Способ и устройство для получения вспученного гранулята Российский патент 2019 года по МПК C04B20/06 F27B1/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к способу получения вспученного гранулята, изготовленного из песчаного минерального материала в форме зерен с использованием пропеллента, в частности, получения вспученного гранулята перлитового или обсидианового песка; при этом материал подают главным образом в вертикальную печь, в которой материал транспортируют в направлении пути транспортирования через множество разделенных по вертикали зон нагрева в шахте печи, в которой каждая из зон нагрева может нагреваться по меньшей мере одним независимо управляемым нагревательным элементом, при этом материал нагревают до критической температуры, при которой поверхности зерен песка становятся пластичными и зерна песка вспучиваются с помощью пропеллента; при этом вспученный материал выгружают из печи.

Кроме того, данное изобретение относится к устройству для получения вспученного гранулята песчаного материала в форме зерен, содержащем у главным образом вертикальную печь с шахтой печи, имеющей верхний конец и нижний конец, в которой путь транспортирования, который проходит через множество разделенных по вертикали зон нагрева, проходит между двумя концами, при этом каждая из зон нагрева имеет по меньшей мере один независимо управляемый нагревательный элемент для нагрева материала до критической температуры и вспучивания зерен песка.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Способ вспучивания замкнутых ячеек минеральных материалов, в частности песков вулканических пород, таких как перлит или обсидиан, известен из заявки на патент AT 12878 U1. В этом случае вспучивание происходит с помощью воды, которая находится в материале в связанном состоянии и действует в качестве пропеллента когда песчаный материал в форме зерен нагревают в шахтной печи до критической температуры, при которой поверхность зерен песка становится пластичной. Материал подают сверху в печь, и под действием силы тяжести он проваливается через участок падения в шахту печи.

В этом случае возникают подъемные силы, которые зависят от, в числе прочих факторов, плотности материала до и после процесса вспучивания, и эффекта образования воздушной тяги в шахте печи. В большинстве случаев эти факторы приводят к увеличению времени пребывания материала в шахте печи, что также может быть частично использовано в целях выборочного увеличения времени пребывания в шахте печи. Как правило, при таком подходе могут быть вспучены сырьевые пески с размерами зерен от 100 мкм до 700 мкм.

В то же время существенно меньшие размеры зерен материала, который подлежит вспучиванию, не могут быть реализованы в рамках известного способа, так как скорость погружения песка в (заполненной газом) шахте печи уменьшается с уменьшением размера зерна. Следовательно, от некоторого минимального размера зерна, зерна с размерами меньше минимального не могут быть использованы для осуществления известного способа вспучивания, так как подъемные силы слишком велики для этих зерен с размерами меньше минимального. Это означает, что такие зерна песка не в состоянии пройти через шахту печи, что, в частности, приводит к спеканию горячего материала на внутренних стенках шахты печи. Это, в свою очередь означает, что, к примеру, мелкозернистый материал с размерами зерен менее 100 мкм, образование которого неизбежно происходит при технологической подготовке вулканических песков, не может быть переработан в ценный конечный продукт в виде вспученных зерен песка или микросфер, а представляет собой бесполезные отходы.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Из этого следует, что целью данного изобретения является создание улучшенного способа вспучивания, который позволяет избежать упомянутых выше недостатков и, в частности, позволяет вспучивать мелкозернистый материал, а также целью данного изобретения является создание устройства для осуществления этого улучшенного способа.

ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сущностью изобретения является осуществление транспортирования песчаного материала в форме зерен через шахту печи с помощью воздушного потока таким образом, что материал подают вместе с объемом воздуха в шахту печи. С целью не допустить, чтобы возникающие подъемные силы приводили к неуправляемо долгому времени пребывания материала в шахте печи, транспортирование происходит с помощью воздуха или воздушного потока снизу вверх, то есть против силы тяжести. Благодаря этому может быть обеспечено, что вспучивание происходит только в верхней половине, предпочтительно только в верхней трети шахты печи или пути транспортирования через шахту печи. В свою очередь это позволяет избежать спекания зерен горячего песка на внутренней стенке шахты печи. Таким образом, так как время пребывания в шахте печи уже вспученных зерен песка может быть соответствующим образом выдержано малым, то не только спекание на внутренней стенке шахты печи, но также и склеивание вспученных зерен песка может быть уменьшено или предотвращено целенаправленным образом в случае, если этого склеивания следует избегать. Таким образом, подводя итог, следует отметить, что мелкодисперсный материал с диаметром зерен менее 100 мкм, который ранее представлял собой только отходы в известном способе, может быть переработан в ценный конечный продукт в виде вспученных микросфер.

В связи с этим, в соответствии сданным изобретением, предложен способ получения вспученного гранулята из песчаного минерального материала в форме зерен с использованием пропеллента, в частности, получения вспученного гранулята перлитового или обсидианового песка; при этом материал подают в преимущественно вертикальную печь, в которой материал транспортируют в направлении пути транспортирования через множество разделенных по вертикали зон нагрева в шахте печи, в которой каждая из зон нагрева может нагреваться по меньшей мере одним независимо управляемым нагревательным элементом, при этом материал нагревают до критической температуры, при которой поверхности зерен песка становятся пластичными и зерна песка вспучиваются с помощью пропеллента; при этом вспученный материал выгружают из печи. В соответствии с предложенным способом подача материала происходит вместе с подачей воздуха снизу, при этом материал транспортируют снизу вверх в направлении пути транспортирования с помощью объема воздуха, который течет снизу вверх в шахте печи и образует воздушный поток, и при этом вспучивание зерен песка происходит в верхней половине, предпочтительно в самой верхней трети пути транспортирования. Это означает, в частности, что материал добавляют к воздушному потоку в направлении транспортирования или в направлении движения воздушного потока, как это видно в шахте печи перед первым нагревательным элементом. Выгрузка в предпочтительном варианте осуществления изобретения происходит в верхнем конце шахты печи.

