СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА И СУСПЕНЗИИ ПРИ ПРОТЕКАНИИ ГИПСОВОЙ СУСПЕНЗИИ
METHOD AND DEVICE FOR MINIMISING AIR SEPARATION AND SUSPENSION DURING FLOW OF GYPSUM SUSPENSION

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения продуктов на основе гипса (то есть продуктов, содержащих дигидрат сульфата кальция) из исходных материалов, содержащих обожженный гипс (то есть полугидрат или ангидрит сульфата кальция) и воду. Более конкретно, настоящее изобретение относится к улучшенному способу и устройству для применения совместно со смесителем для суспензии, который обычно используют при подаче перемешиваемой гипсовой суспензии на производственную линию по изготовлению стеновых плит. Настоящее устройство обеспечивает улучшенный трубопровод, идущий от смесителя, который минимизирует разделение воздуха и суспензии при протекании гипсовой суспензии через трубопровод к выходному отверстию.
Хорошо известно получение продуктов на основе гипса путем равномерного диспергирования обожженного гипса в воде с получением суспензии и последующего формования полученной суспензии в требуемой форме или на поверхности и схватывания суспензии с получением затвердевшего гипса посредством реакции обожженного гипса (полугидрита или ангидрита сульфата кальция) с водой с получением гидратированного гипса (дигидрата сульфата кальция). Также хорошо известно получение легкого продукта на основе гипса путем равномерного примешивания водной пены в суспензию с образованием пузырьков воздуха. Такой способ позволяет получить равномерное распределение пустот в схваченном продукте на основе гипса, если пузырьки не улетучиваются из суспензии до затвердевания гипса. Пустоты снижают плотность готового продукта, который часто называют "вспененным гипсом".
Известные устройства и способы решения некоторых из эксплуатационных проблем, связанных с производством вспененного гипса, описаны в принадлежащих одному и тому же правообладателю патентах США №№5683635, 5643510, 6494609 и 6874930, которые включены в настоящую заявку посредством ссылки. В общем, настоящее изобретение относится к применению вспененного гипса при производстве гипсовых стеновых плит.
Смеситель для изготовления гипсовых стеновых плит обычно включает корпус, ограничивающий смесительную камеру, с входными отверстиями для приема обожженного гипса и воды, наряду с другими добавками, хорошо известными в данной области техники. Смеситель содержит лопастное колесо или мешалку другого типа для перемешивания содержимого, которое необходимо перемешать для получения смеси или суспензии. Такие смесители обычно содержат прямоугольную разгрузочную заслонку или прорезь с запирающим модулем или дверцей. Разгрузочные заслонки регулируют поток суспензии из смесителя, и трудно регулировать изменение течения суспензии при изменении требований к продукту, например, когда требуется изготовить более толстую или более тонкую стеновую плиту.
Было обнаружено, что перед выходом суспензии из выходного отверстия трубопровода желательно уменьшить давление суспензии в трубопроводе для избежания нарушения распределения предварительно поданной суспензии в производственной линии для изготовления стеновых плит. Такое понижение давления осуществляют путем обеспечения одного или более изменений направления трубопровода на участке между смесителем и выходным отверстием трубопровода, например, путем обеспечения одного или более колен или изгибов вдоль длины трубопровода и также путем увеличения поперечного сечения потока суспензии в трубопроводе при одновременном изменении направления потока. В известных конструкциях, увеличение потока и изменение направления потока происходят одновременно в башмаке, который представляет собой колено под углом 90 градусов с увеличивающимся диаметром по всему 90-градусному изгибу колена.
Когда аддитивная смесь суспензии с пеной такова, что содержание воздуха достигает или превышает 40%, при прохождении потока смеси через колено с расширяющимся диаметром происходит значительное и нежелательное отделение воздуха от суспензии.
Таким образом, в данной области техники можно было бы добиться улучшения, если бы существовали способ и устройство, которые позволили бы уменьшить давление потока суспензии посредством изменения направления трубопровода и увеличения диаметра потока при снижении степени отделения воздуха от суспензии в трубопроводе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как неожиданно обнаружили авторы настоящего изобретения, изменение направления течения потока при одновременном увеличении поперечного сечения потока вызывает большее отделение воздуха от суспензии, чем если изменение направления потока и увеличение поперечного сечения потока происходят в разное время и в разных местах.
