УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ПОРОШКА И СОЗДАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В НЕМ
APPARATUS AND METHOD FOR TRANSFERRING AND PRESSURIZING POWDER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству для передачи порошкообразного материала из первой зоны, находящейся под давлением Р1, во вторую зону, находящуюся под давлением Р2, и для повышения давления порошкообразного материала от давления Р1 до давления Р2. Настоящее изобретение может передавать движение, такое как колебания, порошкообразному материалу, обычно чтобы предотвратить уплотнение порошкообразного материала при передаче.
Уровень техники
Обработка порошкообразного материала на производственной линии зачастую включает в себя передачу порошка между различными зонами с различными термодинамическими свойствами, например передачу из первой зоны с давлением Р1 во вторую зону с давлением Р2.
Пример обработки порошка раскрыт в патентном документе EP 1 206 193, относящемся к производству пенообразующего ингредиента и порошков, содержащих его.
В документе US 7 234 493 раскрыто устройство для передачи пылевидного, порошкообразного, зернистого или гранулированного передаваемого материала из резервуара для хранения в рабочий или транспортный резервуар или аналогичное вмещающее пространство. Устройство содержит рабочую камеру, которая соединена с линией подачи для передаваемого материала, и содержит сечение для выгрузки. По меньшей мере одна питающая линия для текучей среды ведет в рабочую камеру, а между текучей средой и передаваемым материалом расположено фильтрующее устройство. Линия подачи для передаваемого материала ведет в трубчатое пространство с фильтром, а фильтрующая вставка, которая также является трубчатой и разделяет упомянутое пространство с фильтром, расположена внутри рабочей камеры, соединенной с воздушной линией и/или газопроводом.
В этом документе не предусмотрено повышение давления в порошкообразном материале от первого значения давления до второго значения давления. Тем не менее, порошковый материал, передаваемый посредством использования текучей среды, имеет склонность к уплотнению и такое уплотнение ведет к закупориванию устройств для передачи порошкообразного материала из первой зоны с давлением Р1 во вторую зону с давлением Р2, причем такое закупоривание эффективно предотвращает какую-либо дальнейшую передачу. Оказалось, что эффект закупоривания усиливается при увеличении разницы давлений.
Следовательно, предпочтительным будет предложить усовершенствованные устройство и способ для передачи порошкообразного материала, и, в частности, были бы предпочтительны более эффективные и/или надежные устройство и способ.
Соответственно, цель изобретения заключается в том, чтобы предложить устройство и способ, которые решают вышеуказанную задачу существующего уровня техники.
Раскрытие изобретения
Таким образом, предполагается, что вышеописанная цель и несколько других целей достигаются благодаря первому объекту изобретения, обеспечивающему устройство для передачи порошкообразного материала из первой зоны с давлением Р1 во вторую зону с давлением Р2, и для поднятия давления в порошкообразном материале от давления Р1 до давления Р2. Устройство, содержащее резервуар, оборудованный входом для порошка между первой зоной и резервуаром, выходом для порошка между резервуаром и второй зоной, впуском газа и выпуском газа, закрывающим средством, приспособленным для того, чтобы выборочно герметично закрывать резервуар от первой зоны, второй зоны или от обеих зон во время передачи и создания давления в порошкообразном материале, отличается тем, что: резервуар оборудован осциллятором, расположенным перед выходом для порошка, причем осциллятор приспособлен для того, чтобы его приводили в действие во время выгрузки порошкообразного материала, и при этом упомянутый осциллятор, таким образом, передает колебания на порошкообразный материал во время его выгрузки.
Один из эффектов, получаемых посредством изобретения, заключается в том, что можно обеспечить разрыхление порошкообразного материала, что может нарушить тенденцию порошкообразного материала к уплотнению в твердые структуры. Кроме того, ввод газа может обеспечить дополнительное разрыхление порошкообразного материала, обычно, путем флюидизации порошкообразного материала в устройстве.
Осциллятор предпочтительно выполнен внутри устройства возле выхода для порошка. Тем самым, осциллятор может находиться в непосредственном контакте с порошкообразным материалом и соответственно действовать непосредственно на порошкообразный материал.
