способ расплавления органического продукта с помощью микроволн и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ расплавления органического продукта с помощью микроволн, при котором осуществляют подвод микроволн по меньшей мере через один волновод к корпусу с твердым органическим продуктом, отличающийся тем, что микроволны направляют так, чтобы электромагнитное поле обеспечило непосредственный контакт волн с верхней свободной поверхностью твердого продукта для образования в процессе плавления жидкого слоя, затем получают частицы твердого продукта, находящегося в контакте с жидкой частью, путем эрозии и перемещают зону эрозии с перемешиванием в нижнюю часть емкости, а подвод электромагнитного к свободной поверхности продукта по меньшей мере в течение части времени плавления, после чего опорожняют корпус.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют температуру верхней части жидкого слоя и регулируют микроволновое излучение в функции этой температуры.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что регулируют процессы эрозии и перемешивания в зависимости от этой температуры.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что регулируют скорость продвижения зон и перемешивания в нижнюю часть корпуса с зависимости от этой температуры.

5. Устройство для расплавления органического продукта с помощью микроволн, содержащее металлический корпус с продуктом, по меньшей мере один волновод для создания микроволн, средства для крепления волновода к корпусу, отличающееся тем, что, с целью снижения энергозатрат на осуществление процесса плавления и сохранения качества продукта, корпус снабжен средством для эродирования нерасплавленной части продукта, находящейся в контакте с жидкой частью, для получения частиц твердого продукта в виде суспензии, средствами для перемешивания суспензии, средствами для обеспечения перемещения средств эродирования и перемешивания к нижней части корпуса и средствами для извлечения продукта из корпуса.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство для эродирования нерасплавленной части продукта выполнено в виде размещенной на оси и выполненной с возможностью вращения и перемещения головки с лопастями и зубцами.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно снабжено средствами, обеспечивающими измерение температуры в верхней части жидкого слоя.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что средство для измерения температуры выполнено в виде металлической трубки с термометрическим зондом, расположенным в ней.

9. Устройство по пп.7 и 8, отличающееся тем, что оно снабжено средствами для обеспечения регулирования микроволнового излучения в зависимости от функции этой температуры.

10. Устройство по пп.5 и 7, отличающееся тем, что оно снабжено средствами для обеспечения регулирования процессов эрозии и перемешивания в зависимости от этой температуры.

11. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно снабжено средствами для обеспечения регулирования скорости продвижения зон эрозии и перемешивания в нижнюю часть корпуса в зависимости от этой температуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам и способам использования микроволн для плавления органических продуктов.

Микроволновые печи хорошо известны. Они состоят из металлического корпуса и источника микроволн, называемого иногда магнетроном. В корпусе располагают продукт, который хотят нагреть или расплавить, причем этот продукт помещают в непроводящую диэлектрическую емкость; использование металлических емкостей, вводимых в металлический корпус, невозможно.

Промышленность, использующая органические материалы, в частности промышленность пластических материалов, требует часто плавления органических продуктов, упакованных в металлические емкости. С таким случаем мы встречаемся в технологии производства полиуретана. В этом случае приходится полимеризировать предполимеры, которые поставляются в твердой форме в металлических бочках. Тогда необходимо подогревать эти продукты для их расплавления, но такой нагрев должен выполняться с осторожностью, поскольку, если температура предполимеров превысит заданное значение, например 75^оС, в течение слишком большого промежутка времени, имеет место разложение этих продуктов с образованием аллофанатов. Поэтому подогрев должен происходить постепенно и ограниченно.

Можно организовать подогрев в камере подогрева, но время нагрева слишком велико, например порядка 72 ч, для бочки в 200 л. С другой стороны, расход энергии слишком высок.

Известны способ и устройство для расплавления органического продукта с помощью микроволн, при которых осуществляют подвод микроволн по меньшей мере через один волновод [1]

Технический результат, полученный от использования изобретения, заключается в том, что плавление осуществляется очень быстро, возможно плавление в упаковке, обеспечивается снижение энергозатрат, плавление осуществляется без значительного разрушения материала.

