ВИБРАЦИОННАЯ ШАРОВАЯ МЕЛЬНИЦА
VIBRATION BALL MILL

Изобретение относится к устройствам для глубокой сушки материалов при сопутствующем измельчении и интенсивном перемешивании для аппаратурной реализации способа получения порошков из растительного сырья в непрерывном режиме при контактно-конвективном подводе сушильного агента. Вибрационная шаровая мельница может найти применение в химической, фармацевтической, сельскохозяйственной и пищевой промышленности. Она может использоваться для непрерывного помола минеральных солей, сушеных фруктов, ягод; сушки порошков; смешения порошков твердых веществ, в том числе при сопутствующем измельчении и сушке; смешении порошков твердых веществ с жидкой фазой.
Известна вибровращательная шаровая мельница [см. патент №2147931, МПК В02С 17/06, 17/14, 2000 г.], состоящая из цилиндрического разделенного на секции барабана, который установлен в подшипниковых опорах с возможностью вращения на подвижную виброплиту, расположенную на пружинящих опорах на неподвижном основании, которая снабжена плоскостным вибратором. Для осуществления непрерывного процесса измельчения мельница выполнена с узлом загрузки, обеспечивающим оптимальное заполнение барабана мелющими телами и измельчаемым материалом. Однако такая конструкция не позволяет проводить совмещенные по времени процессы сушки и измельчения, а процесс смешения производится за счет вращения барабана от отдельного привода, что усложняет конструкцию и техническое обслуживание.
По конструктивному исполнению наиболее близкой к изобретению является вибрационная шаровая мельница [см. патент №2229340, МПК В02С 17/14, 2004 г.], содержащая цилиндрический барабан, разделенный перфорированными перегородками на секции, часть последней из которых выполнена перфорированной, заполненные мелющими телами с убывающими размерами по секциям от загрузочного рукава к выходу, установленный на упругие опоры и приводимый в круговые колебания двухмассным инерционным вибратором, при этом барабан снабжен теплообменной рубашкой, имеющей спиральную ленточную вставку, образующую винтовой канал для прохода сушильного агента в теплообменной рубашке, перфорация последней секции барабана выполнена в нижней его части на длину не более 1/2 длины секции на 1/3 периметра поверхности, при этом загрузочный рукав выполнен в виде двух коаксиально расположенных цилиндров из гибкого материала, причем внутренний цилиндр перфорирован по всей длине, а внешний, сплошной, присоединен к штуцеру для выхода сушильного агента, а каждая секция барабана заполнена мелющими телами не менее чем на 0,5 ее объема.
Однако такая конструкция не позволяет интенсивно проводить процесс сушки во всех секциях барабана, так как через перфорированные перегородки секций измельченная жидкая фаза распределяется равномерно в нижней части всех секций, образуя сплошную неподвижную среду, из которой испарение влаги идет с ее поверхности с восполнением испаренной влаги из внутреннего объема пасты за счет диффузии.
Задачей изобретения является повышение эффективности получения сухих порошков с узким диапазоном дисперсности, повышением скорости удаления влаги за счет исключения сплошной жидкой среды из последующих секций, сосредоточив ее только в I секции барабана.
Задача решается тем, что в вибрационной мельнице, содержащей цилиндрический барабан, разделенный перфорированными перегородками на секции, часть последней из которых выполнена перфорированной, заполненные мелющими телами с убывающими размерами по секциям от загрузочного рукава к выходу, установленный на упругие опоры и приводимый в круговые колебания двухмассным инерционным вибратором, барабан снабжен теплообменной рубашкой, имеющей спиральную ленточную вставку, образующую винтовой канал для прохода сушильного агента в теплообменной рубашке, перфорация последней секции барабана выполнена в нижней его части на длину не более 1/2 длины секции на 1/3 периметра поверхности, при этом загрузочный рукав выполнен в виде двух коаксиально расположенных цилиндров из гибкого материала, причем внутренний цилиндр перфорирован по всей длине, а внешний, сплошной, присоединен к штуцеру для выхода сушильного агента, а каждая секция барабана заполнена мелющими телами не менее чем на 0,5 ее объема, а перегородка между I и II секциями выполнена сплошной в нижней половине и перфорирована в верхней половине с отверстиями, меньшими по размеру подготовленных частиц исходного сырья и мелющих тел I секции.
Предлагаемое техническое решение в литературе не описано. Решение поставленной задачи было достигнуто за счет сосредоточения сплошной жидкой фазы (пюре) в I секции барабана с целью исключения растекания последней по всем последующим секциям и уменьшения поверхности испарения влаги со сплошной поверхности жидкой фазы во столько раз, на сколько секций разделен барабан. При превышении уровня жидкой фазы на 0,5 объема первой секции избыток перетекает в последующие секции, образуя пористую среду в смеси с мелющими телами и долей высушенного перерабатываемого материала. Пористая среда при вибрации легко переходит во взвешенное состояние, что ускоряет процесс удаления влаги с поверхности конгломератов «мелющее тело - жидкая фаза», «высушенная частица - жидкая фаза». Сочетание этих приемов отсутствует в прототипе, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».
При проведении сопоставительного анализа заявляемого технического решения с аналогами установлено, что сочетание его отличительных признаков с учетом достигаемого результата также не известно, что подтверждает соответствие критерию «изобретательский уровень».
Промышленная применимость подтверждается примерами и описанием работы устройства.
Изобретение поясняется чертежами общего вида устройства (фиг.1) и поперечного разреза первой секции барабана (фиг.2).
