме- ханотермічний спосіб утилізації гуми, наве- дено розрахунки величини потужності, необ- хідні для переробки відпрацьованих автомо- більних шин та інших гумотехнічних виробів, доведено перевагу запропонованого авторами ме тоду порівняно зі звичайними методами піролізу. Отримані значення показників по- тужності в 2—3 рази менше, ніж для традицій- ного піролізу гуми. Для оцінки ефективності процесу утилізації гумової крихти в роботі [4] було проведено до- слідження процесу девулканізації термічним і термомеханічним методами в середовищі ма- зуту марки М-100. В результаті визначено, що термомеханічний процес девулканізації є най- більш перспективним і економічним, оскільки дозволяє зменшити час проведення процесу на 2—3 години і знизити енерговитрати. Огляд робіт, що безпосередньо стосуються статичного навантаження та деформації гумо- вих виробів у різних конфігураціях та облас- тях їх застосування, показав, що було запро- поновано спеціальний підхід до розрахунку пружно-деформованого стану гумових вібро- ізоляторів з урахуванням контактної взаємо - дії з деталями конструкції [5, 6]. В роботі [7] розроблено стенд для статичних і динамічних випробувань пневматичних шин, який при- значено для визначення коефіцієнта нормаль- ної жорсткості та коефіцієнта непружного опо- ру шини. Дослідження впливу температури на де- формаційно-міцнісні властивості високона пов - нених композитів на основі поліетилену й час- тинок гуми наведено в роботі [8]. Встановлено, що при розтягуванні міцність гумопластів, що містять від 36 до 66 % еластомірного наповню- вача, практично не змінюється зі збільшенням ступеня наповнення, але зменшується при під- вищенні температури. Також існують напрацювання щодо матема- тичного моделювання процесу піролізу вугле- водневих відходів. В статті [9] розкрито прак- тичне застосування програмного комплексу FlowVision при розробці технологічного облад- 40 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Л.М. Маркіна, М.С. Крива 40 нання піролізної установки для утилізації від- ходів. Методом скінчених елементів розрахо- вано розподіл температури в процесі утиліза- ції, а також розподіл векторів швидкостей потоків гарячих газів, що дозволило оцінити ефективність розробленої конструкції піро- лізного обладнання. Існують дослідження поверхневого механіз- му синтезу метанолу на низькотемпературно- му Zn-Cu-Al-каталізаторі [10], в яких проведе- но оцінку ефективності модернізації техноло- гічної схеми установки з використанням розробленої математичної моделі для синтезу метанолу. При утилізації цілих зношених шин сучас- ні технології використовують ретортні піро- лізні реактори, які здійснюють роботу в цик- лічному режимі. Такі методи призводять до енергетичних втрат при кожному процесі «на- г рівання-охолодження» та до викидів шкідли- вих речовин в навколишнє природне середови- ще при розгермитизації устаткування [11, 12]. Аналіз піролізних технологій утилізації гу- мових відходів показує, що існуючі установки застосовують подрібнення сировини. Процес потребує додаткового обладнання та енерге- тичних витрат, що є недоцільним [13]. Відмінність вищезазначеної технології від інших полягає в наявності багатоконтурної циркуляційної системи, що повертає важкі сконденсовані продукти піролізу до реактора, за рахунок контурів охолодження [14]. В ре- зультаті такого процесу утилізації утворюєть- ся високоенергетичний піролізний газ та низь- комолекулярне рідке паливо [14]. А в поєд- нанні зі статичним навантаженням технологія взагалі не має аналогів, що дає підстави для дослідження зазначеного методу, а також для наукових обгрунтувань доцільності та ефек- тивності використання запропонованої тех- нології. Метою роботи було визначення фізичних характеристик процесу, що проходить в піро- лізному реакторі, заповненому автошинами із статичним навантаженням, із застосуванням сучасних досягнень фундаментальної науки й комп’ютерних програмних засобів моделю- вання та розрахунку технологічного процесу. Основними завданнями дослідження були оптимізація утилізації відходів за допомогою статичного навантаження для досягнення мак- симального виходу паро-газової суміші (ПГС), а також визначення оптимальної сукупності режимних параметрів піролізного реактора (ущільнення, теплопровідність і розподіл тем- пературного поля всередині реактора). Одним із завдань також є розрахунок продуктивності реактора в процесі безперервного завантажен- ня автошин і при їх стисканні в процесі піролі- зу та визначення величини оптимального тис- ку на автошини в реакторі. Деструктивна термічна утилізація гумотех- нічних відходів здійснюється при нагріванні їх в закритому реакторі БЦП і є складним фізико-хімічним процесом, що складається з одночасного нагрівання, хімічного розкладан- ня маси відходів і вторинних реакцій взаємодії паро- та газоподібних продуктів деструкції. Кількість та тип переважаючого каучуку, що входить до складу суміші гумових відходів ви- значає параметри проведення процесу утилі- зації та основні продукти деструкції. Тому для удосконалення та оптимізації технології БЦП проведено аналіз сировини зношених шин та гумових відходів, що дає підстави для визна- чення параметрів фізико-хімічних процесів термічної деструкції відходів в реакторі уста- новки БЦП. Хімічний та покомпонентний склад гумо- вих сумішей та гумових виробів, що втратили споживчі властивості, представлено в таблиці 1. Аналіз елементного складу гумотехнічних відходів показує, що до їх складу входять різ- номанітні компоненти, однак їх сумарний від- сотковий вміст не перевищує 4—6 %. Це свід- чить про те, що основними компонентами су- міші відходів є натуральний каучук та різні типи синтетичних каучуків, їх основою є вуг- лець і водень, внаслідок чого гумові відходи володіють високою теплотою згорання, що до- зволяє проводити процес їх утілізації без ви- користання додаткових енергоносіїв. 41ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні 41 Запатентована технологія утилізації ГТВ термічним розкладанням під дією статичного навантаження [15] базується на процесах ме- ханотермічної деструкції та залежить від тис- ку, сили навантаження на масив автошин в ре- акторі і температури. Деструкція гуми відбу- вається по найменш міцним хімічним зв’язкам, а зі збільшенням температури в поєднанні зі статичним навантаженям зменшується міц- ність вулканізаційної сітки за рахунок руйну- вання активних ланцюгів у гумових відходах. Механічні сили, що розтягують, але ще не розривають ланцюгову молекулу, здатні змі- нювати реакційну здатність хімічних зв’язків і, отже, впливати на швидкість хімічних реак- цій. Внаслідок цього знижується енергія ак- тивації та прискорюється термічна деструкція, що супроводжується втратою частини відхо- дів за рахунок реакцій деполімеризації, а від- так здійснюється інтенсифікація процесу ути- лізації гумових відходів. Вище температури текучості настає терміч- ний розпад молекулярних ланцюгів еластоме- ру, що супроводжується виділенням низько- молекулярних летких речовин, утворюючи первинну парогазову суміш (ПГС) важких ви- Таблиця 1 Хімічний склад різних видів гумових відходів та гумових виробів, що втратили споживчі властивості Вид гумотехнічних виробів Хімічний склад Морфологічний склад Компонент Вміст, % Компонент Вміст, % Стандартна гума Каучук СКН-26 (бутадієннітрильний) Каучук СКІ-3 (ізопреновий) Нафтові залишки Сірка технічна Тіурам Білило цинкове Стеарин 48,11 47,16 0,381 0,152 0,762 3,049 0,381 Натуральний каучук Синтетичний каучук Метал Текстиль Технічний вуглець Інші компоненти 15—18 25—28 9—12 5—6 20—23 10—13 Покришки відпрацьовані Каучук СКІ-3 (ізопреновий) Каучук СКД (бутадієновий) Сірка технічна Вуглець Інші компоненти 42,81 43,95 0,16 8,89 4,80 Каучук Металокорд Біла сажа Інші компоненти 86,5 8,33 0,27 4,90 Пневматичні шини від пра- цьовані Каучук СКС-30 (бутадієнстирольний) Вуглець Марганець Діоксид кремнію Залізо Сірка технічна 86,86 0,30 9,20 0,05 3,40 0,18 Гума Сталь 96 4 Покришки з тканинним кор- дом відпрацьовані Бутилкаучук БК Залізо Діоксид кремнію Марганець Вуглець Сірка технічна 84,4 3,2 0,5 0,6 10,8 0,17 Гума Сталь Капрон 95 4 1 Покришки з металевим кор- дом відпрацьовані Каучук СТС (Хлорпреновий) Бутилкаучук БК Залізо Сірка технічна Вуглець 43,8 44,1 3,1 0,149 8,51 Гума Сталь Текстиль 76 17 7 42 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Л.М. Маркіна, М.С. Крива сокомолекулярних сполук. В таблиці 2 наве- дено узагальнений процес термічної деструк- ції ГТВ. В таблиці 3 наведено основні характеристи- ки деструкції основних типів каучуків при їх утилізації та початкову температуру їх роз- кладання (Tроз, °С). ПГС безперервно підіймається вгору та ви- ходить з реактору в багатоконтурну циркуля- ційну систему для подальшого розділення, та- ким чином зменшуючи масу та об’єм заванта- жених в реактор ГТВ, що постійно піддаються термічному розкладанню. Матеріали шин сучасних автомобілів дуже різноманітні, але при їх виготовленні викорис- товують натуральний або синтетичний каучу- ки, які характеризуються низькою теплопро- відністю. Процес їх піролізу характеризуєть- Таблиця 2 Процес термічної деструкції гумотехнічних відходів Етап деструкції та його температура, °C Радикально-ланцюговий механізм Хімічні реакції Продукти реакції Перший етап, 250–380 Утворення вільних радикалів, зростання реакційного ланцю га супроводжується розривом зв’яз ків і зниженням молекулярної маси Деполімеризація з ут- воренням мономера та інших низь комо леку- ляр них речовин Випаровування різних ком- понентів гуми, таких як спе- ціальні добавки, масла й плас тифікатори Другий етап, 400–550 Обрив реакційного ланцюга від- бувається шляхом реком бі на ції або диспропорціонування віль них ради калів. Поява подвійних зв’язків на кін цях макромолекул, зміна фрак ційного складу і утворення роз га луженних та просторових струк тур Зміна ступеня нена си- ченості, процеси цик- лізації та ізомеризації. Зшивання й деструкція макромолекул Руйнування натурального, бу тилового й бутил сти- рольного каучуків Таблиця 3 Склад деструктурованих каучуків різних типів Вид каучуку Tроз, °C Вихід мономера Основні речовини, що утворюються при піролізі каучуків Вміст, % в розрахунку на каучук Натуральний 198 Ізопрен Дипентен Ізопрен 2-Метилпентен-2 24,0 1,45 Хлорпреновий (неопрен) 227 Хлоропрен Бензол Толуол 2,70 1,62 Бутилкаучук 248 Бутилен Вінілциклогексан М-Ксилол Тетрагідроетилтолуол 1,94 1,80 Бутадієнстирольний 254 Бутадієн Вінілциклогексан Стирол Дипентен Гептени Гексени 29,0 3,80 4,16 Бутадієн-нітрильний 287 Бутадієн Вінілциклогексан Нітрилакрилова кислота Гексадієни Пентени Бутени Бутадієни 1,25 2,41 1,60 3,91 Силоксановий 360 Кремнійорганічні з’єднання Метилмеркаптан Сірководень 0,13 0,34 43ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні ся термодеструктивними показниками, які можуть суттєво відрізнятися один від одного, але всі вони однозначно реагують на макси- мальну температуру нагріву, при цьому глиби- на деструкції гуми в процесі піролізу буде ха- рактеризуватися тільки терміном впливу за- значеної температури на гуму. Враховуючи, що коефіцієнт заповнення піролізного реакто- ра цілими автошинами низький і кількість кау- чуку порівняно з пустотами в об’ємі реактора, не перевищує декілька відсотків, основним за- вданням при піролізі є забезпечення макси- мальної теплопередачі і, відповідно, макси- мальної температури в середині піролізного реактора. В результаті дії вимушеного силового ста- тичного навантаження на шини в реакторі за- гальна термопластична гума перетікає і запов- нює всі пустоти, утворюючи суцільну масу ущільненої гуми з розташованими в ній борто- вими кільцями. За рахунок ущільнення де- формується конструкція зношених автошин та змінюється їх об’єм в реакторі, що