ВИБРАЦИОННАЯ ГРАНУЛЯЦИОННАЯ ЕМКОСТЬ ДЛЯ ГРАНУЛИРОВАНИЯ ЖИДКОГО ВЕЩЕСТВА
VIBRATING PELLETISING VESSEL FOR PELLETISING OF FLUIDS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к грануляционной (диспергирующей) емкости для гранулирования жидкого вещества.
Термин "грануляционная емкость" используется в отношении емкости (обычно типа корзины или ковша), с перфорированной боковой стенкой, смонтированной внутри грануляционной башни, в которую подают заданное жидкое вещество, и вращающуюся с соответствующей скоростью, так что струи, состоящие из капелек вышеуказанного жидкого вещества, разбрызгиваются через перфорированную боковую стенку.
Уровень техники
Известен способ превращения заданного жидкого вещества в твердые гранулы с использованием грануляционной башни, в которой маленькие капельки жидкого вещества движутся вниз в противотоке с охлаждающей средой, например, воздухом. Под действием охлаждающей среды маленькие капельки затвердевают и образуют сферические или квазисферические гранулы. Грануляционные башни используют, например, на установке для получения мочевины на конечной стадии, когда жидкая мочевина высокой степени чистоты затвердевает с образованием гранул, представляющих собой конечный продукт.
Известным способом получения вышеуказанной струи из маленьких капелек является подача жидкого вещества во вращающуюся перфорированную емкость, расположенную в верхней части грануляционной башни и, в частности, известную как корзина гранулятора или разбрызгиватель расплава.
Более конкретно, известная грануляционная емкость в общем имеет корпус, соединенный с вращающим валом и имеющий перфорированную боковую стенку. По соответствующему питающему трубопроводу, например, соосному с вращающим валом, в емкость подается жидкое вещество, и образуются маленькие капельки, которые центробежной силой выталкиваются через перфорированную боковую стенку.
Известен также способ обеспечения вибрации грануляционной емкости, как правило, относительно той же оси вращения, с целью разрыва струй жидкости, выходящих из перфорированной боковой стенки, и улучшения монодиспергирования капелек (то есть, получения капелек одинакового размера и формы). Вибрационная грануляционная емкость известной конструкции оснащена соответствующим устройством, обеспечивающим вибрацию, например, пневматическим турбовибратором. Вращающаяся и вибрационная грануляционная емкость раскрыта в WO 2004/101131.
Следует отметить, что очень трудно обеспечить хорошее монодиспергирование капелек, а для некоторых продуктов (таких как мочевина) одинаковый размер и форма твердых гранул оказывают сильное влияние на рыночную цену продукта. Способ, включающий образование и разрыв струй жидкости, является довольно сложным, и не легко предвидеть, каким будет влияние каких-либо изменений в конструкции емкости: отрицательным или положительным. Кроме того, емкость должна быть рассчитана на длительную и безотказную эксплуатацию.
Следует также отметить, что вращающаяся и вибрационная грануляционная емкость подвергается соответствующей механической нагрузке, включая попеременную нагрузку, и должна быть тщательно рассчитана. В первую очередь, это относится к большим установкам, на которых емкость вращается с высокой скоростью (например, 200-300 об/мин).
Таким образом, реализация и оптимизация конструкции грануляционной емкости является сложной задачей, и постоянно ощущается потребность в усовершенствовании известных технических решений.
Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача усовершенствования известного технического оснащения грануляционных емкостей с целью улучшения монодиспергирования капелек жидкости и, следовательно, получения конечного продукта более высокого качества при надежной длительной работе самой емкости.
В настоящем изобретении указанная задача решена посредством вибрационной грануляционной емкости для гранулирования жидкого вещества, которая имеет корпус с перфорированной боковой стенкой, в основном симметричной по отношению к оси, и, кроме того, вызывающий вибрацию двигатель (механизм), отличающейся тем, что вызывающий вибрацию двигатель установлен с возможностью обеспечения во время работы силы, вызывающей вибрацию и действующей в основном в постоянном направлении по оси емкости.
Указанное в основном постоянное направление вызывающей вибрацию силы называют также осью вибрации, причем она параллельна оси емкости или совпадает с ней.
Термин "вызывающий вибрацию двигатель" используется, как правило, по отношению к средствам, сообщающим и передающим вибрацию, включающим, например, вибраторы и соответствующие подающие и (или) соединительные средства.
