УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ РАСПЛАВА ТЕРМОПЛАСТОВ Российский патент 2005 года по МПК D01D5/08 

Изобретение относится к области производства волокнистых синтетических материалов из термопластичных веществ и их смесей, включая как качественное промышленное сырье, так и различные виды бытовых и промышленных отходов термопластичных материалов.

Изобретение с наибольшим эффектом может быть использовано для получения сорбентов, улавливающих из воды нефть и нефтепродукты.

Известно устройство (Патент РФ №2160332, МПК⁷ D 01 D 5/08 БИПМ №34, 2000 г.), у которого вращающийся реактор имеет заднюю стенку в виде кольца, через отверстие которого в реактор входит вал привода его вращения. На внутренней поверхности реактора вдоль образующей расположены ребра.

Недостатком данного устройства является то, что ввод расплава во внутреннее пространство вращающегося реактора от подающего патрубка экструдера производится через кольцевую открытую часть задней стенки реактора, т.к. через открытую часть задней стенки происходит подсос холодного воздуха из окружающего пространства, что отрицательно влияет на формирование пленки расплава внутри реактора, т.е. приводит к термоокислительной деструкции полимера с образованием газовых токсичных загрязнений. Кроме того, открытая часть задней стенки приводит к потере тепла и, следовательно, снижению эффективности процесса. В таких установках получение волокон с высоким качеством затруднено в силу вышеперечисленных причин. Другим недостатком данной установки является применение ребер на внутренней поверхности реактора вдоль его образующей. Расплав, растекаясь на внутренней поверхности, тормозится на этих ребрах, из-за этого происходит утолщение пленки расплава, причем подсос воздуха через кольцевую открытую часть приводит к снижению температуры расплава и к перепаду температуры по его сечению, что приводит часть расплава к его деструкции. Другим существенным недостатком является горизонтальное расположение реактора, что приводит к образованию волокон с различным по сечению размером в силу разной траектории вытягиваемых волокон из пленки расплава с кромки вращающегося реактора. Это объясняется тем, что во время вращения реактора с верхних точек кромок волокно имеет большую траекторию полета, чем с нижних кромок.

Известна также установка (Заявка №97110883 (12), включающая экструдер с волокнообразователем, узел осаждения готового волокна и приемное устройство, недостатки которой:

а) содержит расположенный горизонтальный полый реактор, недостатки которого идентичны описанным по известному устройству (Патент РФ №2160332);

б) дополнительно на внутренней поверхности реактора установлены плоские ребра треугольной по длине формы, направленные вдоль его образующей и обращенные вершиной в сторону выхода расплава, что дает определенный эффект, а именно уменьшает сопротивление течению пленки расплава по внутренней поверхности реактора, но не устраняет недостатки применения плоских ребер, описанных по известному устройству (Патент РФ №2160332).

