close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15259

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
B 29B 07/14
(2006.01)
СМЕСИТЕЛЬНАЯ И МЕСИТЕЛЬНАЯ МАШИНА
ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ,
А ТАКЖЕ СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО
ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ
СМЕСИТЕЛЬНОЙ И МЕСИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ
(21) Номер заявки: a 20080953
(22) 2008.07.18
(31) 01185/07 (32) 2007.07.25 (33) CH
(43) 2010.02.28
(71) Заявитель: Бусс АГ (CH)
(72) Авторы: ГРЮТТЕР, Хайни; ЗИЕГЕНТХАЛЕР, Ханс-Ульрих (CH)
BY 15259 C1 2011.12.30
BY (11) 15259
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Бусс АГ (CH)
(56) GB 979364, 1965.
US 3219320, 1965.
US 3873072, 1975.
CH 278575, 1952.
US 3841611, 1974.
SU 659178, 1979.
(57)
1. Смесительно-месительная машина (1) для приготовления сыпучеобразной или пластичной и/или пастообразной массы, содержащая вращающийся в корпусе (2) и одновременно поступательно перемещающийся в осевом направлении шнековый вал (3) со
шнековыми лопастями (4), отличающаяся тем, что отношение наружного диаметра шнекового вала Da к внутреннему диаметру шнекового вала Di составляет от 1,5 до 2,0, отношение наружного диаметра шнекового вала Da к длине его хода H составляет от 4 до 6 и
отношение шага T шнекового вала к длине его хода H составляет от 1,3 до 2,5.
2. Машина (1) по п. 1, отличающаяся тем, что скорость вращения шнекового вала (3)
составляет более 500 об/мин, в частности более 800 об/мин.
3. Машина (1) по п. 1, отличающаяся тем, что корпус (2) содержит несколько зон,
расположенных друг за другом в направлении транспортировки, образующих рабочую
полость (6).
4. Машина (1) по п. 3, отличающаяся тем, что рабочая полость (6) образована зонами
загрузки (8), плавления (9), смесительной и диспергирующей зоной (10), а также зоной
дегазации (11).
Фиг. 1
BY 15259 C1 2011.12.30
5. Машина (1) по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что скорость вращения шнекового
вала (3) таким образом выбрана в соответствии с длиной рабочей полости (6), что время
пребывания в машине (1) приготавливаемой массы составляет от 1 до 20 с.
6. Машина (1) по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что шнековые лопасти (4) установлены в соответствии с длиной рабочей полости (6) под наклоном таким образом, что время пребывания в машине (1) приготавливаемой массы при скорости вращения шнекового
вала (3) свыше 500 об/мин составляет максимально 20 с.
7. Машина (1) по п. 3, отличающаяся тем, что содержит укрепленные на корпусе (2)
месительные штифты (5) с возможностью их вдавливания вовнутрь рабочей полости (6).
8. Машина (1) по п. 7, отличающаяся тем, что основные поверхности шнековых лопастей (4) и/или месительных штифтов (5), по крайней мере, частично выполнены как поверхности свободной формы.
9. Машина (1) по п. 8, отличающаяся тем, что трехмерная геометрия основных поверхностей шнековых лопастей (4) и/или месительных штифтов (5) выполнена, по крайней мере, частично так, что ни одна их точка не является естественной начальной точкой.
10. Способ приготовления сыпучеобразной или пластичной и/или пастообразной массы в смесительно-месительной машине (1) по п. 1, заключающийся в том, что в соответствующих зонах рабочей полости (6) машины (1) осуществляют операции загрузки,
плавления, смешивания, диспергирования, а также дегазации, при этом обеспечивают
скорость вращения шнекового вала более 500 об/мин, в частности более 800 об/мин, при
наклоне шнековых лопастей (4), приведенном в соответствие с длиной рабочей полости
(6) таким образом, что время пребывания в машине (1) приготавливаемой массы составляет максимально 20 с при скорости вращения шнекового вала более 500 об/мин.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что скорость вращения шнекового вала выбирают таким образом, что время пребывания в машине (1) приготавливаемой массы составляет от 1 до 20 с.
