Устройство для смешивания порошков при помощи криогенной текучей среды
Изобретение относится к области получения гранулированных сред и, в частности, к смешиванию порошков, в частности актинидных порошков, и к их деагломерации/повторной агломерации для получения смеси с высокой гомогенностью при помощи криогенной текучей среды, называемой также криогенной средой. Устройство для смешивания порошков при помощи криогенной текучей среды содержит по меньшей мере: смесительную камеру для смешивания порошков, содержащую криогенную текучую среду, камеру подачи порошков для обеспечения введения порошков в смесительную камеру, средства перемешивания в смесительной камере для обеспечения смешивания порошков, суспендированных в криогенной текучей среде. Изобретение обеспечивает процесс смешивания порошков с достаточным уровнем гомогенности. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области получения гранулированных сред и, в частности, к смешиванию порошков, в частности, актинидных порошков, и к их деагломерации/повторной агломерации для получения смеси с высокой гомогенностью при помощи криогенной текучей среды, называемой также криогенной средой.
Предпочтительно изобретение находит свое применение для порошков высокой плотности и/или когезионных порошков, таких как актинидные порошки. Так, изобретение находит свое предпочтительное применение для смешивания актинидных порошков с целью получения ядерного топлива, в частности, таблеток ядерного топлива.
Изобретением предложены устройство для смешивания порошков при помощи криогенной текучей среды, а также соответствующий способ смешивания порошков.
Уровень техники
Осуществление различных стадий производства гранулированной среды, в частности, из актинидных порошков, для получения таблеток ядерного топлива после формования посредством прессования имеет большое значение, поскольку оно во многом обуславливает регулирование микроструктуры конечного продукта, а также присутствие или отсутствие дефектов макроскопического порядка внутри топливной таблетки. В частности, смешивание актинидных порошков для обеспечения производства ядерного топлива представляет собой ключевую стадию для управления качеством получаемой топливной таблетки, которая чаще всего должна отвечать строгим требованиям с точки зрения микроструктуры и примесей.
Традиционный и давно известный промышленный процесс порошковой металлургии, используемый для получения ядерного топлива, основан на стадиях смешивания, измельчения и/или гранулирования, которые осуществляют сухим способом. Действительно, использование жидкости в ядерной промышленности приводит к получению жидких отходов, которые могут с трудом поддаваться обработке. Поэтому для получения гранулированной среды с целью изготовления ядерного топлива традиционно используют процессы, осуществляемые только сухим способом.
Для осуществления смешивания порошков известны самые разные устройства, которые можно разделить на описанные ниже семейства.
Прежде всего, существует принцип смесителя в сухой фазе без внутренних средств. В частности, речь может идти о смесителе типа Turbula® компании WAB, который за счет более или менее сложных движений бака, содержащего смешиваемые порошки, обеспечивает более или менее высокую гомогенизацию гранулированной среды. Как правило, эффективность смесителя этого типа является ограниченной. Действительно, в зависимости от типа смешиваемых порошков могут оставаться гетерогенные зоны, в которых смешивание не происходит или по меньшей мере происходит некорректно и недопустимо. Кинематика этого типа смесителя, как правило, не является достаточно сложной, чтобы производить надлежащее смешивание, то есть смешивание, удовлетворительное с точки зрения гомогенности, без соответствующей доводки или за время смешивания, не допустимое на промышленном уровне. Кроме того, энергия, сообщаемая гранулированной среде в смесителе этого типа, не позволяет произвести достаточное деагломерирование, чтобы добиться достаточной степени гомогенности в случае, когда размер этих агломератов является слишком большим (в частности, чтобы его можно было компенсировать во время стадии спекания).
Известен также принцип смесителя с использованием средств. Согласно этому принципу, чтобы способствовать операции смешивания, внутри бака, содержащего смешиваемый порошок, можно использовать один или несколько подвижных элементов. Этими подвижными элементами могут быть лопасти, турбины, лопатки, ленты, шнеки и т.д. Для улучшения смешивания сам бак тоже может быть подвижным. Этот тип смесителя может быть более эффективным, чем предыдущая категория, но все же остается недостаточным и имеет ограничения. Действительно, перемешивание приводит к изменению гранулированной среды за счет агломерации или неконтролируемой деагломерации, что может стать причиной увеличения в объеме порошков и/или ухудшения текучести гранулированной среды. Кроме того, использование подвижных элементов (средств) для смешивания приводит к загрязнению, если речь идет о смешивании абразивных порошков, таких как порошки, используемые для получения ядерного топлива. Кроме того, использование подвижных элементов может стать причиной задержаний, что отрицательно отражается на дозировке в случае изготовления ядерного топлива.
