УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2016 года по МПК B29B13/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству для предварительной обработки и последующей транспортировки, пластификации и агломерации полимеров.

Уровень техники

Из уровня техники известны многочисленные аналогичные устройства разной конструкции, включающие в себя приемный бункер или режущий уплотнитель для измельчения, нагрева, размягчения и переработки рециклируемого полимерного материала, а также присоединенный к нему транспортер или экструдер для расплавления переработанного таким образом материала. При этом целью является получение максимально высококачественного конечного продукта, в большинстве случаев в виде гранулята.

Так, например, в ЕР 123771 или ЕР 303929 описаны устройства с приемным бункером и присоединенным к нему экструдером, причем подаваемый в приемный бункер полимерный материал измельчается за счет вращения измельчающих и смесительных инструментов, подвергается циркуляции и за счет ввода энергии одновременно нагревается. В результате образуется смесь с достаточно хорошей термической однородностью. После соответствующего времени пребывания эта смесь выгружается из приемного бункера в шнековый экструдер, транспортируется и при этом пластифицируется или расплавляется. При этом шнековый экструдер находится приблизительно на высоте измельчающих инструментов. Таким образом, размягченные полимерные частицы активно вдавливаются или набиваются смесительными инструментами в экструдер.

Большинство этих давно известных устройств не удовлетворяют в отношении получаемого на выходе шнека качества обработанного полимерного материала и/или в отношении его количественного выхода из шнека. Исследования показали, что требования к следующему за бункером шнеку, в большинстве случаев пластифицирующему шнеку, неодинаковые и что это объясняется тем, что отдельные партии перерабатываемого материала дольше пребывают в бункере, чем другие партии. Среднее время пребывания материала в бункере вычисляется по насыпной массе в бункере, деленной на выход шнека в единицу времени. Однако, как уже сказано, это среднее время пребывания, как правило, не задано для больших частей перерабатываемого материала, а возникают неравномерные существенные отклонения от этого среднего значения вверх и вниз. Эти отклонения могут объясняться разным характером постепенно загружаемых в бункер партий материала, например разным характером или разной толщиной полимерного материала, например пленочных остатков, и также неконтролируемыми случайностями.

Для термически и механически однородного материала повышение качества полученного на выходе шнека материала возникает тогда, когда глубина зоны дозирования шнека очень велика, а частота его вращения поддерживается очень низкой. Если же значение придается повышению выхода из шнека или мощности, например комбинации разрыватель-экструдер, то частоту вращения шнека следует повысить, а это означает, что повышает и сдвиг. Однако из-за этого материал механически и термически испытывает повышенную нагрузку от шнека, т.е. возникает опасность повреждения молекулярных цепочек полимерного материала. В качестве другой проблемы может произойти повышение износа шнека и его корпуса, в частности при переработке рециклируемого материала за счет содержащихся в нем примесей, например абразивных частиц, металлических деталей и т.д., которые оказывают сильное изнашивающее влияние на скользящие друг по другу металлически детали шнека или его опоры.

Как у медленно вращающегося и глубоко режущего шнека (большая глубина витков), так и у быстро вращающего шнека упомянутое разное качество отдельных подаваемых к шнеку партий материала, например разная величина хлопьев и/или разная температура полимерного материала, вызывает неоднородности получаемого на выходе шнека полимерного материала. Для их компенсации на практике повышается температурный профиль экструдера, а это означает, что к полимеру приходится подводить дополнительную энергию, что вызывает упомянутые термические повреждения полимерного материала и повышенное энергопотребление. Кроме того, полученный за счет этого на выходе экструдера полимерный материал имеет меньшую вязкость, т.е. является более жидкотекучим, что приводит к трудностям при дальнейшей переработке этого материала.

Отсюда видно, что параметры процесса, благоприятные для получения высокого качества материала на выходе шнека, противоречат друг другу.

Прежде всего, были предприняты попытки решения этой проблемы за счет увеличения диаметра режущего уплотнителя по отношению к диаметру шнека. За счет этого увеличения бункера по сравнению с традиционными размерами было достигнуто то, что была выровнена механическая и термическая однородность предварительно обработанного в бункере полимерного материала. Причина этого заключалась в том, что массовое отношение постоянно добавляемых необработанных «холодных» порций материала к имеющемуся в бункере, уже частично обработанному количеству материала было меньше по сравнению с обычно существующими условиями и что было существенно увеличено среднее время пребывания полимерного материала в бункере. Это уменьшение массового отношения благоприятно сказывалось на термической и механической однородности поступающего из бункера в корпус шнека материала и тем самым непосредственно на качестве пластификата или агломерата на конце шнека экструдера или агломерирующего шнека, поскольку к шнеку уже подавался материал, по меньшей мере, приблизительно такой же механической и термической однородности и поэтому такую однородность не требовалось достигать за счет шнека. Теоретическое время пребывания обработанного полимерного материала в бункере было приблизительно постоянным. Кроме того, управляемость такой установки с увеличенным бункером в отношении точности загружаемых порций была менее чувствительной, чем известных установок.

Следовательно, такие установки, в принципе, хорошо использовались и были предпочтительными. Тем не менее установки с бункерами или режущими уплотнителями больших диаметров, например 1500 мм и более, и с более длительным временем пребывания, несмотря на их хорошую функциональность и высокое качество рециклята, являются недостаточно компактными и эффективными или имеют сильное теплоизлучение.

Этим известным устройствам присуще то, что направление транспортировки или вращения смесительных и измельчающих инструментов и тем самым направление, в котором частицы материала циркулируют в приемном бункере, и направление транспортировки транспортера, в частности экструдера, в основном, одинаковые. Такое сознательно выбранное расположение было вызвано желанием максимально набивать материалом шнек или принудительным образом питать его. Эта мысль набивать транспортирующий шнек или шнек экструдера частицами в направлении транспортировки шнека была вполне очевидной и отвечала распространенным представлениям специалиста, поскольку частицам за счет этого не приходится реверсировать направление своего движения и тем самым не приходится прикладывать дополнительное усилие для реверсирования направления. На основе исходящих из этого дальнейших разработок постоянно наблюдалось стремление как можно больше заполнить шнек и усилить этот эффект набивки. Например, предпринимались также попытки конусообразно расширить зону питания экструдера или придать серповидную кривизну измельчающим инструментам, чтобы они могли набивать шнек размягченным материалом по типу шпателя. За счет смещения экструдера со стороны входа относительно бункера из радиального положения в тангенциальное эффект набивки был еще больше усилен, а полимерный материал еще сильнее вдавливался в экструдер вращающимся инструментом.