Отметим, что передаче порошкообразного материала способствует по меньшей мере поток текучей среды, предпочтительно газа, и этот поток текучей среды несет с собой порошкообразный материал. Соответственно, вход для порошка и выход для порошка относятся к входу и выходу для смеси газа и порошкообразного материала.
В предпочтительных вариантах выполнения устройства осциллятор может содержать поворотную заслонку, расположенную в резервуаре и проходящую перпендикулярно направлению выгрузки порошка. Поворотная заслонка может быть расположена в полуоткрытом положении, и поворотная заслонка может приводиться в действие, чтобы колебаться вокруг полуоткрытого положения во время выгрузки порошка.
Предпочтительно и преимущественно, поворотную заслонку приводят в действие посредством привода без запаздывания. Привод может предпочтительно представлять собой пневматический привод.
В особенно предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения осциллятор может содержать заслоночный клапан.
Резервуар предпочтительно может быть оборудован по меньшей мере двумя впусками газа, по меньшей мере один из которых расположен между осциллятором и выходом для порошка.
Более того, резервуар предпочтительно может быть оборудован фильтром, способным удерживать упомянутый порошкообразный материал и который в резервуаре отделяет: свободное пространство сверху, которое оснащено выпуском газа, и рабочее пространство, которое оснащено входом для порошка и выходом для порошка. Кроме того, свободное пространство сверху предпочтительно может быть оснащено впуском газа.
Резервуар предпочтительно может быть оборудован несколькими впусками газа, соединенными с одной линией подачи газа соответствующими газопроводами. Кроме того, газопроводы предпочтительно могут быть расположены параллельно от линии подачи газа до впусков газа. В дополнение или в качестве альтернативы, газопроводы предпочтительно могут быть оборудованы закрывающим средством, предпочтительно представляющим собой управляемые запорные клапаны. Предпочтительно, чтобы закрывающим средством газопроводов можно было управлять для одновременного открывания или закрывания.
Устройство предпочтительно может содержать конический элемент между осциллятором и выходом для порошка.
Осциллятор предпочтительно может быть приспособлен для того, чтобы колебаться с частотой от 0,5 Гц до 30 Гц, и предпочтительно может быть приспособлен для того, чтобы колебаться с амплитудой от 1 градуса до 20 градусов.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно может быть приспособлено для того, чтобы функционировать с абсолютной разницей давлений между первым давлением Р1 и вторым давлением Р2, равным по меньшей мере 10 бар. Соответственно, второй объект настоящего изобретения относится к применению описанного устройства для создания давления, в котором абсолютная разница давлений между первым давлением Р1 и вторым давлением Р2, |P2-P1|, составляет по меньшей мере 10 бар.
Третий объект настоящего изобретения относится к способу передачи порошкообразного материала из первой зоны с давлением Р1 во вторую зону с давлением Р2. В способе используют устройство в соответствии с изобретением, при этом он содержит следующие этапы, на которых:
- заполняют устройство порошкообразным материалом из первой зоны путем подачи порошкообразного материала в резервуар, когда вход для порошка открыт, выход для порошка закрыт, выпуск газа открыт и впуск газа предпочтительно закрыт;
- создают давление в устройстве путем подачи газа под давлением в устройство через один или несколько впусков газа, когда вход для порошка, выход для порошка и выпуск газа закрыты;
- опустошают устройство путем открывания выхода для порошка, приведения в действие осциллятора и предпочтительно позволяя газу под давлением проходить в устройство через один или несколько впусков газа.
Первый, второй и третий объект настоящего изобретения можно сочетать с любым из других объектов. Эти и другие объекты изобретения станут понятны и будут разъяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные далее в этом документе.
Краткое описание чертежей
Далее более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи будут описаны предпочтительные варианты осуществления в соответствии с изобретением. На чертежах показаны способы реализации настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как ограничивающие до других вариантов осуществления, попадающих под объем прилагаемой формулы изобретения.