Существует также принцип смесителя типа мельницы. Действительно, в зависимости от способа использования и от типа технологии некоторых мельниц можно получать смеси порошков посредством совместного измельчения. Этот тип операции позволяет получать удовлетворительную смесь с точки зрения гомогенности, но требует относительно длительного времени измельчения, как правило, нескольких часов, и приводит также к явлениям измельчения, которые уменьшают размер частиц порошков. Это является причиной появления мелких частиц и изменения удельной поверхности, что влияет также на последующее использование порошков после их смешивания (изменение текучести, реакционной способности (возможно окисление), спекаемости порошков и т.д.) В рамках изготовления ядерного топлива операция совместного измельчения имеет существенные радиологические последствия при образовании мелких частиц по причине задержания и склонности мелких частиц к диспергированию. Кроме того, могут возникать явления забивания.
После использования этих различных типов смесителей часто возникает необходимость в агломерации или гранулировании. Кроме того, как правило, эти устройства обычно не работают в непрерывном режиме, что может создавать проблемы в промышленных процессах.
В целом, вышеупомянутые смесители не являются полностью удовлетворительными для смешивания некоторых порошков, таких как актинидные порошки, и необходимо последних вводить в процесс стадию гранулирования для получения обладающей текучестью гранулированной среды.
Известны также другие смесители, в которых используют многофазную среду, а именно текучую фазу и твердую фазу. Эти смесители можно разделить на две описанные ниже основные категории.
Прежде всего, существуют смесители для жидких/твердых фаз. Эти смесители не подходят для порошков, растворимых с жидкой фазой, используемой в смесителе, или если порошки изменяются при контакте с текучей средой. Кроме того, для порошков, имеющих высокую плотность по сравнению с жидкостью, подаваемой в смеситель, чаще всего смешивание не является эффективным или требует высоких скоростей перемешивания. Действительно, скорость отделения частицы от дна мешалки напрямую связана с разностью в плотности между частицами порошков и жидкостью, обеспечивающей получение суспензии. В этом случае можно использовать вязкие жидкости, но это требует увеличения количества используемой энергии, причем пропорционально повышению вязкости, для достижения турбулентного режима, способствующего смешиванию. Кроме того, в данном смесителе жидкостно-твердого типа возникает также проблема разделения твердой фазы и жидкой фазы после смешивания. В случае смешивания актинидных порошков смеситель этого типа производит сложные в обработке загрязненные жидкие отходы, что является недостатком. Кроме того, на практике при смешивании порошков с низким гранулометрическим размером невозможно достичь состояния полной и гомогенной суспензии. В частности, для достижения оптимальной гомогенизации так называемое безразмерное число Архимеда должно превышать 10 (то есть силы вязкости меньше сил тяжести и инерции). Учитывая, что частицы смешиваемых порошков имеют относительно небольшие диаметры, как правило, менее 10 мкм, невозможно получить гомогенные и полные суспензии при помощи устройства этого типа, не используя дополнительных средств смешивания. В этой связи были предложены технологии, например, как технология, описанная в патентной заявке СА 2 882 302 А1, но они все равно не подходят для смешивания актинидных порошков, поскольку используемые вибрационные средства не обеспечивают надлежащей гомогенизации, требуемой конкретно для актинидных порошков. Кроме того, из соображений контроля критичности объем смесителя должен быть ограничен, чтобы предупредить любой риск двойной загрузки, которая могла бы привести к превышению допустимой критической массы. Действительно, в классическом жидкостно-твердом смесителе плотность частиц на объем бака не должна быть большой, иначе пришлось бы превышать слишком большую мощность перемешивания или довольствоваться слишком медленной кинетикой смешивания.
Наконец, следует отметить, что смесители порошков в жидкой фазе, в частности, описанные в патентных заявках СА 2 882 302 А1, WO 2006/0111266 A1 и WO 1999/010092 A1, не соответствуют проблематике смешивания порошков типа актинидных порошков, так как они потребовали бы слишком высоких скоростей перемешивания, чтобы порошки можно было отделить от дна смесительного бака и достичь уровней гомогенности, соответствующих требованиям в области ядерной промышленности. Кроме того, как уже было указано выше, они производили бы загрязненные жидкие отходы, которые трудно обрабатывать в промышленном масштабе, а также порождали бы риски критичности и даже радиолиза используемой жидкой фазы с учетом природы используемых порошков (не говоря уже о том, что эти порошки могут химически реагировать с используемой жидкостью).
