Устройство для переработки полимерного материала - RU2584278C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройству в соответствии с родовым понятием пункта 1 формулы изобретения.

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

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

Большинство этих давно известных устройств не удовлетворяют в отношении получаемого на выходе шнека качества обработанного полимерного материала и/или в отношении его количественного выхода из шнека. Исследования показали, что требования к следующему за бункером шнеку, в большинстве случаев пластифицирующему шнеку, изменяются в процессе эксплуатации, что отдельные партии обрабатываемого материала в смесительной емкости остаются дольше, чем другие партии, и что отдельные партии ведут себя в шнеке по-разному. Эти отклонения могут объясняться разным характером постепенно загружаемых в бункер или шнек партий материала, например разным характером или разной толщиной полимерного материала, такого, например, как остатки пленки и т.д., а также неконтролируемыми случайностями.

Для термически и механически однородного материала повышение качества полученного на выходе шнека материала возникает тогда, когда глубина зоны дозирования шнека очень велика, а сжатие в шнеке очень мало. Если же придавать значение повышению выхода материала из шнека или повышению производительности, например, комбинации разрыватель-экструдер, то приходится повышать частоту вращения шнека, а это означает, что возрастает также сдвиг. Однако за счет этого обработанный материал механически и термически сильнее нагружается шнеком, т.е. возникает опасность повреждения молекулярных цепочек полимерного материала. В качестве другой проблемы может произойти повышение износа шнека и его корпуса, в частности при переработке рециклируемого материала за счет содержащихся в нем примесей, например абразивных частиц, металлических деталей и т.д., которые оказывают сильное изнашивающее влияние на скользящие друг по другу металлические детали шнека или его опоры. Также характер загрузки шнека на начальном участке его корпуса является существенным параметром качества обработки материала в шнеке.

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

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

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

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

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

Задача изобретения состоит в создании такого устройства для переработки полимерного материала, с помощью которого помимо обычных материалов могут без проблем затягиваться шнеком также восприимчивые или полосовидные материалы, а также перерабатываться или обрабатываться при высоком качестве, с энергосбережением и с высокой и постоянной производительностью. Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эффективности эксплуатации, увеличении интервала техобслуживания и сокращении времени простоя из-за возможных ремонтных и очистительных работ. Эта задача решается в устройстве описанного выше рода посредством отличительных признаков пункта 1 формулы изобретения.

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

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

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

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

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

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

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

Кроме того, заявитель установил, что длина примыкающего непосредственно к питающему отверстию кармана играет существенную роль для качества и расхода материала, в частности разных материалов или их смесей.

Оказалось, что выполнение кармана указанной длины привело к заметной равномерности полученного на конце транспортера, в частности экструдера, материала или полученного расплава, или что у транспортера, в частности при повышенном и щадящем расходе, удалось в значительной степени задержать нежелательный нагрев или размягчение материала, по меньшей мере, в зоне кармана. Предполагается, что за счет продолговатого кармана предотвращается локальная избыточная набивка шнека, поскольку объем кармана таков, что загрузка материала в шнек, как и избыточная набивка материалом снова становятся равномерными в случае переполненных витков шнека.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

На характер питания, расход и качество материала влияние оказывается предпочтительно тогда, когда в корпусе в зоне питающего отверстия выполнен дополнительный карман. Равномерности качества материала, во всяком случае, при повышенном расходе способствует то, что в кармане или, при необходимости, в дополнительном кармане расположен или выполнен или входит в карман или ограничивает его, по меньшей мере, один, способствующий потоку материала в направлении транспортировки подпорный элемент в виде ребра или шибера или канавки в стенке, предназначенный для ввода материала в витки шнека.

Для производительности транспортировки предпочтительно, если подпорный элемент проходит по всей длине кармана или дополнительного кармана. Щадящей транспортировке материала способствует то, что длина соответствующего подпорного элемента в кармане составляет от 60 до 100%, преимущественно от 75 до 100% от длины L кармана, причем L составляет от 0,8 до 9 D, преимущественно от 1 до 7 D, и подпорный элемент начинается на лежащем вниз по потоку направлении транспортировки шнека краю питающего отверстия или в его наиболее удаленной вниз по потоку точке.