Такие устройства, в принципе, способны к функционированию и работают удовлетворительно, хотя и с периодическими проблемами.

Так, например, в случае материалов с небольшой энергоемкостью, таких как ПЭТ-волокна или пленки, или в случае материалов с низкой температурой липкости или размягчения, таких как полимолочная кислота, постоянно наблюдается тот эффект, что намеренная в одном направлении набивка под давлением зоны питания экструдера или транспортера полимерным материалом приводит к его преждевременному расплавлению непосредственно после зоны питания или в зоне питания экструдера или шнека. Из-за этого уменьшается, с одной стороны, транспортирующее действие шнека, а, кроме того, может произойти частичное обратное течение этого расплава в зону режущего уплотнителя или приемного бункера, а это приводит к тому, что еще нерасплавившиеся хлопья пристают к расплаву, вследствие чего он снова охлаждается и частично застывает, и, таким образом, возникает образование или конгломерат в виде нароста из частично застывшего расплава и твердых полимерных частиц. За счет этого забивается зона питания и слипаются смесительные и измельчающие инструменты. Кроме того, уменьшается производительность или выход продукта из транспортера или экструдера, поскольку шнек недостаточно заполнен. К тому же при этом смесительные и измельчающие инструменты могут застревать. Как правило, в таких случаях установку приходится отключать и полностью очищать.

Кроме того, возникают проблемы у таких полимерных материалов, которые в режущем уплотнителе уже были нагреты почти до области своего плавления. Если при этом зона питания переполнена, то материал расплавляется и питание уменьшается.

Проблемы возникают также у вытянутых в большинстве случаев, полосовидных, волокнистых материалов определенной протяженности по длине и небольшой толщины или жесткости, т.е., например у разрезанных на полосы полимерных пленок. Это происходит, в первую очередь, из-за того, что продолговатый материал на выходном конце питающего отверстия шнека повисает, причем один конец полосы направлен в приемный бункер, а другой - в зону питания. Поскольку как смесительные инструменты, так и шнек вращаются в одном направлении или оказывают на материал одинаковую составляющую направления транспортировки и уплотнения, оба конца полосы нагружаются на растяжение и сжатие в одном направлении, и полоса больше не может отделиться. В свою очередь, это приводит к скоплению материала в этой зоне, сужению сечения питающего отверстия, ухудшению характера питания и снижению производительности. Кроме того, из-за повышенного давления загрузки в этой зоне может произойти расплавление, вследствие чего возникают упомянутые выше проблемы.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является устранение упомянутых недостатков и усовершенствование устройства описанного выше типа так, чтобы подаваемый, в частности экструдируемый материал, в частности также восприимчивые или полосовидные материалы могли без проблем затягиваться шнеком, а также перерабатываться или обрабатываться при высоком качестве, максимально компактно, с небольшими затратами времени, с энергосбережением и с высокой производительностью.

Эта задача решается в устройстве описанного выше типа признаками пункта 1 формулы изобретения.

При этом, прежде всего, предусмотрено, что воображаемое продолжение центральной продольной оси транспортера, в частности экструдера, если он содержит только один шнек, или продольная ось ближайшего к питающему отверстию шнека, если он содержит более одного шнека, проходит против направления транспортировки транспортера мимо оси вращения, не пересекая ее, причем продольная ось транспортера, если он содержит только один шнек, или продольная ось ближайшего к питающему отверстию шнека со стороны выхода в направлении вращения инструментов смещена на некоторое расстояние от радиали бункера, которая параллельна продольной оси и направлена наружу от оси вращения смесительного и/или измельчающего инструмента в направлении транспортировки транспортера.

Таким образом, направление транспортировки смесительных инструментов и направление транспортировки транспортера по сравнению с уровнем техники являются не одинаковыми, а, по меньшей мере, незначительно встречными, что уменьшает вышеупомянутый эффект набивки. За счет намеренного реверсирования направления вращения смесительных и измельчающих инструментов по сравнению с известными до сих пор устройствами снижается давление нагрузки на зону питания и уменьшается риск переполнения. Лишний материал больше не набивается с чрезмерным давлением в зону питания транспортера, а, напротив, лишний материал даже, как тенденция, снова удаляется оттуда, так что, правда, в зоне питания всегда имеется достаточно материала, однако он почти лишен давления или нагружается лишь небольшим давлением. Таким образом, шнек может достаточно заполняться и всегда питаться достаточным количеством материала без своего переполнения и возникновения локальных пиков давления, при которых материал мог бы расплавиться.

Таким образом, предотвращено расплавление материала в зоне питания, в результате чего повышается эффективность эксплуатации, увеличиваются интервалы техобслуживания и сокращается время простоя из-за возможных ремонтных работ и мер по очистке.

За счет снижения давления загрузки шиберы, с помощью которых известным образом можно регулировать степень заполнения шнека, реагируют заметно более чувствительно, а степень заполнения шнека можно регулировать еще точнее. В частности, в случае тяжелых материалов, например измельчаемого полиэтилена высокого давления или ПЭТ, можно тем легче найти оптимальный режим установки.

Кроме того, неожиданно предпочтительным оказалось то, что материалы, которые уже были размягчены почти до расплава, лучше загружаются во встречном режиме. В частности, тогда, когда материал уже находится в тестообразном или размягченном состоянии, шнек нарезает материал из тестообразного кольца, которое находится близко к стенке бункера. В случае направления вращения в направлении транспортировки шнека это кольцо, скорее всего, было бы продвинуто дальше и шнек не смог бы соскрести его, вследствие чего загрузка уменьшилась бы. Предложенное реверсирование направления вращения позволяет устранить этот недостаток.

