ЭКСТРУДЕР Российский патент 2013 года по МПК B29C47/76 A23P1/12 A23G1/20 

Данное изобретение относится к экструдерам. Экструдеры используют для продавливания материалов, обычно пластиковых материалов, через матрицы (фильеры), и они особенно полезны, когда требуется обработка или смешивание материала до его экструдирования.

Экструдеры обычно содержат корпус, в котором вращают плотно посаженный шнек. Шнек выполнен из винтовых элементов шнека, некоторые из которых представляют собой элементы с винтовой резьбой для продвижения материала вдоль корпуса. Материал вводят в корпус около одного его конца, продвигают вдоль корпуса, воздействуя шнеком, и выталкивают из корпуса через насадку или фильеру на другом конце. Посредством вращения шнека смешивают и перерабатывают материал в корпусе и сжимают его для продавливания его через фильеру или насадку. Степень смешивания и переработки, до которой материал подвергают, скорость продвижения материала через корпус и, таким образом, продолжительность обработки в корпусе, и давление, создаваемое в корпусе, можно регулировать, используя элементы шнека с различным шагом резьбы, скоростью вращения шнека и интенсивностью введения материала в корпус.

Выпускаемый из экструдера материал можно обрабатывать после экструдирования; например, материал можно подвергать сушке для удаления из него воды или другой жидкости. Было бы благоприятным условием, если бы можно было начать эту обработку в экструдере. Известен способ создания вакуума в корпусе экструдера, например, для удаления испаряющихся жидкостей из экструдера. Вакуум в корпусе экструдера обеспечивают через канал, выполненный в стенке корпуса. Однако некоторые материалы являются чувствительными к температуре, так что достаточно низкая температура кипения жидкости, подлежащей удалению, может быть достигнута только при очень низком давлении. Экструдер и его содержимое можно охлаждать, но этот процесс не эффективен и может быть, кроме того, неадекватным для предохранения обрабатываемого в экструдере содержимого.

Согласно изобретению предложен экструдер, содержащий корпус и шнек, установленный в корпусе для его вращения, причем шнек содержит винтовые элементы шнека, а корпус содержит впуск у одного его конца для подачи материала, подлежащего экструдированию, и выпуск для выпуска материала - в другом конце; и впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды в стенке корпуса, где впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды отдалены друг от друга вдоль стенки корпуса в его продольном направлении, а элементы шнека выполнены таким образом, чтобы можно было продвигать материал в корпусе с большей скоростью вдоль части корпуса между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды, чем вдоль части корпуса, расположенной выше по потоку от упомянутой части, причем впуск для текучей среды или выпуск для текучей среды соединен с насосом таким образом, чтобы имел место перепад давлений между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды. Предпочтительно, чтобы выпуск для текучей среды был расположен ближе к выпуску для материала, чем впуск для текучей среды. Экструдер может быть двухшнековым.

К тому же, согласно изобретению предложен способ экструдирования материала, включающий проталкивание материала через корпуса экструдера от впуска для материала к выпуску для материала и дополнительно пропуск текучей среды через корпус экструдера от впуска для текучей среды к выпуску для текучей среды.

Настоящим изобретением предложены способ и устройство, посредством использования которых обеспечивают возможность сушки, т.е. частичного или полного удаления воды или другой жидкости, или другой обработки материала в корпусе экструдера без необходимости подвергания материала воздействию повышенной температуры.

Изобретение ниже описано со ссылками на чертеж, на котором схематически показан предпочтительный экструдер (в разрезе) согласно изобретению.

Экструдер 10, изображенный на чертеже, содержит цилиндрический корпус 12, содержащий цилиндрическую боковую стенку 14 и концевую стенку 16. Конец корпуса 12, противоположный концевой стенке 16, закрыт матричной (фильерной) пластиной 18, содержащей сквозные отверстия 20. По направлению к противоположному концу от матричной пластины 18 конца корпуса 12 расположена впускная воронка 22, проходящая через цилиндрическую боковую стенку 14, через которую материал, подлежащий экструдированию, можно вводить в корпус.

