СПОСОБ ПОСТАДИЙНОЙ ГОМОГЕНИЗАЦИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ СМЕСЕЙ Российский патент 2023 года по МПК B01F27/70 B01F27/72 B01F33/30 

Изобретение относится к способу непрерывного смешения полидисперсных материалов с органическими и минеральными техногенными добавками, микрофибронаполнителями с применением устройства рециркуляционного и многофункционального действия. Способ гомогенизации полидисперсных материалов в рециркуляционном смесителе может быть использован в химической, строительной, топливной и других отраслях промышленности при производстве композиционных смесей и изделий из них.

Известны способы приготовления гомогенных композиционных смесей и устройства для них с реализацией различных технологических задач. Для крупномасштабного и мелкомасштабного (макро и микросмешения) композиционных смесей со связующим и использованием специальной смесительной камеры и устройствами смешения.

(Патент РФ №2505 348, МПК В01F 7/04, заявл. 17.07.2012, заявка №201 213 0359/09. Опубл. 27.01.2014, бюл. №3, способ смешивания и устройство для его осуществления).

Недостатком указанного способа является получение неоднородной смеси, что связано со сложностью в перемещении исходных материалов через различные узлы, смешения при реверсивном вращении рабочих органов и дискретном перемещении компонентов.

Известен также способ и устройство для непрерывного смешивания волокон со связующим (Патент РФ №2521579, МПК В01/F 7/02, заявл. 11.05.2010, заявка №2011151080/05, опубл. 27.06.2014, бюл. №17) отличающийся тем, что процесс смешения реализуется в одной или нескольких камерах за счет использования закрепленных на валу высокоскоростных игольчатых гребней (n=2000-4000 об/мин, центробежное ускорение волокон - а_ц =(10-30)10³ м/сек² , что сопровождается большими энергозатратами при реализации процесса гомогенизации смеси.

Наиболее близким техническим решением является способ гомогенизации полидисперсных материалов, реализуемый в рециркуляционном смесителе комбинированного действия (Патент № 2788202 C1 Российская Федерация, МПК A23N 17/00. Рециркуляционный смеситель комбинированного действия: № 2022112968: заявл. 13.05.2022: опубл. 17.01.2023 / С. Н. Глаголев, В. С. Севостьянов, А. М. Проценко [и др.]).

В указанном техническом решении реализуется способ гомогенизации основных исходных компонентов (кремнеземистых, минеральных вяжущих, различных заполнителей и др., составляющих основную массу смеси) и различных гетерогенных добавок (микрофибр, пластификаторов, пигментов и др.) во взаимосвязанных между собой камерах, оснащенных внутренними устройствами с развитой винтовой поверхностью и обеспечивающих интенсивный рециклинг материала с высоким качеством приготовляемых смесей. Камеры объединены в единый технологический блок, состоящий из камеры макро и микросмешения исходных компонентов, камеры гомогенизации гетерогенных добавок, а также камеры интенсификации окончательного смешивания или агломерирования композиционной смеси.

Известный способ гомогенизации разнородных компонентов, реализуемый в рециркуляционном смесителе, обладает многофункциональными технологическими возможностями получения качественных гомогенных смесей при определенных сочетаниях процессов смешивания компонентов с различными физико-механическими характеристиками (насыпной плотностью; геометрической формой и гранулометрией, сыпучестью, коэффициентами внутреннего трения, влагопотребностью и др.).

С признаками прототипа совпадает следующая совокупность признаков: реализация способа гомогенизации полидисперсных материалов, включающего процессы последовательного и параллельного смешивания гетерогенных компонентов в камерах, оснащенных внутренними устройствами, обеспечивающими интенсивный рециклинг материалов.

Недостатком прототипа являются ограниченные технологические возможности из-за жесткой технологической и механической взаимосвязи отдельных процессов, что затрудняет реализацию максимально возможных технологических операций в одном агрегате и функциональные возможности способа.