призво- дить до збільшення коефіцієнту заповнення нижнього активного об’єму реактора цілими автошинами до 0,97—0,99 % [15]. Залежно від агрегатного стану гуми й вза- ємного розташування бортових кілець зміню- ються і фізичні властивості маси в реакторі, зокрема її щільність і теплопровідність. Пере- хід термопластичної гуми в газоподібну паро- газову суміш вуглеводнів пов’язана з затратою теплоти фазового переходу як на роботу роз- ширення, так і на подолання сил міжмолеку- лярної взаємодії. Фазовий перехід супрово- джується різкою зміною щільності масиву ав- тошин. Представлений механізм процесу термічно- го розкладання гумових відходів при їх ста- тичному навантаженні дає підстави для моде- лювання інтенсивності утворення ПГС, що проходить в реакційній зоні, тобто в реакторі. Завдання статичної оптимізації утилізації відходів на основі піролізу спрямовані на до- сягнення максимального виходу ПГС, пов’я- зані з визначенням оптимальної сукупності режимних параметрів піролізного реактора, а саме ущільнення, теплопровідності й процесу розподілу температурного поля всередині пі- ролізного реактора. Для вирішення завдань оптимізації на пер- шому етапі необхідно знати аналітичні залеж- ності між основними параметрами, які наведе- ні у вигдяді математичної моделі теплопровід- ності всередині реактора [16]. Загальну теплопровідність масиву автошин в зонах реактора можна виразити як: с (u, r, t) = div [(u, r, t) gradu] + q(u, r, t), (1) де u — температура, с — питома об’ємна тепло- ємність,  — коефіцієнт теплопровідності, q — щільність джерела тепла зовнішнього обігріву реактора, r, t — координати. Рівняння теплопровідності для зон нагріву в сферичній системі координат наступне: . (2) Рівняння теплопровідності для ущільнено- го масиву компонентів автошин при деструк- ції можна представити в циліндричній системі координат: (3) де r, z — циліндричні координати; r,  — сфе- ричні координати; Т — температура;  — час, c = c — питома об’ємна теплоємність;  — щіль- ність суміші компонентів автошини в третій зоні реактора; с — питома масова теплоємність. Для спрощення розрахунків теплопровід- ності при допустимій похибці будь-яка бага- токомпонентна система може бути послідовно зведена до двокомпонентної при відповідних граничних умовах. При виборі моделі прий- маються наступні припущення і обмеження: матеріал гуми є термопластичним і має одно- + ·  (Т) )( d d dT d 1 r 2 sin2  du dt )( d dz dT dz+  (Т) , )( d dr dT dr 1 r 2 dt dc'(Т) = ·  (Т) r + )( d dr dT dr 1 r dt dc'(Т) = ·  (Т) r + 44 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Л.М. Маркіна, М.С. Крива рідну структуру, металокордом нехтуємо, ма- те ріал бортових кілець — однорідний метал, розташований в площині, перпендикулярній тепловому потоку. Для характеристики процесу переносу теп- ла в багатокомпонентній моделі необхідно вста- новити залежність ефективного коефіцієнту узагальненої теплопровідності  від структу- ри комірки, коефіцієнтів узагальненої тепло- провідності компонентів і та їх концентрації mi, тоді:  = f (1, 2, ... і , m1 , m2 , ...mi). (4) Теоретичне дослідження процесу теплопе- реносу виконується на ідеалізованій моделі структури, яка відображає основні геометрич- ні характеристики реальної комірки автоши- ни, враховуючи всі істотні фактори, що визна- чають процес теплопереносу. Таку модель можна вважати адекватною в реальній систе- мі, що демонструє формула 5. (5) Наведена формула теплопровідності анізо- тропної структури елементарної бінарної ко- мірки з компонентами металевого бортового кільця і гуми дозволяє визначити теплопро- відність масиву, структура якого найбільш реалістична в процесі піролізу цілих авто- шин, поєднаного з дією на них статичного на- вантаження. Для прогнозування ефективності іннова- ційної технології, а також відпрацювання тех- нологічних режимів, експериментальні дослі- дження проводили на стенді багатоконтурного циркуляційного піролізу БЦПШ—14 (рис. 1), що працює в циклічному режимі та може здійс- нювати утилізацію тільки подрібнених шин. Для максимального наближення результатів до сліджень температурних характеристик на стенді циклічної дії до результатів, які будуть одержані на промисловій установці безпе- рервної дії, частини подрібнених автошин від- биралися з умовою дотримання співвідношен- ня об’єма гуми до сумарного об’єму металу (ме- талокорд та дріт бортових кілець) відповідно до цілої автошини. Отримані результати до- зволять використати їх для адаптації матема- тичної моделі щодо роботи промислової уста- новки безперервної дії утилізації цілих зно- шених шин. Було проведено серію експериментальних до сліджень в двох варіантах: варіант 1 — тра- диційний піроліз подрібнених автошин в ре- акторі (рис. 2), коли щільність масиву авто- шин в реакторі не перевищує 60 %, і варіант 2 — піроліз подрібнених автошин в реакторі зі статичним навантаженням (рис. 3). — (– 1)(1 –m2) m2 3 2 — m2 (– 1)3 1  1 = . Рис. 1. Експериментальна установка БЦПШ–14 Рис. 2. Етапи підготовки подрібнених автошин до про- цесу утилізації традиційним піролізом: а — закладан- ня шматків автошин в реактор; б — заповнення реакто- ра подрібненими автошинами, де їх щільність не пере- вищує 60 % а б d d 1 r 45ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні Порізані на частини розміром 100 × 100 мм автошини з металокордом завантажували в реактор об’ємом 14 дм3, а зверху на них вста- новлювали різну кількість дисків масою 0,5 кг кожен (табл. 4), які створювали статичне на- вантаження на шматки автошин, розташова- них в реакторі в процесі їх піролізу. Для визначення температурного поля в реакторі було встановлено термопари, які були з’єднані з приладом ОВЕН УКТ38-Щ4. Таблиця 4 Зміна температурного поля маси автошин в піролізному реакторі при різних статичних навантаженнях № експе- рименту Маса шматків автошин, кг Статичне наванта- ження, кг/см2 Температура в центрі