CN1113734C - 用于橡胶连续脱硫的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于硫化橡胶或交联型聚合材料脱硫的装置，该装置具有超声波冲击段，该部分包含：成形有冲击通道的壳体，材料颗粒流经这些通道，以及超声波发生器，具有基本横截于材料流动方向延伸的扬波器。该装置还具有预处理段，用于将颗粒送入超声波冲击通道。用于对硫化橡胶或交联型聚合材料进行脱硫的方法包括以下步骤：对材料颗粒进行预处理并送料，包括加热颗粒；将颗粒送入加压的冲击通道；以及在冲击通道中对颗粒进行超声能冲击，该超声波沿通道方向的横截方向传播，以通过破坏材料中的化学键而起到脱硫作用。

Description

用于橡胶连续脱硫的方法和装置

本发明涉及橡胶与其它交联型聚合材料的再生，更具体来讲，涉及对这类材料进行脱硫使材料得以回收利用的连续工艺过程。

废旧轮胎的处置已成为日益严重的环境问题。废旧轮胎堆和充满废弃轮胎的土地填埋场已成为很普通的景观。到目前为止，还没有令人满意的方法来处理这类废物、或回收利用这类由天然或合成橡胶制造并加以其它材料强化的轮胎及其它制品。尽管一些轮胎被用作挡土墙或交通用制动桶(barrel anchor)或以其它方式被利用，但这些用途的需要量非常有限，因此还没有足够的方法来消纳所有废弃轮胎。

目前已经开发了各种处理方法，以试图将轮胎中的橡胶回收成可再利用的形式，但这些尝试基本上都不成功或受到局限。然而，一种已经取得一些成效的工艺是超声脱硫工艺，它是在一受控过程中将轮胎和其它制品如胶皮管或皮带中的熟化橡胶粉碎成颗粒，并进行超声能冲击。当受到超声能适当冲击时，硫化橡胶中的碳-硫键和硫-硫键断裂，所生成的材料基本上被脱硫并可重新用于制造橡胶产品。

在Isayev等人的美国专利第5,258,413号和第5,284,625号中已详细说明了利用超声能对橡胶进行脱硫的装置和方法。尽管这些装置和方法基本上是有效的，但它们并未提供以高性价比方式连续处理大量材料的方法。在连续超声脱硫工艺的设计中所遇到的问题之一是：如何高效地对材料进行超声能连续冲击从而使材料适当脱硫。在上述美国专利第5,258,413和5,284,625号中，这是通过将超声波扬波器沿与材料流动的同轴方向定位在挤出机出口处来实现的。由于扬波器基本上闭合了材料所流经的出口，这就要求所有材料均流经超声波扬波器。尽管这种设计基本上能有效地使橡胶脱硫，但它限制了可处理材料的数量，这是由于当材料从挤压机出口出来时，扬波器的位置限制了材料的流动。

本发明解决了先有技术方法和装置中的难题，并且具有此前尚未认识到的其它优点。根据本发明提供了一种连续超声脱硫工艺，其中超声波扬波器是沿流动轴线方向的横截方向即径向设置。这样，扬波器不会阻碍或限制材料的流动，而能够以高效且高性价比的操作方式对材料进行连续处理。

采用本发明的设计方案，优选为通过若干条螺旋通道来输送材料，这些通道由冲击主体内的螺旋沟槽构成，一个圆柱芯轴在该主体内旋转。这些通道构成了材料流道，材料在其中受到由发生器所产生的超声能的连续冲击，该发生器具有插入通道中的扬波器。于是使超声能基本上沿着流动方向的横截方向对材料进行冲击，从而对材料进行有效处理。

本发明还包含位于超声处理段上游的预处理段和位于处理段下游的后处理段。预处理段优选地具有在加热筒中旋转的螺旋送料杆，该段在材料进入处理段之前对材料进行加热加压。后处理段在封闭的冷却筒中具有螺旋送料杆，该段对已处理材料进行冷却而又不使材料暴露于空气中，或者使气体或副产物逸出。