Известно другое устройство (Патент РФ №2164563, МПК 7 D 01 D 5/08, БИПМ №9, 2001 г.), которое содержит горизонтально вращающийся полый реактор, у которого на внутренней поверхности установлены плоские ребра, открытая часть выполнена в виде расходящегося конуса, также содержит нагреватель, кольцевой воздуховод, плоскую крышку, полый стакан, установленный внутри реактора, причем стакан установлен без зазора относительно ребер, но с зазором между его днищем и днищем реактора, а также между их конусными частями. В данной конструкции реактора ввод расплава на внутреннюю поверхность реактора также осуществляется через отверстие днища реактора в зазор между днищем реактора и днищем стакана. Недостатком данного устройства является то, что через отверстие днища реактора происходит подсос холодного воздуха из окружающего пространства, что отрицательно влияет на формирование пленки расплава внутри реактора, т.е. приводит к деструкции полимера. Кроме того, за счет эффекта вращения реактора плоские ребра, установленные на внутренней поверхности реактора, выполняют роль вентилятора и засасывают из окружающего пространства через отверстие в днище реактора холодный воздух, что приводит к потере тепла, а следовательно, снижению эффективности образования волокон или к неоправданному повышению мощности нагревателя. Кроме того, плоские ребра тормозят пленку расплава, из-за этого происходит утолщение пленки расплава, а подсос воздуха через отверстие днища реактора приводит к снижению температуры расплава и к перепаду температуры по его сечению, что приводит часть расплава к деструкции. Другим существенным недостатком является горизонтальное расположение реактора, что приводит к образованию волокон с различным по сечению размером в силу разной траектории вытягиваемых волокон из пленки расплава с кромки вращающегося реактора, т.к. с верхних точек кромок волокно имеет большую траекторию полета, чем с нижних кромок. Другим существенным недостатком данного устройства является сложность конструкции подшипникового узла, расположенного в охлаждаемом корпусе. Причем реактор смонтирован на конце полого вала, установленного в подшипниках, а внутри полого вала проходит подающая насадка, имеющая центральное отверстие для подачи расплава в зазор между реактором и стаканом. Но для того, чтобы расплав не застывал в подающей насадке, насадку необходимо нагревать до температуры расплава полимера, а это приводит к нагреву подшипникового узла, который и интенсивно охлаждают, что приводит к непроизводительным энергетическим затратам и в целом к неэкономичной работе установки. Как показывают наблюдения, поток воздуха, выходящий из отверстия полого вала, не сразу заполняет все поперечное сечение реактора. Поток постепенно расширяется, а в кольцевом пространстве между струей воздуха и стенками полого реактора образуется вихревое движение застойной части воздушного потока, который понижает температуру вводимого расплава и приводит к наростообразованию расплава в застойной зоне полого реактора и последующей деструкции полимера. Получение качественного волокна при помощи этого устройства затруднено в силу имеющихся недостатков.

Известно устройство (Патент РФ №2174165, МПК 7 D 01 D 5/08, БИПМ №27, 2001 г.) для получения волокнистых материалов из расплава термопластов, содержащее обогреваемый вращающийся полый реактор, у которого на внутренней поверхности установлены плоские ребра, а открытая часть выполнена в виде расходящегося конуса, крышку и кольцевой воздуховод, устройство дополнительно содержит парообразователь, кожух, в котором помещен реактор, и установленный внутри реактора вращающийся рассеиватель расплава, прикрепленный к штоку, причем рассеиватель расплава выполнен из двух неподвижно соединенных между собой частей; верхняя часть представляет усеченный конус, а нижняя - тарелку с диаметром, превышающим большое основание конуса, который этим основанием соединен с плоской поверхностью тарелки, при этом реактор установлен вертикально и выполнен в виде параболоида, расширяющаяся часть которого направлена вниз, причем плоские ребра имеются только в нижней части реактора, образующая поверхность кожуха повторяет поверхность реактора, а парообразователь своими входом и выходом присоединен к полости между кожухом и реактором, образуя замкнутый паровой контур, кроме того, крышка выполнена в виде диска, установленного на уровне плоских ребер, при этом ребра соединены с образующей диска.

Выполнение реактора в виде параболоида создает оптимальный режим течения пленки расплава по внутренней стенке реактора за счет равномерного сбрасывания расплава с кромок вращающегося рассеивателя, прикрепленного к штоку.

Это решение является наиболее близким по технической сущности и принято за прототип. С помощью данного устройства стало возможным получение волокон практически с одинаковым поперечным сечением. Для достижения этого положительного эффекта в этом устройстве реактор установлен вертикально, что создает условия для пролета одинаковых траекторий вытягиваемых волокон из пленки расплава с кромки вращающегося реактора. Однако основным недостатком волокнообразователя является технически трудноисполнимое устройство для обогрева реактора - это создание герметично замкнутого парового контура между кожухом и вращающимся реактором. В настоящее время создание такого замкнутого парового контура является задачей весьма проблематичной.

Другим недостатком является то, что при вращении реактора с тарелки рассеивателя часть расплава, ударяясь о стенку параболоида, отражается в виде дисперсных капель, образуя нарост расплава на поверхности штока и крышки, что приводит практически к отсутствию прогретой части расплава и к образованию некачественного волокна.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции, увеличение надежности ее работы, сокращение тепловых потерь и повышение качества волокна.

