СОСТАВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОПЕРАЦИЙ С МАТЕРИАЛОМ
COMPOSITION FOR CONTROLLING DUST GENERATION AND IMPROVING OPERATIONS WITH MATERIAL

Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение в целом относится к одному или нескольким Способам, составам и/или аппаратам, полезным для подавления пылевыделения и предупреждения комкования дисперсных материалов.
Дисперсные материалы имеют тенденцию к содержанию или образованию в результате крошения мелких фракций, способных являться источником пылевыделения. Кроме того, эти материалы демонстрируют тенденцию к затвердеванию и формированию крупных агломерированных масс под действием ряда факторов, включая влажность окружающей среды, особенно в течение долгих периодов хранения. Эти затвердевшие массы обычно именуются комками. Некоторые комкообразные формации отличаются исключительной твердостью и устойчивостью к разделению, что в значительной мере затрудняет транспортировку дисперсных материалов и их разделение для применения и использования.
Кроме того, экономизация и автоматизация процессов погрузки-разгрузки, транспортировки и применения дисперсных материалов требуют их поддержания в форме, пригодной для обеспечения свободного потока. При опустошении контейнеров для хранения, содержащих тонны дисперсных материалов, к примеру, тенденция дисперсных материалов к комкованию обуславливает увеличение эксплуатационных расходов и потенциальных рисков. Комки дисперсного материала подлежат дезинтеграции с помощью дорогостоящего и громоздкого вспомогательного механического оборудования при выгрузке или опустошении контейнера. К тому же, в рамках коммерческого использования дисперсных материалов любой шаг, связанный с дозированием или смешиванием агломерированных или затвердевших дисперсных материалов с другими веществами, может быть затруднительным в связи с масштабом комкования.
Как следствие, существует насущная потребность и очевидная польза в создании инновационного усовершенствованного Способа и/или состава и/или аппарата для сокращения комкования и пылевыделения дисперсных материалов. Уровень техники, описываемый в данном разделе, не предусматривает признания того, что какой-либо упоминаемый здесь патент, публикация или иная информация, является «известным уровнем техники» по отношению к данному изобретению, кроме случаев, когда такая информация прямо определена в этом качестве. Кроме того, данный раздел не предполагает указания на то, что был выполнен поиск, либо что не существует другой релевантной информации, как определено в 37 CFR §1.56(а).
Краткое описание изобретения
Для удовлетворения описанной выше давно назревшей потребности, до сих пор не получившей решения, минимум одно воплощение изобретения направлено на создание Способа для предотвращения пылевыделения из массы дисперсного материала. Способ включает в себя этап нанесения на незащищенную поверхность массы материала состава, включающего в себя поливинилацетат (PVA) и глицерин в соотношении от 90:10 до 10:90 и/или от 100:1 до 1:100. Состав также может включать в себя воду, но лишь в объеме, не допускающем проникновение какого-либо существенного количества воды в массу материала. Возможно исключение низкокачественного угля и/или угля в качестве дисперсного материала. Возможно исключение из состава винилацетатэтилена (VAE), сырого глицерина и/или производных полимеров глицерина.
Дисперсный материал представляет собой удобрение, обрабатываемое в последовательности технологических операций для работы с удобрением. Последовательность технологических операций для работы с удобрением может быть определена и сконфигурирована таким образом, что, в отсутствие состава, дисперсный материал затвердевает в форме одного из или сочетания нескольких из нижеследующих вариантов: каналы, арки и заторы. Последовательность технологических операций для работы с удобрением может быть определена и сконфигурирована таким образом, что, в отсутствие состава, будет иметь место комкование материала. Последовательность технологических операций для работы с удобрением может быть определена и сконфигурирована таким образом, что, в отсутствие состава, будет иметь место комкование материала, но без формирования одного из или сочетания нескольких из нижеследующих вариантов: каналы, арки и заторы.
Дополнительные характеристики и преимущества описаны здесь и разъясняются в подробном описании ниже.