本发明的方法和装置提供了一种延长型轴向设计结构，在该结构中材料在超声处理过程之中和之后始终沿轴线连续流动。这种轴向设计结构使得该方法和装置能够与其它工艺过程相结合，从而使已处理材料在从装置出来后可得到进一步处理。例如，在本发明装置的出口，可对已处理材料进行挤出工艺或其它轴向进料的处理工艺。因此本发明的方法和装置允许在超声处理之后对材料进行进一步处理。

本发明的用于对硫化橡胶或交联型聚合材料进行脱硫的装置提供了这些以及其它优点，该装置具有超声波冲击段，该段含有：主体，构成冲击通道，材料颗料在该通道中流动；超声波发生器，具有基本上沿通道方向的横截方向延伸的扬波器；该装置还具有预处理段，用于将颗粒送向超声波冲击通道。

本发明还构想了一种用于硫化橡胶或交联型聚合材料脱硫的方法，包含下述步骤：材料颗粒的预处理和送料，包括对颗粒进行加热；将颗粒送入加压的冲击通道；在冲击通道中对颗粒进行超声能冲击，超声波沿通道方向的横截方向传播，通过材料中化学键的断裂来实现脱硫。

图1是用于实现本发明方法的本发明装置的侧视剖视图；

图2是图1所示装置中预处理段和超声波冲击段的放大比例侧视剖视图；

图3是图1所示装置中后处理段和超声波冲击段的放大比例侧视剖视图；

图4是沿图3中4-4线所作的后处理段的端视剖视图；

图5是沿图3中5-5线所作的超声波冲击段的端视剖视图；

图6是沿图5中6-6线所作的超声波冲击段的侧视剖视图；

图7是图5中超声波冲击段的端视分解示意图；

图8是沿图7中8-8线所作的超声波冲击段主体的内部平面图；

图9是图7中超声波扬波器的侧视半剖示意图；

图10是与图9相似的另一种可选超声波扬波器的侧视剖视图。

下面更具体参照附图，首先参照图1，图中示出了本发明的装置，其具有一个脱硫挤出机组件10，该组件10具有三个部分：预处理段11，超声波冲击段12，以及后处理段13。

预处理段11具有主体17，在其一端连有细长的圆筒18。主体17内具有中心孔，孔内衬有圆筒形衬套19，衬套内即构成送料腔20。在主体17的上部成形有一个径向开口21，通过该开口可将材料送入腔20中。装料斗22位于开口之上，将待处理的量定材料灌进装料斗中。

圆筒18也具有中心孔，构成送料腔26。圆筒18通过适当装置(未示出)连接在主体17的下游端，并且圆筒和衬套19彼此同轴，使得腔体20和26形成连续的送料腔，螺旋送料杆定位在腔体中。螺旋送料杆27的一端通过联轴节28与驱动轴29相连。驱动轴29又通过装在机箱31中的驱动轮系(未示出)与输入轴30相连，机箱31固定在底座32上。输入轴30通过联轴节33与适用电机35的轴34相连。

本发明装置的预处理段11中的大多数元件，可用材料送料与挤出工艺中常用的已知元件来适当改装，因此无需在此详细讨论。螺旋送料杆27是材料送料和挤出工艺中常用的典型螺杆，且其下游方向典型为锥形，使得在材料流到下游时其根径加大，从而当材料被输送入圆筒18时增大了材料的压力。螺旋送料杆27沿其长度具有典型的螺旋条棱39(图2)，以帮助输送材料。图示中螺旋送料杆27的大部分长度上只有一条条棱39，不过也可采用多条条棱。在螺旋送料杆27的下游端具有双条棱40，以对输送到冲击段12中的材料平均分布压力。

