EA014305B1 - Аппарат и способ для гранулирования воска и воскоподобных материалов - Google Patents

Abstract

В изобретении представлены аппарат и способ для гранулирования восков, воскоподобных материалов и других материалов, имеющих острую точку плавления, аппарат включает в себя емкость для формирования воска в горячий расплавленный материал. Теплообменник затем охлаждает расплавленный воск до температуры, которая немного выше его температуры расплавления. Охлажденный жидкий воск подают в экструдер, который еще дальше снижает температуру, и подмешивают жидкий воск к тщательно размешанному экструдируемому твердому воску. Твердый воск затем экструдируется через отверстия в матричной пластине в камеру для резки и вращающийся резец, взаимодействующий с поверхностью матричной пластины, разрезает экструдированные пряди твердого воска на гранулы. Пластина матрицы, камера для резки и вращающийся резец могут иметь такую же конструкцию, как в подводном грануляторе, но они работают без воды или жидкости как гранулятор с сухой поверхностью. Сформированные таким образом восковые гранулы выпадают из камеры для резки за счет силы тяжести через отверстие в дне камеры.

Description

Настоящее изобретение, в общем, относится к аппарату и способу для гранулирования восков и воскоподобных материалов. Более конкретно настоящее изобретение относится к аппарату и способу гранулирования восков и воскоподобных материалов посредством экструзии воска или подобного материала через отверстия в плите матрицы и разрезания экструдированных прядей вращающимся резцом так, как в подводном грануляторе, но без воды, в виде гранулирования на горячей поверхности или на сухой поверхности, и с воском или подобным материалом в твердом состоянии.

Уровень техники

Существует ряд способов в производстве воска для перевода воска в состояние или в форму для упаковки, транспортировки и использования и/или для направления в последующие процессы, большинство которых, вероятно, проводятся в других местах.

Общепринятыми формами являются следующие формы.

A. Брикеты и плитки. Эта форма, вероятно, является самой старой и наиболее простой. По существу, расплавленный воск заливают в матрицу заданной формы, например круглой, прямоугольной и т.д., и охлаждают. Недостатки этого способа изготовления заключаются в риске перелива и разбрызгивания на операторов, больших периодах хранения и большой площади для охлаждения, риске загрязнения во время заливки и вообще эта техника является очень трудоемкой. Позже при использовании этих брикетов и плиток их общая масса является слишком большой, и требуются плавильные горшки и время для повторного расплавления воска. Добавление большего числа брикетов в существующий контейнер, частично заполненный жидким воском, также увеличивает риск его разбрызгивания на операторов. Способы дозирования и транспортировки не очень развиты.

B. Комочки: комкование включает использование очень высоких башен (и таким образом зданий) с длинными прогонами изолированных трубопроводов, в которых в основном используются распыляющие сопла. Распыляемый воск обычно свободно падает в противоток охлажденного газа на расстояние, которое требуется для охлаждения капелек воска до твердого состояния. В зависимости от воска и регулировки в результате такого способа получаются мелкие частицы, подобные частицам пороха, мелким бусинкам и гранулам, размером около 2-3 мм. Наиболее эффективным и максимально гибким этот процесс будет, когда воск имеет самую низкую вязкость. Однако по мере повышения вязкости возникает проблема его распыления, так как воск предпочтительно будет растекаться как твердый поток или шнурок. Кроме того, в связи с тем, что эти башни довольно высокие, требуется значительное пространство (по высоте и объему) и необходимы строительные работы. К тому же охлаждение газом является не очень эффективным способом обработки полимеров. Таким образом, для осуществления функций охлаждения и циркуляции газа требуется значительное количество энергии плюс необходимость изоляции конструкций такого оборудования и, особенно, в тех районах, где температура окружающей среды довольно высокая.

C. Пластинки и чипсы: эта форма является результатом прокачки и/или экструзии расплавленного воска в виде непрерывной пряди (прядей) на ленту, обычно стальную ленту, на которой тепловая энергия воска поглощается лентой, пока воск не затвердеет. В конце ленты восковая прядь или полоска (так как прядь стремится стать плоской) подается на режущую установку, которая разрезает полоски на пластинки или чипсы. Недостатком здесь снова является неэффективность. Когда прядь падает на ленту, ее контактная поверхность быстро охлаждается/отверждается. И это образует граничный слой, который склонен изолировать остальной воск над ним. Таким образом, процесс охлаждения замедляется, когда воск остается на ленте без какого-либо перемешивания или удаления/обновления охлаждающей поверхности. В результате стальные ленты, которые должны быть отполированы (до зеркальной поверхности), могут достигать очень большой длины и ширины, чтобы иметь какую-либо существенную производительность. Эти точно отполированные ленты могут быть очень дорогими и довольно чувствительными к повреждению и требовать огромных установок, обеспечивающих охлаждение. Эти ленты занимают большие производственные площади и в случае необходимости в повышении производительности (или в случае увеличения вязкости) требуется все больше и больше увеличивать их длину, для чего нужно изменять пролеты в планировке оборудования и т.п. Что касается сортов воска с еще большей вязкостью, то они склонны требовать значительного замедления существующих ленточных линий, чтобы увеличить время охлаждения, что тем самым приводит к значительной потере выхода производимой продукции. Кроме того, во время влажных сезонов или в местах с высокой влажностью, на очень холодных стальных лентах может наслаиваться конденсат влаги, что тем самым делает воски влажными (возможность сушки обычно не предусматривается). Для устранения этого над лентами и вокруг них может быть смонтировано дорогостоящее покрытие для проведения процесса. Но при этом в наличии должен быть контролируемый кондиционер. Без такого покрытия продукт будет подвержен оседанию на него пыли, насекомых и других загрязнений, которые погружаются во все еще расплавленные воски. Также при повышенных температурах воск окисляется при наличии покрытия или без него.