Существуют также смесители типа газ/твердая фаза. Смеситель этого типа может подходить и не создает риска критичности. Однако смеситель этого типа не годится для порошков, не имеющих достаточных свойств псевдоожижения, традиционно для порошков типа С согласно классификации, описанной в публикации D. Geldart, Powder Technology, Vol.7, 1973. Однако эта характеристика плохого псевдоожижения является присущей когезионным актинидным порошкам, используемым при изготовлении ядерного топлива. Кроме того, помимо трудности псевдоожижения и с учетом плотности порошков, подвергаемых псевдоожижению с целью смешивания, поверхностная скорость газа должна быть высокой и по меньшей мере равной минимальной скорости псевдоожижения. Поэтому смеситель этого типа не представляется вполне подходящим для смешивания когезионных порошков, тем более обладающих высокой плотностью.
Раскрытие изобретения
Таким образом, существует потребность в устройстве нового типа для смешивания порошков с целью получения гранулированных сред и, в частности, для смешивания актинидных порошков.
В частности, существует потребность в обеспечении возможности одновременно:
- производить деагломерацию предназначенных для смешивания порошков, не изменяя при этом их удельной поверхности и не производя мелких частиц,
- смешивать порошки с достаточным уровнем гомогенности, чтобы получать смесь порошков, отвечающую спецификациям, в частности, с точки зрения гомогенности (то есть, позволяющую получить репрезентативный элементарный объем (VER) внутри гранулированной среды порядка от нескольких кубических микрометров до примерно 10 мкм3),
- избегать загрязнения смешиваемых порошков, изменения химии поверхности и образования сложных в обработке жидких отходов,
- избегать специфического риска критичности,
- избегать специфического риска радиолиза,
- избегать нагрева смешиваемых порошков,
- использовать смеситель ограниченного диаметра, чтобы контролировать риск критичности даже в случае ошибки при загрузке смесителя,
- осуществлять операцию смешивания, максимально ограничивая расходуемую энергию, причем в течение относительно короткого времени по сравнению с другими смесителями, то есть примерно около нескольких минут по сравнению с несколькими часами (в других системах смешивания, таких как шаровые мельницы) при одинаковом количестве смешиваемого материала,
- осуществлять непрерывный или почти непрерывный процесс смешения.
Изобретение призвано по меньшей мере частично удовлетворить вышеупомянутые потребности и устранить недостатки известных технических решений.
Одним из объектов изобретения является устройство для смешивания порошков, в частности, актинидных порошков, при помощи криогенной текучей среды, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере:
- смесительную камеру для смешивания порошков, содержащую криогенную текучую среду,
- камеру подачи порошков для обеспечения введения порошков в смесительную камеру,
- средства перемешивания в смесительной камере для обеспечения смешивания порошков, суспендированных в криогенной текучей среде.
Следует отметить, что обычно криогенной текучей средой в данном случае называют сжиженный газ, поддерживаемый в жидком состоянии при низкой температуре. Этот сжиженный газ является химически инертным в условиях осуществления изобретения по отношению к порошкам, подлежащим смешению и деагломерированию.
Кроме того, заявленное устройство смешивания порошков может дополнительно содержать один или несколько из следующих признаков, взятых отдельно или в любых технически возможных комбинациях.
Криогенная текучая среда может содержать слабо гидрированную жидкость, которая представляет собой жидкость, содержащую не более одного атома водорода на молекулу жидкости и имеющую температуру кипения ниже температуры кипения воды.
Согласно первому варианту выполнения изобретения, устройство может содержать в смесительной камере средства смешивания движением гироскопического типа.
В частности, средства смешивания движением гироскопического типа могут обеспечивать приведение смесительной камеры в движение и даже во вращение по трем осям трехмерной метрологии. Этот тип перемешивания гироскопическим движением способствует, в частности, смешиванию порошков, когда они имеют высокую плотность по сравнению с плотностью жидкой фазы криогенной текучей среды, находящейся в смесительной камере.
Согласно второму варианту выполнения изобретения, устройство может содержать:
- множество смесительных камер для смешивания порошков, расположенных последовательно друг за другом, при этом камера подачи порошков обеспечивает введение порошков по меньшей мере в первую смесительную камеру,
- множество систем ограничения прохождения порошков, при этом каждая система ограничения прохождения находится между двумя последовательными смесительными камерами для ограничения распространения порошков из одной смесительной камеры в следующую.
Каждая смесительная камера может при этом содержать криогенную текучую среду, в частности, может быть заполнена криогенной текучей средой, и может содержать средства перемешивания, в частности, может быть оснащена средствами перемешивания для обеспечения смешивания порошков, суспендированных в криогенной текучей среде.