Соответственно, неожиданное улучшение обеспечивают с помощью настоящего устройства и способа, в котором трубопровод используют для выгрузки суспензии из смесителя, в котором происходит как изменение направления потока в трубопроводе, так и увеличение поперечного сечения потока, но в разное время и в разных местах.
Согласно одному из вариантов реализации изобретения, способ обеспечения равномерно перемешанной улучшенной добавками гипсовой суспензии на полотне включает подачу обожженного гипса и воды в смесительную камеру смесителя через по меньшей мере одно входное отверстие указанной камеры, перемешивание содержимого смесительной камеры с получением суспензии, содержащей водную дисперсию обожженного гипса, пропускание суспензии из выходного отверстия смесителя в устройство для подачи суспензии, содержащее трубопровод, введение в суспензию добавки в месте, расположенном в устройстве для подачи суспензии вдоль длины трубопровода, для обеспечения потока суспензии/аддитивной смеси через трубопровод и расширение поперечного сечения потока в трубопроводе без изменения направления потока и изменение направления потока без расширения поперечного сечения потока и трубопровода перед выходом потока из выходного отверстия трубопровода.
Согласно еще одному варианту реализации изобретения, устройство выполнено с возможностью соединения со смесителем для приема гипсовой суспензии, содержащим трубопровод, имеющий главное входное отверстие, сообщающееся посредством суспензии с выходным отверстием смесителя, и проходящий в направлении вниз по потоку к желобу для выгрузки суспензии, при этом указанный трубопровод обеспечивает путь движения для потока суспензии, по меньшей мере один изгиб в трубопроводе для изменения направления потока на участке между главным входным отверстием и желобом, причем поперечное сечение потока не расширяется в изгибе, и по меньшей мере одну расширяющуюся секцию в трубопроводе для расширения поперечного сечения потока на участке между главным входным отверстием и желобом, при этом направление потока не изменяется в указанной по меньшей мере одной расширяющейся секции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Особенности настоящего изобретения, которые, как полагают, являются новыми, подробно изложены в прилагаемой формуле изобретения. Настоящее изобретение, вместе с дополнительными предметами и преимуществами, может быть лучше понято со ссылкой на следующее описание в сочетании с прилагаемыми чертежами, приведенными на нескольких фигурах, на которых одинаковые позиционные номера обозначают одинаковые элементы и где:
Фиг.1 представляет собой фрагментарный схематический вид сверху смесительного устройства, включающего признаки изобретения.
Фиг.2 представляет собой вид сбоку первого варианта реализации устройства для понижения давления, приведенного на фиг.1, показанный отдельно.
Фиг.3 представляет собой вид сбоку второго варианта реализации устройства для понижения давления, приведенного на фиг.1, показанный отдельно.
Фиг.4 представляет собой фрагментарный схематический вид сверху альтернативного варианта реализации смесительного устройства, приведенного на фиг.1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обратимся теперь к фиг.1, смесительное устройство для перемешивания и дозирования суспензии, в целом, обозначено номером 10 и включает смеситель 12 с корпусом 14, выполненный с возможностью приема и перемешивания суспензии. Корпус 14 ограничивает смесительную камеру 16, которая предпочтительно имеет цилиндрическую форму и обычно содержит вертикальную ось 18 и верхнюю радиальную стенку 20, нижнюю радиальную стенку 22 и кольцевую периферийную стенку 24. Входное отверстие 26 для обожженного гипса и входное отверстие 28 для воды оба расположены в верхней радиальной стенке 20 вблизи вертикальной оси 18. Следует понимать, что входные отверстия 26, 28 соединены с емкостями для подачи гипса и воды, соответственно (не показано), так что гипс и воду можно загрузить в смесительную камеру 16 с помощью простой гравитационной подачи. Кроме того, как хорошо известно в данной области техники, наряду с гипсом и водой через указанные или другие входные отверстия, расположенные подобным образом, можно также подавать другие материалы или добавки, часто используемые в суспензиях для получения продуктов на основе гипса (например, ускорители схватывания, замедлители схватывания, наполнители, крахмал, связующие вещества, усилители и т.п.).
