Способ вихревого измельчения материалов и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к способам получения дисперсных порошков, суспензий, аэрозолей для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Сущность изобретения: способ заключается в том, что вводят газовые струи под углом к радиусу зоны измельчения, с образованием внутри зоны высокоскоростного вихря подают частицы измельчаемого материала с вовлечением их в вихревое движение для образования пылегазовой смеси. Формируют слоистый вихрь с различными скоростями вихревого движения в слоях, с послойным расположением в направлении, перпендикулярном направлению введения струй. Образованную пылегазовую смесь выводят из зоны измельчения. Устройство, реализующее способ, содержит помольную камеру с зоной измельчения внутри нее, образованную боковой и торцовыми стенками, на которых расположены отверстия ввода газовых струй, подачи частиц измельчаемого материала и вывода получаемой пылегазовой смеси. Отверстие ввода газовых струй выполнено с переменным продольным сечением и/или радиальное сечение зоны измельчения выполнено переменным по высоте. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил., 5 табл.

Изобретение относится к способам измельчения материалов, а именно к способу вихревого измельчения материалов и устройству для его осуществления, и может быть использовано в различных отраслях промышленности: химической, строительной, цементной, пищевой, медицинской и других для получения дисперсных порошков, суспензий, аэрозолей тонкого и сверхтонкого измельчения материалов.

Известен способ вихревого измельчения материалов [1] включающий ввод газовых струй под углом к радиусу зоны измельчения, ограниченной боковой и торцовыми стенками. Вводимые газовые струи образуют вихрь с высокой скоростью вращения, в который вводят измельчаемый материал. После измельчения и вывода пылегазовой смеси производят классификацию частиц. Крупные частицы возвращают на домол.

Данный способ измельчения, совмещенный с классификацией и возвратом на домол крупных частиц, удобен для пользователя.

Однако такой способ не позволяет измельчать вязкие твердые материалы, для измельчения которых требуются высокие скорости вращения. В описанном способе при подаче газовых струй в зону измельчения через входное отверстие происходит расширение струи и падение скорости в ее ядре, поэтому скорость вихря в зоне измельчения всегда меньше входной скорости.

Известно устройство для измельчения материалов [1] в котором зона измельчения материалов образована боковой и двумя торцовыми стенками. На боковой стенке устройства имеется отверстие для подачи газовых струй под углом к радиусу зоны измельчения, на верхней торцовой стенке, отверстие для подачи в зону измельчения частиц, а также центральное отверстие для вывода измельченной пылегазовой смеси. Устройство обладает теми же недостатками, что и вышеописанный способ.

Известен также способ вихревого измельчения материала [2] при котором воздействуют на измельчаемый материал в замкнутом пространстве вихревым потоком, образованным приводимыми во взаимодействие турбулентными газовыми струями, подаваемыми из плоских или осесимметричных сопл. Образованную пылегазовую смесь выводят через стенки замкнутого пространства. Для заданной скорости вихревого потока доводят отношение масштаба турбулентности приводимых во взаимодействие газовых струй по меньшей мере к одному из поперечных размеров сопла до величины менее 0,1 и интенсивность турбулентности до величины менее 5% путем физического воздействия на пограничный слой в сопле.

Данный способ позволяет уменьшить пограничный слой вихревого потока и увеличить скорость ядра потока за счет снижения турбулентности в пограничном слое. Однако это происходит на относительно небольшом участке длины потока, а далее развивающаяся турбулентность разбивает поток и уменьшает его скорость. Такой способ не позволяет поэтому производить тонкий и сверхтонкий помол материалов повышенной твердости. Также такой способ не позволяет проводить точную классификацию измельчаемого материала, так как утолщение пограничного слоя приводит к большему перемешиванию частиц, поэтому в него в большем количестве попадают частицы больших размеров, которые в дальнейшем должны быть опять направлены на домол.

Описанный способ осуществляется с помощью устройства для вихревого измельчения материала [2] которое содержит зону измельчения, образованную боковой стенкой и торцовыми стенками, которые охвачены полым пыленепроницаемым кожухом для изоляции зоны измельчения от окружающей среды. На верхней торцевой стенке закреплен пылепровод системы загрузки, а также имеется центральное отверстие отвода пылегазовой смеси. Боковая стенка снабжена двумя соплами для формирования газовых струй и патрубками для вывода пылегазовой смеси.

