Спосіб струменевого подрібнення матеріалів і пристрій для його реалізації

Реферат: Винаходи належать до технології тонкого і надтонкого подрібнення матеріалів та одержання дисперсних порошків, суспензій, аерозолів. і може бути використаний в енергетиці, гірничозбагачувальній, хімічній, харчовій, фармакологічній та інших галузях промисловості. Згідно з першим винаходом, в способі струменевого подрібнення матеріалів попередньо формують принаймні два зустрічні газодисперсні потоки з частинками, що підлягають подрібненню, при цьому виділяють з потоків частину газових складових шляхом їх відхилення в протилежні сторони, і проводять першу стадію подрібнення дисперсного матеріалу в лінійних потоках шляхом зіткнення потоків під кутом між векторами їх швидкостей, наближеним до 180 градусів, після чого одержаний напівфабрикат вводять в вихор, утворений шляхом подачі виділених газових складових під кутом до радіуса зони подрібнення зі швидкістю, достатньою для утворення вихору, і проводять другу стадію його подрібнення. Згідно з другим винаходом, пристрій для струменевого подрібнення матеріалів має розмельну камеру з зоною подрібнення, утвореною її бічною циліндричною і торцевими стінками з отворами, з'єднаними з патрубками. Патрубки введення в камеру дисперсних потоків розміщені співвісно і обладнані засобами підведення швидкісних потоків енергоносія, а виходи патрубків обладнані пристроями для відведення частини газових складових потоків з направленням їх у протилежні сторони камери під кутом до радіуса зони подрібнення і утворенням в камері вихору. Технічний результат: істотне підвищення ефективності подрібнення твердих матеріалів і одержання готового продукту надтонкого розмелу. UA 102130 C2 (12) UA 102130 C2 UA 102130 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до технології тонкого і надтонкого подрібнення матеріалів та одержання дисперсних порошків, суспензій, аерозолів тощо, а саме до технології комбінованого струменевого і вихрового подрібнення матеріалів, і може знайти застосування в енергетиці, гірничо-збагачувальній, хімічній, харчовій, фармакологічній та інших галузях промисловості. Відомий спосіб вихрового подрібнення матеріалів, який полягає в тому, що газові струмені подають в зону подрібнення під кутом до радіусу зони подрібнення, утвореної бічною циліндричною і торцевими стінками розмельної камери зі швидкістю, достатньою для утворення вихору, потім вводять у вихор дисперсний матеріал, що подрібнюється, і виводять одержаний продукт у вигляді пилогазової суміші через отвори в стінках розмельної камери [1]. Цей спосіб подрібнення забезпечує підвищення коефіцієнта використання енергії потоку всередині зони подрібнення за рахунок стабілізації струменів газу. Недоліком цього способу подрібнення є відносно невисокий коефіцієнт використання енергії потоку на подрібнення, що обумовлене втратою залишкової кінетичної енергії потоків. Відомий спосіб вихрового подрібнення матеріалів, який полягає в тому, що газові струмені подають в розмельну камеру під кутом до радіусу зони подрібнення, утвореної бічною циліндричною і торцевими стінками розмельної камери, зі швидкістю, достатньою для утворення вихору, потім вводять у вихор частинки, що подрібнюються, і виводять одержану пилогазову суміш через отвори в стінках розмельної камери [2]. Цей спосіб подрібнення забезпечує часткове підвищення коефіцієнта корисного використання енергії потоку в середині зони подрібнення за рахунок розподілу витрат пилогазової суміші, що видаляється через отвори в бічній і торцевих стінках, але не змінює значень швидкостей пилогазових потоків, що виходять із зони подрібнення. Втрата залишкової кінетичної енергії потоків в кінці процесів подрібнення обумовлює недостатньо високий коефіцієнт використання енергії потоків. Відомий спосіб подрібнення матеріалу в псевдозрідженому шарі, реалізований в струменевому млині з псевдозрідженим шаром [3]. Млин має вертикальний корпус з діафрагмою і сепаратором, розміщені в донній частині корпуса сопло Лаваля і патрубки для подавання матеріалу і повітря, сепаратор, виконаний у вигляді крильчатки, розміщений під діафрагмою, в якій міститься отвір для проходу вала приводу крильчатки. Матеріал у корпусі доводять до псевдозрідженого стану подаванням повітря в сопло Лаваля, і за рахунок взаємодії частинок у псевдозрідженому шарі проводять подрібнення матеріалу. Відомий аналогічний спосіб подрібнення матеріалу в псевдозрідженому шарі, реалізований в струменевому