ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ СМЕШЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
TECHNOLOGICAL MODULE AND METHOD OF MIXING TECHNOGENIC FIBER MATERIALS

Изобретение относится к переработке техногенных материалов и может быть использовано в различных отраслях промышленности; химической, энергетической, топливной, а также в промышленности строительных материалов для приготовления композиционных смесей с тонкоизмельченными волокнистыми материалами.
Известен рециркуляционный смеситель [Патент РФ на изобретение №2302285, МПК B01F 7/02, опубл. 2007], содержащий горизонтально установленные камеры и расположенные в камерах валы, при этом камеры образуют два расположенных в вертикальной плоскости смесительных блока, верхний из которых состоит из одной камеры, а нижний блок состоит из двух. Вал верхней камеры оснащен однозаходными винтовыми лопастями длиной, равной 0,3-0,6 шага винта, повернутыми относительно друг друга на угол 170-190°. Валы нижних камер оснащены двухзаходными винтовыми лопастями длиной, равной 0,2-0,4 шага винта, повернутыми относительно друг друга на угол 80-95°.
Недостатком смесителя является низкое качество смеси, неравномерное распределение материала с различными физико-механическими характеристиками.
Известны различные способы смешения техногенных материалов, характеризующиеся тем, что все компоненты загружают в смеситель через узлы загрузки, затем следует рабочий процесс, при котором рабочий орган многократно перемещает компоненты внутри смесителя [Патент на изобретение США №4509862, НКИ США 366/158, МПК B01F 7/08, опубл. 1985; патент РФ на изобретение №2163542, МПК B27N 3/02, С04В 28/30, опубл. 2001; патент РФ на изобретение №2392042, МПК B01F 9/06, опубл. 2010; кн. Технологическое оборудование предприятий / Под ред. А.Я. Соколова. - М.: Колос, 1984, с. 207.]
К недостаткам способов относится недостаточное качество смеси из-за неравномерного распределения движения компонентов в устройстве смешения и на границах их раздела, а также они не могут быть использованы при смешении материалов с различными физико-механическими свойствами.
Наиболее близким к заявляемым решениям относятся технологическая линия и способ для экструдирования техногенных волокнистых материалов [Патент РФ на изобретение №2567519, МПК A23K 1/20, опубл. 2015]. Линия состоит из последовательно установленных устройств приема и дозирования сырья, смешения, гранулирования, классификации и сушки. Устройство смешения включает последовательно установленные вертикальный и горизонтальный турбулентные смесители. Последний содержит блок для предварительного уплотнения смеси. Способ включает двухстадийное, с применением шредера, или одностадийное измельчение, при котором дополнительно вводятся механоактивированные или топливосодержащие добавки. Смешение композиционной смеси с органическим связующим осуществляется при предварительном пароувлажнении и уплотнении смеси. Полученные гранулы подвергают последовательной классификации и сушке или охлаждению в барабанно-винтовом сушильном агрегате.
Данное техническое решение не обеспечивает необходимое качество смеси, особенно при смешении материалов с различными физико-механическими свойствами: отходов деревообрабатывающих, сельскохозяйственных, пищевых и других производств, (опилок, отсева зернопродуктов, отходов растениеводства, лигнина, лузги и др.), целлюлозно-бумажных отходов, пылевидного вермикулита и др.; достаточную степень предварительного уплотнения смеси.
Изобретение направлено на решение задачи реализации смешения техногенных волокнистых материалов с различными физико-механическими характеристиками и повышения качества смеси, используя постадийное высокоскоростное смешение смеси с организацией внутреннего рецикла на каждой стадии их смешения, и последовательного увеличения ее плотности посредством механического предварительного уплотнения.
Поставленная задача достигается тем, что технологический модуль смешения техногенных волокнистых материалов состоит из последовательно установленных вертикального и горизонтального смесителей с лопастями. Лопасти вертикального смесителя выполнены двухзаходными винтовыми в виде геликоидальных поверхностей однонаправленного захода в сторону выгрузки материала. Лопасти горизонтального смесителя в загрузочной и выгрузочной части выполнены однозаходными винтовыми однонаправленными в сторону выгрузки материала. Между ними установлены противоположно направленные двухзаходные винтовые лопасти. Горизонтальный смеситель содержит блок для механического предварительного уплотнения смеси, представленный внешним и внутренним конусами, выполненными двухконусными.
