УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО СУХОГО ВСПУЧИВАНИЯ ГРАНУЛ ПОЛИСТИРОЛА Российский патент 2000 года по МПК B29C67/20 B29C44/02 B29B13/02 B29B9/16 

Изобретение относится к технологическому оборудованию для изготовления гранулированного пенополистирола из гранул полистирола, содержащих изопентан или пентан; гранулы пенополистирола применяются в качестве теплоизоляционных засыпок, для изготовления пенополистирольных формованных изделий для теплоизоляции и упаковок, а также в качестве компонента композиционных материалов формованных изделий.

Известны два основных типа устройств для поризации (вспенивания, вспучивания) гранул полистирола, в которых используются различные теплоносители: горячий водяной пар или горячий воздух. При этом оставим для описания "мокрых" технологий, использующих горячую воду или водяной пар, термин "вспенивание", а термин "вспучивание" применим для процессов, не включающих жидкую фазу (воду или конденсат водяного пара), где термин вспенивание совсем уж неприемлем.

Наиболее совершенный аналог устройства с паровым теплоносителем - линия для изготовления гранул пенополистирола /1/, включавшая дозатор гранул полистирола, камеру вспенивания гранул, камеру их сушки, камеру охлаждения гранул, бункеры вылежки вспененных, высушенных и охлажденных гранул, систему пневмотранспорта. Последняя позволяет не только подавать сырье в дозатор и транспортировать вспененные гранулы в бункеры и из них, но и направлять вспененные гранулы из бункеров вылежки в камеру вспенивания (вместо сырья) для проведения вторичного вспучивания, сушки, охлаждения, вылежки с целью получения более легких гранул (ниже 20 кг/м³, до 10 кг/м³). Недостатками этого устройства, предопределенным способом "мокрого" процесса является многоступенчатость процесса, необходимость суточной вылежки вспененных гранул, необходимость повторять все операции для получения особо легких гранул. Причем, в последнем случае устройство работает уже не непрерывно, а циклически. Все это, а также чрезвычайная сложность устройства, сложность управления им, необходимость 4-х энергоносителей (электроэнергия, водяной пар, сжатый воздух, горячий воздух для сушки), большие габариты устройства, необходимость больших производственных площадей, причем, в теплом цеху делают устройство и процесс его работы малоэффективными. Это выглядит парадоксом на фоне простейшего, в принципе, процесса - нагреть гранулы.

Рассмотрим теперь аналоги устройств второго типа - с воздушным теплоносителем. Общими преимуществами работы устройств такого типа является исключение операций сушки и сокращение до получаса и менее продолжительности операции вылежки вспученных гранул; соответственно упрощаются устройства, упрощается обслуживание, уменьшается количество энергоносителей, уменьшаются производственные площади, появляется возможность работы устройств вне теплого цеха, даже при холоде.

Известен способ (и устройство) вспучивания гранул полистирола /2/, в котором гранулы продуваются горячим воздухом, создавая псевдоожиженный слой. Горячий воздух вдувается в камеру вспучивания снизу, через газораспределительную решетку. Недостатком устройства является невысокая эффективность работы: гранулы недостаточно хорошо вспучиваются, минимальная плотность составляет 57 кг/м³, неэкономичен расход тепла, т.к. теплоноситель идет "на выброс", необходим сжатый воздух. Недостатком является и трудность создания режима псевдоожижения одновременно для вспученных и невспученных гранул, поэтому неизбежно, как показала практика, прилипание тяжелых (невспученных) гранул к перемычкам горячей газораспределительной решетки. Эти гранулы будут там вспучиваться и перекрывать отверстия для прохода теплоносителя, нарушая работу устройства, что потребует частой остановки и чистки установки.

Известно также устройство для непрерывного вспучивания гранул полистирола /3/, содержащее рабочую емкость с рециркулирующим горячим воздухом, движущимся в турбулентном режиме и увлекающим невспученные гранула в перекатывание по днищу, а вспученные - в турбулентное движение в воздушной горячей среде. Это предопределяет необходимость дополнительных мер против прилипания гранул к дну емкости (см. дополнительные пункты формулы изобретения) и необходимость значительного рассредоточения гранул в воздушной среде, чтобы они не прилипли друг к другу, для чего объем рабочей емкости должен быть многократно больше объема гранул, а мощность системы рециркуляции должна быть весьма значительной.

