УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОРОШКООБРАЗНОГО МАТЕРИАЛА
DEVICE TO PROCESS POWDER MATERIAL

Настоящее изобретение относится к устройству для обработки порошкообразного (или дисперсного либо сыпучего) материала, имеющему рабочую камеру для обработки в ней порошкообразного материала с днищем, которое образовано несколькими расположенными одна над другой взаимно перекрывающимися кольцевыми направляющими пластинами, между которыми образованы кольцевые щели для подачи через них рабочего воздуха с направленной радиально наружу горизонтальной составляющей его движения.
Подобное устройство известно, например, из DE 10248116 В3.
Такие известные устройства используются для сушки или гранулирования порошкообразного материала либо для нанесения покрытия на его частицы. В этих устройствах через днище в рабочую камеру подается газообразная среда, так называемый рабочий воздух, который поступает при этом в рабочую камеру примерно в горизонтальном направлении через множество кольцевых щелей между взаимно перекрывающимися направляющими пластинами. Взаимно перекрывающиеся кольцевые направляющие пластины, между которыми образовано множество кольцевых щелей, создают в рабочей камере движущийся радиально изнутри наружу поток рабочего воздуха, отклоняемый стенкой рабочей камеры вверх. Частицы обрабатываемого материала захватываются при этом таким потоком воздуха, однако под действием собственной силы тяжести падают по центру устройства и вновь попадают на поддерживающую подушку, образуемую рабочим воздухом. При дополнительном же некотором отклонении потока рабочего воздуха еще и в окружном направлении постепенно образуется тороидально вращающееся кольцо вихревого потока.
При необходимости образования из пылевидных порошков более крупных агломератов, т.е. при необходимости гранулирования обрабатываемого материала, в подобный тороидально вращающийся вихревой поток через форсунки дополнительно распыляют клейкую среду. Для этого, например, согласно указанной выше публикации DE 10248116 ВЗ в ограничивающую рабочую камеру стенку емкости вставлены обращенные наклонно вверх распылительные форсунки.
При нанесении покрытия на частицы обрабатываемого материала покрытие должно наноситься, т.е. напрыскиваться, на уже укрупнившуюся частицу максимально равномерным слоем.
В настоящее время известны форсунки самых разнообразных конструкций, работа которых основана на одном общем принципе, состоящем в тонком распылении обычно жидкого или же порошкообразного обрабатывающего материала распыляющим воздухом в виде тумана, соответственно дыма. С этой целью, как известно, используют, например, щелевые форсунки, распылитель которых имеет щелевое выходное отверстие для подачи через него жидкости под высоким давлением и выходные отверстия для распыляющего воздуха, которые могут располагаться либо по одну сторону, либо по обе стороны от щелевого выходного отверстия для жидкости.
Из публикации DE 10232863 А1 известна распылительная форсунка с кольцевыми в поперечном сечении проточными каналами. В зависимости от угла распыла и угловой протяженности сектора распыления жидкости струя распыленной жидкости может иметь лучевидную, коническую либо более или менее плоскую форму. При угле распыла, равном 180°, и при угловой протяженности сектора распыления жидкости, равной 360°, образуется практически плоская струя распыленной жидкости.
При обработке порошкообразного материала по этой технологии, которая широко используется в фармацевтической промышленности, стремятся обеспечить получение максимального однородного результата, т.е. при гранулировании - получение гранулятов с исключительно узким гранулометрическим составом, а при нанесении покрытия - нанесение на все частицы одной из находящейся в установке партии покрытия максимально равномерным слоем, т.е. прежде всего слоем постоянной толщины. Серьезная проблема, с которой при этом приходится сталкиваться, состоит в том, что неконтролируемое хаотичное перемещение частиц обрабатываемого материала, смоченных увлажняющей и обычно клейкой распыляемой жидкостью, слипаются друг с другом с образованием нежелательных агломератов.
По этой причине целесообразно обеспечивать строго определенный характер перемещения потоков в тороидально вращающемся потоке обрабатываемого материала для получения оптимального результата его обработки. Так, в частности, целесообразно обеспечить перемещение частиц обрабатываемого материала после их смачивания увлажняющей жидкостью по траекториям, на которых они удалялись бы друг от друга на максимально возможное расстояние, а не сближались друг с другом во избежание образования нежелательных агломератов.
Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствовать подобные устройства для обработки порошкообразного материала в том отношении, чтобы в них обеспечивалось оптимальное перемещение частиц порошкообразного материала с достижением оптимального результата его обработки.
Эта задача в отношении устройства указанного в начале описания типа решается согласно изобретению благодаря тому, что в днище по центру расположена кольцевая щелевая форсунка, распылитель которой выполнен с возможностью распыления жидкости в виде плоской струи, примерно параллельной плоскости днища.
При создании изобретения неожиданно было установлено, что применение подобной кольцевой щелевой форсунки в сочетании с днищем, образованным кольцевыми направляющими пластинами, выходящий через щели между которыми поток рабочего воздуха движется радиально изнутри наружу, обеспечивает оптимальное перемещение воздуха и обрабатываемого материала. Выходящий из кольцевых щелей между кольцевыми направляющими пластинами рабочий воздух образует своего рода скользящую над днищем радиально изнутри наружу поддерживающую подушку, перемещающую частицы обрабатываемого материала радиально наружу в пространство непрерывно увеличивающегося объема, т.е. создающую условия, при которых частицы обрабатываемого материала по мере их радиального удаления от центра днища удаляются друг от друга.
Направляемый стенкой вверх вдоль нее рабочий воздух захватывает частицы обрабатываемого материала и уносит их вертикально вверх. В последующем частицы обрабатываемого материала отделяются от нисходящего потока рабочего воздуха, перемещаются радиально внутрь к центру и под действием собственной силы тяжести падают примерно в центре на поддерживающую подушку, образуемую рабочим воздухом, выходящим из щелей в днище. Благодаря распылению жидкости предусмотренной по центру кольцевой щелевой форсункой в виде плоской струи падающие частицы обрабатываемого материала равномерно увлажняются жидкостью и непосредственно после этого перемещаются радиально наружу лучевидно расходящимся потоком, т.е. удаляются друг от друга. Таким образом, частицы обрабатываемого материала при вертикальном своем падении целенаправленно увлажняются распыленной жидкостью, затем захватываются движущимся ниже потоком рабочего воздуха, образующим поддерживающую подушку, и перемещаются им радиально наружу. Иными словами, после выхода из струи распыленной жидкости увлажненные частицы обрабатываемого материала в дальнейшем сначала движутся в горизонтальном направлении радиально наружу, затем вертикально поднимаются и после этого вновь движутся по нисходящей траектории к центру, успевая за это время высохнуть в потоке рабочего воздуха и соответственно упрочниться до повторного попадания в струю распыленной жидкости. Равномерное смачивание всех падающих по центру частиц обрабатываемого материала распыленной жидкостью обеспечивается благодаря ее распылению по кругу, т.е. в секторе с угловой протяженностью, равной 360°.
При создании изобретения неожиданно было установлено, что благодаря подобной комбинации удается обеспечить равномерную оптимальную обработку порошкообразного материала. При этом расположенная по центру кольцевая щелевая форсунка распыляет жидкость в виде своего рода "подстилающего слоя". Падающие на струю распыленной жидкости частицы обрабатываемого материала захватываются потоком рабочего воздуха, образующего поддерживающую подушку, и подвергаются высокоэффективной и равномерной обработке.
Даже при экспериментальной обработке порошкообразного материала особо крупными порциями, масса которых достигала 650 кг, процесс гранулирования, нанесения покрытия на частицы и их сушки протекал в условиях, близких к идеальным. Благодаря создаваемой у днища поддерживающей подушке полностью исключается попадание на поверхность днища распыленного вещества, т.е. все распыленное вещество попадает на частицы обрабатываемого материала. Тем самым исключаются потери распыляемого вещества, что имеет исключительно важное значение прежде всего в фармацевтической промышленности.
В одном из вариантов осуществления изобретения между распылителем кольцевой щелевой форсунки и расположенным под ним днищем предусмотрены выходные отверстия для поддерживающего воздуха, образующего с нижней стороны струи распыленной жидкости поддерживающую подушку.
