УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПУШИВАНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ Российский патент 2024 года по МПК D01G11/04 

Изобретение относится к устройствам для получения распушенной целлюлозы, материалов на основе целлюлозы, в. т.ч. получение теплоизоляционных, например, эковаты, для подготовки целлюлозы при получении химических производных целлюлозы, например, эфиров целлюлозы, при получении целлюлозных материалов, используемых в качестве армирующих наполнителей полимерных композиционных материалов, а также при пневматическом транспортировании распушенной целлюлозы.

Материалы на основе целлюлозы, в т.ч. теплоизоляционные, изготавливают из целлюлозы или целлюлозосодержащего сырья, в т.ч. из вторичного сырья. При этом исходное сырье может находится в плотной форме - в виде спрессованных кип, рулонной бумаги или плоских листов - так называемой (т.н.) целлюлозной папки.

Одним из характерных свойств целлюлозы, как материала, является ее волокнистая форма, обусловленная природным строением исходного сырья. Целлюлоза в растительном сырье находится в виде растительных волокон - частиц удлиненной формы с округлым или многогранным поперечным сечением и заостренными концами. При этом длина волокна во много раз превышает его толщину. Особенность волокон целлюлозы - легкость и самопроизвольность агрегации. В свободном состоянии волокна начинают взаимодействовать друг с другом и образуют водородные связи, слабые по природе, но в огромном количестве. Поэтому материалы на основе целлюлозы обладают т.н. связностью и образуют агрегаты - хлопья или комки. Эти агрегаты могут быть разрушены, дезагрегированы при определенном механическом, аэродинамическом или гидродинамическом воздействии, обособляя отдельные волокна. В отсутствие подобного воздействия, как правило, волокна целлюлозы и материалов на основе целлюлозы склонны самопроизвольно образовывать сетчатую структуру. Эта структура и лежит в основе хлопьев и комков целлюлозного сырья.

Хлопьеобразная и комковидная структура целлюлозы и целлюлозных материалов предпочтительна или допустима в виде материалов для конечного использования - в слоях теплоизоляции строительных конструкций построечного изготовления, теплоизоляционных изделиях, например, плитах. При использовании целлюлозы в качестве армирующего наполнителя полимерного композиционного материала также может быть предпочтительна распушенная форма. Также эта форма может быть целесообразна при проведении химической модификации - обработке целлюлозы химическими реагентами. Развитая площадь поверхности способствует хорошей реакционной способности сырья. Это целесообразно при получении эфиров целлюлозы, например, карбоксиметилцеллюлозы, полианионной целлюлозы, нитратов целлюлозы и т.п. При этом в процессе технологической обработки, зачастую, необходимо иметь целлюлозу в форме диспергированных частиц, т.е. в виде, когда агрегаты целлюлозы разрушены и волока целлюлозы более-менее обособлены друг от друга. Это связано с поддержанием необходимого градиента концентраций химических реагентов, воды, растворителей при химической переработке целлюлозы, при промывке, пропитке связующими, фильтрации, обезвоживании, сушке, гидравлическом или пневматическом транспортировании и т.п. То есть при процессах, связанных с образованием и поддержанием градиентов - концентраций, температуры, давления, для процессов массопередачи, теплопередачи и гидродинамических процессов.

В связи с этим для переработки целлюлозу и целлюлозные материалы подвергают диспергированию до волокон способами механического разрыхления или механического разволокнения или аэродинамического распушивания, а также гидродинамического разбивания. Из уровня техники известно несколько аналогов предлагаемого устройства.

Известен, например, чеккер (Забелин, Л.В. Хлопковая целлюлоза: учебное пособие./Л.В. Забелин, А.П. Закощиков, В.К. Постников -М.: ЦНИИНТИ и ТЭИ, 1976. -280 с.), используемый для рыхления спрессованного в кипы хлопкового линта - сырья для производства целлюлозы. Чеккер содержит корпус с установленным внутри колковым ротором и решетную деку, а также имеет всасывающий пневмотранспорт с воздуходувной машиной, циклонным отделителем, сборником разрыхленной целлюлозы, для транспортировки продуктов рыхления. Недостатком чеккера является большой объем выбрасываемого в атмосферу отработанного воздуха, и большая потребная производительность для очистки этого отработанного воздуха, отсутствие регулировки производительности по разрыхленному продукту, ручная подача исходного сырья, большие пиковые нагрузки на привод ротора при разрыхлении пластов хлопкового линт, низкое качество разрыхленной целлюлозы.

