Устройство для кристаллизации полимерных материалов
DEVICE FOR CRYSTALLIZATION OF POLYMER MATERIALS

Область техники
Изобретение относится к полимерной промышленности, а именно к технологическому оборудованию для изготовления изделий из пластмасс.
Уровень техники
Известно устройство для кристаллизации полимерных частиц (патент РФ на изобретение №2685299, опубл. 17.04.2019), включающее формовочное устройство для формования расплавленного полимера в камере быстрого охлаждения, устройство для удаления охлаждающей жидкости, решетчатый уловитель, кристаллизатор, пневматическую систему транспортировки с инертным газом, реактор твердофазной поликонденсации SSP.
Известен аппарат для кристаллизации полимерных частиц (патент РФ на изобретение №2446944, опубл. 10.04.2012), включающий формовочное устройство для получения расплавленного полимера в камере резкого охлаждения с впускным отверстием для охлаждающей жидкости для резкого охлаждения упомянутого расплавленного полимера в охлаждающей жидкости для получения твердого полимера. Также аппарат содержит устройство удаления охлаждающей жидкости, находящееся в сообщении через текучую среду с камерой резкого охлаждения, для удаления существенного количества. Аппарат включает канал для транспортирования твердого полимера из устройства удаления охлаждающей жидкости в обогревающей жидкости в стояк с восходящим потоком. При этом стояк с восходящим потоком предназначен для подъема твердого полимера и обогревающей жидкости вверх системы реактора твердофазной полимеризации.
Общим недостатком данных устройств является их конструктивная сложность.
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому техническому результату являются кристаллизаторы фирмы «SHINI», которая имеет линейку кристаллизаторов разной производительности (страницы в интернете: http://shini-tw.ru/products_PET_Crystallizers-SCR.html и http://east-plast.ru/catalogue/shnekoviy-kristallizator-pet-scr).
Корпус кристаллизатора представляет собой вертикальный бункер-накопитель. Внутри расположена вертикальная лопастная мешалка с верхним приводом.
Температурный режим, необходимый для перехода структуры ПЭТ-гранулята из аморфного в кристаллизованное состояние поддерживается подачей горячего воздуха в нижнюю часть и отведением его в верхней.
В нижней части бункера-накопителя расположена опорная решетка с перфорацией для прохождения горячего воздуха сквозь толщу материала.
Поступление аморфного ПЭТ-гранулята производится сверху, а отведение кристаллизованного - снизу.
Данная конструкция и технология поддержания температурного режима имеет множество недостатков. В известных кристаллизаторах отдельно нагревается воздух (азот) и подается в кристаллизатор снизу и отводится сверху, для этого в их конструкции присутствует дополнительное оборудование: циклон, фильтр и др., обеспечивающие циклическое движение воздуха (азота). Такое конструктивное решение усложняет эксплуатацию и обслуживание кристаллизатора, снижает его надежность и ремонтопригодность.
Главным недостатком данной конструкции является большая энергоемкость, обусловленная потерями тепла при непрерывной подаче и отведении горячего воздуха, а также наличием значительных энергозатрат на перемешивание всей толщи материала одномоментно.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для кристаллизации полимерных материалов периодического действия, обеспечивающего снижение энергозатрат, кристаллизацию дробленного ПЭТ-материала, простоту в обслуживании.
Технический результат:
1) Снижение энергозатрат на кг готовой продукции;
2) Снижение нагрузки на основной привод;
3) Упрощение процесса обслуживания устройства;
4) Повышение технологичности устройства за счет отказа от дополнительного внешнего оборудования, необходимого для поддержания температурного режима;
5) Повышение КПД устройства для кристаллизации полимерных материалов.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для кристаллизации полимерных материалов содержит корпус в виде вертикального цилиндрического бункера с плоской крышкой и коническим днищем, в боковой поверхности которого содержится загрузчик полимерного материала, в нижней части корпуса выполнено выходное отверстие, в центральной зоне корпуса смонтировано устройство (далее сердечник), который представляет собой трубу, внутри которой вращается шнековый транспортер, наружная поверхность трубы сердечника покрыта нагревательными элементами; загрузчик представляет собой шнековый транспортер с приемным бункером исходного материала, соединенный через переход с корпусом устройства; выгрузчик также представляет собой шнековый транспортер, соединенный с выходным фланцем конического днища корпуса устройства; корпус устройства покрыт слоем теплоизоляционного материала.
Указанный технический результат достигается за счет использования такой конструкции устройства, которая включает в себя: бункер-накопитель, внутри которого расположен сердечник, совмещающий в себе функцию вертикального перемещения и одновременного нагревания ПЭТ-материала; загрузочного дозирующего устройства; устройства выгрузки.
Согласно изобретению, разогрев ПЭТ-материала производится внутри сердечника, при непрерывном перемешивании. Передача тепла от нагревательного элемента через трубу сердечника передается ПЭТ-материалу прямым контактом, а не через предварительно разогретый поток воздуха.
