Спосіб розділення аеросуспензії і ротоклон для його здійснення

Реферат: Винахід належить до розділення аеросуспензій у вугільній, будівельній і інших галузях. Технічним результатом є підвищення ефективності способів і машин для розділення аеросуспензій, зсув меж дисперсності уловлюваного пилу з мікро- на нанорозмір. Спосіб розділення аеросуспензії включає використання фільтрації сіткою, що рухається, відцентрових, доцентрових сил, сил тяжіння та інертності пилу, відмінності умов конденсації компонентів аеросуспензії. При цьому потік аеросуспензії спрямовують паралельно осі обертання ротора зверху вниз. Очищений газ стискають у приосьовій порожнині ротора і виводять за призначенням. У просторі біля сітки створюють розрідження. Ротоклон включає круглий циліндричний корпус, ротор, порожнини розподілу і розділення аеросуспензії, порожнину відведення пилу, патрубки подання аеросуспензії, відведення очищеного газу і пилу і двигун, що має подовжений вал, який введено в порожнину розділення аеросуспензії. На валу кріплять ротор. Порожнини розподілу, розділення і відведення пилу сполучають кільцевими щілинами. При цьому обичайку ротора виконують сітчастою, між дном у вигляді диска та кришкою у вигляді кругового кільця ротора, закріплюють лопаті радіально-осьового доцентрового компресора. Для виведення пилу з порожнини розділення застосовують скребки, переміщувані ободом з окремим приводом. UA 100185 C2 (12) UA 100185 C2 UA 100185 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Галузь техніки Винахід відноситься до сухого розділення аеросуспензій, зокрема до відокремлення повітря від пилу і диму, у вугільній, машинобудівній, будівельній та інших галузях. Рівень техніки Аеросуспензіями прийнято називати аерозолі, які утворюються при механічному подрібненні твердих тіл: дробленні, стиранні, вибухах. До них відносять і дим, що утворюється при горінні. Вони являють собою дисперсні системи, що складаються з дрібних твердих частинок, завислих -9 в газовому середовищі. Дисперсність аеросуспензій може наближатися до 10 м. Крім дисперсності вони характеризуються концентрацією (вагова концентрація - кількість дисперсної фази в одиниці об'єму; частинкова концентрація - число частинок в одиниці об'єму). Утворення аеросуспензій не є прерогативою діяльності людини. У природі постійно відбуваються процеси, внаслідок яких утворюються суспензії, починаючи з пилових бур і закінчуючи пилком, спорами рослин і найпростішими живими організмами, що розносяться вітром. Звільнення повітря від завислих частинок необхідно з огляду на вибухонебезпечність тих чи інших її інгредієнтів (борошняний, вугільний і інші види пилу), забруднення продукції виробництв, негативного впливу на організм людини. Широке застосування при сухому газоочищенні отримали методи, що базуються на фільтрації аеросуспензій крізь пористі фільтри. Одним з недоліків такого роду фільтрів є мінливість їх робочих параметрів. Відзначається, що «… поки фільтр частково не забитий пилом, він мало ефективний по відношенню до дрібних частинок» (Краткая химическая знциклопедия, М., 1961, т. 1, С.743-746). Поширеним апаратом для сухого газоочищення є циклон (там же, мал. 1), здатний виводити -6 з газового потоку частинки розміром від 510 м і більше. При цьому досягається вилучення від 30 до 86 % таких частинок за рахунок збільшення коефіцієнта гідравлічного опору з 60 до 180 (таблиця 1). Набули застосування і батарейні циклони (мал. 2, таблиця 2). У зарубіжній практиці для уловлювання сухого пилу знайшли застосування ротоклони. їхня дія базується на використанні відцентрової сили, що розвивається при обертанні спеціального ротора всередині корпусу, в який подають аеросуспензію. Частинки пилу дією відцентрової сили відкидаються до стінок корпусу і виводяться назовні, а очищений газ проходить за призначенням. Недоліком ротоклонів є те, що очищений газ виносить з собою і частинки, що не осіли на стінки корпусу, тобто за ефективністю відомі ротоклони можна порівняти з циклонами. У патенті RU 2 293761 автора Рожкова І. С. (RU) у п. 1 формули зазначено, що «вздовж зовнішнього периметра кругового