Поставленная цель достигается тем, что реактор установлен вертикально и выполнен в виде полого тороида с размещением внутри него фильеры, причем реактор и фильера находятся на одном валу.

Наружная и внутренняя оболочки полого тороида в верхней части имеют форму сферы, которые замыкаются на цилиндрические оболочки реакторов.

Верхняя часть внутренней оболочки полого тороида имеет утолщение для выполнения места посадки под вал реактора.

Цилиндрическая часть наружной оболочки реактора заканчивается расходящимся конусом. Фильера имеет расходящуюся конусную часть, большой диаметр которой установлен на уровне торца наружной цилиндрической части оболочки реактора, причем на кромке большого диаметра фильеры выполнены проточные каналы.

Наружная открытая часть фильеры защищена теплоизоляционным экраном, например, из фторопласта, причем экран крепится на конце вала и имеет форму расходящегося конуса, который установлен с зазором относительно расходящегося конуса наружной оболочки реактора.

Наружная и внутренняя оболочки реактора установлены коаксиально друг относительно друга по сферическим и цилиндрическим частям с зазором при помощи дистанционных втулок и закреплены заклепками.

Сферическая часть наружной оболочки заканчивается цилиндрическим патрубком, в котором коаксиально с зазором установлен входной патрубок, выполненный в виде колена, причем в вертикальной части входного патрубка внутри коаксиально с зазором установлена входная трубка, коаксиально которой с зазором внутри проходит вал, закрепленный верхним концом в подшипниковом узле.

Нижний торец входной трубки установлен на уровне торца входного патрубка. Входной патрубок имеет на прямой вертикальной цилиндрической части экран, который имеет форму опрокинутого стакана и установлен коаксиально с зазором к цилиндрическому патрубку, причем между верхним торцом цилиндрического патрубка и днищем экрана также имеется зазор.

На валу перед торцом верхней части входной трубки установлен компактный теплообменник с цилиндрически оребренной поверхностью. Теплообменник выполнен из легкого материала, например алюминия, и насажен плотно на вал.

За компактным теплообменником на валу установлен вентилятор, содержащий цилиндрический кожух с всасывающим коллектором, выполненным в виде раструба, причем в цилиндрической части кожуха вентилятора коаксиально установлен подшипниковый узел.

Корпус подшипникового узла выполнен с оребрением, причем ребра имеют прямоугольную форму и расположены вдоль корпуса подшипникового узла.

Компактный теплообменник установлен во всасывающем коллекторе кожуха вентилятора.

Нагревательные элементы распределены вдоль оси реактора и установлены коаксиально его внешней оболочки. За нагревательными элементами установлен светоотражающий экран, направленный светоотражающей поверхностью в сторону реактора. Стенки реактора внутри и снаружи выполнены с покрытием, способствующим поглощению тепла, например воронением.

Между экраном и теплоизоляционным кожухом засыпается теплоизолирующий материал, например шамотная крошка.

Сущность данного технического решения заключается в том, что:

- Реактор выполнен в виде полого тороида;

- Наружная и внутренняя оболочки полого тороида в верхней части имеют форму сферы, которые замыкаются на цилиндрические оболочки реактора;

- Верхняя часть внутренней оболочки полого тороида имеет утолщение для места посадки вала реактора;

- Дополнительно внутри реактора установлена фильера;

- Фильера имеет расходящуюся конусную часть;

- Большой диаметр фильеры установлен на уровне торца наружной части цилиндрической части оболочки;

- На кромке большого диаметра фильеры выполнены проточные каналы;

- Наружная открытая часть фильеры защищена теплоизоляционным экраном;

- Экран имеет форму расходящегося конуса;

- Теплоизоляционным материалом является фторопласт;

- Наружная и внутренняя оболочки реактора установлены коаксиально друг относительно друга по сферической и по цилиндрической частям с зазором при помощи дистанционных втулок и закреплены заклепками;