В соответствии с вариантами осуществления изобретения грануляционная емкость приспособлена для вращения вокруг оси, и направление вызывающей вибрацию силы, то есть, ось вибрации параллельна оси вращения или совпадает с ней. Грануляционная емкость обычно монтируется в верхней части вертикальной грануляционной башни, так что и ось вращения, и ось вибрации являются вертикальными.
В соответствии с первой особенностью изобретения вызывающий вибрацию двигатель установлен с возможностью создания нескольких вращающих сил, взаимно уравновешенных в направлениях, перпендикулярных оси вибрации, так что передаваемая емкости результирующая вызывающая вибрацию сила имеет переменный модуль, но постоянное направление по оси емкости.
Термин "вращающая сила" означает такую силу, которая схематично может быть изображена вектором, вращающимся вокруг заданной неподвижной оси в зависимости от времени.
В соответствии с другой особенностью изобретения вызывающий вибрацию двигатель установлен для создания сил вращения в противоположных направлениях, находящихся в плоскостях, параллельных оси емкости, т.е. оси вибрации. Например, вызывающий вибрацию двигатель создает две силы вращения в противоположных направлениях и каждая из этих двух сил находится в плоскости, параллельной оси вибрации, так что в каждый момент времени добавляются их составляющие по оси вибрации, в то время как другие составляющие взаимно уравновешены.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения вызывающий вибрацию двигатель имеет вращающиеся в противоположном направлении роторы для создания сил вращения в противоположных направлениях. Более предпочтительно, двигатель включает два вибратора с соответствующими идентичными несбалансированными роторами или турбинами, смонтированными для вращения в противоположном направлении с той же скоростью; термин "несбалансированная турбина" используется для обозначения турбины с эксцентрическим распределением массы, так что вращение турбины создает силу вращения в плоскости, перпендикулярной оси вращения.
Более конкретно и в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления изобретения первая турбина установлена с возможностью вращения вокруг первой оси, а вторая турбина, идентичная первой, установлена с возможностью вращения в противоположном направлении синфазно (синхронно) с первой турбиной и с той же скоростью, но вокруг второй оси, параллельной оси вращения первой турбины, причем каждая из вышеуказанных осей (и первая, и вторая ось вращения турбин) находится в плоскости, перпендикулярной вышеуказанной оси вибрации. Первая ось вращения и вторая ось вращения предпочтительно находятся в одной и той же плоскости, перпендикулярной оси вибрации.
Вследствие вышеуказанного расположения, турбины создают первую вращающую силу и вторую вращающую силу, имеющие одинаковый модуль и находящиеся в плоскостях, параллельных оси вибрации; составляющие вышеуказанных вращающих сил, перпендикулярных оси вибрации, всегда являются равными и противоположными и, следовательно, уравновешивают друг друга. Таким образом, результирующая сила направлена по вышеуказанной оси вибрации. Это станет более очевидным с помощью подробно описанных не ограничивающих примеров.
В соответствии с другой особенностью изобретения вышеуказанные турбины механически соединены для поддержания безотказного синфазного вращения в противоположном направлении. В предпочтительном варианте осуществления изобретения первое зубчатое колесо закреплено на валу первой турбины, а второе зубчатое колесо закреплено на валу второй турбины, причем второе зубчатое колесо входит в зацепление с первым зубчатым колесом. Синфазное вращение способствует сохранению постоянного равновесия сил, перпендикулярных оси вибрации.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения вибраторы имеют пневматический привод, то есть, приводятся в действие сжатым воздухом. Рекомендуется использовать пневматические вибраторы, так как они могут работать при высокой рабочей температуре емкости (при производстве мочевины - около 150°C).
В соответствии с вариантами осуществления изобретения вызывающая вибрацию сила может передаваться всему корпусу грануляционной емкости или ее части, то есть, только перфорированной боковой стенке. С этой целью в частном варианте осуществления изобретения предлагается указанный вызывающий вибрацию двигатель, соединенный с перфорированной боковой стенкой емкости, а также гибкое соединение между боковой стенкой и другими частями емкости, а именно, верхним и нижним фланцами, при этом указанное гибкое соединение действует в отношении вызывающей вибрацию силы как механический фильтр.