реактора, °С Температура на відстані 1/4 діаметра реактора, °С Температура на внутрішній поверхні корпусу реактора, °С Температура на зовнішній поверхні реактора, °С 1 3,68 — 310 450 550 582 2 3,75 — 312 462 551 582 3 3,62 — 311 457 551 583 4 3,70 0,08 365 480 550 581 5 3,78 0,08 370 475 550 582 6 3,68 0,08 368 460 552 583 7 3,65 0,1 380 485 551 580 8 3,77 0,1 385 490 550 582 9 3,81 0,1 385 492 551 582 10 3,69 0,2 428 507 551 583 11 3,68 0,2 420 512 550 581 12 3,78 0,2 425 510 550 582 13 3,72 0,3 430 510 552 583 14 3,82 0,3 429 511 551 582 15 3,65 0,3 425 515 562 583 Рис. 3. Етапи підготовки подрібнених автошин до процесу утилізації піролі- зом зі статичним навантаженням: а — вихідне положення набору масивних дисків перед розташуванням їх в реакторі; б — розташування першого диску в реакторі; в — розташування всього масиву дисків в реакторі; г — встанов- лення кришки на реактор та її герметизація за допомогою гвинта а б в г 46 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Л.М. Маркіна, М.С. Крива ТП № 30108101104026097, що реєстрував змі- ну температури в масиві автошин в процесі пі- ролізу. Реактор виготовлено із сталі марки 08Х18Н9Т з такими геометричними парамет- рами: діаметр— 220 мм; товщина стінки корпу- су — 5 мм. Схема розташування термопар та блок-схема експериментальної установки ЕУ БЦПШ—14 наведено на рис. 4. Теоретичні дослідження в програмі COMSOL теплофізичних характеристик вертикального піролізного реактора, заповненого цілими автошинами, при взаємодії температури і статичного їх стискання За допомогою програми COMSOL було про- ведено серію розрахунків для оцінювання точ- ності складання математичної моделі та роз- робки рекомендацій зі збільшення продуктив- ності установки для утилізації ГТВ. COMSOL Multiphysics — потужне інтерак- тивне середовище для моделювання та вирі- шення наукових і технічних проблем, засно- ваних на диференціальних рівняннях (PDE). Прог рамне забезпечення виконує кінцево-еле- ментний аналіз разом з адаптивним будуван- ням сітки, використовуючи ряд чисельних рішень. Для розрахунків температурного поля у вер- тикальному піролізному реакторі, заповнено- му автошинами з статичним навантаженням, використовувався метод кінцевих елементів. В результаті розв’язання диференціального рів- няння теплопровідності, побудовано графіки, що демонструють ущільнення (рис. 5), тепло- провідність (рис. 6) і процес розподілу тем пе- ратурного поля всередині піролізного реакто- ра (рис. 7—8). Максимальна щільність шматків автошин в нижній частині реактора у варіанті 1 складає 1080 кг/м3, тоді як у варіанті 2 — 1800 кг/м3 (рис. 5). Відповідно змінюється й коефіцієнт теплопровідності масиву автошин в реакторі. Порівнюючи графіки двох варіантів (рис. 6, а, б) видно, що у варіанті 2 максимальна теп- лопровідність в нижній частині реактора скла- дає 12,7 Вт/(м · К), а у варіанті 1 — 0,18 Вт/(м · К), що майже в 100 разів менше, порівняно з варі- антом 2. Таке стрімке збільшення теплопро- відності виникає не лише через збільшення коефіцієнту ущільнення маси гуми, а в ос- нов ному за рахунок несиметричного розта- шування і зближення один до одного мета- левих бортових кілець, коефіцієнт тепло- провідності яких досягає 50 Вт/(м · К). Від- повідно, наведені характеристики впливають на інтенсивність нагрівання реактора, змен- шуючи загальну тривалість процесу утиліза- ції відходів. Рис. 4. Блок-схема експериментальної у с тановки ЕУ БЦПШ — 14: 1 — реактор; 2 — система повітряного охолодження II кон туру; 3 — повітряна засувка; 4 — блок контурної циркуляційної системи; 5 — ви хідний конденсатор з водяним охо лод жен ням; 6 — розподільна ємність; 7 — підривний запобіжник; 8 — компен- сацій на ємність; 9 — кран зливання рід- кого палива; 10 — лічильник піролізного газу; 11, 12 — крани подачі піролізного газу на пальник допалювання; 13 — паль- ник допалювання піролізного газу; 14 — пальник скрапленого газу; К1, К2, К3, К4, К5, К6, К7 — термопари Сировина Скраплений газ Піролізний газ Рідке паливо К6 6 7 10 9 1 8 1112 14 К1 К2 К3 К4 К7 К5 5 2 13 3 4 47ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні Рис. 5. Спектральний аналіз щільності (а) та криві зміни щільності автошин (б) залежно від висоти піролізного реактора ретортного типу без навантаження (варіант 1) та при статичному стисканні автошин в процесі піролі зу (варіант 2) Рис. 6. Спектральний аналіз теплопровідності (а) та кри- ві зміни коефіцієнту теплопровідності (б) залежно від висоти піролізного реактора ретортного типу без наван- таження (варіант 1) та при статичному стисканні авто- шин в процесі піролізу (варіант 2) 0 0 1 1 2 2 3 3 Щільність, кг/м3 1080 0,18 0,1 0,02 0,3 0,06 0,5 0,1 0,7 0,12 0,9 0,2 0,04 0,4 0,08 0,6 0,8 0,14 1,0 0,16 ×103 0,18 0 0,260,4–0,4 0 0,010,4–0,4 0 1 2 3 1080 0,4 0,8 1,4 0,2 0,6 1,0 1,2 1,6 ×103 0 0,260,4–0,4 0 1 2 3 127 6 10 2 4 8 12 0 0,4 0,01–0,4 а а Висота реактора, м Варіант 2 К ое ф іц іє нт т еп ло пр ов ід но ст і р еа кт ор а, В т/ м · К б Варіант 1 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,9 1,0 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,2 0,6 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0–0,2 0 Висота реактора, м Варіант 2 К ое ф іц іє нт т еп ло пр ов ід но ст і р еа кт ор а, В т/ м · К б Варіант 1 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 10 12 8 6 4 2 0 0,2 0,6 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0–0,2 0 Теплопровідність, ВТ/(м · К) 48 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Л.М. Маркіна, М.