Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Предложенное техническое решение относится к области переработки сыпучих материалов и может быть использовано для непрерывного приготовления многокомпонентных смесей в химической и других родственных с ней отраслях промышленности.

Известен способ приготовления многокомпонентных смесей сыпучих материалов [см. а.с. №2207900 (РФ), кл. B01F 3/18, 10.07.2003], включающий непрерывное дозирование компонентов, их загрузку в смеситель на расстоянии от места выгрузки, пропорциональном насыпным плотностям и/или размерам частиц, смешивание и выгрузку готовой смеси. Загрузку каждого из компонентов осуществляют непрерывно по длине смесителя, вплоть до разгрузочного края барабана. Непрерывную загрузку компонентов по длине барабана осуществляют равномерно. В описательной части представлена схема устройства, выбранного в качестве аналога: смеситель непрерывного действия в виде барабана, дозаторы компонентов, узлы загрузки компонентов и выгрузки готовой смеси. Смеситель дополнительно снабжен n-1 перфорированными трубами, установленными внутри смесителя вдоль его оси, с приводами вращения. На перфорированной трубе с возможностью фиксированного поворота установлены перфорированные обечайки, причем в исходном положении все отверстия в обечайках совпадают с отверстиями в трубе.

Как показали результаты наших исследований, недостатком данного технического решения является неравномерность распределения частиц ключевых компонентов по циркуляционному контуру в поперечном сечении смесителя, в частности, пониженная концентрация ключевых компонентов в наружных слоях и слоях, примыкающих к области центра циркуляции, а также повышенная концентрация ключевых компонентов в средних слоях циркуляционного контура, что оказывает негативное влияние на качество готовой смеси.

За прототип принят способ приготовления многокомпонентных смесей сыпучих материалов и устройство для его реализации [см. патент №2478420 (РФ), кл. B01F 3/18, (РФ), 10.04.2013], включающий в себя непрерывное дозирование компонентов, их загрузку в смеситель на расстоянии от места выгрузки, пропорциональном насыпным плотностям и/или размерам частиц, смешивание и выгрузку готовой смеси, непрерывную загрузку компонентов по длине барабана осуществляют неравномерно, весь период загрузки каждого ключевого компонента разбивается не менее чем на три равных участка и в соответствии с тем, является ли в соответствующей области циркуляционного контура концентрация ключевого компонента повышенной или пониженной, изменяется интенсивность загрузки. В описательной части представлена схема устройства, выбранного в качестве прототипа: устройство содержит смеситель непрерывного действия, дозаторы компонентов, узлы загрузки компонентов и выгрузки готовой смеси. Устройство снабжено n-1 перфорированными трубами, установленными внутри смесителя вдоль его оси, с приводами вращения. На перфорированной трубе с возможностью фиксированного поворота установлены перфорированные обечайки. В исходном положении все отверстия в обечайках совпадают с отверстиями в трубе. Каждая из перфорированных обечаек разделена не менее чем на три равных части с независимой возможностью поворота относительно трубы, причем каждая из них снабжена приводом ее фиксированного поворота относительно трубы.

Несомненно, прототип позволил существенно повысить качество смеси по сравнению с аналогом, однако экспериментальные исследования процесса непрерывного приготовления многокомпонентных смесей, одним из ключевых компонентов которых является углеродный наноматериал семейства «Таунит» показали, что даже незначительные (порядка десятых долей %) отклонения качества от требуемого по регламенту, существенно снижают качество готового продукта. Поэтому для решения конкретных технических задач, например, при производстве композиционных материалов, модифицированных углеродными нанотрубками семейства «Таунит», необходима более высокая однородность смеси.

Технической задачей предложенных решений является повышение качества готовой смеси.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что:

в способе непрерывного приготовления многокомпонентных смесей сыпучих материалов, включающем в себя непрерывное дозирование компонентов, их загрузку в смеситель на расстоянии от места выгрузки, пропорциональном насыпным плотностям и/или размерам частиц, смешивание и выгрузку готовой смеси, загрузку каждого из компонентов осуществляют непрерывно по длине смесителя, вплоть до разгрузочного края барабана, непрерывную загрузку компонентов по длине барабана осуществляют неравномерно, в отличие от прототипа весь период загрузки каждого ключевого компонента разбивается не менее чем на три неравных участка, причем границы участков проходят в точках перехода концентрации ключевого компонента от повышенной к пониженной и/или от пониженной к повышенной по сравнению с заданной концентрацией и в соответствии с тем, является ли в соответствующей области циркуляционного контура концентрация ключевого компонента повышенной или пониженной, изменяется интенсивность загрузки, которая для любого участка j определяется зависимостью