В качестве прототипа изобретения принято устройство /4/ для непрерывного вспучивания гранул полистирола, содержащее камеру вспучивания, расположенный в ней транспортер в виде металлической ленты с виброприводом, загрузочный бункер и терморадиационные излучатели для нагрева транспортера, гранул полистирола и воздуха. Благодаря вибрации, гранулы полистирола не слипаются при вспучивании и вспучиваются однородно. Однако по данным исследований /5/ гранулы полистирола при вспучивании под терморадиационным излучателем получаются сравнительно высокой плотностью 30...60 кг/м³. Кроме того, необходимость размещения гранул монослоем, как это предусмотрено в изобретении, для равномерного облучения предопределяет большие габариты промышленной установки. Размещение средств нагрева гранул в рабочей емкости опасно в пожарном отношении, а размещение их под зонтом естественной вытяжки, как это следует из анализа рисунка, предопределяет большие тепловые потери. Все это ограничивает область применения устройства, поэтому такие установки и не применяются в промышленности.

Цель изобретения - создать промышленно пригодное устройство для непрерывного сухого вспучивания гранул полистирола до низких значений плотности, компактное, экономичное и пожаробезопасное.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем емкость, вибрирующий поддон (аналог вибрирующего транспортера) и средство сухого нагрева гранул в воздушной среде, вибрирующий поддон выполнен с отогнутыми по периметру вверх отбуртовками, имеющими отверстия для подачи горячего воздуха в емкость к вспучиваемым гранулам, края отбуртовок отогнуты наружу и прилегают по периметру к стенкам емкости, а средство нагрева гранул горячим воздухом выполнено в виде системы принудительной рециркуляции воздуха через емкость сквозь отверстия в отбуртовках поддона с электронагревателем рециркулирующего воздуха, размещенным вне емкости в воздуховоде рециркуляции.

Достижению поставленной цели способствуют также следующие частные технические решения.

Емкость снабжена стержневой мешалкой с механическим приводом. Система рециркуляции снабжена перекачивающим воздух агрегатом. Нагреватель выполнен с открытыми электроспиралями, например нихромовыми. Электроспирали выполнены с возможностью нагрева их до температуры, превышающей точки окисления выделяющихся при вспенивании гранул полистирола газов изопентана и стирола, устройство имеет во всасывающем воздуховоде системы рециркуляции патрубок подмешивания свежего воздуха в рециркулирующий теплоноситель, устройство имеет фильтр в верхней части рабочей емкости. Рабочая емкость устройства, воздуховоды, перекачивающий воздух агрегат выполнены теплоизолированными от окружающего установку воздуха. Рабочая емкость устройства может иметь обогрев стенок. Устройство снабжено разгрузочными, патрубками в боковой стенке емкости на разной высоте. Устройство имеет загрузочный патрубок, размещенный в боковой стенке выше разгрузочных патрубков.

Такое устройство имеет высокую производительность и компактно, т.к. вспучиваемые гранулы проходят через устройство не горизонтальным монослоем, как в прототипе, а по вертикали высоким столбом при довольно плотном расположении гранул. Рециркулирующий поток горячего воздуха, направленный в емкости снизу вверх, смывает гранулы не кратковременно и посредством слабой естественной конвекции, как в прототипе, а длительно, в течение длительного подъема гранул, и интенсивно, благодаря принудительной рециркуляции теплоносителя, поэтому гранулы успевают вспучиваться до низких значений плотности. Совместное действие вибрации, разжижающего действия воздушного потока и дезинтегрирующее действие механической мешалки препятствуют слипанию гранул и способствуют равномерному вспучиванию гранул даже в довольно плотном слое. Применение принципа принудительной рециркуляции воздушного теплоносителя в совокупности с дополнительными мерами (теплоизоляция, нагрев электроспиралями) обеспечивает высокую экономичность работы устройства. Размещение электронагревателей вне рабочей емкости, в воздуховоде рециркуляции, за фильтром обеспечивает пожаробезопасность работы устройства. Электронагреватель воздуха в виде открытых спиралей является наименее инерционным в тепловом отношении, что позволяет поддерживать температуру теплоносителя в узком интервале, а это способствует оптимизации режима вспучивания гранул при минимальном электропотреблении. Нагрев спиралей до температуры, превышающей точки окисления изопентана и стирола, легко выполним при открытых спиралях, что важно для окисления изопентана и стирола до почти безвредных газов, т.е. для повышения экологичности производства. Наличие патрубка подмешивания свежего воздуха в систему рециркуляции теплоносителя позволяет компенсировать небольшой вынос воздуха через выгрузочный патрубок вместе с выгружаемыми гранулами, что обеспечивает их выгрузку самотеком, и восполняет в теплоносителе кислород, необходимый для окисления изопентана и стирола, наличие выгрузочных патрубков на разной высоте позволяет получать гранулы различной плотности без изменения режима вспучивания: из нижнего патрубка - большей плотности, из верхнего - самой низкой плотности. Возможна одновременная выгрузка гранул различной плотности из различных выгрузочных патрубков. Размещение загрузочного патрубка выше верхнего разгрузочного обеспечивает свободный вход загружаемых гранул в рабочую емкость без опасности забивания загрузочного патрубка вспученными гранулами.