Мешалка 30 расположена в смесительной камере 16, имеет, в общем, вертикальный приводной вал 32, расположенный концентрически с вертикальной осью 18, и проходит через верхнюю радиальную стенку 20. Вал 32 соединен с обычным источником движения, таким как мотор, для вращения вала при любой скорости, подходящей для приведения в движение мешалки 30 и перемешивания содержимого смесительной камеры 16. Общепринятыми являются скорости в диапазоне от 275 до 300 об./мин. В целом, такое вращение позволяет направить образующуюся водную суспензию в центробежном направлении, например, против часовой стрелки наружу по спирали, как указано стрелкой А. Следует понимать, что такое изображение мешалки является сравнительно упрощенным и только указывает на основные принципы работы мешалок, обычно используемых в смесительных камерах для гипсовой суспензии, известных в данной области техники. В изобретении предусмотрены и альтернативные конструкции мешалок, в том числе конструкции, в которых используют штифты или лопасти.
Выходное отверстие 34, также называемое выходным отверстием смесителя, разгрузочной заслонкой или прорезью, находится на периферийной стенке 24 и предназначено для выгрузки порции, содержащей больше чем половину хорошо перемешанной суспензии, в устройство, в общем называемое в настоящей заявке смешивающим и дозирующим устройством 36. В то время как обычные выходные отверстия, как правило, являются прямоугольными в поперечном сечении, настоящее выходное отверстие 34 предпочтительно имеет круглое поперечное сечение, однако рассматриваются и другие формы, в зависимости от практического применения. Кроме того, хотя предполагают, что конкретная конфигурация смесителя 12 может меняться, предпочтительно, чтобы настоящий смеситель был центробежного типа, обычно используемого при производстве гипсовой стеновой плиты, и также типа, в котором через выходное отверстие 34 суспензия подается по касательной относительно корпуса 14. В то время как общепринятые смесители, как правило, оборудованы запирающим модулем, расположенным у выходного отверстия 34, для механического регулирования потока суспензии в зависимости от нужной толщины стеновой плиты, обычно составляющей от 1/4″ до 1″, было обнаружено, что такой модуль часто представляет собой место для преждевременного схватывания гипса, что приводит к накоплению суспензии и возможному засорению и поломке производственной линии.
Смешивающее и дозирующее устройство 36 включает удлиненную, предпочтительно, цилиндрическую трубу или трубопровод 38, имеющий главное входное отверстие 39, сообщающееся за счет приема суспензии с выходным отверстием смесителя 34, и имеет входное отверстие 40 для внесения добавок после по существу перемешивания суспензии, например, ниппель для введения водной пены или другой необходимой добавки, например, замедлителей схватывания, ускорителей схватывания, диспергирующих агентов, крахмала, связующих веществ и продуктов, усиливающих прочность, например, полифосфатов, обычно триметафосфата натрия, которые все известны в области изготовления стеновых плит. Предпочтительно, чтобы когда такой добавкой является пена, она была равномерно перемешана в суспензии, но не подвергалась чрезмерному встряхиванию настолько, чтобы разрушиться. По существу, пену обычно вводят во входное отверстие 40 для внесения добавок, расположенное сразу же после или ниже выходного отверстия 34 и главного входного отверстия 39, но все же вблизи указанных отверстий 34 и 39 для увеличения времени перемешивания с суспензией. Однако, в зависимости от конкретного практического применения, предполагают, что добавку, такую как пена, можно ввести и в других местах вдоль устройства 36.