- Сферическая часть наружной оболочки заканчивается цилиндрическим патрубком, в котором коаксиально с зазором установлен входной патрубок, причем в вертикальной части входного патрубка внутри коаксиально установлена входная трубка, коаксиально которой с зазором внутри проходит вал, закрепленный верхним концом в подшипниковом узле. Входной патрубок выполнен в виде колена;

- Нижний торец входной трубки установлен на уровне торца входного патрубка;

- Входной патрубок имеет на прямой цилиндрической части цилиндрический экран, который имеет форму опрокинутого стакана и установлен коаксиально с зазором между цилиндрическим патрубком, причем между верхним торцом цилиндрического патрубка и днищем экрана также имеется зазор;

- На валу перед торцом верхней части входной трубки установлен компактный теплообменник с цилиндрически оребренной поверхностью;

- Теплообменник выполнен из легкого металла, например алюминия;

- За компактным теплообменником на валу установлен вентилятор, содержащий цилиндрический кожух с всасывающим коллектором, выполненным в виде раструба;

- В цилиндрической части кожуха вентилятора коаксиально установлен подшипниковый узел;

- Корпус подшипникового узла выполнен с оребрением, причем ребра имеют прямоугольную форму и расположены вдоль корпуса подшипникового узла;

- Компактный теплообменник установлен во всасывающем коллекторе кожуха вентилятора;

- Нагревательные элементы распределены вдоль оси реактора и установлены коаксиально его внешней оболочке;

- Между экраном и корпусом теплоизоляционного кожуха засыпается теплоизолирующий материал, шамотная крошка.

Техническое решение позволяет упростить конструкцию реактора.

Упрощение конструкции достигается за счет сферических верхних частей реактора, переходящих в цилиндрические оболочки, что позволило значительно сократить обогреваемый рабочий объем реактора, заключенных между обтекаемыми сферическими оболочками тороида, а за счет теплоизоляционного кожуха позволило значительно снизить тепловые потери в окружающее пространство, а также позволило поддерживать температуру реактора на заданном рабочем режиме.

Применение компактного теплообменника с вентилятором на валу реактора для охлаждения вала за пределами верхнего торца входной трубки и подшипникового узла позволило решить сложную техническую задачу путем простого обдува вала и подшипникового узла воздухом.

На фиг.1 показан общий вид устройства; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - сечение В-В на фиг.1.

Устройство для получения волокнистых материалов из термопластов (фиг.1) включает вертикально вращающийся реактор 1 в виде полого тороида, у которого внутри размещена фильера 2, причем реактор 1 и фильера 2 установлены на одном валу 3.

Наружная 4 и внутренняя 5 оболочки реактора 1 в верхней части имеют форму сферы, которые замыкаются на цилиндрические оболочки 6 и 7 реактора 1.

Верхняя часть внутренней оболочки 7 имеет утолщение 8 для места посадки 9 вала реактора 1. Цилиндрическая часть 6 наружной оболочки реактора заканчивается расходящимся конусом 10.

Фильера 2 имеет расходящуюся конусную часть 11, причем на кромке большого диаметра фильеры выполнены проточные каналы 12 (фиг.2).

Наружная открытая часть фильеры 2 защищена теплоизоляционным экраном 13, причем экран крепится на конце вала 3 и имеет форму расходящегося конуса 14, который установлен с зазором 15 относительно расходящегося конуса 10 наружной оболочки реактора 1.

Наружная и внутренняя оболочки 4 и 5 реактора 1 установлены коаксиально друг относительно друга по сферическим и цилиндрическим 6 и 7 частям с зазором через дистанционные втулки 16 и закреплены заклепками 17 (фиг.3).

Сферическая часть наружной оболочки 4 реактора 1 заканчивается цилиндрическим патрубком 18, в котором коаксиально с зазором установлен входной патрубок 19, причем в вертикальной части входного патрубка 19 внутри коаксиально с зазором установлена входная трубка 20, коаксиально которой с зазором внутри проходит вал 3, закрепленный верхним концом в подшипниковом узле 21.

Нижний торец входной трубки 20 установлен на уровне торца входного патрубка 19, причем между верхней сферической поверхностью утолщения 8 и упомянутыми торцами имеется зазор, равный высоте дистанционной втулки 16.