На фиг. 1 схематично показан первый вариант выполнения устройства для передачи порошкообразного материала в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 схематично показан осциллятор в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 схематично показан первый вариант выполнения устройства для передачи порошкообразного материала в соответствии с настоящим изобретением. Устройство приспособлено для того, чтобы передавать порошкообразный материал из первой зоны, находящейся под первым давлением Р1, во вторую зону, находящуюся под давлением Р2. Устройство предпочтительно может быть приспособлено для того, чтобы функционировать с абсолютной разницей давлений между первым давлением Р1 и вторым давлением Р2, равным по меньшей мере 10 бар, даже более предпочтительно по меньшей мере 50 бар.
Передачи порошкообразного материала из устройства, по меньшей мере частично, достигают посредством того, что порошкообразный материал переносит текучая среда, предпочтительно представляющая собой газ под давлением, выходящий из устройства по направлению к расположенной дальше по течению второй зоне. Аналогично, предпочтительно в устройство подают порошкообразный материал, переносимый текучей средой, предпочтительно представляющей собой газ под давлением, проходящий из первой зоны в устройство.
Устройство содержит резервуар 3, имеющий форму цилиндра. На верхнем конце (как показано на фиг.1) резервуара 3 расположен полусферический элемент 11, а на нижнем конце расположен конический элемент 12. На узком конце конического элемента 12 расположен трубчатый элемент 13.
Внутри устройства в области полусферического элемента 11 расположен фильтр 9. Фильтр предпочтительно расположен у верхнего конца резервуара 3 и полусферического элемента 11, образуя тем самым свободное пространство сверху, а резервуар 3 с коническим элементом 12 образует рабочее пространство, которое оснащено входом 5 для порошка и выходом для порошка в виде трубчатого элемента 13.
Устройство соединено с несколькими источниками через трубы и клапаны, причем клапаны в соединении с трубами могут представлять собой неотъемлемую часть устройства. Как показано на фиг.1, различные клапаны обычно представляют собой управляемые запорные клапаны, и обычно управление клапанами является электрическим или пневматическим.
Порошкообразный материал поступает в устройство из первой зоны, находящейся под первым давлением Р1, через вход 5 для порошка, содержащий управляемый запорный клапан 5а, расположенный в трубе между первой зоной и внутренней частью резервуара. Порошок выходит из устройства через трубчатый элемент 13, служащий в качестве выхода для порошка, соединенный со второй зоной, находящейся под вторым давлением Р2. Передачу порошкообразного материала выполняют путем переноса порошка потоком газа, обычно так же под действием гравитации.
На верхнем конце устройства (сверху на полусферической части 11) выполнено выборочное соединение с источником 6 вакуума и источником 7 давления подачи. Следует отметить, что в представленном контексте под источником вакуума понимают устройство, осуществляющее всасывание (или по меньшей мере обеспечивающее возможность допустить поток газа под более высоким давлением по направлению к устройству), причем оно обеспечивается путем создания давления, которое ниже, чем давление в резервуаре 3, а под источником давления подачи понимают устройство, подающее текучую среду, предпочтительно газ, под более высоким давлением, чем давление внутри резервуара 3.
Соединение с источником 6 вакуума и источником 7 давления подачи выполняют с помощью труб, включающих в себя запорные клапаны 6а и 7а. Как показано на фиг. 1, свободное пространство сверху соответственно соединено с источником 7 давления подачи трубой 14, проходящей от вершины полусферического элемента 11 к промежуточной трубе 15. С одного конца промежуточной трубы 15 расположен клапан 7а, а с другого конца промежуточной трубы 14 расположен клапан 6а. При такой конфигурации труба 14 может служить в качестве впуска газа и в качестве выпуска газа в зависимости от того, течет ли газ в или из устройства по трубе 14.
Вспомогательное соединение может быть выполнено с помощью трубы 16, проходящей от промежуточной трубы 15 через два управляемых клапана 16а и 16b, для управления в двух местах потоком газа под давлением в устройство; клапан 16а управляет потоком газа в резервуар 3, а клапан 16b управляет потоком газа в конический элемент 12. Соответственно, труба 16 с управляемыми запорными клапанами служит в качестве впуска газа для устройства. Следует отметить, что одно или оба соединения, часть которых образует 16а и/или 16b, могут отсутствовать.