Изобретение касается смесительной и месительной машины для непрерывного процесса
приготовления с вращающимся в корпусе и одновременно поступательно движущимся
шнековым валом. Далее изобретение касается способа осуществления непрерывного процесса приготовления посредством смесительной и месительной машины, выполненной согласно пункту 1 патентной формулы.
Смесительные и месительные машины, о которых здесь идет речь, применяются в частности для приготовления сыпучеобразных (порошки, грануляты, хлопья и т.д.), пластичных
и/или пастообразных масс. Например, они служат для обработки вязкопластичных масс,
гомогенизирования и пластифицирования пластмасс, включения наполнителей и усилителей и для изготовления исходных материалов для пищевой, химической, фармацевтической
и алюминиевой промышленности. При этом часто интегрируются и непрерывные процессы
дегазации, смешивания и расширения. В отдельных случаях смесительные и месительные
машины используются и как реакторы.
Рабочий орган смесительной и месительной машины выполнен обычно как так называемый шнековый вал, который транспортирует обрабатываемый материал в осевом
направлении вперед.
В обычных смесительных и месительных машинах рабочий орган выполняет лишь
вращательное движение. Наряду с ними известны, однако, и смесительные и месительные
машины, в которых рабочий орган вращается и одновременно двигается поступательно.
Процесс движения рабочего органа отличается при этом особенно тем, что главный вал
выполняет накладываемое на вращение синусоидальное движение. Этот процесс движения позволяет установка со стороны корпуса встроенных элементов, так называемых месительных штифтов или зубьев. Изогнутая лопасть шнекового вала для этого прерывается,
2
BY 15259 C1 2011.12.30
так что образуются отдельные месительные или шнековые лопасти. Шнековые лопасти,
расположенные на главном валу, и встроенные со стороны корпуса элементы входят в зацепление и создают таким образом желаемые функции сдвига, смешивания и разминания
в различных зонах процесса. Такого рода смесительные и месительные машины названного последним типа специалистам известны в частности под понятием Buss Ko-Kneter®.
Известны смесительные и месительные машины упомянутого выше типа, у которых
диаметр шнекового вала составляет до 700 мм. Соответствующая пропускная способность
материала зависит при этом, в частности, от диаметра вала шнека, при этом отношение
наружного диаметра вала шнека (Da) к внутреннему диаметру вала шнека (Di) Da/Di
обычно составляет около 1,5, а отношение наружного диаметра вала шнека (Da) к длине
хода (поступательная составляющая движения) (H) Da/H составляет примерно 6,7 и отношение шага (осевое расстояние между лопастями шнека) (T) к длине хода (H) T/H лежит в
области 2. В зависимости от величины смесительной и месительной машины работают с
числом оборотов от 5 до 500 1/мин.
Расчет смесительных и месительных машин происходит обычно по принципу геометрического подобия. Геометрическое подобие возникает, если отношения Da/Di, Da/H и
T/H постоянны независимо от величины.
Решающими факторами для диспергируемого, смешиваемого и гомогенизируемого
материала обрабатываемого продукта являются температура плавления, время пребывания продукта в рабочей полости машины, скорость сдвига и число циклов сдвига в заполненных расплавом шнековом канале - рабочей полости.
Для многих процессов справедливо, что смешиваемый, диспергируемый и гомогенизируемый материал тем выше дает результат, чем лучше расположенные друг за другом
технологические зоны, такие как зоны загрузки, расплавления, смешивания и диспергирования, и дегазации относительно емкости транспортера, уровня скорости сдвига и степени
заполнения согласованы друг с другом. При сегодняшнем уровне техники смешивания и
разминания в стандартных процессах приготовления средняя скорость сдвига в зоне плавления обычно составляет от 15 до 150 1/сек и среднее время пребывания продукта во всей
шнековой зоне - от 30 до 600 сек. В обычных смесительных и месительных машинах
средние скорости сдвига ограничены сверху числом оборотов (скоростью вращения) шнека и отношением Da/Di. При возрастающей скорости сдвига возрастают, однако, и удельные значения ввода энергии, что может привести к неприемлемо высоким температурам
плавления. Вместе с большим временем пребывания продукта в смесительной и месительной машине это может привести к снижающим качество повреждениям продукта, так,
например, в отношении термического расщепления или/и поперечной сливки.