Сущность изобретения поясняется чертежом. Позиции чертежа обозначают: 1 - рабочая емкость устройства; 2 - виброподдон; 3 - отбуртовки виброподдона; 4 - отверстия в вертикальных стенках отбуртовок; 5 - отогнутые наружу края отбуртовок; 6 - всасывающий воздуховод; 7 - нагнетающий воздуховод; 8 - перекачивающий воздух агрегат (воздуходувка или вентилятор); 9 - электроспираль нагревателя рециркулирующего воздуха; 10 - механическая стержневая мешалка; 11 - фильтр; 12 - разгрузочные патрубки; 13 - загрузочный патрубок; 14 - патрубок подмешивания свежего воздуха.

Рабочая емкость 1 устройства разделена на три полости: нижнюю полость под виброподдоном 2, среднюю, собственно рабочую, полость между виброподдоном 2 и фильтром 11 и верхнюю полость над фильтром 11. Полость над фильтром 11 соединена всасывающим воздуховодом 6 с воздухопорекачивающим агрегатом 8, а воздухоперекачивающий агрегат 8 соединен нагнетающим воздуховодом 7 с полостью под виброподдоном 2, в воздуховоде 6 размещены электроспирали 9 нагревателя воздуха. Эти элементы конструкции образуют систему нагрева и рециркуляции воздушного теплоносителя, воздухоперекачивающий агрегат 8 изображен на чертеже двухроторной воздуходувкой, но может быть и другим по конструкции, например радиальным (центробежным) вентилятором. Фильтр 11 выполнен плоским однослойным преимущественно из металлической сетки, виброподдон 2 имеет отогнутые по периметру вверх отбуртовки 3, в вертикальных стенках которых выполнены отверстия 4 для подачи горячего воздуха из полости под виброподдоном и в среднюю полость емкости 1. Края отбуртовок 3 виброподдона 2 отогнуты наружу и касаются стенок емкости 1 по контуру. Виброподдон 2 имеет привод вертикальных колебаний (на чертеже не показан). Через верх емкости 1 и фильтр 11 пропущен вал стержневой мешалки 10, которая имеет привод вращения (не показан) вокруг вертикальной оси вала. Стенки емкости 1, воздуховоды 6 и 7, воздухоперекачивающий агрегат 8 выполнены теплоизолированными, а емкость 1 может иметь еще и обогрев, например электрический известной конструкции (на чертеже не показан). Устройство остальных элементов устройства ясно из чертежа и предшествующего текста.