Устройство также содержит закрывающее средство в виде прямоточного клапана 8, приспособленное для того, чтобы закрывать проход между коническим элементом 12 и трубчатым элементом 13. Прямоточный клапан 8 предпочтительно выполнен в виде заслоночного клапана, где заслонка может быть расположена по меньшей мере в двух положениях: горизонтальное положение, в котором отверстие конического элемента 12 перекрыто, и вертикальное положение, не перекрывающее отверстие конического элемента 12. Направления "горизонтальное" и "вертикальное" заданы в соответствии с ориентацией устройства, как показано на чертеже, где поток порошкообразного материала через устройство является вертикальным. Выполненного уплотнения предпочтительно достаточно, чтобы позволить поднять давление в устройстве по меньшей мере до давления, равного давлению во второй зоне, и во многих вариантах осуществления уплотнение и заслонка предпочтительно приспособлены для того, чтобы выдерживать разницу давлений на прямоточном клапане 8 по меньшей мере 10 бар.
Кроме того, осциллятор 1, который будет описан более подробно ниже, расположен в проходе между цилиндрическим резервуаром 3 и коническим элементом 12. Предпочтительно приводят в действие и управляют осциллятором 1 пневматически, и он соответственно соединен с приводом 2, который соединен с контроллером 10, обычно представляющим собой компьютер.
Отметим, что трубопровод, показанный на фиг. 1, представляет собой только один пример, в котором трубы соединены параллельно с единственным источником 7 и в котором клапаны 7а, 16а и 16b предпочтительно могут управляться так, чтобы переводить их в смещенное состояние (открытое/закрытое) одновременно или в ином порядке, из множества других способов соединения и управления источником подачи давления и вакуума.
Устройство предпочтительно применяют следующим образом.
Заполнение устройства:
Чтобы ввести порошок в устройство, различные клапаны организуют следующим образом:
7a
16a
16b
8
5a
6a
Закрыт
Закрыт
Закрыт
Закрыт
Открыт
Открыт
Сочетание полусферического элемента 11, в котором создают вакуум, порошка, находящегося под давлением Р1 в первой зоне, и закрытого клапана 8 приводит к тому, что порошок перетекает в резервуар 3. Выход порошка из резервуара 3 через соединение на полусферическом элементе предотвращают посредством фильтра 9.
Создание давления в устройстве
Как только требуемое количество порошка было введено в устройство, различные клапаны организуют следующим образом:
7a
16a
16b
8
5a
6a
Открыт
Открыт
Открыт
Закрыт
Закрыт
Закрыт
На этом этапе добиваются повышения давления в устройстве, и создание давления предпочтительно выполняют путем подачи газа под давлением из источника 7 давления подачи. Можно достичь повышения давления с помощью только одного или нескольких открытых клапанов 7а, 16а и 16b, а последовательность открытия этих клапанов можно выбрать способами, отличными от указанных в вышеприведенной таблице. Например, если вводимый порошок имеет большую склонность к уплотнению, то предпочтительно открыть клапаны 16а и 16b, так как это может разрыхлить порошок, например, путем флюидизации во время создания давления.
Опустошение устройства:
Как только требуемое количество порошка было введено в резервуар 3, и в устройстве было создано давление, различные клапаны организуют следующим образом:
7a
16a
16b
8
5a
6a
Открыт
Открыт
Открыт
Открыт
Закрыт
Закрыт
Как указано выше, до открытия клапана 8 ожидают создания давления в устройстве, пока давление внутри устройства не станет равным давлению Р2 во второй зоне. Как вариант, для открытия клапана 8 могут ожидать создания давления, которое немного выше (например, на 1 бар), чем давление Р2.
Когда давление в устройстве достигает желаемого уровня и клапан 8 открыт, порошок, находящийся в устройстве, может покинуть резервуар 3 через конический элемент 12, трубчатый элемент 13 и дальше по поточной линии.
Процедура, описанная выше, приспособлена для того, чтобы увеличивать давление порошкообразного материала от давления Р1 до давления Р2. Необходимо отметить, что устройство также может использоваться для снижения давления порошкообразного материала от давления Р2 до давления Р1. Наполнение устройства выполняют так, как описано выше. После этого следует сброс давления в устройстве. Затем опустошение устройства выполняют так, как описано выше.