Технический результат достигается тем, что в способе расплавления органического продукта с помощью микроволн, при котором осуществляют подвод микроволн по меньшей мере через один волновод к корпусу с твердым органическим продуктом, микроволны направляют так, чтобы электромагнитное поле обеспечило непосредственный контакт волн с верхней свободной поверхностью твердого продукта для образования в процессе плавления жидкого слоя, затем получают частицы твердого продукта, находящегося в контакте с жидкой частью, путем эрозии и перемещают зону эрозии с перемешиванием в нижнюю часть емкости, а подвод электромагнитного поля к свободной поверхности продукта продолжают по меньшей мере в течение части времени плавления, после чего опорожняют корпус.

Кроме того, измеряют температуру верхней части жидкого слоя и регулируют микроволновое излучение в функции этой температуры; регулируют процессы эрозии и перемешивания в зависимости от этой температуры; регулируют скорость продвижения зон эрозии и перемешивания в нижнюю часть корпуса в зависимости от этой температуры.

Способ осуществляется в устройстве для расплавления органического продукта с помощью микроволн, содержащем металлический корпус с продуктом, по меньшей мере один волновод для создания микроволн, средства для крепления волновода к корпусу, корпус снабжен средством для эродирования нерасплавленной части продукта, находящейся в контакте с жидкой частью, для получения частиц жидкого продукта в виде суспензии, средствами для перемешивания суспензии, средствами для обеспечения перемещения средств эродирования и перемешивания к нижней части корпуса и средствами для извлечения продукта из корпуса.

Кроме того, средство для эродирования нерасплавленной части продукта выполнено в виде размещенной на оси и выполненной с возможностью вращения и перемещения головки с лопастями и зубцами; оно снабжено средствами, обеспечивающими измерение температуры в верхней части жидкого слоя; средство для измерения температуры выполнено в виде металлической трубки с термометрическим зондом, расположенным в ней; снабжено средствами для обеспечения регулирования микроволнового излучения в зависимости от функции этой температуры; снабжено средствами для обеспечения регулирования процессов эрозии и перемешивания в зависимости от этой температуры; снабжено средствами для обеспечения регулирования скорости продвижения зон эрозии и перемешивания в нижнюю часть корпуса в зависимости от этой температуры.

На фиг. 1 показано устройство, имеющее эрозионную головку, вертикальное сечение; на фиг. 2 вид сверху эрозионная головка устройства на фиг. 1 головка имеет лопасти; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 3.

Устройство 1 (на фиг. 1) имеет плиту 2, на которой устанавливается корпус 3, который является металлической бочкой. Корпус 3 содержит органический продукт 4, который первоначально находится в твердом состоянии. От каждого из двух генераторов 5 микроволн идет волновод 6. Частоты микроволн меняются в диапазоне 875-2450 МГц. Два волновода закрепляются на крышке 7, которая согласована с верхней частью 8 корпуса 3, причем первоначальная крышка корпуса 3 была предварительно снята. Корпус 3 служит для упаковки продукта 4, который затвердел в своей массе в корпусе 3, образуя единый твердый блок. Крышка 7 и волноводы 6 могут быть выполнены, например, из неокисляющейся стали.

Микроволны направляются волноводами 6 так, чтобы электромагнитное поле этих микроволн вступало в непосредственный контакт со свободной поверхностью 9 продукта 4, находящегося первоначально в твердом состоянии. Это поле вызывает плавление верхней части 10 продукта 4, который образует верхний жидкий слой 11.

Устройство 1 имеет устройство 12 для эродирования продукта 4. Устройство 12 имеет эрозионную головку 13, связанную с вертикальным валом 14.

Вертикальная ось хх" вала 14 совпадает с осью корпуса 3. Двигатель 15 приводит вал 14 во вращение вокруг оси хх", а вал 14 приводит головку 13 во вращение вокруг оси хх".

Головка 13 (фиг. 2) диаметром D имеет коническую деталь 16, конусность которой обращена вверх. На конической детали 16 закреплены три идентичные лопасти 17, выполненные из пластин.