Ό. Пастилки: в этом процессе также используется принцип стальной ленты. При этом многие из недостатков этого процесса такие же, как и описанные выше для способа пластинки и чипсы. Одно значительное отличие состоит в форме конечного воскового продукта, которая больше похожа по форме на

- 1 014305 таблетку или линзу и конечный продукт имеет одинаковую форму. И наоборот, этот процесс, в котором используется принцип падения капелек воска на ленту, является даже более ограниченным, когда он применяется к сортам воска с более высокой вязкостью, где восковый продукт будет скорее наливаться на ленту вместо капания на ленту. Таким образом, этот процесс применяется скорее только восками с более низкими значениями в диапазоне вязкостей. К тому же размер пастилок очень ограничен; это означает, что процесс на ленте менее эффективен и практичен для изготовления таких размеров, как микрогранулы.

Е. Гранулы и порошок: при некоторых процессах гранулирования могут производиться почти порошковые размеры или почти гранульные размеры (такие как 2-3 мм), которые затем могут быть измельчены в порошок. Некоторые воски имеют довольно высокую вязкость и также достаточную прочность плавления и достаточно широкий диапазон температур перехода из жидкого в твердое состояние, чтобы подходящим образом гранулировать их, например, посредством процесса подводного гранулирования. Такие сорта воска могут продаваться или в гранулированной форме (гранулы приблизительно диаметром 3 мм), или могут быть измельчены в виде мелкопорошковой формы.

Однако работы по гранулированию восков посредством подводного гранулятора и центрифужного сушильного оборудования достигли смешанных результатов, и во многих случаях методология подводного гранулирования приводила к неудачным результатам. Большинство восков имеют очень низкие температуры перехода из жидкого в твердое состояние в сравнении со многими смолами, полимерами и материалами типа эластомеров и их соединений, которые могут гранулироваться по технологии подводного гранулирования. Основной проблемой в подводном гранулировании восков является то, что многие из этих восков идут от чрезвычайно низкой вязкости (гораздо более низкой, чем обычно наблюдается у других вышеупомянутых полимеров), чтобы стать твердыми в пределах очень узкого температурного диапазона, обычно от около 5 до около 20°С. При этом в противоположность этому интервал или диапазон температур для многих других полимеров, для которых применимо подводное гранулирование, является гораздо более широким для перехода от более жидкого состояния в более твердое состояние. Для целей этой заявки на изобретение материалы, имеющие узкий температурный диапазон для перехода в жидкое/твердое состояние, называются имеющими острую точку плавления.

Материалы, которые имеют такую острую точку плавления в сочетании с очень низкой температурой перехода от расплавленного состояния в твердое состояние, включают в себя большинство восков. Эти свойства могут вызвать серьезные проблемы при попытках гранулировать воски с использованием оборудования для подводного гранулирования. Важнейшая проблема заключается в том, что по мере прохождения воска через пластину матрицы (металлическую пластину со сравнительно концентрическими кругами или круглыми экструзионными отверстиями), воск будет иметь склонность замораживаться внутри экструзионных отверстий. Это вызывается тем, что в подводном гранулировании используется водяной поток, направленный поперек поверхности пластины матрицы, для воздействия в качестве охлаждающей среды на экструдированные пряди, выходящие из отверстий матрицы, и в качестве средства переноса, когда пряди разрезаются на гранулы у выходных точек отверстий вращающимися лезвиями машины для нарезки гранул.

Это замораживание происходит из-за того, что вода, протекающая поперек поверхности пластины матрицы, обычно имеет гораздо более низкую температуру, чем температура ожижения или расплавления воскового экструдата. Таким образом, когда восковая прядь проходит через экструзионное отверстие матрицы, прядь теряет большую часть оставшейся у нее внутренней тепловой энергии на стенке, окружающей экструзионное отверстие в пластине матрицы, когда прядь приближается к выходу из отверстия. И в связи с тем, что воск имеет острую точку плавления, он переходит очень быстро в твердое состояние перед выходом из отверстия, тем самым закупоривая это отверстие. В результате противодавление, форсирующее подачу воска в отверстия и через отверстия матрицы, увеличивается, и скорость протекания воска через любые оставшиеся открытыми отверстия также увеличивается. Другие отверстия могут продолжать замораживаться и блокироваться, пока не будет достигнуто некоторого рода равновесие между скоростью протекания и противодавлением, чтобы сохранялись открытыми какие-либо оставшиеся неблокированными отверстия. Эта ситуация является очень непредсказуемой для процесса грануляции и дает гранулы неодинакового размера. Таким образом, процесс является очень нестабильным для его продолжения.

Кроме того, повышение противодавления вызывает скольжение внутри насосного оборудования, расположенного выше по потоку, которое легко может произойти из-за очень низкой вязкости воска в расплавленном/жидком состоянии. Потеря скорости от насоса до матрицы также усложняет проблему достижения равновесного состояния и тем самым также сообщает нестабильность этому процессу. Помимо этого насосное оборудование при работе по созданию давления и для протекания воска, подвергаясь скольжению, будет добавлять больше энергии в воск, тем самым сообщая даже еще меньшую вязкость воску с низкой вязкостью, что делает еще более трудным создание стабильно работающей системы с предсказуемыми результатами по гранулированию.