Сброс давления в устройстве
Как только требуемое количество порошка было введено в устройство, различные клапаны организуют следующим образом:
7a
16a
16b
8
5a
6a
Закрыт
Закрыт
Закрыт
Закрыт
Закрыт
Открыт
На этом этапе добиваются снижения давления в устройстве и сброс давления предпочтительно выполняют, осуществляя откачивание с помощью источника 6 вакуума. Как вариант, для открытия клапана 6а могут ожидать создания давления, которое немного ниже (например, на 1 бар), чем давление Р1.
Зачастую, порошок имеет тенденцию уплотняться в твердую структуру, и чтобы предотвратить такое уплотнение, которое может заблокировать устройство, например, конический элемент 12, в трубчатом элементе 13 или даже дальше по потоку устанавливают осциллятор 1, чтобы передавать вибрации в порошок, чтобы избежать уплотнения обычно путем разрыхления, например, путем флюидизации порошка. В сочетании с осциллятором 1 порошок может быть разрыхлен путем ввода текучей среды, предпочтительно газа, через клапан 16а, 16b или оба.
Устройство предпочтительно расположено так, что его продольное направление параллельно направлению силы тяжести (как показано на фиг. 1 сила тяжести действует в направлении от полусферического элемента 11 к трубчатому элементу 13). Соответственно, сила тяжести будет по меньшей мере способствовать опустошению устройства. Благодаря продолжению подачи газа под давлением в устройство (клапаны 7а, 16а и 16b открыты) поток газа будет проходить к трубчатому элементу 13, и по мере разрыхления порошка он будет переноситься потоком газа.
Осциллятор 1 показан более подробно на фиг. 2. На фиг. 2а показано сечение участка устройства, взятое вдоль продольного направления устройства и перпендикулярно плоскости фигуры. На фиг. 2b показано сечение участка устройства, взятое вдоль продольного направления устройства и параллельно плоскости фигуры. Наконец, на фиг. 2с показано сечение участка устройства, взятое перпендикулярно продольному направлению устройства.
Как показано на фиг. 2, осциллятор 1 содержит заслоночный клапан, у которого имеется поворотная заслонка 17, установленная на оси 18. Ось 18 проходит радиально через геометрический центр резервуара 3 перпендикулярно направлению выгрузки порошка (направление выгрузки – это продольное направление от резервуара 3 к прямоточному клапану 8). В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, ось 18 расположена над заслонкой 17. Тем не менее, ось 18 может быть расположена под заслонкой 17. Ось 18 проходит за пределы резервуара 3 к приводу 2. С использованием привода 2 заслонка 17 может быть расположена в полуоткрытом положении (показанном сплошной линией на фиг. 2), вокруг которого заслонка поворачивается туда-сюда, чтобы обеспечить колебательное движение.
На фиг. 2а крайние положения заслонки 17 показаны пунктирной линией. Амплитуда углового перемещения оси 18 для обеспечения колебательного движения заслонки 17 обычно составляет от +/– 1 до 20 градусов, а частота (определяемая как число циклов в секунду, где под циклом понимают движение от одного крайнего положения до другого и обратно) обычно составляет от 0,5 до 30 Гц. Фактический выбор амплитуды и частоты может отличаться для различных материалов из-за отличий тенденции к уплотнению материалов. Можно применять любое колебательное движение, например синусоидальное, треугольное или квадратное.
Как показано на фиг. 2а, одно из крайних положений заслонки 17 представляет собой положение, в котором заслонка 17 перпендикулярна продольному направлению устройства. Заслонка 17 предпочтительно имеет такую форму, что когда она находится в крайнем положении, обеспечивается такое порошковое уплотнение, что порошок не может покинуть резервуар 3. Нет необходимости делать форму заслонки такой, чтобы обеспечить газонепроницаемое уплотнение, хотя при желании это возможно. Тем самым  заслонка 17 может предотвращать выход порошкообразного материала в конический элемент 12 во время заполнения устройства.
Привод 2 предпочтительно представляет собой пневматический привод, хотя можно использовать электрический привод или электропневматический привод. Привод 2 предпочтительно сконструирован так, чтобы при угловом движении не было запаздывания.
