Инженерные принципы ванны флотации и линии мойки ПЭТ-бутылок

В индустрии переработки ПЭТ-бутылки (бутылки из полиэтилентерефталата) являются одновременно и высокоценным ресурсом, и серьезной технической задачей. Для обывателя выброшенная бутылка из-под напитка кажется единым материалом. Однако для инженера это сложный «композитный продукт». Этот с виду простой предмет на самом деле состоит как минимум из трех различных полимеров, которые химически и физически несовместимы друг с другом.

Понимание этой «композитной» природы является ключом к пониманию того, почему современная линия мойки ПЭТ-бутылок спроектирована именно так.

Тело бутылки: Самая ценная часть, изготовленная из ПЭТ (PET).
Крышка и кольцо на горлышке: Обычно изготавливаются из ПП (PP).
Этикетка: Обычно изготавливается из ПЭ (PE) или бумаги и прикрепляется к телу бутылки клеем.

Проблема: Эти материалы никогда не должны смешиваться на этапе плавления. Если загрязнения из ПП или ПЭ попадут в экструдер вместе с ПЭТ-хлопьями, они обуглятся или деградируют первыми, что приведет к сильному ухудшению физических свойств конечных (rPET) хлопьев — они станут мутными, хрупкими и резко упадут в коммерческой стоимости.

Поэтому барьером для входа на рынок rPET является чистота. Высококачественные хлопья rPET требуют общего содержания примесей менее 320 частей на миллион (320ppm), в то время как передовые производственные линии (такие как у Boxin Machinery) стремятся снизить загрязнение ПП/ПЭ до 50ppm или даже соответствовать строгому стандарту ниже 15ppm для пищевых применений.

Это подводит нас к основному тезису данной статьи: истинная ценность высокопроизводительной линии мойки ПЭТ заключается не в «мойке», а в ее способности к разделению (сепарации).

Удельный вес ПЭТ-хлопьев (Принцип «Тонуть-Плавать»)

Прежде чем мы углубимся в многомиллионную механическую инженерию, мы должны сначала понять простой, но изящный физический принцип: Удельный вес (Относительная плотность).

Удельный вес, или относительная плотность, — это безразмерная величина, которая измеряет плотность вещества по сравнению с эталонным веществом (обычно водой). Как и требовалось, объясним эту концепцию самыми простыми словами:

Плотность (удельный вес) воды определена как 1.0 г/см³.
Любое вещество с удельным весом больше 1.0 будет тонуть в воде.
Любое вещество с удельным весом меньше 1.0 будет плавать в воде.

К счастью для индустрии переработки ПЭТ, три основных пластика, из которых состоит ПЭТ-бутылка, имеют отчетливо разные «отпечатки» удельного веса, как будто они были специально созданы для физического разделения.

Таблица сравнения плотности перерабатываемых материалов

Материал	Удельный вес (г/см³) (Средний)	Поведение в воде (1.0 г/см³)
ПЭТ / PET (Тело бутылки)	$~$1.38	Тонет
ПП / PP (Крышка/Кольцо)	$~$0.90	Плавает
ПЭ / PE (Этикетка)	$~$0.93 - 0.96	Плавает
Вода (Среда разделения)	1.0	Базовая линия

Теоретически нам просто нужно подождать, пока ПЭТ утонет, а ПП/ПЭ всплывут. Однако между теорией и крупномасштабным промышленным производством лежит пропасть, называемая «инженерия».

Инженерное чудо Ванны флотации (Sink-Float Tank)

A. Разрушение стереотипов: Почему это абсолютно не просто «Большая ванна с водой»

Учитывая физические принципы во второй части, распространенное и дорогостоящее заблуждение заключается в том, что переработчикам нужна только «большая ванна с водой». Это предположение является основной причиной провала многих проектов по переработке, производящих ПЭТ-хлопья, не соответствующие стандартам чистоты.

Эффективная Ванна флотации — это точно спроектированное гидродинамическое устройство. Его главная и самая сложная задача — контролировать поток воды.

B. Главный враг: Турбулентный поток

Многие неудачи в разделении происходят не из-за сбоя принципа плотности, а из-за хаотичности потока воды.

В промышленной линии материалы (измельченные хлопья) часто перекачиваются или смываются в сепарационный бак с высокой скоростью потока. Этот высокоскоростной хаотичный поток создает высокое «Число Рейнольдса», что приводит к Турбулентному потоку. Турбулентность характеризуется непредсказуемыми Вихрями и интенсивным Смешиванием.

А «Смешивание» — это полная противоположность «Разделению».

Представьте: фрагмент ПЭ этикетки размером 5 мм (плотность 0,95 г/см³). Его собственная плавучесть чрезвычайно слаба. В хаотичном объеме воды, где доминирует турбулентность, его слабая «сила вязкости» (сила, заставляющая его всплывать) может быть легко преодолена мощной «инерционной силой» (вихрями).