Кроме того, средства перемешивания могут содержать подвижные смесительные элементы, в частности, лопасти, турбины и/или подвижные смесительные элементы типа взбивалки и т.д.
Эти подвижные смесительные элементы могут включать в себя подвижные измельчающие элементы, например, типа шаров, роликов и т.д.
Кроме того, средства перемешивания могут содержать средства генерирования вибраций, в частности, ультразвуковых вибраций, в частности, сонотроды.
Кроме того, системы ограничения прохождения могут содержать сита. Системы ограничения прохождения могут также содержать диафрагмы.
Системы ограничения прохождения могут быть отрегулированы и выполнены таким образом, чтобы их проходное сечение уменьшалось в соответствии с прохождением потока порошков через множество смесительных камер, при этом проходное сечение (n-1)-й системы ограничения прохождения превышает проходное сечение n-й системы ограничения прохождения по направлению прохождения потока порошков.
Кроме того, проходное сечение систем ограничения прохождения может быть меньше естественного сечения потока порошков, чтобы эти порошки обязательно были деагломерированными при переходе из одной смесительной камеры в другую. Таким образом, время нахождения смешиваемых порошков должно быть достаточным для обеспечения деагломерации.
Кроме того, множество смесительных камер и множество систем ограничения прохождения порошков предпочтительно могут быть расположены в одном вертикальном направлении, чтобы обеспечивать прохождение порошков под действием силы тяжести.
Кроме того, устройство предпочтительно содержит систему электростатической зарядки порошков, предназначенных для введения в смесительную камеру или смесительные камеры.
В частности, часть порошков может входить в контакт с одной частью системы электростатической зарядки для положительной электростатической зарядки, а другая часть порошков может входить в контакт с другой частью системы электростатической зарядки для отрицательной электростатической зарядки, чтобы обеспечивать дифференциальную локальную агломерацию. В случае смешивания более двух типов порошков некоторые порошки могут заряжаться либо положительно, либо отрицательно, либо не иметь заряда.
Кроме того, криогенная текучая среда может быть текучей средой любого типа, в частности, сжиженным азотом или аргоном. Следует отметить, что использование азота является предпочтительным с учетом его низкой стоимости, а также с учетом того, что защитные перчаточные боксы и процессы, используемые для получения ядерного топлива на основе плутония, функционируют с использованием азота в качестве инертной среды и что жидкий азот используют при некоторых операциях на топливе (измерение методом БЭТ). Таким образом, использование этого типа криогенной текучей среды не создает дополнительного риска в процессе производства.
Устройство может, в частности, содержать по меньшей мере две камеры подачи порошков и, в частности, столько же камер подачи порошков, сколько типов порошков подлежит смешиванию.
Камера или камеры подачи могут содержать бункеры с регулируемой подачей и/или системы типа дозаторов, в частности, вибрирующие плиты или лотки.
Другим объектом изобретения является способ смешивания порошков, в частности, актинидных порошков при помощи криогенной текучей среды, отличающийся тем, что его осуществляют при помощи описанного выше устройства, и тем, что он включает следующие стадии:
а) введение предназначенных для смешивания порошков в смесительную камеру или смесительные камеры через камеру или камеры подачи,
b) смешивание в смесительной камере или смесительных камерах порошков, суспендированных в криогенной текучей среде, при помощи средств перемешивания,
с) получение смеси, образованной из порошков.
В ходе первой стадии а) предпочтительно порошки могут быть подвергнуты электростатической зарядке по-разному, в частности, противоположно, при наличии по меньшей мере двух типов порошков, чтобы способствовать дифференциальной локальной агломерации.
Согласно первому варианту осуществления способа, устройство может содержать единственную смесительную камеру, и указанную смесительную камеру можно приводить в движение гироскопического типа для обеспечения смешивания порошков.
Согласно второму варианту осуществления способа, устройство может содержать множество смесительных камер для смешивания порошков, расположенных последовательно друг за другом, камеру или камеры подачи порошков, обеспечивающие введение порошков в по меньшей мере первую смесительную камеру, и множество систем ограничения прохождения порошков, при этом каждая система ограничения прохождения находится между двумя последовательными смесительными камерами для ограничения распространения порошков из одной смесительной камеры в следующую, при этом каждая смесительная камера содержит криогенную текучую среду и средства перемешивания для обеспечения смешивания порошков, суспендированных в криогенной текучей среде, при этом способ может включать стадию, на которой постепенно ограничивают прохождение потока порошков через смесительные камеры при помощи систем ограничения прохождения, проходное сечение которых уменьшается по направлению прохождения потока порошков.