где q_cp - интенсивность загрузки этого ключевого компонента, рассчитанная для случая непрерывной равномерной загрузки компонента; отклонение интенсивности загрузки на любом участке j

где m - номер первого подслоя в составе участка; k - номер последнего подслоя в составе участка; С_зад - заданная концентрация; C_i - концентрация ключевого компонента в i-том подслое циркуляционного контура; V_i - объем i-того подслоя, а длительность загрузки ключевого компонента на j-том участке разбиения определяется зависимостью

где r - количество подслоев на j-том участке разбиения; l - число подслоев циркуляционного контура; τ_заг - общая длительность загрузки ключевого компонента.

Для практического осуществления предложенного способа может быть использовано устройство для приготовления n-компонентной смеси, описанное в прототипе. Оно включает в себя смеситель непрерывного действия, дозаторы компонентов, узлы загрузки компонентов и выгрузки готовой смеси, дополнительно снабжено n-1 перфорированными трубами, установленными внутри смесителя вдоль его оси, с приводами вращения. На перфорированной трубе с возможностью фиксированного поворота установлены перфорированные обечайки, отверстия в обечайке имеют характерные размеры: d₁ - вдоль оси трубы и d₂ - на окружности, и разделены на М групп, в каждой из которых d₁ одинаков и равен диаметру отверстий в перфорированной трубе, a d₂ изменяется и равно

где i - порядковый номер отверстия в группе, который изменяется от 1 до n₀/М; n₀ - количество отверстий в одном поперечном сечении трубы, выбирается кратным М; расстояния между центрами отверстий в поперечном сечении трубы больше или равны (n₀/M)d₁, причем в исходном положении все отверстия в обечайках совпадают с отверстиями в трубе, в отличие от известных решений каждая из перфорированных обечаек разделена не менее чем на три части с независимой возможностью поворота относительно трубы, причем каждая из них снабжена приводом ее фиксированного поворота относительно трубы. В отличие от варианта, описанного в прототипе длина обечаек каждой части, должна быть не одинаковой.

Устройство для осуществления указанного способа показано на фигуре 1. На фигуре 2 показано поперечное сечение смесителя А-А. Конструкция включает в себя смеситель 1, с узлами загрузки 2-4, узел выгрузки готовой смеси 5, дозаторы 6-8 для непрерывной подачи компонентов A, В и C, соответственно, перфорированные трубы 9 и 10 с приводами вращения 11 и 12.

В качестве смесителя может быть использован барабанный смеситель непрерывного действия, у которого наблюдается циркуляционный характер движения в поперечных сечениях по его длине.

Устройство работает следующим образом: основной компонент A с помощью узла загрузки вводится в смеситель. Ключевые компоненты с помощью узлов загрузки 3 и 4 вводятся в перфорированные трубы таким образом, чтобы они были заполнены соответствующими сыпучими материалами. Перфорация на трубе 9 для подачи в барабан наиболее склонного к сегрегации ключевого компонента начинается не с начала трубы, а на определенном расстоянии от места выгрузки. В частности, компонент C начинали загружать в сечении, когда время пребывания двух основных составляющих смеси соответствовало расчетному моменту времени ввода данного компонента. При этом загрузка ключевых компонентов в смеситель осуществляется через отверстия перфорации в трубах. Диаметр отверстий подбирается таким образом, чтобы через них производилась вполне определенная, необходимая по требованиям к готовой смеси, загрузка ключевых компонентов в смеситель, в результате вращения труб приводами 11 и 12.

На фигуре 3 показано сечение трубы 13 с установленной на ней перфорированной обечайкой 14. Отверстия на обечайке расположены таким образом, что в случае, показанном на этом рисунке, возможна выгрузка сыпучего материала через все отверстия трубы. При повороте обечайки относительно трубы на некоторый угол против часовой стрелки возникает перекрытие одного отверстия трубы, двух и т.д. до полного перекрытия отверстий в трубе. Вследствие того, что на трубе установлен ряд подобных обечаек, возможно на определенных участках трубы как полное, так и частичное перекрытие отверстий для осуществления необходимого регламента загрузки ключевых компонентов.

На фигуре 4 показана одна из перфорированных труб 13 с тремя обечайками 15-17, расположенными на ее перфорированном участке. Стержни 18-20 жестко прикреплены к обечайкам. Их свободные концы проходят через диск с кольцевыми пазами 21, располагающийся около загрузочного края трубы. На свободных концах стержней нарезана резьба, и гайками 22 они фиксируются относительно диска 21, тем самым происходит фиксация обечаек 15-17 на наружной поверхности перфорированной трубы.