Кроме того, при обработке описанных выше полосовидных или волокнистых материалов образовавшиеся свисания или скопления легче отделить, или они вообще не образуются, поскольку на лежащей в направлении вращения смесительных инструментов выходной или вниз по потоку кромке отверстия вектор направления смесительных инструментов и вектор направления транспортера почти противоположные или, по меньшей мере, незначительно встречные, благодаря чему продолговатая полоса не может согнуться вокруг этой кромки и застрять, а снова подхватывается тромбом в приемном бункере.

В целом, за счет предложенного выполнения улучшается характер загрузки, и заметно повышается производительность. Вся система из режущего уплотнителя и транспортера становится за счет этого стабильнее и производительнее.

Кроме того, заявитель опытным путем обнаружил, что можно неожиданным образом уменьшить диаметр D бункера, не принимая во внимание снижение качества или длительное время пребывания. При этом диаметр D бункера находится в следующем отношении к диаметру d шнека:

D=10·³√K·d²,

где D - внутренний диаметр бункера в форме кругового цилиндра в мм или внутренний диаметр пересчитанного на ту же вместимость виртуального бункера в форме кругового цилиндра такой же высоты в мм, d - измеренный в зоне питающего отверстия средний диаметр шнека или ближайшего к питающему отверстию шнека в мм, а K - постоянная, составляющая 60-180.

За счет специфического выполнения системы режущий уплотнитель - транспортер - вопреки прежним ожиданиям - могут хорошо использоваться также бункеры или режущие уплотнители меньших диаметров и могут достигаться высокие производительность и выход также при более коротком времени пребывания.

За счет вызванного встречным направлением вращения смесительных инструментов щадящего характера питания шнека в режущем уплотнителе могут использоваться более агрессивные инструменты, которые вводят в материал больше энергии. Это сокращает также среднее время пребывания материала в режущем уплотнителе. Следовательно, режущий уплотнитель может эксплуатироваться при более высокой температуре, что, в свою очередь, вызывает лучшую однородность. Материал может тем самым хорошо подготавливаться также в бункерах меньших диаметров и с меньшим временем пребывания.

К тому же такая комбинация из режущего уплотнителя и экструдера неожиданно вызывает повышение производительности расплавления материала в присоединенном экструдере. За счет этого выравниваются возможные неоднородности, а поступающий из бункера в корпус шнека, а затем уплотненный и расплавленный материал имеет высокую термическую и механическую однородность. Соответственно очень высоким является также конечное качество пластификата или агломерата на конце шнека экструдера или агломерирующего шнека, и могут использоваться шнеки, которые за счет предварительной обработки и подачи полимера щадящим образом обрабатывают его и вводят в него особенно мало мощности сдвига, чтобы расплавить его.

Пример

Для сравнения и подтверждения технического эффекта известная из уровня техники комбинация (А) режущего уплотнителя и экструдера с бункером или режущим уплотнителем относительно большого диаметра, т.е. с высоким значением K, и равнонаправленным направлением вращения смесительных и измельчающих инструментов сравнивалась с изображенным на фиг. 1, 2 аналогичным предложенным устройством (В) с режущим уплотнителем с меньшим значением K в заявленном диапазоне и обратным направлением вращения при переработке полиэтиленовых пленок со средним показателем течения расплава (MFI) 0,9, средней толщиной s 60 мкм и средней насыпной массой Sg в режущем уплотнителе 0,280 кг/дм³.

Устройство А (уровень техники)

Для системы обычной конструкции возникают, например, следующие значения:

Диаметр бункера D=1100 мм

Высота бункера Н=1100 мм

Диаметр шнека d=80 мм

Длина шнека l=1760 мм

Обработанный в бункере материал (хлопья) Zi=49 кг

Выход экструдера Еа=355 кг/ч

Направление вращения инструментов - равнонаправленное.

Теоретическое время пребывания составит Zi:Ea=49:355=8,3 мин. Эта обычная конструкция соответствует значению K=207.

Устройство В (изобретение)

Если у такой же в остальном конструкции уменьшить диаметр и высоту бункера соответственно до 1000 мм и изменить направление вращения инструментов (в случае выполнения установки, как на фиг. 1, 2), то получим:

Диаметр бункера D=1000 мм

Высота бункера Н=1000 мм

Диаметр шнека d=80 мм

Длина шнека l=1760 мм

Обработанный в бункере материал (хлопья) Zi=36,8 кг

Выход экструдера Еа=389 кг/ч

Направление вращения инструментов - встречное.

Теоретическое время пребывания материала в бункере составит 5,7 мин. Эта конструкция по приведенной формуле соответствует значению K=156.

Несмотря на значительно меньшее время пребывания и уменьшенный примерно на 10% диаметр бункера, при той же частоте вращения шнека и соответственно очень хорошем конечном качестве конечного материала достигается заметное увеличение выхода примерно на 20%.

Это видно из нижеследующей таблицы и диаграммы на фиг. 5.

Нижняя кривая описывает нормированный расход известного устройства А, который зависит от температуры или нормированного до уровня техники уплотнения. При уплотнении 0,71, здесь при температуре в режущем уплотнителе около 75°C, это устройство достигается примерно 30% максимального расхода, а при уплотнении 1, здесь примерно при 105°C, т.е. в оптимальном диапазоне, - примерно 100% максимального расхода. Затем кривая резко падает. Иначе обстоит дело в случае кривой предложенного устройства В. Здесь расход при сопоставимых температурах гораздо выше и достигает при уплотнении 1, примерно при 105°C, более высоких, примерно на 20%, значений.

Таким образом, предложенное устройство работает быстрее, эффективнее и занимает меньше места.

Для значения K 156 в устройстве В из приведенной выше формулы для заданных обычных диаметров d шнека в мм возникают следующие диаметры D бункера в мм:

Если значение придается повышению выхода или производительности упомянутой комбинации режущий уплотнитель - экструдер, то при такой же величины экструдерах, т.е. такой же величины диаметрах шнека, можно увеличить глубину его витков и частоту его вращения, не подвергая переработанный материал в нем более сильному сдвигу. Щадящее питание за счет вращающихся навстречу друг другу смесительных и измельчающих инструментов дополнительно усиливает этот эффект. Это означает, что уменьшаются также массовая температура пластификата и тем самым общая потребляемая мощность для процесса переработки. Это важно, в частности, для переработки термически нестабильных термопластов.