Заявленные устройство и способ смешивания порошков могут иметь любой из признаков, указанных в описании, взятых отдельно или в любых технически возможных комбинациях с другими признаками.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет более понятно из нижеследующего подробного описания не ограничительных примеров его осуществления, а также со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схема, иллюстрирующая общий принцип устройства смешивания порошков при помощи криогенной текучей среды согласно первому варианту осуществления изобретения.
Фиг. 2 схематично иллюстрирует агломерацию частиц порошков, заряженных противоположно перед их введением в смесительные камеры устройства, показанного на фиг. 1.
Фиг. 3 и 4 - два примера устройств согласно первому варианту осуществления изобретения.
Фиг. 5А, 5В и 5С схематично иллюстрируют альтернативные осуществления подвижных смесительных элементов устройств, показанных на фиг. 3 и 4.
Фиг. 6 и 7 - примеры графиков изменения смесей порошков в заявленном устройстве в зависимости от времени.
Фиг. 8 - схематичный вид устройства смешивания порошков при помощи криогенной текучей среды согласно второму варианту осуществления изобретения.
Фиг. 9, 10 и 11 - фотографии соответственно первого типа порошков до смешивания, второго типа порошков до смешивания и смеси, полученной из первого и второго типов порошков после смешивания при помощи заявленных устройства и способа.
На всех фигурах идентичные или аналогичные элементы имеют одинаковые обозначения.
Кроме того, для большей ясности различные показанные на фигурах части не обязательно показаны в едином масштабе.
Осуществление изобретения
Следует отметить, что в описанных ниже примерах осуществления рассматриваемые порошки Р являются актинидными порошками для изготовления таблеток ядерного топлива. Кроме того, рассматриваемая в данном случае криогенная текучая среда является сжиженным азотом. Вместе с тем, эти признаки изобретения не являются ограничительными.
На фиг. 1 представлена схема, иллюстрирующая общий принцип устройства 1 смешивания порошков Р при помощи криогенной текучей среды согласно первому варианту осуществления изобретения.
Согласно этому принципу, устройство 1 содержит n смесительных камер Е1, …, Еn для смешивания порошков Р, расположенных последовательно друг за другом в одном вертикальном направлении таким образом, чтобы порошки могли проходить через смесительные камеры Е1, …, Еn под действием силы тяжести.
Кроме того, устройство 1 содержит n-1 систем R1, …, Rn-1 ограничения прохождения порошков Р, при этом каждая система R1, …, Rn-1 ограничения прохождения находится между двумя последовательными смесительными камерами Е1, …, Еn для ограничения распространения порошков Р из одной смесительной камеры Е1, …, Еn в следующую. Примеры таких систем R1, …, Rn-1 ограничения прохождения представлены ниже со ссылками на фиг. 3 и 4.
Кроме того, устройство 1 содержит две камеры А1 и А2 подачи порошков Р, предусмотренные, в частности, для распределения порошков разных типов.
Обе камеры А1 и А2 подачи порошков Р обеспечивают введение порошков Р в первую смесительную камеру Е1 в контакте с криогенной текучей средой FC первой камеры Е1. Затем порошки Р последовательно проходят через системы R1, …, Rn-1 ограничения прохождения и через смесительные камеры Е1, …, Еn, при этом каждая смесительная камера содержит криогенную текучую среду FC.
Кроме того, каждая смесительная камера Е1, …, Еn содержит средства 2 перемешивания, обеспечивающие смешивание порошков Р, суспендированных в криогенной текучей среде FC. Примеры таких средств 2 перемешивания представлены ниже со ссылками на фиг. 3 и 4.
Например, обе камеры А1 и А2 подачи содержат бункеры с регулируемой подачей, в которых используют, например, шнек и/или системы типа дозаторов, в частности, вибрирующие плиты или вибрирующие лотки.
Кроме того, устройство 1 содержит также систему С+, С- электростатической зарядки порошков Р, вводимых в смесительные камеры Е1, …, Еn.
В частности, часть порошков Р, содержащаяся в первой камере А1 подачи, входит в контакт с положительной частью С+ системы электростатической зарядки и подвергается электростатической зарядке с положительным знаком, тогда как часть порошков Р, содержащаяся во второй камере А2 подачи, входит в контакт с отрицательной частью С- системы электростатической зарядки и подвергается электростатической зарядке с отрицательным знаком.