В зависимости от обрабатываемого материала и нужной обработки, в частности в экструдере, поверхность участка внутренней стенки выполнена может быть цилиндрической или сужаться в направлении транспортировки, в частности конически, и/или расстояние между ребром или шибером и образующей шнека в кармане и/или в дополнительном кармане остается постоянным или расстояние между ребром или шибером и образующей шнека в кармане и/или в дополнительном кармане изменяется, в частности в направлении транспортировки.

В случае разных материалов предпочтительно, если соответствующий подпорный элемент проходит в направлении транспортировки параллельно оси шнека прямо или в виде витка охватывает шнек вдоль его периферии, причем шаг витка больше шага шнека, и/или если ребро, или шибер проходит радиально в корпус, и/или если, по меньшей мере, один из расположенных в дополнительном кармане участка стенки подпорных элементов продолжен внутрь кармана.

В качестве подпорных элементов рассматриваются, прежде всего,, ребра или шиберы или углубления, например канавки, во внутренней стенке корпуса. Ребра или шиберы действуют одинаково. Единственное отличие между ребром и шибером состоит в том, что шибер при работе устройства можно смещать и, тем самым, приспособить устройство к разным обрабатываемым или подаваемым материалам. Все подпорные элементы имеют составляющую в направлении транспортировки.

Для конструкции корпуса может быть предпочтительным, если внутреннее сечение дополнительного кармана соответствует сечению кармана в точке или на краю питающего отверстия вниз по потоку. Простая конструкция корпуса при повышенной приспособляемости к разным материалам возникает тогда, когда образующий карман участок стенки корпуса выполнен в виде вставляемой в корпус с возможностью замены, имеющей преимущественно длину L части корпуса или когда карман выполнен в имеющей преимущественно длину L втулке, вставляемой в корпус с возможностью замены.

Оказалось предпочтительным, если число подпорных элементов на участке стенки и, тем самым, также число карманов составляет А=d/K, где d - диаметр шнека в мм, а К - значение в диапазоне от 10 до 110, в частности от 15 до 90. Таким образом, число подпорных элементов можно подогнать под нужные диаметры шнека. Под диаметром D следует понимать средний диаметр огибающей шнека или внутренний диаметр корпуса, если он приближен к шнеку.

Далее для предложенного устройства предпочтительно, если заполняемый объем кармана на единицу длины составляет V=k Vs, где k - значение в диапазоне от 0,025 до 2, преимущественно от 0,05 до 1,5, a Vs - заполняемый объем шнека на единицу длины. Этим также можно оказать положительное влияние на качество материала на конце экструдера.

Оказалось целесообразным, если угол подъема подпорных элементов относительно направления транспортировки составляет от 0 до 75°. Если подпорный элемент заключает с направлением транспортировки угол 0°, то он проходит параллельно направлению транспортировки.

Предпочтительно, если, по меньшей мере, в зоне кармана и/или дополнительного кармана шнек представляет собой шнек экструдера с сердцевиной постоянного диаметра.

Предпочтительным образом в устройстве предусмотрено, что, по меньшей мере, в зоне кармана шнек представляет собой шнек экструдера с сердцевиной постоянного диаметра.

Для обработки разных материалов целесообразно, по меньшей мере, один отрезок охватывающего карман участка стенки снабжать блоком охлаждения, причем предпочтительным образом в стенке корпуса предусмотрены окружающие его охлаждающая рубашка и/или охлаждающие каналы, чтобы можно было устанавливать в кармане требуемые температуры. В качестве охлаждающих сред могут использоваться жидкие или газообразные среды.

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

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

- фиг. 2: разрез варианта из фиг. 1;

- фиг. 3: другой вариант с минимальным смещением;

- фиг. 4: другой вариант с большим смещением;

- фиг. 5-8: варианты с карманами в корпусе шнека.