Краткое описание чертежей
Подробное описание изобретения приводится ниже с конкретными ссылками на следующие чертежи:
ФИГ. 1А представляет собой иллюстрацию пылевыделения дисперсного материала в отсутствие относящегося к изобретению состава;
ФИГ. 1В представляет собой иллюстрацию решения проблем пылевыделения и комкования дисперсного материала, обработанного относящимся к изобретению составом;
ФИГ. 1С представляет собой иллюстрацию комкования дисперсного материала в отсутствие относящегося к изобретению состава.
Для целей настоящего описания одинаковые числовые ссылки на изображения относятся к соответствующим элементам, если не указано иное. Чертежи служат исключительно для пояснения на примерах принципов изобретения и не предназначены для ограничения изобретения конкретными проиллюстрированными воплощениями.
Подробное описание изобретения
Следующие определения используются для истолкования используемых в настоящей заявке терминов и, в частности, пунктов формулы. Определения организованы исключительно по принципу удобства, без ограничения определений рамками какой-либо категории.
«Арка» означает препятствие потоку дисперсного материала на участке последовательности технологических операций для работы с материалом, сформировавшееся из дисперсного материала, агломерировавшего в форме арки, причем арка может иметь когезионный характер (посредством связей между частицами), блокирующий характер (посредством частиц крупного размера относительно габаритов выпускного отверстия, через которые они проходят, спрессованных друг с другом механической силой, к примеру, при разрушении канала), либо комбинированный характер.
«Сырой глицерин» означает побочный продукт реакции переэтерификация с участием триглицеридов, включая реакции переэтерификации в процессах производства биодизельного топлива, побочными продуктами которой являются глицерин и, как минимум, один из следующих компонентов: жирные кислоты, эфиры, соль, метанол, токоферол, стерол, моноглицериды, диглицериды и триглицериды.
«Вулканизация» означает процесс преобразования материала, в том числе, без ограничения, в полимерный материал из вязкого, по существу, состояния, путем процесса желатинизации, в рамках которого материал может приобретать большую твердость в связи с, например, образованием трехмерных перекрестных связей между полимерными цепями, и, в конечном счете, в стекловидное состояние, в котором твердость материала может быть не меньше твердости стекла, и в котором, по существу, возможно формирование до 100% потенциальных перекрестных связей, причем для некоторых материалов возможно стеклование ниже уровня 100% при стандартных температуре и давлении (СТД), и для полного стеклования требуется дополнительная энергия. Этот процесс дополнительно описывается в руководстве «Материаловедение полимеров для инженеров», Тим Оссвальд и др. «Хансер Ферлаг.», стр. 334-335 (2003 г.) (Materials Science of Polymers for Engineers, by Tim Osswald, et al., Hanser Verlag. pp. 334-335 (2003)).
«СТД-вулканизация» означает степень вулканизации материала без привлечения дополнительной энергии в условиях стандартных температуры и давления, с точки зрения СТД-вулканизации такая дополнительная энергия не включает в себя эффекты испарения в условиях СТД, но может включать в себя такие источники энергии как, к примеру, пучки электронов, излучение, тепло, химические присадки, а также любые сочетания вышеперечисленного. СТД-вулканизация зачастую приводит к переходу материала в желеобразное состояние, без полного стеклования.
«НГОМ» означает неглицериновые органические материалы, обычно представляющие собой мыла, свободные жирные кислоты и иные примеси.
«Дисперсный материал» означает материал, имеющий тенденцию к образованию пылевых частиц при погрузке-разгрузке, обработке или контакте, в том числе, без ограничения, уголь, грунт, древесная стружка, сельскохозяйственные продукты, фрукты, удобрения, руды, минеральные руды, мелкозернистые материалы, песок, гравий, почвогрунт, удобрения или другие пылеобразующие материалы, либо любые их сочетания.
