Устройство для получения волокнистых материалов из расплава термопластов (его варианты)

 

Устройство содержит горизонтально вращающийся полый реактор, у которого на внутренней поверхности установлены плоские ребра, открытая часть выполнена в виде расходящегося конуса, нагреватель, кольцевой воздуховод, плоскую крышку, полый стакан, установленный внутри реактора. Стакан установлен без зазора относительно ребер, но с зазором между его днищем и днищем реактора, а также между их конусными частями. Стенки и дно стакана выполнены двухслойными: внешний слой, обращенный к реактору, выполнен из металла, а внутренний - из теплоизоляционного материала. Устройство содержит горизонтально вращающийся полый реактор, у которого на внутренней поверхности установлены плоские ребра, открытая часть выполнена в виде расходящегося конуса, нагреватель, кольцевой воздуховод, плоскую крышку, полый стакан, установленный внутри реактора. Стакан установлен без зазора относительно ребер, но с зазором между его днищем и днищем реактора, а также между его конусными частями. Стакан выполнен металлическим и заполнен теплоизоляционным материалом. Использование данной группы изобретений позволяет повысить качество волокна, снизить удельные энергозатраты, увеличить надежность работы устройства. 2 с. и 14 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области производства волокнистых синтетических материалов из термопластичных веществ и их смесей, включая как качественное промышленное сырье, так и различные виды бытовых и промышленных отходов термопластичных материалов.

Изобретение с наибольшим эффектом может быть использовано для получения сорбентов, улавливающих из воды нефть и нефтепродукты, а также ряд ионов тяжелых металлов.

Процесс получения волокнистого термопластичного материала осуществляют, как правило, в два этапа: получение расплава и формование волокна. Известны устройства для получения волокнистых материалов, реализующие способы, согласно которым термопластичные материалы сначала расплавляют, а затем из расплава формируют волокно, экструзируя его через фильеры. Одно из таких устройств известно из (1). Оно содержит загрузочный бункер, питающий блок, плавильную решетку с распределителем нагретого инертного газа, которые выполнены в виде трехгранников и расположены равномерно по образующим поверхности плавильной решетки или параллельно ее основанию. Перерабатываемое сырье постепенно прогревается до температуры, близкой к температуре плавления в надрешеточном пространстве плавильной решетки, и беспрепятственно проходит между трехгранниками - распределителями нагретого инертного газа и обрабатывается азотом. В корпусе плавильной решетки имеются гнезда, в которые вставлены нагревательные элементы. За счет этого нагретое сырье плавится и далее поступает на разгрузочный шнек, фильтруется через фильтр и формируется в жилку или волокно.

С помощью таких устройств можно получать волокно только из качественного сырья, обеспечивая при этом равномерное поступление сырья сначала на плавильную решетку и далее расплава на разгрузочный шнек.

Известны устройства, в которых необходимость соблюдения мер, обеспечивающих равномерность прохождения расплава, отпадает. К таковым относятся устройства получения волокна из пленки расплава (2, 3). Пленка расплава разделяется в нем на отдельные струйки на кромке вращающегося реактора. Реактор выполнен в виде горизонтально установленной вращающейся чаши и разделен на две части - внутреннюю полость и рабочую поверхность. Во внутреннюю полость реактора под давлением подают энергоноситель, а на рабочую поверхность - расплав, который под действием центробежных сил направляется к кромке чаши. На кромке имеются щелевые отверстия. Энергоноситель, проходя из внутренней полости реактора через щелевидные отверстия, разделяет пленку расплава на отдельные струйки, срабатывает их с двух сторон, утончает и вытягивает в волокна. Для получения высококачественного волокна с помощью такого устройства энергоноситель должен иметь температуру выше температуры деструкции полимера и иметь достаточно высокую скорость, чтобы утоньшить и удлинить струйки расплава, превращая их в волокно. Кроме того, открытая чаша приводит к потере тепла и, следовательно, снижению эффективности процесса.