圆筒18周围沿其长度间隔地安装有若干个加热器(未示出)，以通过圆筒将热量导入正在流经圆筒的材料中，在材料到达超声波冲击段12之前将材料加热到高温，优选地约为300华氏度，从而使超声脱硫工艺能够生效。圆筒中还装有合适的温度传感器例如热电偶44，以测量由加热器所产生的热度，从而可以控制该温度。此外，在送料腔20和26中，优选地在其下游端，还可安装有合适的压力传感器(未示出)，以测量腔中材料的压力，以便在将材料导入超声波冲击段12之前维持适当的压力，使得超声脱硫工艺可有效完成。圆筒18的长度由合适的支座45来支承。

超声波冲击段12包含一个铸件或壳体49，其通过螺钉50(图6)与圆筒18的出口端相连。壳体49优选为一个具有圆柱形中心孔的中空铸件，该中心孔基本上与圆筒18的送料腔26同轴。壳体49中的中心孔带有若干条棱51和通道52(见图7和图8)，它们呈螺旋形延伸在圆柱孔的内表面。圆柱形芯轴53(图6)在该中心孔中旋转。与带条棱的螺旋送料杆27不同，芯轴53具有光滑的外表面。位于壳体49中心孔内表面的条棱51和螺旋通道52、并连同芯轴53的外表面，共同构成材料流经超声波冲击段12的流道。芯轴53通过螺纹接头(未示出)与螺旋送料杆27相连，使得芯轴与螺旋送料杆一同旋转。当芯轴53在壳体49的中心孔内旋转时，芯轴53的旋转与固定条棱51共同导致材料在螺旋通道52中流动。受螺旋送料杆27作用所导入壳体49中的材料的压力会增强这一流动。

与壳体49相连并沿着流动轴线的横截方向即径向从其上伸出有一个或多个超声波发生器组件58(图5)。每个超声波发生器组件58包含一个换能器59，与波导管或扬波器60相连。换能器59优选地含有一个压电或磁致伸缩元件，其在超声频率范围内振动，该频率优选约为18至22千赫。每个扬波器60的前端61伸进相应的孔62中，该孔62沿着相对于流动轴线方向的径向贯穿壳体49。优选的是孔62与扬波器60之间为很严格的公差配合，以有效地封闭该孔。每个组件58靠装配法兰63与壳体49之间的连接来支承，该连接是通过装配密封圈64和夹紧环65形成的，该夹紧环通过螺钉66(图5和7)与壳体49相连。定位销67穿过法兰63中的孔伸进壳体49的相应孔中，以使扬波器相对于壳体定位。垫片或隔片68定位在密封圈64和壳体表面之间。扬波器60为单件式结构以产生适当振荡，并且由合适的声学材料例如铝、镁或钛合金制成，具有将超声能向被处理材料传播的特性。扬波器60的长度当然取决于所需要产生的超声频率以及该结构所用材料。扬波器60上的法兰在扬波器振动的节点之一处从扬波器的外圆周径向向外伸出，以牢固固定扬波器，同时使扬波器能够根据已知超声技术以所需超声波频率振动。如图7中具体所示，扬波器60的前端61为弧状，与通道52和芯轴53的内表面相配。

由于材料在到达冲击段12之前即含热量，并且在超声脱硫工艺过程中又产生热量，因此扬波器60需要内部冷却。例如如图9所示，扬波器60可具有内部冷却通道70，使冷却液例如水可在扬波器中循环。通道70沿扬波器60的侧边与孔71相通，可将合适的供水管和排水管(未示出)连接在孔71处。或者如图10所示，扬波器60a可具有冷却通道70a，每条通道由与扬波器轴线成夹角的钻孔构成。两条通道70a的入口处为开口71a，可将合适的供水管和排水管连接在该开口处。

利用通道70a或70a对扬波器60进行冷却，不仅可防止扬波器过热，而且对扬波器与扬波器安装在壳体49中所处的孔62之间的公差提供了控制手段。由于扬波器60会受热膨胀，通过冷却扬波器可或多或少地将扬波器的有效外径控制在严格的公差内。这样，可控制扬波器60和孔62之间的公差达到非常严格的公差配合。