Шнек 24, имеющий спиральные витки 26a, 26b, 26c, установлен в продольном направлении корпуса 12 с возможностью вращения шнека. Шнек 24 плотно посажен в корпусе 12. Экструдер 10 показан как содержащий шнек 24, состоящий полностью из винтовых элементов шнека. Может быть полезным включение других элементов в шнек 24 для смешивания или другой обработки материала, пропускаемого через экструдер.

В боковой стенке 14 корпуса экструдера выполнен канал 28 для впуска воздуха, расположенный между впускной воронкой 22 и матричной пластиной 18. В боковой стенке 14 корпуса рядом с матричной пластиной 18 выполнен канал 30 для выпуска воздуха, сообщенный с насосом 32. Выпускной канал 30 снабжен средствами для соединения с насосом, например винтовой резьбой, на его наружной поверхности. Следует понимать, что вместо использования насоса для отсоса воздуха из корпуса через выпускной канал 30 воздух можно нагнетать в корпус через канал 28 для впуска воздуха.

Часть шнека 24 в средней зоне Z2 корпуса 12, обычно между впуском 28 и выпуском 30 для воздуха, содержит витки 26b шнека с более широким шагом, чем витки 26a шнека выше по потоку в зоне Z1 корпуса 12 и витки 26c ниже по потоку в зоне Z3 корпуса 12.

В некоторых вариантах осуществления (не показаны) один из каналов для воздуха отсутствует, а воздух вместо этого засасывают или выпускают из корпуса 12 через отверстие в матричной пластине 18. В некоторых вариантах осуществления (не показаны) канал для выпуска воздуха может быть выполнен в виде воронки 22 для подачи материала.

При использовании шнек 24 вращают обычным образом с помощью средств, не показанных на чертежах. Материал, подлежащий экструдированию, вводят в зону Z1 корпуса 12 экструдера через впускную воронку 22 для подачи материала и смешивают, сжимают и продвигают вдоль корпуса 12 экструдера к матричной пластине 18. Шаг витка 24a шнека выше по потоку в зоне Z1 корпуса таков, что материал 34 заполняет корпус 12 в зоне Z1 выше по потоку от впускного канала 28 для воздуха так, как это показано пунктирной линией на чертеже, которой указана верхняя поверхность материала 34 в корпусе. Материал перемещается в область витков 26b шнека с более широким шагом в средней зоне Z2 корпуса, которые продвигают его быстрее к матричной пластине 18, уменьшая высоту материала в корпусе, как это показано пунктирной линией на чертеже. Когда материал 34 поступает в зону Z3 ниже по потоку, где находятся витки 26c шнека с более узким шагом, около или ниже по потоку от канала 28 для впуска воздуха, продвижение материала снова становится более медленным, таким образом, чтобы он заполнил корпус 12 в зоне Z3, и его экструдируют под давлением через отверстия 20 в матричной пластине 18. Как показано пунктирной линией на чертеже, материал 34 только частично заполняет корпус 12 в области между каналом 28 для впуска воздуха и каналом 30 для выпуска воздуха, причем каналы для впуска и выпуска воздуха сообщаются по текучей среде друг с другом; причем зазор между внутренней поверхностью корпуса 12 и витками 26 шнека 24, хотя и плотный, обеспечивает возможность прохода воздуха вдоль корпуса от впускного канала 28 к выпускному каналу 30.

Шаг витков 26a, 26b, 26c шнека выбирают таким образом, чтобы при предполагаемой рабочей скорости и производительности экструдера материал заполнял корпус 12 экструдера выше по потоку от канала 30 для выпуска воздуха и ниже по потоку от канала 28 для впуска воздуха.