Таким образом, можно обеспечивать дифференцированную локальную агломерацию, иначе говоря, избегать самоагломерации. Как показано на фиг.2, где схематично представлена агломерация частиц порошков Р, заряженных противоположно до их введения в смесительные камеры Е1, …, Еn, поскольку частицы двух смешиваемых порошков Р имеют противоположный электростатический заряд, возможная повторная агломерация будет происходить в основном при смешивании разных по природе и, таким образом, имеющих разный заряд порошков. Это способствует также лучшему смешиванию на уровне частиц подлежащих смешению порошков Р.
Таким образом, изобретение использует разные следующие технические эффекты, позволяющие, в частности, достигать требуемого уровня гомогенизации:
- улучшенная по меньшей мере частичная деагломерация порошков Р, когда их переводят в суспендированное состояние в криогенной жидкости FC,
- улучшение смачиваемости порошков Р при использовании сжиженного газа, образованного из криогенной текучей среды FC, которая является жидкостью со слабым поверхностным натяжением по сравнению с водой, поэтому ее предпочтительно используют без использования какой-либо добавки, с трудом поддающейся удалению,
- перемешивание, близкое к режиму реактора идеального перемешивания, осуществляемое движением средств перемешивания, которые могут заставлять или не заставлять вибрировать суспензию, что будет описано ниже, причем эти вибрации предпочтительно не являются стационарными, чтобы ограничить гетерогенные зоны.
Далее со ссылками на фиг. 3 и 4 представлены два схематичных примера устройств 1 согласно первому варианту осуществления изобретения, принцип которых был описан выше со ссылками на фиг. 1.
В каждом из этих примеров, помимо элементов, описанных выше со ссылками на фиг.1, устройство 1 содержит приводной двигатель 5, выполненный с возможностью приведения в действие первых средств 2а перемешивания, выполненных в виде подвижных смесительных элементов 2а в смесительных камерах Е1, …, Еn.
Эти подвижные смесительные элементы 2а могут включать в себя подвижные измельчающие элементы. Эти подвижные смесительные элементы 2а могут содержать лопасти, подвижные элементы типа взбивалки, турбины и/или лопатки, и эти типы подвижных элементов представлены соответственно на фиг. 5А, 5В и 5С. В примерах, показанных на фиг. 3 и 4, подвижные смесительные элементы 2а содержат турбины.
Кроме того, в каждом из этих двух примеров устройство 1 содержит также вторые средства 2b перемешивания в виде средств создания ультразвуковых вибраций, включающих в себя сонотроды 2b.
Кроме того, два примера осуществления, представленные на фиг. 3 и 4, различаются по типу используемых систем R1, …, Rn-1 ограничения прохождения.
Так, в примере осуществления, показанном на фиг. 3, системы R1, …, Rn-1 ограничения прохождения содержат диафрагмы.
В примере осуществления, показанном на фиг. 4, системы R1, …, Rn-1 ограничения прохождения содержат сита, в частности, ячеистые сита.
В этих двух примерах системы R1, …, Rn-1 ограничения прохождения имеют регулируемое проходное сечение и расположены таким образом, чтобы их проходные сечения были расположены от наибольшего к наименьшему в направлении нисходящего потока порошков Р. Предпочтительно проходные сечения этих систем R1, …, Rn-1 ограничения прохождения меньше сечения естественного потока порошков Р, чтобы обеспечивать принудительную деагломерацию до прохождения через эти сечения.
Далее следует описание примера определения параметров заявленного устройства 1 согласно первому варианту осуществления изобретения.
Для определения параметров смесительных камер Е1, …, Еn необходимо, в частности, оценить:
- скорости подвижных смесительных элементов 2а для обеспечения отделения порошков Р от дна каждой смесительной камеры Е1, …, Еn,
- время смешивания порошков,
- расход порошков Р, то есть количество порошков Р, которое можно смешать за единицу времени.
Для этого можно использовать уравнение, определяемое корреляцией Цвитеринга, а именно:
,
в которой, в частности:
- Nmin обозначает минимальную частоту перемешивания, чтобы обеспечивать отделение частиц порошков Р,
- DT обозначает диаметр подвижного смесительного элемента 2а,
- DA обозначает диаметр смесительной камеры Е1, …, Еn,
- ρР обозначает плотность порошка Р,
- ρL обозначает плотность криогенной текучей среды FC,
- μL обозначает вязкость криогенной текучей среды FC,
- dP обозначает диаметр частиц порошка Р,
- Ws обозначает массовое отношение между твердой фазой и сжиженной фазой в процентном выражении.