Способ смешения техногенных волокнистых материалов включает смешение с органическим связующим, пароувлажнение и механическое уплотнение смеси. В предложенном решении смешение осуществляется в две стадии. На первой стадии происходит турбулентно-гирационное смешение. На второй стадии происходит рециркуляционное смешение с пароувлажнением.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен технологический модуль для смешения техногенных волокнистых материалов, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1, на фиг. 4 - вид В на фиг. 1.
1
1
Технологический модуль смешения техногенных волокнистых материалов состоит из вертикального смесителя 1 с загрузочным отверстием 2 и отверстием для подачи связующего 3, который имеет двухзаходные винтовые лопасти 4, выполненными в виде геликоидальных поверхностей однонаправленного захода винтов в сторону выгрузки материала, которые жестко закреплены, например, с помощью болтового соединения на вертикальном валу 5. Двухзаходные винтовые лопасти 4 установлены под углом α относительно друг друга. Угол поворота α лопастей 4 относительно друг друга может изменяться в зависимости от типа смешиваемого материала. В нижней части вертикального смесителя 1 имеется разгрузочное отверстие 6.
Под вертикальным смесителем 1 установлен горизонтальный смеситель 7 с загрузочным отверстием 8. Вертикальный 1 и горизонтальный 7 смесители соединены между собой патрубком 9. Патрубок 9 крепится к разгрузочному отверстию 6 вертикального смесителя 1 и к загрузочному отверстию 8 горизонтального смесителя 7, например, при помощи болтового соединения.
1
2
2
2
2
1
Горизонтальный смеситель 7 включает горизонтальный вал 10, на котором в загрузочной зоне из вертикального смесителя 1 через патрубок 9 жестко закреплены, например, при помощи сварочного соединения, винтовые лопасти 11, выполненные однонаправленными в сторону выгрузки материала однозаходными с шагом S. В центральной части горизонтального смесителя 7 между загрузочной и выгрузочной зонами на валу 10 жестко закреплены, например, с помощью болтового соединения противоположно направленные двухзаходные винтовые лопасти 12. Двухзаходные винтовые лопасти 12 установлены под углом α относительно друг друга. Угол поворота α двухзаходных винтовых лопастей 12 относительно друг друга и их количество может изменяться в зависимости от типа смешиваемого материала. В выгрузочной зоне горизонтального смесителя 7 на валу 10 установлены винтовые лопасти 13, выполненные однонаправленными в сторону выгрузки материала однозаходными с шагом S. При S<S обеспечивается равномерная и постоянная подача материала в блок для механического предварительного уплотнения смеси.
Горизонтальный смеситель 7 оснащен блоком для механического предварительного уплотнения смеси, представленным внешним конусом 14, закрепленным, например болтовым соединением, на внутренней стороне корпуса горизонтального смесителя 7 и внутренним конусом 15, установленным на валу 10, например, при помощи шпоночного соединения. И внешний 14 и внутренний 15 конуса выполнены двухконусными, т.е. состоят из двух усеченных конусов, соединенных цилиндрической обечайкой, например при помощи болтовых соединений. Усеченные конусы внешнего конуса 14 направлены меньшими диаметрами в середину. Внутренний конус 15 установлен на валу 10 меньшими диаметрами в сторону подачи материала. Боковые поверхности выходных частей внешнего 14 и внутреннего 15 конусов параллельны относительно друг друга на расстоянии b и направлены большими диаметрами наружу. На горизонтальном валу 10, между торцевой стенкой внутреннего конуса 15 и боковой стенкой горизонтального смесителя 7 на расстоянии а установлена пружина 16. Передняя часть внутреннего конуса 15 меньшим диаметром упирается в стопорное кольцо 17. Между торцевой стенкой внутреннего конуса 15 и боковой стенкой горизонтального смесителя 7 имеется разгрузочное отверстие 18.