«Зона затора» означает деталь или часть оборудования, присутствующую в промышленном процессе, через которую проходит общий поток дисперсного материала, и в связи с формой которой поток части материала нарушается с остановкой на некоторый период времени, к каковым промышленным процессам, например, относятся, без ограничения, обработка материала, очистка материала, погрузка материала, хранение материала, разгрузка материала и применение материала, а к типам оборудования, например, относятся, без ограничения, спускные желоба, изогнутые трубы, каналы или трубопроводы (колена), либо пространства с достаточно малыми габаритами для формирования сводов агломерированного. Зоны затора могут вызывать формирование арок и каналов в массе движущегося дисперсного материала.
«PVA» означает полимер поливинилацетат.
«Канал» означает препятствие потоку дисперсного материала на участке последовательности технологических операций для работы с материалом, сформировавшееся из дисперсного материала с когезионной прочностью (посредством связей между частицами), в результате которого часть материала перемещается по каналу в массе материала, тогда как материал снаружи этого канала остается неподвижным и не участвует в потоке. Каналы могут разрушаться под действием внешней силы, к примеру, вибрации, и при обрушении они могут превращаться в арки.
«Устойчивая эмульсия» означает эмульсию, где капли материала, рассредоточенного в жидкости-носителе, которые в противном случае объединялись бы для формирования двух и более фазовых слоев, отталкиваются друг от друга энергетическим барьером, мощность которого может составлять минимум 20 кт, больше, либо меньше, причем полупериод репульсионной может составлять минимум несколько лет. Классифицирующие описания эмульсий и устойчивых эмульсий в целом приведены в Энциклопедии химических технологий Керка-Отмера (Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology), четвертое издание, том 9, в частности, на стр. 397-403.
«VAE» означает сополимер винилацетатэтилен, особую разновидность PVA. Минимум в одном воплощении присутствуют звенья полимера VAE из одной из следующих формул (I, II, III, IV), самостоятельно или в любом их сочетании:
где n означает число звеньев с перекрестными связями, m - число звеньев первой цепи, а о - число звеньев второй цепи, причем любое из чисел n, m и о, либо все они могут иметь значение 1 или больше, хотя значение m и о будет зачастую составлять 2 или 3 или 4 или больше, причем звенья первой и второй цепи, либо и те, и другие, могут являться левым и/или правым концевым отрезком полимерной цепи. VAE также может включать в себя сополимеры, содержащие дополнительные звенья с перекрестными связями и дополнительные полимерные цепи.
В случае, если приведенные выше определения, либо описание, встречающееся в каком-либо ином месте настоящей заявки, не согласуются с общепринятым значением (прямо определенным или подразумеваемым) в соответствии со словарем или источником, включенным в настоящую заявку по ссылке, термины заявки и пункта конкретного формулы подлежат истолкованию согласно определению или описанию в настоящей заявке, но не в соответствии с общим определением, словарным определением, либо определением, включенным по ссылке. В свете вышесказанного, в случае, когда понимание термина возможно лишь при истолковании согласно словарю, если термин определен в Энциклопедии химических технологий Керка-Отмера (Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology), 5-е издание (2005 г.), (публикация «Уайли, Джон & Сонз, Инк.»), данное определение регулирует истолкование соответствующего термина в пунктах формулы. Все проиллюстрированные химические структуры также включают в себя все возможные альтернативные стереоизомеры.
Минимум в одном воплощении изобретения к дисперсному материалу добавляется состав, относящийся к предмету изобретения. Состав включает в себя поливинилацетат и глицерин. Применение состава снижает как тенденцию дисперсного материала к пылевыделению, так и тенденцию дисперсного материала к комкованию. Минимум в одном воплощении состав представляет собой смесь ингредиентов. Минимум в одном воплощении поливинилацетат выступает в форме эмульсии. Минимум в одном воплощении состав наносится на дисперсный материал в форме жидкости. Минимум в одном воплощении состав наносится на дисперсный материал в форме пены.