Аналогично этому в соответствии с данным изобретением предложено устройство для получения вспученного гранулята песчаного материала в форме зерен, содержащее преимущественно вертикальную печь с шахтой печи, имеющую верхний конец и нижний конец, и в которой путь транспортирования проходит между двумя концами, причем проходит через множество разделенных по вертикали зон нагрева, при этом каждая из зон нагрева имеет по меньшей мере один независимо управляемый нагревательный элемент для нагрева материала до критической температуры и вспучивания зерен песка. При этом предложено по меньшей мере одно устройство подачи для того, чтобы вводить невспученный материал вместе с объемом воздуха в нижнюю части шахты печи в направлении верхнего конца шахты печи таким образом, что и объем воздуха образует восходящий воздушный поток, с помощью которого материал транспортируют снизу вверх в направлении пути транспортирования для того, чтобы он мог быть вспучен в верхней половине, предпочтительно в самой верхней трети пути транспортирования. Можно было бы, к примеру, вводить объем воздуха в шахту печи при помощи сопла и подавать материал отдельно, как например, при помощи подсоединения трубы воздушного потока, выходящего из сопла, предпочтительно в месте самой высокой скорости воздуха. В этом случае материал может подаваться дозированным способом, при котором как подача с объемной дозировкой, так и подача с гравитационной дозировкой материала может рассматриваться в качестве возможных вариантов для дозировки.

В связи с тем, что процесс вспучивания представляет собой изоэнтальпический процесс, который сопровождается падением температуры, последнее может быть обнаружено заданным способом. Это в свою очередь может быть использовано для определения режима температурной обработки вспученных зерен песка после завершения осуществляемого процесса вспучивания с целью оказания воздействия на поверхностные свойства вспученных зерен песка. К примеру, может быть не допущен их повторный нагрев выше критической температуры в целях предотвращения растрескивания поверхности. Или напротив, такое новое повышение температуры может быть инициировано преднамеренно, если растрескивание поверхности зерен песка должно быть сознательно принято или даже преднамеренно допущено. В связи с этим в предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что при обнаружении первого снижения температуры материала между двумя последовательными положениями в направлении пути транспортирования, нагревательные элементы в направлении оставшегося пути транспортирования управляются в зависимости от критической температуры для того, чтобы предотвращать или целенаправленным образом создавать условия для увеличения температуры материала в направлении оставшегося пути транспортирования до критической температуры или выше ее.

Аналогичным образом в предпочтительном варианте осуществления устройства в соответствии с данным изобретением предусмотрены устройства измерения температуры материала для прямого и/или косвенного измерения температуры и/или изменения температуры материалам блок регулирования и управления, подключенный к устройствам измерения температуры материала и к нагревательным элементам зон нагрева, используют для того, чтобы обнаруживать первое снижение температуры материала, предпочтительно по меньшей мере на 20°С между двумя последовательными положениями в направлении пути транспортирования. Также предусмотрено, что нагревательные элементы являются управляемыми с помощью блока регулирования и управления в зависимости от критической температуры для того, чтобы предотвращать или целенаправленным образом создавать условия для увеличения температуры материала в направлении оставшегося пути транспортирования до критической температуры или выше ее.

Температурные датчики могут рассматриваться в качестве измерительных устройств для определения температуры материала, как например те, которые расположены в направлении пути транспортирования, и могут входить в соприкосновение с материалом, или предусмотрены только для определения температуры в шахте печи в соответствующих зонах нагрева без вступления в непосредственное соприкосновение с материалом.

Кроме того, температура материала и, в частности, изменение температуры материала могут быть очень легко определены косвенным путем при помощи измерительных устройств для определения потребляемой мощности нагревательных элементов, в качестве устройств для измерения температуры материала. В работающих на электрической энергии нагревательных элементах эти измерительные устройства могут быть практически ограничены теми, которые предназначены для измерения потребляемой электрической мощности, при этом принимается, что имеется известное напряжение питания.

Изменение температуры материала становится возможным при помощи определения изменения теплового потока от нагревательных элементов к материалу, который зависит от разности температур между нагревательными элементами и материалом. При нагревании материала разность температур между нагревательными элементами и материалом постепенно уменьшается. В связи с этим уменьшается тепловой поток, то есть обнаруживаемое изменение теплового потока при переходе от одной зоны нагрева к следующей зоне на первоначальном этапе является уменьшенным. Соответственно потребляемая мощность нагревательных элементов в направлении пути транспортирования уменьшается на первоначальном этапе. Сразу же после окончания процесса вспучивания и сопутствующего падения температуры разница температур между материалом и нагревательными элементами становится значительно большей, чем непосредственно перед процессом вспучивания. В связи с этим увеличивается тепловой поток, то есть наблюдаемое изменение теплового потока или потребляемой мощности нагревательных элементов от одной зоны нагрева к следующей зоне теперь увеличивается. Это обнаруживаемое увеличение теплового потока или потребляемой мощности нагревательных элементов является, таким образом, пригодным для определения падения температуры и ее диапазона в шахте печи.