млині, у якому подрібнення проводять в псевдозрідженому шарі шляхом його турбулізації за допомогою зустрічних газових струменів [4]. Недоліком вказаних способів є низька ефективність подрібнення, обумовлена невеликою енергією взаємодії частинок. Енергія взаємодії частинок визначається кінетичною енергією, яку частинка одержує в процесі її прискорення під дією аеродинамічних сил на шляху її вільного пробігу від зіткнення до зіткнення. Внаслідок невеликих відстаней між частинками у псевдозрідженому шарі і малим значенням аеродинамічних сил, що діють на кожну частинку в шарі, а також малої різниці напряму векторів швидкостей сусідніх частинок, енергія взаємодії частинок в шарі буде недостатньою для ефективного їх руйнування. Другим недоліком є локальний характер струменевої дії на псевдозріджений шар матеріалу, наслідком чого є низька продуктивність процесу подрібнення в псевдозрідженому шарі. Локальне вдування енергоносія в об'єм псевдозрідженого шару призводить до того, що подрібнення частинок здійснюється лише в зоні поблизу виходу газу, де кінетична енергія частинок може досягати рівня, достатнього для їх руйнування. Відомий спосіб вихрового подрібнення матеріалів [5], який включає подавання газових струменів під кутом до радіусу зони подрібнення, утвореної бічною циліндричною і торцевими стінками розмельної камери, зі швидкістю, достатньою для утворення вихору, введення у вихор частинок, що подрібнюються, і виведення одержаної пилогазової суміші через отвори в бічній циліндричній і торцевих стінках розмельної камери. У цьому способі на виході із зони подрібнення формують основний потік пилогазової суміші, що виходить через отвори у бічній циліндричній стінці, і потоки пилогазових сумішей, що виходять через отвори в торцевих стінках розмельної камери, і вводять потоки пилогазових сумішей, що виходять через отвори в торцевих стінках, під кутом до основного струменевого потоку. Потоки, сформовані з пилогазових сумішей, що виходять через отвори в торцевих стінках, вводять в основний потік під кутом 45-120 градусів. За сукупністю суттєвих ознак описаний спосіб є найближчим до запропонованого винаходу і обраний авторами у якості прототипу. 1 UA 102130 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Недоліком способу є відносно низький коефіцієнт використання енергії енергоносія на подрібнення. Це обумовлене такими причинами. По-перше, пилогазову суміш утворюють шляхом введення твердих частинок у вихровий потік. Цей спосіб утворення суміші пов'язаний з істотними втратами енергії потоку тому, що частинки переважно вводяться у вихровий потік по нормалі до нього, і через це вони мають нульову швидкість відносно потоку. Це призводить до удару потоку об частинки, місцеве стиснення газу перед частинкою і розширення його в усі сторони, у тому числі і перпендикулярно до напрямку потоку, що в кінцевому рахунку призводить до втрати кінетичної енергії потоку на удар. Другою причиною зниження коефіцієнту використання енергії енергоносія на подрібнення у прототипі є невдала послідовність стадій подрібнення - спочатку вихрове подрібнення, а потім подрібнення зіткненням лінійних потоків. Вихрове подрібнення обумовлене ударною взаємодією між собою частинок, які рухаються в потоці по траєкторіях, близьких до напряму руху потоку. При цьому їх ударна взаємодія обумовлена співвідношенням сили лобового аеродинамічного спротиву частинки, пропорційного квадрату міделевого перерізу частинки, і сили інерції, пропорційної масі частинки, тобто кубу її поперечного розміру. Це відношення зростає в міру зменшення розміру часток. Цей факт свідчить, що ефективність вихрового способу подрібнення зростає в процесі подрібнення, причому із зниженням розміру частинок для їх розгону до потрібних швидкостей достатньо потоку з відносно невисокою швидкістю. Тому вихровий метод подрібнення є більш доцільним для частинок меншого розміру. При лінійних зустрічних потоках для ефективного подрібнення частинок в розгінній трубі відносно невеликої довжини необхідно розігнати частинки до максимально високих швидкостей для досягнення при їх взаємному ударі максимальної енергії, достатньої для їх руйнування. При цьому, чим більша маса частинок, тим більша енергія взаємного удару. Це свідчить про те, що спосіб подрібнення частинок при взаємодії лінійних зустрічних дисперсних потоків більш ефективний у випадках: а) більшої швидкості енергоносія; б) більшої маси частинок, що взаємодіють. У способі-прототипі використана