Для обоснования правильности выбранного способа процесса смешивания были проведены численные эксперименты с расчетами концентраций и качества смеси по математическим моделям процесса смешивания дисперсных материалов, отличающихся размерами частиц [Першин В.Ф., Селиванов Ю.Т. Моделирование процесса смешивания сыпучих материалов в циркуляционных смесителях непрерывного действия // Теор. основы хим. технологии, 2003, т.37, №6, с.629-635] и реальные эксперименты на действующих лабораторных установках.

В связи с тем, что разделение на различные компоненты многокомпонентных смесей, одним из ключевых компонентов которых является углеродный наноматериал семейства «Таунит», для дальнейшего анализа состава, является весьма сложной технической задачей, в дальнейшем при проведении экспериментов в качестве компонентов смеси использовались: стеклянные шарики с диаметром d=0,8 мм - основной компонент; стеклянные шарики с d=0,4 мм, и кварцевый песок d=0,2 мм - ключевые компоненты.

Для расчетов использовалась послойная модель процесса приготовления многокомпонентных смесей в барабанном смесителе непрерывного действия [Першин В.Ф. Модель процесса смешения сыпучего материала в поперечном сечении гладкого вращающегося барабана // Теор. основы хим. технологии, 1989, т.23, №3, с.370-377].

При движении в поперечном сечении гладкого вращающегося барабана полидисперсного материала наблюдается эффект сегрегации. Сущность данного эффекта заключается в том, что частицы определенного размера концентрируются в определенных зонах смесителя. Скорость продвижения частиц к их конечному распределению зависит от соотношения размеров частиц. В рассматриваемом случае наибольшую склонность к сегрегации имели самые мелкие частицы кварцевого песка. Частицы стеклянных шариков размером d=0,4 мм будем называть менее склонными к сегрегации, а частицы стеклянных шариков с d=0,8 мм - основным компонентом. Качество смеси оценивалось по коэффициентам неоднородности VS1 и VS2 [см. а.с. №2207900 (РФ), кл. B01F 3/18, 10.07.03].

При отборе проб после проведения эксперимента и математическом моделировании процесса смешивания циркуляционный контур, образованный смешиваемыми компонентами в поперечном сечении, делят на подслои.

На фигуре 5 показана структура распределения ключевых компонентов по подслоям циркуляционного контура при равномерной и непрерывной загрузке ключевых компонентов, т.е. соответствующая варианту, выбранному в качестве аналога. Очевидно, что в различных зонах циркуляционного контура наблюдается повышенное или пониженное содержание ключевых компонентов. Причем в общем случае ширина этих зон, соответствующая различному количеству подслоев, не одинакова. Из этого можно сделать вывод о том, что при разбиении периода загрузки каждого ключевого компонента не менее чем на три равных участка, в соответствии с вариантом, описанном в прототипе, невозможно достижение равномерного распределения по подслоям циркуляционного контура. В случае разбиения периода загрузки на неравные участки, причем границы участков проходят в точках перехода концентрации ключевого компонента от повышенной к пониженной и/или от пониженной к повышенной по сравнению с заданной концентрацией, можно добиться полного совпадения периодов повышенной или пониженной интенсивности загрузки с зонами повышенного или пониженного содержания ключевых компонентов.

Рассмотрим зависимости, позволяющие рассчитать интенсивность загрузки какого-либо одного ключевого компонента при разбиении периода загрузки на неравные участки. Пусть средняя интенсивность загрузки этого ключевого компонента, рассчитанная для случая непрерывной равномерной загрузки компонента, т.е. для варианта, соответствующего аналогу, равна q_cp. Длительность загрузки этого ключевого компонента τ_заг. Тогда общее количество ключевого компонента загруженного в смесь будет равно

Пусть весь период загрузки разбивается на три неравных участка с интенсивностью загрузки q₁, q₂, q₃, как показано на фигуре 5. Длительность загрузки на каждом из участков, соответствующая количеству подслоев с пониженным или повышенным содержанием ключевого компонента, равна τ₁, τ₂, τ₃.

Тогда

Интенсивность загрузки на первом участке

Отклонение интенсивности загрузки от среднего значения для первого участка

В верхней границе суммы 5 - число подслоев, соответствующих первому участку (на фигуре 5 обозначено цифрой I); С_зад - концентрация ключевого компонента, соответствующая требованиям заказчика; C_i - концентрация ключевого компонента в i-том подслое циркуляционного контура; V_i - объем i-того подслоя.