В связи с этим в предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что изменение температуры материала в направлении пути транспортирования измеряют косвенно путем определения потребляемой мощности нагревательных элементов.

Еще в одном предпочтительном варианте осуществления данного изобретения результаты измерений температуры сравнивают или принимают во внимание вместе с результатами определения потребляемой мощности нагревательных элементов, и таким образом определяют местоположение зоны вспучивания для того, чтобы повысить точность такого обнаружения. В этом случае измерения температуры могут проводиться с помощью датчиков температуры, при использовании которых нет необходимости проводить какие-либо прямые измерения температуры материала.

Очень мелкий пылевидный или песчаный материал в форме зерен, подлежащий вспучиванию, в предпочтительном варианте осуществления данного изобретения обрабатывают перед его подачей на вспучивание, так как при транспортировании такого материала его агломерации, как правило, неизбежны. Таким агломерациям способствует влажность материала. Если бы такие агломераты были вспучены, то были бы получены агломераты вспученных зерен песка, что в большинстве случаев нежелательно. Вместо этого конечный продукт, как правило, должен относиться к отдельным микросферам. В связи с этим в большинстве случаев при подготовке материала предусматривают процесс его сушки.

Но даже в сухом состоянии транспортирование пылевидного материала практически невозможно без образования агломераций. В частности, нежелательные агломераты также образуются при транспортировании сухого пылевидного материала при помощи вибрирующих желобов. В связи с этим в соответствии с данным изобретением предложено диспергировать материал перед процессом вспучивания для того, чтобы избежать вспучивания агломератов. Соответственно, в предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что материал диспергируют в объеме воздуха, предпочтительно до того, как материал поступает в шахту печи.

Диспергирование может быть выполнено различными способами. В частности, для диспергирования материала было бы допустимым подвергнуть материал воздействию ультразвука в объеме воздуха.

Особенно простой и элегантный способ заключается в том, чтобы использовать для диспергирования сам объем воздуха. Для получения хорошего результата диспергирования необходимо просто следить за тем, чтобы объем воздуха протекал с достаточно высокой скоростью, и поэтому предпочтительно использовать сжатый воздух, который одномоментно образует указанный объем воздуха. Особенно компактная конструкция может быть реализована, если сжатый воздух и материал проходят через сопл о для распыления твердых частиц/воздуха. Поэтому в предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что диспергирование происходит с помощью сжатого воздуха в сопле для распыления твердых частиц/воздуха, предпочтительно с помощью расположенного вниз по потоку диффузора, соединенного с шахтой печи.

По аналогии в предпочтительном варианте осуществления устройства в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что по меньшей мере одно устройство подачи содержит сопло для распыления твердых частиц/воздуха, к которому могут быть поданы сжатый воздух и невспученный материал для диспергирования материала в объеме воздуха. Это означает, что объем воздуха в конечном итоге получают при помощи сопла и вводят в шахту печи. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления устройства в соответствии сданным изобретением предусмотрено, что устройство дополнительно содержит диффузор, который подсоединен ниже по потоку от сопла для распыления твердых частиц/воздуха и соединяется с нижним концом шахты печи. Для того, чтобы достичь особенно хорошего результата диспергирования и обеспечить оптимальную передачу дисперсного материала в шахту печи, в особенно предпочтительном варианте осуществления устройства в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что диффузор соединяется своим радиальным свободным концевым поперечным сечением с нижним концом шахты печи, которое равно радиальному свободному входному поперечному сечению шахты печи на ее нижнем конце.

Воздушный поток может обеспечить, что в шахте печи не остается вспученного материала. Для этой цели обычно достаточно измерять объем воздуха, принимая во внимание поперечное сечение шахты печи таким образом, чтобы гарантировать, что еще невспученный песок, который диспергирован в воздушном потоке, не падает обратно неуправляемым образом против воздушного потока. В связи с этим в предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что объем воздуха измеряют и подают таким образом, что подаваемый материал в шахте печи не падает сверху вниз против воздушного потока.

Нагрев воздуха и зерен песка в шахте печи, а также вспучивание зерен песка до микросфер обеспечивают то, что последние не остаются в шахте печи, а выгружаются вместе с воздухом из шахты печи. В связи с этим в предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что выгрузка вспученного материала происходит вместе с воздухом, нагретым в шахте печи в потоке газа и материала. Наличие потока газа и материала не означает, что воздух должен течь так же быстро, как и материал. Как правило, воздух течет быстрее, так что между газом и материалом существует относительная скорость, при этом эта относительная скорость, как правило, уменьшается в направлении пути транспортирования, то есть в нижней части шахты печи относительная скорость, как правило больше, чем в верхней части.