Воздух, засасываемый насосом 32 (как это показано стрелками на чертеже) в корпус экструдера 12 через канал 28 для впуска воздуха (или в некоторых вариантах осуществления - через отверстие в матричной пластине 18), пропускают над материалом 34 в корпусе экструдера между каналом 28 для впуска воздуха и каналом 30 для выпуска воздуха, и выпускают через канал для выпуска воздуха (или в некоторых вариантах осуществления - через впускную воронку 20 для подачи материала). Этим обеспечивают возможность взаимодействия воздуха с материалом в корпусе экструдера для сушки или модифицирования материала каким-либо другим способом.

На чертеже показано, что текучая среда, пропускаемая через корпус экструдера, движется в направлении потока экструдируемого материала. Экструдер можно использовать в работе таким образом, чтобы поток текучей среды проходил в направлении, противоположном движению потока материала. В экструдере, показанном на чертеже, использован спиральный шнек с витками переменного шага для продвижения материала через корпус экструдера с различными скоростями. Для продвижения материала с различными скоростями можно использовать и другие средства. Например, можно использовать шнек с постоянным шагом витков, но с переменным диаметром оси (шпинделя) шнека, чтобы изменялась глубина спирального канала, определенного витками и внутренней стенкой корпуса. Диаметр оси можно изменять посредством одной или большего числа втулок, вставляемых вокруг оси с постоянным поперечным сечением. Материал при этом продвигается быстрее через области корпуса, где ось имеет относительно меньший диаметр, и медленнее через области, где ось имеет относительно больший диаметр.

Через корпус экструдера можно прокачивать иные текучие среды, отличные от воздуха, для их взаимодействия с материалом внутри экструдера. Поток текучей среды можно использовать для сушки или модифицирования материала внутри корпуса экструдера каким-либо другим способом, включая химический.

Экструдеры согласно изобретению находят особенно широкое применение для экструдирования шоколадной крошки. Крошку, сахар, сухое молоко, воду и тертое какао вводят в экструдер при полном содержании воды, составляющим обычно, от около 5 мас.% до около 6,5 мас.%. Ингредиенты смешивают в экструдере, а температуру поддерживают на уровне ниже приблизительно 80°C. При продвижении ингредиентов вдоль корпуса экструдера их смешивают и подвергают воздействию воздуха, пропускаемого через корпус, поступающего через канал для впуска воздуха и идущего к каналу для выпуска воздуха. В экструдере из крошки может быть удалено от около 0,5% до около 1,0% (абсолют.) количества воды. Массу можно выпускать из экструдера при содержании воды от около 3,5 мас.% до около 6 мас.%, уменьшив потребность в сушке во время дальнейшей переработки массы, хотя в экструдере может быть удалено и большее количество воды, еще в большей степени уменьшая дальнейшую сушку после экструдирования или вовсе исключая необходимость в дальнейшей сушке. Для экструдирования шоколадной крошки предпочтительно, чтобы температура внутри корпуса экструдера оставалась ниже приблизительно 80°C, предпочтительно - от около 60°C до около 75°C, и чтобы поток воздуха через корпус экструдера составлял от около 0,005 м³/кг до около 0,1 м³/кг от массы крошки, пропускаемой через экструдер. Такой поток воздуха может быть достигнут с помощью насоса, присоединенного к каналу для выпуска воздуха, отсасываемого при абсолютом давлении от около 600 мбар до около 900 мбар. Продолжительность обработки крошки в экструдере предпочтительно составляет от около 10 с до около 60 с.

В следующем примере показано применение способа согласно изобретению с использованием экструдера согласно изобретению.

Пасту из шоколадной крошки, имевшую следующий состав, вводили в корпус экструдера, выполненного согласно изобретению, и экструдировали. Воздух пропускали через корпус экструдера путем нагнетания его во впуск для воздуха, как это описано выше.