Каждая лопасть 17 (фиг. 3) имеет форму пластины, верхняя часть 18 которой, соединенная с деталью 16, имеет вертикальную ориентацию. Средние плоскости 19 верхних частей 18, показанные пунктиром на фиг. 2, дают усредненную ориентацию соответствующих лопастей 17 и проходят через ось xx", схематизированную точкой х на фиг. 2. Две последующие вертикальные плоскости 19 образуют угол в 120^о. Лопасти 17 имеют зубцы 20. На фиг. 3 пунктирная прямая линия L20, соединяющая острия 180 зубцов 20, направлена вверх, удаляясь от оси хх", причем линия 20 параллельна, например, прямой линии L16, соответствующей конической детали 16 в сечении на фиг. 3, причем линия L16 формирует острый угол с осью хх", угол конусности (фиг. 3), т.е. линия L20 образует острый угол , обращенный вверх, с вертикалью, проходящей через эту линию. Число лопастей 17 может быть отличным от трех, а угол может отличаться от 120^о. Число зубцов 20 может меняться в широких пределах для каждой лопасти 17.

Фиг. 4 показывает вертикальное сечение лопасти 17, показанной на фиг. 3, причем это сечение параллельно оси хх" и перпендикулярно плоскости 19 этой лопасти. На фиг. 4 видно, что зубцы 20, связанные с участком 18, образуют угол с плоскостью 19, причем зубцы 20 имеют длину "1", измеряемую в плоскости на фиг. 4.

Углы и могут меняться в широких пределах в функции вязкости жидкого слоя 11, где - по меньшей мере равен 70^о и максимально равен 90^о, а -по меньшей мере равен 30^о и максимально равен 60^о. Зубцы 20 могут быть непосредственно связаны с конической деталью 16, если это необходимо, а участки 18 не существуют в этом случае.

В процессе своего вращения головки 13 своими зубцами 20 эродируют твердую поверхность 21 продукта 4, которая находится в контакте с жидким слоем 11, так же как и верхний участок 22 твердого продукта 4 вблизи поверхности 21. Эта эрозия, обусловленная действием зубцов 20, дает твердые частицы 23, которые образуют суспензию 24 с жидким слоем 11. Головка 13 позволяет также перемешивать эту взвесь, поскольку наклонная ориентация зубцов 20, обусловленная углом , создает движение суспензии 24 в верхнюю часть корпуса 3, что упрощает плавление частиц 23 в контакте с горячим жидким слоем 11. Головка 13 выполняет, таким образом, одновременно функции средства эрозии и перемешивания.

Устройство 1 обеспечивает, следовательно, термомеханическое воздействие, соединяющее плавление микроволновым воздействием с абразивным разрушением или растрескиванием твердого продукта 4, дающее перемешиваемую взвесь 24.

Головка 13 перемещается вертикально вниз в направлении стрелки F, когда плавление перемещается, т.е. по мере того, как твердая поверхность 21 смещается вниз. Для обеспечения вертикального движения головки 13 двигатель 15 может перемещаться вертикально вдоль опорных штанг 25, перемещая таким образом вертикально вал 14, который скользит в отверстии 26 крышки 7. Средства, обеспечивающие вертикальное перемещение двигателя 15, являются известными средствами, например, системой рейки.

После расплавления всего продукта 4 открывают вентиль 27, который обеспечивает выливание жидкого продукта 4 в емкость пользователя 28.

Фиг. 1 показывает промежуточное состояние плавления, в котором твердая поверхность 21 находится между поверхностью 9, первоначально твердой, и дном 29 корпуса 3. В течение по меньшей мере части времени плавления продолжают подачу электромагнитного поля микроволн волноводом 6 к контакту свободной жидкой поверхности 9 продукта 4.

Устройство 1 может быть разработано так, чтобы регулировать процесс плавления. С этой целью крышка 7 имеет металлическую трубку 30, которая может скользить в вертикальном направлении для обеспечения контакта с верхней частью жидкого слоя 11. Трубка 30 выполняется из материала с повышенной теплопроводностью, например из меди. В трубке 30 располагают термозонд 31, который измеряет таким образом температуру верхней части жидкого слоя 11, причем термозонд 31 защищен от интерференции с микроволнами металлической трубкой 30, которая выполняет функцию защитного экрана.