Прямое следствие: фрагменты ПП/ПЭ, которые должны были всплыть, принудительно утягиваются на дно искусственной турбулентностью, смешиваясь с чистыми ПЭТ-хлопьями. Это приводит к катастрофическому сбою разделения, и чистота конечных ПЭТ-хлопьев будет далека от требований уровня PPM.

Поэтому плохо спроектированная «большая ванна с водой», полная турбулентности, на самом деле действует как миксер, а не сепаратор.

C. Настоящее решение: Ламинарный поток и механическое удаление

Достижение физического разделения: Только в спокойной среде «Ламинарного потока» гравитация может стать доминирующей силой. Незначительным различиям в плотности позволяется проявиться; фрагменты ПЭ имеют достаточно времени и пространства, чтобы преодолеть сопротивление воды и всплыть, в то время как ПЭТ-хлопья могут стабильно тонуть без помех.
Механическое удаление: После достижения спокойного разделения система должна быть способна непрерывно удалять оба потока разделенного материала, не нарушая спокойствия воды.
Дно (Утонувший материал): Дно резервуара спроектировано с точными углами наклона. Чистые ПЭТ-хлопья высокой плотности оседают здесь. Медленно вращающийся Шнековый конвейер (или Шнек) непрерывно «выкапывает» эти ПЭТ-хлопья со дна резервуара, отправляя их на следующий процесс.
Верх (Плавающий материал): Плавающие загрязнения из ПП/ПЭ собираются на поверхности воды. Вращающиеся лопасти или Скиммеры мягко толкают эти загрязнения в отдельный сборный желоб, где они собираются и продаются как побочные продукты, такие как «материал крышек».

Только в этот момент ванна флотации превращается из пассивной «ванны» в активную, динамичную и точную машину для разделения.

Деконструкция полной линии мойки ПЭТ-бутылок: от кип до чистых хлопьев

Ванна флотации — это сердце линии, но она не существует изолированно. Это критическое звено в автоматизированной производственной линии, точно координируемой десятком или более модулей. Ниже приведена типичная конфигурация линии горячей мойки от (Boxin Machinery), детализирующая полный путь от спрессованных кип до чистых хлопьев.

Таблица 2: Технологический процесс и функции линии мойки ПЭТ

Этап	Ключевое оборудование	Основная цель
Этап 1: Предварительная обработка	Разбиватель кип, Троммель, Удалитель этикетки	Разбивание материала, удаление мелких загрязнений, удаление 95%+ этикеток
Этап 2: Дробление и физическое разделение	Мокрая дробилка, Ванна флотации	Уменьшение размера, отделение ПП/ПЭ с использованием удельного веса
Этап 3: Глубокая очистка	Система горячей мойки, Фрикционная мойка	Удаление клея, жира и стойких пятен
Этап 4: Ополаскивание и сушка	Ванна ополаскивания, Центробежная сушилка, Сушка горячим воздухом	Удаление химических остатков, снижение влажности до <1%
Этап 5: Контроль качества	Воздушный классификатор (Удаление пыли), Упаковка	Удаление мелкой пыли, взвешивание и упаковка

A. Этап 1: Предварительная обработка

Разбиватель кип (De-baler): Переработанные ПЭТ-бутылки обычно поступают на завод в спрессованных кипах высокой плотности. Разбиватель кип должен разбить эти твердые «кирпичи» на свободно сыпучие отдельные бутылки. (Boxin Machinery) использует «четырехвальную структуру» для кип высокого давления, чтобы обеспечить эффективное разбивание.
Удалитель этикетки: Это часто упускаемый из виду, но важный шаг. Перед дроблением бутылки попадают в удалитель этикетки.
- Принцип работы: Он использует высокоскоростные вращающиеся лезвия из сплава и механическое трение, чтобы надрезать этикетки и принудительно сорвать их.
- Воздушная сепарация: Встроенный воздушный сепаратор немедленно отсасывает более легкую этикеточную бумагу и пленку ПЭ, в то время как более тяжелые бутылки продолжают движение вперед.
- Зачем это нужно: Зачем удалять этикетки перед дроблением, а затем еще иметь ванну флотации (которая также удаляет этикетки)? Этот «избыточный» дизайн является признаком эффективности. Объяснение: Как только этикетки и бутылки нарезаны на мелкие кусочки, их становится чрезвычайно трудно разделить. Сухой удалитель этикетки (который может удалить 95-98% этикеток) удаляет этикетки, когда они самые большие и их легче всего отделить. Последующая ванна флотации — это завершающий этап, используемый для обработки оставшихся 2-5% фрагментов этикеток и (что более важно) крышек из ПП/ПЭ.

B. Этап 2: Дробление и физическое разделение

Мокрая дробилка (Wet Granulator): Предварительно обработанные бутылки попадают в дробилку и нарезаются на однородные «хлопья», размер которых обычно контролируется сеткой до 12 мм. Вода непрерывно распыляется в камеру во время дробления с тремя целями: использовать силу удара воды для предварительной мойки, уменьшить тепло, выделяемое при трении, и смазать лезвия для уменьшения износа.
Ванна флотации: Измельченный смешанный материал (ПЭТ-хлопья, фрагменты крышек и этикеток из ПП/ПЭ) попадает в основной блок разделения, подробно описанный в Части 3. Только ПЭТ-хлопья высокой плотности выгружаются со дна для перехода на следующий этап.