Известно также устройство для получения нетканого материала из расплава полимеров, содержащее экструдер, волокнообразующую кольцевую головку, имеющую радиально расположенные и сходящиеся в центре каналы, образователь воздушного потока, который утончает и охлаждает одновременно струйки расплава до образования волокон, узел осаждения готового волокна, выполненный в виде сходящегося в направлении подачи волокна раструба. Укладку волокон осуществляют под действием плоского воздушного потока, подаваемого в направлении экструдируемых струек расплава (4). Наличие радиально расположенных и сходящихся в центре каналов также требует использования высококачественного сырья. В противном случае каналы будут забиваться непроплавленной массой и прохождение по каналам расплава будет затруднено. Следовательно, получение качественного волокна из некондиционного сырья с помощью этого устройства становится проблематичным.

Задача снижения требований к качеству исходного сырья решена в устройстве (5), включающем экструдер с волокнообразователем, узел осаждения готового волокна и приемное устройство. Волокнообразователь представляет собой вращающийся полый цилиндрический реактор, расположенный горизонтально и обогреваемый снаружи. Открытая часть реактора выполнена в виде расходящегося конуса, закрытого неподвижной конусной крышкой, установленной таким образом, что между боковыми поверхностями расходящегося конуса и крышки образуется щелевой зазор 15...20 мм. Дополнительно на внутренней поверхности реактора установлены плоские ребра треугольной по длине формы, направленные вдоль его образующей и обращенные вершиной в сторону выхода расплава, а установка снабжена кольцевым воздуховодом высокого давления.

Это решение является наиболее близким по технической сущности и принято за прототип.

С помощью указанного устройства стало возможным обеспечить переработку промышленных и бытовых отходов термопластичных материалов при одновременном повышении выхода волокнистого высококачественного материала. Практическая реализация прототипа выявила ряд существенных недостатков предложенной схемы волокнообразователя. Основным недостатком устройства волокнообразователя является то, что немногим более 30% подводимой тепловой энергии расходуется непосредственно на нагрев пленки. Остальная энергия, выделяемая нагревателем, за счет радиационного обмена расходуется на нагрев внутренней среды реактора и окружающего воздуха. Кроме того, из-за переизлучения между нагревателем и реактором в центральной части реактора наблюдается перегрев нагревательных элементов и пленки расплава. Это может привести, с одной стороны, к сгоранию нагревателей, а, с другой стороны, к значительному или полному выгоранию полимера. При равномерном распределении мощности нагревателя в радиальном и осевом направлении основное количество теплоты накапливается в верхней части нагревателя. В этом случае также возможен перегрев и сгорание нагревательных элементов.

В основу настоящего изобретения положена задача снижения удельных затрат энергии при получении волокна, увеличения надежности работы устройства и повышения качества волокна.

Указанная задача решается тем, что по первому варианту устройство для получения волокнистых материалов из расплава термопластов, включающее горизонтально вращающийся полый реактор, у которого на внутренней поверхности установлены плоские ребра, направленные вдоль образующей цилиндра, а открытая часть выполнена виде расходящегося конуса, нагреватель и кольцевой воздуховод, дополнительно содержит установленный внутри реактора полый стакан, отрытая часть которого выполнена в виде расходящегося конуса, закрытого плоской крышкой. Стакан установлен без зазора относительно ребер, но с зазором между его днищем и днищем реактора, а также между их конусными частями, стенки и дно стакана выполнены двухслойными - внешний слой, обращенный к реактору, выполнен из металла, а внутренний из теплоизоляционного материала. Кроме того, устройство дополнительно содержит светоотражающий диск, установленный со стороны днища реактора, а стакан со стороны зазора имеет светоотражающую поверхность. Нагреватель выполнен из двух частей: верхней и нижней, с независимой регулировкой температуры нагревательных элементов обоих частей. Сами нагревательные элементы распределены вдоль оси реактора неравномерно, а именно плотнее по краям и реже к его центру, а внутри нагревателя между нагревательными элементами и корпусом установлен светоотражающий экран, направленный отражающей поверхностью в сторону реактора, и, наконец, стенки реактора внутри и снаружи выполнены с покрытием, способствующим поглощению тепла, например воронением, а сам реактор является цилиндрическим. Теплоизолирующим материалом является асбест.