Кроме того, можно также использовать следующие уравнения:
Qp = 0,73.ND3, Qc = 2.Qp, tm = 3.tc, tc = V/Qc и P = Np.ρ.N3.d5,
в которых, в частности:
- Qp обозначает расход закачки,
- Qc обозначает расход циркуляции,
- N обозначает скорость перемешивания,
- d обозначает диаметр подвижного смесительного элемента,
- P обозначает мощность перемешивания.
В нижеследующей таблице 1 представлены параметры заявленного устройства 1 для получения 1 кг/час измельченного вещества.
Таблица 1
| Характеристики устройства 1 | Значения |
| Объем смесительной камеры Е1, …, Еn | 100 мл |
| Диаметр смесительной камеры Е1, …, Еn | |
| Содержание порошков Р в суспензии | 10% |
| Частота вращения подвижных смесительных элементов | 8 с-1 |
| Диаметр подвижного смесительного элемента | |
| Расход закачки | 3,7.10-4 м3/с |
| Расход циркуляции | 7,5.10-4 м3/с |
| Время смешивания (tm) для камеры с 10% нагрузки (А) | ~0,40 с |
| Производительность смешивания | ~0,9 кг/час |
| Число смесительных камер | 4 |
| Мощность перемешивания | 105 Вт/м3 |
Полученное устройство 1 имеет характеристику смешивания, представленную в виде графика на фиг. 6, где показано изменение Х смешивания в зависимости от времени t, то есть кривая X(t) = A.[1-exp(-k.t)], где k является заданным коэффициентом, А является нагрузкой смешивания, и tm является временем смешивания.
Предпочтительно последовательное расположение n смесительных камер Е1, …, Еn, имеющих унитарный объем Vn, позволяет получить общий объем V смесительных камер Е1, …, Еn, равный V = n.Vn.
Действительно, в этом случае общее время смешивания t’m меньше времени смешивания tm для объема V. Разница между этими значениями смешивания тем больше, чем больше n, как показано на графике на фиг. 7, где представлено изменение Х смешивания в зависимости от времени t, аналогично фиг. 6, с значениями времени t1 и t2 для первой и второй камер и с значениями времени t’m и tm.
На фиг. 8 схематично показано также устройство 1 смешивания порошков Р при помощи криогенной текучей среды согласно второму варианту осуществления.
В этом примере устройство 1 содержит единственную смесительную камеру Е1 и средства MG смешивания в этой смесительной камере Е1 движением гироскопического типа.
В частности, эти средства MG смешивания движением гироскопического типа или близким к нему обеспечивают вращение смесительной камеры Е1 вокруг трех осей Х1, Х2 и Х3 трехмерной метрологии. Этот тип перемешивания гироскопическим движением способствует смешиванию порошков Р, когда они имеют высокую плотность по сравнению с плотностью фазы криогенной текучей среды FC, находящейся в смесительной камере Е1.
Кроме того, смесительная камера Е1 содержит средства 2а перемешивания, например, в виде турбин.
Эффективность смешивания, которой можно достигать при помощи настоящего изобретения, может характеризоваться гомогенностью гранулированной среды, полученной после смешивания. На фиг. 9, 10 и 11 показаны фотографии соответственно первого типа порошков до смешивания, второго типа порошков до смешивания и смеси, полученной из первого и второго типов порошков после смешивания при помощи заявленных устройства 1 и способа.
В частности, на фиг. 9 показаны агрегаты порошков диоксида церия СеО2, на фиг.10 показаны агрегаты порошков оксида алюминия Al2O3, и на фиг. 11 показана смесь этих порошков, полученная после смешивания в течение времени около 30 секунд и при помощи только одной смесительной камеры, содержащей жидкий азот в качестве криогенной текучей среды смешивания.
Отмечается, что, несмотря на короткое время (30 с.) смешивания вышеупомянутых порошков, используемых в равной массе (одинаковая пропорция порошков по массе), достигнута хорошая гомогенность гранулированной среды после смешивания, как показано на фиг. 11, с размером агрегатов, близким к размеру смешиваемых порошков, в данном случае с размером, близким к 5 мкм.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанными выше примерами осуществления. Специалист в данной области может вносить в них различные изменения.