В изображенных примерах описаны только экструдеры с единственным шнеком, например одновальные или одношнековые экструдеры. Однако в качестве альтернативы возможны также транспортеры более чем с одним шнеком, например двух- или многовальные транспортеры или экструдеры, в частности с несколькими одинаковыми шнеками, имеющими, по меньшей мере, одинаковые диаметры d. Следует отметить, что направление вращения шнека не имеет значения; он может вращаться по часовой стрелке и против часовой стрелки. Фиг. 1-4 поясняют, прежде всего, направление вращения инструментов по отношению к направлению транспортировки шнека.

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

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

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

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

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

Загруженный полимерный материал измельчается смесительными и измельчающими инструментами 3, смешивается и при этом за счет введенной механической энергии трения нагревается и размягчается, однако не расплавляется. После определенного времени пребывания в бункере 1 гомогенизированный, размягченный, тестообразный, но не расплавленный материал выгружается из бункера 1 через отверстие 8, подается в зону питания экструдера 5, захватывается там шнеком 9 и расплавляется, что подробно поясняется ниже.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Угол α между векторами 17 и 19, измеренный в наиболее удаленной вверх по потоку от направления 12 вращения точке 20 отверстия 8 или на наиболее удаленном вверх по потоку краю отверстия 8, составляет почти максимально около 160°.

Если переместиться вдоль отверстия 8 дальше влево, т.е. в направлении 12 вращения, то тупой угол α будет увеличиваться. В середине отверстия 8 угол между векторами направлений составляет около 180°, а скалярное произведение максимально отрицательное, дальше влево угол становится даже больше 180°, а скалярное произведение снова немного уменьшается, однако остается всегда отрицательным.

Не показанный на фиг. 2, измеренный в середине или в центре отверстия 8 угол β между вектором 19 направления 12 вращения и вектором 17 направления транспортировки составляет около 175°.

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

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

Расстояние 18 составляет от 15 до 20% радиуса 11 бункера 1 и примерно половину внутреннего диаметра d корпуса 16. Таким образом, этот вариант представляет собой второй предельный случай или экстремальное значение с минимально возможным смещением или расстоянием 18, когда направление 12 вращения или движения смесительных и/или измельчающих инструментов 3, по меньшей мере, незначительно встречно направлено направлению 17 транспортировки экструдера 5, а именно по всей площади сечения отверстия 8.

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

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

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

С помощью фиг. 1-4 пояснялись основные особенности и преимущества направления вращения смесительного инструмента относительно направления 17 транспортировки шнека 6, которые тесно взаимодействуют с транспортировкой и обработкой материала в шнеке 6 непосредственно после загрузки материала вниз по потоку питающего отверстия. Направление вращения смесительных инструментов и особое выполнение участка 105 стенки корпуса 16 шнека 6 дают существенные преимущества.

На фиг. 5-8 к питающему отверстию 80 по длине L примыкает участок 105 стенки корпуса 16. На примыкающем непосредственно к питающему отверстию 80 в направлении 17 транспортировки участке 105 стенки корпуса 16, который полностью окружает шнек 6, выполнен карман 100, который проходит в направлении 17 транспортировки от наиболее удаленной вниз по потоку, если смотреть в направлении 17 транспортировки, точки 20 или кромки 20′ питающего отверстия 80 по длине L 0,8 d≤L≤9 d, преимущественно 1 d≤L≤7 d, где d - диаметр шнека 6 на участке 105 стенки.

Изображенный на фиг. 5-8 бункер 1 и его присоединение к корпусу 16 соответствуют бункеру и присоединению, как они изображены на фиг. 5-8.