Увеличение высоты бункера (при неизменном диаметре) обеспечивает, правда, увеличение его объема, однако практически не сказывается на повышении качества переработанного материала. Причина этого заключается в том, что за счет вращающихся в бункере инструментов возникает форма вращающегося материала (тромб), которая не превышает заданную (эффективную) высоту, т.е. вращающийся вдоль стенки бункера полимерный материал по достижению максимальной высоты снова падает внутрь и вниз в зону середины бункера. По этим причинам высота бункера выбирается обычно равной его диаметру.

Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны следующими признаками.

Особенно предпочтительно устройство работает тогда, когда постоянная K составляет 90-170. При таких значениях K или связанных с этим размерах бункера и временем пребывания инструмент особенно эффективно передает материал на транспортер, а частично противоположные друг другу признаки - размер бункера, время пребывания, характер питания или расход и качество конечного продукта - хорошо уравнены.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, предусмотрено, что транспортер расположен на приемном бункере так, что скалярное произведение вектора направления (вектора направления вращения), который ориентирован по касательной к окружности, описываемой радиально крайней точкой смесительного и/или измельчающего инструмента, или к проходящему мимо отверстия полимерному материалу, и перпендикулярно радиали приемного бункера и указывает в направлении вращения и/или движения смесительного и/или измельчающего инструмента, и вектора направления транспортировки транспортера в каждой отдельной точке или во всей зоне отверстия или в каждой отдельной точке или во всей зоне непосредственно радиально перед отверстием равно нулю или отрицательное. Зона непосредственно радиально перед отверстием определяется как та зона перед отверстием, в которой материал находится вплотную перед самым прохождением через отверстие, но еще не прошел через него. Таким образом, достигаются упомянутые выше преимущества, и эффективно предотвращаются любые вызванные эффектами набивки образования агломератов в зоне питающего отверстия. В частности, речь не идет при этом также о пространственном расположении смесительных инструментов и шнека по отношению друг к другу, а, например, ось вращения не должна быть ориентирована перпендикулярно дну или продольной оси транспортера или шнека. Реверсирование направления вращения и вектор направления транспортировки лежат в одной, преимущественно горизонтальной, плоскости или в плоскости, ориентированной перпендикулярно оси вращения.

Другой предпочтительный вариант возникает за счет того, что вектор направления вращения смесительного и/или измельчающего инструмента заключает с вектором направления транспортировки транспортера угол ≥90°≤180°, причем угол в точке пересечения обоих векторов направления измеряется на лежащем вверх по потоку относительно направления вращения или движения краю отверстия, в частности в наиболее удаленной вверх по потоку точке на этом краю или отверстии. За счет этого описан тот угловой диапазон, в котором транспортер должен быть расположен на приемном бункере для достижения предпочтительных эффектов. При этом во всей зоне отверстия или в каждой его точке происходит, по меньшей мере, незначительная встречная ориентация действующих на материал усилий или, в крайнем случае, - нейтральная в отношении давления поперечная ориентация. Ни в одной точке отверстия скалярное произведение векторов направления смесительных инструментов и шнека не является положительным, даже на участке отверстия не возникает тем самым слишком большого действия набивки.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что вектор направления вращения или движения заключает с вектором направления транспортировки угол 170-180°, измеренный в точке пересечения обоих векторов направления в середине отверстия. Такое расположение оправдано тогда, когда транспортер расположен на режущем уплотнителе по касательной.

Чтобы предотвратить возникновение слишком большого действия набивки, может быть предпочтительно предусмотрено, что расстояние или смещение продольной оси от радиали больше или равно половине внутреннего диаметра корпуса транспортера или шнека.

Далее в этом смысле может быть предпочтительным рассчитать расстояние или смещение продольной оси от радиали ≥5% или 7%, еще предпочтительнее ≥20% радиуса приемного бункера. У транспортеров с удлиненной зоной питания или шлицевой втулкой или расширенным карманом может быть предпочтительным, если это расстояние или смещение больше или равно радиусу приемного бункера. В частности, это относится к случаям, когда транспортер присоединен по касательной к приемному бункеру или проходит по касательной к его сечению.

Крайние витки шнека предпочтительно не направлены в бункер.

При этом, в частности, предпочтительно, если продольная ось транспортера или шнека или продольная ось ближайшего к зоне питания шнека или внутренняя стенка корпуса или огибающая шнека проходит по касательной к внутренней стороне боковой стенки бункера, причем шнек преимущественно соединен на своей торцевой стороне с приводом, а на своем противоположном торцевом конце транспортирует материал к расположенному на торцевом конце корпуса выходному отверстию, в частности головке экструдера.

В случае радиально смещенных, однако расположенных не по касательной транспортеров, предпочтительно предусмотрено, что воображаемое продолжение продольной оси транспортера против направления транспортировки проходит через внутреннее пространство приемного бункера, по меньшей мере, на отдельных участках в виде секущей.

Предпочтительно предусмотрено, что отверстие непосредственно и напрямую и без большого промежутка или передающего участка, например транспортирующего шнека, соединено с питающим отверстием. Таким образом, возможна эффективная и щадящая передача материала.

Реверсирование направления вращения смесительных и измельчающих инструментов в бункере не может происходить ни в коем случае произвольно или по ошибке, и ни в известных устройствах, ни в предложенном устройстве нельзя просто так заставить вращаться смесительные инструменты во встречном направлении и, в частности, также потому, что смесительные и измельчающие инструменты определенным образом расположены асимметрично или ориентированными по направлению так, что они действуют только на одну сторону или в одном направлении. Если заставить такой агрегат вращаться в неправильном направлении, не образовался бы ни хороший тромб, ни материал достаточно не измельчался или не нагревался бы. Любой режущий уплотнитель имеет тем самым жестко заданное направление вращения смесительных и измельчающих инструментов.

В этой связи особенно предпочтительно, если воздействующие на полимерный материал, указывающие в направлении вращения или движения передние участки или передние кромки смесительных и/или измельчающих инструментов по-разному выполнены, искривлены, установлены или расположены по сравнению с задними или догоняющими в направлении вращения или движения участками.