Для дальнейшего улучшения способа в соответствии с данным изобретением в описанном выше измерении объема воздуха может быть в дополнение к этому принят во внимание поток в пограничном слое, который неизбежно образуется сам по себе в области около внутренней стенки шахты печи с определенной радиальной протяженностью. В связи с этим в предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что объем воздуха измеряют и подают таким образом, что в верхнем конце шахты печи средняя скорость воздушного потока лежит в пределах от 50 до 95% от максимальной скорости потока в пограничном слое. При этом поток в пограничном слое образован воздушным потоком в области внутренней стенки, ограничивающей шахту печи в радиальном направлении, и имеет концентрацию материала, которая повышена по отношению к остальному воздушному потоку. При этом средняя скорость воздушного потока получена путем усреднения скорости воздушного потока в радиальном направлении от радиального центра шахты печи к внутренней стенке. В результате такой конфигурации объема воздуха или воздушного потока, спекание зерен песка на внутренней стенке может быть практически полностью исключено. Другим преимуществом такой конфигурации объема воздуха или воздушного потока является оптимальное время пребывания материала в шахте печи, что предотвращает его слишком раннее вспучивание и риск его чрезмерного вспучивания. При необходимости вспучивание может быть смещено в направлении конца шахты печи, то есть вверх, при помощи незначительного увеличения объема воздуха для того, чтобы дополнительно минимизировать риск чрезмерного вспучивания.

Следует также отметить, что шахта печи необязательно должна иметь вращательно-симметричную форму, и все же она должна иметь радиальный центр, который является центром эксплуатационного сечения шахты печи в поперечном направлении, предпочтительно перпендикулярно к направлению транспортирования. Ограничивающая в радиальном направлении внутренняя стенка окружает это эксплуатационное поперечное сечение.

Для того чтобы облегчить дальнейшую обработку вспученного материала или обращение с ним, в предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с данным изобретением в поток газа и материала добавляют охлаждающий воздух для охлаждения вспученного материала. В частности, это делает более простым разделение вспученного материала в фильтре и/или безопасное хранение вспученного материала в бункере.

По аналогии в предпочтительном варианте осуществления устройства в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что имеется по меньшей мере одно устройство подачи охлаждающего воздуха для подачи охлаждающего воздуха в поток газа и материала, который выходите верхнем конце шахты печи, с целью охлаждения вспученного материала. Указанное по меньшей мере одно устройство подачи охлаждающего воздуха как правило содержит питающую линию для охлаждающего воздуха и сопло, в которое открывается питающая линия и при помощи которого охлаждающий воздух вводится в поток газа и материала.

С целью дальнейшей обработки вспученного материала или микросфер, в частности для их упаковки и/или хранения, в предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что вспученный материал отделяют от потока газа и материала при помощи фильтра.

По аналогии, в предпочтительном варианте осуществления устройства в соответствии с данным изобретением предусмотрен фильтр для отделения вспученного материала от потока газа и материала, выходящего из верхнего конца шахты печи.

В особенно предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что отделение происходит при помощи фильтра после того, как вспученный материал был охлажден до температуры обработки, при этом температура обработки предпочтительно составляет величину менее или равную 100°С. Это позволяет применить экономичную в использовании конструкцию фильтра, так как требования к материалам указанного фильтра могут быть снижены в отношении их термической стойкости.

По аналогии, в особенно предпочтительном варианте осуществления устройства в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что по меньшей мере одно устройство подачи охлаждающего воздуха подсоединено выше по потоку от фильтра.

В предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что после выгрузки определяют размер и/или плотность вспученных зерен песка. Это позволяет определять и/или регулировать параметры процесса, в частности, температуру, до которой подлежит осуществлять нагрев, или подаваемое количество материала и воздуха, или среднюю скорость воздушного потока в шахте печи в зависимости от результата измерения размера и плотности вспученного материала. При таком подходе для обеспечения необходимого качества полученных микросфер, в частности, может быть выполнено автоматическое управление.

По аналогии, в особенно предпочтительном варианте осуществления устройства в соответствии с данным изобретением предусмотрено устройство для определения размера и/или плотности вспученных зерен песка. Соответствующие датчики, например, для оптического определения размера и плотности, в основном имеются в наличии на рынке.

В частности, необходимый размер полученных микросфер может быть обеспечен таким образом, при котором вспученные зерна песка, имеющие диаметр меньше или равный 150 мкм, в большинстве случаев считаются микросферами. В связи с этим в предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что вспученные зерна песка имеют средний диаметр меньше или равный 150 мкм, предпочтительно меньше или равный 100 мкм, более предпочтительно меньше или равный 75 мкм.

Следует также отметить, что для регулирования или настройки параметров процесса можно дополнительно или в качестве варианта выполнять и дальнейшие контрольные измерения. В частности, оптические датчики могут использоваться для автоматического оптического контроля качества поверхности полученных микросфер для определения, открыты ли они или закрыты.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Далее изобретение будет объяснено более подробно со ссылкой на вариант осуществления изобретения. Графические материалы представлены в качестве примера и предназначены для объяснения концепции изобретения, но никоим образом не ограничивают его или даже не воспроизводят его в окончательном виде, при этом:

На Фиг. 1 проиллюстрировано схематическое изображение устройства в соответствии с данным изобретением в графическом представлении способа в соответствии с данным изобретением;

На Фиг. 2 проиллюстрирована диаграмма распределения скорости воздушного потока в шахте печи по линии пересечения А-А на Фиг. 1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 проиллюстрировано схематическое изображение устройства в соответствии с данным изобретением, с использованием которого может быть осуществлен способе соответствии с данным изобретением для получения вспученных микросфер 29 или соответственно вспученного гранулята 29. Исходным материалом для вспученных микросфер 29 является песчаный или пылевидный материал с пропеллентом. В иллюстративном варианте осуществления данного изобретения принято, что перлитовый песок 1 является материалом, в перлите которого в связанном состоянии находится вода, которая действует в качестве пропеллента во время процесса вспучивания.