Объектом настоящего изобретения является также устройство для гранулирования с грануляционной башней, оснащенной по меньшей мере одной грануляционной емкостью, описанной выше. На установках большой или очень большой мощности можно использовать две или несколько грануляционных емкостей, работающих параллельно.
Настоящее изобретение имеет ряд преимуществ. Установлено, что монодиспергирование капелек улучшается в результате предлагаемой в изобретении "строго" вертикальной вибрации, по сравнению с известной грануляционной емкостью, в которой вызывающий вибрацию двигатель несбалансирован, и вибрация передается не только в направлении главной оси вибрации, но и в других направлениях, или передается на опоры емкости и (или) вала.
Кроме того, изобретение приводит к уменьшению механического напряжения опор и подшипников грануляционной емкости. Уменьшение напряжения (нагрузки) повышает вероятность безотказной работы и облегчает достижение высокой частоты вращения и (или) высокой частоты вибрации, что особенно необходимо на установках большой мощности.
Еще одно преимущество состоит в том, что сбалансированная вибрация может быть обеспечена с низкими издержками и с помощью широко используемых устройств, вызывающих вибрацию, например, пневматических турбинных вибраторов, не требующих никаких изменений или требующих лишь незначительных изменений для использования в грануляционной емкости, предлагаемой в изобретении.
Дополнительные отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из следующего ниже описания наглядного и не ограничивающего примера его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
фиг.1 - упрощенная схема грануляционной башни, оснащенной грануляционной емкостью, предлагаемой в изобретении,
фиг.2 - схематическое изображение поперечного сечения грануляционной емкости, предлагаемой в частном варианте осуществления изобретения,
фиг.3 - схематическое изображение поперечного сечения грануляционной емкости, предлагаемой в другом частном варианте осуществления изобретения,
фиг.4 - поперечное сечение в плоскостях IV-IV, показанных на фиг.2 и 3,
фиг.5 - схема направления сил, создаваемых вызывающими вибрацию устройствами грануляционной емкости, представленного на фиг.2 и 3.
Подробное описание осуществления изобретения
На фиг.1 представлена грануляционная башня 1, имеющая цилиндрический корпус 2 с вертикальной осью А-А, закрытый опорной плитой 3 и верхней стенкой 4.
Вблизи опорной плиты 3 смонтированы трубопроводы 5 и 6 для ввода непрерывного восходящего потока охлаждающей среды (например, воздуха), проходящего через башню 1. В верхней стенке 4 предусмотрены трубопроводы 7 и 8 для выпуска вышеуказанной охлаждающей среды.
Гранулируемое жидкое вещество U подают в грануляционная емкость 15, смонтированную в верхней части башни 1. Во время работы грануляционная емкость 15 вращается вокруг оси А-А и вибрирует в направлении той же оси А-А, создавая нисходящий поток W капелек вещества U, которые охлаждаются восходящим потоком охлаждающего воздуха до тех пор, пока не затвердеют в виде сферических или в основном сферических гранул. Твердые гранулы выгружаются через отверстие Е в нижней части.
Более конкретно, жидкое вещество U подают по питающему трубопроводу 10, соединенному с осевым трубопроводом 9, проходящим через верхнюю стенку 4. Капельки вещества U получают благодаря перфорированной боковой стенке грануляционной емкости 15.
Емкость 15 (фиг.2) имеет корпус в виде усеченного конуса, включающий верхний и нижний фланцы (или основания) 15b, 15с и перфорированную боковую стенку 15а, расположенную в основном симметрично вокруг оси А-А. Указанные фланцы и перфорированная стенка образуют камеру 15d, которая может вмещать заданное количество жидкого вещества U.
Емкость 15 соединена с механизированным приводным валом 14, вращающимся вокруг оси А-А и приводимым в движение соответствующим двигателем (не показан на фиг.1).
Кроме того, емкость 15 оснащена вызывающим вибрацию двигателем V, обеспечивающим вибрацию самой емкости с соответствующей частотой колебаний, причем относительно вышеуказанной оси А-А, которую можно также назвать осью вибрации.
Вызывающий вибрацию двигатель V установлен для создания переменной (пульсирующей) силы, которая постоянно направлена по оси А-А, причем ни одна, даже незначительная составляющая, не направлена иначе. В представленном на чертежах предпочтительном варианте осуществления изобретения это обеспечивается двумя идентичными вибраторами 51, 52 с синфазными вращающимися в противоположных направлениях несбалансированными турбинами, которые смонтированы так, что они уравновешивают друг друга в направлениях, отличных от направления оси А-А.