При этом одно предпочтительное расположение предусматривает, что на смесительном и/или измельчающем инструменте расположены инструменты и/или ножи, которые в направлении вращения или движения оказывают на полимерный материал нагревающее, измельчающее и/или режущее действие. Инструменты и/или ножи могут быть закреплены прямо на валу или расположены преимущественно на расположенном, в частности, параллельно дну вращающемся инструментодержателе или на несущем диске или выполнены в нем или отформованы на нем, при необходимости, за одно целое.

В принципе, упомянутые эффекты существенны не только у компрессионных экструдеров или агломераторов, но и у некомпрессионных или малокомпрессионных транспортирующих шнеков. Также в этом случае предотвращаются локальные переполнения.

В другом, особенно предпочтительном варианте предусмотрено, что приемный бункер выполнен, в основном, цилиндрическим с плоским дном и ориентированной вертикально к нему боковой стенкой в форме боковой поверхности цилиндра. Конструктивно просто далее, если ось вращения совпадает с центральной средней осью приемного бункера. В другом предпочтительном варианте предусмотрено, что ось вращения или центральная средняя ось бункера ориентирована вертикально и/или перпендикулярно дну. За счет этой особой геометрии в устройстве со стабильной и конструктивно простой конструкцией оптимизирован характер питания.

В этой связи также предпочтительно предусмотреть, чтобы смесительный и/или измельчающий инструмент или в случае нескольких расположенных друг над другом смесительных и/или измельчающих инструментов самый нижний, ближайший к дну смесительный и/или измельчающий инструмент и отверстие были расположены на небольшом расстоянии от дна, в частности в зоне самой нижней четверти высоты приемного бункера. При этом расстояние определяется и измеряется от самой нижней кромки отверстия или питающего отверстия до дна бункера в зоне края последнего. Поскольку угловая кромка выполнена в большинстве случаев закругленной, расстояние измеряется от самой нижней кромки отверстия вдоль воображаемых продолжений боковой стенки вниз до воображаемого продолжения дна бункера наружу. Подходящие расстояния составляют 10-400 мм.

Далее для обработки предпочтительно, если радиально крайние кромки смесительных и/или измельчающих инструментов доходят вплотную до боковой стенки.

В этой связи особенно предпочтительно, если расстояние А радиально крайней точки самого нижнего смесительного и/или измельчающего инструмента или расстояние А описываемой этой точкой окружности от внутренней поверхности боковой стенки бункера ≥20 мм, в частности ≥20-60 мм. За счет этого возникает особенно эффективный и щадящий характер питания.

Бункер необязательно должен иметь форму кругового цилиндра, хотя она предпочтительна по практическим и технологическим соображениям. Вместимость отличающихся от формы кругового цилиндра бункеров, например бункеров в форме усеченного конуса или цилиндрических бункеров эллиптической или овальной в плане формы, следует пересчитать равной вместимости бункеров в форме кругового цилиндра, предположив, что высота этого условного бункера равна его диаметру. Высота бункеров, существенно превышающая образующийся тромб (с учетом безопасного расстояния), остается неучтенной, поскольку такая чрезмерная высота не используется и поэтому не оказывает больше никакого влияния на переработку материала.

Под термином «транспортер» следует понимать в данном случае как установки с некомпрессионными или декомпрессионными шнеками, т.е. чисто транспортирующими шнеками, так и установки с компрессионными шнеками, т.е. шнеки экструдеров агломерирующего или пластифицирующего действия.

Под терминами «экструдер» и «шнек экструдера» в данном случае следует понимать как экструдеры и шнеки, с помощью которых материал полностью или частично расплавляется, так и экструдеры, с помощью которых размягченный материал лишь агломерируется, однако не расплавляется. В случае агломерирующих шнеков материал лишь на короткое время сильно уплотняется и режется, но не пластифицируется. Поэтому агломерирующий шнек дает на своем выходе материал, который полностью не расплавлен, а состоит из оплавленных лишь на своей поверхности частиц, которые как бы спечены. Однако в обоих случаях шнек оказывает давление на материал и уплотняет его.

В изображенных примерах описаны только экструдеры с единственным шнеком, например одновальные или одношнековые экструдеры. Однако в качестве альтернативы возможны также транспортеры более чем с одним шнеком, например двух- или многовальные транспортеры или экструдеры, в частности с несколькими одинаковыми шнеками, имеющими, по меньшей мере, одинаковые диаметры d.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества изобретения приведены в описании нижеследующих примеров осуществления его объекта, которые не следует понимать как ограничивающие его и которые схематично и не в масштабе изображены на чертежах, на которых представляют:

фиг. 1 - сечение устройства с присоединенным приблизительно по касательной экструдером;

фиг. 2 - разрез варианта из фиг. 1;

фиг. 3 - другой вариант с минимальным смещением;

фиг. 4 - другой вариант с большим смещением;

фиг. 5 - результаты испытаний.

Осуществление изобретения

Ни бункеры, ни шнеки или смесительные инструменты не показаны в масштабе ни как таковые, ни в соотношении между собой. Так, например, в действительности бункеры в большинстве случаев больше, или шнеки длиннее, чем показано.

Изображенная на фиг. 1 и 2 предпочтительная комбинация режущего уплотнителя и экструдера для подготовки или рециклирования полимерного материала содержит бункер 1 или режущий уплотнитель или разрыватель в форме кругового цилиндра с плоским горизонтальным дном 2 и ориентированной перпендикулярно ему вертикальной боковой стенкой 9 в форме боковой поверхности цилиндра.

На небольшом расстоянии от дна 2, максимум в пределах 10-20%, при необходимости, менее высоты боковой стенки 9, измеренном от дна 2 до ее самого верхнего края, расположен ориентированный параллельно дну плоский несущий диск или инструменте держатель 13, который вращается вокруг центральной оси вращения 10, являющейся одновременно центральной средней осью бункера 1, в обозначенном стрелкой направлении 12 вращения или движения. Несущий диск 13 приводится во вращение двигателем 21, находящимся под бункером 1. На верхней стороне несущего диска 13 расположены ножи или инструменты, например режущие ножи 14, которые вместе с ним образуют смесительный и/или измельчающий инструмент 3.

Как схематично показано, ножи 14 расположены на несущем диске 13 не симметрично, а на своих указывающих в направлении 12 вращения или движения передних кромках 22 выполнены, установлены или расположены по-особому, механически воздействуя на полимерный материал специфическим образом. Радиально крайние кромки смесительных и/или измельчающих инструментов 3 подходят относительно близко, примерно на 5% радиуса 11 бункера 1, к внутренней поверхности боковой стенки 9.

