Трибоелектростатичний сепаратор

Реферат: Трибоелектростатичний сепаратор містить робочу камеру, розділену на окремі секції, всередині кожної секцій встановлені пристрої зарядки у формі кутів, виготовлених з напівпровідного матеріалу, установлених ребрами назустріч руху матеріалу, що сепарується. Зарядні кути виготовлено з матеріалу, який підбирається таким чином, щоб робота виходу електронів з нього знаходилася між роботами виходу електронів з матеріалів частинок, які сепаруються. Пристрій містить систему паралельних один одному відхиляючих плоских заземлених та встановлених між ними високовольтних електродів, додаткові зарядні пристрої і відхиляючі електроди. Заземлені відхиляючі електроди виконані у вигляді коробів з горизонтальними щілинами (шиберами). Додаткові пристрої зарядки знаходяться нижче щілин по ходу руху матеріалу, який сепарується. Короби заземлених електродів з'єднуються з колектором першого продукту, який заряджений, наприклад, позитивно. Пристрій має додатковий приймальний короб з діелектрика для збирання частинок, відхилених в сторону високовольтного електрода по обидві його сторони, розташований безпосередньо під цим електродом, а також патрубок, зв'язаний з зовнішнім колектором, для відведення другого продукту сепарації, не відхилені електричним полем частинки матеріалу, який сепарується, збираються в третьому колекторі. Пристрій має вентилятор, виконаний з можливістю створення у пристрої розрядження з метою транспортування продуктів та вловлювання пилу. UA 91470 U (12) UA 91470 U UA 91470 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до гірничо-переробної промисловості і може бути використана для сухої сепарації сипучих матеріалів по електричних властивостях та дозволяє підвищити ефективність цього процесу. Відомі апарати для розділення суміші мінералів, представлених непровідниками, в яких використовують трибоелектричну сепарацію (див. Справочник по обогащению руд. Основные процессы / Под ред. О.С. Богданова, 2-е изд., - перераб. и доп. М: Недра, 1983, с. 381). Недоліками відомих сепараторів є їх низька продуктивність, великі витрати електроенергії (за рахунок приводу барабанних електродів), низька експлуатаційна надійність при збагаченні тонкоподрібнених матеріалів, а також отримання лише двох продуктів: відхилена фракція (концентрат) та невідхилена фракція (промпродукт). Найбільш схожими з запропонованою моделлю по технічних властивостях та отриманому результату є пристрій для сепарації подрібнених слабомагнітних залізних руд, який має робочу камеру, виконану у вигляді вертикальної чотиригранної призми, яка поділена на окремі секції, кожна секція має вузли зарядки з кутових елементів та системи паралельних один одному відхиляючих плоских, заземлених і розміщених між ними високовольтних електродів. Кути виготовлені з напівпровідного матеріалу і встановлені ребрами назустріч руху матеріалу, що сепарується (див. авторское свидетельство СССР № 1452595. Устройство для сепарации измельченных слабомагнитных руд. Опубл. Бюл. № 3. 23.01.1989). Недоліками даного сепаратора є низька ефективність сепарації, яка пов'язана з поверненням одного з виділених продуктів, після чергового розділення, в спільний продукт, який знову сепарується, що робить не ефективним процес трибозарядження частинок та дозволяє отримати лише два продукти: відхилену фракцію - концентрат і невідхилену фракцію тобто промпродукт. Задача корисної моделі є вдосконалення пристрою для сепарації подрібнених слабомагнітних залізних руд за рахунок одночасного вилучення з матеріалу, який сепарується, його фракцій, відхилених до відповідних електродів апарата, це дозволить значно підвищити ефективність трибозарядження залишеного, меншого по кількості продукту і тим самим підвищити ефективність сепарації. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що трибоелектростатичний сепаратор, що містить робочу камери, розділеної на окремі секції (в залежності від продуктивності апарата), всередині кожної секцій встановлені пристрої зарядки у формі кутів, виготовлених з напівпровідного матеріалу, установлений ребрами назустріч руху матеріалу, що сепарується. Згідно з корисною моделлю зарядні кути виготовляють з матеріалу, робота виходу електронів якого лежить між роботою виходу електронів з матеріалів частинок, які сепаруються. Пристрій містить систему паралельних один одному відхиляючих плоских заземлених та встановлених між ними високовольтних електродів, а також додаткові зарядні пристрої і відхиляючі електроди. Заземлені відхиляючі електроди виконані у вигляді коробів з горизонтальними щілинами (шиберами), які направлені назустріч руху матеріалу, який сепарується. Додаткові пристрої зарядки знаходяться нижче щілин по ходу руху матеріалу, який сепарується, а короби заземлених електродів з'єднуються з колектором першого продукту, який заряджений, наприклад позитивно. Пристрій має додатковий приймальний короб з діелектрика для збирання частинок, відхилених в сторону високовольтного електрода по обидві його сторони, розташований безпосередньо під цим електродом, а також патрубок, зв'язаний з зовнішнім колектором, для відведення другого продукту сепарації, не відхилені електричним полем частинки матеріалу, який сепарується, вибирається в третьому колекторі. Пристрій має вентилятор, виконаний з можливістю створення у пристрої розрядження з метою транспортування продуктів та уловлення пилу. Технічний результат від реалізації корисної моделі полягає в тому, що після першого по напрямку руху потоку, що сепарується, зарядного пристрою, на частинки, що отримали заряд різний по знаку, в залежності від їх електричних властивостей діє сила, яка направляє частинки до відповідних електродів: високовольтному та заземленому. Якщо величина зарядження достатня для переміщення частинки до приймальних камер відповідних бункерів, то частинки вилучаються з загального потоку, що дозволяє покращити умови повторного зарядження на наступних поверхнях кутів зарядного пристрою. Кількість зарядно-відхиляючих пристроїв визначається якісними показниками отриманих продуктів сепарації. Все де дозволяє покращити вилучення корисних компонентів. На кресленні показано загальний вигляд пристрою. Пристрій має: робочу камеру 1, яка складається з окремих секцій 2 (в залежності від продуктивності апарата), всередині секцій встановлений пристрій зарядки 3 з кутів, виготовлених з напівпровідного матеріалу, установлений ребрами назустріч руху матеріалу, 1 UA 91470 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 який сепарується. Матеріал зарядних кутів підбирається таким чином, щоб робота виходу електронів з нього, для ефективного зарядження частинок, повинна знаходитись між роботою виходу електронів з матеріалів частинок, які сепаруються (підбирається експериментально). Системи паралельних один одному відхиляючих плоских заземлених 4 та встановлених між ними високовольтних 5 електродів. Пристрій обладнано такою кількістю додаткових зарядних пристроїв 9, щоб забезпечити максимальне вилучення корисних компонентів. Пристрій має приймальний короб 7 для збирання частинок, відхилених в сторону високовольтного електрода 5, а також патрубки (колектори) 8, 12 і 13 для відведення трьох продуктів сепарації, в яких вентилятором підтримується розрядження з метою транспортування продуктів та уловлення пилу. Заземлені відхиляючі електроди 4 виконані у вигляді коробів з горизонтальними щілинами 6 (шиберами), які направлені назустріч руху матеріалу, який сепарується, причому додаткові пристрої 9 зарядки знаходяться нижче щілин 6 по ходу руху матеріалу, який сепарується. Короби заземлених електродів 4 з'єднуються з колектором 12 першого продукту І, який заряджений, наприклад, позитивно. Короби 7 з'єднуються з патрубком (колектором) 8 другого продукту сепарації ІІ, а вертикальні секції 2 - з патрубком (колектором) 13 третього продукту сепарації (промпродукта) III. Всі колектори з'єднані з апаратами, що відділяють тверді частинки від повітря, наприклад циклонами, які в свою чергу з'єднані одним колектором очищеного повітря 14, який можливо подавати в корпус 1, тобто систему можна зробити замкненою. В колекторі вентилятором підтримується розрядження, величина якого розраховується при відомій продуктивності сепаратора. Пристрій працює таким чином. Матеріал, що сепарується, з пристрою 15 рівномірно надходить в верхню частину корпусу 1 апарата і, підхоплений потоком повітря, що утворює вентилятор, переходить в дисперсний стан. В цьому процесі частинки матеріалу, що сепарується, відділяються одна від