ITRM20070364A1 - Nuovo mulino industriale ad attrito per produrre nanomateriali attraverso processi meccanochimici - Google Patents

Description

Descrizione a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“ NUOVO MULINO INDUSTRIALE AD ATTRITO PER PRODURRE NANOMATERIALI ATTRAVERSO PROCESSI MECCANOCHIMICI ”

La presente Invenzione ha come oggetto un nuovo mulino meccanico ad attrito par la produzione di nanomateriali attraverso pronessi mennanonhimini l a speciale forma rii movimento che viene generata nel mulino determina una frantumazione spinta del materiale, portando rapidamente la granulometria a dimensioni micrometriche e nanometriche, generando nel contempo le condizioni chimico fisiche. per innescare reazioni chimiche, quali l’eliminazione dell’acqua strutturare e degli ossidrili, la distruzione reticolare dei materiali cristallini la sinterizzazione di materiali tra loro immiscibili, il cambiamento di fase ed altre ancora Per generare tali effetti, sino ad oggi si sono usati industrialmente mulini a sfere, ' che hanno il avere una arande produttività. ma con tempi di trattamento enormi. Il mulino . invece, permette per la prima volta di ottenere ali effetti meccanochimici in tempi brevi, essendo stato proaettato per scaricare la aran parte dell’eneraia meccanica di macinazione non nella frantumazione per urto, come la maggior parte dei mulini esistenti, ma per attrito, come i mulini a planetario. 1 mulini a planetario attualmente esistenti non sono stati mai realizzati in scala industriale. Sono noti nel mondo alcuni esempi di mulini ad attrito a scala medio piccola, auali i mulini a vibrazione russi (SS..) o i mulini a nutazione australiani (Hicom) o i mulini ad eccentrici della ZoZ tedesca. Tutti questi sistemi lavorano utilizzando una fonte di movimento eccentrica che accellera delle masse macinanti all’interno di una o al massimo due camere di macinazione. Tali sistemi non superano mai le poche centinaia di kg di materiale trattato per ogni ora; solo il mulino Hicom può raggiungere produttività maggiori, ma solo per la semplice macinazione, mentre per l'azione meccanochimica tale mulino ha una produttività estremamente limitata. Nel mulino qui brevettato, invece, il movimento a planetario, per la prima volta portato su scala dimensionale industriale, è per la prima volta applicato alla meccanochimica, attraverso un diseqno meccanico che permette di aumentare la produttività, mantenere in modo indefinito il materiale all’interno delle qiare fino a conclusione dei processo, estrarre facilmente il materiale attraverso un sistema di espulsione delle polveri appositamente realizzato.

Descrizione tecnica dei mulino

Il mulino è essenzialmente costituito da un telaio di sosteano sul auale è montato un gruppo rotante; quest’ultimo rappresenta il cuore della macchina, ilgruppo rotante è costituito da una aabbia a oratili tubolari. la quale è messa in rotazione dal aruooo di comando dei mulino. La rotazione avviene risoetto all’asse aeometrico della aabbia. La direzione dell’asse della aabbia è verticale. In oosizione simmetrica rispetto all’asse della aabbia e all’interno di essa sono discoste n.4 aiare cilindriche, il cui asse di simmetria è anch'esso verticale. Quando la gabbia è messa in rotazione , un complesso sistema di rinvìi ad ingranaggi provvede a trasmettere a ciascuna giara il movimento di rotazione a planetario, ovverosia l’asse geometrico di ciascuna giara ruota intorno all'asse di simmetria della gabbia, ma nel contempo, rispetto ad un'osservatore esterno la giara NON ruota intorno al proprio asse di simmetria. Ciascuna giara, al suo interno, contiene una determinata quantità di masse macinanti in forma di sfere o di barre o di cilindri oieni, che oossono essere in acciaio, zirconia o altro materiale indoneo. Il oarticolare tipo di movimento a cui è soggetta oqni sinaola qiara è tale da qenerare un moto relativo tra le masse e la qiara: per la precisione si tratta di un moto circolare uniforme. Infatti, le masse macinanti, che sono mantenute in posizione radiale dalla forza centrifuga. sono dotate di moto relativo rispetto alla qiara considerata la dinamica del movimento di quest’ultima. La forza centrifuga a cui sono sottoposte le masse macinanti permette di generare la necessaria pressione delle masse stesse sulla superficie interna della aiara. L’azione combinata della predetta pressione e del moto circolare uniforme relativo permette la generazione dell'attrito di rotolamento e il trasferimento dell’energia dalla massa macinante al prodotto da macinare, che tende ad insinuarsi tra la massa macinante e la superficie interna della giara.