Бункер 1 имеет вверху загрузочное отверстие, через которое в бункер 1, например, посредством транспортирующего устройства по стрелке загружается перерабатываемый материал, например порции полимерных пленок. В качестве альтернативы может быть предусмотрено, что бункер 1 закрыт и воздух откачивается из него, по меньшей мере, до технического вакуума, причем материал загружается через шлюзовую систему. Этот материал захватывается вращающимися смесительными и/или измельчающими инструментами 3 и завихряется в виде тромба 30, причем материал поднимается вверх вдоль вертикальной боковой стенки 9, а затем приблизительно в зоне активной высоты Н бункера 1 под действием силы тяжести снова падает внутрь и вниз в зону его середины. Активная высота Н бункера 1 приблизительно равна его внутреннему диаметру D. Следовательно, в бункере 1 образуется тромб, материал которого завихряется как сверху вниз, так и в направлении 12 вращения. Тем самым такое устройство вследствие особого расположения смесительных и измельчающих инструментов 3 или ножей 14 может эксплуатироваться только с заданным направлением 12 вращения или движения, а направление 12 вращения нельзя реверсировать просто так или без дополнительных изменений.

Загруженный полимерный материал измельчается смесительными и измельчающими инструментами 3, смешивается и при этом за счет введенной механической энергии трения нагревается и размягчается, однако не расплавляется. После определенного времени пребывания в бункере 1 гомогенизированный, размягченный, тестообразный, но не расплавленный материал выгружается из бункера 1 через отверстие 8, подается в зону питания экструдера 5, захватывается там шнеком 6 и расплавляется, что подробно поясняется ниже.

На высоте единственного в данном случае измельчающего и смесительного инструмента 3 в боковой стенке 9 бункера 1 выполнено упомянутое отверстие 8, через которое из бункера 1 выгружается предварительно обработанный полимерный материал. Он передается на расположенный по касательной на бункере 1 одношнековый экструдер 5, причем его корпус 16 имеет в своей боковой стенке питающее отверстие 80 для захватываемого шнеком 6 материала. Такой вариант имеет то преимущество, что шнек 6 может приводиться во вращение от нижнего на чертеже торцевого конца схематично показанным приводом, так что верхний на чертеже торцевой конец шнека 6 может быть свободен от привода. Это позволяет расположить на этом верхнем торцевом конце выходное отверстие для подаваемого шнеком 6, пластифицированного или агломерированного полимерного материала, например в виде головки экструдера (не показана). Поэтому полимерный материал, не отклоняясь шнеком 6, может подаваться через выходное отверстие, что невозможно в вариантах на фиг. 3 и 4.

Питающее отверстие 80 находится в подающей или передающей материал связи с отверстием 8 и связано с ним в данном случае напрямую, непосредственно и без длинной промежуточной детали. Предусмотрена лишь очень короткая зона передачи.

В корпусе 16 с возможностью вращения вокруг своей продольной оси 15 установлен компрессионный шнек 6. Продольная ось 15 шнека 6 и экструдера 5 совпадают. Экструдер 5 подает материал по стрелке 17. Экструдер 5 представляет собой известный сам по себе традиционный экструдер, в котором размягченный полимерный материал уплотняется и за счет этого расплавляется, а расплав выходит затем с противоположной стороны на головке экструдера.

Смесительные и/или измельчающие инструменты 3 или ножи 14 лежат почти на той же высоте или в той же плоскости, что и центральная продольная ось 15 экструдера 5. Крайние концы ножей 14 достаточно отстоят от гребней шнека 6.

Как уже сказано, в варианте на фиг. 1 и 2 экструдер 5 присоединен по касательной к бункеру 1 или проходит по касательной к его сечению. Воображаемое продолжение центральной продольной оси 15 экструдера 5 или шнека 6 против направления 17 транспортировки экструдера 5 назад ведет на чертеже мимо оси вращения 10, не пересекая ее. Продольная ось 15 экструдера 5 или шнека 6 смещена со стороны выхода в направлении 12 вращения на расстояние 18 относительно радиали 11 бункера 1, которая параллельна продольной оси 15 и направлена наружу от оси вращения 10 смесительного и/или измельчающего инструмента 3 в направлении 17 транспортировки экструдера 5. В данном случае воображаемое продолжение назад продольной оси 15 экструдера 5 не проходит через внутреннее пространство бункера 1, а проходит вплотную мимо него.

Расстояние 18 немного больше радиуса бункера 1. Экструдер 5 смещен тем самым незначительно наружу или зона питания немного глубже.

Под терминами «встречно направленный», «встречный» или «противоположный» следует понимать здесь любую ориентацию векторов по отношению друг к другу не под острым углом, как это подробно поясняется ниже.

Иначе говоря, скалярное произведение вектора 19 направления 12 вращения, который ориентирован по касательной к окружности, описываемой крайней точкой смесительного и/или измельчающего инструмента 3, или по касательной к проходящему мимо отверстия 8 материалу, и указывает в направлении 12 вращения или движения смесительных и/или измельчающих инструментов 3, и вектора 17 направления транспортировки экструдера 5, проходящий в направлении транспортировки параллельно центральной продольной оси 15, в каждой отдельной точке отверстия 8 или в зоне радиально непосредственно перед отверстием 8 везде равно нулю или отрицательное, но нигде не положительное.

У питающего отверстия на фиг. 1 и 2 скалярное произведение вектора 19 направления 12 вращения и вектора направления 17 транспортировки в каждой точке отверстия 8 отрицательное.

Угол α между векторами 17 и 19, измеренный в наиболее удаленной вверх по потоку от направления 12 вращения точке 20 отверстия 8 или на наиболее удаленном вверх по потоку краю отверстия 8, составляет почти максимально около 170°.

Если переместиться вдоль отверстия 8 дальше вниз, т.е. в направлении 12 вращения, то тупой угол α будет увеличиваться. В середине отверстия 8 угол между векторами направлений составляет около 180°, а скалярное произведение максимально отрицательное, дальше влево угол становится даже больше 180°, а скалярное произведение снова немного уменьшается, однако остается всегда отрицательным. Однако эти углы больше не называются углами α, поскольку они не измерены в точке 20.