Для осуществления процесса вспучивания устройство в соответствии с данным изобретением содержит печь 2, в которой расположена шахта 3 печи, которая проходит вертикально от нижнего конца 19 до верхнего конца 18 снизу вверх. Путь транспортирования 4, который обозначен на Фиг. 1 с помощью пунктирной линии, проходит между концами 19, 18. Эта линия в то же самое время обозначает радиальный центр 17 шахты 3 печи. В печи 2 предусмотрено множество зон нагрева 5, расположенных одна над другой, по ходу направления транспортирования 32, через который проходит путь транспортирования 4. Каждая из зон нагрева 5 снабжена по меньшей мере одним независимо управляемым нагревательным элементом 6, который, в частности, может относиться к электрическому нагревательному элементу 6. При помощи нагревательных элементов 6 перлитовый песок 1 в печи 2 или в шахте 3 печи может быть доведен до критической температуры, при которой поверхности зерен перлитового песка 1 становятся пластичными и зерна перлитового песка 1 вспучиваются с помощью пропеллента, который в данном случае является водяным паром.

В соответствии сданным изобретением перлитовый песок 1 вместе с объемом воздуха подают на нижнем конце 19 в печь 2 или в шахту 3 печи, и нагнетают в направлении верхнего конца 18, то есть снизу вверх. Для этого нагнетания предусмотрено сопло для распыления твердых частиц/воздуха 10. Указанное соплос одной стороны снабжают при помощи дозирующего шнека 8 перлитовым песком 1, который хранится в контейнере 7 мелкозернистого песка. С другой стороны сопло для распыления твердых частиц/воздуха 10 снабжают сжатым воздухом 30. Сопло для распыления твердых частиц/воздуха 10 обеспечивает формирование нижней части воздушного потока 14, при помощи которого перлитовый песок 1 транспортируют снизу вверх по пути транспортирования 4 в направлении транспортирования 32. В результате транспортирования снизу вверх и действия возникающих подъемных сил предотвращается то, что время пребывания перлитового песка 1 или вспученного гранулята 29 в шахте 3 печи становится неконтролируемо долгим. В тоже самое время может быть обеспечено, чтобы вспучивание происходило только в верхней половине, предпочтительно в самой верхней трети шахты 3 печи или пути транспортирования 4. В результате этого спекание перлитового песка 1 или вспученного гранулята 29 на внутренней стенке 16 шахты 3 печи может быть предотвращено так же, как и склеивание отдельных зерен перлитового песка 1 и вспученного гранулята 29 друг с другом.

Как правило, перлитовый песок 1 непосредственно перед его вспучиванием имеет температуру около 780°С. Так как процесс вспучивания, в ходе которого вспучиваются зерна перлитного песка 1, является изоэнтальпическим процессом, то перлитовый песок 1 охлаждается во время вспучивания в большинстве случаев до температуры примерно 590°С, что также называют падением температуры. В зависимости от материала падение температуры составляет по меньшей мере 20°С, предпочтительно по меньшей мере 100°С. Обнаружение падения температуры или обнаружение местоположения, в котором происходит падение температуры в шахте 3 печи, позволяет регулировать температуру нагревательных элементов 6 в направлении оставшегося пути транспортирования 4 целенаправленным образом, в частности, воздействовать на структуру поверхности или поверхностные свойства вспученного гранулята 29.

Соответственно предусмотрено множество положений 9 для измерения температуры в направлении пути транспортирования 4 для того, чтобы иметь возможность определять местоположение падения температуры. В этом случае в данном иллюстративном варианте осуществления изобретения не выполняют измерение абсолютной температуры, но в то же время определяют потребляемую мощность нагревательных элементов 6 или определяют, как эта потребляемая мощность изменяется в направлении пути транспортирования 4. Сразу же после процесса вспучивания и сопутствующего падения температуры, разность температуры между вспученным гранулятом 29 и нагревательными элементами 6 является значительно большей, чем между перлитовым песком 1 и нагревательными элементами 6 непосредственно перед процессом вспучивания. В связи с этим тепловой поток также увеличивается. Это означает, что наблюдаемое изменение теплового потока или потребляемой мощности нагревательных элементов 6 от одной зоны нагрева 5 к следующей происходит сего увеличением, в то время как из-за последовательного нагревания перлитового песка 1 до процесса вспучивания изменение потребляемой мощности в направлении пути транспортирования 4 происходит с ее уменьшением.

С целью управления, в частности, для управления на оставшемся, после падения температуры, участке пути транспортирования 4 нагревательные элементы 6 соединены с блоком регулирования и управления (не показан) таким образом, что увеличение температуры материала в направлении оставшегося пути транспортирования 4 при критической температуре или выше ее может быть выборочно предотвращено или разрешено.

Полученные таким образом микросферы 29 имеют диаметр меньше или равный 150 мкм. Для того чтобы на самом деле получать отдельные микросферы 29 в конечном продукте и не слишком большие частицы в форме агломератов микросфер 29, перлитовый песок 1 в шахте печи должен быть лишен возможности образовывать агломераты, которые затем вспучиваются в соответствующие агломераты микросфер 29. Процессу агломерации перлитового песка 1 способствует влага. В связи с этим перлитовый песок 1 подвергают обработке перед тем, как он поступает в контейнер 7 мелкозернистого песка, при этом предварительная обработка включает в себя процесс сушки. Тем не менее, так как даже в сухом состоянии транспортирование мелкодисперсного пылевидного перлитового песка 1 почти не возможно без образования агломератов, перлитовый песок 1 диспергируют в определенном объеме воздуха, с которым его подают в шахту 3 печи.