Задача, на решение которой направлен предлагаемый способ, является расширение функциональных возможностей за счет использования полидисперсных и волокнистых материалов с различными физико-механическими характеристиками и физико-химическими свойствами для получения гомогенных композиционных смесей при реализации инновационных технологий. А также, ресурсосберегающих технологий комплексной переработки органических и минеральных техногенных материалов с возможностью получения из композиционных смесей различных видов товарной продукции. К числу таких техногенных материалов, например, можно отнести: высокодисперсный технический углерод низкотемпературной термолизной технологии (Т≤500°С, патент № 2744225 РФ); полимерных, древесных, целлюлозно-бумажных отходов (№ 2724667, №2755436, №2567519) в измельченном состоянии, механоактивированных кремнеземистых материалов и вяжущих (цемента, извести); базальтовых волокнистых отходов (№2692624), полученных из них фибронаполнителей для архитектурно-строительных смесей и изделий, в т.ч. 3D-технологий и др.

Задача решается за счет того, что способ реализует постадийный процесс гомогенизации композиционных смесей, включающий последовательное и параллельное смешивание гетерогенных компонентов, с помощью внутренних устройств с развитой винтовой поверхностью. Внутренние устройства обеспечивают интенсивный рециклинг материалов.

В предлагаемом решении гомогенизация исходных основных компонентов осуществляется в «камере макросмешивания в сочетании с камерой (или камерами) микросмешивания».

Приготовление гомогенных композиционных смесей из гетерогенных макро и микродобавок выполняется в «камере смешивания добавок» и отдельно в «камере макро и микросмешивания».

Получение совмещенной композиционной смеси из основных компонентов - способом их последовательного макро и микросмешивания и параллельного смешивания добавок.

Отдельное приготовление композиционных смесей из основных компонентов и смеси гетерогенных добавок с фибронаполнителями осуществляется в «камере макро и микросмешивания» и «камере приготовления добавок» в сочетании с «камерой интенсификации окончательного смешивания материалов».

Получение гомогенных многокомпонентных смесей с гетерогенными добавками и фибронаполнителями и объединением обоих материальных потоков - в «камере интенсификации окончательного смешивания материалов». Получение микрогранулированной композиционной смеси осуществляется в «камере макросмешивания» с параллельно установленными между собой «камерами микросмешивания» и приготовления смеси гетерогенных добавок, а также с объединяющей их «камерой окончательного смешивания и агломерирования смеси».

Массовое отношение исходных основных компонентов, приготавляемых в камерах макро и микросмешивания, к количеству гетерогенных компонентов смеси камеры добавок устанавливается как (80-85)% к (15÷20)%.

Содержание макроармирующего компонента готовой композиционной смеси не превышает (10-15)%.

Содержание микроармирущего компонента в гранулируемом состоянии – не более 80%, кроме того, размеры микрогранулята композиционной смеси или смеси добавок, агломерированных в камере интенсификации окончательного смешивания и микрогранулирования, не превышают (5-7) мм.

Способ реализации постадийной гомогенизации композиционных смесей представлен на базовой схеме движения материальных потоков (фиг. 1) в рециркуляционном смесителе комбинированного действия, а также на схемах (фиг. 2; фиг. 3; фиг. 4; фиг. 5; фиг. 6; фиг. 7), представляющих различные варианты организации технологических процессов – способов смешения.

Наличие в способе вариантов реализации процессов гомогенизации многокомпонентных смесей с гетерогенными добавками позволяет приготовить смесь как в полидисперсном, так и микрогранулированном состоянии. В зависимости от необходимого технологического результата каждый из предлагаемых вариантов способа гомогенизации и микрогранулирования композиционных смесей имеет расширенную вариативность практической реализации в различных областях использования минеральных и органических материалов (компонентов).

Массовое отношение исходных основных компонентов, приготавливаемых в камерах макро и микросмешивания, к количеству гетерогенных компонентов смеси камеры добавок должно составлять (80-85)% к (15-20)%. Данное соотношение обусловлено как реальными практическими значениями базовых компонентов и смеси добавок для указанных многокомпонентных смесей, так и конструктивно-технологическим исполнением рабочих органов указанных камер, обладающих различной производительностью и соответствующим обеспечением качества смесей.