Не показанный на фиг. 2, измеренный в середине или в центре отверстия 8 угол β между вектором 19 направления 12 вращения и вектором 17 направления транспортировки составляет 178-180°.

Устройство на фиг. 2 представляет собой первый крайний случай или экстремальное значение. При таком расположении возможно очень щадящее действие набивки, или возможна очень предпочтительная загрузка, и такое устройство предпочтительно, в частности, для восприимчивых материалов, обрабатываемых близко к области плавления, или для длиннополосного материала.

На фиг. 3 изображен альтернативный вариант, в котором экструдер 5 присоединен к бункеру 1 не по касательной, а своей торцевой стороной 7. Шнек 6 и корпус 16 экструдера 5 в зоне отверстия 8 приведены в соответствие с контуром внутренней стенки бункера 1 и заподлицо смещены назад. Ни одна часть экструдера 5 не проходит через отверстие 8 во внутреннее пространство бункера 1.

Расстояние 18 соответствует здесь 5-10% радиуса 11 бункера 1 и примерно половине внутреннего диаметра d корпуса 16. Таким образом, этот вариант представляет собой второй крайний случай или экстремальное значение с минимально возможным смещением или расстоянием 18, когда направление 12 вращения или движения смесительных и/или измельчающих инструментов 3, по меньшей мере, незначительно встречно направлено направлению 17 транспортировки экструдера 5, а именно по всей площади отверстия 8.

На фиг. 3 скалярное произведение равно точно нулю в той наиболее удаленной вверх по потоку точке 20, которая лежит на наиболее удаленном вверх по потоку краю отверстия 8. Угол α между вектором направления 17 транспортировки и вектором 19 направления 12 вращения, измеренный в точке 20 на фиг. 3, составляет точно 90°. Если переместиться вдоль отверстия 8 дальше вниз, т.е. в направлении 12 вращения, то угол между векторами направлений будет увеличиваться и станет тупым углом больше 90°, а скалярное произведение будет одновременно отрицательным. Ни в одной точке или ни в одной зоне отверстия 8 скалярное произведение не является, однако, положительным, или угол не меньше 90°. За счет этого локальная избыточная загрузка не может произойти даже на одном участке отверстия 8, или ни в одной зоне отверстия 8 не может произойти опасного превышения действия набивки.

В этом и заключается решающее отличие от чисто радиального расположения, поскольку точка 20 или кромка 20′ при радиальном расположении экструдера имела бы угол α меньше 90°, а зоны отверстия 8, лежащие справа рядом с радиалью 11 или вверх по потоку или со стороны входа, имели бы положительное скалярное произведение. Следовательно, в этих зонах мог бы скапливаться локально расплавленный полимерный материал.

На фиг. 4 изображен другой альтернативный вариант, в котором экструдер 5 со стороны выхода смещен немного дальше, чем на фиг. 3, однако еще не по касательной, как на фиг. 1 и 2. В данном случае, как и на фиг. 3, воображаемое продолжение назад продольной оси 15 экструдера 5 проходит через внутреннее пространство бункера 1 по типу секущей. Вследствие этого, при измерении в направлении периферии бункера 1 отверстие 8 шире, чем в варианте на фиг. 3. Также расстояние 18 соответственно больше, чем на фиг. 3, однако меньше радиуса 11. Угол α, измеренный в точке 20, составляет около 150°, благодаря чему по сравнению с фиг. 3 действие набивки уменьшается, что предпочтительнее для определенных восприимчивых полимеров. Правый от бункера 1 внутренний край или внутренняя стенка корпуса 16 примыкает к бункеру 1 по касательной, благодаря чему в отличие от фиг. 3 отсутствует тупая переходная кромка. В этой наиболее удаленной вниз по потоку точке отверстия 8, на фиг. 4 слева, угол составляет около 180°.

Чтобы у всех этих комбинаций бункер - экструдер достичь оптимальных условий в отношении времени пребывания полимерного материала для его предварительных измельчения, сушки и подогрева в бункере 1, его диаметр D находится в следующем отношении к наружному диаметру d шнека 6: D=10·³√K·d², где D - внутренний диаметр бункера 1 в мм, d - диаметр шнека 6 в мм, а K - постоянная, составляющая 60-180.

Как уже сказано, соотношение между внутренним диаметром D бункера 1 и диаметром d шнека 6 при относительно небольшом среднем времени пребывания материала обеспечивает то, что в питающее отверстие 80 корпуса 16 всегда поступает материал с достаточно постоянными термическими и механическими свойствами, даже если материал сложен в переработке, например пленочные остатки разного свойства (толщина, размер и т.д.). За счет своего особого направления 12 вращения относительно направления транспортировки шнека 6 смесительные или измельчающие инструменты 3 обеспечивают щадящее затягивание материала в экструдер 5 и достижение однородного расплава при высоком расходе.