С. Крива При порівнянні розподілу температур у ва- ріантах 1 і 2 (рис. 7—8), видно, що зі збільшен- ням теплопровідності температура в об’ємі ущільнених автошин розподіляється більш рівномірно, а з урахуванням того, що теплоєм- ність масиву також збільшується, то при одній і тій же потужності пристрою, який обігріває реактор, температура в центрі реактора за дру- гого варіанту досліду зменшується приблизно на 100 °С. Це пояснюється відсутністю різкого піку розподілу температур в центрі реактору (рис. 8, б). Результати виконаного дослідження техно- логічних параметрів піролізу зношених авто- мобільних шин при їх статичному наванта- женні узагальнено в таблиці 5. Умови теоре- тичного розрахунку: варіант 1 — розрахункова модель без статичного навантаження, варіант 2 — розрахункова модель при статичному на- вантаженні 0,35 кг/см2. Практичні досліджен- ня: варіант 1 — реактор заповнений частинами автошин без статичного навантаження; ва- ріант 2 — реактор заповнений шматками ав- тошин при статичному їх стисканні силою 0,32 кг/см2. Таким чином, отримані в результати дослі- джень показали ефективність застосування статичного навантаження під час утилізації гумових відходів, про що свідчить збільшен- ня теплопровідності масиву автошин в реак- торі як при теоретичних розрахунках, так і підтверджено в результаті практичних дослі- джень. Похибка різниці результатів теоретич- ної моделі та практичних досліджень не пе- ревищує 13 %. Розрахункова продуктивність реактора в процесі безперервного завантаження автошин і при їх стисканні в процесі піролізу Для теоретичного дослідження точності розрахункової продуктивності проектованого реактора піролізу стиснених автошин задаємо контрольні параметри експериментального реактора: — швидкість просування автошин в реакто- рі — 0,35—0,525 м/год; — температура теплоносія обігріву реактора — 900—1100 °С; — сила статичного навантаження на авто- шини — 0,02—0,08 кг/см2; 0 1 2 3 Температура, °С 1106 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,1 ×103 0 0,26 0,4–0,4 0 1 2 3 1080 0,2 0,3 0,5 0,8 0,9 0,1 0,4 1,6 1,7 1,0 1,1 ×103 0 75,5 0,4–0,4 Рис. 7. Спектральний аналіз розподілу температури по масиву подрібнених автошин в піролізному реакторі ре- тортного типу без навантаження (варіант 1) та при ста- тичному стисканні їх в процесі піролізу (варіант 2) Таблиця 5 Порівняльна таблиця теоретичних розрахунків та результатів експерименту Показники Теоретичні розрахунки Експериментальне дослідження варіант 1 варіант 2 варіант 1 варіант 2 Зовнішня тем пе ра- тура корпуса ре ак- то ра, °С 600 600 800 820 Теплопровідність, Вт/(м · К) 0,07 9,8 0,11 11,5 Температура в цент- рі реактора, запов- не но го шматками под ріб нених ав то- шин, °С 310 425 415 580 Варіант 2Варіант 1 49ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні — еквівалентний діаметр реактора — 0,6—1,2 м; — частота подачі автошин в реактор — 10— 15 шт./год; — продуктивність переробки в реакторі — 35—50 кг/год. На основі математичної моделі процесу пі- ролізу автошин з ефектом стискання в процесі піролізу та аналізу експериментальних даних одержано кінетичне рівняння відносного се- реднього часу перебування автошини в реак- торі, який достатній для видалення із автошин 80—95 % летких вуглеводнів. З урахуванням цього перебування автошини в реакторі згідно числа Фурьє, одержуємо рівняння відносної продуктивності піролізного реактора: G = 1,6 · 10–4 · Re · Pr · · · · d2 · a · G3 ≈ 32 — 42,4 км/год, де Rе — критерій Рейнольдса (Rе = , V — швидкість руху автошин в реакторі 0,15— 0,25 м/год, D1 — внутрішній діаметр реакто- ра — 0,6 м, μ — динамічна в’язкість маси тер- мопластичної гуми 11,2 Н · с/м2, с — щільність Рис. 8. Криві розподілу температури в центрі масиву подрібнених автошин в процесі їх нагрівання димовими газами різної температури в піролізному реакторі ретортного типу без навантаження (варіант 1) та при статичному стискан- ні (варіант 2) Те м пе ра ту ра в ц ен тр і р еа кт ор а, °С Висота реактора, м 650 750 550 450 350 250 150 50 0,2 0,6 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,00 600 500 400 300 200 100 Варіант 2 Варіант 1 VD1 с μ )( S1 S2 )(Q — Q0 tcт — Q 50 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Л.М. Маркіна, М.С. Крива маси автошин в третій зоні реактора — 0,97); Рr — критерій Прандтля (Рr = 1,48 , Ср — теплоємність ущільненої маси автошин 1,68;  — коефіцієнт теплопровідності ущільненої маси автошин — 12,7 Вт/м · К); S1; S2 — площа внутрішнього перетину реактора і зовнішньо- го з урахуванням перетину газоходу, відповід- но — 0,28 і 0,43 м2; Q — температура пірокар- бону на виході із реактора — 300 °С; Q0 — тем- пература автошини на вході в реактор — 120 °С; tст — температура внутрішньої стінки реакто- ра — 400 °С; d — діа метр бортових кілець — 0,38 м; а — коефіцієнт температуропровід- ності ущільненої маси автошин — 8 · 106 м2/с; Gз — одночасна маса автошин, яка знаходить- ся в реакторі — 720 кг. Межі змін безрозмірних коефіцієнтів в рівнянні: Rе (для високов’язкого потоку) = = 7,76 · 10—5. Аналізуючи одержане рівняння продуктив- ності за різними параметрами — температурою теплоносія, діаметрами реактора, швидкістю просування автошин по реактору, різним зу- силлям навантаження, можна знайти експери- ментальне значення продуктивності реактора. Виходячи із вище визначеної продуктив- ності реактора і одночасної маси автошин, яка знаходиться в реакторі, можна обчислити тер- мін перебування автошин в реакторі: = = = 7,8 год, що, згідно з експериментальними даними, за- безпечує 98 % видалення летких вуглеводнів з об’єму автошин. Для оцінки ефективності теплопередачі в реакторі БЦП під час статичного навантажен- ня при утилізації зношених автошин побудо- вано графік залежності продуктивності зазна- ченого реактора від величени теплопровіднос- ті маси автошин в заданих температурних режимах (рис. 9). Аналіз графічних зображень показує, що при малих величинах теплопровідності, в разі відсутності зовнішнього навантаження і мало- го ущільнення при  = 0,03—0,2 Вт/(м · К), продуктивність реактора порівняно мала і практично не збільшується (рис. 9, крива а). Тоді як при дії зовнішнього навантаження теп- лопровідність маси ущільнених автошин збіль- шується до  = 4,0—12,0 Вт/(м · К), кількість автошин, які знаходяться при оптимальній температурі піролізу, збільшується і, відповід- но, продуктивність реактора стрімко зростає (рис. 9, крива б). Визначення величини оптимального тиску на автошини в реакторі Для визначення величини оптимального тиску, тобто зовнішнього навантаження на на масив автошин, які розташовані в циліндрич- ному реакторі, проаналізовано фізичний стан автошини в кожній зоні реактора. Із характеристики фізичного стану гуми вид- но, що основним параметром при розрахунку Рис. 9. Зміна продуктивності реактора піролізу безпе- рервної дії при збільшенні теплопровідності маси авто- шин за рахунок зовнішнього навантаження на них в про- цесі піролізу в заданих температурних режимах: а — кри- ва продуктивності реактора при відсутності зовнішнього навантаження; б — крива продуктивності реактора при дії статичного навантаження μСр  720 92 Gз Gпр Вт/(м · К) 35 30 25 20 15 а б 10 5 км/год 0,05 0,1 0,2 0,15 4,0 10,0 12,08,0 51ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні сили навантаження (Р) є коефіцієнт термо- пластичності гуми. Для оцінювання стискаючого зусилля в пер- шому наближенні розглянемо горизонталь- не розташування автошин гладкими шарами. Сила стискання в напрямку вісі будь-якої пари контактуючих шарів автошин площею поперечного перерізу реактора і загальним коефіцієнтом термопластичного стану гуми становить: P = р'пит r 2, (6) де r 2 — площа поперечного перерізу автоши- ни на ділянці 1, 2, а на ділянці 3 — площа по- перечного перерізу реактора; р'пит — сила ста- тичного тиску (кг/см2) на масив автошин, який залежить від величини зовнішнього на- вантаження рпит, у разі вертикального заванта- ження реактора враховується сила тяжіння G шарів автошин, розташованих зверху. Оскільки масив автошин складається із іде- ально гладких прошарків, то: р'пит = рпит + ; G = 9,81н; V = 10 н hсл r 2, (7) де н — насипна маса автошин для кожної ді- лянки реактора, hсл — половина висоти ділян- ки (сила стискання розраховується для сере- ди ни ділянки). Виходячи із практично отриманих даних властивостей термопластичної гуми при мак- симальній температурі 600 °С і мінімальному терміні заповнення нею вільного об’єму в се- редині бортових кілець, розрахункове зовніш- нє навантаження визначається в інтервалі 0,01—0,07 кг/см2 при динамічній в’язкості тер- мопластичної гуми 112 сПуаз. Таким чином, розроблено безвідходну тех- нологію утилізації зношених автомобільних шин із застосуванням статичного наванта- ження з отриманням альтернативного палива. Отримання альтернативного палива зазначе- ним шляхом, визначення залежностей його якості та кількості від температурних парамет- рів здійснення процесу на кожному контурі багатоконтурної циркуляційної системи, є ма- теріалом для подальших досліджень. На основі отриманих результатів було про- ведено серію експериментальних випробу- вань в реакторі заповненому автошинами при традиційному піролізі (варіант 1) та із статич- ним навантаженням (варіант 2), а за допомо- гою комп’ютерної програми COMSOL Multip- hy sics визначено фізичні характеристики про- цесу — у варіанті 1 в нижній частині реактора визначенно величину щільності, що складає 1080 кг/м3, тоді як у варіанті 2 цей показник становить 1800 кг/м3; максимальна теплопро- відність в нижній частині реактора у варіанті 2 складає 12,7 Вт/(м · К), а у варіанті 1 майже в 100 разів менше — лише 0,18 Вт/(м · К). Таким чином, отримані результати дослі- джень показали ефективність застосування статичного навантаження під час утилізації гу- мових відходів, про що свідчить збільшення коефіцієнту теплопровідності масиву автошин в реакторі і, як наслідок, температура в об’ємі ущільнених автошин розподіляється більш рівномірно, а з урахуванням того, що теплоєм- ність масиву також збільшується, то при одній і тій же потужності пристрою, який обігріває реактор, температура в центрі реактора друго- го варіанту менша приблизно на 100 °С. На основі математичної моделі процесу пі- ролізу автошин з ефектом стискання в проце- сі їх утилізації та аналізу експериментальних даних розраховано продуктивність реактора при безперервному завантаженні автошин. Виз- начено час перебування автошин в реакторі, що складає 7,8 годин та, згідно з експеримен- тальними даними, забезпечує 98 % видален- ня летких вуглеводнів з об’єму автошин. В ході роботи було визначено величину оп- тимального тиску на автошини в реакторі при максимальній температурі 600 °С. Розрахун- кове зовнішнє навантаження коливається в межах 0,01—0,07 кг/см2 при динамічній в’яз- кості термопластичної гуми 112 сПуаз. Подальше удосконалення технології багато- контурного циркуляційного піролізу автошин G r 2 52 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Л.М. Маркіна, М.С. Крива з дією статичного навантаження можна від- нести до пріоритетних і стратегічних напрям- ків розвитку вітчизняної науки, що дозволить Ук раїні вирішити власні питання з утилізації зно шених автошин з одержанням альтерна- тивних видів палива. Це не лише сутєєво по- кращить загальну екологічну ситуацію в краї- ні, а й в перспективі дозволить вийти на все- світній ринок з продажу як прогресивної тех- нології, так і відповідного обладнання. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Патент України на корисну модель кл. F23G5/027, С08J11/04. Маркіна Л.М., Рижков С.С., Рудюк М.В., Кри- ва М.С. Універсальна автоматизована установка безперервного піролізу цілих зношених автомобільних шин. 2. Маркіна Л.М. Дослідження характеристик ущільнення маси цілих зношених автошин в піролізному реакторі. Збірник наукових праць Національного університету кораблебудування. 2017. № 3. С. 121—128. 3. Аметов И.Э., Оболонский В.В., Абхаирова С.В. Теоретические основы механотермической переработки рези- ны. Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. Технические науки. 2012. Выпуск 35. С. 23—28. 