Известен кипорыхлитель для разрыхления кип целлюлозы (Осин, А.И. Оборудование производств энергонасыщенных материалов Учебное пособие / А.И. Осин, А.С.Пивоваров, Н.Н. Волкова; Алт.гос.техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт.гос.техн. ун-та, 2010. - 94 с.), который состоит из корпуса с рыхлительной камерой, внутри которой установлено три рыхлительных барабана с приводом, ленточного транспортера для подачи сырья на рыхление, всасывающего пневмотранспорта с воздуходувной машиной для транспортирования разрыхленной целлюлозы, циклонным отделителем, сборником разрыхленной целлюлозы. Недостатком этого кипорыхлителя является непригодность для измельчения плоских листов целлюлозы или целлюлозного сырья, большой расход воздуха, большая потребная производительность для очистки этого отработанного воздуха. Возможен также проскок крупных кусков сырья.

Известна машина для разволокнения (Чащилов, Д.В. Опыт исследования процесса разволокнения целлюлозных материалов и анализ работы оборудования: от лабораторного стенда - к промышленной установке / Д.В. Чащилов // От химии к технологии шаг за шагом. - 2021. - Т. 2. - №1. - С. 29-39. - DOI 10.52957/27821900_2021 01_29. - EDN TIQZYB) содержащая корпус с камерой для разволокнения, колковый ротор с приводом, решето, сборник разволокненной целлюлозы, всасывающую камеру. Недостатками машины для разволокнения является малая производительность устройства, отсутствие возможности транспортировки продуктов разволокнения, ручная подача сырья и ручная выгрузка продуктов разволокнения.

Известна установка разволокнения (Чащилов, Д.В. Опыт исследования процесса разволокнения целлюлозных материалов и анализ работы оборудования: от лабораторного стенда - к промышленной установке / Д. В. Чащилов // От химии к технологии шаг за шагом. - 2021. - Т. 2. - №1. - С. 29-39. - DOI 10.52957/27821900__2021_01_29. - EDN TIQZYB), содержащая мельницу с решетной декой, материалопровод, циклон-разгрузитель, фильтр, вентилятор. Недостатками установки разволокнения является большой расход воздуха, большая потребная производительность для очистки этого отработанного воздуха, большие затраты энергии, большие пиковые нагрузки при измельчении больших кусков или пластов сырья.

Наиболее близким устройством является устройство для распушивания целлюлозы из спрессованных кип (Патент на полезную модель RU 149010. Устройство для распушивания целлюлозы из спрессованных кип. Шамин К.И., Чернов А.А., Зотов В.Г., Смирнов А.В., Чижевский О.Т. U1, 20.12.2014. Заявка №2014123134/12 от 09.06.2014.). Это устройство содержит роликовый транспортер с механизмом подачи сырья между встречно вращающимися зубчатыми роликами, радиально вращающиеся гребенки, выполненные в форме пакета съемных фрез, отводящий ленточный транспортер. Недостатком данного устройства является непригодность для распушивания плоских листов целлюлозы. Данное устройство принято за прототип.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка устройства для распушивания целлюлозы, повышение качества обработанных материалов, увеличение производительности, снижение потерь сырья и уменьшение энергетических затрат на проведение процесса.

Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве распушивания целлюлозы, включающем роторный измельчитель листов или пластов целлюлозы ударного или ударно-истирающего действия, механический классификатор продуктов распушивания, пневматический транспорт продуктов распушивания, устройство для разделения продуктов распушивания и отработанного воздуха, сборника распушенной целлюлозы, воздуходувной машины, устройства очистки отработанного воздуха, выбрасываемого в атмосферу, по крайней мере, в качестве одной из ступеней устройства для разделения продуктов распушивания и отработанного воздуха используется по меньшей мере одна осадительная и/или фильтрующая камера, в качестве воздуходувной машины используется центробежный пылевой вентилятор, в качестве измельчителя используется молотковая мельница с решетной декой, либо измельчитель в качестве рабочего органа имеет колковый ротор, а также дополнительно содержится питатель для подачи листов целлюлозы, например, валкового типа, с регулировкой скорости линейной подачи листов, воздуховод для рециркуляции части отработанного воздуха, устройство для регулирования количества выбрасываемого в атмосферу отработанного воздуха, а также в качестве осадительной камеры используют один из видов мягкой производственной или транспортной тары с фильтрующими воздух стенками, например, тканый мешок или мягкий складной контейнер стенками, либо дополнительно реализуют размещение тканого мешка или мягкого складного контейнера с фильтрующими воздух стенками внутри камеры с воздухонепроницаемыми стенками, также устройство может содержать, по меньшей мере, две осадительные и/или фильтрующие камеры с коммутационной запорной арматурой, которые могут работать поочередно по циклу «загрузка: разделение продуктов распушивания и отработанного воздуха - разгрузка».