Устройство работает следующим образом. Воздухоперекачивающий агрегат гонит воздух по системе воздуховоды-емкость-электронагреваталь; воздух нагревается до заданной температуры, автоматически удерживаемой известными способами. Через патрубок 13 в емкость 1 дозатором известной конструкции подаются гранулы полистирола; они попадают на виброподдон 2 и прогреваются в непрерывном вибрационном движении горячим воздухом, входящим в зону над виброподдоном через отверстия в вертикальных стенках отбуртовок. Уместно отметить, что гранулы полистирола вибрируют на сплошной горизонтальной части виброподдона, не имеющей отверстий для прохода теплоносителя, т.е. устраняется сама возможность, точнее проблема забивания отверстий подачи теплоносителя. А отверстия в вертикальных стенках отбуртовок, через которые подается горячий воздух, тоже не забиваются, т.к. гранулы колеблются по вертикали, а случайные боковые их отскоки, естественно слабы и гранулы не могут преодолеть воздушные потоки из названных отверстий и проникнуть в них. Благодаря тому, что отогнутые края отбуртовок касаются по периметру стенок емкости, исключается проникновение гранул в эти тончайшие щели и слой гранул может быть значительным по высоте. Прогреваясь, гранулы вспучиваются и образуют растущий по высоте виброкипящий слой. Этот слой не является препятствием для прохождения гранул полистирола на виброподдон, слипанию вспучивающихся гранул дополнительно к вибрации механической и акустической от виброподдона и разжижающему действию восходящего воздушного потока препятствует дезинтегрирующее действие механической стержневой мешалки. Достигая выгрузочного патрубка, вспученные гранулы выходят из установки самотеком и направляются по назначению. Через выгрузочные патрубки можно выводить из установки гранулы различных плотностей (даже одновременно); через верхний патрубок будут выходить более легкие гранулы, т.к. они дольше вспучивались. Дополнительно к этому можно изменять тепловой режим работы устройства и изменять интенсивность загрузки устройства гранулами.

При вспучивании гранул полистирола из них выделяется изопентан и стирол, которые, рециркулируя через нагретые электроспирали, постепенно окисляются в присутствии кислорода воздуха до простых, почти безвредных для здоровья газов, небольшая часть воздуха из установки выходит с выгружаемыми гранулами, что восполняется притоком свежего воздуха самоподсосом во всасывающий воздуховод через патрубок подсоса. Благодаря притоку свежего воздуха, в рециркулирующей газовой среде всегда имеется необходимый для названных процессов окисления кислород.

Над виброподдоном устройства получается очень устойчивый и однородный виброкипящий слой при низком давлении поступающего в него воздуха, это происходит в большой мере именно из-за горизонтального направления воздушных струй, входящих в виброкипящий слой. Воздушные струи не "простреливают" слой материала, как это происходило бы при традиционном размещении отверстий в горизонтальной части виброподдона, и кинетическая энергия горизонтальных струй воздуха полностью переходит в потенциальную энергию давления под виброкипящим слоем. Максимальное давление при этом развивается у самого виброподдона и постепенно снижается по направлению вверх. Такое распределение давления воздуха наилучшее, оно удачно сочетается с распределением плотности материала в виброкипящем слое: тяжелые гранулы внизу, самые легкие - вверху. Поэтому удается создать виброкипящий слой при скорости восходящего воздушного потока в емкости равной всего 0,3 м/с (в расчете на горизонтальное сечение пустой емкости), воздушный поток при такой скорости не уносит вверх, к фильтру, даже самые легкие вспученные гранулы, т.е. фильтр не засоряется. С другой стороны такая скорость потока предопределяет малую мощность воздухоперекачивающего агрегата, экономичность устройства, высокую плотность размещения гранул в емкости и, соответственно, малые габариты устройства, описанное устройство создает в целом оптимальные условия для непрерывного и экономичного вспучивания гранул до весьма низких плотностей. Эти данные выведены не столько теоретически, сколько при испытании экспериментальной установки. Емкость установки имела горизонтальное сечение 300х300 мм и высоту 550 мм, выгрузочный патрубок был на высота 380 мм от виброподдона. При непрерывной работе устройства была достигнута плотность гранулированного пенополистирола 10 кг/м³ при однократном вспучивании; производительность установки составила 120 дм³/ч; спеки гранул отсутствовали, не было прилипания гранул к виброднищу и стенкам емкости.

Достижение такой низкой плотности гранулированного пенополистирола при однократном сухом вспучивании горячим воздухом является уникальным результатом, т.к. в настоящее время плотности 10 кг/м³ достигают двукратным вспениванием полистирола в среде горячего водяного пара в многоступенчатом процессе продолжительностью около 50 ч, а сведения о работе установок сухого вспучивания с таким показателем в промышленности отсутствуют. Предлагаемое устройство, таким образом, является промышленно пригодным, высокоэффективным, простым по конструкции, компактным, простым в обслуживании, экономичным, пожаробезопасным, экологичным. Устройство отличается высокой мобильностью и автономностью, т.к. для его работы требуется только электроэнергия, устройство может работать на открытом воздухе, на стройплощадке, на трассе линейного строительства, при отрицательных температурах.