По второму варианту задача решается тем, что устройство для получения волокнистых материалов из термопластов, включающее горизонтально вращающийся полый реактор, у которого на внутренней поверхности установлены плоские ребра, направленные вдоль образующей цилиндра, а открытая часть выполнена виде расходящегося конуса, нагреватель и кольцевой воздуховод, дополнительно содержит установленный внутри реактора полый стакан, открытая часть которого выполнена в виде расходящегося конуса, закрытого плоской крышкой. Стакан установлен без зазора относительно ребер, но с зазором между его днищем и днищем реактора, а также между их конусными частями. При этом стакан выполнен металлическим, заполнен теплоизоляционным материалом. Кроме того, устройство дополнительно содержит светоотражающий диск, установленный со стороны днища реактора, а стакан со стороны зазора имеет светоотражающую поверхность. Нагреватель выполнен из двух частей: верхней и нижней, с независимой регулировкой температуры нагревательных элементов обеих частей. Сами нагревательные элементы распределены вдоль оси реактора неравномерно, а именно плотнее по краям и реже к его центру, а внутри нагревателя между нагревательными элементами и корпусом установлен светоотражающий экран, направленный отражающей поверхностью в строну реактора, и, наконец, стенки реактора внутри и снаружи выполнены с покрытием, способствующим поглощению тепла, например, воронением, а сам реактор является цилиндрическим. Теплоизолирующим материалом является каолиновая вата.

Поставленная задача, как по первому, так и по второму вариантам достигается за счет того, что внутри реактора дополнительно установлен стакан, который существенно уменьшает объем нагреваемого пространства и изолирует его от общей полости реактора, сокращая тем самым тепловые потери. Имеющиеся поверхности, которые поглощают тепло (вороненые), а также светоотражающие поверхности, предназначенные для возврата рассеянного теплового излучения на дополнительный нагрев стенок реактора, наличие независимого регулирования верхней и нижней частей нагревателя с неравномерным распределением плотности теплового потока обеих частей тоже позволяют повысить коэффициент полезного действия при одновременном уменьшении мощности установленного нагревателя.

Предлагаемое изобретение по первому варианту отличается от прототипа тем, что: - дополнительно внутри реактора установлен полый стакан; - кромка стакана выполнена в виде расходящегося конуса; - стакан установлен без зазора относительно ребер, но с зазором между его днищем и днищем реактора, а также между конусными частями реактора и стакана; - стенки и дно стакана выполнены двухслойными - внешний слой, обращенный к реактору, выполнен из металла, а внутренний из теплоизоляционного материала.

- теплоизоляционным материалом является асбест.

Изобретение по второму варианту отличается от первого тем, что стенки и дно стакана выполнены однослойными, металлическими, а внутри стакан заполнен теплоизоляционным материалом, а теплоизоляционным материалом является каолиновая вата.

В обоих вариантах исполнения предлагаемое изобретение дополнительно отличается от прототипа тем, что: - стакан со стороны зазора имеет светоотражающую поверхность, а с внешней стороны реактора со стороны днища установлен с зазором светоотражающий диск; - нагреватель состоит из двух частей: верхней и нижней, с независимой регулировкой температуры нагревательных элементов обеих частей; - нагревательные элементы распределены вдоль оси реактора неравномерно, а именно плотнее по краям и реже к его центру; - внутри нагревателя между нагревательными элементами и корпусом установлен светоотражающий экран, направленный отражающей поверхностью в сторону реактора; - стенки реактора внутри и снаружи выполнены с покрытием, способствующим поглощению тепла, например, воронением.

Благодаря установленному внутри реактора полому стакану существенно сокращается прогреваемый объем внутри реактора. Теплоизоляционный слой стакана по первому варианту и теплоизолятор, размещенный внутри стакана по второму, не позволяют тепловой энергии рассеиваться по объему реактора, концентрируя его в зазорах между стенками реактора и стакана.

Известно, что при высоких температурах передача тепла от нагревателя потребителю через воздушный зазор в основном происходит за счет радиационной составляющей тепловой энергии. Поэтому наличие светоотражающей поверхности на стакане и установка светоотражающего диска с внешней стороны днища реактора позволяет отразить до 60% падающей лучистой энергии и направить ее на дополнительный нагрев пленки, следовательно, уменьшить тепловые потери. Таким образом, можно уменьшить мощность установленных нагревателей, что приведет к повышению общей эффективности работы установки.

