Струйно-вихревая мельница

 

Изобретение относится к конструкциям струйно-вихревых мельниц для получения тонких и сверхтонких порошков различных материалов, в том числе вязких и сверхтвердых. В основу изобретения положена задача повышения эффективности тонкого измельчения и расширения номенклатуры измельчаемых материалов за счет организации высокоскоростного (сверхзвукового) струйного пристеночного течения, создаваемого сверхзвуковыми, плоскими, тангенциальными соплами подачи газового энергоносителя в плоскую помольную камеру с цилиндрической боковой стенкой. В процессе работы устройства частицы загружаемого материала разгоняются до скоростей, обеспечивающих их эффективное измельчение за счет взаимодействия частиц со стенками камеры и между собой. 2 ил.

Изобретение относится к конструкции струйно-вихревых мельниц для получения тонких и сверхтонких порошков различных материалов, в том числе вязких, и может быть использовано в горнорудной, строительной, химической, медицинской, пищевой и других отраслях промышленности, в частности, для измельчения абразивных и особо твердых материалов (карбидов, оксидов, природных и синтетических алмазов), а также пластиков (полиамидов, полиэтиленов, фторопласта и др.).

Известен аппарат для извлечения и активации твердых дисперсных материалов, включающий цилиндрический корпус с патрубками ввода энергоносителя и внутреннюю зубчатую насадку [1] В данном устройстве материал вводится в зону измельчения в виде газовзвеси, что ограничивает скорость частиц твердой фазы в помольном объеме, так как она не может быть больше входной. Кроме того, взаимодействие двухфазного потока с призматическими элементами внутренней зубчатой насадки вызывает повышение статического давления в пристеночной области, что также снижает скорость газовзвеси и, как следствие, приводит к уменьшению степени измельчения материала.

Известна также струйная аэродинамическая мельница, предназначенная, в частности, для тонкого измельчения материалов до размера частиц готового продукта менее 10 мкм, содержащая помольную камеру, соединенную воздуходувными трубами с камерами предварительного измельчения, периферические измельчающие эжекторы, расположенные в помольной камере, разгрузочное приспособление, установленное соосно с помольной камерой, устройство для разделения частиц [2] В известной установке измельчаемый материал также поступает в помольный объем в виде газовзвеси, что ограничивает скорости полей течения. Измельчение здесь происходит двухступенчатое: струйное в эжекционных блоках и вихревое в цилиндрической помольной камере. После предварительного измельчения в эжекционных блоках материал поступает в помольную камеру с потерей энергии, так как подача газовзвеси по цилиндрическому каналу также ограничивает ее скорость, которая не может быть звуковой или сверхзвуковой. Данная конструкция предназначена для тонкого измельчения (10 мкм). Невозможность развить высокие скорости здесь ведет к снижению эффективности тонкого измельчения, в том числе материалов сверхтвердых, и практически исключает сверхтонкое измельчение (до 1 мкм). Кроме этого, для измельчения с помощью этой конструкции пластичных материалов дополнительно необходимо их охрупчивание, то есть проводить измельчение таких материалов необходимо в условиях низких температур.

Известна струйная мельница, содержащая плоскую помольную камеру, ограниченную верхней и нижней крышками и боковой стенкой, выполненной в форме многогранника [3] Здесь газовое течение в помольном объеме формируется периферийными сверхзвуковыми соплами, равномерно расположенными по периметру боковой стенки под углом к ее поверхности. Периферийные сопла подачи газового энергоносителя дают возможность сформировать высокоскоростное струйное течение вблизи боковой стенки помольной камеры. Однако измельчение материала здесь происходит в вихревых потоках, в зоне взаимодействия (пересечения) вдуваемых струй, и носит локальный характер. Как известно, скорость газа в таких зонах возвратно-поступательного движения всегда ниже, чем в несущем потоке, что ведет к значительному снижению скорости измельчаемого материала. Кроме этого, в местах излома образующей боковой стенки камеры возникают скачки давления, что также ведет к снижению скорости, которая всегда будет ниже звуковой или сверхзвуковой. Таким образом, известная конструкция не позволяет частицам пластичного и сверхтвердого материала развивать скорости, достаточные для их эффективного измельчения.

Наиболее близким техническим решением является струйно-вихревая мельница, содержащая цилиндрическую помольную камеру, ограниченную верхней и нижней крышками, устройство подачи газового энергоносителя, снабженное подводящими элементами, сообщенными с помольной камерой и расположенными тангенциально относительно нее, устройство загрузки, расположенное соосно с помольной камерой и проходящее через центральное отверстие в верхней крышке, и устройство загрузки измельченного материала [4] Целью изобретения является повышение эффективности тонкого измельчения и расширения номенклатуры измельчаемых материалов за счет организации высокоскоростного (сверхзвукового) струйного пристеночного течения, где происходит взаимодействие частиц со стенками и между собой.

Это достигается тем, что в струйно-вихревой мельнице, содержащей цилиндрическую помольную камеру, ограниченную верхней и нижней крышками, устройство подачи газового энергоносителя, снабженное подводящими элементами, сообщенными с помольной камерой и расположенными тангенциально относительно нее, устройство загрузки, расположенное соосно с помольной камерой и проходящее через центральное отверстие в верхней крышке, и устройство выгрузки измельченного материала, подводящие элементы устройства подачи газового энергоносителя выполнены в виде плоских сверхзвуковых сопел, а устройство выгрузки измельченного материала выполнено в виде плоских сопел, расположенных тангенциально относительно помольной камеры и чередующихся с плоскими сверхзвуковыми соплами подачи газового энергоносителя, при этом над верхней крышкой дополнительно установлена камера пониженного давления, связанная через центральное отверстие с помольной камерой.