Диспергивание проводят в варианте осуществления данного изобретения, который проиллюстрирован при помощи сопла для распыления твердых частиц/воздуха 10. В дополнение к этому предусмотрен диффузор 11, который соединяется с одной стороны с соплом для распыления твердых частиц/воздуха 10, а с другой стороны - с нижним концом 19 шахты 3 печи. Диффузор 11 имеет эксплуатационное радиальное поперечное сечение, которое расширяется, как это видно, в направлении транспортирования 32 до радиального концевого поперечного сечения 22. Радиальное концевое поперечное сечение 22 имеет тот же размер, что и радиальное входное поперечное сечение 23 шахты 3 печи на ее нижнем конце 19, что обеспечивает наиболее оптимальное перемещение диспергированного перлитового песка 1 из диффузора 11 в шахту 3 печи.

После завершения процесса вспучивания, вспученный гранулят 29 вместе с воздухом, нагретым в шахте 3 печи, выпускают в верхнем конце 18 шахты 3 печи после его прохождения через концевой участок 24 шахты 3 печи. Отсюда следует, что микросферы 29 присутствуют в составе потока газа и материала 12.

С помощью линии подачи 25 охлаждающий воздух добавляют в поток газа и материала 12 после того, как он вышел из шахты 3 печи. В результате вспученный гранулят 29 охлаждают предпочтительно до температуры обработки меньшей или равной 100°С, что облегчает дальнейшее обращение со вспученным гранулятом 29, в частности во время его дальнейшей обработки.

Поток газа и материала 12 поставляют в устройство 20 для измерения размера частиц с целью определения размера микросфер 29.

После этого поток газа и материала 12 подают в фильтр 13 для того, чтобы отделить вспученный гранулят 29 от потока газа и материала 12. Отработанный воздух 28, профильтрованный через фильтр 13, выпускают в атмосферу при помощи вентилятора 27, расположенного ниже по потоку от фильтра 13.

В отличие от этого, отделенный вспученный гранулят 29 в первую очередь подают через лопастной дозатор 26, подсоединенный по потоку от фильтра 13, в устройство для измерения плотности 21, в котором определяют плотность вспученного гранулята 29 до того, как он будет отведен в бункер для хранения 31.

Известные устройства могут использоваться как в качестве устройства 20 для измерения размера частиц, так и в качестве устройства 21 для измерения плотности, которые работают, к примеру, по принципу оптических датчиков.

Определение размера частиц и плотности вспученного гранулята 29 позволяет устанавливать такие параметры процесса, как: температура или распределение температуры в шахте 3 печи или в направлении пути транспортирования 4, или количество перлитового песка 1 или подаваемого объема воздуха, в зависимости от результатов измерений измерительными устройствами 20, 21. В частности, таким образом можно осуществлять автоматическое управление для того, чтобы установить необходимое качество вспученного гранулята, в частности необходимый размер и плотность микросферы 29. В частности, может быть предусмотрен блок регулирования и управления (не показан) для обработки результатов измерений измерительными устройствами 20, 21 и, в соответствии с этим, для регулирования параметров процесса.

Параметры процесса также включают в себя скорость у воздушного потока 14 в шахте 3 печи. Следует также отметить, что в области около внутренней стенки 16 образуется пограничный слой 15 воздушного потока 14, при этом пограничный слой 15 имеет конкретную протяженность в радиальном направлении. Пограничный слой 15 отличается тем, что по сравнению с остальным воздушным потоком 14 он содержит повышенную концентрацию перлитового песка 1 и микросфер 29.

На Фиг. 2 проиллюстрированы условия потока через шахту 3 печи вдоль радиального сечения по линии пересечения А-А на Фиг. 1. Следует иметь в виду, что скорость v потока в пограничном слое 15 первоначально значительно возрастает от внутренней стенки 16 по направлению к радиальному центру 17 до максимальной скорости v_b,max потока в пограничном слое 15 (обозначенного на Фиг. 2 штрих-пунктирной стрелкой). Далее по направлению к радиальному центру 17 скорость v не увеличивается или, как проиллюстрировано на Фиг. 2, незначительно увеличивается. Если скорость v усредняют от радиального центра 17 до внутренней стенки 16, то результатом является средняя скорость v_a, которая обозначена на Фиг. 2 толстой стрелкой. Обширные эксперименты показали, что спекание перлитового песка 1 или микросфер 29 на внутренней стенке 16 может быть практически полностью исключено, если воздушный поток 14 рассчитан или задан таким образом, что средняя скорость v_a в верхнем конце 18 шахты 3 печи находится в диапазоне от 50% до 95% от v_b,mах. В проиллюстрированном варианте осуществления данного изобретения v_a составляет около 90% от v_b,max.

В этом случае воздушный поток 14 может регулироваться путем подходящего выбора конструкции сопла для распыления твердых частиц/воздуха 10, и/или путем выбора подходящего давления сжатого воздуха 30. Последнее может в основном также быть выполнено автоматически при помощи блока регулирования и управления (не показан).