схема, коли частинки спочатку подрібнюються в вихровому потоці, апотім в лінійних потоках, що взаємодіють. При цьому потік енергоносія у вихровому процесі втратить значну частину своєї енергії, враховуючи також наведений вище перший недолік - додаткову втрату енергії на удар при утворенні пилогазової суміші. Третьою причиною є додаткові втрати енергії потоку при направленні його в отвори в стінках розмельної камери: а) втрати на гідроопорі раптового повороту потоку на 90 градусів навколо гострого краю отворів; б) втрати на гідроопорі протікання потоку в отвір через раптове звуження; в) втрати на гідроопорі при протіканні потоку через патрубок зменшеного перерізу зі збільшеною швидкістю. Всі означені фактори втрат енергії енергоносія призведуть до того, що енергія взаємодії частинок при їх взаємному ударі може стати недостатньою для досягнення в частинках механічної напруги їх руйнування. Крім того, у прототипі лінійні потоки зустрічаються під кутами від 45 до 120 градусів. При цьому кінетична енергія взаємного удару частинок буде розраховуватись не за абсолютною величиною швидкості частинок, а за швидкістю частинок, помноженою на косинус кута між напрямом руху частинок і лінією, що з'єднує центри частинок, для кожної пари частинок. Очевидно, що в цьому випадку різко знизиться енергія взаємодії частинок при їх взаємному ударі. Внаслідок втрати кінетичної енергії потоку енергоносія знижується ефективність подрібнення. Недостатня швидкість і якість подрібнення вимагають збільшення числа циклів повторного пропускання частинок через вихрове і лінійне подрібнення, що супроводжується необхідними для цього додатковими витратами енергії. Наступною, четвертою причиною є те, що енергія взаємодії частинок у двох потоках, що стикаються під кутом один до одного, використовується лише частково, тому що газові складові потоків, що стикаються, при зіткненні розсіюють тверді частинки в сторони від траєкторій їх зустрічі. П'ятою причиною є те, що газова частина потоків, яка має залишкову достатньо велику кінетичну енергію після другої стадії подрібнення, видаляється з процесу і вся її кінетична енергія втрачається. Крім того, використаний у прототипі прийом вирівнювання кількості руху взаємодіючих потоків, виведених через отвори в бічній циліндричній і торцевих стінках розмельної камери, не є ефективним, тому що розміри і маса частинок, що взаємодіють в потоці, є різними. Таким чином, існує потреба у такому способі, якій дозволив би подрібнювати матеріали зі зменшеними витратами енергії більш ефективно. 2 UA 102130 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В основу винаходу покладено задачу вдосконалення способу струменевого подрібнення матеріалів шляхом виконання оптимальної послідовності стадій подрібнення, усунення або зменшення втрат енергії потоку на гідравлічних опорах елементів трактів, зменшення втрат енергії на удар при утворенні суміші. Це забезпечує жорстке зіткнення частинок матеріалу, наближене до лобового і, таким чином, повніше використання енергії газових складових потоків та частинок. В результаті цього підвищується ефективність процесу подрібнення. Поставлена задача вирішується тим, що у способі струменевого подрібнення матеріалів, який включає процеси змішування газоподібного енергоносія з твердим дисперсним матеріалом і дві стадії струменевого подрібнення матеріалу - стадію подрібнення у вихровому пилогазовому потоці при поданні газових струменів під кутом до радіуса зони подрібнення, обмеженої бічною циліндричною і торцевими стінками розмельної камери, зі швидкістю, достатньою для утворення вихору, і стадію подрібнення при зіткненні лінійних потоків під кутом один до одного, ці дві стадії подрібнення проводять у протилежній щодо прототипу послідовності - спочатку стадію подрібнення при зіткненні лінійних потоків і після цього стадію подрібнення у вихровому потоці. При цьому, перед направленням лінійних потоків назустріч один одному під кутом 175185 градусів між векторами їх швидкості, з них виділяють газові складові, високу кінетичну енергію яких використовують для утворення вихору в розмельній камері, а тверді дисперсні частинки залишають на їх траєкторіях зустрічного руху і забезпечують таким чином достатню жорсткість зіткнення частинок, наближеного до лобового, і їх ефективне подрібнення. Одержану після вихрового подрібнення пилогазову суміш формують у потік на виході з розмельної камери і виводять його з розмельної камери через отвір у її торцевій