Приведенные сведения, в том числе практические достижения, доказывают возможность достижения поставленной цели.

Источники информации
1. А. с. 1458244 A1, МКИ В 29 В 9/16. Линия для изготовления гранул пенополистирола / В. Г. Дороженко и др. (СССР). - 4125507/30-05; заявлено 30.09.86; опубл. 15.02.89, бюл. N 6.

2. А.с. 356153, М. кл. B 29 D 27/00. Способ предварительного вспенивания пенополистирола / В.М. Дугинов, Е.Б. Потехин (СССР). - 1405090/23-5; заявлено 16.11.70; опубл. 23.10.79, бюл. N 32.

3. А.c. 680628, МКИ³ B 29 D 27/00. Способ изготовления изделий из пенопласта и устройство для его осуществления / Ж. Лезье и Б. Вассер (Франция). - 2507514/05; заявлено 02.08.77; опубл. 25.08.79, бюл. N 30.

4. А.с. 749675, М. кл.³ B 29 D 27/00. Устройство для непрерывного вcпенивания пенополистирола / B.C. Врублевский и др. (СССР). - 2639669/23-05; заявлено 05.07.78; опубл. 23.07.80, бюл. N 27.

5. Гордин Л.О. и др. Предварительное вспенивание бисерного полистирола ПС-Б инфракрасным излучением. : Промышленное применение токов высокой частоты. Труды ВНИИТВЧ, вып. 10. - Л.: Машиностроение, 1969, с. 174-180.

Изобретение относится к технологическому оборудованию по изготовлению гранулированного пенополистирола для теплоизоляции в строительстве и в производстве упаковок. Устройство содержит емкость с размещенным в ней вибрирующим поддоном и средство сухого нагрева гранул в воздушной среде. Вибрирующий поддон выполнен с отогнутыми по периметру вверх отбуртовками, имеющими отверстия. Края отбуртовок отогнуты по контуру наружу и прилегают к стенкам емкости. Средство нагрева гранул выполнено в виде системы принудительной рециркуляции воздуха через емкость, сквозь отверстия в отбуртовках поддона с электронагревателем воздуха, размещенным вне емкости, в системе рециркуляции воздуха. Устройство создает оптимальные условия для непрерывного и экономичного вспучивания гранул до весьма низких плотностей. Устройство просто по конструкции, пожаробезопасно, экологично, просто в обслуживании. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для непрерывного сухого вспучивания гранул полистирола, содержащее емкость с размещенным в ней вибрирующим поддоном и средство сухого нагрева гранул в воздушной среде, отличающееся тем, что вибрирующий поддон выполнен с отогнутыми по периметру вверх отбуртовками, имеющими отверстия, края отбуртовок отогнуты по контуру наружу и прилегают к стенкам емкости, а средство нагрева гранул выполнено в виде системы принудительной рециркуляции воздуха через емкость, сквозь отверстия в отбуртовках поддона с электронагревателем воздуха, размещенным вне емкости, в системе рециркуляции воздуха. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость снабжена стержневой мешалкой с механическим приводом. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система рециркуляции воздуха через емкость снабжена перекачивающим воздух агрегатом. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагреватель воздуха выполнен с открытыми электроспиралями. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что электроспирали нагревателя воздуха выполнены с возможностью нагрева их до температуры, превышающей точки окисления выделяющихся при вспучивании гранул полистирола газов изопентана и стирола. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно имеет во всасывающей ветви системы рециркуляции патрубок подмешивания свежего воздуха в рециркулирующий воздушный теплоноситель. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в верхней части емкости установлен фильтр. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость, воздуховоды и перекачивающий воздух агрегат выполнены теплоизолированными от окружающего воздуха. 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стенки емкости имеют обогрев. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено разгрузочными патрубками, установленными в боковой стенке емкости на разных высотах от виброподдона. 11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет загрузочный патрубок, размещенный в боковой стенке емкости, выше разгрузочных патрубков.