Данное устройство обладает теми же недостатками, что и описанный способ.

В основу изобретения положена задача в способе вихревого измельчения материала создать многослойное вихревое движение, которое порождает возникновение сил, под действием которых соударяющиеся частицы начинают двигаться в поперечном направлении, что порождает дополнительные столкновения между частицами.

Поставленная задача решается тем, что в способе вихревого измельчения материала, заключающемся в том, что вводят газовые струи под углом к радиусу зоны измельчения, с образованием внутри зоны высокоскоростного вихря, подают частицы измельчаемого материала с вовлечением их в вихревое движение для образования пылегазовой смеси, которую выводят из зоны измельчения, согласно изобретению формируют слоистый вихрь с различными скоростями вихревого движения в слоях, с послойным расположением в направлении, перпендикулярном направлению введения струй.

Различие скоростей вихревого движения по слоям обеспечивается либо за счет ввода газовых струй с различным давлением по слоям, либо за счет формирования различных сопротивлений вводу газовых струй по слоям, либо за счет подачи частицы измельчаемого материала различной массой по слоям.

При этом движение по слоям осуществляют при относительной разности окружных скоростей в слоях в пределах 0,01-0,1.

При относительной разности окружных скоростей меньше 0,01 и больше 0,1 разница скоростей в слоях приводит к тому, что от столкновений при переходе частиц из одного слоя в другой одни частицы выбивают другие из зоны измельчения, это ухудшает качество помола.

Предлагаемый способ позволяет измельчать вязкие материалы с невысокими удельными энергозатратами и получать измельченный материал заданного диапазона дисперсности.

Эффективность предложенного способа объясняется тем, что основная масса частиц разрушается в результате многократных соударений между собой и о стенки, ограничивающие зону измельчения, а организация слоистого вихревого потока позволяет использовать для разрушения не только центробежные силы, но и поперечные силы Магнуса.

Наиболее просто это может быть достигнуто за счет формирования различных скоростей вихревого движения пылегазовой смеси по высоте зоны измельчения.

В этом случае частица, двигаясь по замкнутой траектории в зоне измельчения с большей скоростью, неизбежно взаимодействует с частицами, двигающимися по подобным траекториям с меньшими скоростями. При соударении частицы, двигающейся с большей скоростью, с частицей, двигающейся с меньшей скоростью, первая не только передает часть своего импульса, но и закручивается с угловой скоростью ω ω (1) где ω угловая скорость частицы; Δ u разность окружных скоростей соударяющихся частиц; d_ч диаметр частицы.

На вращающуюся частицу действует сила Магнуса F, направленная поперек основного вихревого потока, т.е. параллельно оси вихря: F 2m Δu (2) где m масса частицы; ρ_ч плотность частицы; ρ плотность газа.

Под действием сил Магнуса частицы начинают смещаться по высоте зоны измельчения к торцовым стенкам. Но как только частица ударилась о стенку, она закручивается уже со скоростью ω₁= , (3) где U полная окружная скорость частицы; d_ч диаметр частицы.

Сила Магнуса F₁, действующая на частицу, ударившуюся о стенку, направлена от стенки внутрь зоны измельчения и выражение для нее можно получить, подставив выражение (3) в (2) F₁= 2m ω₁u, (4) где m масса частицы;
ρ_ч плотность частицы;
ρ плотность газа;
ω₁ угловая скорость частицы;
u полная окружная скорость частицы.

Теперь определим соотношение сил Магнуса F₁/F, для этого разделим выражение (4) на выражение (2), получим
(5) где u полная окружная скорость частицы;
Δu разность окружных скоростей соударяющихся частиц, т.е. отношение сил Магнуса F₁/F соответственно возрастает уже пропорционально квадрату отношения полной окружной скорости к разности скоростей соударяющихся частиц.

Так, например, если разность скоростей частиц составляет 0,05 U, то сила Магнуса при взаимодействии частицы со стенкой возрастает в 400 раз, т.е. разность скоростей пылегазовой смеси по высоте зоны измельчения является спусковым механизмом для возникновения интенсивного поперечного движения частиц.