Содержание макроармирующего компонента готовой композиционной смеси не должно превышать (10-15)%, что обусловлено граничными условиями введения фибронаполнителей для повышения качества изготавливаемых строительных изделий или покрытий (прочности на сжатие, трещиностойкости и др.) из получаемых смесей.

Содержание микроармирующего компонента в гранулируемых композиционных смесях (гранулах размером до (5-7) мм) не должно превышать 80%, что обусловлено необходимостью использования при гранулировании специальных добавок: связующего, пластификаторов и др., которые должны составлять не менее 20%.

Указанные в формуле и описании процентное содержание смешиваемых компонентов является оптимальным, что было подтверждено при проведении опытно-промышленных исследований в научно-исследовательской лаборатории “Ресурсо-энергосберегающих технологий, оборудования и комплексов” («РЭТОК») БГТУ им. В.Г. Шухова.

Таким образом, обеспечивается расширение спектра использования полидисперсных и волокнистых материалов с различными физико-механическими характеристиками и физико-химическими свойствами для получения гомогенных композиционных смесей при реализации инновационных технологий. В том числе, ресурсосберегающих технологий комплексной переработки органических и минеральных техногенных материалов с возможностью получения из композиционных смесей различных видов товарной продукции. К числу таких техногенных материалов, например, можно отнести: высокодисперсный технический углерод низкотемпературной термолизной технологии; полимерных, древесных, целлюлозно-бумажных отходов в измельченном состоянии, механоактивированных кремнеземистых материалов и вяжущих (цемента, извести); базальтовых волокнистых отходов, полученных из них фибронаполнителей для архитектурно-строительных смесей и изделий, в т.ч. 3D-технологий и др.

Сущность предлагаемого способа поясняется графическим материалом, где представлено:

на фиг. 1 – конструктивная схема реализации способа постадийной гомогенизации композиционных смесей и движения материальных потоков;

на фиг. 2 – постадийное макро и микросмешивание смеси;

на фиг. 3 – постадийное макро и микросмешивание (а), отдельное получение смеси добавок (б);

на фиг. 4– последовательное макро и микросмешивание (а), гомогенизация гетерогенных добавок с частью основных компонентов камеры макросмешивания (б);

на фиг. 5 – гомогенизация (а) композиционной смеси из основных компонентов и смеси гетерогенных добавок (б);

на фиг. 6 – гомогенизация многокомпонентных смесей и гетерогенных добавок с фибронаполнителями, объединением обоих материальных потоков;

на фиг. 7 – микрогранулирование композиционной смеси из гомогенизированных основных компонентов смеси гетерогенных добавок.

Способ постадийной гомогенизации композиционных смесей (фиг.1; фиг.6) реализуется следующим образом.

На первой стадии осуществления способа выполняется процесс гомогенизации основных исходных компонентов, например, цемента и механоактивированного песка (фиг. 1; фиг.2). Гомогенизируемые компоненты через загрузочный бункер 1 дозированно поступают в камеру макросмешивания 2. Камера 2 оснащена однозаходными винтовыми лопастями 3 рециркуляционного действия. Каждая из однозаходных винтовых лопастей за один оборот вала, осуществляет двукратное воздействие на смешиваемый материал, что интенсифицирует внутренний рециклинг материальных потоков и обеспечивает повышение качества получаемых смесей. После реализации макросмешивания смесь поступает через соединительные патрубки 4, 5 в камеры микросмешивания 6, 7 (фиг. 2). В данных камерах установлены двухзаходные винтовые лопасти (ДВЛ) 8, осуществляющие более интенсивные 2^х кратные рециркуляционные воздействия на гомогенную смесь. Это обеспечивает интенсивное микросмешивание и как следствие, равномерное распределение компонентов в локальных объемах гомогенизируемой смеси. Выгрузка готовой продукции осуществляется через патрубки 9, 10.

На стадии «макро-микросмешивания» основных компонентов могут быть использованы как две камеры микросмешивания (фиг.2), так и одна камера микросмешивания.