Карман 100 улучшает щадящее проникновение подаваемого из бункера 1 материала и направляет его щадящим образом в витки шнека 6. Как показано на фиг. 6, также в зоне питающего отверстия 80 и примыкающей к нему против направления 17 транспортировки зоне может проходить дополнительный карман 101. Однако возможно также, чтобы только перед питающим отверстием 80 проходил выполненный в корпусе 16 участок стенки с дополнительным карманом 101, как это показано на фиг. 7.

Предусмотрено, что на участке 105 стенки в кармане 100 от внутренней стенки корпуса 16 в направлении шнека 6 проходят ребра 102. Вместо них могут быть предусмотрены также шиберы такого же действия. Эти подпорные элементы вызывают транспортировку к шнеку материала, находящегося в кармане. Также канавки 103 или сопоставимые углубления на внутренней стенке корпуса 16 могут выполнять функцию таких подпорных элементов. Такие канавки 103 изображены в качестве примера на фиг. 8.

Подпорные элементы могут быть предусмотрены в кармане 100 и в дополнительном кармане 101, причем целесообразно, если подпорные элементы 102, 103 проходят по всей длине карманов 100, 101. Однако возможно также, чтобы подпорные элементы проходили только на части длины участка 105 стенки, как показано на фиг. 5. Подпорные элементы могут начинаться точкой 20 или кромкой 20′ и заканчиваться перед точкой 110 или на ее высоте, где заканчивается длина участка 105 стенки. Возможно также, чтобы подпорные элементы 102, 103 проходили только на участке, лежащем на расстоянии от точки 20 или кромки 20′ и на расстоянии от точки 110.

Длина LS соответствующего подпорного элемента 102, 103 в кармане 100 может составлять от 60 до 100%, преимущественно от 75 до 100% L, т.е. длины кармана, причем L составляет от 0,8 до 0,9 D, преимущественно от 1 до 7 D. Подпорный элемент 102, 103 начинается предпочтительным образом на лежащем в направлении транспортировки шнека 6 вниз по потоку краю 20′ питающего отверстия 80 или в его наиболее удаленной вниз по потоку точке 20. Возможно, чтобы подпорный элемент 102, 103 начинался также только на заданном расстоянии от этой точки 20 или от этого края 20′.

Подпорные элементы 102, 103 могут быть расположены или выполнены в карманах 100 и/или 101 любого сечения. Как показано на фиг. 6 и 8, участок 105 стенки имеет сужающийся в направлении 17 транспортировки карман, а участок 105 стенки на фиг. 5 и 7 - проходящую, в основном, параллельно направлению 17 транспортировки поверхность. На фиг. 6 ребра 102 в карманах 100, 101 совпадают.

В общем и целом, предпочтительно, если подпорные элементы 102, 103 расположены в карманах 100, 101, совпадая.

На фиг. 7 ребро 102 в карманах 100, 101 проходит на уменьшающемся в направлении 17 транспортировки расстоянии от шнека 6.

Возможно также, чтобы расстояние между подпорными элементами 102, 103 и огибающей шнека 6 уменьшалось в направлении 17 транспортировки или оставалось постоянным.

Для определенных целей применения предпочтительно соответствующий подпорный элемент 102, 103 проходит в направлении 17 транспортировки параллельно оси шнека 6 прямо или в виде спирали окружает шнек 6 вдоль его периферии, причем шаг витка больше шага шнека 6. Угол наклона подпорных элементов 102, 103 относительно направления 17 транспортировки составляет от 0 до 75°. Проходящие по спирали вокруг шнека 6 подпорные элементы 102, 103 на фигурах не показаны.

Для перевода материала в шнек 6, в частности в следующем за зоной питания кармане 100, целесообразно, если ребро 102 или шибер проходит предпочтительно радиально в карман 100 или 101 и образует вокруг шнека 6 заграждение, препятствующее транспортировке материала.

Возможно, чтобы предусмотренные в кармане 100 подпорные элементы 102, 103 продолжились в дополнительный карман 101 и, тем самым, образовали сплошные подпорные элементы. Далее также предпочтительно, если внутреннее сечение кармана 101 соответствует сечению кармана 100 в точке 20 или на краю 20′.