СПИСОК ПОЗИЦИОННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 Перлитовый песок

2 Печь

3 Шахта печи

4 Путь транспортирования

5 Зона нагрева

6 Нагревательный элемент

7 Контейнер мелкозернистого песка

8 Дозирующий шнек

9 Положение для измерения температуры

10 Сопло для распыления твердых частиц/воздуха

11 Диффузор

12 Поток газа и материала

13 Фильтр

14 Воздушный поток

15 Поток в пограничном слое

16 Внутренняя стенка

17 Радиальный центр шахты печи

18 Верхний конец шахты печи

19 Нижний конец шахты печи

20 Устройство для измерения размера частиц

21 Устройство для измерения плотности

22 Радиальное концевое поперечное сечение диффузора

23 Радиальное входное поперечное сечение шахты печи на ее нижнем конце

24 Концевой участок шахты

25 Линия подачи охлаждающего воздуха

26 Лопастной дозатор

27 Вентилятор

28 Очищенный отработанный воздух

29 Вспученный гранулят / микросфера

30 Сжатый воздух

31 Бункер для хранения

32 Направление транспортирования

v Скорость воздушного потока

v_a Средняя скорость воздушного потока

V_b,max Максимальная скорость потока в пограничном слое

Группа изобретений относится к способу и устройству для получения вспученного гранулята перлитового или обсидианового песка. Способ получения вспученного гранулята (29), изготовленного из песчаного минерального материала (1) в форме зерен, с использованием пропеллента, в частности получения вспученного гранулята перлитового песка (1) или обсидианового песка; в котором материал (1) подают в преимущественно вертикальную печь (2), в которой материал (1) транспортируют в направлении пути транспортирования (4) через множество разделенных по вертикали зон нагрева (5) в шахте (3) печи (2), в которой каждая из зон нагрева (5) выполнена с возможностью нагрева по меньшей мере одним независимо управляемым нагревательным элементом (6); при этом материал (1) нагревают до критической температуры, при которой поверхности зерен песка (1) становятся пластичными, и зерна песка (1) вспучиваются с помощью пропеллента; а вспученный гранулят (29) выгружают из печи (2), включает этап, на котором материал (1) подают вместе с объемом воздуха снизу, при этом материал (1) транспортируют снизу вверх в направлении пути транспортирования (4) при помощи объема воздуха, который течет снизу вверх внутри шахты (3) печи и образует воздушный поток (14), и при этом вспучивание зерен песка (1) происходит в верхней половине, предпочтительно в самой верхней трети пути транспортирования (4). Группа изобретений развита в зависимых пунктах формулы. Технический результат – создание улучшенного способа вспучивания и устройства, которые позволяют вспучивать мелкозернистый материал. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения вспученного гранулята (29), изготовленного из песчаного минерального материала (1) в форме зерен, с использованием пропеллента, в частности получения вспученного гранулята перлитового песка (1) или обсидианового песка; в котором материал (1) подают в преимущественно вертикальную печь (2), в которой материал (1) транспортируют в направлении пути транспортирования (4) через множество разделенных по вертикали зон нагрева (5) в шахте (3) печи (2), в которой каждая из зон нагрева (5) выполнена с возможностью нагрева по меньшей мере одним независимо управляемым нагревательным элементом (6); при этом материал (1) нагревают до критической температуры, при которой поверхности зерен песка (1) становятся пластичными, и зерна песка (1) вспучиваются с помощью пропеллента; а вспученный гранулят (29) выгружают из печи (2), включающий этап, на котором материал (1) подают вместе с объемом воздуха снизу, при этом материал (1) транспортируют снизу вверх в направлении пути транспортирования (4) при помощи объема воздуха, который течет снизу вверх внутри шахты (3) печи и образует воздушный поток (14), и при этом вспучивание зерен песка (1) происходит в верхней половине, предпочтительно в самой верхней трети пути транспортирования (4).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при обнаружении первого снижения температуры материала (1) между двумя последовательными положениями (9) в направлении пути транспортирования (4) нагревательными элементами (6) управляют в направлении оставшегося пути транспортирования (4) в зависимости от критической температуры для того, чтобы предотвратить или специально позволить повышение температуры материала в направлении оставшегося пути транспортирования (4) до критической температуры или выше ее.

3. Способ по одному из пп. 1, 2, отличающийся тем, что изменение температуры материала (1) в направлении пути транспортирования (4) измеряют косвенным путем при помощи определения потребляемой мощности нагревательных элементов (6).

4. Способ по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что материал (1) диспергируют в объеме воздуха, предпочтительно перед тем, как материал (1) поступает в шахту (3) печи.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что диспергирование выполняют при помощи сжатого воздуха (30) в сопле для распыления твердых частиц/воздуха 10, предпочтительно с расположенным ниже по потоку диффузором (11), который соединяется с шахтой печи (3).

6. Способ по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что выгрузка вспученного гранулята (29) происходит вместе с воздухом, нагретым в шахте (3) печи в потоке газа и материала(12).

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что охлаждающий воздух добавляют к потоку газа и материала (12) для охлаждения вспученного гранулята (29).

8. Способ по одному из пп. 6, 7, отличающийся тем, что вспученный гранулят (29) отделяют от потока газа и материала (12) при помощи фильтра (13).