Входной патрубок 19 имеет на прямой вертикальной цилиндрической части экран 22, который имеет форму опрокинутого стакана и установлен коаксиально с зазором к цилиндрическому патрубку 18, причем между верхним торцом цилиндрического патрубка 18 и днищем экрана 22 также имеется зазор.

На валу 3 перед торцом верхней части входной трубки 20 установлен компактный теплообменник 23 с цилиндрически оребренной поверхностью.

Теплообменник выполнен из легкого материала, например алюминия, и насажен плотно на вал 3. Компактный теплообменник 23 служит для снижения температуры вала 3, выходящего из реактора 1.

Нижнее ребро 24 теплообменника 23 выполнено в виде перевернутого стакана, между днищем которого и торцом верхней части входной трубки 20 имеется зазор.

За компактным теплообменником 23 на валу 3 установлен вентилятор 25, содержащий цилиндрический кожух 26 с всасывающим коллектором 27, выполненным в виде раструба, причем в цилиндрической части кожуха 26 коаксиально установлен подшипниковый узел 21 на распорках 28 (фиг.4).

Корпус подшипникового узла 21 выполнен с оребрением 29, причем ребра 29 имеют прямоугольную форму и расположены вдоль корпуса подшипникового узла 21. Установленный на валу 3 вентилятор 25 способствует охлаждению подшипникового узла 21, а оребрение 29 интенсифицирует охлаждение. Компактный теплообменник установлен во всасывающем коллекторе 27 цилиндрического кожуха 26 вентилятора 25, что интенсифицирует охлаждение вала 3 и уменьшает его температуру перед вентилятором 25.

Нагревательные элементы 30 распределены вдоль оси реактора 1 и установлены коаксиально его внешней оболочке с уменьшением мощности нагревательных элементов от расходящегося конуса к его верхней сферической части 4.

Между экраном 31 и теплоизоляционным кожухом 32 засыпается теплоизолирующий материал 33, например шамотная крошка.

Реактор 1 также снабжен кольцевым воздуховодом 34 и ведомым шкивом 35, установленным на конце вала 3 за подшипниковым узлом 21.

Устройство реактора 1 смонтировано на плите 36.

Устройство для получения волокнистых материалов из расплава термопластов работает следующим образом.

Перед работой реактор 1 разогревают до рабочей температуры посредством включения нагревательных элементов 30. Так как нагревательные элементы 30 имеют независимое регулирование мощности, то их нагрев поддерживают в таком режиме, чтобы температура реактора 1 в нижней его части, т.е. в зоне расходящегося конуса 10, в средней его части, т.е. в зоне цилиндрической оболочки 6, и в верхней его части, т.е. в зоне сферической оболочки 4, была одинаковой.

Чтобы сократить тепловые потери в окружающее пространство от фильеры 2, наружная ее часть защищена теплоизоляционным экраном 13, например из фторопласта.

Чтобы защитить реактор 1 от тепловых потерь в окружающее пространство, реактор 1 защищен теплоизоляционным кожухом 32. В качестве теплоизолирующего материала использована шамотная крошка.

Таким образом, рабочая полость реактора 1 максимально защищена от тепловых потерь, а благодаря независимому регулированию мощности нагревательных элементов 30 создается относительно изотермическое температурное поле по всему периметру реактора 1 для получения из расплава полимерного волокна.

После того, как устройство подготовлено к работе, через шкив 35 клиноременной передачи приводят во вращение реактор 1 с заданной угловой скоростью. Затем по входному патрубку 19 и в зазор между торцом входного патрубка 19 и верхней сферической частью внутренней оболочки 7 нагнетают расплав полимерного материала, который распределяется по внутренним стенкам 4 и 6 оболочки реактора 1. Так как стенки 4 и 6 реактора 1 прогреты равномерно, то расплавленный полимер также равномерно растекается, образуя однородную пленку расплава, и продвигается вниз к фильере 2, в которой разделяется на отдельные струйки благодаря проточным каналам 12, и далее, продвигаясь за счет центробежной силы, срывается с кромки конуса 10, образуя тонкие волокна. Благодаря тому, что реактор установлен вертикально, волокна практически имеют одинаковые траектории полета до приемного устройства (на чертеже не показан) и получаются однородным по толщине, а так как вся поверхность реактора 1 нагрета равномерно, что способствует равномерному прогреву пленки расплава и ее разделению на строго отдельные струйки в фильере 2 через проточные каналы 12, то волокно практически не имеет корольков в своем составе.