Еще одна проблема, связанная с гранулированием восков, заключается в том, что общим свойством большинства восков в отличие от многих полимеров/пластмасс, для которых подводные грануляторы

- 2 014305 работают хорошо, является то, что они имеют очень низкую прочность расплава. Для целей этой заявки термин прочность расплава предназначен для определения способности материала оставаться без раздробления от удара высокоскоростных режущих лезвий для разрезания полимерной или восковой пряди, когда она выходит из отверстия матрицы. Другими словами, когда прядь охлаждается под воздействием воды в процессе, прочность гранулы возрастает, чтобы она сохраняла свою форму при изготовлении.

Для многих восков понятия прочность расплава почти не существует, и когда жидкая или полужидкая восковая прядь выходят из отверстия матрицы, удар по ней режущего лезвия, пытающегося отделить гранулу от пряди, в действительности вызывает ударный взрыв или разрушение пряди на многие фрагменты. Этот эффект дает геометрию твердого воска, более похожую на раздробленный кокосовый орех, или на мелкие кусочки, или на сочетание того и другого.

Даже если допускаются частицы в виде раздробленного кокоса или мелких кусочков, все еще остается проблема, как выделить эти восковые частицы из воды и сухого вещества. Стандартные центрифужные сушильные аппараты, которыми обычно обеспечиваются подводные грануляторы, для этого не могут эффективно использоваться. Например, для многих сортов воска может быть достигнута подходящая/нормальная геометрия гранул посредством подводного гранулятора, например, такая как цилиндр, линза или сфера диаметром 3 мм; эти восковые гранулы могут быть хрупкими, когда поступают в центрифужный сушильный аппарат при более холодных температурах воды в процессе, что тем самым разрушает гранулы, вызывая потери в виде мелких частиц или пыли. В противоположность этому, если вода будет нагреваться до теплой температуры для уменьшения разрушения гранул, то эта более высокая температура вызывает размягчение гранул и более вероятное сдирание частиц с поверхностей восковых гранул, когда они пропускаются через сушильный аппарат, тем самым все еще образуя мелкие частицы и пыль.

Другой проблемный вопрос, связанный с использованием сушильного аппарата типа центрифуги, может заключаться в эффектах деформации гранул внутри сушильного аппарата. Это может быть проблемой каждый раз, когда температура, вызывающая деформацию материала, ниже действительной температуры материала в то время, когда он поступает в центрифужный сушильный аппарат и проходит через него. Наиболее распространенная проблема заключается в том, что материал попадает на роторные экраны сушильного аппарата или внедряется в них и это приводит к тому, что со временем экраны будут забиты этими материалами. Это внедрение и/или забивание экранов уменьшает способность или, в конце концов, не позволяет сушильному аппарату в достаточной степени сушить материал для последующей его упаковки, хранения или обработки.

Сущность изобретения

Во время экспериментальной работы было выявлено другое свойство или характеристика восков. Специфично, что при переходе от отчетливой жидкости к отчетливому твердому веществу твердый воск все еще очень пластичен. Хотя он не растекается как жидкость и нелегко склеивается, он может легко быть подвергнут холодной обработке для получения другой формы и обычно сохраняет эту форму. Термин холодная обработка, в том смысле как он здесь используется, означает любой вид механической деформирующей обработки, проводимой с пластмассовым или полимерным материалом при температуре ниже его температуры плавления. Также очевидно, что пластичность или способность к холодной обработке повышается с повышением температуры твердого материала и, наоборот, пластичность уменьшается с понижением температуры твердого материала. Кроме того, оказалось, что воски могут довольно легко экструдироваться через пластины матриц обычного подводного гранулятора в виде твердого воскового материала, а не обычного жидкого или расплавленного материала. В действительности твердый восковый материал при экструдировании через отверстия матрицы образует хорошие пряди, которые не сплавливаются легко друг с другом, по меньшей мере, не под воздействием своей собственной массы.

В связи с вышеизложенным оборудование, расположенное выше по потоку от пластины матрицы, модифицируется для приема горячего жидкого воска от реактора или от смешивающей емкости, или от того, что используется для получения или расплавления, и/или смешивания воска, и затем воск охлаждается до твердого состояния настолько эффективно, насколько это возможно. Затем, когда воск находится в твердом, но очень пластичном состоянии, его под давлением можно формовать через отверстия в пластине матрицы в этом же твердом состоянии. В соответствии с настоящим изобретением пластичное состояние твердого воска позволяет осуществлять очень пластичную деформацию вязкого материала при сжатии без разрушения. Со стороны пластины матрицы в грануляторе, когда воск уже находится в твердом состоянии, охлаждающий эффект воды больше не требуется. Таким образом, подводный гранулятор превращается в гранулятор с сухой поверхностью. Режущие лезвия на вращающейся режущей головке режут теперь уже твердые пряди, когда они выходят из экструзионных отверстий пластины матрицы, но при этом больше не требуется одновременное охлаждение водой. Кроме того, в твердом состоянии воск имеет достаточную прочность расплава, чтобы не распадаться на части, когда по нему ударяют режущие лезвия. Оборудование для типового подводного гранулятора, используемое в настоящем изобретении, проиллюстрировано в патентах США №№ 5059103 и 7033152, владельцами которых является зая

- 3 014305 витель, при этом изобретения по этим патентам здесь раскрыты и на них даны ссылки.

В связи с тем что процесс с водой больше не используется, гранулы просто падают за счет силы тяжести через отверстие в дне камеры для резки после их нарезания вращающимся резцом. Когда восковые гранулы падают из камеры для резки, они предпочтительно попадают на конвейер, например, ленточного или пневматического типа, который транспортирует гранулы из гранулирующего оборудования к сортировщику-классификатору гранул, холодильнику и/или к упаковочной машине.