Выполнение нагревателя из двух частей: верхней и нижней, с независимой регулировкой температуры нагревательных элементов обеих частей позволяет, во-первых, облегчить монтаж и демонтаж нагревателя и его техническое обслуживание. Во-вторых, при одинаковой мощности нагревательных элементов в обеих частях нагревателя основной тепловой поток будет скапливаться в его верхней части, тогда в вахней части нагревателя возрастает вероятность перегрева нагревательных элементов. Независимое регулирование мощности нагревательных элементов обеих частей нагревателя позволяет сбалансировать тепловые потоки таким образом, что оба нагревательных элемента будут находиться в одинаковых температурных режимах, следовательно, их рабочий ресурс будет увеличен.

Равномерное распределение нагревательных элементов в корпусе нагревателя приводит к тому, что у днища реактора и на конусе температура его стенок будет меньше, чем в центре. Обусловлено это тем, что по краям происходит более интенсивный сток тепла, то есть более интенсивное охлаждение, в то время как в центре конструкции из-за переизлучения возникает концентрация тепла. В результате у днища реактора и на его конусе возникает недогрев, а в центральной части перегрев реактора. Следовательно, у днища реактора и на конусе расплав полимера будет иметь температуру ниже требуемой, в то время как в центре реактора за счет повышенных температур будет наблюдаться пережог полимера или перегорание нагревательных элементов. Увеличение плотности теплового потока по краям и уменьшение его в центре за счет перераспределения нагревательных элементов позволяет рассредоточить тепловую мощность так, что температура нагрева стенок реактора становится примерно постоянной вдоль его образующей. Это позволяет улучшить качество образующейся пленки расплава за счет более равномерного прогрева и, следовательно, качество волокна.

В результате работы нагревательных элементов тепло излучается не только к стенкам реактора, но и через слой утеплителя к наружной стенке нагревателя. Причем тепловые потоки распределяются примерно поровну. Применение светоотражающего экрана позволит направить основной тепловой поток от нагревательных элементов на нагрев стенок реактора. Таким образом, возможно снижение тепловых потерь в самом нагревателе и уменьшить тепловой поток через корпус нагревателя в окружающую среду.

Известно, что способность тела поглощать тепловую энергию, кроме всего прочего, зависит от степени черноты поверхности. Таким образом, за счет увеличения степени черноты стенок реактора повышается эффективность его нагрева, снижаются затраты тепловой энергии на получение волокна и повышается эффективность работы устройства.

Оба варианта решают одну и ту же задачу, поставленную перед изобретением, одним и тем же путем: предотвращение распространения (рассеивания) теплового потока за счет существенного ограничения нагреваемого объема с помощью установленного внутри реактора стакана, имеющего теплоизоляционный слой или теплоизоляционный материал внутри него, и концентрация теплового потока с помощью отражающих поверхностей. Поэтому они образуют единое целое и объединены в одно предлагаемое изобретение.

На фиг. 1 показан общий вид устройства, на фиг. 2 показан дополнительный стакан согласно первому варианту исполнения, на фиг. 3 показан дополнительный стакан согласно второму варианту исполнения.

Устройство для получения волокнистых материалов из термопластов (фиг. 1) включает горизонтально вращающийся полый, например цилиндрический, реактор 1, у которого на внутренней поверхности установлены плоские ребра 2, направленные вдоль образующей цилиндра 3, а открытая часть выполнена виде расходящегося конуса 4, нагреватель 5 и кольцевой воздуховод 6. Внутри реактора 1 установлен полый стакан 7, открытая часть которого выполнена в виде расходящегося конуса 8, закрытого крышкой 9. Стакан 7 при этом установлен без зазора относительно ребер 2, но с образованием зазора 10 между его днищем 11 и днищем 12 реактора 1, а также зазора 13 между конусами 4 и 8. Стакан 7 может быть выполнен в двух вариантах:
- стенки стакана 7 выполнены двухслойными (фиг. 2) - внешний слой 14, обращенный к реактору 1, выполнен из металла, а внутренний 15 из теплоизоляционного материала, например асбеста;
- стакан 7 выполнен с однослойными металлическими стенками 16 (фиг. 3) и заполнен теплоизоляционным материалом 17, например каолиновой ватой.