Вибрационная мельница состоит из корпуса, представляющего собой горизонтальный барабан 1 (фиг.1), имеющий теплообменную рубашку 2 со спиральной ленточной вставкой 12, которая образует винтовой канал для прохода сушильного агента.
Барабан по длине разделен на секции перфорированными перегородками 4, причем перегородка между I и II секциями выполнена сплошной в нижней половине и перфорирована в верхней половине поверхности с размерами, меньшими по размеру подготовленных частиц исходного сырья и мелющих тел I секции, а перегородки последующих секций имеют перфорацию на нижней половине поверхности. Размер отверстий на перегородках уменьшается от входа к выходу в барабан, а в каждой секции - меньше размера мелющих тел. Каждая секция заполняется не менее чем на 0,5 ее объема мелющими телами 15, размер которых уменьшается от секции к секции. Торцевая стенка 10 последней секции имеет перфорацию на 1/3 радиуса от центральной оси корпуса, а размер отверстий соответствует размеру частиц товарной продукции. Кроме того, корпус последней секции в нижней части на длину не более Ѕ длины секции на 1/3 периметра поверхности корпуса последней секции имеет отверстия 9 для выхода теплоносителя из рубашки в корпус. Барабан установлен на упругих опорах 5 (фиг.2), имеющих одинаковую жесткость в вертикальном и горизонтальном направлениях для обеспечения круговых колебаний корпуса, для создания которых к корпусу прикреплен двухмассный инерционный вибратор 3.
В первой секции имеется загрузочное устройство, состоящее из расходного бункера 6, загрузочного рукава 7 и патрубка для отвода сушильного агента 8. Загрузочный рукав выполнен в виде двух коаксиально расположенных цилиндров из гибкого материала, причем внутренний цилиндр перфорирован по всей длине, а внешний, сплошной, присоединен к штуцеру 8 для выхода сушильного агента (СА). Сушильный агент подается в рубашку 2 через штуцер 14. Выгрузка готовой продукции происходит через перфорированную торцевую стенку 10 корпуса, патрубок 11 и затвор 13.
Вибрационная шаровая мельница работает следующим образом.
Вымытое и предварительно подготовленное сырье загружается в расходный бункер 6 и через загрузочный рукав 7 заполняет полностью первую секцию барабана 1. При этом в бункере и загрузочном рукаве находится исходное сырье для поддержания в первой секции коэффициента заполнения 1. Максимальная интенсивность измельчения обеспечивается за счет истирающего воздействия мелющих тел на частицы исходного сырья, которое при этом переходит в состояние сплошной жидкой фазы (пасты), заполняющей нижнюю часть I секции. Избыток жидкой фазы исходного сырья более 0,5 объема I секции переходит в последующие секции, образуя с загрузкой последующих секций пористую среду.
Инерционный вибратор 3 приводит корпус в колебательное движение. Параметры колебания (амплитуда А и угловая частота колебаний ω), выбранные из соотношения критерия Фруда  и параметрического критерия  для заданного габарита (диаметра корпуса Д), приводят загрузку в состояние интенсивного перемешивания, что способствует эффективному теплообмену между нагретой стенкой корпуса и загрузкой и удалению влаги с поверхности частиц загрузки и шаров. Сопутствующее измельчение частиц загрузки за счет ударно-истирающего действия мелющих тел постоянно обновляет поверхность испарения. Измельченное исходное сырье превращается в сплошную жидкую фазу (пасту) и заполняет нижнюю часть I секции. Избыток жидкой фазы исходного сырья более 0,5 объема I секции переходит через перфорированную перегородку между I и II секциями в последующие секции, образуя в них пористую среду в виде частиц измельченного сырья и шаровой загрузки с развитой поверхностью испарения влаги, при этом частицы сырья продолжают измельчаться и сушиться, получая тепло, контактируя с нагретой стенкой корпуса и нагретыми шарами, а также через конвективный теплообмен с сушильным агентом, проходящим через весь корпус от последней секции к первой. Сплошная жидка фаза (паста) сохраняется только в первой секции, а в остальных секциях имеет место дисперсная среда, находящаяся во взвешенном состоянии.
Сушильный агент (горячий воздух) подается в теплообменную рубашку через штуцер 14 и, проходя по винтовому каналу, равномерно по всей поверхности нагревает корпус барабана, а, дойдя до перфорированной зоны 9 последней секции барабана, попадает внутрь последнего - в зону конвективного теплообмена. Увеличение площади сечения движения сушильного агента при переходе из рубашки в корпус значительно снижает его скорость, способствуя более полному теплообмену между ним и частицами, находящимися во взвешанном состоянии, что интенсифицирует процесс сушки. Сушильный агент, пройдя через перфорированные перегородки секций, попадает в первую секцию, полностью заполненную исходным влажным продуктом, где предварительно нагревает его и полностью очищается от уносимой мелкой фракции готового порошка, которая налипает на влажную поверхность частиц исходного продукта при прохождении через поры между частицами. Очищенный, охлажденный и насыщенный парами влаги сушильный агент удаляется через штуцер 8.
Готовый сухой порошок заполняет последнюю секцию барабана на 2/3 высоты по радиусу, что исключает износ мелющих тел, а избыток порошка удаляется через перфорированную торцевую стенку последней секции, выгрузочный люк 11 и затвор 13.
Исследование процесса сушки в вибрационной мельнице картофеля и черноплодной рябины показало увеличение фактической производительности по сравнению с аналогом в 1,2-1,5 раза за счет исключения сплошной жидкой фазы из последующих секций кроме первой при комбинированном контактно-конвективном теплообмене между сушильным агентом и загрузкой.