La gabbia, che come descritto in precedenza contiene le giare al suo interno, si trova in una struttura fissa, rispetto alla quale dunque è in rotazione.

E' stato realizzato un sistema di pannelli esterni aventi la duplice funzione di :

- impedire l’accesso alle parti mobili della macchina in esercizio - realizzare la tenuta atta ad evitare la fuoriuscita di polvere La predetta tenuta si realizza tramite elementi striscianti in feltro tra la parte superiore della gabbia e la pannellatura esterna

- la pannellatura e la realizzazione delle tenute permettono anche l'evacuazione del macinato, che si realizza come di seguito descritto

Ciascuna giara, lungo la propria superficie esterna, è provvista di tappi forati atti a permettere la fuoriuscita della polvere. 1 tappi forati facilmente smontabili, possono all’occorrenza essere sostituiti con tappi ciechi, in caso si rendesse opportuno aumentare il tempo di residenza del materiale all'interno delle qiare. 1 tappi sono disposti a distanza costante l'uno dall’altro, onde favorirne un deflusso del macinato regolare e uniforme. La fuoriuscita del macinato è agevolata da un flusso di aria o qas inerte a mezzo ventilatore aspiratore posto a valle della linea di aspirazione. prevedendo opportuno colleaamento tra la presa di aspirazione del ventilatore e la presa di uscita d’aria del mulino. La pannellatura statica esterna è provvista, in posizione opposta alla presa di uscita, di ingresso aria ambientale. Quest’ultima è provvista di serranda di regolazione. per la parzializzazione del flusso. La corrente d’aria, cosi appositamente creata, serve proprio ad evacuare le polveri che fuoriescono spontaneamente dai fori dei tappi laterali delle aiare. Il collettamento delle polveri e la loro separazione dall’aria di processo viene realizzato a valle tramite opportuno ciclone o filtro a maniche con precamera di abbattimento. L’utilizzazione dell’impianto prevede il controllo dell’aspirazione della serranda lato ingresso aria mulino. L’apertura della serranda risulta particolarmente importante per regolare i flussi d’aria che trasportano i materiali macinati verso l'esterno: un’apertura troppo limitata comporta un intasamento delle giare, mentre una apertura troppo larga determina un’aspirazione eccessiva, con conseguente possibilità di aspirare particelle non ancora macinate che passerebebro attraverso i tappi della giara prima di essere micronizzate. La regolazione ottimale dipende dalla posizione della serranda che deve essere pertanto eseguita in una posizione intermedia tale da evitare uno degli inconvenienti sopra descritti.

Particolare attenzione in fase di proqettazione è stata rivolta ai problemi che sarebbero derivati dalle vibrazioni meccaniche conseguenti alle ragguardevoli masse rotanti e al loro possibile sbilanciamento dinamico. Per questa raqione si è ritenuto di dover realizzare un sistema dotato di simmetria geometrica. L'asse aeometrico delle aiare è eccentrico rispetto all'asse di movimento che è l’asse aeometrico della aabbia; tale eccentricità avrebbe provocato uno sbilanciameno dinamico che sarebbe stato problematico neutralizzare e che soprattutto non avrebbe dato qaranzie di affidabilità del mulino nel tempo. La presenza di più aiare in posizioni simemtriche contrapposte attorno all’asse di rotazione della aabbia ha invece permesso di realizzare un sistema eauilibrato. in cui le masse contrapposte compensano reciprocamente ali sbilanciamenti che altrimenti genererebbero singolarmente. Al fine di ottimizzare la resa del mulino alle varie condizioni operative ed al variare della tipologia dei materiali trattati dal mulino stesso, è possibile variare con continuità la velocità di rotazione de! motore. Tale variazione è effettuata con un inverter a quadro.

E' importante rilevare che, diversamente dalle altre regolazioni a cui si è fatto cenno (es. sostituzione tappi forati con tappi ciechi) la variazione della velocità può essere effettuata menter il mulino è in funzione. Questo tipo di reaolazione può essere effettuata soltanto in sottrazione: il numero di airi nominale è quello massimo, alla frequenza di rete di 50 Hz, pari a circa 300 RPM; con l’inverter si può quindi ridurre tale velocità.

Nel corso del normale utilizzo del mulino ilprodotto in macinazione potrebbe innescare un’ignizione, eventualmente favorita dall'incremento della temperatura dovuto alla trasformazione dell’attrito di macinazione in calore. Per questo è prevista la presenza di uaelli atti a introdurre gas inerti nelle giare.