кільця на невеликому відаленні від краю знизу кріплять циліндричну сітку». Кругове кільце приводиться в обертання електродвигуном. В описі зазначено, що при вибраних параметрах двигуна, сітки та швидкостей потоку пари краплі -6 продукту діаметром більш ніж 6,2-10 метра не зможуть пройти в порожнину рухомої сітки, а для рівного діаметра - шанс проскочити сітку не перевищує 0,6 % (прототип). Сухе розділення аеросуспензій описано в SU 919714 А (Є. В. Карпов та ін.) і SU 1755892 А1 (Самарскій районний центр НТТ молодьожі «Сінтез»). У першому з них запропоновано видалення дрібної фракції пилу з поверхні, що фільтрує періодичним впливом на неї найбільшою фракцією. У другому запропоновано видаляти пил з поверхні фільтруючого полотна барабана (ротора) за допомогою шнекового скребка і струшування, що діють періодично. У зазначеному прототипі описані ротор особливої конструкції, корпус, фільтрація крізь комірки обертової сітки і використання відцентрової сили. Однак він застосований для розділення аероемульсій. Аналоги застосовані для розділення аеросуспензій, підвищують продуктивність пристроїв, але виключають можливість зменшення розміру уловлюваних частинок пилу. В цілому можна констатувати, що наявний рівень способів і пристроїв сухого газоочищення -9 -6 не включає в себе діапазон розмірів частинок від 10 до 10 метра, характеризується високим значенням гідравлічного опору і порівняно невеликою продуктивністю. Машину для стиснення і подання повітря під тиском називають компресором. Відомі поршневі, відцентрові та доцентрові компресори. За напрямком руху газу в двох останніх видах розрізняють осьові (газ переміщують паралельно осі обертання), радіальні (газ переміщують у напрямку, перпендикулярному осі) і радіально-осьові доцентрові компресори. В останньому випадку газ дією лопатей компресора нагнітається в приосьову зону, з якої переміщується паралельно осі обертання. Розкриття винаходу 1 UA 100185 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Технічним результатом даної групи винаходів є підвищення ефективності способів і машин для сухого розділення аеросуспензій на очищений газ і пил, зсув межі дисперсності уловлюваного пилу з мікро- на нанорозмір, зниження енерговитрат. 1. Досягнення зазначеного технічного результату забезпечується фільтрацією крізь сітку, що рухається, з використанням дії відцентрових, доцентрових сил, сил тяжіння та інертності пилу, відмінності умов конденсації компонентів аеросуспензіі. При цьому потік аеросуспензіі спрямовують паралельно осі обертання ротора зверху вниз. Очищений газ стискають у приосьовій порожнині ротора і виводять за призначенням. У просторі біля сітки створюють розрідження газу. 2. Машиною, що здійснює виконання зазначених дій, є ротоклон з сіткою. Він включає в себе круглий циліндричний корпус, ротор, порожнини розподілу і розділення аеросуспензіі, порожнину відведення пилу, патрубки подання аеросуспензіі, відведення очищеного газу, пилу і двигун з подовженим валом, введеним в порожнину розділення аеросуспензіі, де на ньому кріплять дно ротора у формі диска та його кришку у формі кругового кільця. Порожнини розподілу, розділення та відведення сполучають кільцевими щілинами. При цьому обичайку ротора виконують сітчастою, між дном і кришкою ротора закріплюють лопаті радіально-осьового доцентрового компресора, в порожнині розділення пил видаляють скребками, переміщуваними ободом. Стислі пояснення таблиці та графічних матеріалів В таблиці представлені значення величин: середньої квадратичної швидкості молекул (Q), середньої довжини вільного пробігу (1); числа зіткнень молекули в одиницю часу (v); та розміру газових молекул (), знайденого з коефіцієнта в'язкості. У ній відтворені дані, наведені в таблиці 2-54 першого тому «Краткого физико-технического справочника» під загальною редакцією К. П. Яковлєва (Госиздат, М„ 1960, с.331). Необхідність таблиці обумовлена розбіжністю даних у різних джерелах (порівняй з таблицею Дж. Кей і Т. Лебі «Таблицы физических и химических постоянных», Госиздат, 1962, С. 45), що може утруднити сприйняття прикладів. Фігура (Фіг. 1) представляє