Предпочтительно, что длина смешивающего и дозирующего устройства 36 составляет по меньшей мере 48 дюймов (120 см), однако предполагают, что указанную длину можно менять в зависимости от конкретного практического применения и ограничений, действующих на конкретной производственной линии по изготовлению гипсовых стеновых плит. Увеличение длины смешивающего и дозирующего устройства 36 желательно с точки зрения обеспечения времени, необходимого для равномерного перемешивания пены с суспензией на участке от места введения добавки до места дозирования суспензии на формирующуюся поверхность стеновой плиты, например полотна из облицовочной бумаги или на предварительно нанесенный слой сравнительно менее плотного гипсовой суспензии, также нанесенной на полотно из облицовочной бумаги. Поскольку предпочтительным применением для настоящего изобретения является производственная линия для изготовления гипсовых стеновых плит, гипсовую суспензию с добавками обычно подают или выгружают на такое полотно.
1
2
Особенность настоящего смесительного устройства 10 состоит в том, что трубопровод 38 размещен с возможностью сообщения по текучей среде с выходным отверстием 34, расположенным выше по потоку относительно места введения пены через входное отверстие 40, и включает разгрузочный желоб 42 для дозирования суспензии на полотно, как описано выше. Трубопровод 38 предпочтительно представляет собой гибкий шланг из резины или резиноподобного материала (хотя предусмотрены и жесткие трубопроводы) и имеет достаточную длину для обеспечения дополнительного времени, необходимого для более равномерного перемешивания пены или другой добавки в суспензии. Несмотря на то, что также предусмотрены и жесткие трубопроводы, наилучшие результаты были получены при применении шлангов, вдвойне укрепленных для избежания перекручивания и, предпочтительно, имеющих гладкую внутреннюю поверхность с размером внутреннего диаметра в диапазоне от 1/ до 3 дюймов (3,75-7,5 см). Предполагают, что для практического применения также подходят другие диаметры. В настоящем изобретении, сравнительно жесткая часть 44 входного отверстия для внесения добавок, содержащая входной ниппель 40, предпочтительно составляет приблизительно от 6 до 24 дюймов (15-60 см), и вместе с трубопроводом, представляющим собой кусок предпочтительно гибкого шланга, имеет суммарную длину по меньшей мере приблизительно от 50 до 168 дюймов (125-420 см), хотя предусмотрены и более длинные длины, например, при необходимости повышения времени пребывания суспензии для более полного перемешивания. Предполагают, что при некоторых практических применениях, указанная часть 44 входного отверстия для внесения добавок также выполнена из гибкого, резиноподобного материала и имеет форму шланга. Когда часть 44 входного отверстия для внесения добавок и трубопровод 38 изготовлены из различных материалов, их соединяют друг с другом с помощью клеев, зажимов, ультразвуковой сварки или других известных методов крепления таким образом, чтобы обеспечить плавный переход и минимизировать внутренние препятствия, которые могли бы стать местом накопления и преждевременного схватывания суспензии.
Недостаток общепринятых смесительных устройств для гипсовой суспензии состоит в том, что для понижения давления суспензии после разгрузочной заслонки часто используют контейнер. Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы удалить контейнер и устранить присущие ему проблемы. Соответственно, настоящее смешивающее и дозирующее устройство 36 выполнено с возможностью поддержания, в общем, равномерного потока суспензии от главного входного отверстия 39 к разгрузочному желобу 42 без применения разрушителя потока, похожего на прежние контейнеры. Достаточное перемешивание добавки с суспензией происходит без необходимости в какой-либо дополнительной энергии или силе, прилагаемой к суспензии или добавке в трубопроводе 38, через который они проходят. Такая конструкция отличается от недетерминированной природы потока через прежние контейнеры, в которых часто происходило неравномерное перемешивание добавок и суспензии.
Эластичность настоящего смешивающего и дозирующего устройства 36, и в частности, трубопровода 38, позволяет получать спиральные или змеевидные конфигурации, которые увеличивают длину смесительной камеры 16, и таким образом, повышают время пребывания, в течение которого можно завершить перемешивание пены и/или другой добавки с суспензией без необходимости использования более длинной производственной линии. В отличие от обычных смесительных устройств, используемых для изготовления стеновых плит, в настоящем изобретении трубопровод 38 смешивающего и дозирующего устройства 36 непосредственно связан с частью 44 заслонки, и, в конечном счете, с выходным отверстием 34, без размещения между ними таких устройств, как контейнер. Кроме того, предпочтительно гибкая конструкция по меньшей мере части трубопровода 38 позволяет уменьшить склонность к преждевременному отверждению гипса во внутренней части и нежелательному засорению.