На фиг.1 представлена схема устройства.

Предлагаемое устройство содержит питатель 1, измельчитель ударного или ударно- истирающего типа 2, материалопровод 3, сборник распушенной целлюлозы 4, осадительную камеру 5, фильтр 6, регулирующую заслонку 7, заслонку 8, воздуходувную машину 9, воздуховод рециркуляционного воздуха 10. Материалопровод соединяет измельчитель и осадительную камеру. Осадительная камера имеет отъемную крышку, на которой закрепляется съемный сборник сборник распушенной целлюлозы. После воздуходувной машины воздуховод разветвляется, образуя петлю рециркуляции отработанного воздуха и ветвь выброса отработанного воздуха в атмосферу. Заслонка на воздуховоде предназначена, например, для облегчения включения устройства.

Регулирующая заслонка служит для управления расходом воздуха, выбрасываемого в атмосферу.

Устройство работает следующим образом. Листовое сырье подается валковым питателем в рабочую камеру измельчителя. Необходимая производительность обеспечивается регулировкой линейной скорости подачи сырья. В измельчителе происходит измельчение листов целлюлозы и образование распушенной целлюлозы. Распушенная целлюлоза отделяется от неизмельченных кусков целлюлозы благодаря механическому классификатору, например, решетной деке измельчителя. Распушенная целлюлоза всасывается в материалопровод за счет разрежения, создаваемого воздуходувной машиной. Также происходит подсос свежего воздуха и подача рециркуляционного воздуха в рабочую камеру измельчителя. Распушенная целлюлоза вместе с воздухом перемещается до осадительной камеры, где происходит отделение распушенной целлюлозы от воздуха благодаря сборнику, воздухопроницаемые стенки которого задерживают частицы распушенной целлюлозы и пропускают отработанный воздух. Некоторое количество целлюлозной пыли проходит через стенки сборника вместе с отработанным воздухом. Далее отработанный воздух проходит через воздуходувную машину. Часть отработанного воздуха возвращается в измельчитель по воздуховоду. Другая часть проходит через фильтр, где происходит удаление пыли, и выбрасывается в атмосферу. Для регулировки количества отработанного воздуха, выбрасываемого в атмосферу или соотношения отработанного воздуха, выбрасываемого в атмосферу и направляемого на рециркуляцию, используется регулирующая заслонка, которая может быть выполнена на основе типового клапана пылегазовоздухопроводов с приводом МЭО.

Устройство обладает сравнительной простотой, не выбрасывает отработанный воздух в больших количествах, позволяет уменьшить потребление энергии на транспортирование воздуха и преодоление гидравлического сопротивления фильтра. Также повышается качество распушенной целлюлозы за счет равномерной подачи сырья питателем с регулировкой скорости линейной подачи листов, отсутствия локальных перегрузок привода измельчителя, проскока кусков недостаточно распушенной целлюлозы. Отсутствие перегрузок снижает потребление энергии на обработку сырья в измельчителе, а также позволяет увеличить производительность за счет равномерной обработки сырья.

Движение отработанного воздуха при рециркуляции обеспечивается за счет разности давлений между камерой сбора воздуха и камерой распушивания целлюлозы, создаваемой вентилятором. Регулирование соотношений расходов выбрасываемого и рециркулируемого отработанного воздуха обеспечивается при помощи, например, поворотного затвора, обеспечивающего дросселирование рециркулируемого воздуха. Из- за неполной герметичности стыков пневмотранспортных материалопроводов происходит подсасывание воздуха, что исключает возможность полной рециркуляции отработанного воздуха. Также необходимость выброса части отработанного воздуха обуславливается необходимостью напуска свежего воздуха в камеру распушивания, что исключает случайный выброс загрязненного отработанного воздуха в производственное помещение. Возврат рециркулируемого отработанного воздуха происходит в зоне камеры распушивания.