Далее грануляционная емкость 15 описана более подробно со ссылкой на представленные варианты осуществления изобретения. Трубопровод 9 имеет первый участок 9а, находящийся над основанием 15b и продолжающийся за пределами корпуса 2, соединенный с трубопроводом 10, и второй участок 9b, продолжающийся внутри камеры 15d. Верхняя и нижняя часть трубопровода 9 закрыта соответствующими трубными досками 11, 12. Участок 9b трубопровода 9 имеет распределенные по окружности прорези 13 для подачи жидкого вещества U внутрь камеры 15d.
Вал 14, связанный с двигателем, расположен коаксиально с трубопроводом 9, проходя через отверстия 11a, 12a в трубных досках 11 и 12 соответственно, с возможным промежуточным расположением прокладок (не показаны). Имеющий уменьшенный диаметр участок 14b вала 14 соединен с основанием 17 нижнего фланца 15с.
Соединение между валом 14 и нижним фланцем 15с выполнено так, что вращение вала 14 вызывает вращение самого фланца 15с и, следовательно, стенки 15а и верхнего фланца 15b. Соединение между валом 14 и нижним фланцем 15с предпочтительно допускает осевое смещение между валом и фланцем. Более подробное описание этого соединения, не являющегося частью изобретения, не приведено. И, например, можно использовать соединение, предлагаемое в WO 2004/101131.
К вышеуказанному основанию 17 нижнего фланца 15с прикреплен корпус 50, в котором находятся вибраторы 51, 52. Вибраторы 51, 52 приводятся в действие сжатым воздухом, поступающим по трубопроводу 27, коаксиальному с валом 14. Воздух подается к вибраторам 51 и 52 одновременно по дополнительным параллельным трубопроводам 28.
Каждый из вибраторов 51, 52 включает полностью неуравновешенную турбину или ротор, создающий вращающую силу в плоскостях, параллельных А-А; для ясности на фиг.2 указанные плоскости отмечены, как t1 и t2.
Вибраторы 51, 52 установлены так, что соответствующие турбины вращаются в противоположных направлениях; кроме того, турбины механически соединены для поддержания синфазного вращения, так что силы, действующие не в вертикальном направлении, взаимно уравновешены, а результирующая сила в основном действует в вертикальном направлении, т.е. по оси А-А.
Другой вариант осуществления изобретения представлен на фиг.3. Упругие (пружинные) шайбы 42, 44 обеспечивают гибкое соединение между перфорированной боковой стенкой 15а и фланцами 15b и 15с, несмотря на то, что боковая стенка 15а посредством дополнительного фланца 24 прочно соединена с устройствами 51, 52, вызывающими вибрацию. Гибкое соединение, обеспечиваемое вышеуказанными шайбами 42, 44, по существу работает как механический фильтр, т.е. вызывающая вибрацию сила, передаваемая боковой стенке 15а, в основном не передается основаниям (фланцам) 15b, 15с. Шайбы 42, 44 в основном являются жесткими (неподвижно закрепленными) в направлении кручения, для того чтобы передавать вращающий момент от нижнего фланца 15с на фланец 24 и боковую стенку 15а. Для соединения фланцев 15b, 15с предусмотрены ребра(лопатки) 20.
Верхнее и нижнее опорные кольца боковой стенки 15а имеют крепежные части 40, 43 большей толщины, чтобы обеспечить достаточное место для крепежных средств. Например, первый комплект болтов соединяет участок 24b фланца 24 с указанной крепежной частью 40 со вставкой между ними упругой шайбы 42, а второй комплект болтов прикрепляет упругую шайбу 42 к фланцу 15с.
Фланец 24 упруго оперт в направлении оси А-А на конец вала 14 посредством первой пружины 32 и второй пружины 33. Могут использоваться другие упругие средства, например, эластомеры; при необходимости могут быть также предусмотрены средства для гашения колебаний. На фиг.3 показана также шпонка 21, соединяющая вал 14 с фланцем 15с грануляционной емкости 15.
В этом варианте осуществления изобретения корпус 50 прикреплен к участку 24а фланца 24. Вызывающий вибрацию двигатель V может быть выполнен, как указано выше, с вибраторами 51 и 52.