Еще одной особенностью, предоставляемой в некоторых вариантах реализации настоящего смесительного устройства 10, является по меньшей мере один ограничитель трубопровода или ограничитель потока 46, связанный со смешивающим и дозирующим устройством 36 и предназначенный для создания противодавления в заслонке и, в конечном счете, в смесительной камере 16, для регулирования потока суспензии из желоба 42 и для по меньшей мере снижения и, в общем, предотвращения накапливания суспензии в заслонке и смесителе. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, ограничитель 46 представляет собой устройство такого типа, которое прикладывает равномерно распределенную, круговую или концентрическую сжимающую силу на гибкий трубопровод 38. Кроме того, предпочтительный ограничитель 46 прикладывает свою сжимающую силу на наружную часть трубопровода 38, так что внутренний проход трубопровода не заблокирован деталями клапана.
Предпочтительный ограничитель 46 представляет собой динамически регулируемый клапан, то есть его можно регулировать, когда смеситель 12 находится в работе и суспензия выходит из желоба 42, при этом указанный ограничитель выбран из группы, состоящей из запорных клапанов, мышечных клапанов, концентрических клапанов, клапанов диафрагмирования и дроссельных клапанов. При некоторых применениях в условиях низкого давления, также подходят простые зажимы для шланга. В качестве ограничителя 46 для снижения объема дозируемой суспензии и для создания противодавления предполагают использовать переход между шлангом большего диаметра к сечению шланга меньшего диаметра. Для наилучших результатов, клапан 46 размещают на трубопроводе 38 около желоба 42, что позволяет наиболее эффективного использовать длину трубопровода для полного перемешивания пены в суспензии, однако рассматриваются и другие местоположения, удаленные от желоба, в зависимости от практического применения.
Обратимся теперь к фиг. 1-3, дополнительной особенностью настоящего смесительного устройства 10 является устройство для понижения давления или редуктор давления, показанный, в общем, под номером 50, расположенный в смешивающем и дозирующем устройстве 36 и предназначенный для понижения давления или силы, под действием которой суспензия выходит из желоба 42. Обычный смеситель 12 такого типа, применяемый с настоящим изобретением, за счет соответственно высокой силы или давления придает суспензии скорость в диапазоне приблизительно от 700 до 2200 фут/мин, измеряемую у разгрузочной заслонки или выходного отверстия 34. Если указанная сила или давление значительно не уменьшится, такая сила выхода из желоба 42 нарушит распределение нанесенного ранее суспензии, что вызовет описанный выше "размыв" и приведет к получению неровной стеновой плиты. Таким образом, необходим такой редуктор давления 50, чтобы выгрузка из желоба 42 происходила приемлемо медленно и равномерно.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, редуктор давления 50 размещен в тесной связи с желобом 42 и, в общем, ограничивает по меньшей мере один и возможно два или более изгибов 52, 54 в трубопроводе 38. Каждый из изгибов может составлять от 30 до 90 градусов, и радиус изгибов может быть сравнительно небольшим, например, не больше чем диаметр трубопровода. Задача изгибов 52, 54 заключается в том, чтобы заставить поток суспензии в трубопроводе 38 сделать перед выходом из желоба 42 по меньшей мере одно и возможно по меньшей мере два отклонения (причем отклонения могут быть под прямым углом). Было установлено, что очень важно, чтобы диаметр трубопровода в изгибах был постоянным и не расширялся. Каждое последующее отклонение будет дополнительно уменьшать выходное давление суспензии, измеряемое у желоба 42. Также было обнаружено, что установка трубопровода 38 таким образом, чтобы он содержал выступающую вверх часть, создает гравитационные силы, понижающие давление суспензии.
Как видно на фиг.2 и 3, редуктор давления 50 также включает расширяющуюся часть 60, в которой площадь поперечного сечения потока суспензии увеличивается при прохождении указанного потока через такую расширяющуюся часть. Важно, чтобы в этой части редуктора давления направление движения потока не изменялось или по меньшей мере, чтобы оно не изменялось значительно или внезапно.
На фиг.2 отдельно показан первый вариант реализации редуктора давления 50, в котором изгиб 54 находится перед расширяющейся частью 60 в направлении потока. Согласно этому варианту реализации изобретения, изгиб 54 расположен выше по потоку относительно расширяющейся части 60. На фиг.3 отдельно показан второй вариант реализации редуктора давления 50 и показана расширяющаяся часть 60, находящаяся перед изгибом 54 в направлении потока. То есть, расширяющаяся часть 60 расположена выше по потоку относительно изгиба 54.
Обратимся теперь к фиг.4, альтернативный вариант реализации смесительного устройства 10 обозначен номером 100. Компоненты устройства 100, которые являются общими с устройством 10, обозначены одинаковыми позиционными номерами. Главная отличительная особенность устройства 100 состоит в том, что входное отверстие для внесения добавок сдвинуто относительно его прежнего положения 40 около выходного отверстия смесителя 34 и предпочтительно выполнено в форме модуля 64 для инжекции пены. Указанный модуль 64 расположен ниже по потоку относительно клапана 46 или между клапаном и желобом 42. Цель такого размещения состоит в том, чтобы устранить возможность, при некоторых практических применениях, использования пенных добавок в избыточных количествах или преждевременного разрушения пенных добавок после наложения противодавления с помощью ограничителя 46 трубопровода.
При введении пены после создания противодавления с помощью ограничителя 46 трубопровода, разрушительные силы, действующие на пену, будут уменьшены. Однако, чтобы добиться равномерного распределения пены или другой добавки в суспензии на участке между ограничителем 46 и желобом 42, длина трубопровода 38 в этой области должна быть достаточной, чтобы обеспечить требуемое время смешивания, иначе известное как длина перемещения суспензии, достаточное для удовлетворительного перемешивания пены или другой добавки в суспензии. Длина трубопровода 38 в этой области будет варьировать в зависимости от практического применения.
При работе, можно видеть, что предложена система для нанесения равномерно перемешанной суспензии на полотно, включающая подачу обожженного гипса и воды в смесительную камеру 16 через одно или более входных отверстий 26, 28 смесительной камеры, перемешивание содержимого смесительной камеры с получением водной дисперсии обожженного гипса, выход перемешанного содержимого из выходного отверстия 34 смесителя 12, пропускание перемешанного содержимого в главное входное отверстие 39 смешивающего и дозирующего устройства 36, 36а-е, введение водной пены в смесь у заслонки, предпочтительно, через входной ниппель 40, воздействие противодавления на смесь в заслонке путем сжатия участка смеси, выходящего из гибкого трубопровода 38, 38а-е заслонки, при этом противодавление создают путем сдавливания трубопровода 38, например, с помощью клапана 46, и регулирование давления суспензии и добавки, дозируемой из желоба 42, 42с, 42е, например, с помощью редуктора давления 50 в его различных конфигурациях. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, давление суспензии снижается вследствие вынужденного изменения направления приблизительно на 90 градусов по меньшей мере один раз и возможно два раза или более. Площадь поперечного сечения потока суспензии также увеличивается, когда поток движется через трубопровод, однако изменение направления потока и расширение поперечного сечения потока должны происходить в разное время и в разных местах вдоль трубопровода.
Где это возможно, гибкий трубопровод 38 проходит, как правило, непосредственно вниз по линии по производству плит. Предполагают, что трубопровод 38 может линейно проходить по меньшей мере на 60 дюймов (150 см) вдоль смесителя 12. Преимущества улучшенного перемешивания пены/суспензии, достигаемого с помощью настоящего изобретения, включают: снижение и/или устранение пузырей в плите; однородность плиты, доведение до улучшенной прочности; и потенциальное снижение количества воды при изготовлении плиты, что в свою очередь приведет к экономии энергии в обжиговой печи или увеличению производительности линии.
Хотя были показаны и описаны конкретные варианты реализации трубопровода для суспензии согласно настоящему изобретению, как будет понятно специалистам в данной области техники, в них могут быть сделаны изменения и модификации без отступления от изобретения в его более широких аспектах и, как изложено в следующей формулой изобретения.