Достижение технического результата обеспечивается за счет использования специальной конструкции сердечника и конструктивного исполнения его греющей поверхности:
- увеличение КПД технологической линии обеспечивается за счет большей эффективности переноса тепла к аморфному ПЭТ-материалу без посредничества промежуточного агента - воздуха;
- снижается количество тепловых потерь за счет отказа от выносного нагревательного элемента и его обустройства вне бункера-накопителя;
- уменьшается нагрузка на привод перемешивающего устройства в связи с тем, что интенсивное перемешивание требуется только в зоне непосредственного контакта греющей поверхности с аморфным ПЭТ-материалом;
- повышается технологичность устройства для кристаллизации за счет объединения нескольких функций в одном корпусе.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1-2 представлена конструктивная схема устройства для кристаллизации полимерных материалов.
На фиг. 3 представлена схема сердечника устройства для кристаллизации поли мерных материалов.
На фигурах приняты следующие обозначения: корпус - 1, сердечник - 2, загрузчик - 3, выгрузчик - 4, цилиндрическая обечайка - 5, коническое днище - 6, кожух сердечника - 7, крышка - 8, боковой переход днища - 9, выходной фланец - 10, слой теплоизоляции - 11, труба сердечника - 12, нагревательные элементы - 13, шнек сердечника - 14, привод сердечника - 15, отверстия - 16, юбка сердечника - 17, опорный фланец - 18.
Осуществление изобретения
Корпус 1 устройства для кристаллизации полимерных расплавов представляет собой бункер-накопитель в виде цилиндрической обечайки 5 на вертикальных опорах, нижняя часть которой переходит в коническое днище 6 с боковым переходом днища 9 для загрузки аморфного ПЭТ-материала, и центральным отверстием с выходным фланцем 10 для выгрузки кристаллизованного ПЭТ-материала.
Верхняя часть корпуса 1 имеет крышку 8. Плоская крышка 8 корпуса является одновременно удобной площадкой обслуживания привода 15 шнека 14 сердечника. Также в крышке 8 обустроены отверстия для выхода газов и паров, возникающих при разогреве холодного ПЭТ-материала и в процессе кристаллизации.
Внутри обечайки 5 корпуса 1 устройства расположен сердечник 2. Сердечник 2 с нагревательными элементами 13 монтируется (устанавливается) внутри кожуха 7 сердечника. Наличие кожуха обеспечивает защиту от прямого контакта нагревательных элементов 13 и ПЭТ-материала во избежание его налипания и комкования.
Сердечник 2 представляет собой вертикальный шнековый транспортер с верхним приводом 15, наружная поверхность которого покрыта нагревательными элементами 13. В свою очередь, шнековый транспортер состоит из трубы 12 сердечника, внутри которой расположен шнек 14 сердечника. В верхней части трубы 12 сердечника  расположены отверстия 16. В нижней части сердечника 2 производится забор (захват) ПЭТ-материала путем непрерывного вращения винтового шнека 14. На трубе 12 сердечника 2 расположен опорный фланец 18 крепления к кожуху 7 сердечника, воспринимающий всю осевую нагрузку от вертикального перемещения ПЭТ-материала.
Наружная поверхность трубы 12 сердечника 2 покрыта нагревательными элементами 13. Таким образом, труба 12 сердечника 2 является одновременно каналом вертикального перемещения ПЭТ-материала и поверхностью теплопередачи.
В верхней части сердечника, под отверстиями 16 выгрузки из его трубы 12 разогретого ПЭТ-материала, расположена юбка сердечника 17, по которой сырье скатывается к периферии бункера-накопителя под действием центробежной силы и гравитации.
Дозированная подача аморфного сырья производится через переход 9 в нижней части конического днища 6, в непосредственной близости от «забора» (захвата) порции ПЭТ-материала винтовым шнеком, непрерывно вращающимся внутри трубы сердечника 12.
Шнек 14 сердечника за счет вертикального подъема ПЭТ-материала воспринимает осевую нагрузку, работающую на растяжение, что более технологично в отличие от изгибающего момента, возникающего при работе лопастной мешалки.
Оси привода сердечника 15 и ось трубы сердечника 12 совпадают, обеспечивая простоту и надежность передачи крутящего момента.
Устройство дозированной подачи аморфного ПЭТ-материала в корпус 1 устройства (далее загрузчик 3) представляет собой шнековую пару, аналогичную шнеку сердечника 14, но меньшего сечения, расположенную под углом.
Все опорные конструкции кожуха 7 сердечника, для его установки, выполнены таким образом, чтобы исключить наличие застойных зон при перемещении ПЭТ-материала внутри корпуса кристаллизатора 1.