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что отделение происходит при помощи фильтра (13) после того, как вспученный гранулят (29) был охлажден до температуры технологической обработки, при этом температура технологической обработки предпочтительно меньше или равна 100°С.

10. Способ по одному из пп. 1-9, отличающийся тем, что объем воздуха измеряют и подают таким способом, что подаваемый материал (1) в шахте (3) печи не падает сверху вниз против воздушного потока (14).

11. Способ по одному из пп. 1-10, отличающийся тем, что объем воздуха измеряют и подают таким способом, что в верхнем конце (18) шахты (3) печи средняя скорость (v_a) воздушного потока (14) находится в пределах от 50% до 95% от максимальной скорости (v_{b, max}) потока в пограничном слое (15), при этом пограничный слой (15) формируется воздушным потоком (14) около внутренней стенки (16), которая ограничивает шахту (3) печи в радиальном направлении, который имеет повышенную концентрацию материала (1) по сравнению с остальным воздушным потоком (14), и при этом среднюю скорость (v_a) воздушного потока (14) определяют путем усреднения скорости (v) воздушного потока (14), двигаясь в радиальном направлении из радиального центра (17) шахты (3) печи к внутренней стенке (16).

12. Способ по одному из пп. 1-11, отличающийся тем, что определяют размер и/или плотность вспученных зерен песка (29) и регулируют параметры процесса в зависимости от размера и/или плотности вспученных зерен песка (29) таким образом, что вспученные зерна песка (29) имеют средний диаметр менее или равный 150 мкм, предпочтительно менее или равный 100 мкм, более предпочтительно менее или равный 75 мкм.

13. Способ по одному из пп. 1-12, отличающийся тем, что после выгрузки определяют размер и/или плотность вспученных зерен песка (29).

14. Устройство для получения вспученного гранулята (29) песчаного материала (1) в форме зерен, содержащее преимущественно вертикальную печь (2) с шахтой (3) печи, имеющей верхний конец (18) и нижний конец (19), в которой путь транспортирования (4) проходит между двумя концами (18, 19) и проходит через множество вертикально разделенных зон нагрева (5), при этом каждая из зон нагрева (5) имеет по меньшей мере один независимо управляемый нагревательный элемент (6) для нагрева материала (1) до критической температуры и вспучивания зерен песка (1), отличающееся тем, что предусмотрено по меньшей мере одно устройство подачи (10) для ввода невспученного материал (1) вместе с объемом воздуха в нижнем конце (19) шахты (3) печи в направлении верхнего конца (18) шахты (3) печи таким образом, что объем воздуха образует восходящий воздушный поток (14), с помощью которого материал (1) транспортируют снизу вверх в направлении пути транспортирования (4) для его вспучивания в верхней половине, предпочтительно в самой верхней трети пути транспортирования (4).

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что содержит устройства измерения температуры материала для прямого и/или косвенного измерения температуры и/или изменения температуры материала (1), а также блок регулирования и управления, который подключен к устройствам измерения температуры материала и к нагревательным элементам (6) зон нагрева (5), для того, чтобы обнаруживать первое снижение температуры материала (1), предпочтительно по меньшей мере на 20°С, между двумя последовательными положениями (9) в направлении пути транспортирования (4), и что нагревательные элементы (6) выполнены с возможностью управления при помощи блока регулирования и управления в зависимости от критической температуры для того, чтобы предотвращать или специально позволять увеличение температуры материала в направлении оставшегося пути транспортирования (4) до критической температуры или выше ее.

16. Устройство по одному из пп. 14, 15, отличающееся тем, что указанное по меньшей мере одно устройство подачи содержит сопло для распыления твердых частиц/воздуха (10), к которому сжатый воздух (30) и невспученный материал (1) могут быть поданы для того, чтобы диспергировать материал (1) в объеме воздуха.

17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит диффузор (11), который предусмотрен ниже по потоку от сопла для распыления твердых частиц/воздуха (10) и который соединен с нижним концом (19) шахты (3) печи.

18. Устройство по п. 17, отличающееся тем, что диффузор (11) соединен с нижним концом шахты (3) печи своим радиальным эксплуатационным концевым поперечным сечением (22), которое равно радиальному эксплуатационному входному поперечному сечению (23) шахты (3) печи на ее нижнем конце (19).

19. Устройство по одному из пп. 14-18, отличающееся тем, что содержит фильтр (13) для отделения вспученного материала (1) от потока газа и материала (12), который выходит из шахты (3) печи на ее верхнем конце (18).

20. Устройство по одному из пп. 14-19, отличающееся тем, что по меньшей мере одно устройство подачи охлаждающего воздуха (25) выполнено с возможностью подачи охлаждающего воздуха, для охлаждения вспученного материала (1), в поток газа и материала (12), который выходит из шахты (3) печи в ее верхнем конце (18).

21. Устройство по п. 19, отличающееся тем, что по меньшей мере одно устройство подачи охлаждающего воздуха (25) выполнено с возможностью подачи охлаждающего воздуха для охлаждения вспученного материала (1) в поток газа и материала (12), который выходит из шахты (3) печи в ее верхнем конце (18), причем указанное по меньшей мере одно устройство подачи охлаждающего воздуха (25) подсоединено выше по потоку от фильтра (13).

22. Устройство по одному из пп. 14-21, отличающееся тем, что содержит устройства (20, 21) для определения размера и/или плотности вспученных зерен песка (29).