На практике оказалось целесообразным, если число А подпорных элементов 102, 103 на участке 105 стенки и, тем самым, также число карманов 100 составляет А=d/K, где d - диаметра шнека 6 в мм, а K - значение от 10 до 110, в частности от 15 до 90. Таким образом, можно определить необходимое для хорошей обработки материала число подпорных элементов, распределенных по периферии участка 105 стенки, при данном диаметре шнека.

Оказалось, что за счет предусмотренных в пределах участка 105 стенки подпорных элементов, прежде всего, однако, за счет выполнения кармана 100 в этой зоне, происходит оптимальная для материала или его свойств подача материала в витки шнека 6. Это подтверждается улучшенными свойствами полученных на выходном отверстии шнека 6, обработанных или расплавленных материалов. Также направление подаваемого смесительными инструментами 14 в питающее отверстие 80 материала положительно взаимодействует с карманом 100.

Для дальнейшего улучшения свойств материала целесообразно, по меньшей мере, один отрезок охватывающего карман 100 участка 105 стенки снабдить блоком охлаждения 120, причем предпочтительным образом в стенке корпуса 16 предусмотреть окружающие его охлаждающую рубашку и/или охлаждающие каналы.

Конструкция устройства упрощается, если образующий карман 100 участок 105 стенки корпуса 16 выполнен в виде части корпуса 16, вставляемой в него с возможностью замены и имеющей преимущественно длину L, или если карман 100 выполнен в имеющей преимущественно длину L втулке, вставляемой в корпус 16 с возможностью замены. В этом случае с помощью соединений (не показаны) может быть построен участок стенки от точки 20 или кромки 20′ до точки 110 и заменен другим участком 105 стенки с соответствующими подпорными элементами 102, 103.

Выполнение подпорных элементов 102, 103 может определяться, в том числе, обрабатываемыми или транспортируемыми материалами и зависит также от их состава или от содержащихся в них загрязнений.

На следующем за участком 105 стенки в направлении 17 транспортировки участке корпуса шнек 6 может быть выполнен произвольно традиционным образом в зависимости от нужной обработки материала.

Способ охлаждения участка 105 стенки выбирает специалист; существенной является возможность организовать охлаждение в этой зоне корпуса 16 шнека 6.

Шнек 6 имеет, по меньшей мере, на участке 105 стенки, преимущественно по всей своей длине, постоянный наружный диаметр и/или диаметр сердцевины.

Переходы от корпуса 16 к участкам стенки кармана 100 выполнены предпочтительно закругленными; возможно также ступенчатое выполнение.

Реферат

Изобретение относится к устройству для предварительной обработки и последующей транспортировки или пластификации полимеров. Устройство содержит бункер (1) с установленным в нем с возможностью вращения вокруг оси (10) смесительным и/или измельчающим инструментом (3), причем в боковой стенке (9) бункера (1) выполнено отверстие (8), через которое выгружается полимерный материал, причем предусмотрен транспортер (5) с вращающимся в корпусе (16) шнеком (6). Воображаемое продолжение продольной оси (15) транспортера (5) проходит против направления (17) транспортировки транспортера (5) мимо оси вращения (10). Продольная ось (15) со стороны выхода смещена на расстояние (18) от параллельной продольной оси (15) радиальной линии (11) бункера. На непосредственно примыкающем к питающему отверстию (80) в направлении (17) транспортировки участке (105) стенки корпуса (16), полностью окружающем шнек (6), выполнен карман (100), который проходит в направлении (17) транспортировки от лежащего вниз по потоку края (20′) питающего отверстия (80) по длине (L) 0,8 d≤L≤9 d, где d - наружный диаметр или диаметр образующей шнека (6) на участке (105) стенки. Технический результат, достигаемый при использовании устройства по изобретению, заключается в том, что могут без проблем затягиваться шнеком восприимчивые или полосовидные материалы и будут перерабатываться или обрабатываться при высоком качестве. 28 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула