Общеизвестно, что CO₂ — самый сложный в обращении вспенивающий агент при физическом вспенивании экструзией. На то есть причины: сверхкритическая точка, коварный сухой лёд, заметное изменение плотности при колебаниях температуры окружающей среды и т. д. Однако конечному заказчику само по себе это знание мало что даёт: чтобы линия работала производительно, нужна надёжная конструкция. Я не стану углубляться в теорию и терминологию — просто поделюсь нашим практическим опытом работы с CO₂ в производстве XPS.
Технологическая схема системы подачи CO₂
Чтобы лучше понять тонкости работы каждого узла системы, начнём с разбора технологической схемы. Приведённая ниже схема — не настоящая схема P&ID, а лишь эскиз, который поможет понять, как мы управляем подачей CO₂. Реальная схема P&ID гораздо сложнее: в ней десятки клапанов и другая арматура.
| Этап | Температура | Давление | Состояние CO₂ |
|---|---|---|---|
| Резервуар CO₂ | около −20 °C | 1,6-2,0 МПа | Жидкое |
| Промежуточная ёмкость | около 25 °C | 6,5-7 МПа | Жидкое |
| Охладитель | 10 °C | 6,5 МПа | Полностью жидкое, готово к дозированию |
| Материальный цилиндр экструдера | около 200 °C | — | Сверхкритическое |
Резервуар CO₂: хранение в жидком виде
Как правило, технический CO₂ доставляют автоцистернами, вмещающими десятки тонн жидкого CO₂. Хранят его в большом резервуаре с вакуумной изоляцией, обычно вместимостью около 25 т. Температура CO₂ в резервуаре — примерно минус 20 °C, давление — 1,6–2,0 МПа. Когда из-за изменения температуры окружающей среды давление растёт, резервуар стравливает часть CO₂ и тем самым охлаждается.
Как известно, с жидкостью работать гораздо проще, чем с газом. Поэтому наша задача — удерживать CO₂ в жидком состоянии на протяжении всего процесса. Из-за высокого давления насыщенных паров CO₂ очень легко испаряется, поэтому приходится поддерживать баланс между давлением и температурой.
На этом и основан принцип работы нашей системы.
Дожимной насос: из резервуара в промежуточную ёмкость
Мы применяем дожимной насос, который перекачивает жидкий CO₂ из резервуара в промежуточную ёмкость с рубашкой; благодаря рубашке температуру промежуточной ёмкости можно регулировать водяным термостатом.
Расстояние — как можно короче
Здесь важно учесть одну вещь: резервуар CO₂ и промежуточная ёмкость должны располагаться как можно ближе друг к другу. CO₂ склонен к испарению, поэтому чем больше расстояние, тем выше риск испарения.
Для этого дожимной насос рекомендуется устанавливать под резервуаром CO₂. Но даже в этом случае испарение время от времени всё же происходит.
Если дожимной насос не качает
Если дожимной насос не может нормально перекачивать CO₂, вероятнее всего, произошло испарение. Для такой ситуации предусмотрен сбросной клапан: откройте его и выпустите испарившийся CO₂, чтобы охладить головку дожимного насоса.
Делать это нужно очень аккуратно: если открыть сбросной клапан слишком сильно, CO₂ легко превращается в сухой лёд, который забивает трубопровод, а таять он будет очень долго.
Производительность насоса и трубопроводы
Чтобы избежать такой ситуации, производительность дожимного насоса должна в десять раз превышать производительность дозирующего насоса: тогда дожимному насосу не нужно работать постоянно — он включается лишь периодически.
Кроме того, рекомендуется удлинить сбросной трубопровод — это предотвращает обмерзание сухим льдом входного трубопровода дожимного насоса. Теплоизоляция трубопроводов всей системы также обеспечивает стабильность подачи CO₂ и экономит энергию.
Промежуточная ёмкость: постоянные температура и давление
Задача промежуточной ёмкости — поддерживать CO₂ при определённой температуре (около 25 °C), чтобы давление во всей системе оставалось стабильным и достаточно высоким (6,5–7 МПа). Эти два условия обеспечивают постоянство физических свойств CO₂ и подготавливают его к точному дозированию в двухшнековый экструдер. Как я уже говорил, плотность CO₂ меняется с изменением температуры.
Сигнализация уровня на 70 % объёма
Верхний аварийный уровень CO₂ в промежуточной ёмкости должен составлять не более 70 % её полного объёма на случай нештатной ситуации — например, отключения электроэнергии летом в жарком регионе. Тогда температура вокруг промежуточной ёмкости может подняться, и CO₂ перейдёт в сверхкритическое состояние, поведение в котором гораздо труднее контролировать и прогнозировать. В результате объём CO₂ сильно увеличится, и при недостатке свободного пространства промежуточная ёмкость может оказаться в опасности.
Почему 25 °C
Перед поступлением в промежуточную ёмкость CO₂ подогревают, чтобы его температура в ёмкости соответствовала заданной. Обычно это 25 °C. При этой температуре давление в промежуточной ёмкости составляет около 6,5 МПа.
Почему выбрана именно эта температура? В Китае 10 МПа — граница между сосудами среднего и высокого давления. Сосуд высокого давления требует более сложной сертификации и стоит дороже. Поэтому расчётное давление 7 МПа позволяет оставить промежуточную ёмкость в классе среднего давления.
Охладитель и дозирование
Из промежуточной ёмкости CO₂ поступает в ещё один охлаждающий сосуд, где его температура снижается до 10 °C. При давлении 6,5 МПа и температуре 10 °C CO₂ находится в состоянии чистой жидкости. А чем больше доля жидкости, тем проще дозирование. В таком состоянии CO₂ легко дозируется в первичный экструдер (двухшнековый экструдер).
Необходимо учесть ещё одно: головку насоса нужно охлаждать чиллером. Во время работы головки насоса выделяют тепло, из-за которого жидкий CO₂ может испаряться, нарушая процесс.
Сброс скопившихся паров CO₂
Даже если учтены все перечисленные моменты, это ещё не гарантирует правильной работы с CO₂. Если на каком-либо участке трубопровода скапливаются пары CO₂, система не будет работать нормально.
В этом случае нужно очень осторожно открыть сбросной клапан, чтобы не образовался крупный сухой лёд. Настоятельно рекомендуется установить сбросной клапан перед клапаном впрыска. Как только появится белый дым (мелкие частицы сухого льда), всё готово — закройте клапан. Теперь подача CO₂ работает как надо.
Насосы и другие системы подачи CO₂
Так мы управляем системой подачи CO₂. Это решение учитывает сразу несколько факторов: китайское производство комплектующих, экономичность, надёжность и практичность. Есть и другие способы хорошо управлять подачей CO₂: например, комплекты LINDE PRESUS и DSD также обеспечивают точное дозирование CO₂. Просто наша система рассчитана на комплектующие китайского производства.
Плунжерный или мембранный насос
Наш многолетний опыт показывает, что плунжерные насосы китайского производства прекрасно справляются с CO₂. Их недостаток в том, что со временем риск утечек у них выше, чем у мембранных насосов. Однако CO₂ нетоксичен и негорюч, поэтому опасаться этого риска нет смысла. К тому же уплотнения очень дёшевы и легкодоступны, а их замену можно включить в регламент планового обслуживания.
А вот горючие вспенивающие агенты — ГФУ-152a, этанол, диметиловый эфир (ДМЭ), изобутан и т. п. — лучше подавать мембранным насосом.
Система CO₂ в нашей лаборатории экструзии вспененных материалов
В нашей лаборатории экструзии вспененных материалов используется другая система, которая отлично справляется с небольшими количествами CO₂, но пока применяется только в лабораторных условиях. Она охлаждает CO₂ до минус 20 °C, так что при небольшом давлении CO₂ находится в состоянии чистой жидкости. Обычно система работает с баллоном CO₂, вмещающим всего несколько десятков килограммов. Она относительно недорога и проста в эксплуатации.
CO₂ должен оставаться жидким на всём пути
Подводя итог: CO₂ лучше всего держать в состоянии чистой жидкости на протяжении всего процесса подачи.
Что касается так называемой линии XPS со вспениванием сверхкритическим CO₂, это название связано с тем, что CO₂ переходит в сверхкритическое состояние при впрыске в материальный цилиндр, где температура составляет около 200 °C. К процессу подачи CO₂ это название отношения не имеет.