Как показано на ФИГ. 1А образец гранул дисперсного материала производит большое количество сдуваемой пыли. Это связано с тем, что сверхтонкие частицы дисперсного материала имеют столь низкую массу, что становится возможным их взвешивание и перемещение в двигающемся воздухе. Дисперсные материалы в большинстве своем содержат сверхтонкие частицы в результате избыточного дробления или истирания хрупких частиц дисперсных материалов при обработке, погрузке-разгрузке.
На ФИГ. 1С проиллюстрирован пример комкования дисперсного материала с невозможностью его прохождения через питающий фидерный канал. Комкование происходит под действием ряда факторов, включая гигроскопический характер дисперсного материала при взаимодействии с влагой.
Изобретение показало себя на удивление эффективным, и в свете изучения известного уровня техники продемонстрировало неожиданные результаты. Как описывается в патенте США 8,465,667, поливинилацетат в сочетании с сырым глицерином использовался в качестве технологической присадки к углю. В частности, это сочетание использовалось для предотвращения окисления, возможного при формировании арок и каналов при перемещении угля по воронкам. Не был, однако, изучен аспект предупреждения комкования и пылевыделения дисперсных материалов, возникающих безотносительно к окислению перемещающегося угля.
Фактически, патент США 8,298,439 гласит, что «такие соединения, как поливинилацетат, образуют жесткую клейкую пленку или корку. Эта жесткая корка удерживает дисперсный материал в состоянии покоя, но… имеет тенденцию к хрупкости и разрушению при выраженном перемещении». Пылевыделение возникает именно при перемещении материала. Кроме того, как указано в заявке на патент США 13/826,385, поскольку комкование и пылевыделение зачастую являются проявлениями диаметрально противоположных эффектов, нет оснований полагать, что применение одного состава позволит решить обе проблемы. Действительно, можно ожидать, что вещество для контроля пылевыделения, способствующее связыванию дисперсного материала, может усугублять комкование. И, аналогичным образом, можно ожидать, что, поскольку вещество для предотвращения комкования способствует предупреждению агломерации, оно может усугублять пылевыделение. Однако, на ФИГ. IB показано, каким образом изобретение позволяет одновременно решить как проблему пылевыделения, так и проблему комкования. Следовательно, нельзя ожидать, что предназначенный для предупреждения окисления состав по патенту США 8,465,667 будет функционировать аналогично составу, относящемуся к предмету изобретения.
Кроме того, нет оснований полагать, что использование глицерина будет эффективным для контроля пылевыделения. Как описано в опубликованной заявке на патент США 2009/0178452, глицерин неэффективен в качестве средства для контроля пылевыделения, поскольку неспособен оказывать на дисперсный материал связующее действие. Использование глицерина позволяет выяснить, что глицерин должен быть преобразован в более не являющийся глицерином материал (путем реакции с превращением многоосновной кислоты в производный полимер) для применения в целях контроля пылевыделения. Как следствие, нельзя ожидать, что содержащий глицерин материал позволит предупреждать пылеобразование в быстро движущихся массах дисперсного материала.