Общеизвестно, что непосредственно у выходного отверстия распылителя создается определенное разрежение, которое приводит к скоплению обрабатываемого материала рядом с выходным отверстием распылителя. При формировании указанной выше струи распыленной жидкости подобных проблем с ее верхней стороны не возникает, поскольку падающие по центру частицы обрабатываемого материала сразу же захватываются струей распыленной жидкости и уносятся ею в горизонтальном направлении. Однако с нижней стороны струи распыленной жидкости подобные зоны разрежения могли бы привести к постепенному скоплению частиц у выходного отверстия распылителя. Благодаря же наличию указанных выше дополнительных выходных отверстий для воздуха снизу струи распыленной жидкости создается поток поддерживающего воздуха, который с нижней стороны струи распыленной жидкости "продувает" эту зону у выходного отверстия распылителя кольцевой щелевой форсунки. Дополнительный эффект от создания подобного потока поддерживающего воздуха состоит в том, что поддерживающий воздух фактически образует "опору" для выходящей из распылителя кольцевой щелевой форсунки плоской струи распыленной жидкости с ее нижней стороны, т.е. не допускает нежелательного движения струи распыленной жидкости вниз под действием силы тяжести или вследствие образования струи распыленной жидкости, имеющей в разрезе коническую форму. Тем самым исключаются потери распыляемого вещества, соответственно оседание клейких материалов на верхнюю сторону днища.
В следующем варианте осуществления изобретения поддерживающим воздухом служит выходящий из самой кольцевой щелевой форсунки воздух и/или рабочий воздух.
Этот вариант предоставляет широкие возможности по выбору способа создания потока поддерживающего воздуха. Так, например, для создания потока поддерживающего воздуха можно использовать часть распыляющего воздуха, предусмотрев соответствующие выходные отверстия для воздуха на самой кольцевой щелевой форсунке. Дополнительно к этому или вместо этого можно направлять к нижней стороне струи распыленной жидкости часть рабочего воздуха, проходящего через днище, и тем самым создавать поток поддерживающего воздуха.
В следующем варианте осуществления изобретения кольцевая щелевая форсунка имеет головку примерно конической формы, а выходное отверстие распылителя кольцевой щелевой форсунки проходит по круговой окружной линии сечения конуса.
Преимущество этого варианта состоит в том, что благодаря такой конической головке вертикально падающие частицы обрабатываемого материала, скользя по ней, равномерно, плавно и целенаправленно поступают в струю распыленной жидкости, распыляемой круговой распылительной щелью на нижнем конце конической головки.
В следующем варианте осуществления изобретения на участке между распылителем кольцевой щелевой форсунки и расположенным под ним днищем расположена имеющая форму усеченного конуса юбка со сквозными отверстиями для прохода поддерживающего воздуха.
Преимущество этого варианта состоит в том, что указанное выше отклонение частиц обрабатываемого материала поверхностью конической головки продолжается и поверх юбки в форме усеченного конуса, выходящий через сквозные отверстия в которой поддерживающий воздух служит в этой зоне соответствующей опорой для струи распыленной жидкости с ее нижней стороны.
В следующем варианте осуществления изобретения под нижней кромкой, имеющей форму усеченного конуса юбки, образована кольцевая щель для прохода рабочего воздуха.
Преимущество этого варианта состоит в возможности особо эффективного и целенаправленного управления начинающимся непосредственно в зоне под форсункой переходом частиц обрабатываемого материала на поддерживающую подушку, образованную у днища.
В еще одном варианте осуществления изобретения над кольцевой щелевой форсункой расположено выходное отверстие подводящего канала, предназначенного для подачи дополнительного вещества.
При создании изобретения было установлено, что благодаря гармоничному перемещению потоков, обеспечиваемому кольцевыми щелями в сочетании с кольцевой щелевой форсункой, появляется возможность исключительно эффективной подачи дополнительного вещества. Поэтому при формировании струи распыленной жидкости на нее непосредственно по центру можно, например, подавать порошок, который прочно прилипает к увлажненной распыляемой форсункой жидкостью и ставшей при этом клейкой поверхности частиц обрабатываемого материала. Таким путем можно обеспечить быстрое увеличение толщины слоя покрытия, наносимого на частицы обрабатываемого материала. Это преимущество не является единственным. Еще одно существенное преимущество состоит в возможности подачи, например, биологически активного вещества, которое чувствительно к воздействию влаги и которое поэтому не допускает его переработку в суспензии или в растворе и распыление через кольцевую щелевую форсунку. В этом случае через кольцевую щелевую форсунку распыляют только "клейкое" вещество, а собственно биологически активное вещество в виде порошка подают по центру. Подобная подача дополнительного вещества, которая, как очевидно, с аэродинамической точки зрения является дополнительным, требующим учета параметром, возможна постольку, поскольку упомянутое выше использование кольцевых щелей в днище в сочетании с кольцевой щелевой форсункой позволяет создавать в рабочей камере потоки со строго определенным и гармоничным характером их перемещения.