Изобретение относится к области производства синтетических материалов из термопластических веществ и их смесей, включая как качественное промышленное сырье, так и различные виды бытовых и промышленных отходов термопластичных материалов, и может быть использовано для получения сорбентов, улавливающих из воды нефть и нефтепродукты.

Технический результат - упрощение конструкции, увеличение надежности ее работы, сокращение тепловых потерь и повышение качества волокон. Устройство содержит вращающийся полый реактор в виде полого тороида, наружная и внутренняя оболочки которого в верхней части выполнены сферическими. За счет этого уменьшается обогреваемый объем реактора. Внутри реактора на одном валу с ним установлена фильера. 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для получения волокнистых материалов из расплава термопластов, включающее вертикально вращающийся полый реактор, открытая часть которого выполнена в виде расходящегося конуса, кожух реактора, кольцевой воздуховод, отличающееся тем, что реактор выполнен в виде полого тороида, наружная и внутренняя оболочки которого в верхней части имеют форму сферы, которые замыкаются на цилиндрические оболочки реактора, при этом внутри реактора на одном валу с ним дополнительно установлена фильера.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что фильера имеет расходящуюся конусную часть, причем на кромке большого диаметра фильеры выполнены проточные каналы.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что наружная открытая часть фильеры защищена теплоизоляционным экраном, причем экран крепится на конце вала и имеет форму расходящегося конуса, который установлен с зазором относительно расходящегося конуса наружной оболочки реактора.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что верхняя часть внутренней оболочки полого тороида имеет утолщение для места посадки вала реактора.5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что наружная и внутренняя оболочки реактора установлены коаксиально относительно друг друга по сферическим и цилиндрическим частям с зазором через дистанционные втулки и закреплены заклепками.6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сферическая часть наружной оболочки реактора заканчивается цилиндрическим патрубком, в котором коаксиально с зазором установлен входной патрубок; причем в вертикальной части входного патрубка внутри коаксиально с зазором установлена входная трубка, коаксиально которой с зазором внутри проходит вал, закрепленный верхним концом в подшипниковом узле.7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что нижний торец входной трубки установлен на уровне торца входного патрубка, причем между верхней сферической поверхностью утолщения и упомянутыми торцами имеется зазор, равный высоте дистанционной втулки.8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что входной патрубок имеет на прямой вертикальной цилиндрической части экран, который имеет форму опрокинутого стакана и установлен коаксиально с зазором к цилиндрическому патрубку, причем между верхним торцом цилиндрического патрубка и днищем экрана также имеется зазор.9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что на валу перед торцом верхней части входной трубки установлен компактный теплообменник с цилиндрически оребренной поверхностью.10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что за компактным теплообменником на валу установлен вентилятор, содержащий цилиндрический кожух с всасывающим коллектором, выполненным в виде раструба, причем в цилиндрической части установлен подшипниковый узел на распорках.11. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что корпус подшипникового узла выполнен с оребрением, причем ребра имеют прямоугольную форму и расположены вдоль корпуса подшипникового узла.12. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что компактный теплообменник установлен во всасывающем коллекторе цилиндрического кожуха вентилятора.13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что имеет нагревательные элементы, распределенные вдоль оси реактора и установленные коаксиально его внешней оболочке с уменьшением мощности нагревательных элементов от расходящегося конуса к его верхней сферической части.14. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кожух реактора выполнен теплоизоляционным, при этом теплоизолирующим материалом является шамотная крошка.15. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что теплоизоляционный экран выполнен из фторопласта.16. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что теплообменник выполнен из алюминия.