3
Угол захвата материала α между боковой поверхностью передних частей внешнего 14 и внутреннего 15 конусов позволяет снизить усилия, требуемые для дальнейшего механического предварительного уплотнения и смеси. Степень сжатия пружины влияет на расстояние а. Регулируя степень сжатия пружины, изменяем расстояние b. Пружина также является предохранительным элементом.
Способ смешения техногенных волокнистых материалов на предложенном технологическом модуле реализуется следующим образом.
Предварительно тонкоизмельченный техногенный волокнистый материал, например целлюлозно-бумажные отходы, через загрузочное отверстие 2 и связующее, например отработанное моторное масло, через отверстие для подачи связующего 3 поступают в вертикальный турбулентный смеситель 1, где происходит первая турбулентно-гирационная стадия смешения с рециклом материала. Вращающиеся на вертикальном валу 5 двухзаходные винтовые лопасти 4 создают воздушные потоки определенных конфигураций, за счет чего происходит высокоскоростное качественное смешение предварительно измельченного техногенного волокнистого материала и связующего. Подача связующего в вертикальный турбулентный смеситель 1 - в зону его ламинарных потоков - исключает действие центробежных сил и дезинтеграцию смеси. В процессе смешения у образовавшейся смеси увеличивается плотность, следовательно, и вес. Под действием силы тяжести смесь опускается в нижнюю часть вертикального смесителя 1, где под действием центробежных сил через разгрузочное отверстие 6 попадает в патрубок 9.
3
Затем из патрубка 9 через загрузочное отверстие 8 смесь подается в горизонтальный турбулентный смеситель 7. В горизонтальном турбулентном смесителе 7 происходит вторая рециркуляционная стадия смешения с пароувлажнением, например с помощью парогенератора (на фиг. не показан). Вращающиеся на горизонтальном валу 10 винтовые лопасти 11 обеспечивают равномерную и постоянную подачу смеси в центральную часть горизонтального смесителя 7. За счет естественного подпора смеси со стороны однозаходных винтовых лопастей 11 происходит равномерное движение материала в сторону разгрузочного отверстия 18. Двухзаходные винтовые лопасти 12 за счет создания внутренних рециркуляционных потоков смеси обеспечивают качественное смешение смеси и устранение застойных зон в центральной части горизонтального смесителя 7. Затем однозаходные винтовые лопасти 13 осуществляют постоянную и равномерную подачу смеси в блок для механического предварительного уплотнения смеси. Проходя между поверхностями внешнего 14 и внутреннего 15 конусов, выполненных двухконусными, смесь уплотняется. Благодаря сложной конфигурации смесь уплотняется постепенно, что повышает качество механического предварительного уплотнения и препятствует расслоению или распушению уплотненного материала на выходе из блока. За счет острого угла α между боковой поверхностью передних частей внешнего 14 и внутреннего 15 конусов снижаются усилия, требуемые для прохождения смеси внутрь блока для механического предварительного уплотнения смеси. Смесь испытывает постепенно возрастающее давление, проходя между цилиндрическими и параллельными коническими поверхностями блока, что существенно увеличивает степень предварительного уплотнения с меньшими энергозатратами. На выходе имеем материал диаметром, равным величине зазора b. В случае подачи большого объема материала, давление на внутренний конус 15 возрастет, и он переместится ближе к торцевой стенке горизонтального смесителя 7. Наличие цилиндрических частей во внешнем 14 и внутреннем 15 конусах, позволяет избежать ухудшения качества предварительного уплотнения при перемещении внутреннего конуса 15 к торцевой стенке горизонтального смесителя 7. Это происходит за счет того, что между цилиндрическими частями сохраняется заданное расстояние и материал уплотняется с тем же усилием. Пружина 16 предотвращает перемещение внутреннего конуса 15 на большие расстояния, поэтому величина зазора b изменится незначительно. Когда давление на внутренний конус 15 уменьшится, за счет пружины 16 вернется в исходное положение, ограниченное стопорным кольцом 17. Затем материал через разгрузочное отверстие 18 поступает в зону формования или на другие технологические операции.
Предложенное изобретение обеспечивает повышение качества смеси и степени предварительного уплотнения смеси. Таким образом, применение двух последовательно установленных смесителей с различными режимами работы позволяет реализовать смешение техногенных волокнистых материалов с различными физико-механическими характеристиками.