Каждая из приведенных схем организации процессов гомогенизации композиционных смесей значительно расширяет технологические возможности реализованных вариантов смешения.

Аналогично схеме I в схеме II (фиг.3) реализуется постадийное макро и микросмешивание основных компонентов в камерах 2 и 6 с последующей выгрузкой 2^х компонентной смеси через патрубок 9 (вариант «а»).

Параллельно, данный вариант реализует получение многокомпонентной смеси различных добавок (например, наполнителей, пигментов, пластификаторов, армирующих волокон – фибронаполнителей и др. компонентов).

Исходные компоненты добавок загружаются в камеру 7 через отсеки бункера 12 (вариант «б»). При этом, в камере 7 смешивания добавок последовательно по ходу движения материала (фиг. 1, фиг. 3) используются однонаправленные транспортирующие ДВЛ 13,14. Между ними установлена пара разнонаправленных ДВЛ 15,16 и далее – П-образное устройство интенсифицирующего действия 17. Посредством высокоскоростного воздействия П-образного устройства на гетерогенные компоненты добавок, реализуется сложно-пространственное движение компонентов, смешиваясь между собой. Выгрузка готовой смеси добавок согласно схемы II (фиг. 3) осуществляется через патрубок 10.

Причем, массовое отношение исходных основных компонентов, приготовляемых в камерах макро и микросмешивания, к количеству гетерогенных компонентов смеси камеры добавок составляет (80-85)% к (15÷20)%. Данный вариант реализует одновременное получение композиционных смесей различного состава (макро-микросмешвание и отдельное получение в камере 7 добавок) и процентного соотношения их компонентов.

Вариант способа совмещенных процессов макро и микросмешивания основных компонентов (вариант «а») и смеси добавок с частью гомогенизированных основных компонентов (вариант «б») реализуется согласно схемы III (фиг. 4). Отличительной особенностью вариантов, реализуемых по схеме II (фиг. 3) и схеме III (фиг. 4), является расширение технологических возможностей процессов смешения, показанных на схеме (фиг. 1).

Согласно варианта III (фиг. 4), реализуется процесс последовательного макро и микросмешивания в камерах 2 и 6, получения 2-х компонентной смеси, аналогично варианта II (фиг. 3), а также параллельное одновременное приготовление смеси добавок в камере 7 с частью 2х компонентной смеси, поступающей из камеры макросмешивания 2. Введение определенной части гомогенизированных основных компонентов из камеры макросмешивания 2 осуществляется за счет работы шиберного устройства 11.

Таким образом, данный вариант позволяет получать два вида товарной продукции: композиционную смесь, состоящую из смеси добавок (камера 7) и части смеси (30-40%) основных компонентов (камера 2), фиг. 4.

Более многофункциональные технологические процессы (варианты) реализуются при использовании четырех камер смешения (схемы IV, V и VII), фиг. 5, фиг. 6 и фиг. 7, соответственно. Содержание макроармирующего компонента готовой композиционной смеси не должно превышать 10-15%, а микроармирущего компонента в гранулируемом состоянии – не более 80%.

Согласно схемы IV (фиг. 5) осуществляется вариант постадийного приготовления следующих композиционных смесей: макро и микросмешивания в последовательно соединенных посредством патрубка 4 камерах 2 и 6 основных компонентов (вариант «а»), а также композиционной смеси добавок (камера 7). Данная композиционная смесь состоит из более разнородных гетерогенных компонентов (в т.ч. фибронаполнителей) и окончательно интенсивно перемешивается в камере 18 (вариант «б»), (фиг. 5, фиг. 1). Смесь добавок из камеры 7 поступает в камеру 18 посредством соединяющего их патрубка 10, а выгрузка готового продукта осуществляется через патрубок 26.

Композиционная смесь подается в зону рециклинга материала, где осуществляется интенсивное микросмешивание за счет ДВЛ 19, 20, что способствует получению однородной композиционной смеси.

