СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОУПРУГИХ МАТЕРИАЛОВ ОТ РАСЩЕПЛЯЮЩИХСЯ НА ВОЛОКНА ПОД ДЕЙСТВИЕМ МЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2003 года по МПК B02C18/40 B07B1/20 

Изобретение относится к способу и устройству для отделения вязкоупругих при нормальной температуре материалов, таких как вязкоупругие пластмассы и каучук, от других материалов, расщепляющихся на волокна под действием высокой механической нагрузки, таких, например, как бумага, картон с различным удельным весом и другие содержащие целлюлозные волокна изделия.

Отделение бумаги от пластмассы представляет собой значительную проблему, в частности при утилизации отходов и повторном извлечении содержащихся в них материалов. Подобные смешанные отходы, содержащие как пластмассы, так и бумагу или другие целлюлозные продукты, образуются в больших количествах. Так, например, в предварительно отсортированных пластиковых упаковках из бытовых отходов, утилизацию которых осуществляет объединение Duales System (организация, созданная изготовителями упаковок для различных товаров и торговыми фирмами; в ее задачи входят сбор использованных упаковок, их предварительная сортировка и доставка к местам переработки, а также вывоз отходов, не пригодных к повторной переработке), прежде всего в так называемых смешанных фракциях, значительная доля приходится на бумагу, присутствующую в виде бумажных этикеток, отходов, ошибочно включенных не в свою группу при сортировке, и композиционных материалов из бумаги и пластмассы.

До настоящего времени отделение пластмассы, каучука и других вязкоупругих материалов от материалов, содержащих целлюлозное волокно, таких как бумага и картон, осуществляли мокрым методом путем практически полного растворения матрицы волокна с последующим разделением материала по меньшей мере на два потока, а именно на содержащий целлюлозу шлам с высоким содержанием воды и на водонерастворимую пластмассу. Указанный метод требует больших энергозатрат и затрат на оборудование. Так, например, роспуск макулатуры в данном случае осуществляют в мельнице для мокрого размола, при этом для осуществления процесса измельчения добавляют воду в таком количестве, которое в несколько раз превышает массу пластмассы и бумаги. В данном случае очень высоких энергозатрат требует в частности ускорение водяной массы. Для отделения бумажных волокон и образовавшегося шлама, состоящего из наполнителей, грязи и других компонентов, от пластмассы используют так называемые фрикционные сепараторы. В любом случае затем требуется обезвоживать поток материала с богатым содержанием волокон, например, на виброгрохотах или ситах. Дополнительно содержание влаги обычно снижают спрессовыванием, например, на камерных фильтр-прессах, причем и в этом случае содержание воды в продукте все еще остается слишком высоким, составляя более 50%. Если богатая бумажными волокнами масса не пригодна для вторичного использования, что, как правило, имеет место в случае с вторсырьем, то высокое содержание воды приводит либо к высоким затратам, связанным с хранением отходов, либо к значительным затратам на сушку в случае использования отходов для получения тепла. Пластмасса, в частности сбольшим содержанием пленки, как это имеет место, например, в случае часто используемого сочетания полиэтиленовых пленок с бумагой, также необходимо подвергать обезвоживанию, которое осуществляют главным образом при помощи механических сушилок. С этой целью используют соответствующим образом модифицированные центрифуги. В отдельных случаях требуется еще и термическая (до-) сушка, в результате чего затраты на разделение материалов в целом приводят к значительным издержкам, а само оно является неэкологичным из-за большого расхода энергии.

В данной области были проведены многочисленные исследования. В качестве примера можно назвать публикацию Louis Jetten, Stoffliches Kunststoffrecycling und die Rolle des Wassers in Aufbereitungstechnik beim Verwerten von Kunststoffen, изд-во VDI-Verlag, Дюссельдорф, 1993, а также технологическое исследование Stoffliches Kunststoffrecycling, часть 2, издатель EWvK, Entwicklungsgesellschaft für die Wiederverwertung von Kunststoffen, Висбаден, 1992.

Уже известны также методы разделения в сухом состоянии бумаги и пластмасс, использующие электростатический заряд. В этой связи следует назвать разделение материалов в работающем по принципу свободного падения разделяемого материала сепараторе, описанное, например, в DE 3227874 и DE 4225977. Этот способ обладает существенными недостатками. Так, в частности, загружаемый материал по своим геометрическим размерам должен при этом строго удовлетворять определенным требованиям. Высокие требования предъявляются и к степени сухости загружаемого материала. Далее, велика трудоемкость операций. Кроме того, данный способ не позволяет разделять композиционные материалы, соединенные с геометрическим и силовым замыканием.