Во всех случаях исполнения устройство содержит светоотражающий диск 18, установленный со стороны днища 12 реактора 1, а поверхность 19 стакана 7 со стороны зазора выполнена светоотражающей.

Нагреватель 5 выполнен из двух половин: верхней 20 и нижней 21. Причем нагревательные элементы 22 и 23 распределены вдоль оси реактора неравномерно: плотнее по краям и реже к центру. Кроме того, мощность нагревательного элемента 23 нижней половины 21 больше, чем мощность нагревательного элемента 22 верхней половины 20. Дополнительно внутри нагревателя 5 между нагревательными элементами 22, 23 и их корпусами 24 и 25 соответственно установлены светоотражающие экраны 26 и 27. Во всех случаях между нагревательными элементами 22, 23 и корпусами 24, 25 укладывают теплоизолирующий материал 28 (например, каолиновая вата).

Реактор 1 смонтирован на конце полого вала 29, установленного в подшипниках 30, расположенных в охлаждаемом корпусе 31. С другого конца вала 29 установлен ведомый шкив 32 для передачи вращения, например, от асинхронного двигателя. Внутри полого вала 29 проходит подающая насадка 33, имеющая центральное отверстие 34 для подачи расплава полимера, например, из экструдера (на чертеже не показан), в зазор 10 межу реактором 1 и стаканом 7.

Устройство для получения волокнистых материалов из расплавов термопластов работает следующим образом.

Перед работой реактор 1 разогревают до рабочей температуры посредством включения нагревательных элементов 22, 23 верхней 20 и нижней 21 частей нагревателя 5. Так как нагревательные элементы 22 и 23 имеют независимое регулирование мощности, то их нагрев поддерживают в таком режиме, чтобы температура в верхней 20 и нижней 21 частях нагревателя 5 была одинаковой. Тепловое излучение, исходящее от нагревательных элементов 22 и 23, распространяется как в сторону реактора 1, так и в сторону установленных в нагревателе 5 светоотражающих экранов 26 и 27. Тепловой поток, достигнув экранов 26 и 27 и отразившись от них, возвращается к стенкам реактора 1, дополнительно нагревает его. Нагревательные элементы 22 и 23, распределенные таким образом, что основной тепловой поток приходится на крайние участки реактора 1 (днище 11 и конус 4), способствуют более равномерному распределению температурного поля по длине реактора 1. Тепловой поток, который излучается от разогретого днища 11 наружу, падает на светоотражающий диск 18 и, отраженный от него, возвращается к днищу 11, дополнительного нагревая его. Стенки и днище реактора 1 внутри и снаружи имеют покрытие, которое увеличивает поглощение тепла и значительно сокращает вторичное (обратное) излучение тепла стенками реактора 1.

Установленный внутри реактора 1 стакан 7 значительно сокращает его внутренний объем, который при отсутствии последнего прогревался бы, поглощая часть подводимого к реактору 1 тепла. Следовательно, уменьшаются потери тепла, связанные с этим. Кроме того, теплоизоляционный внутренний слой 15 стакана 7 по первому варианту или теплоизоляционный материал 17, уложенный внутрь стакана 7, по второму варианту в значительной степени предотвращают утечки тепла через внутреннюю полость стакана 7. К тому же, за счет светоотражающих свойств наружной поверхности 19 стакана 7 большая часть падающего на его поверхность тепла возвращается в виде отраженного теплового потока к стенкам реактора 1.

Таким образом, с внешней стороны устройства и внутри реактора 1 созданы благоприятные условия для экономичного нагрева последнего и максимального сокращения тепловых потерь, а также сформировано относительно однородное температурное поле по всему периметру реактора 1 для получения из расплава полимерного волокна.