В устройстве обеспечивается интенсивное движение материальных потоков как по внутреннему (внутри сферообразных полостей), так и внешнему («сферообразные полости – камера 18») контурам. Таким образом, внутренний и внешний рециклинг композиционной смеси реализуется за счет подачи смеси в зону устройства интенсифицирующего действия с помощью выгрузочной ДВЛ 21. Данный процесс обеспечивает качественную гомогенизацию композиционной смеси.

Выгрузка готовой продукции осуществляется ДВЛ 24 через выгрузочный патрубок 26. Далее, посредством ленточного транспортирующего устройства 27, смесь направляется для дальнейшего технологического назначения (упаковки, отправки потребителю и т.д.).

Согласно схеме V (фиг.6) реализуется вариант гомогенизации многокомпонентных смесей и гетерогенных добавок с фибронаполнителями. При этом обеспечивается объединение двух («а» и «б») материальных потоков, обрабатываемых, соответственно, в камерах: «2-6-18» и 2-7-18».

В случае получения многокомпонентных композиционных смесей, состоящих из гетерогенных компонентов с различной плотностью, геометрической формой, размерами частиц и т.д., склонных в процессе транспортировки к сегрегации (расслоению), целесообразно конечную продукцию представлять в микрогранулированном состоянии.

Аналогичные требования необходимо соблюдать для композиционных смесей специального назначения. Например, при изготовлении многокомпонентных композиционных смесей (органоминеральных удобрений, специальных смесей архитектурно-строительного назначения, требующих термической обработки; антибактерицидных компонентов и др.) используется способ их микрогранулирования (схема VI, фиг. 7).

В данном случае, во внутреннюю камеру 22 (фиг. 1) подается связующее в распыленном или парообразном состоянии, обеспечивающее повышенную адгезионную способность (увеличение сил сцепления) частиц композиционной смеси. После соответствующего смешения компонентов смеси со связующим во внутренней камере происходит микрогранулирование материала в устройстве со сферообразными полостями 23, 24. Сферообразные полости по внутреннему их контуру покрыты сетчатой поверхностью, что способствует интенсивному объемно-пространственному перемещению смеси из одой полости в другую. В конечном итоге – обеспечивается эффективное образование сферических микрогранул. Размеры микрогранулята композиционной смеси или смеси добавок, агломерированных в камере интенсификации окончательного смешивания и микрогранулирования, не превышают 5-7 мм.

Как и в предыдущем случае (схема V, фиг. 6), аналогично осуществляется выгрузка и транспортировка микрогранулированной продукции.

В предлагаемых вариантах (схемы II-VI) представлены основополагающие варианты гомогенизации многокомпонентных смесей с гетерогенными добавками как в полидисперсном, так и микрогранулированном состоянии. В зависимости от решаемой технологической задачи каждый из предлагаемых вариантов гомогенизации и микрогранулирования композиционных смесей имеет расширенную вариативность практической реализации в различных областях использования минеральных и органических материалов (компонентов).

Таким образом, способ постадийной гомогенизации композиционных смесей обладает расширенными технологическими возможностями получения широкого спектра композиционных смесей различного назначения (с различными физико-механическими характеристиками) за счет организации последовательных процессов гомогенизации: макро-микросмешивания (фиг.2), макро-микросмешивания и гомогенизации добавок с частью основных компонентов (фиг.4), гомогенизации многокомпонентных смесей и гетерогенных добавок с фибронаполнителями (фиг.6), микрогранулирования композиционной смеси из гомогенизированных основных компонентов смеси гетерогенных добавок (фиг. 7), а также отдельным получением смеси микродобавок при постадийном макро и микросмешивании (фиг. 3), гомогенизации смеси гетерогенных добавок с одновременным смешением композиционной смеси из основных компонентов (фиг.5).