C. Этап 3: Глубокая очистка

Физическое разделение не может решить проблему клея, жира, остатков сока и стойкой грязи. Эти загрязнения требуют химических и термических решений.

Горячая мойка: Это второй ключевой шаг к достижению высокой чистоты rPET. ПЭТ-хлопья подаются в один или несколько реакторных баков, где они смешиваются с химическими агентами (обычно каустическая сода NaOH и поверхностно-активные вещества/моющие средства) в горячей воде при 80°C - 90°C.
Синергия (Boxin): Boxin Machinery оптимизирует это в систему «синергии трех сил»:
1. Тепловая сила: Высокая температура размягчает клей и жир.
2. Химическая сила: Каустическая сода и моющие средства растворяют органические загрязнения посредством омыления.
3. Механическая сила: Высокоскоростные перемешивающие лопасти внутри бака непрерывно трут хлопья, сдирая размягченную грязь.
Высокоскоростная фрикционная мойка: После выхода из бака горячей мойки хлопья попадают в высокоскоростную фрикционную мойку. Она использует высокоскоростные вращающиеся лопасти и поток воды для мощного «оттирания» поверхности хлопьев, удаляя последние остатки, которые размягчились во время горячей мойки, но все еще прилипали.

D. Этап 4: Ополаскивание и сушка

Ополаскивание: Цель этого этапа — полностью удалить все остаточные химические агенты и взвешенную грязь, отделенную во время горячей мойки. Это обычно включает одну или несколько ванн ополаскивания холодной водой и часто использует конструкцию второй или третьей флотации, чтобы гарантировать, что конечные хлопья химически нейтральны.
Сушка: Сушка — это двухэтапный процесс с целью снижения влажности до менее 1%.
1. Центробежная сушилка: Хлопья сначала попадают в вертикальную или горизонтальную машину обезвоживания, которая использует центробежную силу от высокоскоростного вращения для сбрасывания более 98% поверхностной влаги.
2. Термическая сушка: Затем хлопья проходят через систему сушки горячим воздухом. Горячий воздух (около 120°C) испаряет последнюю оставшуюся влагу в хлопьях, гарантируя достижение стандарта влажности (<1%).

E. Этап 5: Контроль качества и упаковка

Удаление пыли / Воздушный классификатор: В качестве последнего шага контроля качества сухие хлопья проходят через систему воздушной классификации (Z-образный воздушный классификатор). Поток воздуха точно сдувает чрезвычайно легкую пыль, обрезки пленки и мелкие частицы этикеток, в то время как более тяжелые, чистые ПЭТ-хлопья падают вниз.
Силос и упаковка: Конечные чистые ПЭТ-хлопья пневматически транспортируются в большой накопительный Силос, а затем подаются через автоматическую систему взвешивания и упаковки в биг-бэги, готовые к продаже.

Почему инженерная наука диктует конечную стоимость rPET

Почему вся эта сложная инженерия — от проектирования ламинарного потока до синергии трех сил горячей мойки и многоступенчатого ополаскивания — так важна?

Ответ прост: потому что это напрямую определяет конечный сорт и цену продажи хлопьев rPET.

Волоконный сорт (Fiber-Grade): Используется для производства ковров, наполнителя для одежды или штапельных волокон. Требует высокой чистоты, но допускает наличие мельчайших цветных крапинок и загрязнений.
Листовой сорт (Sheet-Grade): Используется для экструзии новых упаковочных листов. Требования выше.
Пищевой сорт (Bottle-to-Bottle): Это самая сложная задача и самое ценное применение в переработке. Это не только требует чрезвычайно высокого контроля загрязнений (на уровне <15 ppm), но и обычно требует постобработки, такой как SSP (Твердофазная поликонденсация), для восстановления характеристической вязкости ПЭТ.

«Дешевая» производственная линия может в конечном итоге производить хлопья с загрязнением ПП/ПЭ 500ppm или даже выше. Линии холодной мойки подходят только для производства низкокачественной продукции для ПЭТ-ленты, которая имеет чрезвычайно низкую рыночную конкурентоспособность.

В конечном счете, покупка линии мойки ПЭТ-бутылок — это не покупка груды машин из нержавеющей стали; это покупка повторяемой, проверяемой способности к физическому и химическому разделению.

Теория пуста, но производительность вечна. Пример клиента (Boxin Machinery) в Казахстане служит окончательным доказательством: линия мойки ПЭТ, поставленная 15 лет назад (в 2009 году), до сих пор работает непрерывно под «высокой нагрузкой», стабильно производя хлопья rPET, которые соответствуют требованиям переработки волоконных фабрик.

Это и есть истинная ценность точной инженерии — она не просто работает в первый день; она продолжает создавать ценность для клиента каждый день в течение следующих 15 лет.