Минимум в одном воплощении поливинилацетат используется в форме сополимера. К репрезентативным мономерам, которые могут присутствовать в сополимере, относятся, без ограничения: этилен, акриловая кислота, пирролидон, акриловые кислоты, бутилакрилат, виниловый спирт, 2-этил гексилакрилат, ацетилены, хлорангидриды, акролеины, акриламиды, акрилаты, алкоголи, эфиры, сложные эфиры, аллилы, амины, ангидриды, бутадиены, бутены, эпоксиды, дигалоидэтаны, фумаровые кислоты, сложные фумаровые эфиры, изоцианаты, лактамы, малеиновые кислоты, сложные малеиновые эфиры, пропены, стиролы, винилы, а также любые их сочетания и/или любые мономеры и/или полимеры (и/или Способы их синтеза и подготовки), перечисленные в каком-либо из следующих источников, а также любые их сочетания: «Руководство по полимерам», 4-е издание, Дж. Брэндрап и др. «Джон Уайли & Сонз Инк.» (Polymer Handbook 4th Edition, by J. Brandrup, et al., John Wiley & Sons Inc.), (в целом и, в частности, глава III), (1999 г.), «Полимеризация и сополимеризация эмульсии винилацетата с акриловыми мономерами» X. Эрбил, «Си-Ар-Эс Пресс» (Vinyl Acetate Emulsion Polymerization and Copolymerization with Acrylic Monomers, by H. Erbil, CRC Press), (в целом и, в частности, глава 5), (2000 г.), а также «Энциклопедия полимероведения и инженерного дела», 2-е издание, Херман Ф. Марк и др., «Джон Уайли & Сонз Инк.» (Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2nd Edition, by Herman F. Mark, et al., John Wiley & Sons Inc.), (в целом и, в частности, главы 1, 11, 12, 13 и 17), (1990 г.). Добавление других мономеров приводит к изменению свойств, не предусмотренному изучением опубликованной заявки на патент США 2009/0178452, патентов США 8,465,667 и 8,298,439 и заявки на патент США 13/826,385.
Минимум в одном воплощении состав имеет более высокую вязкость, чем у невулканизированного поливинилацетата, перед нанесением, но менее высокую вязкость, чем у невулканизированного поливинилацетата, через 1 час после нанесения. Разница в вязкости может быть вызвана эффектами формулы состава, эмульсии и/или сополимера в отношении форм трехмерной структуры перекрестных связей. Более низкая вязкость может придавать вулканизировавшему составу большую гибкость, чем у собственно поливинилацетата. Как следствие, вулканизировавший поливинилацетат демонстрирует лучшие качества, чем вулканизировавший неэмульгированный поливинилацетат. Это контрастирует с данными в 8,298,439, где указывается, что собственно PVA всегда отличается хрупкостью после вулканизации.
Минимум в одном воплощении эмульсия формируется и/или поддерживается в формировании одним или несколькими эмульгирующими составами и/или режущими устройствами. К репрезентативным примерам таких режущих устройств и/или эмульгирующих составов относятся, без ограничения, описанные в патенте США 7,938,934 и/или заявке на патент США 13/919,167.
Минимум в одном воплощении имеет место эмульгирование глицерина (в мицелле) в другой фазе-носителе (к примеру, без ограничения, воде) и поливинилацетата в мицелле внутри мицеллы глицерина.
Минимум в одном воплощении к дисперсным материалам не относится низкокачественный уголь.
Минимум в одном воплощении к дисперсным материалам не относится уголь.
Минимум в одном воплощении состав исключает содержание VAE.
Минимум в одном воплощении состав исключает содержание сырого глицерина.
Минимум в одном воплощении состав исключает содержание производных полимеров глицерина.
Минимум в одном воплощении состав выступает в форме эмульсии, характеризуемой функционированием глицерина в составе или полностью в качестве фазы-носителя и диспергированием поливинилацетата в мицеллах. Другие материалы могут присутствовать в мицеллах и/или фазе-носителе, в том числе, без ограничения, вода.
Без ограничения частной теории или конфигурации изобретения или объема, допустимого истолкованием пунктов формулы, предполагается, что сочетание поливинилацетата и глицерина ведет к образованию состава, которого характеристики наилучшим образом раскрывают полезные свойства обоих материалов. При вулканизации поливинилацетат превращается в хрупкий материал, затрудняющий поток и пылевыделение. Глицерин известен неспособностью к контролю пылевыделения, но неожиданным является то, что сочетание поливинилацетата и глицерина обеспечивает превосходные свойства контроля пылевыделения. Сочетание двух материалов образует смесь, превосходящую PVA по жесткости и действующую в качестве идеального вещества для контроля пылевыделения.