Рециркуляция отработанного воздуха снижает потребность в свежем воздухе, снижает потери сырья с выбрасываемым отработанным воздухом, снижает загрязнение воздуха в производственном помещении и в воздухе окружающей среды, снижает потери сырья. Также снижается количество отработанного воздуха, направляемого на окончательную очистку перед выбросом в атмосферу, что позволяет использовать устройства для очистки воздуха, например, фильтр, с меньшей пропускной способностью. Также при этом снижаются потери целлюлозного сырья, уносимого с рециркулирующим отработанным воздухом.

В другом варианте в качестве сборника распушенной целлюлозы может использоваться мягкая производственная или транспортная тара с воздухопроницаемым корпусом. Эта тара закрепляется на горловине крышки осадительной или фильтрующей камеры, через которую может подаваться распушенная целлюлоза вместе с транспортным воздухом. Воздух проходит через стенки, а распушенная целлюлоза задерживается внутри сборника. В качестве сборника может использоваться тканый мешок или мягкий складной контейнер, выполненный из ткани. Использование тканого мешка или мягкого складного контейнера с фильтрующими стенками позволяет эффективно обеспечить улавливание целлюлозных волокон и отделение их от отработанного воздуха, что снижает потери распушенной целлюлозы. Расположение этого тканого мешка или складного мягкого контейнера с фильтрующими воздух стенками внутри камеры с воздухонепроницаемыми стенками, корпус которой имеет отъемную или откидную крышку, или люк для выемки или установки сборника, позволяет технически обеспечить возможность сбора и отвода отработанного воздуха для его последующей рециркуляции.

В другом варианте предполагается применение в составе устройства, по меньшей мере, двух установленных параллельно друг другу осадительных и/или фильтрующих камер с коммутационной запорной арматурой, которые могут работать поочередно по циклу «загрузка: разделение продуктов распушивания и отработанного воздуха - разгрузка». Это техническое решение позволяет обеспечить непрерывность в работе устройства, что позволяет увеличить производительности по распушенной целлюлозе. Когда первая камера работает на заполнение, вторая - разгружается. Затем при помощи коммутационной запорной арматуры происходит переключение камер. Первая камера разгружается, а вторая работает на заполнение распушенной целлюлозой. Затем цикл работы вновь повторяется.

В другом варианте в качестве измельчителя для распушивания листов целлюлозы может быть использована молотковая дробилка или мельница. Молотковая мельница производит физическое разрушение листов целлюлозы, ее распушивание и продвижение распушенной целлюлозы по поверхности классификатора. Использование молотковой мельницы в качестве измельчителя целлюлозы обуславливает повышенную надежность в работе, поскольку используется стандартный элемент конструкции, повышается производительность за счет принудительного продвижения распушенной целлюлозы по рабочей поверхности классификатора и уменьшения возможности забивок отверстий классификатора кусками распушенной целлюлозы.

В другом варианте в качестве рабочего органа используется колковый ротор - барабан с заостренными зубьями-выступами, имеющими, например, форму конуса. Применение колкового ротора обеспечивает эффективное распушивание целлюлозы за счет воздействия колков на куски сырья, что повышает качество распушенной целлюлозы и обеспечивает снижение затрат энергии на распушивание.

В другом варианте в качестве классификатора может быть использована решетная дека или шпальтовая дека. Эта дека может быть интегрирована в конструкцию измельчителя или в состав молотковой мельницы. Решетная дека может иметь, например, круглые отверстия, выполненные пробивным способом. Решетная дека обеспечивает отсутствие проскока плохо распушенных или не распушенных кусков сырья, что повышает качество распушенной целлюлозы. Шпальтовая дека может иметь шпальты, например, трапецеидального сечения, образующие отверстия, расширяющиеся по ходу движения распушенной целлюлозы. Это позволяет обеспечить облегчение прохода распушенной целлюлозы через отверстия и снижение возможности забивок отверстий кусками распушенной целлюлозы. Шпальтовая дека имеет более высокую пропускную способность по распушенной целлюлозе, что повышает производительность устройства.

В другом варианте в качестве питателя для подачи листов целлюлозы может использоваться валковый питатель. Валки могут быть гладкими или рифлеными. При вращении валков обеспечивается принудительная подача листов в измельчитель на распушивание с требуемой линейной скоростью подачи. При этом исключаются резкие колебания потребляемой приводом мощности по причине отрыва больших кусков сырья и их возможного защемления между ротором и неподвижными частями измельчителя. Применение валкового питателя обуславливает равномерную обработку сырья, отсутствие пиковых перегрузок при работе измельчителя, меньшее потребление мощности на работу измельчителя, повышение качества распушенной целлюлозы.

В другом варианте в качестве воздуходувной машины может использоваться центробежный пылевой вентилятор. Это повышает надежность работы предлагаемого устройства. Пылевой вентилятор хорошо адаптирован к работе в условиях запыленного отработанного воздуха. Пылевой вентилятор имеет увеличенную площадь поперечного сечения воздушных каналов и менее склонен к возможным забивкам пылью. Исключение забивок обеспечивает равномерную выдачу распушенной целлюлозы и отсутствие агрегирования распушенной целлюлозы при этих забивках, что повышает качество распушенной целлюлозы.

Предлагаемое устройство для распушивания целлюлозы обеспечивает повышение производительности, повышение качества распушенной целлюлозы за счет исключения «проскока» недостаточно распушенного сырья, снижение потерь сырья при обработке, снижение выброса загрязненного воздуха, снижение затрат энергии на проведение процесса.

Изобретение относится к устройству для обработки целлюлозы в форме листов, а именно для получения распушенной целлюлозы, материалов на основе целлюлозы. Устройство для распушивания целлюлозы состоит из роторного измельчителя листов или пластов целлюлозы ударного или ударно-истирающего действия, механического классификатора продуктов распушивания, пневматического транспорта продуктов распушивания, устройства для разделения продуктов распушивания и отработанного воздуха, сборника распушенной целлюлозы, воздуходувной машины и устройства очистки отработанного воздуха, выбрасываемого в атмосферу. При этом в качестве одной из ступеней устройства для разделения продуктов распушивания и отработанного воздуха используется по меньшей мере одна осадительная и/или фильтрующая камера. Осадительная камера через материалопровод связана с измельчителем и имеет отъемную или откидную крышку, или люк для выемки или установки съемного сборника распушенной целлюлозы, а устройство дополнительно содержит питатель для подачи листов целлюлозы с регулировкой скорости линейной подачи листов. При этом воздуховод после воздуходувной машины разветвляется, образуя при этом воздуховод для рециркуляции части отработанного воздуха и устройство для регулирования количества выбрасываемого в атмосферу отработанного воздуха или соотношений отработанного воздуха, выбрасываемого в атмосферу и направляемого на рециркуляцию. Изобретение позволяет увеличить производительность, повысить качество распушенной целлюлозы и снизить энергозатраты. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для распушивания целлюлозы, состоящее из роторного измельчителя листов или пластов целлюлозы ударного или ударно-истирающего действия, механического классификатора продуктов распушивания, пневматического транспорта продуктов распушивания, устройства для разделения продуктов распушивания и отработанного воздуха, сборника распушенной целлюлозы, воздуходувной машины, устройства очистки отработанного воздуха, выбрасываемого в атмосферу, отличающееся тем, что, по меньшей мере, в качестве одной из ступеней устройства для разделения продуктов распушивания и отработанного воздуха используется, по меньшей мере, одна осадительная и/или фильтрующая камера, при этом осадительная камера через материалопровод связана с измельчителем и имеет отъемную или откидную крышку, или люк для выемки или установки съемного сборника распушенной целлюлозы, а устройство дополнительно содержит питатель для подачи листов целлюлозы, с регулировкой скорости линейной подачи листов, при этом воздуховод после воздуходувной машины разветвляется, образуя при этом воздуховод для рециркуляции части отработанного воздуха и устройство для регулирования количества выбрасываемого в атмосферу отработанного воздуха или соотношений отработанного воздуха, выбрасываемого в атмосферу и направляемого на рециркуляцию.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве роторного измельчителя и механического классификатора используется молотковая мельница с решетной декой.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве рабочего органа роторного измельчителя используется колковый ротор.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в качестве механического классификатора используется решетная или шпальтовая дека, установленная внутри измельчителя.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что в качестве питателя для подачи листов целлюлозы используют валковый питатель.

6. Устройство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что в качестве воздуходувной машины используется центробежный пылевой вентилятор.

7. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что в качестве сборника распушенной целлюлозы используют мягкую производственную или транспортную тару с воздухопроницаемым корпусом.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что в качестве сборника распушенной целлюлозы используют тканый мешок.

9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что в качестве сборника распушенной целлюлозы используют мягкий складной контейнер.

10. Устройство по любому из пп. 1-9, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, две установленные параллельно осадительные и/или фильтрующие камеры с коммутационной запорной арматурой, которые могут работать поочередно по циклу «загрузка: разделение продуктов распушивания и отработанного воздуха - разгрузка».