Состав ингредиентов мас.% Сахар 55 Обезжиренное сухое молоко 20 Сухая молочная сыворотка 5 Лактоза 5 Протертое какао 10 Вода 5

Экструдат представлял собой гомогенную пасту, содержавшую на 0,5-1,0 мас.% (абсолют.) меньше воды, чем паста, которую вводили в экструдер.

Экструдер (10) содержит корпус (12) и шнек (24), установленный в корпусе для вращения, где шнек содержит витки (26а, 26b, 26с) шнека. Корпус содержит впускную воронку (22) для материала, подлежащего экструдированию, около одного конца и матричную пластину (18) с отверстиями (20) - на другом конце; и канал (28) для впуска воздуха около одного конца корпуса и канал (30) для выпуска воздуха около другого конца. Витки шнека выполнены таким образом, чтобы материал (34) в корпусе продвигался быстрее вдоль части корпуса между каналом для впуска воздуха и каналом для выпуска воздуха, чем вдоль части корпуса, расположенной выше по потоку от этой части. Выпуск для воздуха соединен с насосом (32) таким образом, чтобы имел место перепад давлений между впуском для воздуха и выпуском для воздуха. Технический результат, достигаемый при использовании экструдера по изобретению и способа экструдирования материала в этом экструдере, заключается в том, чтобы обеспечить возможность частичного или полного удаления воды или другой жидкости или другой обработки материала в корпусе экструдера без необходимости подвергания материала воздействию повышенной температуры. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Экструдер, содержащий: корпус и шнек, установленный в корпусе для его вращения, причем шнек содержит элементы шнека, а корпус содержит: впуск на одном конце для ввода материала, подлежащего экструдированию, и выпуск для выпуска материала на другом конце, впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды в стенке корпуса, причем впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды отдалены друг от друга вдоль стенки корпуса в его продольном направлении, а элементы шнека являются такими, что материал продвигается с большей скоростью по части корпуса между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды, чем до упомянутой части, причем впуск для текучей среды или выпуск для текучей среды соединен с насосом таким образом, чтобы имел место перепад давлений между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды.

2. Экструдер по п.1, в котором шнек содержит первый винтовой элемент шнека, имеющий первый шаг, выше по потоку от части корпуса между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды, и второй винтовой элемент шнека, имеющий второй шаг в указанной части, или ниже по потоку от указанной части, причем второй шаг шире первого шага.

3. Экструдер по п.1 или 2, в котором впуск для текучей среды расположен ближе к выпуску для материала, чем выпуск для текучей среды.

4. Экструдер по п.1 или 2, в котором экструдер является двухшнековым экструдером.

5. Экструдер по п.1 или 2, дополнительно содержащий насос, сообщающийся по текучей среде с впуском для текучей среды или выпуском для текучей среды, для прохождения текучей среды через впуск для текучей среды, корпус экструдера и выпуск для текучей среды.

6. Экструдер по п.1 или 2, содержащий матричную пластину на одном конце корпуса экструдера, причем один впуск для текучей среды или выпуск для текучей среды выполнен в виде отверстия в матричной пластине.

7. Экструдер по п.1 или 2, в котором впуск для текучей среды или выпуск для текучей среды выполнен в виде впуска для материала, подлежащего экструдированию.

8. Способ экструдирования материала, включающий этапы, на которых продвигают материал через корпус экструдера от впуска для материала к выпуску для материала и дополнительно пропускают текучую среду через корпус экструдера от впуска для текучей среды к выпуску для текучей среды, причем материал продвигают через часть корпуса между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды более быстро, чем когда материал продвигают через корпус до упомянутой части корпуса так, что упомянутые текучие среды протекают по материалу в корпусе между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды.

9. Способ по п.8, в котором текучая среда протекает в одном направлении с потоком экструдируемого материала.

10. Способ по п.8 или 9, в котором текучую среду откачивают из корпуса экструдера.

11. Способ по п.10, в котором экструдируемым материалом является пищевой продукт, например шоколадная крошка.