В US 4440635 описан способ мокрого разделения бумаги и пластмассы, в котором содержание влаги в перерабатываемом материале доводят путем регулируемого увлажнения до заданного уровня, что должно исключить подачу избыточного количества влаги. Однако и в данном случае, как и во всех методах мокрого разделения материалов, существенным аспектом продолжает оставаться обеспечение в разделяемых материалах различного влагосодержания за счет их различной влагопоглощающей способности.

В US 3941689 описано устройство для измельчения и сортировки различных, но в основном однородных по своей природе отходов. При этом загружаемые отходы в ходе многоступенчатого процесса последовательно, в зависимости от их стойкости размельчают, соответственно измельчают в порошок и отделяют друг от друга просеиванием или грохочением.

Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача создать экологичный и технологически простой в осуществлении способ отделения вязкоупругих материалов, таких как пластмассы и каучук, от материалов, расщепляющихся на волокна под действием высокой механической нагрузки, таких как, например, бумага и картон с различным удельным весом. В качестве примеров пластмасс можно назвать ПЭНП (полиэтилен низкой плотности), ПЭВП (полиэтилен высокой плотности), ПП (полипропилен), полистирол, ПВХ (поливинилхлорид), ПЭТ (полиэтилентерефталат) и АБС-пластик.

Согласно изобретению неожиданно было установлено, что вязкоупругие материалы, такие как вязкоупругие пластмассы и каучук, можно отделять от содержащих волокна материалов, таких как бумага, технологически простым образом в сухом виде путем приложения к смеси, состоящей из пластмассы и содержащего волокна материала, высоких сил ускорения и столкновения, при этом содержащий волокна материал под действием указанных сил расщепляется на волокна и выходит через соответствующие отверстия ситчатого короба, тогда как не распадающаяся на волокна пластмасса остается внутри короба и выгружается в осевом направлении. Применение сил ускорения и столкновения или использование центрифуги для сухого отделения бумаги от пластмассы следует рассматривать как неожиданный факт постольку, поскольку до настоящего времени центрифуги всегда использовали лишь для отделения твердой фазы от жидкой или жидких фаз друг от друга.

Таким образом, объектом настоящего изобретения является способ отделения в сухом состоянии вязкоупругих материалов от расщепляющихся на волокна под действием механической нагрузки материалов, при этом разделяемые материалы подвергают действию значительных сил радиального, аксиального и тангенциального ускорения и сил столкновения и поток содержащего волокна материала отводят отдельно от потока вязкоупругого материала, причем вязкоупругие материалы и расщепляющиеся на волокна под действием механической нагрузки материалы присутствуют в основном в виде композиционных материалов и лишь содержащий волокна материал расщепляют на волокна под действием указанных сил и отделяют от вязкоупругого материала. Этот способ отличается тем, что вязкоупругие материалы отводят в виде потока материала в практически неизмельченном состоянии одновременно с отводом содержащего волокна материала.

Обычно вязкоупругими материалами являются вязкоупругие пластмассы и каучук, а расщепляющимся на волокна материалом является бумага.

Смесь разделяемых материалов предпочтительно предварительно измельчать до частиц крупностью ≤50 мм.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого способа содержащий волокна материал расщепляют на волокна внутри короба и расщепленный на волокна материал отводят наружу через выпускные отверстия в боковой поверхности короба, тогда как вязкоупругие материалы оставляют внутри короба и отводят с его конца отдельным потоком.

При этом расщепляющее на волокна действие усиливают за счет выполнения выпускных отверстий с внутренней стороны короба с острыми краями.

Можно также расщепляющее на волокна действие усиливать за счет выполнения короба в виде многогранного барабана.

Предпочтительно перемещение материала внутри короба обеспечивать прямым воздействием создающих силы радиального, аксиального и тангенциального ускорения приспособлений.

Далее объектом изобретения является устройство для осуществления предлагаемого способа, состоящее из ситчатого короба в основном цилиндрической формы, боковая поверхность которого имеет выпускные или выходные отверстия для прохождения сквозь них расщепленного на волокна материала, при этом с внутренней стороны ситчатого короба отверстия имеют острые края для усиления расщепляющего на волокна действия, а внутри этого короба соосно ему расположен вращающийся приводной вал, на котором закреплены лопасти, выполненные с возможностью регулирования их скорости вращения в пределах от 1000 до 2000 оборотов в минуту таким образом, чтобы обеспечивались лишь расщепление на волокна содержащего волокна материала и его отделение от вязкоупругого материала, а вязкоупругие материалы отводились практически в неизмельченном состоянии отдельным потоком.