1. Устройство (1) для смешивания порошков (Р) при помощи криогенной текучей среды, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере:
- множество смесительных камер (E1-En) для смешивания порошков (Р), каждая из которых содержит криогенную текучую среду (FC) и которые расположены последовательно друг за другом,
- камеру (А1, А2) подачи порошков (Р) для обеспечения введения порошков (Р) по меньшей мере в первую смесительную камеру (Е1),
- множество систем (R1-Rn-1) ограничения прохождения порошков (Р), при этом каждая система (R1-Rn-1) ограничения прохождения находится между двумя последовательными смесительными камерами (E1-En) для ограничения распространения порошков (Р) из одной смесительной камеры (E1-En) в следующую, при этом каждая система (R1-Rn-1) ограничения прохождения является регулируемой,
- средства (2, 2а, 2b) перемешивания в каждой из смесительных камер (E1-En) для обеспечения смешивания порошков (Р), суспендированных в криогенной текучей среде (FC).
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подлежащие смешиванию порошки (Р) представляют собой актинидные порошки.
3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что криогенная текучая среда (FC) содержит слабо гидрированную жидкость, которая представляет собой жидкость, содержащую не более одного атома водорода на молекулу жидкости и имеющую температуру кипения ниже температуры кипения воды.
4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что средства перемешивания содержат подвижные смесительные элементы (2а), в частности лопасти, турбины и/или подвижные смесительные элементы типа взбивалки.
5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что подвижные смесительные элементы (2а) включают в себя подвижные измельчающие элементы.
6. Устройство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что средства перемешивания содержат средства (2b) генерирования вибраций, в частности ультразвуковых вибраций, в частности сонотроды (2b).
7. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что системы (R1-Rn-1) ограничения прохождения содержат сита.
8. Устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что системы (R1-Rn-1) ограничения прохождения содержат диафрагмы.
9. Устройство по любому из пп. 1-8, отличающееся тем, что системы (R1-Rn-1) ограничения прохождения выполнены таким образом, чтобы их проходное сечение уменьшалось в соответствии с прохождением потока порошков (Р) через множество смесительных камер (E1-En), при этом проходное сечение (n-1)-й системы (Rn-1) ограничения прохождения превышает проходное сечение n-й системы (Rn) ограничения прохождения по направлению прохождения потока порошков (Р).
10. Устройство по любому из пп. 1-9, отличающееся тем, что проходное сечение систем (R1-Rn-1) ограничения прохождения меньше естественного сечения потока порошков (Р).
11. Устройство по любому из пп. 1-10, отличающееся тем, что множество смесительных камер (E1-En) и множество систем (R1-Rn-1) ограничения прохождения порошков (Р) расположены в одном вертикальном направлении, чтобы обеспечивать прохождение порошков (Р) под действием силы тяжести.
12. Устройство по любому из пп. 1-11, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит систему (С+, С-) электростатической зарядки порошков (Р), предназначенных для введения в смесительную камеру или смесительные камеры (E1-En).
13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что одна часть порошков (Р) входит в контакт с частью (С+) системы электростатической зарядки для положительной электростатической зарядки, а другая часть порошков (Р) входит в контакт с другой частью (С-) системы электростатической зарядки для отрицательной электростатической зарядки, чтобы обеспечивать дифференциальную локальную агломерацию.
14. Устройство по любому из пп. 1-13, отличающееся тем, что криогенная текучая среда (FC) представляет собой сжиженный азот.
15. Устройство по любому из пп. 1-14, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере две камеры (А1, А2) подачи порошков (Р) и в частности столько же камер (А1, А2) подачи порошков (Р), сколько типов порошков (Р) подлежит смешиванию.
16. Устройство по любому из пп. 1-15, отличающееся тем, что камера или камеры (А1, А2) подачи содержат бункеры с регулируемой подачей и/или системы типа дозаторов, в частности вибрирующие плиты или лотки.
17. Способ смешивания порошков (Р) при помощи криогенной текучей среды, отличающийся тем, что его осуществляют при помощи устройства (1) по любому из пп. 1-16, и тем, что он включает следующие стадии:
а) введение предназначенных для смешивания порошков (Р) в смесительную камеру или смесительные камеры (E1-En) через камеру или камеры (А1, А2) подачи,
b) смешивание в смесительной камере или смесительных камерах (E1-En) порошков (Р), суспендированных в криогенной текучей среде (FC), при помощи средств (2, 2а, 2b) перемешивания,
с) получение смеси, образованной из порошков (Р).
18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что в ходе первой стадии а) порошки подвергают электростатической зарядке по-разному, в частности противоположно, чтобы способствовать дифференциальной локальной агломерации.
19. Способ по п. 17 или 18, отличающийся тем, что содержит стадию, на которой постепенно ограничивают прохождение потока порошков (Р) через смесительные камеры (E1-En) при помощи систем (R1-Rn-1) ограничения прохождения, проходное сечение которых уменьшается в направлении прохождения потока порошков (Р).