осьової розріз ротоклона з сіткою. Крім загальноприйнятих цифрових позначень застосовано показ напрямків руху аеросуспензіі та її компонентів стрілками. Стрілки: а) з округлим оперенням вказують напрямок руху аеросуспензіі; б) без оперення - напрямок руху очищеного газу, в) з квадратним оперенням - напрямок руху пилу. Здійснення групи винаходів 1. При хаотичному русі нормальну швидкість (перпендикулярну осі обертання) має лише деяка частина частинок і молекул. Спрямувавши аеросуспензію нормально до осі обертання ротора, будемо мати вірогідність проходження сітки частинкою обраного розміру, що дорівнює W п. При паралельному русі аеросуспензіі вірогідність її проходження дорівнює W p. Очевидно, що W p є меншою за W п, що підтверджує істотність відповідної відмітної ознаки п.1 формули групи винаходів. Значущим є і момент спрямування потоку аеросуспензіі зверху вниз. Пройшовши всередину порожниниротора або будучи відображеною сіткою, частинка за інерцією в порожнині ротора збереже тенденцію руху до його дна, як і поза ротором - до низу порожнини. В результаті збільшується її шлях і відповідно вірогідність агрегатування. Розрідження газу в просторі біля сітки дозволяє реалізуватися потенції газу до розширення. Стиснення газу в приосьовій порожнині ротора, яке в певній частині формує цю потенцію, забезпечує виведення очищеного газу з порожнини ротора. 2. На фігурі (Фіг. 1) представлений осьової розріз ротоклона, що включає корпус 1 у формі круглого циліндра. Порожнина корпусу розділена на кільцеву порожнину 2 розподілу аеросуспензіі, порожнину 3 розділення аеросуспензіі, порожнину 4 відведення пилу і двигун 5 з подовжувачем вала 6. Кільцева порожнина розподілу аеросуспензіі утворена внутрішньою поверхнею стінки корпусу, його кришкою 7, кришкою 8 порожнини розділення та поверхнею врізаного в кришку 8 патрубка 9 з фланцем відведення очищеного газу. В кришку порожнини врізано патрубок 10 з фланцем для подання аеросуспензіі. Порожнина розділення аеросуспензіі утворена стінками корпусу, кришкою порожнини розділення і дном 11. Кришка цієї порожнини та її дно утворюють вздовж своїх периметрів зі стінкою корпусу кільцеві щілини. Кільцева щілина 12 кришки порожнини забезпечує рівномірне по її довжині надходження аеросуспензіі з порожнини розподілу в порожнину розділення. Кільцева щілина 13 дна порожнини забезпечує проходження пилу, що осідає на стінках порожнини при розділенні аеросуспензіі, в порожнину її відведення. Подовжувач валу за допомогою підшипника 14 зчленовано з патрубком відведення очищеного газу і за допомогою підшипника 15 - з дном порожнини розділення. В порожнині 2 UA 100185 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 розділення на подовжувачі валу двигуна закріплюють дно 16 у формі диска і кришку 17 ротора у формі кругового кільця. Між ними кріплять лопаті 18 радіально-осьового доцентрового компресора. Як обичайки ротора застосовують дрібнокоміркову сітку 19. Видалення пилу зі стінок порожнини розділення ведуть скребком обода 20, розміщеного в пазу верху порожнини розділення. Обід переміщують в пазу черв'ячною парою, що приводиться в дію через проріз в корпусі електродвигуном, закріпленим поза порожнини. Видалення пилу з порожнини відведення ведуть через патрубок з фланцем 21. 3. На процес розділення аеросуспензій впливають параметри, що характеризують і сітку, і аеросуспензію. Одним з таких параметрів для сітки є лінійна швидкість її руху, яку визначають з формули: (1), Vs=2Rn де Vs - лінійна швидкість сітки (м/сек);  - постійна; R - віддаленість сітки від осі обертання (м); n- число обертів сітки за одиницю часу (об/сек). Значущим параметром є розмір комірки сітки в напрямку обертання. Позначимо його  . Крім розміру комірки сітки для оцінки її ефективності нам знадобиться знання товщини (діаметра) дроту сітки, яку позначимо d. Потік аеросуспензіі, що направляється в простір між сіткою та стінкою корпусу, складається з частинок двоякого роду. Перш за все, це молекули газу і твердих частинок, що випарилися. Розміри молекул дуже малі. Наприклад, діаметр молекули азоту -10 оцінюється в 3,53,7 Å. (1 Å = 10 м), що дозволяє вважати розмір цієї групи частинок повітря -9 меншим, ніж 10 метра. І молекули газу, і частинки пилу перебувають у постійному русі. Різниця в характері їхнього руху обумовлена, перш за все, відмінностями їхніх мас. Чим більше маса, тим менша середня швидкість руху частинок такої маси. Швидкості молекул залежать від температури і підпорядковуються максвеллівському розподілу молекул за швидкостями. Наприклад, за нормальних умов (0 °C і 760 мм рт. ст.) молекула вуглекислого газу має середню квадратичну швидкість, що дорівнює 390 м/сек. Молекула водню, в тих самих умовах - 1840 м/сек. -6 Порошинка розміром 110 м має масу, що у багато разів перевищує масу молекули водню, і тому її швидкість відповідно менше швидкості молекул будь-якого з газів, якщо вважати її такою, що підпорядковується розподілу швидкостей Максвелла. Для такої частинки при густині 3 -3 1000 кг/м і нормальних умовах середня квадратична швидкість дорівнює 5-10 м/сек. Така частинка переміщається зі швидкістю потоку газу. Другий момент, що розрізняє характер руху частинок пилу і молекул, полягає в тому, що молекули співударяються пружно, тоді як нейтральні або різноіменно заряджені частинки пилу при зіткненнях агрегатують у більші. Відкидаючи частинки пилу дією ротора до стінок корпусу ротоклона, підвищують концентрацію їх біля стінок. Цим сприяють збільшенню ймовірності зіткнення, тобто зростання швидкості осадження. При цьому, в усталеному режимі концентрація пилу в просторі, що примикає до сітки, зменшується, проте хаотичний рух молекул постійно вводить в нього частинки, що не встигли укрупнитися. З цієї причини відбір газу безпосередньо з простору біля ротора є недостатньо ефективним. Його можна порівняти з ефективністю циклону, в якому реалізують аналогічний «відбір». При відбиранні газу з порожнини ротора йому необхідно пройти крізь сітку, що рухається. Величина нормальної складової швидкості частинок і молекул суспензії (Vp) повинна бути такою, щоб частинка або молекула за час t зміни комірки встигла пройти шлях, рівний половині товщини дроту сітки, тобто 0,5 d. У припущенні, що дріт круглий, якщо вона подолає цю відстань, то буде відкинута всередину порожнини ротора, якщо ні, то буде відкинута до стінки корпусу. Отже: t=0,5 d/Vp (2). Але t дорівнює і частці від ділення розміру комірки сітки  на її лінійну швидкість Vs, з чого, з урахуванням рівняння (1), випливає, що: (3) t   / 2Rn Ідентичність лівих частин рівнянь (2) та (3) дозволяє записати, що: 0,5d / Vp   / 2Rn , звідки: Vp  Rdn /  де Vp - швидкість частинки (м/сек);  - постійне число, рівне 3,14 …; (4), 3 UA 100185 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 R - радіус сітки ротора (м); D - діаметр дроту сітки (м); n - число обертів ротора в одиницю часу (об/сек);  - розмір комірки сітки (м). Таким чином, для всіх компонентів аеросуспензіі критичною є нормальна складова їхньої швидкості. Якщо ця швидкість менше тієї, що випливає з рівняння (4), то частинка не зможе подолати сітку при як завгодно малому її розмірі. Оскільки в правій частині рівняння всі величини характеризують параметри ротора, то можливість через їх значення оцінювати достатню для подолання сітки швидкість частинок представляється значущою. Більш того, вважаючи статистично рівномірним розподіл частинок у просторі перед коміркою сітки з урахуванням їхніх розмірів, можна оцінювати у відсотках їх частку, що пройшла крізь сітку. І, нарешті, розподіл Максвелла включає в себе широкий спектр значень швидкостей. Та частина спектра, швидкості якої не досягають значень, які визначаються рівнянням (4), буде затримана. При цьому має значення і напрямок введення аеросуспензіі в простір між стінкою корпусу та сіткою ротора пристрою. Очевидно перевага її введення в осьовому напрямку. Результатом її контакту із сіткою ротора є набуття швидкості, спрямованої по дотичній до траєкторії місця контакту. Дією потоку газу результуюча швидкість буде спрямована під гострим кутом до твірної циліндра корпусу, тобто шлях частинки є більшим, ніж віддаленість точки контакту від стінки корпусу, завдяки чому зростає вірогідність