Изобретение относится к устройству для предварительной обработки и последующей транспортировки или пластификации полимеров. Устройство содержит бункер с установленным в нем с возможностью вращения вокруг оси смесительным и/или измельчающим инструментом. В боковой стенке бункера выполнено отверстие, через которое выгружается полимерный материал, и предусмотрен транспортер с вращающимся в корпусе шнеком. Воображаемое продолжение продольной оси транспортера проходит против направления транспортировки транспортера мимо оси вращения. Продольная ось со стороны выхода смещена на расстояние от параллельной продольной оси радиали. Изобретение обеспечивает повышение производительности переработки материалов. 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для предварительной обработки и последующих транспортировки, пластификации или агломерирования полимеров, в частности термопластичных полимерных отходов для рециклирования, содержащее бункер (1) для перерабатываемого материала, в котором с возможностью вращения вокруг оси (10) установлен смесительный и/или измельчающий инструмент (3) для смешивания, нагрева и, при необходимости, измельчения полимерного материала, причем в боковой стенке (9) бункера (1) в зоне высоты смесительного и/или измельчающего инструмента (3) или ближайшего к дну смесительного и/или измельчающего инструмента (3) выполнено отверстие (8), через которое предварительно обработанный полимерный материал выгружается из бункера (1), причем предусмотрен, по меньшей мере, один транспортер (5), в частности экструдер (5), для приема предварительно обработанного материала, по меньшей мере, с одним установленным в корпусе (16) с возможностью вращения, в частности, пластифицирующим или агломерирующим шнеком (6), при этом корпус (16) имеет на своей торцевой стороне (7) или в своей боковой стенке питающее отверстие (80) для захватываемого шнеком (6) материала, которое сообщено с отверстием (8), отличающееся тем, что воображаемое продолжение центральной продольной оси (15) транспортера (5) или ближайшего к питающему отверстию (80) шнека (6) проходит против направления (17) транспортировки транспортера (5) мимо оси вращения (10), не пересекая ее, причем продольная ось (15) транспортера (5) или ближайшего к питающему отверстию (80) шнека (6) со стороны выхода и в направлении (12) вращения или движения смесительного и/или измельчающего инструмента (3) смещена на расстояние (18) от радиали (11) бункера (1), которая параллельна продольной оси (15) и направлена наружу от оси вращения (10) смесительного и/или измельчающего инструмента (3) в направлении (17) транспортировки транспортера (5), при этом диаметр D бункера (1) находится в следующем отношении к диаметру d шнека (6):
D=10·³√K·d²,
где D - внутренний диаметр бункера (1) в форме кругового цилиндра в мм или внутренний диаметр пересчитанного на ту же вместимость виртуального бункера в форме кругового цилиндра такой же высоты в мм, d - диаметр шнека (6) или ближайшего к питающему отверстию (80) шнека (6) в мм, а K - постоянная, составляющая 60-180.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что постоянная K составляет 90-170.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что расстояние А радиально крайней точки самого нижнего смесительного и/или измельчающего инструмента (3) или расстояние А описываемой этой точкой окружности от внутренней поверхности боковой стенки (9) бункера (1) ≥20 мм, в частности ≥20-60 мм.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для соединенного с бункером (1) транспортера (5) скалярное произведение вектора направления (19) вращения, который ориентирован по касательной к окружности, описываемой радиально крайней точкой смесительного и/или измельчающего инструмента (3), или к проходящему мимо отверстия (8) полимерному материалу и перпендикулярно радиали (11) бункера (1) и указывает в направлении (12) вращения и/или движения смесительного и/или измельчающего инструмента (3), и вектора (17) направления транспортировки транспортера (5) в каждой отдельной точке или во всей зоне отверстия (8) или непосредственно радиально перед отверстием (8) равно нулю или отрицательное.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что вектор направления (19) вращения радиально крайней точки смесительного и/или измельчающего инструмента (3) и вектор (17) направления транспортировки транспортера (5) заключают угол (α) ≥90°≤180°, измеренный в точке пересечения обоих векторов (17, 19) на лежащем вверх по потоку относительно направления (12) вращения или движения смесительного и/или измельчающего инструмента (3) краю отверстия (8) со стороны входа, в частности в наиболее удаленной вверх по потоку точке (20) на этом краю или отверстии (8).

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что вектор (19) направления (12) вращения или движения и вектор (17) направления транспортировки транспортера (5) заключают угол (β) 170-180°, измеренный в точке пересечения обоих векторов (17, 19) в центре отверстия (8).

7. Устройство по одному из пп. 1-6, отличающееся тем, что расстояние (18) больше или равно половине внутреннего диаметра корпуса (16) транспортера (5) или шнека (6) и/или больше или равно 7%, преимущественно больше или равно 20% радиуса бункера (1) или расстояние (18) больше или равно радиусу бункера (1).

8. Устройство по одному из пп. 1-6, отличающееся тем, что воображаемое продолжение продольной оси (15) транспортера (5) против направления транспортировки расположено по типу секущей к сечению бункера (1) и, по меньшей мере, частично проходит через внутреннее пространство бункера (1).

9. Устройство по одному из пп. 1-6, отличающееся тем, что транспортер (5) присоединен по касательной к бункеру (1) или проходит по касательной к его сечению или продольная ось (15) транспортера (5) или шнека (6) или продольная ось ближайшего к питающему отверстию (80) шнека (6) проходит по касательной к внутренней стороне боковой стенки (9) бункера (1), причем преимущественно шнек (6) соединен на своей торцевой стороне (7) с приводом, а на противоположном торцевом конце выполнен с возможностью транспортировки материала к расположенному на торцевом конце корпуса (16) выходному отверстию, в частности головке экструдера.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отверстие (8) непосредственно и напрямую и без существенного промежутка, в частности без передающего участка или транспортирующего шнека, соединено с питающим отверстием (80).

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что смесительный и/или измельчающий инструмент (3) содержит инструменты и/или ножи (14), которые в направлении (12) вращения или движения оказывают на полимерный материал измельчающее, режущее или нагревающее действие, причем инструменты и/или ножи (14) выполнены или расположены преимущественно на установленном с возможностью вращения, в частности параллельно дну (2), инструментодержателе (13), в частности несущем диске (13).

12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что воздействующие на полимерный материал, указывающие в направлении (12) вращения или движения передние участки или передние кромки (22) смесительных и/или измельчающих инструментов (3) или ножей (14) по-разному выполнены, установлены, искривлены и/или расположены по сравнению с задними или догоняющими в направлении (12) вращения или движения участками.

13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что бункер (1) выполнен, в основном, в форме кругового цилиндра с плоским дном (2) и ориентированной вертикально к нему боковой стенкой (9) и/или ось вращения (10) смесительных и/или измельчающих инструментов (3) совпадает с центральной средней осью бункера (1) и/или ось вращения (10) или центральная средняя ось ориентирована вертикально и/или перпендикулярно дну (2).

14. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что самый нижний инструментодержатель (13) или самый нижний из смесительных и/или измельчающих инструментов (3) и/или отверстие (8) расположено близко к дну (2) на небольшом расстоянии от него, в частности в зоне нижней четверти высоты бункера (1), преимущественно на расстоянии 10-400 мм от дна (2).

15. Устройство п. 1, отличающееся тем, что транспортер (5) представляет собой одношнековый экструдер (6) с единственным компрессионным шнеком (6) или двух- или многошнековый экструдер, причем диаметры d отдельных шнеков (6) одинаковы.