超声波发生器组件58的数目与壳体中所设的冲击通道52的数目相匹配，使得每条通道中的材料在流经通道时均受到超声能冲击。如优选实施例所示，具有两个超声波发生器组件58和两条由壳体49中心孔内表面上的沟槽所形成的螺旋通道52。采用其它数目的超声波发生器组件和通道也是可行的，例如，可环绕壳体49的圆周间隔90度地分布四个超声波发生器组件，以及四条对应的通道。

通道的结构以及与通道相联的扬波器的弧形端面对于脱硫作业产生重要影响。如图9所示，扬波器端部61优选为大于构成通道52(图8)的沟槽宽度，使得流经通道的所有材料均受到超声能冲击一段给定时间。此外，每个组件58中扬波器端面61与芯轴53之间的装配间隙73(图5)应达到最小，以使相对较窄层的材料受到超声能冲击。间隙73可以变化，并且通过采用不同厚度的垫片68来确定和形成该间隙。对于适合在20千赫频率传播超声能的铝合金超声波扬波器来说，扬波器长度为5英寸、直径为2.25英寸，形成通道52的沟槽应不大于2英寸宽和1/4英寸深。扬波器端面61与芯轴53之间的间隙73可通过沿径向将扬波器移进或移出孔62加以调节，该孔62即扬波器安装在壳体49中所处的孔。要增大间隙73，可将额外的填隙片或垫片68或具有不同厚度的垫片安装在法兰63周围的密封圈64前面，扬波器60即在该处安装在壳体49上。要减少间隙73，可减薄或去除填隙片或垫片68。

在本发明的工艺中存在芯轴53是重要的，这是由于它对由扬波器60所产生的超声波起到反射作用。当扬波器60产生超声能后，将其传播到占据间隙73的材料中，然后击中芯轴53外侧。芯轴53具有一层衬垫，其将能量吸收或反射回材料中，并在其它情况下阻止材料随超声波作用而直接远离扬波器。扬波器60和芯轴53之间的作用有点类似于锤子和砧子，其中扬波器为锤子而芯轴为砧子。这些元件共同提高了超声波对材料处理的效率。

由于扬波器60为圆柱形，邻接通道52的扬波器端部61为圆形截面。如图8所示，这意味着流经通道52中间的材料比流经通道边缘的材料受到超声能冲击的持续时间较长。这种效应可通过采用方形或矩形截面的扬波器加以校正，或者通过对扬波器端面61进行轮廓设计、使得沿边缘流动的材料较少来校正。扬波器前端61在其上游侧也优选地带有圆弧边缘，以使材料在遇到扬波器时对材料流动的破坏达到最小，从而降低压力并预处理材料。

冲击通道52优选为螺旋形，尽管也可采用直的通道。然而，螺旋形通道52导致产生一个由旋转芯轴53施加给材料的向下游流动的分力，以帮助将材料输送过通道。此外，每条通道52的螺旋形结构会产生剪力，当材料流经通道时使材料颗粒产生进一步混合或翻滚。材料在经过通道时的这种混合使材料混合物更加均匀，并有助于使更多的材料颗粒在间隙73中接受超声能冲击。同时还能防止部分材料颗粒由于被超声能长时冲击而处理过度。

已处理材料在离开超声波冲击段12之后，进入后处理段13，在该段进行冷却而不接触空气。尽管当材料进入超声波冲击段12时其温度约为300华氏度，但传给材料的超声能、连同导致碳-硫键和硫-硫键断裂的化学反应均会显著提高材料温度，因此当材料从冲击段12出来时其温度例如会达到约500华氏度。如果当材料从冲击段12出来时直接进行收集，则材料的高温以及材料与空气的接触会导致材料被显著氧化或降解，产生不良副产物。此外，热的材料会释放出有害气体。因此，本发明不是在材料离开冲击段12后就直接进行收集，而是设置了后处理段13，使材料在封闭管路中冷却，防止材料暴露于空气。此外，将材料彻底混合以形成均匀的材料混合物。

如图3所示，与冲击段12的下游端相连的后处理段13包含一个柱形圆筒组件75，其与冲击段的壳体49相连。圆筒75内为螺旋送料杆延长段76，其与芯轴53相连并一同旋转。优选地，芯轴53整体成形在螺旋送料杆延长段76的上游端。由于芯轴53与螺旋送料杆27相连，于是螺旋送料杆27、芯轴53和螺旋送料杆延长段76均连成一体，它们通过电机35与螺旋送料杆27之间的连接而一同受该电机驱动。圆筒组件75由内套筒77和外壳套78组成，其间成形有若干冷却通道79。在通道79中循环有冷却液例如水，以冷却圆筒组件75，从而当材料流经后处理段13时对材料进行冷却。壳套78上装有软管配件80，圆筒组件通过它可与冷却液的供液源相连。圆筒组件可装有合适的温度与压力传感器(未示出)，使得在材料从冲击段12出来后可对其温度与压力进行监控。圆筒组件75由支架81支承。

如图4所示，螺旋送料杆延长段76与螺旋送料杆27具有不同结构。螺旋送料杆延长段76的上游端具有圆弧形螺旋凸起85而不是条棱。当材料流经后处理段13时凸起85有助于已脱硫材料的混合，使得材料更好地被圆筒组件的内套筒77冷却，从而获得已处理材料的均匀混合物。螺旋送料杆延长段76的下游端具有条棱86(图3)，其有助于将已处理材料移出圆筒组件75。螺旋送料杆延长段76还具有内通道87(图4)，用于冷却液的循环。采用密封装置如O型圈88(图6)将螺旋送料杆延长段86的内部液体通道87、芯轴53和螺旋送料杆27密封住。

已处理材料从后处理段13的出口端排出。可在出口放置合适的收集容器，在材料出来时进行收集。螺旋送料杆延长段的条棱86具有对已处理材料加压的作用，从而使材料能够流经一个可被安装在出口端的模具(未示出)。该模具将使已处理材料形成离散几何形状，有益于后续的包装或处理。

在操作中，将未处理材料定量装入装料斗22。如果需要的话，可将供料系统例如传送机与装料斗22相连，用以对未处理材料进行连续定量供料。材料优选为未处理的细碎硫化橡胶颗粒，并已按颗粒大小和种类进行过分类。这种材料可从废旧轮胎中回收，但应基本上不含织物和金属。该材料从装料斗22送入主体17的送料腔20，在其中受旋转的螺旋送料杆作用而输送到装置的预处理段11。经由安装在箱体31中的驱动轮系，螺旋送料杆27通过其与驱动电机35的连接而旋转。螺旋送料杆的优选转速约为每分钟40转。

当材料向下游流动时，受到圆筒18周围的加热器加热，并且由于螺旋送料杆27杆体直径加大而使材料的压力增大。当材料到达预处理段11的出口端时，材料最好被加热到300华氏度、且压力为1000磅/平方英寸。

将材料从预处理段11的送料腔26送入冲击通道52之一，该通道成形于冲击段壳体49的中心孔内表面上。由于通道52为螺旋形，材料在流经通道时受到持续不断的混合或搅拌。在扬波器60处，材料受到优选范围为18-22千赫的超声能冲击。超声能是由使扬波器60振动的超声波发生器组件58之一的换能器59提供的。超声能使橡胶材料中的化学键尤其是碳-硫键和硫-硫键断裂，使之有效地脱硫。在脱硫后，材料继续流过通道52，进入后处理段13，在该段受螺旋送料杆延长段76和冷的圆筒组件75的作用而进行混合和冷却。在圆筒组件的出口端，已脱硫材料从装置中排出。

尽管超声波发生器组件58优选为沿流动轴线的径向延伸，如优选实施例中所示那样，但无需精确地位于半径处。冲击段之壳体49的半径与组件58之扬波器60的轴线之间可有一个小夹角。唯一重要的是超声波发生器组件58应基本横截于材料的流动方向，使得扬波器不会阻碍材料的流动。

对于本领域技术人员来说，显然可对本文所图示和描述的具体实施例进行其它变更和修改，所有这些均包含在本发明的精神和范围之内。尽管已通过特定实施例对本发明进行了图示和描述，但这些实施例只用于图解说明而不局限于此。因此，本专利既不在范围和效能上受本文所图示和描述的具体实施例的局限，也不受与本发明已推进的技术进步的程度所不同的其它任何方面的局限。

Claims (12)

1.一种用于硫化橡胶或交联型聚合材料脱硫的装置，其具有：

超声波冲击段，包括：

    壳体，其中具有一个旋转的芯轴，壳体和芯轴形成若干条冲击通道，材料颗粒流经这些通道；以及

    与每条通道相联的若干个超声波发生器，每个发生器均含有基本横截于通道方向延伸的扬波器；

预处理段，用于将颗粒送入超声波冲击通道。

2.如权利要求1所述的用于硫化橡胶或交联型聚合材料脱硫的装置，其特征在于：该通道呈螺旋形贯穿壳体。

3.如权利要求1所述的用于硫化橡胶或交联型聚合材料脱硫的装置，其特征在于：另外还具有与超声波冲击段相连的后处理段，用于从超声波冲击段接收材料。

4.如权利要求1所述的用于硫化橡胶或交联型聚合材料脱硫的装置，其特征在于：

超声波冲击段，包括：

    所述壳体具有一个通孔，通孔的内侧成形有若干条沟槽；

    所述芯轴为圆柱形，装在通孔中旋转，芯轴外侧与沟槽共同形成若干条螺旋形延伸的冲击通道，材料颗粒流经这些通道。

5.如权利要求4所述的用于硫化橡胶或交联型聚合材料脱硫的装置，其特征在于：预处理段含有圆筒和在该圆筒中旋转的螺旋送料杆，以将颗粒送入超声波冲击段。

6.如权利要求5所述的用于硫化橡胶或交联型聚合材料脱硫的装置，其特征在于：芯轴与螺旋送料杆相连并一同旋转。

7.如权利要求4所述的用于硫化橡胶或交联型聚合材料脱硫的装置，其特征在于：另外还具有与超声波冲击段相连的后处理段，用于从超声波冲击段接收材料。

8.如权利要求7所述的用于硫化橡胶或交联型聚合材料脱硫的装置，其特征在于：后处理段含有圆筒和装在该圆筒中旋转的螺旋送料杆延长段，用以从超声波冲击段输运材料。

9.如权利要求8所述的用于硫化橡胶或交联型聚合材料脱硫的装置，其特征在于：芯轴与螺旋送料杆相连并一同旋转。

10.如权利要求4所述的用于硫化橡胶或交联型聚合材料脱硫的装置，其特征在于：

所述预处理段包括：

    第一圆筒，带有加热器，用于当颗粒经过第一圆筒时对其加热，以及

    螺旋送料杆，装在该圆筒中旋转，以将颗粒送入超声波冲击段，螺旋送料杆与芯轴相连并一同旋转；以及

还具有一个后处理段，与超声波冲击段相连，用于从超声波冲击段接收材料，后处理段包括：

    第二圆筒，带有用于冷却液循环的冷却通道，当材料经过第二圆筒时对其冷却，以及

    螺旋送料杆延长段，装在该圆筒中旋转，以从超声波冲击段输运材料，螺旋送料杆延长段与芯轴相连并一同旋转。

11.用于对硫化橡胶或交联型聚合材料进行脱硫的方法，包括以下步骤：

对材料颗粒进行预处理并送料，包括加热颗粒；

将颗粒送入位于一个其内具有一个芯轴的壳体内的若干条加压的冲击通道，所述芯轴形成各个冲击通道的内部件；以及

在冲击通道中对颗粒进行超声能冲击，该超声波由若干个超声波发生器之一传播，每个发生器沿朝向旋转芯轴并横向于通道方向的方向与通道之一相联，以通过破坏材料中的化学键而起到脱硫作用。

12.如权利要求11所述的用于对硫化橡胶或交联型聚合材料进行脱硫的方法，其特征在于：颗粒被送入若干条螺旋形延伸的冲击通道。

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