В основе изобретения лежит задача усовершенствования приведенной в ограничительной части первого пункта патентной формулы смесительной и месительной машины
таким образом, чтобы можно было увеличить ее коэффициент полезного действия в отношении пропускной способности в единицу времени, без существенного снижения качества обработанного продукта.
Эта задача решается смесительной и месительной машиной, имеющей признаки, приведенные в отличительной части первого пункта патентной формулы.
Благодаря тому, что геометрия смесительной и месительной машины выбрана так, что
отношение наружного диаметра вала шнека Da к внутреннему диаметру вала шнека Di
составляет от 1,5 до 2,0, отношение Da/H наружного диаметра вала шнека Da к длине хода
H шнекового вала составляет от 4 до 6 и отношение T/H шага T шнекового вала к длине
его хода H составляет от 1,3 до 2,5, достигается основная предпосылка для оптимального
коэффициента полезного действия машины в отношении максимальной пропускной способности. Смесительная и месительная машина, выполненная с определенной геометрией,
пригодна наиболее предпочтительным образом для того, чтобы работать со скоростью
3
BY 15259 C1 2011.12.30
вращения свыше 500 оборотов/мин. Само собой разумеется, что с повышением числа оборотов в принципе может повышаться и пропускная способность.
Благодаря определенной геометрии к тому же обеспечивается то, что зоны процесса, расположенные в осевом направлении друг за другом, в особенности загрузочная
зона, зона плавления, смесительная или смесительные зоны, как и зона дегазации, могут быть согласованы относительно емкости транспортера, уровня скорости сдвига и
степени заполнения оптимально друг с другом, так что могут быть реализованы повышающие качество средние области скорости сдвига при одновременном сокращении
продолжительности воздействия максимальных температур в продукте.
С выбранными, согласно изобретению, геометрическими формами смесительная и месительная машина может работать непосредственно с высокой скоростью вращения шнека, благодаря чему может достигаться высокая пропускная способность без недопустимо
высокого удельного ввода энергии.
Предпочтительные усовершенствования смесительной и месительной машины приведены в зависимых пунктах патентной формулы с 2 по 9.
Другая задача изобретения состоит в том, чтобы предложить способ для осуществления непрерывного процесса приготовления посредством выполненной согласно пункту 1
патентной формулы смесительной и месительной машины, с помощью которого можно
повысить пропускную способность материала в единицу времени.
Для решения этой задачи согласно отличительным признаком пункта 10 патентной
формулы предлагается приводить в движение вал шнека со скоростью вращения более
500 об/мин, в частности более 800 об/мин.
Благодаря увеличению числа оборотов шнекового вала к тому же возможно экстремально сократить среднее время пребывания продукта в машине, что определено в пункте
10 патентной формулы.
Малое время пребывания продукта от 1 до 20 сек, следующее из высоких чисел оборотов шнека и высокой пропускной способности, уменьшает одновременно склонность к
термическому расщеплению или поперечной сшивке продукта.
Выполнение смесительной и месительной машины, согласно изобретению, открывает
другие области применения.
Далее изобретение подробно поясняется при помощи чертежей. На чертежах показаны:
Фиг. 1 - продольный разрез схематично представленной смесительной и месительной
машины;
Фиг. 2 - геометрическая конструкция участка, выполненного согласно изобретению,
вала шнека;
Фиг. 3 - относительное движение между месительным штифтом и обычной шнековой
лопастью в схематичном изображении;
Фиг. 4 - пропускная способность в зависимости от среднего времени пребывания в
смесительной и месительной машине.