Изобретение относится к способу непрерывного смешения полидисперсных материалов с органическими и минеральными техногенными добавками, микрофибронаполнителями с применением устройства рециркуляционного и многофункционального действия. Способ гомогенизации полидисперсных материалов в рециркуляционном смесителе может быть использован в химической, строительной, топливной и других отраслях промышленности при производстве композиционных смесей и изделий из них. Способ реализует постадийный процесс гомогенизации композиционных смесей, включающий последовательное и параллельное смешивание гетерогенных компонентов с помощью внутренних устройств с развитой винтовой поверхностью. Внутренние устройства обеспечивают интенсивный рециклинг материалов. Гомогенизация исходных основных компонентов осуществляется в камере макросмешивания 2 в сочетании с камерой или камерами микросмешивания 6 и 7. Приготовление гомогенных композиционных смесей из гетерогенных макро- и микродобавок выполняется в камере смешивания добавок 7 и отдельно в камере макросмешивания 2 и микросмешивания 6. Получение совмещенной композиционной смеси из основных компонентов - способом их последовательного макро- и микросмешивания и параллельного смешивания добавок. Отдельное приготовление композиционных смесей из основных компонентов и смеси гетерогенных добавок с фибронаполнителями осуществляется в камере макросмешивания 2 и микросмешивания 6 и камере приготовления добавок 7 в сочетании с камерой интенсификации окончательного смешивания материалов 18. Получение гомогенных многокомпонентных смесей с гетерогенными добавками и фибронаполнителями и объединением обоих материальных потоков - в камере интенсификации окончательного смешивания материалов 18. Получение микрогранулированной композиционной смеси осуществляется в камере макросмешивания 2 с параллельно установленными между собой камерами микросмешивания 6, 7 и приготовления смеси гетерогенных добавок, а также с объединяющей их камерой окончательного смешивания и агломерирования смеси 18. Массовое отношение исходных основных компонентов, приготавляемых в камерах макро- и микросмешивания, к количеству гетерогенных компонентов смеси камеры добавок устанавливается как 80-85% к 15-20%. Содержание макроармирующего компонента готовой композиционной смеси не превышает 10-15%. Содержание микроармирущего компонента в гранулируемом состоянии – не более 80%, кроме того, размеры микрогранулята композиционной смеси или смеси добавок, агломерированных в камере интенсификации окончательного смешивания и микрогранулирования, не превышают 5-7 мм. Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей за счет использования полидисперсных и волокнистых материалов с различными физико-механическими характеристиками и физико-химическими свойствами для получения гомогенных композиционных смесей при реализации инновационных технологий. 7 ил.

Способ постадийной гомогенизации композиционных смесей, включающий процесс последовательного и параллельного смешивания гетерогенных компонентов с помощью внутренних устройств с развитой винтовой поверхностью, обеспечивающих интенсивный рециклинг материалов, отличающийся тем, что способ осуществляется постадийно, причем гомогенизация исходных основных компонентов осуществляется в камере макросмешивания в сочетании с камерой или камерами микросмешивания; приготовление гомогенных композиционных смесей из гетерогенных макро- и микродобавок выполняется в камере смешивания добавок и отдельно в камере макро- и микросмешивания; получение совмещенной композиционной смеси из основных компонентов - способом их последовательного макро- и микросмешивания и параллельного смешивания добавок; отдельного приготовления композиционных смесей из основных компонентов и смеси гетерогенных добавок с фибронаполнителями соответственно в камере макро- и микросмешивания и камере приготовления добавок в сочетании с камерой интенсификации окончательного смешивания материалов; получение гомогенных многокомпонентных смесей с гетерогенными добавками и фибронаполнителями и объединение обоих материальных потоков - в камере интенсификации окончательного смешивания материалов; получение микрогранулированной композиционной смеси осуществляется в камере макросмешивания с параллельно установленными между собой камерами микросмешивания и приготовления смеси гетерогенных добавок, а также с объединяющей их камерой окончательного смешивания и агломерирования смеси, при этом массовое отношение исходных основных компонентов, приготовляемых в камерах макро- и микросмешивания, к количеству гетерогенных компонентов смеси камеры добавок устанавливается 80-85% к 15-20%; содержание макроармирующего компонента готовой композиционной смеси не превышает 10-15%, а микроармирущего компонента в гранулируемом состоянии – не более 80%, при этом размеры микрогранулята композиционной смеси или смеси добавок, агломерированных в камере интенсификации окончательного смешивания и микрогранулирования, не превышают 5-7 мм.