В следующем варианте осуществления изобретения между кольцевыми направляющими пластинами расположены направляющие элементы, дополнительно отклоняющие поток проходящего через днище рабочего воздуха в окружном направлении.
Преимущество этого в принципе хорошо известного решения состоит в возможности дополнительного отклонения потока воздуха такими направляющими элементами в окружном направлении для создания таким путем тороидально вращающегося потока равномерно завихренных частиц обрабатываемого материала, которые благодаря этому равномерно поступают затем в плоскую струю распыленной жидкости.
Очевидно, что описанные выше и рассмотренные в последующем описании отличительные признаки можно использовать не только в их конкретно указанных, но и в других комбинациях или даже по отдельности, не выходя при этом за объем изобретения.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - упрощенный вид в продольном разрезе устройства для обработки порошкообразного материала и
на фиг.2 - вид в разрезе устройства для обработки порошкообразного материала с дополнительной подачей другого материала.
Показанное на фиг.1 устройство для обработки порошкообразного материала обозначено общей позицией 10.
Устройство 10 имеет емкость 12 с высокой цилиндрической вертикальной стенкой 14. Эта стенка 14 ограничивает соответствующую рабочую камеру 16.
Рабочая камера 16 имеет днище 18, под которым находится камера 20 для подачи рабочего газа.
Днище 18, конструкция которого известна, например, из указанной в начале описания публикации DE 19248116 В3, состоит из в общей сложности десяти кольцевых, расположенных уступами одна над другой направляющих пластин. Эти десять направляющих пластин расположены одна над другой таким образом, что самой нижней пластиной является радиально внешняя, соединенная со стенкой 14 кольцевая направляющая пластина, выше которой расположены остальные девять радиально внутренних кольцевых пластин, каждая из которых частично перекрывается с находящейся непосредственно ниже нее пластиной.
Для упрощения чертежа позициями на нем снабжены лишь некоторые из направляющих пластин, в частности две расположенные одна над другой направляющие пластины 22 и 23. Благодаря подобному расположению направляющих пластин одна над другой с отступом друг от друга между каждой парой соседних направляющих пластин образовано по кольцевой щели 25, через которые рабочий воздух 28 поступает с направленной радиально наружу горизонтальной составляющей его движения через днище 18 в рабочую камеру, как это по существу известно из уровня техники. В центральное отверстие центральной, самой верхней радиально внутренней направляющей пластины 24 снизу вставлена кольцевая щелевая форсунка 30. Эта кольцевая щелевая форсунка 30 имеет распылитель 32 с в общей сложности тремя выходными щелями 33, 34 и 35. Все эти три выходные щели 33, 34 и 35 ориентированы таким образом, что они обеспечивают распыление жидкости примерно параллельно днищу 30, т.е. примерно в горизонтальной плоскости, в пределах сектора угловой протяженностью, равной 360°. Через верхнюю выходную щель 33 и через нижнюю выходную щель 35 подается под давлением распыляющий воздух, а через среднюю щель 34 подается распыляемая жидкость.
Кольцевая щелевая форсунка 30 имеет стержневидный корпус 36, который проходит вниз и внутри которого расположены соответствующие каналы и подводящие линии, как это в принципе известно из уровня техники. Подобная кольцевая щелевая форсунка может быть выполнена, например, в виде распылительного устройства, известного из публикации DE 10232863 А1.
Подобная кольцевая щелевая форсунка может быть выполнена, например, с так называемой вращающейся кольцевой щелью, у которой стенки канала, через который распыляется жидкость, вращаются друг относительно друга во избежание закупоривания канала в результате окомкования и для обеспечения тем самым равномерного распыления жидкости через выходную щель 34 во всем секторе угловой протяженностью, равной 360°. Тем самым относительно продольной оси корпуса 36 кольцевой щелевой форсунки 30 угол распыла составляет 180°.
Над своей выходной частью 32 кольцевая щелевая форсунка 30 имеет коническую головку 38.