Как следствие увеличивается число и сила ударных взаимодействий измельчаемых частиц, двигающихся по замкнутым траекториям в зоне измельчения. В результате оказывается возможным измельчать вязкие материалы, а другие материалы требуют меньше времени на измельчение, т.е. снижаются удельные затраты энергии на единицу массы измельчаемого материала.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства для вихревого измельчения материалов, содержащего помольную камеру с зоной измельчения внутри нее, образованную боковой и торцвыми стенками, на которых расположены материала и вывода получаемой пылегазовой смеси, в котором согласно изобретению отверстие ввода газовых струй выполнено с переменным продольным сечением и/или радиальное сечение зоны измельчения выполнено переменным по высоте.

Обеспечить переменное радиальное сечение зоны измельчения по высоте можно выполнив боковую стенку помольной камеры наклонной, ступенчатой или наклонно-ступенчатой. Это повышает эффективность классификации измельчаемого материала за счет смещения крупных частиц в область зоны измельчения, наиболее удаленную от центра камеры, и удержания их в этой зоне центробежными силами до достижения требуемой степени измельчения.

На фиг.1 изображено устройство, продольный разрез; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.1, отверстие ввода выполнено с переменным сечением; на фиг.4 то же, боковая стенка выполнена ступенчатой; на фиг. 5 то же, боковая стенка выполнена наклонной; на фиг.6 то же, боковая стенка выполнена наклонно-ступенчатой.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит зону 1 измельчения, образованную боковой 2 и торцовыми 3 стенками, которые с внешней стороны обхвачены полым кожухом 4 (для изоляции зоны измельчения от окружающей среды). На верхней торцовой стенке 3 расположено центральное отверстие 5 вывода пылегазовой смеси и закреплен пылепровод 6 системы загрузки измельчаемого материала. Боковая стенка 2 снабжена отверстием 7 ввода газовой струи и отверстиями 7 ввода газовой струи и отверстиями 8 вывода пылегазовой смеси.

На полом кожухе 4 закреплена труба 9 для вывода пылегазовой смеси из устройства.

Для наглядности рассмотрим случай по фиг.3, когда поверхность 10 боковой стенки 2 выполнена одного сечения по всей высоте, т.е. зона измельчения имеет одинаковое по высоте радиальное сечение, а отверстие 7 ввода газовых струй выполнено с переменным продольным сечением, в данном случае имеется паз 11, что и обеспечивает различную скорость течение струй по высоте зоны 1 измельчения.

Устройство работает следующим образом. Через отверстия 7 ввода газовых струй сжатый воздух подается в зону 1 измельчения с разной скоростью, получаемой за счет разного поперечного сечения отверстия 7. Для данного примера скорости верхнего и нижнего слоев вихря (относительно плоскости чертежа) будут выше скорости среднего слоя вихря. Туда же через верхнюю торцовую стенку 3 подается измельчаемый материал по пылепроводу 6 загрузки (на чертеже не показан). Воздух закручивается в зоне 1 измельчения и образует слоистый вихрь с различной скоростью в слоях по высоте зоны 1 измельчения, за счет паза 11 в центральной части отверстия 7 происходит расширение струи воздуха и ее скорость становится меньше относительно крайних участков. Твердые частицы измельчаемого материала вовлекаются в послойное вихревое движение и взаимодействуют друг с другом и со стенками 2 и 3. После измельчения материала до тонины с требуемым размером частиц материал выводится через центральное отверстие 5 и отверстия 8 в боковой стенке 2 в трубу 9.

Суть предлагаемого способа состоит в следующем: способ вихревого измельчения материала, заключающийся в том, что вводят газовые струи под углом к радиусу зоны измельчения, с образованием внутри зоны высокоскоростного вихря подают частицы измельчаемого материала с вовлечением их в вихревое движение для образования пылегазовой смеси и выводят ее из зоны измельчения, согласно изобретению формируют слоистый вихрь с различными скоростями вихревого движения в слоях, с послойным расположением в направлении, перпендикулярном направлению введения струй.

Для осуществления слоистого вихря достаточно пылепровод 6 системы загрузки выполнить в виде трех рукавов (фиг.1), которые сообщены с зоной измельчения на разном уровне по высоте зоны измельчения. Через каждый рукав подается измельчаемый материал с частицами определенной массы, что приводит к формированию слоистого вихря в зоне измельчения.

Далее рассмотрим несколько примеров с одинаковыми исходными условиями: в качестве измельчаемого материала и во всех опытах использовалась свинцовая дробь с размером 2,25-2,5 мм, масса загруженной порции составляет 80 г, размер частиц 3-8 мкм (см. табл.1-5). Расход воздуха поддерживался 3 м/мин при давлении на выходе в зону измельчения 0,26 МПа.