В нижней части конического днища 6, под зоной захвата сырья шнеком  сердечника 14, расположен штуцер выгрузки кристаллизованного гранулята с выходным фланцем 10. Выгрузка из устройства для кристаллизации производится аналогично загрузке - шнековым винтом выгрузчика 4. Отличием является их сечение. Дозирование, добавление аморфного сырья, к уже частично кристаллизованному и находящемуся внутри корпуса 1 устройства, производится непрерывно. В то время, как выгрузка кристаллизованного ПЭТ-материала при периодическом опорожнении корпуса 1 устройства должна производиться с высокой производительностью, обеспечив тем самым минимальный «простой» оборудования. Производительность выгрузчика 4 предполагает приближение к производительности вертикального перемещения ПЭТ-материала сердечником 2.
Вся наружная поверхность корпуса 1 устройства покрыта слоем теплоизоляции 11, обеспечивающим сохранение температурного режима.
Устройство для кристаллизации полимерных материалов работает следующим образом.
Аморфный ПЭТ-материал путем дозированной подачи шнековым загрузчиком 3 подается в нижнюю часть корпуса 1 через боковой переход днища 9, расположенный в коническом днище 6. Внутри корпуса 1 обязательно наличие определенного уровня уже кристаллизованного материала.
Загрузка аморфного сырья производится в непосредственной близости от нижней части сердечника 2, где вновь поступающий материал захватывается (увлекается) подвижным слоем уже частично кристаллизованного ПЭТ-материала. Подвижность (текучесть) слоя обеспечивается непрерывным захватом шнеком 14 сердечника порций ПЭТ-материала из нижней части корпуса 1 и его вертикальным перемещением внутри трубы 12 сердечника с последующим выбросом через отверстия 16. Равномерное распределение ПЭТ-материала от центра к периферии корпуса 1 происходит под действием центробежной силы и юбки 17 сердечника.
Таким образом, перемешивание всей массы ПЭТ-материала производится непрерывным вертикальным перемещением внутри сердечника 2 и последующим падением внутри корпуса 1 под действием силы тяжести (гравитации).
Перемещаясь по вертикали смесь аморфного ПЭТ-материала с частично кристаллизованным нагревается от трубы сердечника 12 на наружную поверхность которого закреплены нагревательные элементы 13.
Непрерывное вращение шнека 14 сердечника внутри трубы 12 сердечника обеспечивает равномерное перемешивание и исключает налипание и комкование ПЭТ-материала в процессе кристаллизации.
При заполнении корпуса 1 устройства заданным объемом ПЭТ-материала работа сердечника 2 (вертикальное перемещение и разогрев ПЭТ-материала) продолжается на протяжении времени, предусмотренного технологическим процессом и необходимого для полной кристаллизации исходного сырья.
При достижении выдержки по времени, определяемой технологией, производится остановка привода 15 сердечника и включение в работу выгрузчика 4. Технология кристаллизации ПЭТ-материала предусматривает наличие остатка кристаллизованного материала внутри корпуса 1, поэтому выгрузка производится до достижения регламентированного остаточного уровня, необходимого для безаварийного запуска процесса кристаллизации при следующем запуске цикла.
Следующий цикл работы устройства для кристаллизации полимерных материалов начинается с запуска работы сердечника 2, и только потом загрузчика 3.
Отличительные признаки
Заявленное устройство для кристаллизации полимерных материалов отличается от известных устройств тем, что имеет такую конструкцию, в составе которой есть сердечник 2, выполняющий две главные функции любого кристаллизатора одновременно, а именно перемешивание и нагрев.
Отличительной особенность работы сердечника 2 от вертикальной лопастной мешалки является непрерывный захват и вертикальное перемещение части материала, а не одновременное перемешивание всего объема с образованием горизонтального расслоения по стадиям кристаллизации. Как следствие, значительно снижается нагрузка на привод.
Кроме вышесказанного, отличительной особенностью устройства является упрощение конструкции, отсутствие внешних дополнительных устройств, обеспечивающих разогрев агента переноса тепла (воздуха) к аморфному ПЭТ-материалу, его рециркуляцию и промежуточную сепарацию твердых выносимых частиц под действием его потока. Это сделало возможным значительно сократить не только площадь, занимаемую технологическим оборудованием, но и тепловые потери.
Таким образом, главными преимуществами нового устройства для кристаллизации полимерных материалов является значительное снижение энергозатрат на процесс кристаллизации, увеличение надежности и ресурса привода перемешивающего устройства, отказ от дополнительного оборудования, необходимого для рециркуляции агента переноса тепла - воздуха.
Также отличительной особенностью устройства для кристаллизации является отсутствие опорной решетки для удержания гранул и прохождения теплового агента (воздуха), что дало возможность работы с ПЭТ-материалом различного состава и запыленности, без использования дополнительных мероприятий по предотвращению уноса мелких частиц и пыли вместе с воздухом, дополнительно увеличив полезный объем загрузки устройства кристаллизации.
При использовании новой конструкции устройства для кристаллизации полностью исключается зависимость всего технологического процесса от необходимости контроля гранулометрического состава исходного аморфного сырья.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного устройства, не известна из уровня техники и значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».
В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявляемого устройства в полимерной промышленности, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».