ПРИМЕРЫ
Вышесказанное может быть разъяснено с помощью ссылки на следующие примеры, приведенные для иллюстрации, но не с целью ограничения объема изобретения. В частности, в них продемонстрированы репрезентативные примеры реализации принципов, присущих изобретению, каковые принципы не ограничиваются конкретными условиями данных примеров. В этой связи следует понимать, что изобретение охватывает различные изменения и модификации примеров, описываемых здесь, и что такие изменения и модификации могут осуществляться без отклонения от сути и объема изобретения и преуменьшения предусмотренных преимуществ. Таким образом, полагается, что подобные изменения и модификации охватываются заявленными пунктами формулы.
Был проведен ряд лабораторных исследований. Оценка контроля пылевыделения и предупреждения комкования проведена путем обработки дисперсного материала указанной дозой при воздействии на обработанные и необработанные образцы известных условий для образования сдуваемой пыли или комкования (агломерации). В случае оценок контроля пылевыделения, обработанные и необработанные образцы подвергались помолу в контролируемых условиях для создания сдуваемой пыли, определение количества которой выполнялось гравиметрическим способом. Оценка предотвращения комкования выполнялась путем воздействия на обработанные и необработанные образцы условий окружающей среды с повышенной влажностью и температурой, с последующим перемешиванием и истиранием для количественного определения степени комкования образца. Результаты оценки, представленные в Таблице 1, демонстрируют способность эмульсионных смесей глицерина и поливинилацетата к сокращению тенденции к пылеобразованию для первичного кислого фосфата аммония, склонного к образованию сдуваемой пыли.
Вторая оценка проведена с использованием меньшей дозы относящегося к изобретению состава. Результаты демонстрируют способность эмульсионных смесей глицерина и поливинилацетата к сокращению тенденции к комкованию хлорида калия, склонного к комкованию.
Хотя настоящее изобретение может быть воплощено во многих различных формах, здесь подробно описывается ряд конкретных предпочтительных воплощений изобретения. Настоящее описание представляет собой пояснение на примерах принципов изобретения и не призвано каким-либо образом ограничивать изобретение конкретными проиллюстрированными воплощениями. Все патенты, заявки на патенты, научные статьи и любые иные упоминаемые здесь материалы включаются в настоящее описание по ссылке во всей полноте. Кроме того, изобретение охватывает любые возможные комбинации некоторых или всех упомянутых воплощений, как описанных здесь, так и включенных по ссылке. Помимо этого, изобретение охватывает любые возможные комбинации, которые также прямо исключают какие-либо из различных упомянутых воплощений, будь то описанных здесь или включенных по ссылке.
Описание выше носит иллюстративный характер и не является исчерпывающим. Данное описание предполагает различные варианты и альтернативы для специалиста с обычным уровнем подготовки в данной области. Все эти альтернативы и варианты предполагаются для включения в объем пунктов формулы, где термин «включение» означает «включение без ограничения». Лица, знакомые с технологией, могут установить другие эквиваленты для конкретных воплощений, описанных здесь, каковые эквиваленты также предполагаются в качестве охватываемых пунктами формулы.
Все диапазоны и параметры, указанные здесь, следует понимать как охватывающие любые и все поддиапазоны в соответствующих категориях, и любые значения между предельными значениями. К примеру, заявленный диапазон «от 1 до 10» следует понимать как включающий в себя любые поддиапазоны между (включительно) минимальным значением 1 и максимальным значением 10; то есть, любые поддиапазоны, начиная с минимального значения 1 и выше (к примеру, от 1 до 6,1) и заканчивая максимальным значением 10 и ниже (к примеру, от 2,3 до 9,4, от 3 до 8, от 4 до 7), а также любое число 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10, содержащееся в данном диапазоне. Все значения, выраженные здесь в процентах, соотношениях и пропорциях относятся к массе, если не указано иное.
Настоящим завершается описание предпочтительных и альтернативных воплощений изобретения. Лица, имеющие необходимые навыки в данной области, могут определить другие эквиваленты конкретным воплощениям, описанным здесь, каковые эквиваленты предполагаются в качестве охватываемых пунктами формулы, прилагающимися к настоящему описанию.