При повороте заслонки 17 из перпендикулярного положения между стенкой устройства и периметром заслонки возникают отверстия, позволяющие порошку покинуть резервуар 3. При повороте заслонки 17 порошок будет сдвинут вверх одной половиной заслонки, движущейся вверх, а порошок на половине заслонки 17, идущей вниз, потеряет опору (или по меньшей мере опора станет меньше из-за нисходящего перемещения заслонки 17). В результате этого действия колебания передают порошку, и эти колебания предотвращают или по меньшей мере минимизируют уплотнение порошка благодаря разрыхлению.
В дополнение, колебания, передаваемые порошку, также могут обеспечить дозирование, так что порошок покидает резервуар 3 точно заданным потоком, измеряемым в кг/с.
В вышеприведенном описании упоминается газ. Хотя изобретение не ограничено газом (может использоваться жидкость), настоящее изобретение особенно хорошо подходит для текучей среды в газообразной фазе.
Отдельное предпочтительное применение устройства относится к обработке порошка для производства порошкообразного растворимого пенообразующего ингредиента для получения усиленной пены в продуктах питания и напитках, как описано в документе EP 1 206 193. Ингредиент содержит раствор, содержащий гидроокись углерода и газовые включения под давлением. Раствор также содержит белки. Ингредиент получают путем воздействия на пористые частицы (порошкообразного материала) раствора газовой атмосферы при повышенном давлении и при температуре свыше температуры стеклования раствора и последующего быстрого охлаждения или отверждения частиц. Соответственно, изобретение применимо для передачи порошкообразного материала, содержащего пористые частицы между зонами с различными термодинамическими состояниями, например с различными давлениями и температурой.
Следовательно, на производственной линии для производства порошкообразного растворимого пенообразующего ингредиента, упомянутого выше, пористые частицы передают из первого контейнера в камеру насыщения газом с использованием устройства в соответствии с изобретением для создания давления в порошке из пористых частиц. Контейнер находится при атмосферном давлении, в то время как камера насыщения газом находится под повышенным давлением около 50 бар. После насыщения газом пористые частицы передают в камеру охлаждения, все еще при том же давлении, чтобы получить порошкообразный растворимый пенообразующий ингредиент. После охлаждения пенообразующий ингредиент передают во второй контейнер с использованием устройства в соответствии с изобретением для сброса давления пенообразующего ингредиента.
Реализация такого устройства позволяет удерживать камеру насыщения газом и камеру охлаждения под повышенным давлением. Это позволяет устранить необходимость в повышении и сбросе давления в камерах во время производства порошкообразного растворимого пенообразующего ингредиента.
Устройство предпочтительно изготавливают из материалов, которые являются химически стойкими к текучей среде и порошку, проходящему через устройство, а также обладающих механическими свойствами, допускающими повышение давления в устройстве, и стойких, например, к абразивному воздействию порошка. Обычно в качестве материала для устройства выбирают нержавеющую сталь.
Устройство предпочтительно выполняют из отдельных частей, которые соединяют для получения устройства с возможностью разъединения. Тем самым устройство можно разобрать для технического обслуживания.
Устройство предпочтительно приспособлено для того, чтобы функционировать с абсолютной разницей давлений между первым давлением Р1 и вторым давлением Р2, равным по меньшей мере 10 бар. Таким образом, в таких предпочтительных вариантах осуществления клапаны, материал устройства, а также уплотнение выбирают так, чтобы они выдерживали по меньшей мере 10 бар.
Хотя настоящее изобретение было описано в отношении отдельных вариантов осуществления, не следует рассматривать его каким-либо образом ограниченным представленными примерами. Объем настоящего изобретения изложен в прилагаемой формуле изобретения. В контексте формулы изобретения термины "содержащий" или "содержит" не исключают другие возможные элементы или этапы. Также, упоминание элементов в единственном числе не следует рассматривать как исключающее множественное число. Использование ссылочных позиций в формуле изобретения касательно элементов, указанных на чертежах, также не следует рассматривать как ограничение объема изобретения. Более того, отдельные признаки, упомянутые в различных пунктах формулы изобретения, можно преимущественно сочетать и упоминание этих признаков в различных пунктах формулы изобретения не исключает того, что возможно или является преимущественным сочетание этих признаков.