одної, утворюючи, при цьому первинні електричні заряди, знаки яких залежать від їх фізичних властивостей. Отриманий аеродисперсний потік розподіляється по секціях 2 і проходить через основний пристрій зарядки 3. Відповідно до того, що ймовірність отримання первинного заряду необхідного знака, відповідно передбачуваному, невисока, до того ж концентрація матеріалу, що сепарується, висока, та на кутах пристрою зарядки не виключена взаємодія частинок одна з одною, все це приводить до неповної зарядки відповідних частинок зарядом одного знака. Пройшовши через основний пристрій зарядки, частинки одного знака концентруються у заземлених відхиляючих електродів 4, а іншого заряду - високовольтних відхиляючих електродів 5. Потік частинок матеріалу одного роду, що збираються у заземленого відхиляючих електродів 4, попадає у розвантажувальний отвір 10, а частинки матеріалу іншого заряду, що збираються біля електродів 5, попадає у розвантажувальний отвір 11, і виводяться з потоку матеріалу, який сепарується. Ймовірність потрапляння частинок, які не отримали необхідного заряду, в розвантажувальні отвори пропорційна відношенню площі завантажувальних отворів до всієї площі поперечного перерізу однієї секції 2, тобто незначна. Частина матеріалу, яка залишилась з повітряним потоком проходять додатковий пристрій зарядки 9. Так як концентрація матеріалу зменшилась, то умови зарядження частинок покращились, відбувається більш інтенсивне зарядження і більш чіткий розподіл частинок матеріалу, який в подальшому сепарується. Проходячи декілька пристроїв зарядки і таку ж кількість етапів розділення, можливо отримати два матеріали сепарації заданої якості та третій продукт, який погано заряджається від зарядного пристрою 3. Перший з продуктів по каналам, що утворилися від електродів 4, виводиться з сепаратора через колектор 11 в першу систему апаратів для відокремлення частинок від повітря. Частинки в бункер-накопичувач, а повітря - в загальний колектор. Другий з продуктів по похилому днищу бункера 7, виводиться в колектор 8 за межі сепаратора в другу систему очистки повітря, а частинки - в другий бункер. Продукт з секції 2, що потрапляє в колектор 13, також проходить свій ланцюг очищення повітря та накопичення частинок. Очищене повітря знову подається в корпус сепаратора 7 колектором 14. Деякі параметри сепаратора можна легко розрахувати, наприклад визначимо, при якій концентрації матеріалу, який сепарується, можлива максимальна зарядка частинок, які по інерції дотикаються до зарядного пристрою. Частинка матеріалу, яка осідає на поверхню, пригальмовує свій рух, так як на неї діють сили тертя. Мінімальну швидкість частинки на похилому елементі отримаємо, прирівнявши аеродинамічну силу і силу тертя 60 2 UA 91470 U 3πμг dч ( U 5 (1) де U - середня швидкість газового потоку в тому місці, де лежить частинка, м/с; f - коефіцієнт тертя; m - вага частинки, кг; α = 45  - кут, під яким встановлені полиці похилого елемента до горизонту. Розв'яжемо рівняння (1) відносно швидкості частинки υч = U 10 υч ) = fmg cos α , fτg cos α . (2) Як випливає з теорії турбулентного руху, біля поверхні що знаходиться в потоці, є ламінарний прошарок з профілем швидкостей, що виражається формулою ( )2 (3) U = U* zρгμг 1 , 15 де U* - деяка величина є розмірністю швидкості; z - перпендикуляр до поверхні ковзання частинки. Тоді середня швидкість потоку газу, що діє на частинку рівна ( )2 (4) U = 0,5 U* dчρгμг 1 . Величину U* , для даного випадку, можливо визначити з виразу, отриманого з формули Прандтля: 20 U U* = 2,5 ln zU* ρг + 5,5 . μг (5) Звідки Ui*+1 25 30 zUi* ρг = U 2,5 ln + 5,5 μг 40 . (6) Як видно з цієї формули, величину U* можна визначити методом послідовних наближень. Для умов нашої лабораторної установки: U = 8 м / с ; z = 0,06 м , ця величина рівна 0,342 м / с . Визначимо середню швидкість частинки на похилій поверхні. Для наших умов: ρ ч = 4500 кг / м3 ; dч = 40 мкм ; f = 0,25 , ця швидкість рівна υч = 13,6 см / с . Таким чином, швидкість частинки на похилій поверхні в 60 раз менше, ніж в потоці. Розглянемо потік осідаючих частинок на одну з похилих поверхонь за одиницю часу N1 = YLlUn , 35 1 (7) де Y - коефіцієнт захвата; L - довжина кутка, м; яка l - проекція полиці кутка на площину, -3 перпендикулярна потоку, м; n - концентрація частинок в потоці, м . Запишемо потік частинок, які зісковзують з похилої поверхні за одиницю часу, у вигляді N2 = Lυчn1 , де n1 - число частинок на одиниці площі поверхні. Щоб унеможливити дотик частинок одна з одною на поверхні кутка, необхідно, щоб n1 було в 2-3 рази менше dч 2 . Тоді, порівнюючи потоки N1 і N2 , знаходимо число частинок в одиниці об'єму газу 3 UA 91470 U n= ч (3Yld2U) 1 . ч (8) Для наших умов: Y = 0,9 ; l = 1 41 см ; dч = 40 мкм ; U / υч = 69 , ця концентрація рівна , 5 10 15 2,74 10 6 м 3 , що відповідає дозволеній концентрації пилу 41,3 г / м3 , це забезпечує нормальну роботу пристрою, який зображений на кресленні. При збільшенні концентрації пилу ефективність пристрою знижується. Порівняльні досліди випробування двох апаратів з одним та двозарядними пристроями показали, що при початковій концентрації пилу 200 г / м 3 і вмістом в ньому заліза 36 %, були отримані такі результати. В першому апараті два продукти з вмістом заліза 42 і 26 %, а в другому апараті - 58 і 20 %, розділення з повторною перечисткою, тобто з зменшенням концентрації частинок на зарядному пристрої дає кращі результати. Розрахунок геометричних розмірів сепаратора можна виконати з умов, що рух частинок в горизонтальному напрямі визначається силою Кулона Fк (силою дзеркального відображення і пондеромоторною силою можна знехтувати), яка характеризує відхилення зарядженої частинки до електроду іншої полярності та відштовхування її від електрода однієї полярності, а також протилежно направленої силі опору середовища, в якому переміщується частинка. В вертикальному напрямі на частинку будуть діяти сили тяжіння та протилежно направлені сили Архімеда і опору середовища, тобто треба розв'язати рівняння динаміки руху частинок (закон Ньютона):     ma = E(x, y )q + mg + FC , 20 (9)  де mg - сила тяжіння;  g - прискорення вільного падіння;  E(x, y )q - сила взаємодії між зарядженою частинкою q та електричним полем напруженістю  E(x, y ) . 25 30  В нашому випадку поле вважаємо однорідним, тобто E = const ; υ - швидкість частинки; t час. Заряди частинок визначаються вимірюванням, наприклад, зміни потенціалу ізольованої посудини відомої ємності, в якій збирається відома кількість частинок (або їхня спільна маса), що були в контакті з заряджаючою поверхнею, або за допомогою електрометра чи фотографуванням при імпульсному освітленні траєкторії частинок, що рухаються в електростатичному полі. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 Трибоелектростатичний сепаратор, що містить робочу камеру, розділену на окремі секції (в залежності від продуктивності апарата), всередині кожної секцій встановлені пристрої зарядки у формі кутів, виготовлених з напівпровідного матеріалу, установлений ребрами назустріч руху матеріалу, що сепарується, який відрізняється тим, що зарядні кути виготовлено з матеріалу, який підбирається таким чином, щоб робота виходу електронів з нього знаходилася між роботами виходу електронів з матеріалів частинок, які сепаруються, при цьому пристрій містить систему паралельних один одному відхиляючих плоских заземлених та встановлених між ними високовольтних електродів, а також додаткові зарядні пристрої і відхиляючі електроди, причому заземлені відхиляючі електроди виконані у вигляді коробів з горизонтальними щілинами (шиберами), які направлені назустріч руху матеріалу, який сепарується, при цьому додаткові пристрої зарядки знаходяться нижче щілин по ходу руху матеріалу, який сепарується, а короби заземлених електродів з'єднуються з колектором першого продукту, який заряджений, наприклад, позитивно, при цьому пристрій має додатковий приймальний короб з діелектрика для збирання частинок, відхилених в сторону високовольтного електрода по обидві його сторони, розташований безпосередньо під цим електродом, а також патрубок, зв'язаний з зовнішнім колектором, для відведення другого продукту сепарації, не відхилені електричним полем частинки матеріалу, який сепарується, збирається в третьому колекторі, при цьому пристрій має вентилятор, виконаний з можливістю створення у пристрої розрядження з метою транспортування продуктів та вловлювання пилу. 4 UA 91470 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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