Порция дроби вводилась в зону измельчения и по секундомеру определялось время выноса введенной изначально порции. Измельченный материал фотографировался на электронном микроскопе и далее анализировался его гранулометрический состав.

Результаты приведены в табл.1-5.

П р и м е р 1. Помол проводился в камере с целевым отверстием 7 ввода постоянной ширины по высоте зоны измельчения. Измельчаемый материал вводился по трем рукавам системы загрузки, что создает в зоне измельчения переменный коэффициент сопротивления для формирования слоистого вихря. Результаты измерения приведены в табл.1.

П р и м е р 2. Помол проводили в камере с отверстием 7 ввода воздуха с пазом 11. Результаты измерения выноса измельченной порции приведены в табл. 2.

П р и м е р 3. Результаты измерения времени выноса измельченной порции при проведении помола в помольной камере, у которой внутренняя поверхность 12 боковой стенки 2 выполнена ступенчатой (фиг.4) приведены в табл.3.

П р и м е р 4. Результаты измерения времени выноса измельченной порции при проведении помола в камере, у которой внутренняя поверхность 13 боковой стенки 2 выполнена конусообразной (фиг.5), приведены в табл.4.

П р и м е р 5. Результаты измерения времени выноса измельченной порции при проведении помола в камере, у которой внутренняя поверхность 14 боковой стенки 2 выполнена конусообразными ступеньками (фиг.6), приведены в табл.5.

Анализ результатов измерений показывает, что предлагаемый способ измельчения материалов и устройства для его осуществления позволяют измельчать вязкие материалы до требуемых размеров (3-8 мкм) за счет увеличения частоты и силы ударов частиц друг о друга и неподвижные стенки вследствие включения в процесс измельчения сил Магнуса, возникающих из-за формирования вихря в виде слоев с различными скоростями вихревого движения по высоте зоны измельчения.

Анализ гранулометрического состава размельченного материала показал, что одновременно с уменьшением времени измельчения для диапазона относительной разности окружных скоростей 0,01-0,1 математическое ожидание распределения размеров частиц смещается в сторону частиц с меньшими размерами, а величина дисперсии их размеров уменьшается.

Таким образом, предлагаемый способ создания слоистой структуры вихря с различными скоростями вихревого движения по слоям позволяет повысить эффективность помола различных материалов, особенно вязких. Предлагаемые варианты устройств вихревого измельчения позволяют снизить удельные затраты энергии на измельчение и улучшить классифицирующие свойства измельчителя.

Создание слоистого вихря можно осуществлять путем введения дополнительных переменных сопротивлений (решеток) в отверстие ввода газовой струи.

Формула изобретения

1. Способ вихревого измельчения материалов, заключающийся в том, что газовые струи вводят под углом к радиусу зоны измельчения с образованием внутри зоны высокоскоростного вихря, подают частицы измельчаемого материала с вовлечением их в вихревое движение для образования пылегазовой смеси и выводят ее из зоны измельчения, отличающийся тем, что формируют слоистый вихрь с различными скоростями вихревого движения в слоях с послойным расположением в направлении, перпендикулярном к направлению введения струй.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменяют скорость вихревого движения путем введения газовых струй с различным давлением в разных слоях.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменение скорости вихревого движения осуществляют путем создания переменного по слоям сопротивления вводимым газовым струям.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменение скорости вихревого движения осуществляют путем введения измельчаемых частиц с различной массой по слоям.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что вихревое движение по слоям осуществляют при относительной разности окружных скоростей в слоях в пределах 0,01 - 0,1.

6. Устройство для вихревого измельчения материалов, содержащее помольную камеру с зоной измельчения внутри нее, образованную боковой и торцевыми стенками, на которых расположены отверстия ввода газовых струй, подачи частиц измельчаемого материала и вывода получаемой пылегазовой смеси, отличающееся тем, что отверстие ввода газовых струй выполнено с переменным продольным сечением и/или радиальное сечение зоны измельчения выполнено переменным по высоте.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что внутренняя поверхность боковой стенки выполнена с уступом.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что внутренняя поверхность боковой стенки выполнена конусообразной.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что внутренняя поверхность боковой стенки выполнена ступенчатой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8