Опять-таки, в связи с тем, что для охлаждения вода не требуется, больше не требуется также и система для циркуляции/фильтрации воды и для ее температурного контроля. Отсутствие необходимости в оборудовании для обезвоживания и сушки открывает ряд преимуществ, например:

меньшая стоимость основного оборудования для гранулирующей системы;

пониженное потребление энергии гранулирующей системой;

меньшая производственная площадь, требуемая для размещения гранулирующей системы;

в связи с тем, что вода в процессе больше не требуется, вопросы ее расхода и проблемы защиты окружающей среды от проникновения в нее технологической воды больше не встают;

опять-таки, так как не требуется вода, то не встают вопросы обезвоживания и достижения заданного уровня поверхностной влажности гранул; и монтаж оборудования гранулирующей системы является менее сложным.

В самом оборудовании для гранулятора и в пластинах матриц имеется ряд преимуществ, таких как: количество и/или размер отверстий в матрице могут быть увеличены и скорость на отверстие снижена, чтобы можно было лучше контролировать или далее понижать противодавление; в процессе подводной грануляции обычно важно поддерживать высокую скорость на отверстие, чтобы минимизировать риск закупорки матрицы; в процессе по настоящему изобретению это больше не является существенным;

для гранулятора может использоваться мотор меньшего размера и/или этот мотор будет потреблять меньше энергии; только для того, чтобы вращать режущие лезвия в воде на мотор для подводной грануляции требуется значительная часть токовой нагрузки; в противоположность этому простое вращение режущих лезвий в воздухе требует минимального количества энергии;

можно легко получать удобные восковые гранулы нормального размера диаметром 2-3 мм; можно изготавливать более надежным и предсказуемым образом даже микрогранулы диаметром около 1 мм.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематически показан один из вариантов реализации оборудования для осуществления процесса грануляции воска по настоящему изобретению;

на фиг. 2 графически представлено оборудование, используемое для осуществления процесса грануляции воска по настоящему изобретению;

на фиг. 3 графически представлено оборудование, используемое для проведения испытаний аппарата и способа по настоящему изобретению;

на фиг. 4А-4Н представлены фотографии, иллюстрирующие продукт, изготовленный во время испытаний аппарата и способа по настоящему изобретению с использованием оборудования, показанного на фиг. 3.

Подробное описание предпочтительных воплощений

Хотя предпочтительные варианты реализации изобретения подробно разъясняются, необходимо понимать, что возможны и другие варианты. Поэтому подразумевается, что изобретение не ограничивается в своем объеме деталями конструкции и расположением компонентов, приведенными в нижеследующем описании или показанными на чертежах. Изобретение может быть выполнено и в других вариантах и может осуществляться или проводиться различным образом. Также при описании предпочтительных вариантов для достижения ясности будет использоваться специальная терминология. Следует понимать, что каждый специальный термин подразумевает все технические эквиваленты, которые работают одинаковым образом для достижения одинаковой цели. Там, где возможно, одинаковые компоненты на чертежах обозначаются одинаковыми цифровыми ссылками.

На фиг. 1 схематично показаны компоненты оборудования для проведения процесса грануляции воска в соответствии с настоящим изобретением. Каждый из компонентов оборудования, которое используется в соответствии с настоящим изобретением, будет описан ниже, при этом одинаковые цифры относятся к одинаковым компонентам на фиг. 1.

Оборудование, расположенное выше по потоку, такое как реактор, емкость для смешивания или некоторые машины типа смесителей для формования горячего расплавленного воска, обозначено цифрой 1. У разгрузочного конца 2 реактора 1 воск имеет самую высокую температуру плавления и самую низкую вязкость и находится в жидком состоянии. Насос 3 для воска с низкой вязкостью создает такое давление и течение, чтобы воск мог проходить через любой необходимый фильтрующий элемент 4, холодильник 5 первой ступени и к началу холодильника 8 второй ступени, или переключаться на другой процесс для обработки воска или для возвращения его обратно в емкость или в оборудование, расположенное выше по потоку, посредством отводного вентиля 7.

Первая охлаждающая ступень является, по существу, теплообменником, который может представлять собой один из многих типов, которые подразделяются на пластинчатые и рамочные типы, змеевико

- 4 014305 вый тип, тип с очищаемой стенкой, тип с И-образными трубками со статическими смесителями или без них и коробчато-трубчатый тип со статическими смесителями или без них. Коробчато-трубчатый тип теплообменника со статическими смесителями является предпочтительным из-за наиболее эффективного охлаждающего воздействия. Теплообменник может поддерживаться соответствующим образом сконструированной, специализированной системой на горячем масле или горячей воде. Учитывая, что воск поступает в теплообменник при самой высокой температуре или около нее и, следовательно, находится в наиболее жидком состоянии, при соответствующей конструкции теплообменник удаляет большую часть внутренней тепловой энергии до известной температуры, выше которой воск изменит свое состояние из жидкого в твердое. Предпочтительно теплообменник в холодильнике первой ступени должен понижать температуру воска до температуры, приблизительно на 5°С или менее градусов превышающей температуру перехода воска из жидкого в твердое состояние, для того чтобы воск оставался достаточно жидким для необходимого постоянного протекания в последующее ниже по потоку оборудование и через него. Считается, что теплообменник холодильника первой ступени является наиболее эффективным холодильником, поэтому холодильнику второй ступени остается выполнять меньший объем работы по охлаждению.

Возможный расходомер 6 предпочтительно расположен после холодильника первой ступени, поэтому регулировка скорости потока может выполняться у насоса 3, расположенного выше по потоку, для изменения или оптимизации условий ниже по потоку, таких как у гранулятора 10 или в пределах холодильника 8 второй ступени. Отводящий вентиль 7 может иметь один или больше выходов. Его основной выход является выходом во впускную камеру холодильника 8 второй ступени. Другие выходы могут вести в дренажный контейнер и/или служить как отводящее соединение в другой процесс, и/или в линию замкнутого цикла рециркуляции обратно в начало процесса выше по потоку. Отводящий вентиль 7 синхронизирован с оборудованием процесса ниже по потоку для того, чтобы он мог подавать в оборудование жидкий воск, когда оно готово к пуску и к работе, или для остановки потока, когда оборудование готово к выключению, и/или он может служить в качестве аварийного отвода в случае, когда необходимо резко перекрыть поток к оборудованию/процессу ниже по потоку.

Холодильник 8 второй ступени предпочтительно состоит из пяти частей. Первая часть, впускная камера 8а, должна быть покрыта тепловой рубашкой для точного управления температурой жидкого воска для предотвращения его затвердевания на этом переходе и при этом без добавления какой-либо тепловой энергии, которую придется удалять позже. Впускная камера позволяет операторам проводить визуальный контроль, но при этом препятствует проникновению нежелательной пыли, загрязнениям и воздуху из окружающей среды, которые могут привести к деградации или контаминации. Она также должна содержать прибор для контроля уровня с функциями сигнализации для предупреждения операторов о любых потенциальных проблемах и/или для автоматической активации отводящего вентиля 7 выше по потоку, и/или для выключения насоса 3, пока не будут проведены рабочие или другие регулировки.

Следующей частью является охлаждающая секция 8Ь. Когда воск входит в эту секцию и проходит через нее, он подвергается воздействию охлаждающих температур, которые гораздо ниже температуры фазового перехода из жидкого в твердое состояние и тем самым гораздо ниже температуры твердой фазы. Оборудование для охлаждения должно быть отрегулировано таким образом, чтобы можно было обрабатывать различные сорта воска. Габариты и расположение элементов в охлаждающей секции могут меняться в зависимости от используемого воска, так чтобы воздействие на него охлаждающих поверхностей было оптимальным, при этом охлажденные слои отодвигаются и перемешиваются с более теплыми слоями воска в виде относительно гомогенной смеси, которая затем возвращается к охлаждающей поверхности для еще большего уменьшения ее тепловой энергии. Этот процесс повторяется снова и снова по всей длине охлаждающего оборудования, при этом все время происходит полный вывод более старого охлажденного воска для освобождения места для поступающего горячего/теплого нового воска. Такие результаты достигаются при использовании минимальной рабочей энергии в материал, чтобы избежать повторного нагрева воска.

По мере того как основной упор в машинной обработке перемещается от охлаждения и воск теперь находится в твердом состоянии, но он еще остается пластичным, оборудование в секции 8с должно обладать оптимальной конструкцией для проталкивания/продавливания или прокачки твердого воска в оборудование, расположенное ниже по потоку, и через него, включая, как минимум, матрицу гранулятора. В то же время следует обратить внимание на необходимость предотвратить превращение любой поступающей энергии в тепло, которое может повторно расплавить воск. Также предпочтительно иметь свойство самоочищения во время проведения этой части процесса.

Во время охлаждения второй ступени, при котором воск подвергается интенсивному смешиванию и перемешиванию для того, чтобы различные слои воска при разных температурах перераспределялись с получением, в конце концов, гомогенного твердого материала, но, тем не менее, пластичного продукта, может потребоваться добавлять в него или подмешивать некоторые добавки, как в секции 86. Добавки могут быть разными, включая различные минералы, антиоксиданты, красители и т. д., воски других сортов, маточные смеси или концентраты в различном виде, такие как порошки или даже жидкости, предва

- 5 014305 рительно нагретые или не нагретые. Эти добавки могут быть введены в процесс дозирующими насосами для жидкостей, подающими змеевиками и т.д., и во впускную камеру или даже перед ней, или инжекцией под давлением или без него, в боковую часть и/или в верхнюю часть холодильника, в каком-либо месте вдоль секции 8Ь и/или секции 8с. И, наконец, холодильник второй ступени должен быть обеспечен надежной охлаждающей системой 8е соответствующего размера.

Что касается холодильника 8 второй ступени, он должен обладать способностью нагревать, а также охлаждать нагнетаемый воск. Если машину необходимо остановить на любой промежуток времени и воск теряет большую часть или всю тепловую энергию, или всю необходимую пластичность для прохождения через оборудование, то воск должен быть повторно нагрет до жидкого состояния или, по меньшей мере, до пластичного состояния, чтобы процесс можно было запустить снова. Предпочтительно, чтобы такая способность была встроена в каждый компонент оборудования или ступень процесса, чтобы можно было разогреть компонент оборудования, по меньшей мере, вначале или тогда, когда это требуется.

Далее, что касается холодильника 8 второй ступени, он должен быть сконструирован с общей длиной, а также диаметром, которые должны быть достаточными для осуществления охлаждения обрабатываемого воска или восков, и со скоростью, достаточной для достижения заданных целей в отношении продуктов во всем процессе. Оборудование, которое считается в настоящее время подходящим для холодильника 8 второй ступени, это экструдер такого типа, как одношнековый экструдер. Экструдер с двумя или больше шнеками является предпочтительным и наиболее предпочтительным является двухшнековый экструдер или экструдер с двумя шнеками, которые вращаются в одном направлении и сцеплены между собой.

Полимерный отводящий вентиль 9 является общим компонентом, используемым перед подводным гранулятором. Он служит, хотя и не является необходимым, в настоящем изобретении для того, чтобы помочь запустить экструдер с минимальным давлением напора, и после начала его работы для того, чтобы позволить оператору визуально проконтролировать твердость воска и температурные условия перед тем, как воск поступит в гранулятор. Затем, если визуальный контроль показал, что процесс выше по потоку является стабильным, предсказуемым и воск, кажется, имеет оптимальные температуру и пластичность, тогда изменяют установку полимерного отводящего вентиля (ПОВ) для направления потока воска в пластину матрицы и в гранулятор для выполнения их функций. Если имеются какие-либо проблемы или вопросы в отношении гранулятора, матрицы или оборудования для процесса после матрицы, то ПОВ обычно является первым компонентом, задействованным для отвода потока воска. Оператор может затем сделать какие-либо быстрые необходимые регулировки без выключения частей процесса выше по потоку. Или оператор может выбрать выключение большинства или всех частей процесса выше по потоку до тех пор, пока не будут проведены необходимые регулировки, ремонтные работы и т. д.

Гранулятор и матрица 10 уже были рассмотрены выше. Воск теперь экструдируется в твердом состоянии, при этом используется гранулятор с сухой поверхностью без воды. Однако специалисты в этой области признают, что не все воски являются проблемой для подводного гранулирования. Более того, типы и количества добавок могут быть введены в такой степени/уровне, что восковой компаунд может достигать такой более высокой вязкости, при которой он лучше гранулируется в виде полутвердого вещества или полужидкости, или даже в жидком состоянии; в этих целях гранулятор подводного типа, возможно, будет предпочтительнее. Поэтому предусматривается в соответствии с настоящим изобретением, что гранулятором 10 может быть такой гранулятор, который может быть легко превращен из гранулятора с сухой поверхностью в подводный гранулятор и наоборот.

После гранулирования воска гранулы обычно могут падать на ленточный конвейер 11 и транспортироваться в другое место. Вокруг ленточного конвейера могут быть размещены охлаждающие вентиляторы, помогающие удалить любое оставшееся внутреннее тепло и получить гранулы с температурой, более близкой к температуре окружающей среды, перед их дальнейшей обработкой или упаковкой. Возможно применение вместо охлаждающих вентиляторов охлаждаемого ленточного конвейера. Другой альтернативой ленточному конвейеру (могут применяться и другие механические типы) является пневматический конвейер, в котором используется или охлажденный воздух, или возможно также использование любого газа с температурой окружающей среды. Альтернативно, средство для переноса воды также может оказаться полезным в зависимости от обстоятельств. Перенос воды, конечно, является более быстрым способом охлаждения, если гранулы из воска и/или воскового компаунда необходимо довести до гораздо более низких конечных температур и/или сделать это быстро. Однако если используется вода, тогда, как упомянуто выше, будет необходимо провести процесс обезвоживания и сушки сразу после этого.

После конвейера 11 восковые гранулы могут подвергаться этапу 12 сортировки-классификации, в котором размеры гранул подразделяются на подходящие или неподходящие. Неподходящие могут относиться к нижним, которые являются слишком маленькими по размеру диаметра или очень мелкими частицами, и к верхним, которые являются слишком крупными или даже кластерами или агломератами; все они удаляются для обеспечения качества восковых гранул в отношении классификации по размеру, перед тем как направить их на хранение, упаковку или на последующие этапы или процесс (процес

- 6 014305 сы). Помимо классификации на этом этапе возможно проведение охлаждения гранул для достижения необходимой конечной температуры гранул.

Обратимся теперь к фиг. 2, на которой показано оборудование, которое может быть добавлено к устройству для обработки воска в соответствии с настоящим изобретением. Многие из компонентов оборудования, показанные на фиг. 2, аналогичны описанным выше со ссылкой на фиг. 1, и поэтому более подробное описание не будет повторено. Обычно восковый реактор, смешивающая емкость или некоторые другие типы смешивающих машин для формования горячего расплавленного воска поставляются фирмой-изготовителем воска или фирмой-обработчиком воска и, следовательно, не показаны на фиг. 2. Вообще, оборудование, показанное на фиг. 2, начинается с адаптера 20, который соединяет реактор, смешивающую емкость и т.д. (не показаны) с насосом 1 для расплава.

Насос 1 для расплава соединен с холодильником 3 для расплава через адаптер 2. Холодильник 3 для расплава соответствует холодильнику 3 первой ступени на фиг. 1, и он предпочтительно относится к типу теплообменника со статическим смесителем, обеспечивающего самую высокую эффективность охлаждения. Такие теплообменники обычно обеспечиваются системами на горячем масле и на горячей воде, которые графически показаны на фиг. 2, но отдельно не обозначены цифрами на ней.

За холодильником 3 для расплава следует адаптер 4 для соединения холодильника 3 для расплава с расходомером 5. Затем следует отводящий вентиль 6 и адаптер 7 для соединения отводящего вентиля с загрузочной воронкой 8 экструдера 10.

Отводящий вентиль 6 также включает в себя лоток 9 отводящего вентиля на случай, если воск нужно будет отвести от загрузочной воронки в канализацию или для его рециркуляции на более ранний этап процесса и оборудования.

Экструдер 10 включает в себя охлаждающее устройство 11 для охлаждения и тщательного перемешивания воска до заданной температуры гранулирования так, чтобы воск стал пластичным гомогенным твердым веществом на выходном конце экструдера. Адаптер 13 соединяет выходной конец экструдера с полимерным отводящим вентилем 14, который затем подсоединяется к гранулятору 16. Вращающийся резец (отдельно не обозначен цифрой) разрезает экструдированные твердые восковые пряди, выходящие из отверстий пластины матрицы (также отдельно не обозначена цифрой), в камере 16а для резки. Отрезанные восковые гранулы падают из камеры 16а для резки на конвейер 17 и затем подаются на сортировщик-классификатор 18. К камере 16а для резки могут быть факультативно прикреплены воздуходувка и трубопровод 12 для облегчения охлаждения и для помощи гранулам попадать из камеры на конвейер. Все оборудование и процесс, показанные на фиг. 2, управляются системой контроля со станцией 15 дистанционного управления.

Следует отметить, что все компоненты, помеченные звездочкой на фиг. 2, обеспечены способностью нагревания или посредством масляного нагрева (одна звездочка (*)), или электрического нагрева (две звездочки (**)). Эта нагревательная способность обеспечивается по причинам, объясненным по отношению к оборудованию и процессу на фиг. 1.

Теперь следует обратиться к фиг. 3, на которой образно показано оборудование, используемое для проведения испытаний аппарата и способа по настоящему изобретению. Испытания проводились с использованием полиэтиленового воска, имеющего следующие свойства:

Температуру размягчения - 110-120'С .

Плотность - 0,7-0,8 г/см^э @ при температуре подачи жидкости

0,92-0,95 г/см³ @45‘С (твердый) Вязкость - 5-200 сантипуаз О 149'С

Полиэтиленовый воск нагревался в цилиндрическом нагревателе 22 выше 120°С до плотности, указанной выше. Когда воск находится в заданном жидком состоянии, он подается к крану 24 из нагревателя насосом 26 для жидкости и на входной конец экструдера 28. Экструдер 28 является двухшнековым типом. Температура полиэтиленового воска, находящегося в экструдере, понижалась от выше 120°С у входа в экструдер до около 50°С у выхода из экструдера. Охлаждение осуществлялось в охлаждающих каналах цилиндра экструдера, которые снабжены охлаждающим устройством 30. При 50°С на выходе из экструдера полиэтиленовый воск находился в твердом пластичном состоянии. После выхода из экструдера твердый полиэтиленовый воск проходил через отводящий вентиль (ΡΌν) 32 для гранул и затем в гранулятор 34 с сухой поверхностью, где пряди из твердого воска, выходящие из отверстий в пластине матрицы, разрезались вращающимся резцом. Отрезанные гранулы переносились из камеры для резки в грануляторе 34 потоком воздуха, создаваемым воздуходувкой 36, затем переносились в циклон 38 и в контейнер.

Также предусмотрено как часть настоящего изобретения, что камера для резки в грануляторе с сухой поверхностью, как здесь раскрыто, может очищаться и/или гранулы могут переноситься с использованием инертного газа. Некоторые воски или воскоподобные материалы, обрабатываемые в соответствии с настоящим изобретением, могут отрицательно реагировать и/или окисляться (деградировать) при воздействии на них окружающей атмосферы. Чтобы минимизировать воздействие таких реакций с окружающей атмосферой и/или сохранить заданные свойства гранулируемых материалов, для очистки каме

- 7 014305 ры для резки и переноса сформированных гранул вместо воздуха используется инертный газ. Инертный газ может также использоваться для помощи в дальнейшем охлаждении гранулированных материалов, и оборудование, расположенное сразу после этапа гранулирования, должно быть соответствующим образом сконструировано для подачи инертного газа и поддержания его присутствия и использования, пока гранулы не будут подходящим образом упакованы для хранения и/или не будут перенесены дальше для последующей обработки.

Гранулы из полиэтиленового воска из тестовых партий, для изготовления которых использовалось вышеописанное оборудование и обработка, показаны на фиг. 4А-4Н. Как на них показано, аппарат и процесс по настоящему изобретению оказались успешными для производства равномерных гранул из полиэтиленового воска с диаметром около 3 мм.

Воски по отдельности или в композициях, которые могут быть обработаны в соответствии с настоящим изобретением, включают в себя кислые воски, пчелиный воск, канделильский воск, карнаубский воск, церезиновый воск, китайский воск, сополимерные воски, эфирные воски, воски ФишераТропша, включающие окисленные формы, полиэтиленовые воски с малой молекулярной массой и высокой плотностью или ПЭМММВП, гидроксистеарамидный воск, японский воск, лардецеиновый воск, минеральный воск, воски с линейными и разветвленными цепями, малеинированные воски, горный воск, микрокристаллический воск, неполярный и полярный полиэтилен, полипропиленовые и полиолефиновые воски, окисленные воски, озокерит, парафиновый или нефтяной воск, полиэтиленовый воск, полиолефиновый воск, воск из рисовых отрубей, омыленные или частично омыленные воски, замещенные амидные воски, воск из сахарного тростника, сульфонированные воски, поверхностно-модифицированные воски и растительные воски, включая воски из восковницы, канолы, кокоса, кукурузы, хлопкового семени, кремби, льняного семени, пальмы, ядра кокосового ореха, арахиса, винограда или соевых бобов.

Другие материалы, которые могут быть гранулированы в соответствии с настоящим изобретением, включают в себя, но не только, жирные кислоты или сложные эфиры, усилители клейкости и агенты, ослабляющие клейкость, канифоли и органические смолы, модификаторы вязкости и реологии, твердые поверхностно-активные вещества, растворимые в воде полимеры, включающие полиэтиленоксид и полипропиленоксид, твердый жир, ланолин и животные жиры.

И еще материалы, для которых настоящее изобретение может быть применимо, включают, но без ограничения, материалы с высоким показателем вязкости расплава, материалы с низкой молекулярной массой, воскоподобные органические полимеры, олигомеры, циклические полимеры и олигомеры и органические соединения.

Полагают, что аппарат и процесс по настоящему изобретению обеспечивают получение гранул и микрогранул высокого качества, подходящих для упаковки или использования, такими как они есть или измельченными в мелкий порошок. Настоящее изобретение может очень быстро, надежно и эффективно перевести воск из чрезвычайно горячего расплавленного состояния в достаточно охлажденное для транспортировки и/или упаковки при осуществлении этого в пространстве минимального размера. Кроме того, процесс является оптимально гибким для обработки самого широкого ряда сортов воска с различной массой, прочностью расплавов, термическими свойствами и т.д. для получения гранул самых разнообразных размеров и при очень широком интервале объемов производства. Кроме того, настоящее изобретение достаточно гибкое, что позволяет подмешивать к гранулируемому воску самые разнообразные добавки и также обеспечить сравнительно легкую очистку оборудования при переходе от одного продукта к другому.

Настоящее изобретение, как подразумевается, не ограничивается только описанными конкретными процессами. Приведенное описание является только иллюстрацией принципов изобретения. Кроме того, специалисты в данной области техники могут легко предложить многочисленные модификации и изменения, и изобретение не ограничивается описанной и проиллюстрированной точной конструкцией и работой, поэтому любые модификации и эквиваленты, подпадающие под объем изобретения, могут быть использованы.

Claims (18)

1. Способ гранулирования материалов, имеющих узкий диапазон перехода из жидкого в твердое состояние, в котором:

(a) формируют горячий расплав материала;

(b) охлаждают горячий расплавленный материал до температуры ниже его точки плавления, чтобы вызвать переход материала в экструдируемое твердое состояние;

(c) экструдируют твердый материал через отверстия в пластине матрицы для формирования прядей и (б) разрезают экструдированные пряди вращающимся резцом в камере для резки, лишенной какойлибо жидкости, для формирования указанного материала в гранулы.

2. Способ по п.1, в котором указанные гранулы выводят за счет их силы тяжести из отверстия в дне указанной камеры для резки.

- 8 014305

3. Способ по п.2, в котором указанные гранулы из указанной камеры для резки направляют на конвейер и транспортируют конвейером к сортировщику гранул, холодильнику и/или аппарату для упаковки.

4. Способ по п.1, в котором указанная камера для резки и указанный вращающийся резец являются частью подводного гранулятора, работающего без воды или другой охлаждающей жидкости как гранулятор с сухой поверхностью.

5. Способ по п.1, в котором гранулируемый материал представляет собой воск или воскоподобный полимер.

6. Способ по п.1, в котором этап (Ь) проводится в две стадии; в первой стадии температуру материала понижают до температуры, которая немного выше той температуры, при которой материал переходит из жидкого в твердое состояние, так что материал остается достаточно жидким для беспрепятственного протекания, и во второй стадии температуру охлажденного жидкого материала дополнительно понижают, чтобы материал представлял собой тщательно перемешанный экструдируемый твердый материал.

7. Способ по п.6, в котором температуру материала в первой стадии понижают до температуры, на 5°С или менее превышающей температуру перехода материала из жидкого в твердое состояние.

8. Способ по п.4, в котором указанные гранулы удаляют из указанной камеры для резки инертным газом, вводимым через одну сторону камеры для резки, который выносит гранулы через другую сторону указанной камеры для резки.

9. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя этап, на котором повышают температуру гранулируемого материала, если указанный материал потерял достаточную тягучесть для обработки.

10. Способ по п.6, в котором вторую стадию проводят в экструдере шнекового типа предпочтительно с двумя или больше шнеками и наиболее предпочтительно в экструдере со спаренными шнеками и с двумя шнеками, вращающимися в одну сторону и сцепленными между собой.

11. Аппарат для формирования гранул из расплавленного материала, имеющего узкий диапазон перехода из жидкого в твердое состояние, который включает в себя:

(a) теплопередающее устройство для охлаждения расплавленного материала до температуры, которая выше температуры его плавления, так что материал остается достаточно жидким для беспрепятственного протекания;

(b) экструдер для дальнейшего понижения температуры материала ниже его точки плавления и получения из этого материала тщательно перемешанного экструдируемого твердого материала;

(c) пластину матрицы с матричными отверстиями и матричной поверхностью и (б) камеру для резки и вращающийся резец, который взаимодействует с указанной матричной поверхностью для резки на гранулы указанного тщательно перемешанного экструдируемого твердого материала, который экструдируется через указанные матричные отверстия в отсутствии жидкости.

12. Аппарат по п.11, который предназначен для формирования гранул из воска или воскоподобного полимера.

13. Аппарат по п.11, в котором пластина матрицы и указанный вращающийся резец являются частью гранулятора с сухой поверхностью.

14. Аппарат по п.11, в котором камера для резки имеет отверстие в дне, через которое выводят указанные гранулы за счет их силы тяжести.

15. Аппарат по п.14, также включающий в себя конвейер для транспортировки указанных гранул, выходящих из указанной камеры для резки.

16. Аппарат по п.11, в котором указанное теплопередающее устройство является теплообменником, включая теплообменник пластинчатого и рамочного типа, змеевикового типа, типа с очищаемой стенкой, типа с и-образными трубками со статическими смесителями или без них и коробчато-трубчатого типа со статическими смесителями или без них, а предпочтительно указанным коробчато-трубчатым типом со статическими смесителями.

17. Аппарат по п.13, в котором указанный гранулятор с сухой поверхностью включает в себя впускное отверстие и выпускное отверстие.

18. Аппарат по п.11, в котором указанное теплопередающее устройство и указанный экструдер дополнительно включают в себя нагревательные элементы для повышения температуры находящегося в них материала, если материал потерял тягучесть, достаточную для прохождения через аппарат.