Под распылителем 32 кольцевой щелевой форсунки предусмотрена имеющая форму усеченного конуса стенка или юбка 40 со множеством отверстий 42. Как показано на фиг.1, эта юбка 40 снизу частично перекрывается с расположенной под ней радиально внутренней направляющей пластиной 24 и несколько не доходит до нее с образованием в результате между нижней кромкой юбки 40 и этой направляющей пластиной 24 щели 26, через которую в рабочую камеру может проходить рабочий воздух.
На фиг.1 справа стрелками условно обозначен характер перемещения потоков в установившемся режиме.
Выходящая из распылителя 32 струя 44 распыленной жидкости имеет плоскую форму. Выходящий из отверстий 42 в конической юбке 40 воздух, который может представлять собой, например, рабочий воздух, образует с нижней стороны струи 44 распыленной жидкости поддерживающий воздушный поток 46. Выходящий из множества щелей 25, 26 рабочий воздух 28 образует радиальный поток, направленный к стенке 14, которой он отклоняется вверх в обозначенном стрелкой 48 направлении. При этом частицы обрабатываемого материала отделяются от рабочего воздуха, который отводится через выпускные отверстия, а частицы завихренного обрабатываемого материала движутся радиально внутрь и под действием собственной силы тяжести вертикально падают на коническую головку 38 кольцевой щелевой форсунки 30. При попадании на коническую головку падающие частицы обрабатываемого материала плавно изменяют направление своего движения, направляются на верхнюю сторону струи 44 распыленной жидкости и обрабатываются в ней распыленной средой (жидкостью). Смоченные распыленной жидкостью частицы, находящиеся в струе распыленной жидкости, расходятся друг от друга, поскольку сразу же после удаления от кольцевого распылителя 32 частицы оказываются в пространстве большего объема. Находясь в струе распыленной жидкости, частицы обрабатываемого материала сталкиваются с капельками жидкости, удаляются друг от друга, продолжая двигаться в том же направлении, и при этом исключительно равномерно и эффективно обрабатываются рабочим воздухом, т.е. высушиваются.
На фиг.2 в аксонометрии и в разрезе, аналогичном разрезу, приведенному на фиг.1, показано устройство для обработки порошкообразного материала, обозначенное общей позицией 50. Подобное устройство также имеет емкость 52 с высокой цилиндрической вертикальной стенкой 54, ограничивающей рабочую камеру 56. Днище 58 этого устройства выполнено аналогично днищу описанного выше и показанного на фиг.1 устройства и состоит из десяти соответственно расположенных уступами одна над другой направляющих пластин, из всего числа которых только две направляющие пластины снабжены на чертеже в качестве примера позициями 62 и 63. Под днищем 58 и в этом случае находится камера 60 для подачи рабочего газа.
В показанном на чертеже варианте между направляющими пластинами расположены направляющие элементы 64 и 65, из-за наличия которых поток выходящего из щелей между направляющими пластинами 62 и 63 рабочего воздуха движется не только строго радиально наружу, но и несколько отклоняется в окружном направлении, обозначенном стрелкой 68.
В этом варианте, как и в рассмотренном выше варианте, в центре также расположена соответствующая кольцевая щелевая форсунка 70. По центру над кольцевой щелевой форсункой расположен подводящий канал 72, который представляет собой, например, подведенную сбоку трубу и выходное отверстие 74 которого расположено по центру над кольцевой щелевой форсункой 70 точно соосно ей. Положение выходного отверстия подводящего канала можно регулировать по высоте.
По этому подводящему каналу можно, например, подавать твердое вещество в виде порошка 78 на верхнюю сторону плоской струи распыленной кольцевой щелевой форсункой 70 жидкости.
В обоих описанных выше вариантах выполнения устройства для обработки порошкообразного материала кольцевая щелевая форсунка 30, соответственно 70 имеет такую конструкцию, которая даже в процессе эксплуатации позволяет извлечь ее снизу из днища, например, для проверки на наличие неисправностей или для иной цели. Очевидно, что перед извлечением кольцевой щелевой форсунки подачу распыляемой жидкости прекращают, однако при этом можно продолжать циркуляцию обрабатываемого материала в устройстве 10, соответственно 50, поскольку в центральном отверстии образуется центральный восходящий поток рабочего воздуха, не допускающий падение частиц обрабатываемого материала в это отверстие. Подобная циркуляция частиц обрабатываемого материала является также следствием вполне определенного вихревого движения, обусловленного тороидальным вращением потока воздуха.