4. Соколов А.Р., Беляев П.С., Маликов О.Г. Исследование процесса девулканизации резиновой крошки изно шен- ных автомобильных шин. URL: http://www.tstu.ru/book/elib/pdf/st/2004/sokolov.pdf (дата звернення: 20.03.2018). 5. Дырда В.И., Гребенюк С.Н., Лисица Н.И., Решевская Е.С., Тархова В.М., Новикова А.В., Заболотная Е.Ю. Рас- чёт напряженно-деформированного состояния виброизоляторов сложной формы. Геотехническая механика: Меж - вед. сб. науч. тр. 2012. Вып. 106. С. 105—110. 6. Дырда В.И., Толстенко А.В., Калганков Е.В. Определение долговечности упругонаследственных сред с ис поль- зованием обобщенных критериев разрушения. Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2013. № 4/7 (64). С. 4—7. 7. Енаев А.А., Манфановский С.Б. Cтенд для статических и динамических испытаний пневматических шин. Машинострение. 2002. С. 249—253. 8. Контарева Т.А., Юловская В.Д., Оболонкова Е.С., Насруллаев И.Н., Серенко О.А. Влияние температуры на механические свойства резинопластов на основе полиэтилена. Вестник МИТХТ. 2011. Т. 6, № 1. С. 33—36. 9. Іскович-Лотоцький Р.Д., Веселовська Н.Р., Іванчук Я.В., Веселовський Я.П. Розрахунок температурних полів в робочих зонах піролізної установки. Міжвузівський збірник «Наукові нотатки». 2013. Випуск 42. С. 113—119. 10. Коробочкин В.В., Кравцов А.В., Попок Е.В. Повышение эффективности установок синтеза метанола с использованием метода математического моделирования. Фундаментальные исследования. 2012. № 9. С. 151—156. 11. Суслов М. Б. Оборудование по утилизации и переработке шин, других РТИ. URL: http://suslovm.ucoz.ru/ (да та звернення: 26.03.2018). 12. Превратите отходы в доходы. URL: http://altop.com.ua/ (дата звернення: 02.03.2018). 13. Константин Розен. Утилизация покрышек методом пиролиза. URL: www.brasco-oil.ru (дата звернення: 15.03.2018). 14. Маркіна Л.М., Рижков С.С. Моделювання й розрахунок елементів технології багатоконтурного цирку ля- ційного піролізу високомолекулярних органічних відходів. Екотехнології і ресурсозбереження. 2006. № 4. С. 71—76. 15. Патент України на винахід, кл. F23G5/24, F23G5/027, С08J11/04, С10G1/10, С10В53/07 № 110678. Маркіна Л.М., Рижков С.С., Рудюк М.В., Крива М.С. Універсальна автоматизована установка безперервного піролізу цілих зно- шених автомобільних шин; заявл. 06.10.2014; опубл. 25.01 2016, Бюл. № 2. 16. Ryzhkov S., Rudyuk N., Markina L. Research of thermal conductivity of the condensed mass of the whole waste tires and determination of their optimum arrangement in the pyrolysis reactor. Eastern-European Journal Of Enterprise Technologies. 2016. No. 4/5 (82). Р. 12—18. Стаття надійшла до редакції 06.04.18 REFERENCES 1. Patent of Ukraine for the useful model C. F23G5/027, S08J11/04. L. M. Marquina, S. S. Rizhkov, M. V. Rudyuk, M. S. Kruva. The Flexible automated unit of the continuous pyrolysis of the whole auto tires [in Ukrainian]. 2. Markina, L. M. (2017). Doslidzhennia kharakterystyk ushchilnennia masy tsilykh znoshenykh avtoshyn v piroliznomu reaktori. Zbirnyk naukovykh prats Natsionalnoho universytetu korablebuduvannia, 3, 121—128 [in Ukrainian]. 3. Ametov, I. E., Obolonskiy, V. V., Abkhairova, S. V. (2012). Teoreticheskie osnovy mekhanotermicheskoy pererabot- ki re ziny. Uchenye zapiski Krymskogo inzhenerno-pedagogicheskogo universiteta. Tekhnicheskie nauki, issue 35, 23—28 [in Uk- rainian]. 53ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні 4. Sokolov, A. R., Belyaev, P. S., Malikov, O. G. Issledovanie protsessa devulkanizatsii rezinovoy kroshki iznoshennykh avtomobilnykh shin. URL: http://www.tstu.ru/book/elib/pdf/st/2004/sokolov.pdf (Last accessed: 20.03.2018). 5. Dyrda, V. I., Grebenyuk, S. N., Lisitsa, N. I., Reshevskaya, Ye. S., Tarkhova, V. M., Novikova, A. V., Zabolotnaya, Ye. Yu. (2012). Raschet napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya vibroizolyatorov slozhnoy formy. Geotekhnicheskaya mek- hanika: Mezhved. sb. nauch. tr., issue 106, 105—110 [in Ukrainian]. 6. Dyrda, V. I., Tolstenko, A. V., Kalgankov, Ye. V. (2013). Opredelenie dolgovechnosti uprugo-nasledstvennykh sred s is polzovaniem obobshchennykh kriteriev razrusheniya. Eastern-European Journal Of Enterprise Technologies, 4/7(64), 4—7 [in Ukrainian]. 7. Yenaev, A. A., Manfanovskiy, S. B. (2002). Stend dlya staticheskikh i dinamicheskikh ispytaniy pnevmaticheskikh shin. Mashinostrenie, 249—253 [in Ukrainian]. 8. Kontareva, T. A., Yulovskaya, V. D., Obolonkova, Ye. S., Nasrullaev, I. N., Serenko, O. A. (2011). Vliyanie temperatury na mekhanicheskie svoystva rezinoplastov na osnove polietilena. Vestnik MITKhT, 6(1), 33—36 [in Ukrainian]. 9. Іskovich-Lototskiy, R. D., Veselovska, N. R., Іvanchuk, Ya. V., Veselovskiy, Ya. P. (2013). Rozrakhunok temperatur- nikh polіv v robochikh zonakh pіrolіznoї ustanovki. Mіzhvuzіvskiy zbіrnik “Naukovі notatki”, issue 42, 113—119 [in Ukrainian]. 10. Korobochkin, V. V., Kravtsov, A. V., Popok, Ye. V. (2012). Povyshenie effektivnosti ustanovok sinteza metanola s is polzovaniem metoda matematicheskogo modelirovaniya. Fundamental research, 9, 151—156 [in Ukrainian]. 11. Suslov, M. B. Oborudovanie po utilizatsii i pererabotke shin, drugikh RTI. URL: http://suslovm.ucoz.ru/ (Last ac- cessed: 26.03.2018). 12. Prevratite otkhody v dokhody. URL: http://altop.com.ua/ (Last accessed: 02.03.2018). 13. Konstantin Rozen. Utilizatsiya pokryshek metodom piroliza. URL: www.brasco-oil.ru (Last accessed: 15.03.2018). 14. Markina, L. M., Ryzhkov, S. S. (2006). Modeliuvannia y rozrakhunok elementiv tekhnolohii bahatokonturnoho tsyr kuliatsiinoho pirolizu vysokomolekuliarnykh orhanichnykh vidkhodiv. Ekotekhnolohii i resursozberezhennia, 4, 71—76 [in Ukrainian]. 15. Patent of Ukraine for the invention C. F23G5/24, F23G5/027, С08J11/04, С10G1/10, С10В53/07 No. 110678. Mar- kina L. M., Ryzhkov S. S., Rudiuk M. V., Kryva M. S. (2016). Universal automated installation of continuous pyrolysis whole worn car tires [in Ukrainian]. 