После того как устройство подготовлено к работе, через шкив 32 клиноременной передачи приводят во вращение реактор 1 с заданной угловой скоростью. Затем через центральное отверстие 34 подающей насадки 33 в зазор 10 между днищем 11 реактора 1 и днищем 12 стакана 7 нагнетают расплав полимерного материала, который распределяется по внутренней стенке реактора 1. Так как стенки реактора 1 и его днище 11 прогреты равномерно, то расплавленный полимер также равномерно растекается, образуя однородную пленку расплава и продвигаясь к открытой конусной части 4. На конусной части 4 полимерная пленка разделяется на отдельные струйки, которые, срываясь с кромки конуса 4, образуют тонкие волокна. Так как вся поверхность реактора 1 нагрета равномерно, образующееся волокно более однородно по толщине и имеет минимальное количество корольков в своем составе.

Источники информации
1. SU. А.с. N 1236020, Мкл. D 01 D 1/04, 1984.

2. GB. Патент N 1265215, Нкл. C 1 M 1972.

3. SU. А.с. N 669041, Мкл. D 01 D 5/08, 1977.

4. RU. Патент N 2061129, Мкл. D 04 H 3/16, 1996.

5. RU. Патент N 2117719, Мкл. D 01 D 5/08, D 04 H 3/16, 1998.

Формула изобретения

1. Устройство для получения волокнистых материалов из расплавов термопластов, включающее горизонтально вращающийся полый реактор, у которого на внутренней поверхности установлены плоские ребра, направленные вдоль его образующей, а открытая часть выполнена в виде расходящегося конуса, нагреватель, кольцевой воздуховод и крышку, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит установленный внутри реактора полый стакан, открытая часть которого выполнена в виде расходящегося конуса, закрытого плоской крышкой, при этом стакан установлен без зазора относительно ребер, но с зазором между его днищем и днищем реактора, а также между их конусными частями, кроме того, стенки и дно стакана выполнены двухслойными - внешний слой, обращенный к реактору, выполнен из металла, а внутренний - из теплоизоляционного материала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно установленный стакан со стороны зазора имеет светоотражающую поверхность, а с внешней стороны днища реактора установлен с зазором светоотражающий диск.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагреватель выполнен из двух частей: верхней и нижней, с независимой регулировкой температуры нагревательных элементов обеих частей.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что стенки реактора внутри и снаружи выполнены с покрытием, способствующим поглощению тепла, например воронением.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что нагревательные элементы распределены вдоль оси реактора неравномерно, а именно плотнее по краям и реже к центру.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что внутри нагревателя между нагревательными элементами и корпусом установлены светоотражающие экраны, направленные отражающей поверхностью в сторону реактора.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что реактор является цилиндрическим.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплоизолирующим материалом является асбест.

9. Устройство для получения волокнистых материалов из расплавов термопластов, включающее горизонтально вращающийся полый реактор, у которого на внутренней поверхности установлены плоские ребра, направленные вдоль его образующей, а открытая часть выполнена в виде расходящегося конуса, нагреватель, кольцевой воздуховод и крышку, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит установленный внутри реактора полый стакан, открытая часть которого выполнена в виде расходящегося конуса, закрытого плоской крышкой, при этом стакан установлен без зазора относительно ребер, но с зазором между его днищем и днищем реактора, а также между его конусными частями, кроме того, стакан выполнен металлическим и заполнен теплоизоляционным материалом.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что дополнительно установленный стакан со стороны зазора имеет светоотражающую поверхность, а с внешней стороны днища реактора установлен с зазором светоотражающий диск.

11. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что нагреватель выполнен из двух частей: верхней и нижней, с независимой регулировкой температуры нагревательных элементов обеих частей.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что стенки реактора внутри и снаружи выполнены с покрытием, способствующим поглощению тепла, например воронением.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что нагревательные элементы распределены вдоль оси реактора неравномерно, а именно плотнее по краям и реже к его центру.

14. Устройство по п.9, отличающееся тем, что внутри нагревателя между нагревательными элементами и корпусом установлены светоотражающие экраны, направленные отражающей поверхностью в сторону реактора.

15. Устройство по п.9, отличающееся тем, что реактор является цилиндрическим.

16. Устройство по п.9, отличающееся тем, что теплоизоляционным материалом является каолиновая вата.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3