В предпочтительном варианте ситчатый короб имеет форму многогранного барабана с одинаковыми или неодинаковыми гранями. Было установлено, что форма ситчатого короба в виде многогранного барабана существенно повышает эффективность разделения материала по сравнению с цилиндрической формой такого короба.

Для перемещения частиц материала в осевом направлении с обеспечением достаточного времени их пребывания в устройстве лопасти предпочтительно жестко соединить с приводным валом и развернуть под некоторым углом, при этом, например, для смешанной пластмассовой фракции из бытовых отходов, утилизацию которых осуществляет объединение Duales System, угол разворота лопастей может составлять от 5 до 7^o.

Для лучшего распределения загружаемой с целью разделения смеси материалов первые лопасти в коробе с загрузочной стороны имеют меньший диаметр в сравнении с расположенными за ними лопастями, причем лопасти расположены на приводном валу таким образом, что между вершинами лопастей и стенкой короба образован зазор.

Предпочтительно короб и расположенный внутри него вращающийся вал с лопастями разместить в кожухе, имеющем со стороны загрузки загрузочное отверстие для подачи разделяемой смеси материалов, а на другом конце - разгрузочное отверстие для выгрузки остающейся внутри барабана и перемещаемой вращающимися лопастями пластмассы.

Короб, а также приводной вал и лопасти предпочтительно изготавливать из высокопрочного и коррозионностойкого материала типа нержавеющей стали.

Расположенный внутри вал с лопастями вращается со скоростью в пределах 1000 - 2000, предпочтительно 1200 - 1800 оборотов в минуту, причем скорость вращения регулируют в зависимости от используемой смеси материалов. Время пребывания при этом составляет от 10 с до 2 мин.

Размер выпускных отверстий варьируется от 2 до 7 мм в зависимости от крупности частиц загружаемого материала и требуемой степени его разделения.

Способ и принцип действия устройства поясняются ниже на примерах осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - устройство для осуществления предлагаемого способа в продольном разрезе;
на фиг.2 - устройство в поперечном сечении плоскостью АА' по фиг.1.

Смесь из пластмассы и бумаги подается через загрузочное отверстие 7 и распределяется первыми лопастями с меньшим в сравнении с последующими лопастями 4 диаметром внутри ситчатого короба 1. Вал 3 с лопастями 4, приводимый во вращение от не показанного на чертеже привода, придает частицам ускорение и обеспечивает их столкновение, что в конечном итоге приводит к скоплению расщепленной на волокна бумаги на ситчатом коробе 1 и ее последующему выходу через выпускные отверстия 2. Одновременно пластмасса перемещается дальше в осевом направлении и удаляется через разгрузочное отверстие 8. Скапливающаяся в образуемом кожухом 6 и ситчатым коробом 1 пространстве бумага удаляется через разгрузочное отверстие 9 путем пневматического отсоса (на чертеже не показано).

Предлагаемое в изобретении устройство может иметь, например, следующие размеры и параметры: длина 1500 мм; диаметр крыльчатки 950 мм (может варьироваться); ширина зазора между вершинами лопастей и стенками короба в зависимости от конструкции последнего: макс. 25 мм; количество лопастей х количество крыльчаток 4 х11; потребляемая устройством мощность 50-80 кВт; размер выпускных отверстий в ситчатом коробе 5 мм; производительность 1 т/ч.

Пример
Использовали смесь, состоящую на 90,4% из упаковочной пленки и на 9,6% из мелованной бумаги. Эту смесь измельчали с помощью мельницы с ситчатым коробом диаметром 50 мм. Бумага однородно распределена в пластмассе, а смесь сухая. После первого прохождения смеси через устройство (первый цикл) получили следующий результат по разделению (см.табл.1).

При вторичной загрузке (второй цикл) кондиционной фракции, полученной при разделении за первый цикл, достигается следующий результат (см. табл.2).

Таким образом, в целом за два цикла отделяют 57,6% загруженной бумаги при выходе 90,1%.