В дополнительных вариантах осуществления изобретения вышеуказанное гибкое соединение может быть выполнено с помощью одного или нескольких компенсирующего(-их) соединения(-ий), т.е. два компенсирующих соединения смонтированы в тех же положениях, что и упругие шайбы 42, 44.
Далее приведено подробное описание вибраторов 51, 52 и их работы со ссылкой на фиг.4 и 5.
Вибраторы 51, 52 включают соответственно первую турбину 53, вращающуюся вокруг оси х-х, и вторую турбину 54, вращающуюся вокруг оси у-у. Оси х-х и у-у параллельны друг другу и находятся в плоскости, перпендикулярной А-А. Турбины 53 и 54 создают силы, вращающие в плоскости, перпендикулярной соответствующим осям х-х и у-у, то есть указанные вращающие силы находятся в плоскостях, параллельных А-А, и имеющих следы t1 и t2, как показано на фиг.2.
Турбины поддерживаются в синфазном вращении посредством первого зубчатого колеса 55, соединенного с турбиной 53, и второго зубчатого колеса 56, соединенного с турбиной 54 и находящегося в зацеплении с первым зубчатым колесом 55 с передаточным числом 1:1. В соответствии с первой особенностью изобретения известные вибраторы модифицированы для монтажа зубчатых колес, например, соединены шпонкой с тем же валом турбин.
Вибраторы 51, 52 подробно не описаны, так как они относятся к оборудованию, имеющемуся на рынке в больших количествах.
Как видно из фиг.5, турбина 53 вращается со скоростью ω1, а турбина 54 вращается в противоположном направлении со скоростью ω2, имеющей такую же величину, что и скорость ω1, но противоположное направление вращения. Турбины 53 и 54, благодаря своему расположению, создают силы F1 и F2, имеющие одинаковый модуль F, действующие в противоположных направлениях горизонтальные составляющие F1H, F2H и действующие в одном направлении вертикальные составляющие F1V, F2V.
Силы F1 и F2 являются вращающими силами, то есть, векторы сил F1 и F2 вращаются вокруг одной и той же оси турбин 53 и 54, соответственно со скоростью ω1 и ω2. Благодаря синфазному вращению векторы сил F1 и F2 в каждый момент времени сохраняют действующие в противоположных направлениях горизонтальные составляющие и действующие в одном направлении вертикальные составляющие.
Следовательно, в каждый момент времени горизонтальные силы уравновешивают друг друга, хотя добавляются вертикальные составляющие. В результате вертикальная сила R, пульсирующая между +2F и -2F, передается к емкости 15. Специалистам в данной области техники очевидно, что сила R в основном имеет постоянное направление по оси А-А, которое в данном примере является вертикальным.
Благодаря зубчатым колесам 55 и 56 поддерживается синфазное вращение, а горизонтальные составляющие F1H, F2H всегда имеют одинаковую величину и противоположное направление, так что они уравновешивают друг друга, при этом направление R в основном остается постоянным - по оси А-А.
Следует также заметить, что в одной емкости 15 можно использовать более двух вибраторов (например, четыре).
Изобретение работает следующим образом. Жидкое вещество U, например, полученную на соответствующей установке очищенную мочевину, по трубопроводам 10 и 9 подают в грануляционная емкость 15, которая создает в башне 1 нисходящий поток W капелек (фиг.1). Создаваемая вибраторами 51 и 52 сила R передается к емкости 15 в качестве силы, вызывающей вибрацию. Более конкретно, сила R вызывает возвратно-поступательное колебательное движение перфорированной боковой стенки 15а и самих струй жидкости, выходящих из перфорированной боковой стенки. Указанная вибрация представляет собой возмущение, которое способствует разрыву струй жидкости с получением потока одинаковых капелек.
Преимущество варианта осуществления изобретения, представленного на фиг.3, заключается в дальнейшем улучшении монодиспергирования и уменьшении вибрирующей массы, так как исключается вибрация фланцев 15b и 15с вместе с боковой стенкой 15а. Кроме того, не подвергается вибрации жидкая масса между фланцами 15b и 15с.
Сбалансированная работа вибраторов 51 и 52 (фиг.4-5) уменьшает механическое напряжение и, как установлено, улучшает образование сферических монодисперсных капелек.