Отклонение интенсивности загрузки от среднего значения для второго участка (на фигуре 5 обозначено цифрой II)

Отклонение интенсивности загрузки от среднего значения для третьего участка (на фигуре 5 обозначено цифрой III)

В общем случае разбиения на участки отклонение интенсивности загрузки на любом участке определяется зависимостью (2).

При этом следует отметить, что отклонение интенсивности может иметь как положительное, так и отрицательное значение, в зависимости от того, является ли концентрация ключевого компонента на данном участке повышенной или пониженной по сравнению с требованиями.

Интенсивность загрузки определяется из выражения (1). Длительность загрузки ключевого компонента на j-том участке разбиения определяется зависимостью (3).

Зависимости, позволяющие рассчитать интенсивность загрузки для других ключевых компонентов, подобны.

Экспериментальная проверка указанных способов проведения процессов смешивания соответствовала условиям проведения численных экспериментов. При этом использовался барабанный смеситель диаметром 0,3 метра и длиной 1 метр. Концентрация ключевых компонентов в смеси по каждому из них составляла 5%. Состояние смеси оценивалось только для случаев, соответствующих наилучшему распределению каждого ключевого компонента в поперечном сечении барабана, рассчитанному по математической модели процесса. Экспериментальные точки, характеризующие состояние смеси, обозначены для кварцевого песка - о, а для стеклянных шариков - □.

На фигуре 6 показаны графики, характеризующие изменение качественного состава смеси в случае равномерной и непрерывной загрузки ключевых компонентов, вплоть до разгрузочного края барабана, т.е. по способу, выбранному в качестве аналога. Время начала загрузки первого и второго ключевых компонентов, как видно из графиков, не совпадает. Длительность проведения процесса в этом случае увеличивается, однако наилучшее качество готовой смеси по обоим ключевым компонентам достигается одновременно, и коэффициенты неоднородности не превышают 2-3%.

Анализ качества распределения ключевых компонентов по подслоям циркуляционного контура показывает, что наблюдаются зоны повышенной или пониженной концентрации в различных группах подслоев. При этом в общем случае указанные зоны для различных ключевых компонентов не совпадают. Это связано с тем, что объемы подслоев уменьшаются при продвижении от наружной поверхности барабана к центру циркуляции. На скорость продвижения ключевых компонентов в область центра циркуляции также оказывает влияние их количество в соприкасающихся подслоях. Из анализа вышесказанного следует, что при целенаправленном изменении интенсивности подачи ключевых компонентов в различные зоны смесителя качество готовой смеси может быть повышено. Диапазон изменения интенсивности подачи незначителен и не превышает плюс-минус 8%.

На фигуре 7 показаны графики, характеризующие изменение качественного состава смеси в случае неравномерной непрерывной загрузки ключевых компонентов по длине барабана, т.е. по способу, выбранному в качестве прототипа. Весь период загрузки каждого ключевого компонента разбивался не менее чем на три равных участка и в соответствии с тем, являлась ли в соответствующей области циркуляционного контура концентрация ключевого компонента повышенной или пониженной, изменялась интенсивность загрузки. Наилучшее качество готовой смеси по обоим ключевым компонентам достигается одновременно, и коэффициенты неоднородности не превышают 1,85%.

Графики, характеризующие изменение качественного состава смеси в случае неравномерной непрерывной загрузки ключевых компонентов по длине барабана, когда весь период загрузки каждого ключевого компонента разбивался не менее чем на три неравных участка и в соответствии с тем, являлась ли в соответствующей области циркуляционного контура концентрация ключевого компонента повышенной или пониженной, изменялась интенсивность загрузки, подобны графикам, изображенным на фигуре 7. Однако в этом случае удается достичь более высокого качества смеси, а коэффициенты неоднородности не превышают 1,4%. Таким образом, по сравнению с прототипом однородность смеси при использовании предложенного способа улучшается как минимум на 20%.

Не менее важным является уменьшение диапазона разброса качества смеси в отдельных пробах. Если в случае получения смесей, соответствующем способу прототипа, в части проб коэффициенты неоднородности оказывались несколько выше или ниже средних значений, то в случае предлагаемого способа число таких проб оказалось существенно ниже.

Таким образом, как показывают приведенные выше результаты численных и натурных экспериментов предлагаемый способ способен обеспечить достижение поставленной цели - повышение качества смеси.