На фиг. 1 показан продольный разрез схематично представленной смесительной и месительной машины 1. Смесительная и месительная машина 1 содержит охваченный корпусом 2 рабочий орган в форме шнекового вала 3, который предусмотрен с множеством в
форме спирали проходящих шнековых лопастей 4. Такого типа смесительная и месительная
машина 1 называется также одношнековым экструдером, так как машина имеет только один
шнековый вал. Шнековые лопасти 4 шнекового вала 3 прерываются по направлению периметра для создания осевых проходных отверстий для расположенных на корпусе месительных штифтов 5. Благодаря этому шнековый вал 3 может наряду с собственным вращением
выполнять и осевое, т.е. поступательное движение. Между внутренней стенкой корпуса 2 и
шнековым валом 3 образуется сама рабочая полость 6, которая обычно охватывает несколько расположенных по оси друг за другом технологических зон 8-11.
4
BY 15259 C1 2011.12.30
В предлагаемом примере смесительная и месительная машина 1 имеет для примера
зону загрузки 8, зону плавления 9, смесительную и диспергирующую зону 10, а также зону дегазации 11. С впускной стороны смесительная и месительная машина 1 предусмотрена с приемной воронкой 12, а с выходной стороны предусмотрено выходное отверстие
13, через которое приготовленный материал может выходить по направлению стрелки 14.
Основной принцип такого типа смесительной и месительной машины известен, например,
из CH 278 575. Хотя в представленном примере месительные штифты 5 показаны в области смесительной и диспергирующей зоны 10, месительные штифты по необходимости
могут располагаться, разумеется, и в других зонах. На фиг. 2 показана геометрическая
конструкция участка - модуля шнекового вала 3, выполненного согласно изобретению в
перспективном изображении, при этом геометрия вала в изображенном модуле 3а шнекового вала не воспроизводит точный масштаб. Шнековый вал 3 предусмотрен для применения в смесительной и месительной машине 1, которая выполнена в форме так
называемого одношнекового экструдера, причем шнековый вал 3 выполнен как рабочий
орган, вращающийся и одновременно перемещающийся поступательно, как это имеет место в упомянутом выше Buss Ko-Kneter®.
В модуле 3а шнекового вала предусмотрено всего восемь шнековых лопастей, из которых шесть 4a-4f видны. Между двумя в направлении периметра друг за другом следующими шнековыми лопастями 4a, 4b остается свободным соответственно одно
проходное отверстие 16, в которое может простираться расположенный на корпусе месительный штифт (не показан). Внутренний диаметр шнекового вала 3 обозначен Di, а
наружный диаметр шнекового вала 3 обозначен Da. Внутренний диаметр Di определяется наружной, цилиндрической боковой поверхностью 7 шнекового вала 3, а наружный
диаметр Da - диаметральным расстоянием между самыми высокими или самыми наружными областями друг другу диаметрально противолежащих, однако сдвинутых в осевом
направлении месительных лопастей 4a, 4b. Шаг шнекового вала, т.е. среднее расстояние
между двумя следующими друг за другом в осевом направлении лопастями 4b, 4e шнека, обозначен T, причем шнековые лопасти, определяющие шаг T, по обстоятельствам
могут быть также сдвинуты радиально относительно друг друга. Длина хода, т.е. преодолеваемый шнековым валом 3 в осевом направлении путь, обозначена H.
В предлагаемом примере боковые главные поверхности лопастей 4a-4f шнека выполнены как поверхности свободной формы.
Предпочтительно и основные поверхности месительных штифтов (не показаны) выполнены в свободной форме. Поверхность свободной формы - это поверхность, трехмерная геометрия которой ни в одной точке не имеет естественной начальной точки.
Благодаря тому, что главные поверхности лопастей 4a-4f шнека и/или месительных штифтов по крайней мере частично выполнены как поверхности свободной формы, возникают
полностью новые возможности влияния в отношении как статической, так и динамической геометрии шнекового вала, например, в отношении зазора, сохраняющимся между
лопастью шнека и соответствующим месительным штифтом. В частности, величина и вид
зазора практически могут произвольно меняться, при этом одновременно и осевое движение, налагаемое на вращательное движение, шнекового вала может приниматься в расчет.
Благодаря этому в итоге может достигаться оптимизированный механический ввод энергии и/или изменение сдвигающих и растягивающих обтекающих полей, возникающих в
рабочей полости и влияющих на обрабатываемый продукт.
Отношения выполненного согласно изобретению шнекового вала 3 представляются
следующим образом:
Da/Di ~ 1,5-2,0, т.е. соотношение между наружным диаметром Da шнекового вала и
внутренним диаметром Di шнекового вала лежит между 1,5 и 2,0;
Da/H ~ 4-6, т.е. соотношение между наружным диаметром Da шнекового вала и длиной хода H шнекового вала лежит между 4 и 6;
5
BY 15259 C1 2011.12.30
T/H ~ 1,3-2,5, т.е. соотношение между шагом T и длиной хода H лежит между 1,3 и 2,5.
Опыты со шнековыми валами, выполненными согласно изобретению, проводились на
Buss Ko-Knetern (вращающихся и одновременно поступательно перемещающихся одношнековых экструдерах), при этом основной принцип машины (расположение технологических зон) оставлен был без изменений, как это до сих пор находило применение для
соответствующего процесса приготовления из синтетических материалов с обычной скоростью вращения от 100 до 500 об/мин.
При экспериментах число оборотов шнека намного превышало 500 об/мин и при этом
удивительным образом было установлено, что в рабочих зонах, в которых подаваемый
объем, уровень скорости сдвига и степень заполнения согласованы друг с другом, не происходит никакого существенного повышения температуры массы, т.е. температуры обрабатываемого в машине продукта.
На производстве такого вида шнековый вал поэтому предпочтительно работает со
скоростью вращения более 500 об/мин, при этом можно реализовать вращение со скоростью более 800 об/мин, достигая скорости вращения около 2000 об/мин, не повреждая
приготавливаемый продукт.
Предпочтительно наклон шнековых лопастей 4a-4f приводится в соответствие с длиной рабочей полости 6 (фиг. 1), чтобы время пребывания продукта в машине составляло
максимум 20 секунд, когда шнековый вал 3 работает на оборотах более 500 об/мин.
Из фиг. 3 в упрощенном представлении виден процесс движения поступательно движущегося шнекового вала, причем внутренняя сторона корпуса или наружная боковая поверхность рабочей полости показаны в развертке и начерчены только отдельные
шнековые лопасти 4a, 4b, 4c. Месительные штифты 5 для упрощения показаны в виде
круглых элементов. С помощью этой фигуры относительное движение между соответствующими шнековыми лопастями 4a, 4b, 4c и граничащими месительными штифтами 5
становится наглядным. Для лучшей наглядности процесс движения показан, однако, в кинематическом реверсировании, т.е. шнековые лопасти 4a, 4b, 4c принимаются как неподвижные, а месительные штифты 5 двигаются по синусоидальной траектории, положение
которой определяется вращательным движением шнекового вала и налагаемым поступательным движением. Как видно из этого изображения, между обеими боковыми основными поверхностями шнековой лопасти 4c и проходящими мимо них месительными
штифтами 5 сохраняется в форме зазора свободное пространство S, ширина которого и
ход определяются геометрией шнековой лопасти 4c, относящихся месительных штифтов
5, а также осевым перемещением рабочего органа.
Шаг T показан также. Он соответствует расстоянию между двумя в осевом направлении соседними месильными штифтами 5 или шнековыми лопастями 4c, 4f. Длина хода H
шнекового вала также показана.
На фиг. 4 показана зависимость между пропускной способностью G (кг/час) и временем
пребывания t (секунды) обрабатываемого в смесительной и месительной машине продукта.
Из этой диаграммы видно, что с увеличением пропускной способности время, в течение которого на продукт воздействуют высокие температуры, определенно уменьшается.
Проведенные эксперименты показали, что и температура массы, которая по имеющемуся до сих пор опыту должна приводить к снижению качества, при достаточно краткой
продолжительности воздействия вредит качеству. Однако только увеличением пропускной способности достигается достаточно малое время пребывания.
Пропускная способность и качество компаундированных продуктов зависят при этом
от используемой геометрии шнека, числа оборотов и транспортных характеристик отдельных технологических зон машины.
Каждое компаундирование имеет целью получение гомогенного конечного продукта,
как правило, при включении заполнителей.
6
BY 15259 C1 2011.12.30
Заполнители и имеющиеся неоднородности должны поэтому в машине диспергироваться и дистрибутивно вмешиваться. Для измельчения частиц требуются более или менее
большие тангенциальные (срезающие) напряжения, которые должны передаваться через
окружающую матрицу на частицы. Тангенциальное напряжение τ определяется уравнением:
(1),
τ = η ⋅ γ&
где η - вязкость матричной среды и γ& - скорость сдвига, достигнутая в ней.
Решающим фактором для качества диспергирования, смешивания и гомогенизирования обрабатываемого продукта является, следовательно, наряду с температурой плавления
и временем пребывания скорость сдвига γ& (об/сек) в заполненном расплавом шнековом
канале.
Считая ее упрощенно как среднее значение частного - круговая скорость шнека / зазор
сдвига, - получаем (предполагая 100 % степень заполнения в шнековом канале):
ν
D ⋅ π ⋅ ns
γ& = и = a
.
(2)
S
S
Для многих процессов справедливо:
Взвешенный уровень скорости сдвига дает оптимальное качество смешивания, диспергирования и гомогенизирования. При современном уровне смесительной и месительной техники приняты, при стандартных процессах приготовления, средние скорости
сдвига в зоне плавления от 20 до 150 об/сек и среднее время продукта во всей полости
шнека от 30 до 600 сек.
В обычных месительных и смесительных машинах средняя скорость сдвига, как видно
из уравнения (2), ограничена сверху числом оборотов шнека и Da/S. При увеличении скорости сдвига из соотношения:
1
espec = 1 ⋅ η( γ ) ⋅ γ 2 ⋅ t ,
(3)
ρs
однако следует и более высокое значение удельного ввода энергии espec, что в свою очередь может привести к неприемлемо высоким температурам плавления, так как повышение температуры плавки рассчитывается из уравнения:
espec
∆T =
,
(4)
cp
(cp = удельная теплоемкость). Вместе с большим временем пребывания продукта в смесительной и месительной машине слишком высокая скорость сдвига может привести также
к снижающим качество повреждениям продукта (термическое разложение или образование поперечных связей).
В смесительном и месительном устройстве, согласно изобретению, вращающийся и
одновременно поступательно движущийся шнековый вал может работать со скоростью
вращения от 500 до 2000 об/мин, так как благодаря предложенному согласованию соотношений Da/Di, Da/H и T/H могут быть реализованы повышающие качество средние скорости сдвига при одновременном сокращении времени воздействия максимальных
температур в продукте.
Принятые обозначения в формулах:
espec: средний удельный ввод энергии [квт/кг];
t: среднее время пребывания продукта в экструдере [сек];
ρ: плотность расплава [кг/м3];
γ: средняя скорость сдвига [об/сек];
η: средняя динамическая вязкость [Па·сек];
Da: корпусный (наружный) диаметр вала шнека [мм];
Di: внутренний диаметр вала шнека [мм];
7
BY 15259 C1 2011.12.30
S: средний зазор сдвига между лопастью шнека и месильным штифтом или месильным зубом;
ns: число оборотов шнека [1/мин] или [1/сек];
Vu: круговая скорость шнекового вала [м/сек];
τ: тангенциальное напряжение [Н/мм2];
Cp: удельная теплоемкость [КДж/кг·К];
G: пропускная способность [кг/час];
∆T: повышение температуры массы [К].
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
547 Кб
Теги
by15259, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа