FI97200C - Menetelmä seosten valmistamiseksi ja laitteisto menetelmän soveltamiseksi - Google Patents

Description

97200

MENETELMÄ SEOSTEN VALMISTAMISEKSI JA LAITTEISTO MENETELMÄN SOVELTAMISEKSI

5 Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä nestelietteiden ja pulverisekoitusten valmistamiseksi roottorisekoittimessa ja roottorisekoitti-men toiminnan ohjaamiseksi.

10 Keksinnön kohteena on myös laitteisto keksinnön soveltamiseksi.

Nestelietteiden, kuten esimerkiksi keraamisen ja maaliteollisuuden pigmenttidispersioiden sekä paperiteollisuuden 15 päällystysseoksissa käytettävien pigmenttidispersioiden samoin kuin betoniteollisuuden nk. esihydratoidun sementti-liiman valmistamiseen on yleisesti käytetty annoksittain toimivia liettimiä. Nämä liettimet 1. dispergointilaitteet ovat tyypillisesti säiliöitä, joihin annostellaan kerral-20 laan yhtä liete-erää varten tarvittavat aineosat, jotka sitten säiliössä olevilla sekoitinelimillä pyritään sekoittamaan homogeeniseksi lietteeksi. Lietteet ovat yleensä vesiliukoisia ja eri tarkoituksiin tarkoitettujen lietteiden kuiva-ainepitoisuudet vaihtelevat huomattavasti. Esi-25 merkiksi paperin päällystykseen tarkoitettujen päällyste- massojen kuiva-ainepitoisuudet vaihtelevat muutamista prosenteista useisiin kymmeniin prosentteihin.

Annoksittain toimivien liettimien haittapuolia ovat mm.

30 suuresta koosta aiheutuvat korkeat investointikustannukset ja sekoitusintensiteetin eli sekoitettavaan massaan kohdistuvan leikkausvoiman epätasaisesta jakautumisesta säiliön koko tilavuudessa aiheutuvat suuri energiankulutus ja epähomogeeninen tuotteen laatu. Annoksittain toimivien lietti-35 mien sijaan kehitetty laitteita, joilla annossekoituksen edellä mainittuja epäkohtia on pyritty poistamaan. Nämä laitteet ovat yleensä jatkuvatoimisia sekoittimia, joissa 2 97200 melko pieneen sekoitettavaan ainemäärään kohdistetaan nopeasti suuri energiamäärä, jolloin kuiva-aine saadaan kasteltua tehokkaasti.

5 Suomalaisessa patenttijulkaisussa 91602 on kuvattu rootto-risekoitin, joka soveltuu jatkuvatoimiseen lietteen valmistukseen. Tässä laitteessa on kaksi siipipyörää, joissa kummassakin on välimatkan päässä toisistaan sijaitsevia siipikehiä ja siipipyörät on sovitettu vastakkain siten, 10 että siipikehät ovat lomittain. Kun siipipyöriä pyöritetään vastakkaisiin suuntiin, laitteen keskelle syötetyt aineet sinkoutuvat sen ulkokehälle säteen suuntaisesti. Tällä matkalla sekoitettavaan aineeseen kohdistuu siipipyörien vastakkaisista liikesuunnista johtuen nopeita suunnanvaih-15 doksia ja suuria leikkausvoimia aineen siirtyessä siipike-hältä toiselle. Seoksen viipymäaika laitteessa on tyypillisesti erittäin lyhyt, alle 0.015 s. ja laitteessa viipy-mäajan kuluessa oleva seoksen määrä on hyvin pieni. Tämän kaltaisella laitteella sekoitustapahtuma on erittäin nopea 20 ja tehokas, mutta lyhyen viipymäajan takia oikeiden seos-suhteiden säätäminen on vaikeaa ja laitteen toiminta on herkkä toimintaolosuhteissa tapahtuville muutoksille. Luonnollisesti myös muillakin laitteilla vaikeasti lietettävien aineiden liettäminen on tälläkin laitteella vaikeampaa kuin 25 helpommin veteen sekoittuvien aineiden.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä, jonka avulla voidaan parantaa roottorisekoittimen toimintaa erityisesti vaikeasti veteen lietettävien aineiden käsitte-30 lyssä.

Keksintö perustuu siihen, että ilman virtausta sekoittimen tulopuolella kuristetaan siten, että ilman virtaus ulos sekoittimesta poistopuolella estyy ja ilma palaa roottorin 35 siipien jättöpuolen imun vaikutuksesta takaisin sekoitti- meen.

n 3 97200 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

5 Keksinnön mukaiselle laitteistolle on puolestaan tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 7 tunnusmerkkiosassa .

Pulverien ominaisuudet vaativat jatkuvatoimiselta disper-10 gointilaitteelta erilaisia ominaisuuksia. Tämän keksinnön avulla muutetaan dispergointiolosuhteita siten että hankalasti dispergoitavatkin aineet käyttäytyvät kuten helposti dispergoituvatkin aineet. Pulvereilla jotka muodostavat pienistä partikkeleista, on useita dispergointiin vaikut-15 tavia ominaisuuksia, joita ovat esim. partikkelin 1. muoto; levymäinen, särmikäs, pallomainen 2. hydrofobisuus 3. kosteus 20 4. aglomeroituminen, ja 5. lämpötila

Kun pulvereita dispergoidaan nesteeseen, ongelmana on saada neste, eli tavallisesti pisaroina oleva vesi, kiinnittymään 25 partikkelin pintaan. Pulverimaiset aineet ovat kuivina sekoittuneet ilmaan ja pulverissa oleva ilma on jakautuneena partikkelien väliseen tilaan ja kiinnittyneenä partikke-leiden pintaan. Partikkeleiden pinnassa oleva kuiva ilma estää vesipisaran kontaktin partikkelin pinnan kanssa, mikä 30 johtaa erityisesti särmikkäillä partikkeleilla erittäin heikkoon kostuvuuteen, koska niillä ilma pysyy hyvin partikkelin pinnassa kiinni ja suojaa siten partikkelia kosteudelta. Pienten vesipisaroiden pintajännitys on erittäin suuri ja se laukeaa sitä huonommin, mitä suurempi ero on 35 pisaran kosteuden ja pisaraan koskettavan ilma välillä.

Siten partikkelin oma kosteus auttaa dispergointia ratkai- 4 97200 sevasti, sillä tällöin vesipisaran osuessa partikkelin pintaan laukeaa pintajännitys helpommin. Niinpä onkin edullista saada partikkelia ympäröivä ilma kostumaan mahdollisimman hyvin, jolloin varsinainen vettyminen tapahtuu 5 helpommin. Keksinnön mukaisesti dispergointitilan ilman suhteellinen kosteus nostetaan 100%:n, tai mahdollisimman lähelle sitä. Samoin dispergointitilan ilman lämpötila nostetaan korkeammaksi kuin kostutettavan partikkelin lämpötila. Tällöin saadaan aikaan veden kondensoituminen par-10 tikkelin pintaan ja luotua samat olosuhteet kuin jo ennestään kosteilla partikkeleilla. Teknisesti tämä tapahtuu siten että paine-ero dispergointitilaan tulevan pulveri-vesi-ilmaseoksen ja poistuvan pulveri-vesi-lietteen välillä sovitetaan sellaiseksi että pääosa sekoittimessa kiertä-15 västä ilmasta palaa dispergointitilaan. Näin ollen ilman lämpötila on korkeampi kuin tulevan pulverin. Koska ilma kiertää sekoittimessa, se lämpiää roottorin siipien antaman liike-energian vaikutuksesta ja koska pääosin sama kostunut ilma kiertää sekoittimessa, kiertävän ilman suhteellinen 20 kosteus on 100% tai lähellä sitä. Lämmin ilma pystyy myös sitomaan enemmän vettä, joten sen absoluuttinen kosteus on myös suuri. Seurauksena on, että pulverin pintaan ankkuroituneen ilmakerroksen suhteellinen kosteus nousee 100%:iin ja tapahtuu voimakas kondensio joka auttaa vesipisaran 25 liittymistä partikkelin pintaan. Partikkelin ja erityisesti sitä ympäröivän ilman kostumista helpottaa erittäin paljon se, että virtaus sekoittimessa on voimakkaasti turbulentista, jolloin ilma sekoittuu hyvin ja partikkeli kohtaa nopeasti useita vesipisaroita, jotka kosteuden lisääntymi-30 sen vaikutuksesta imeytyvät helposti partikkelin pintaan.

Sekoittimen tulokohtaan asetetaan alipaine, jonka vaikutuksesta tulokohdan ja poistokohdan välillä on n.6% suuruinen paine-ero ja poistotila on yleensä ulkoilman paineessa. 35 Lietteen liike-energian täytyy voittaa tämä paine-erosta aiheutuva vastus. Kun sekoittimen ulommalle kehälle sijoi-

II

5 97200 tetaan sellainen määrä roottorisiipiä, että yhden siiven kokoama lietemäärän massa yhdessä nopeuden kanssa voittaa paine-erosta aiheutuvan vastuksen, saadaan liete poistumaan sekoittimesta. Koska ilma on huomattavasti kevyempää, sen 5 liike-energia ei voita poistovastusta vaan ilma palaa pääosin dispergointitilaan sisältäen dispergointitapahtumassa saadun lisäenergian lämpötilan ja suhteellisen kosteuden lisääntymisenä. Tämä energia siirtyy osin dispergointita-pahtumaan.

10

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Tämän keksinnön avulla parannetaan liettotapahtumaa disper-gointilaitteessa ja tuotetaan paremmin dispergoituja tuot-15 teitä, aiempaa pienimmin investointi-, energia- ja käyttökustannuksin. Menetelmän avulla on aikaisempaa helpompi valmistaa vaikeasti lietettävien, särmikkäistä ja hydrofobisista partikkeleista koostuvien pulverien lietteitä. Sekoittimessa kiinteät aineet ja lietepisarat saadaan liik-20 kumaan roottorinsiiven etureunan ylipainevyöhykkeen ja edeltävän siiven takana olevan alipainevyöhykkeen muodostamalla välialueella, jolloin ainoastaan jostain syystä muodostuneet ylisuuret pisarat osuvat roottorin siipiin. Tämä lisää huomattavasti siipien kestoikää.

. 25

Keksintöä selitetään seuraavassa tarkemmin oheisten piirustusten avulla.

Kuvio 1 esittää yhtä keksinnön mukaista sekoituslaitteis-30 toa, jossa pääsekoittimena on roottorisekoitin.

Kuvio 2 on yksityiskohta kuviosta 1.

Kuvio 3 esittää kuvioiden 1 ja 2 roottorisekoitinta rootto-35 ripesän kohdalta leikattuna.

6 97200

Kuviossa 1 esitetty laitteisto käsittää lokerohihnakuljet-timen 1 ja pääsekoittimena käytettävän roottorisekoittimen 2, jossa on kaksi vastakkaisiin suuntiin pyörivää roottoria 3, 4, jotka on sijoitettu koteloon 7. Roottoreiden 3, 4 5 kehillä on siipiä 15 ja niitä pyöritetään sähkömoottorilla 6. Sekoitin moottoreineen 6 on koottu runkoon 5. Sekoitti-men 2 poistoaukkoon 13 on liitetty jälkisekoitin, joka koostuu säiliöstä 8 ja siihen liitetystä sähkömoottorilla käytettävästä sekoitinlaitteesta 9. Roottorisekoittimen 2 10 syöttöaukkoon on liitetty syöttösuppilo, jonka sivuille on sovitettu suuttimet 10 veden syöttämiseksi sekoittimeen 2. Suuttimet 10 on sijoitettu kehään hieman sekoittimen 2 syöttöaukon yläpuolelle ja suutintyyppinä käytetään su-musuuttimia, jotka jakavat veden hienojakoiseksi sumuksi.

15

Kun laitteistolla valmistetaan pulverin ja veden seosta, roottorisekoittimeen 2 tuodaan lokerohihnakuljettimella 1 pulveria syöttösuppiloon 11. Lokerohihnan 1 lokerot tyhjenevät syöttösuppiloon 11 ja samanaikaisesti nopeasti 20 liikkuva hihna 1 vie vastaavan tilavuuden ilmaa pois. Näin syöttösuppiloon 11 syntyy ulkoilman painetta pienempi paine. Pulveri-ilma seoksen pudottua vesisumutusvyöhykkeeseen poistuu pääosa partikkelien välisestä ilmasta vesisumun syrjäyttämänä ja lokerokuljettimen 1 aiheuttaman alipaineen 25 vaikutuksesta. Kuvioon 2 on piirretty nuolikuvioina ilmavirran kulku laitteistossa. Lokerohihnakuljettimesta 1 tuleva ilmamäärä on 100%, niin tästä ilmamäärästä noin 90% palaa lokerohihnakuljettimen 1 kautta takaisin ulkoilmaan. Loput 10% joutuvat roottorisekoittimeen 2, jossa tämä ilma-30 määrä sekoittuu sekoittimessa olevaan ilmaan. Pulveri-vesi-seoksen määrä sekoittimessa on hyvin pieni ja vastaavasti ilmamäärä suuri.

Roottorisekoittimessa oleva ilma on voimakkaassa turbulens-35 sissa ja koska ilman relatiivinen kosteus on korkea ja lämpötila korkeampi kuin pulveripartikkelien, seuraa kon- li 7 97200 densoitumista partikkelin pinnalle. Pulverin ja veden muodostaman seoksen tulisi pysyä riittävän pieninä pisaroina, jotta pisarat pysyisivät sekoittimessa roottorien siipien eteen muodostuvan ilmapatjan varassa. Tällä kohtaa virtauk-5 sen turbulenssi on erittäin voimakasta ja vyöhykkeessä olevat vesipisarat, jauhepartikkelit ja lietepisarat törmäävät useita kertoja toisiinsa lyhyen ajan kuluessa ja tapahtuu voimakas sekoittuminen. Siipien etupinnassa on painevyöhyke ja siiven takapinnassa alipaineinen vyöhyke 10 joka toimii ilmansiirtäjänä sekoittimen kehien 3, 4 välillä.

Kuviossa 3 on esitetty lietepisaroiden 12 ja ilman 14 virtaus roottorisekoittimen 2 poistoaukossa 13. Sekoittimen 2 15 ulkokehän siipien 15 väli on suurempi kuin poistoaukon koko roottorin 3 kehän suunnassa. Kun kahden roottorin 3 ul-kosiiven aukko tulee poistoaukon kohdalle, takimmaisen siiven edellä oleva ylipaineinen ilma ja lietepisarat 12 sinkoutuvat poistoaukkoon 13 roottorin tangentin suun-20 taisesti. Samalla etummainen siipi on jo poistunut poisto-aukosta 13, jolloin sen takana oleva alipaineinen vyöhyke muodostaa poistoaukon takareunaan alipaineen. Tämä alipaine imee takimmaisen siiven poistoaukkoon 13 heittämän ilman takaisin sekoittimeen, mutta ilmaa raskaammat lietepisarat 25 12 sinkoutuvat alipaineesta huolimatta poistoaukon 13 kaut ta jälkisekoittimeen 8, 9. Jotta roottorisekoitin 1 saataisiin toimimaan tällä tavalla, on sen syöttöaukkoon pääsevän ilman määrää rajoitettava, jolloin poistoaukosta ei virtaa ilmaa ulos. Poistoaukkoon syntyvä alipaine ei kuitenkaan 30 saa olla liian suuri, jotta lietepisarat 12 pystyvät voittamaan paine-erosta aiheutuvan vastuksen ja sinkoutuvat ulos sekoittimesta. Edellä kuvatussa laitteistossa, jossa jauheen syöttimenä käytetään lokerokuljetinta 1, ilman virtauksen kuristuminen tapahtuu automaattisesti hihnan 35 aiheuttaman imun vaikutuksesta. Tällöin paineet laitteistossa asettuvat likimain seuraaviksi: 8 97200 1. ulkoilmanpaine 1,00 bar 2. ilman paine syöttösuppilossa li 0,80 bar 3. sekoittimen ulkokehällä 6% pienempi kuin keskellä 0,75 bar 5 4. poistotilassa (jälkisekoitin) 1,00 bar

Lietteen liike-energian täytyy voittaa siten 0,25 bar:n vastapaine, joka syntyy sekoittimen ulkokehän poistotilan 10 välille, jotta se päätyy jälkisekoittäjaan. Vastapaine estää ilmaa virtaamasta sekoittimen ulkokehältä jälkiliet-timeen, joten pääosa ilmasta palaa sekoittimeen. On edullista käyttää pientä painetta sekoittimessa, koska näin partikkelien pintaan ankkuroitunut ilma harvenee ja 15 edesauttaa myös vesipisaroiden kohtaamista partikkelin pinnan kanssa. Sekoittimen toiminta pienemmässä paineessa kuin ulkoilma estää lisäksi pölyhaittoja.

Edellä esitetyn lisäksi tällä keksinnöllä on muitakin suo-20 ritusmuotoja. Sekoittimena voidaan käyttää kaksi roottoria käsittävän sekoittimen lisäksi sekoitinta, jossa on staat-tori ja roottori. Pulveri on edullista syöttää sekoittimeen lokerohihnakuljettimen avulla, koska tällöin annostelu saadaan tarkaksi ja syöttöaukkoon muodostuu itsestään ali-. 25 paine. Jos käytetään muunlaista syötintä, alipaine on saa tava aikaan esimerkiksi syöttösuppiloon liitetyn imulait-teen, esimerkiksi puhaltimen, avulla. Laitteessa tulee olla suodatin, joka estää pulverin imeytymisen imulaitteiston kautta pois syöttösuppilosta. Koska sekoittimen kierroslu-30 kua on säädettävä sekoitettavien aineiden mukaan, uloimman roottorinkehän kehänopeus vaihtelee, jolloin myös sekoittimen ja poistotilan välistä paine-eroa on valvottava, jotta ilma saadaan palaamaan sekoittimeen ja samalla varmistutaan, että sekoitettu aine poistuu. Paine-eroa voidaan 35 muuttaa esimerkiksi päästämällä lisäilmaa syöttösuppiloon tai lisäämällä alipainetta imulaitteen avulla. Pulveri li 9 97200 voidaan sekoittaa puhtaan veden sijasta esisekoitettuun lietteeseen tai lisäaineistettuun veteen tai muihin nestemäisiin aineisiin. Sekoittimessa olevan ilman kosteutta voidaan lisätä tuomalla höyryä sekoittimen ulkokehälle.

5 Höyryn seassa voidaan syöttää dispergointia avustavaa lisäainetta, jonka avulla hydrofobisten aineiden kostumista voidaan helpottaa. Dispergaattorilisäaineena voidaan käyttää esimerkiksi isopropanolia, joka höyrystyy helposti ja on suhteellisen edullista.

Claims (12)

1. Menetelmä pulverin ja nestemäisen aineen sekoittamiseksi, jossa menetelmässä annosteltu määrä pulveria ja neste- 5 mäistä ainetta syötetään roottorisekoittimeen (2), jossa ne sekoitetaan ja seos (12) poistetaan poistotilaan (8) seko ittimen (2) poistoaukon (13) kautta, tunnettu siitä, että ilman virtausta sekoittimeen (2) rajoitetaan siten, että sekoittimen (2) sisälle muodostuu poistotilan 10 (8) painetta alhaisempi paine, jolloin ilmaa (14) ei poistu oleellisesti sekoittimesta poistoaukon (8) kautta, vaan ilma (14) palaa kiertämään sekoittimeen (2).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-15 t u siitä,että paine-ero sekoittimen (2) ja poistotilan (8) välillä sovitetaan sekoittimen uloimman roottorin (3) kehänopeuteen siten, että roottorin (3) uloimmalta kehältä poistoaukkoon sinkoutuvien sekoitetusta aineesta koostuvien pisaroiden liike-energia riittää kuljettamaan ne sekoitti-20 men (2) ja poistotilan (8) välisen paine-eron yli.

3. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ilman virtausta sekoittimeen (2) rajoitetaan poistamalla pulveriin sekoittu- 25 nutta ilmaa sekoittimen (2) syöttöaukkoon liitetyssä syöt-tösuppilossa (11).

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sekoittimeen (2) syö- 30 tetään pulveria, jonka lämpötila on alhaisempi kuin sekoit-timessa (2) kiertävän ilman.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sekoittimeen (2) syö- 35 tetään pulveria, jonka suhteellinen kosteus on alhaisempi kuin sekoittimessa (2) kiertävän ilman. I! 11 97200

6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sekoittimen (2) ulkokehälle johdetaan höyryä.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnet- t u siitä, että höyryyn sekoitetaan dispergaattorilisäai-netta, esimerkiksi isopropanolia.

8. Laitteisto pulverin ja nestemäisen aineen sekoittamisek-10 si, joka laitteisto käsittää elimet (1, 11) annostellun määrän pulveria ja nestemäistä ainetta syöttämiseksi root-tor isekoittimeen (2), jossa ne voidaan sekoittaa ja seos (12) poistaa poistotilaan (8) sekoittimen (2) poistoaukon (13) kautta, tunnettu elimistä (1) sekoittimeen 15 (2) tulevan ilman määrän rajoittamiseksi siten, että se koittimen (1) sisälle muodostuu poistotilan (8) painetta alhaisempi paine, jolloin ilmaa (14) ei oleellisesti poistu sekoittimesta poistoaukon (8) kautta, vaan ilma (14) palaa kiertämään sekoittimeen (2). 20

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että elimet ilman virtauksen rajoittamiseksi käsittävät lokerohihnakuljettimen (1), joka on sovitettu tuomaan pulveria sekoittimen (2) syöttöaukkoon sovi- 25 tettuun syöttösuppiloon (li) ja samalla poistamaan pulveriin sekoittunutta ilmaa syöttösuppilosta.

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että elimet ilman virtauksen rajoittami- 30 seksi käsittävät puhaltimen, joka on sovitettu syöttösuppi-: loon (11) suodattimen välityksellä poistamaan pulveriin se koittunutta ilmaa syöttösuppilosta.

11. Jonkin patenttivaatimuksista 8-10 mukainen laitteis-35 to, tunnettu elimistä höyryn syöttämiseksi sekoittimen (2) ulkokehälle.

12 97200