Tramite l'immissione di gas inerti è possibile realizzare il flussaggio delle giare grazie al quale si può ridurre drasticamente la presenza di ossigeno all'interno e scongiurare di conseguenza il pericolo d'ignizione sopracitato.

L’azionamento del moto di rotazione della gabbia si realizza attraverso un motore elettrico asincrono trifase ed una trasmissione a pulegge e cinghie trapezoidali.

Un riduttore ad ingranaggi in bagno d’olio provvede a trasferire il moto ad ogni singola giara; il sistema pertanto ha un grado di libertà.

I cuscinetti a rotolamento sono tutti lubrificati a grasso.

In fase di progettazione, particolare attenzione è stata rivolta al sistema di alimentazione delle giare; le problematiche affrontate derivavano dal fatto che l'eccentricità dell’asse delle giare rispetto a quello della gabbia comporta che il condotto stesso di alimentazione sia dotato di moto di trascinamento, quindi abbiamo dovuto studiare attentamente le tenute tra la parte statica e auella rotante dei condotti stessi, ed è stata prevista una serie accorgimenti al fine di ovviare aali inconvenienti derivanti dal fatto che il prodotto in alimentazione, oltre ad essere soggetto alla forza peso, è soqqetto anche alla forza centrifuqa in conseguenza al predetto moto di trascinamento.

Il prodotto in alimentazione, introdotto dall’alto a gravità, si distribuisce in maniera pressoché equivalente nelle 4 piare; abbiamo comunque messo in conto piccole differenze di portata di prodotto tra una giara e l’altra ed operato in modo che non comportino consequenze in termini di sbilanciamento dinamico del sistema.

Per facilitare le operazioni di manutenzione, sia ordinaria che straordinaria, abbiamo previsto la possibilità di aaevole smontaaaio dei componenti.

Tale possibilità riguarda in primo luoao la pannellatura esterna.

Gli elementi della qabbia a loro volta sono stati progettati a settori smontabili, bullonati.

E' facilitato inoltre lo smontaaaio del gruppo giara dai rispettivi perni. attraverso un sistema che permette di utilizzare i coperchi superiori e inferiori come estrattori meccanici.

- Infine, il fondo di ciascuna giara ha una leggera bombatura, diretta verso il centro, nel quale è realizzato un foro per premettere lo scarico delle sfere a gravità, procedendo dapprima allo svitamento del coperchio inferiore, quindi allo sfilamento della molla che, normalmente, occupa il volume del foro di scarico delle sfere, mantenendole all’interno della giara durante il normale funzionamento deirimpianto.

Esempi di utilizzo del mulino di micronizzazione meccanochimica Il mulino testé descritto permette la micronizzazione di sostanze sia dure che tenere, sia fragili che flessibili, e per quest’ultime senza dover ricorrere all’uso di sostanze di infraqilimento, quali ad esempio l’azoto liquido. E’ questa una grossa innovazione, soprattutto nel mondo dei residui solidi urbani dove è possibile micronizzare rifiuti composti da materiali biologici (carni, grassi e residui animali e vegetali) ricchi d’acqua e flessibili, che in mulini di normale tipo tenderebbero a creare poltialie non sminuzzabili. L’estrema eneraia del mulino riesce invece ad ottenere l’eliminazione dell'acqua e a rendere il materiale sterile (vista l’elevata Dressione d’attritoì ed è quindi idoneo per trattare tutti i residui oraanici anche a rischio infettivo. Il mulino è poi idoneo alla micronizzazione di materie prime per produrre TONER per stampanti, utilizzando tra l’altro la particolare capacità di msicelare il prodotto oltre che di macinarlo, di trattare materie prime per piamenti, auali ad esempio il biossido di titanio. permettendo di raggiungere finezze estreme in tempi molto brevi. In queste applicazioni le giare possono essere rivestite di corazze ceramiche e si possono ussare masse macinanti in zirconia.

Rivendicazioni

1. Rivendicazione secondo la quale il mulino realizzato è costituito da quattro giare rotanti in modalità planetaria, ed è adatto alla macinazione ad attrito senza urto

2. Rivendicazione secondo la quale il il mulino è essenzialmente costituito da un telaio di sostegno sul quale è montato un gruppo rotante, costituito da una gabbia a profili tubolari, la quale è messa in rotazione dal gruppo di comando del mulino 3. Rivendicazione secondo la 1 e la 2 per le quali la rotazione del gruppo rotante avviene rispetto all'asse geometrico della gabbia, la direzione dell’asse della qabbia è verticale e in posizione simmetrica rispetto all’asse della gabbia e all’interno di essa sono disposte n.4 giare cilindriche, il cui asse di