На фиг. 1 показана конструкция сверхзвукового струйно-вихревого измельчителя; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1.

Сверхзвуковая струйно-вихревая мельница содержит плоскую помольную камеру 1. Помольная камера ограничена боковой стенкой 2, которая имеет цилиндрическую форму, верхней и нижней крышками 3 и 4 соответственно. В верхней крышке 3 выполнено центральное отверстие 5, через которое соосно помольной камере 1 проходит загрузочное устройство 6. Через устройство 6 исходный материал подается в центральную часть камеры, где реализуется область вихревого течения с образованием тороидального вихря 7 и струйного пристеночного течения 8. Помольная камера 1 также содержит сверхзвуковые плоские тангенциальные сопла 9. Через сопла 9 осуществляется подача в помольный объем газового энергоносителя. Сверхзвуковые сопла 9 чередуются с плоскими тангенциальными соплами 10 вывода газовзвеси из помольной камеры. Над верхней крышкой 3 установлена камера 11 пониженного давления с боковым патрубком 12, через который осуществляется отвод газа. Через центральное отверстие 5 камера 11 связана с помольной камерой 1.

Устройство работает следующим образом.

Исходный материал через загрузочное устройство 6 подается в центральную часть помольной камеры 1, где реализуется область вихревого течения с образованием тороидального вихря 7, вращающегося с высокой скоростью относительно оси камеры.

Тангенциально расположенные плоские сверхзвуковые сопла 9 подачи газового энергоносителя позволяют организовывать в помольном объеме сверхзвуковое пристеночное струйное течение 8. Выполнение помольной камеры цилиндрической формы сводит к минимуму потери на торможение потока. Кроме того, в конструкции обеспечивается отсос газа из пристеночной области помольной камеры для понижения давления в этой области, что позволяет дополнительно повысить скорость газа (Y), истекающего из разгонных сопел 9: Y Y_мах где Y_мах= const при Т const для данного газа; поэтому Y f1 , где Р_а давление (статическое) в среде истечения; Р_оj давление торможения подаваемого газового энергоносителя рабочего (подаваемого газа), чем меньше Р_а, тем ближе возможное значение Y (скорость газа на срезе сопла), приближается к Y_мах (максимальная скорость газа).

Отношение можно уменьшать, увеличивая P_oj, но это ограничено возможностями промышленных компрессоров и технической безопасности при эксплуатации, кроме того, при этом неизбежно возрастает и значение Р_а при рассматриваемой конструкции камеры.

Лучше и дешевле уменьшить Р_а в среде истечения, поэтому применим отсос газа.

Под действием центробежных сил частицы материала движутся к боковой стенке 2, вовлекаясь в струйный поток 8, где происходит их эффективное разрушение при высокоскоростном соударении со стенкой и между собой.

Кроме того, часть измельчаемого материала увлекается из пристеночной области по направлению к центру помольной камеры, взаимодействуя с частицами материала, поступающего из загрузочного устройства 6, что также повышает эффективность работы измельчителя.

Таким образом, в процессе работы устройства частицы материала разгоняются до скоростей, обеспечивающих их эффективное измельчение за счет взаимодействия частиц со стенками камеры и между собой.

Часть газа с частицами материала, достигшими гранулометрии готового продукта, отводится через плоские тангенциально расположенные сопла 10 вывода газовзвеси.

Выполнение разгонных сверхзвуковых сопел 9 подачи газового энергоносителя и сопел 10 вывода газовзвеси плоскими обеспечивает создание высокоскоростного потока по всей высоте помольной камеры.

Подобная конструкция позволяет эффективно измельчать материалы средней твердости, например, стекло до d₅₀ 0,8 мкм, а также получать порошки из особо твердых, таких, как корунд с d₅₀ 4,8 мкм, и пластичных, например угленаполненный фторопласт с d₅₀ 0,74 мкм, материалов.

Кроме того, за счет организации в помольной камере сверхзвукового пристеночного течения с помощью данного устройства можно получать порошки с узким дисперсным составом, не требующие дополнительных устройств, обеспечивающих их классификацию. Например, порошки из угленаполненного фторопласта получаются от d₅₀ 0,74 мкм до d₉₀ 1,8 мкм.

Формула изобретения

СТРУЙНО-ВИХРЕВАЯ МЕЛЬНИЦА, содержащая цилиндрическую помольную камеру, ограниченную верхней и нижней крышками, устройство подачи газового энергоносителя, снабженное подводящими элементами, сообщенными с помольной камерой и расположенными тангенциально от нее, устройство загрузки, расположенное соосно с помольной камерой и проходящее через центральное отверстие в верхней крышке, и устройство выгрузки измельченного материала, отличающаяся тем, что подводящие элементы устройства подачи газового энергоносителя выполнены в виде плоских сверхзвуковых сопел, а устройство выгрузки измельченного материала выполнено в виде плоских сопел, расположенных тангенциально относительно помольной камеры и чередующихся с плоскими сверхзвуковыми соплами подачи газового энергоносителя, при этом над верхней крышкой дополнительно установлена камера пониженного давления, сообщенная через центральное отверстие с помольной камерой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2