стінці. Зіткнення лінійних дисперсних потоків на першій стадії подрібнення дозволяє повною мірою використати кінетичну енергію потоку енергоносія на прискорення і надання частинкам швидкостей, достатніх для їх руйнування при взаємному ударі двох зустрічних потоків. Вибір кута між зустрічними потоками в діапазоні 175-185 градусів дозволяє досягти найбільш повного використання енергії при взаємному ударі частинок, наближеному до лобового, тому що в цьому випадку косинус кута між напрямами їх руху близький або дорівнює одиниці. Діапазон величини кута 175-185 градусів між векторами зустрічних потоків вибраний з умови розходження дисперсних потоків після виходів з патрубків в розмельну камеру. Відділення газової складової дисперсних потоків перед їх зіткненням дозволяє забезпечити жорсткість удару частинок одна об одну і, тим самим, їх ефективне руйнування, а також утилізувати залишкову енергію газової складової потоку шляхом використання її для утворення вихору і реалізації другої, вихрової стадії подрібнення напівфабрикату, одержаного після ударної взаємодії дисперсного матеріалу в лінійних зустрічних потоках у першій стадії подрібнення. Ефективність подрібнення твердих частинок у вихрових потоках зростає при зменшенні розміру частинок, тому частково подрібнений на першій стадії матеріал буде ефективно перемелюватись на другій стадії. Відділення газової складової з дисперсних потоків може бути здійснене будь-яким відомим методом, наприклад, виконанням на вихідних кінцях косих зрізів, і не є предметом цього винаходу (див., наприклад [6, 7]). Направлення напівфабрикату в вихровий потік після першої стадії подрібнення, а також виведення готової пилогазової суміші з зони подрібнення через отвір у торцевій стінці, здійснюється за рахунок потоку енергоносія. Суть запропонованого винаходу пояснюється кресленням на Фіг. 1, 2, де схематично показаний пристрій для реалізації способу струменевого подрібнення матеріалів. Як показано на Фіг. 1, 2, пристрій для реалізації способу струменевого подрібнення матеріалів містить розмельну камеру 1, утворену бічною циліндричною 2 і торцевими 3 стінками, які одночасно обмежують зону подрібнення 4 всередині розмельної камери. В стінках розмельної камери виконані отвори 5, в боковій циліндричній - з'єднані з патрубками 6 для введення в зону подрібнення дисперсних потоків 7, а в торцевій - з патрубком 8, діаметр якого забезпечує виведення готової пилогазової суміші 9 з заданим розміром частинок. Обидва патрубки 6 приєднані своїми вхідними отворами до живильних пристроїв 14, а своїми вихідними отворами співвісно до протилежних отворів 5 у бічній циліндричній стінці 2 розмельної камери 1 і обладнані пристроями 10 для відведення газової складової 11 потоків і направлення їх у протилежні сторони з утворенням у ній вихору 12. Пристрій 10 включає частину патрубка 6 з бічним розширенням у сторону відхилення потоку з соплом інжектора. Внаслідок вихору 12 в розмельній камері 1 біля її бічної циліндричної стінки розміщений шар дисперсного матеріалу високої концентрації 13. Заявлений спосіб здійснюється таким чином. 3 UA 102130 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Подають дисперсний потік через патрубки 6 і отвори 5 в бічній стінці 2 в зону подрібнення 4 розмельної камери 1, обмежену боковою 2 і торцевими 3 стінками, у вигляді дисперсних зустрічних потоків 7. При цьому на дисперсні потоки 7 в патрубках 6 діють струменями енергоносія 15 і прискорюють їх рух до швидкостей, достатніх для руйнування частинок при їх взаємному ударі і для утворення вихору 12 в розмельній камері 1. Дисперсні потоки направляють через отвори 5 в розмельну камеру 1 через пристрої 10, за допомогою яких відділяють газові складові 11 дисперсних потоків і направляють їх під кутом до радіуса зони подрібнення 4, розміщеної навколо точки перетину осі патрубків 6 з віссю розмельної камери 1, в протилежні сторони всередині розмельної камери з утворенням в ній вихору 12, а потоки дисперсного матеріалу 7 направляють у зону подрібнення 4, забезпечують їх зіткнення під кутом 175-185 градусів між векторами їх швидкостей. Діапазон значень кута 175-185 градусів між векторами зустрічних потоків після їх виходу з патрубків у розмельну камеру, обумовлений забезпеченням зіткнення дисперсних потоків з урахуванням розбігу струменів у розмельній камері. Розліт фрагментів частинок обмежують при цьому боковою стінкою 2 і торцевими стінками 3 розмельної камери. Напівфабрикат, який утворився після першої стадії подрібнення при зіткненні твердих складових дисперсних потоків, підхоплюється інтенсивними газовими струменями 11 з пристроїв 10 і циркулює у вихорі 12. При цьому крупніша, більш масивна фракція відкидається відцентровими силами на периферійну, віддалену від осі спіральну траєкторію, і утворює висококонцентрований пристінний шар 13, у якому проводять інтенсивне подрібнення матеріалу внаслідок ударного енергообміну між енергоносієм і частинками різних розмірів. Частинки менших розмірів швидше прискорюються і зіштовхуються з іншими, більшими і повільнішими частинками, внаслідок чого здійснюється їх руйнування. Концентрація частинок у газі на периферії значно вища, ніж в середньому в розмельній камері, тому тут значно інтенсивніше проходить руйнування частинок при їх зіткненнях і ударах одна об одну. Менші частинки легше підхоплюються потоком газу і у вигляді пилогазового потоку 9 виводиться через отвір 5 у торцевій стінці 3 розмельної камери 1 і через патрубок 8. При цьому діаметр відвідного патрубка 8 забезпечує швидкість дисперсного потоку 12, в якому розмір частинок є заданим. Таким чином, використання запропонованого способу струменевого подрібнення дозволяє істотно підвищити ефективність подрібнення твердих матеріалів і одержати готовий продукт надтонкого розмелу, що вказує на "промислову придатність" та "винахідницький рівень". Аналіз аналогів та прототипу вказує на "новизну" винаходу. Джерела інформації: 6 1. Патент РФ № 2029621, МПК В02С 19/06, 1995. 6 2. Патент РФ № 2056172, МПК В02С 19/06, 1996. 2 3. Авт. свід. СРСР № 643188, МПК В02С 19/06, 1979. 4 4. Європейський патент № 0139279, МПК В02С 19/06, 1984. 5. Патент України № 72484, МПК (2006) В02С 19/06, 2001. 7 6. Патент РФ № 2170617, МПК В02С 19/06, 1999. 6 7. Патент США № 5,683,039, МПК В02С 19/06.U.S. С1. 241/5; 241/39, 1997. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 60 1. Спосіб струменевого подрібнення матеріалів, який включає процеси змішування газоподібного енергоносія з твердим дисперсним матеріалом і дві стадії струменевого подрібнення матеріалу - стадію подрібнення у вихровому газопиловому потоці при поданні газових струменів під кутом до радіуса зони подрібнення, обмеженої бічною циліндричною і торцевими стінками розмельної камери, зі швидкістю, достатньою для утворення вихору, і стадію подрібнення при зіткненні лінійних потоків; формування потоків пилогазових сумішей на виході з зони подрібнення і виведення їх із зони через отвір в стінці, який відрізняється тим, що попередньо формують принаймні два зустрічні газодисперсні потоки з частинками, що підлягають подрібненню, збільшують їх швидкість до значень, достатніх для руйнування частинок при взаємному зіткненні, направляють потоки у зону подрібнення назустріч один одному, при цьому виділяють з потоків частину газових складових шляхом їх відхилення в протилежні сторони, і проводять першу стадію подрібнення дисперсного матеріалу в лінійних потоках шляхом зіткнення потоків, що залишилися після виділення частини газових складових, під кутом між векторами їх швидкостей, наближеним чи рівним 180 градусів, після чого одержаний напівфабрикат вводять в вихор, утворений шляхом подачі виділених газових складових під кутом до радіуса зони подрібнення зі швидкістю, достатньою для утворення 4 UA 102130 C2 5 10 вихору, і проводять другу стадію його подрібнення до одержання готового продукту у вигляді пилогазової суміші, потік якої виводять через отвір у торцевій стінці розмельної камери. 2. Пристрій для струменевого подрібнення матеріалів, який має розмельну камеру з зоною подрібнення, утвореною її бічною циліндричною і торцевими стінками з отворами, з'єднаними з патрубками для введення в камеру дисперсних потоків матеріалу з живильних пристроїв і виведення готової пилогазової суміші, який відрізняється тим, що патрубки введення в камеру дисперсних потоків розміщені співвісно, приєднані своїми вихідними отворами до протилежних отворів у бічній циліндричній стінці камери і обладнані засобами підведення швидкісних потоків енергоносія, а виходи патрубків обладнані пристроями для відведення частини газових складових потоків з направленням їх у протилежні сторони камери під кутом до радіуса зони подрібнення і утворенням в камері вихору, при цьому вхідні отвори патрубків приєднані до живильних пристроїв, а патрубок виведення готового продукту з'єднаний з отвором у торцевій стінці розмельної камери. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5