Знание этой температуры позволяет регулировать системой автоматического регулирования (вручную или автоматически) процесс плавления. Средства регулирования позволяют изменять микроволновое излучение от источников 5, прерывая или уменьшая излучение, когда температура, детектируемая зондом 31, достигнет заранее определенного максимального значения, причем температура верхней части жидкого слоя 11, т.е. максимальная температура комплекса продукта 4, остается всегда максимально равной заранее определенному критическому значению для предотвращения разложения продукта 4.

Такое регулирование может быть совмещено с процессом эрозии и перемешивания, причем скорость вращения головки 13, так же как и ее вертикальное перемещение, могут быть изменены вручную или автоматически в функции измеренной зондом 31 температуры.

Работа осуществляется следующим образом.

В металлическом корпусе, содержащем начальный твердый органический продукт, закрепляют по меньшей мере один волновод. Волноводы направляют волны таким образом, чтобы электромагнитное поле этих микроволн было в непосредственном контакте с верхней свободной поверхностью твердого продукта; электромагнитное поле вызывает плавление верхней части твердого тела, образуя таким образом верхний жидкий слой.

Твердую часть продукта, которая находится в контакте с жидкостью, эродируют таким образом, чтобы получить частицы твердого продукта во взвешенном в жидкости состоянии, и перемешивают эту взвесь.

Эрозия и перемешивание продвигаются к нижней части емкости одновременно с плавлением продукта и одновременно продолжают подводить электромагнитное поле к контакту со свободной поверхностью жидкости по меньшей мере в течение части времени плавления, после полного расплавления продукта он удаляется из емкости.

Изобретение обеспечивает следующие преимущества:

возможно использование непосредственно металлического корпуса 3, применяемого для упаковки продукта 4, причем плавление выполняется непосредственно в металлической упаковке продукта; плавление выполняется быстро; расход энергии мал и можно модулировать использование микроволн, например, останавливая путем прерывания излучение этих микроволн, откуда большая гибкость в применении, причем эта модуляция может быть распространена и на само перемешивание, т. е. на весь процесс плавления; плавление обеспечивается без значительного разрушения материала, поскольку эрозия и перемешивание взвеси обеспечивают хорошее распределение тепла, хотя соединение с электромагнитным полем оказывается более высоким для жидкости, чем для твердого тела.

П р и м е р 1. Устройство используется для расплавления 200 л предполимера полиэфира Т D I типа NOURYTHANl А9 фирмы АКZO. Этот продукт предназначен для изготовления полиуретанов. Характеристики устройства и генераторов: источник микроволн: частота 2450 МГц; мощность каждого источника 1200 Вт. Эрозионное устройство: мощность двигателя 1100 Вт; диаметр D головки 13 350 мм; угол конусности 80^о; число зубцов 18, 15 для каждой лопасти 17; длина зубцов 30 мм; угол наклона зубцов- 45^о. Характеристики начального продукта: точка плавления 60^оС; коэффициент СО 4,24%

Плавление выполняется путем работы в режиме прерываний источников для предотвращения того, чтобы температура продукта превышала 72^оС. Скорость вращения головки меняется от 80 до 195 об/мин, а скорость вертикального перемещения головки составляет 11 см/ч.

Полное плавление выполняется за 7,4 ч. Полная использованная энергия составляет 30,14 кВт/ч; т.е. 4000 Вт полезных в течение 5,5 ч для источников 5 и 1100 Вт полезных в течение 7,4 ч для устройства 12. В течение плавления температура продукта 4 превышает 40^оС и ниже 72^оС.

Коэффициент NCO в продукте в конце плавления составляет 4,05% относительное изменение коэффициента NCO, обусловленное операцией плавления, составляет приблизительно 4,5%

П р и м е р 2. По известной технологии расплавляют 200 л того же продукта, что и в примере 1, упакованного таким же образом в металлическую бочку. Плавление выполняется в камере подогрева горячим воздухом. Операция плавления длится 72 ч при расходе энергии 350 кВт/ч. Это плавление нагреванием дает относительное изменение коэффициента NCO в 3,2%

Изобретение позволяет получить значительный выигрыш во времени и энергии для плавления практически без потерь продукта по отношению к известным способам плавления.