16. Ryzhkov, S., Rudyuk, N., Markina, L. (2016). Research of thermal conductivity of the condensed mass of the whole waste tires and determination of their optimum arrangement in the pyrolysis reactor. Eastern-European Journal Of Enterprise Technologies, 4/5(82), 12—18 [in English]. Received 06.04.18 Markina, L.M., and Kryva, M.S. Admiral Makarov National University of Shipbuilding, Heroiv Ukrainy Ave., 9, Mykolaiv, 54000, Ukraine, +380 93 608 7550, markserg@ukr.net, marharyta.kryva@nuos.edu.ua STUDY OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF PYROLYSIS OF WASTE TIRES UNDER STATIC LOAD Introduction. Disposal of waste tires is a pressing problem in our country, since their amount has been constantly in- creasing. Inadequacy of the existing methods for thermal waste tire utilization has given rise to the necessity of developing an advance technology for their pyrolysis combined with static load. Problem Statement. Since no data on specific features of work process are available, this complicates the adjust- ment works and implementation of waste tire utilization by thermal decomposition under static load in industrial con- ditions. The determination of specific features of waste tire destruction in the reactor under static load is a relevant problem to be solved. Purpose. To determine the physical parameters of waste tire destruction in the pyrolysis reactor, under static load. Materials and Methods. To assess the effectiveness of the proposed method a series of experiments have been carried out. It includes the conventional pyrolysis of grinded waste tires in the reactor and tire pyrolysis under static load. Using COMSOL Multiphysics program, the physical parameters of vertical pyrolysis reactor filled with tires under temperature ef- fect and static compression have been studied. Results. Diagrams that show thermal conductivity and distribution of temperature field inside the pyrolysis reactor in the case of compaction of processed products have been built using the method of end elements and solution of differential thermal conductivity equation. The time of tire stay in the reactor has been estimated as 7.8 hours. Optimal pressure on tire, which is required for maximum compaction has been determined. 54 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2018, 14 (6) Л.М. Маркіна, М.С. Крива Conclusions. Raising performance of the plant for waste tire utilization by introducing static load into the process technology for multi-loop circulation pyrolysis has been substantiated. The use of static load has been shown to be an effec- tive method, as it leads to an increase in the thermal conductivity coefficient of waste tire mass in the reactor and, conse- quently, a more even temperature distribution in the compacted tire mass. Keywords : multi-loop circulation pyrolysis, waste tires, static load, compaction, thermal conductivity, and modelling. Л.Н. Маркина, М.С. Кривая Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, просп. Героев Украины, 9, Николаев, 54000, Украина, +380 93 608 7550, markserg@ukr.net, marharyta.kryva@nuos.edu.ua ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПИРОЛИЗА ИЗНОШЕННЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН ПРИ ИХ СТАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ Введение. Проблемы утилизации изношенных автомобильных шин остро стоят в нашей стране, поскольку их объем непрерывно увеличивается. Кроме того, несовершенство существующих методов термической утилизации из- ношенных автошин побуждает к разработке новой технологии пиролиза в сочетании со статической нагрузкой. Проблематика. Из-за отсутствия практических знаний особенностей рабочего процесса затрудняется проведе- ние наладочных работ и реализация утилизации резиновых отходов термическим разложением под действием стати- ческой нагрузки в промышленных условиях, важным является определение особенностей деструкции резиновых отходов в реакторе оборудования при статическом сжатии. Цель. Определение физических характеристик теплотехнического процесса деструкции изношенных автошин в пиролизном реакторе в сочетании со статическим нагружением. Материалы и методы. Для оценки эффективности предложенного метода проведена серия экспериментальных исследований: традиционный пиролиз измельченных автошин в реакторе и пиролиз автошин со статической нагруз- кой. С помощью программы COMSOL Multiphysics исследовано тепло-физические характеристики вертикального пиролизного реактора, заполненного автошинами, при взаимодействии температуры и статического сжатия. Результаты. Путем использования программой метода конечных элементов и решения дифференциального уравнения теплопроводности, построены графики, демонстрирующие теплопроводность и процесс распределения температурного поля внутри пиролизного реактора в условиях уплотнения перерабатываемых продуктов. Рассчитан срок пребывания автошин в реакторе, что составляет 7,8 ч. Определено оптимальное давление на автошины, необхо- димое для достижения максимального уплотнения. Выводы. Обоснованно повышение производительности установки утилизации резинотехнических отходов пу- тем внедрения в технологическую схему многоконтурного циркуляционного пиролиза статической нагрузки. Пока- зана эффективность применения статической нагрузки во время процесса, о чем свидетельствует увеличение коэф- фициента теплопроводности массива автошин в реакторе и, как следствие, более равномерное распределение темпе- ратуры в объеме уплотненных автошин. Ключевые слова : многоконтурный циркуляционный пиролиз, изношенные автошины, статическая нагрузка, уплотнение, теплопроводность, моделирование.

Дослідження технологічних параметрів піролізу зношених автомобільних шин при їх статичному навантаженні

Institution

Similar Items