Изобретение относится к способу и устройству для отделения вязкоупругих при нормальной температуре материалов, таких как вязкоупругие пластмассы и каучук, от других материалов, расщепляющихся на волокна под действием высокой механической нагрузки, таких как бумага, картон с различным удельным весом и другие содержащие целлюлозные волокна изделия. Технический результат - создание экологичных и технологически простых способа и устройства. Способ включает воздействие на разделяемые материалы значительных сил радиального, аксиального и тангенциального ускорения и сил столкновения. Поток содержащего волокна материала отводят отдельно от потока вязкоупругого материала. Вязкоупругие материалы и расщепляющиеся на волокна под действием механической нагрузки материалы присутствуют в основном в виде композиционных материалов и лишь содержащий волокна материал расщепляют на волокна под действием указанных сил и отделяют от вязкоупругого материала. Вязкоупругие материалы отводят в виде потока материала в практически неизмельченном состоянии. Устройство состоит из ситчатого короба в основном цилиндрической формы, боковая поверхность которого имеет выпускные или выходные отверстия для прохождения сквозь них расщепленного на волокна материала. С внутренней стороны ситчатого короба отверстия имеют острые края для усиления расщепляющего на волокна действия. Внутри этого короба соосно с ним расположен вращающийся приводной вал, на котором закреплены соединенные с ним лопасти, выполненные с возможностью регулирования их скорости вращения в пределах 1000 - 2000 об/мин. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Способ отделения в сухом состоянии вязкоупругих материалов от расщепляющихся на волокна под действием механической нагрузки материалов, при этом разделяемые материалы подвергают действию значительных сил радиального, аксиального и тангенциального ускорения и сил столкновения и поток содержащего волокна материала отводят отдельно от потока вязкоупругого материала, причем вязкоупругие материалы и расщепляющиеся на волокна под действием механической нагрузки материалы присутствуют в основном в виде композиционных материалов и лишь содержащий волокна материал расщепляют на волокна под действием указанных сил и отделяют от вязкоупругого материала, отличающийся тем, что вязкоупругие материалы отводят в виде потока материала в практически неизмельченном состоянии одновременно с отводом содержащего волокна материала. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вязкоупругими материалами являются вязкоупругие пластмассы и каучук, а расщепляющимся на волокна материалом является бумага. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что смесь разделяемых материалов предварительно измельчают до частиц крупностью ≤50 мм. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что содержащий волокна материал расщепляют на волокна внутри короба и расщепленный на волокна материал отводят наружу через выпускные отверстия в боковой поверхности короба, тогда как вязкоупругие материалы оставляют внутри короба и отводят с его конца отдельным потоком. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что расщепляющее на волокна действие усиливают за счет выполнения выпускных отверстий с внутренней стороны короба с острыми краями. 6. Способ по п. 4 или 5, отличающийся тем, что расщепляющее на волокна действие усиливают за счет выполнения короба в виде многогранного барабана. 7. Способ по любому из пп. 4-6, отличающийся тем, что перемещение материала внутри короба обеспечивают прямым воздействием создающих силы радиального, аксиального и тангенциального ускорения приспособлений. 8. Устройство для осуществления способа по любому из пп. 1-7, состоящее из ситчатого короба в основном цилиндрической формы, боковая поверхность которого имеет выпускные или выходные отверстия для прохождения сквозь них расщепленного на волокна материала, при этом с внутренней стороны ситчатого короба отверстия имеют острые края для усиления расщепляющего на волокна действия, а внутри этого короба соосно с ним расположен вращающийся приводной вал, на котором закреплены соединенные с ним лопасти, выполненные с возможностью регулирования их скорости вращения в пределах 1000-2000 об/мин таким образом, чтобы обеспечивалось лишь расщепление на волокна содержащего волокна материала и его отделение от вязкоупругого материала, а вязкоупругие материалы отводились практически в неизмельченном состоянии отдельным потоком. 9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что ситчатый короб имеет форму многогранного барабана. 10. Устройство по п. 8 или 9, отличающееся тем, что лопасти жестко соединены с приводным валом. 11. Устройство по любому из пп. 8-10, отличающееся тем, что лопасти закреплены на приводном валу с углом разворота 5-7^o. 12. Устройство по любому из пп. 8-11, отличающееся тем, что лопасти со стороны загрузки имеют меньший диаметр в сравнении с расположенными за ними лопастями. 13. Устройство по любому из пп. 8-12, отличающееся тем, что лопасти расположены на приводном валу таким образом, что между вершинами лопастей и стенкой короба образован зазор. 14. Устройство по любому из пп. 8-13, отличающееся тем, что короб с расположенным внутри него приводным валом и лопастями размещен в кожухе, имеющем со стороны загрузки загрузочное отверстие для подачи разделяемой смеси, а на другом конце имеет разгрузочное отверстие для выгрузки остающейся внутри барабана и перемещаемой вращающимися лопастями пластмассы.