Claims (1)

1. tenderebbero a creare poltialie non sminuzzabili. L’estrema eneraia del mulino riesce invece ad ottenere l’eliminazione dell'acqua e a rendere il materiale sterile (vista l’elevata Dressione d’attrito) ed è quindi idoneo per trattare tutti i residui oraanici anche a rischio infettivo. Il mulino è poi idoneo alla micronizzazione di materie prime oer produrre TONER per stampanti, utilizzando tra l’altro la particolare capacità di msicelare il prodotto oltre che di macinarlo, di trattare materie prime per piamenti, auali ad esempio il biossido di titanio. permettendo di raggiungere finezze estreme in tempi molto brevi. In queste applicazioni le giare possono essere rivestite di corazze ceramiche e si possono ussare masse macinanti in zirconia. Rivendicazioni 1. Rivendicazione secondo la quale il mulino realizzato è costituito da quattro giare rotanti in modalità planetaria, ed è adatto alla macinazione ad attrito senza urto 2. Rivendicazione secondo la quale il il mulino è essenzialmente costituito da un telaio di sostegno sul quale è montato un gruppo rotante, costituito da una gabbia a profili tubolari, la quale è messa in rotazione dal gruppo di comando del mulino 3. Rivendicazione secondo la 1 e la 2 per le quali la rotazione del qruppo rotante avviene rispetto all'asse geometrico della gabbia, la direzione dell’asse della qabbia è verticale e in posizione simmetrica rispetto all’asse della gabbia e all’interno di essa sono disposte n.4 giare cilindriche, il cui asse disimmetria è anch’esso verticale 4. Rivendicazione secondo la 1 e la 2 per le quali, quando la aabbia è messa in rotazione un complesso sistema di rinvìi ad inaranaggi provvede a trasmettere a ciascuna aiara il movimento di rotazione a planetario, ovverosia l’asse geometrico di ciascuna aiara ruota intorno all’asse di simmetria della gabbia. ma nel contempo, rispetto ad un'osservatore esterno la giara NON ruota intorno al proprio asse di simmetria 5. Rivendicazione secondo la 1 e la 2 per le auali oqni qiara contiene una determinata quantità di masse macinanti in forma di sfere o di barre o di cilindri pieni, che possono essere in acciaio, zirconia o altro materiale idoneo. 6. Rivendicazione secondo la 1, 2, 3, 4 per le quali il particolare tipo di movimento a cui è soggetta ogni singola giara è tale da generare un moto relativo tra le masse e la giara circolare uniforme, mentre La forza centrifuqa a cui sono sottoposte le masse macinanti permette di qenerare la necessaria pressione delle masse stesse sulla superficie interna della qiara. 7. Rivendicazione secondo la quale il materiale micronizzato viene fatto evacuare attraverso aperture praticate sulle pareti delle qiare di macinazione, aperture che possono essere aperte o chiuse da tappi facilmente rimuovibili 8. Rivendicazione secondo la quale i materiali entrano nel mulino attraverso un canale verticale posto superiormente e comunicante in modo continuo con le qiare attraverso condotti che ruotano insieme alle aiare stesse 9. Rivendicazione secondo la 8. secondo la quale le condotte che trasportano i materiali da macinare alle aiare sono dotati di viti senza fine, simili a coclee, mosse dalla rotazione stessa delle aiare. che facilitano l’inserzione dei materiali all'interno delle aiare 10. Rivendicazione secondo la 1. 2. 8 e 9. secondo le auali l'alimentazione del mulino viene coadiuvata da un flusso d’aria di aspirazione, comandata da una saracinesca di mandata che regola la velocità di aspirazione 11. Rivendicazione secondo la 1, 2, 8, 9, 10 secondo le quali il flusso d’aria può essere in parte sostituito con gas inerti per limitare i pericoli di innesco di fiamma 12. Rivendicazione secondo tutte le precedenti, secondo le quali il mulino è in grado di macinare, micronizzare e portare a dimensioni di nanomateriali i sequenti materiali (elenco non esaustivo): materiali inorganici (quarzo, arafite, carbonati di calcio e maanesio, feldspati, biossido di titanio, ossidi metallici, solfuri semplici e misti, amianto, anfiboli, rocce acide e basiche,, vetri, cementi e residui di demolizione e costruzione, pietre e pietrischi da escavazione, materiali organici, aual cellulosa, legni duri e teneri, carta, plastiche non clorurate d aualsiasi tipo, PVC, materiali oraanici bioloaici (carne, arass animali e vegetali, verdure, residui animali, farine animali)