агрегатування. Середня швидкість молекул перевищує швидкість сітки. Вони або отримують імпульс у тому ж напрямку, що і частинки, або проходять у порожнину ротора. Обидва ці процеси зменшують концентрацію молекул у просторі біля сітки, чим збільшують довжину їх вільного пробігу. Приклади оцінки ефективності ротоклона 4. Приймемо, що ротоклон застосовано для очищення газу цементного виробництва з 3 2 об'ємом аеросуспензіі 10 м /сек. При радіусі сітки 0,5 м і висоті 0,3 м її площа складе 0,94 м , а швидкість потоку аеросуспензіі повинна бути близько 10,6 м/сек. Швидкість пилу приблизно дорівнює швидкості потоку аеросуспензіі. Для приведення ротора в рух виберемо синхронний двигун з числом обертів 3000 об/хв, -4 -3 тобто n = 50 об/сек, діаметр дроту сітки d=510 м, а  = 210 м. Підставивши в рівняння (4), маємо Vp=19,6 м/сек. Очевидно, що жодна з частинок, що мають швидкість 10,6 м/сек, в порожнину ротора проникнути не зможе. Зрозуміло, цей висновок не є безумовним з ряду причин. По-перше, швидкість 10,6 м/сек знайдено без урахування наявності сітки, яка скорочує площу і потребуватиме або збільшення швидкості потоку, або зменшення продуктивності пристрою, або збільшення висоти сітки та ін. Ці «або» легко врахувати більш детальними розрахунками. 5. Є моменти, які повинні відпрацьовуватися дослідним шляхом. Наприклад, кожна 8 молекула азоту, кисню і вуглекислого газу за нормальних умов зазнає приблизно 510 зіткнень за секунду. Ніщо не заважає такій молекулі, враховуючи спрямованість потоку аеросуспензіі та його розрідженість в навколосітковому просторі, «втащити» частинку розміром 10 Å в комірку сітки. Хаотичність характеру руху молекул зумовлює рівновірогідність наявності швидкостей по всіх можливих напрямках, в тому числі і нормальному. Вірогідність реалізації такого роду явищ може бути оцінена за ваговою концентрацією частинок в аеросуспензіі та очищеному газі. -5 З рівняння (3) можна знайти час (t) періоду зміни комірок сітки, t=1,310 сек або частоті 5 0,810 . Ця частота є порівнянною з частотою зіткнень молекул. її можна змінювати, змінюючи параметри сітки, як і частоту зіткнень молекул, зміною температури і ступеня розрідження. Вплив цих змін на продуктивність ротоклона, його селективність є суттєвим. Проведений розгляд показує, що ротоклон з сіткою не може гарантувати повного виключення проходження наночастинок. Однак дозволяє вважати, що значна їх частина при достатньому експериментальному опрацюванні може бути затримана. У місцях масового скупчення людей (видовищні, лікувальні, навчальні заклади, метрополітен, інші транспортні засоби), може бути рекомендоване очищення повітря 3 ротоклоном. Наприклад, при продуктивності 10 м /сек і потребі людини 1 літр/сек, розглянутий у четвертому прикладі ротоклон може забезпечити 10 тисяч людей очищеним повітрям. 55 4 UA 100185 C2 Таблиця Молекула газу Азот Аргон Водень Гелій Кисень Оксид вуглецю Вуглекислота V, м/сек 490 410 1840 1310 460 490 390 l, м -10 9,410 -10 10,110 -10 17,810 -10 28,110 -10 10,210 -10 9,410 -10 6,110 -1 v, сек 8 5,010 8 4,010 8 10,010 8 4,310 8 4,410 8 4,710 8 6,010  -10 3,710 -10 3,510 -10 2,610 -10 2,310 -10 3,610 -10 3,710 -10 4,410 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 1. Спосіб розділення аеросуспензії з використанням ротора під дією відцентрових, доцентрових сил, сил тяжіння та інертності пилу, який відрізняється тим, що потік аеросуспензії спрямовують паралельно осі обертання ротора зверху донизу, здійснюють фільтрацію потоку крізь сітку, що рухається, - обичайку ротора, при цьому очищений газ стискають в приосьовій порожнині ротора і виводять за призначенням, а у просторі біля сітки створюють розрідження газу. 2. Ротоклон, що включає круглий циліндричний корпус, ротор, порожнини розподілу і розділення аеросуспензії, порожнину відведення пилу, патрубки подачі аеросуспензії, відведення очищеного газу та пилу, двигун, що має видовжений вал, введений в порожнину розділення аеросуспензії, де на ньому укріплено ротор, який відрізняється тим, що ротор має обичайку, виконану сітчастою, між його дном у вигляді диска та кришкою у вигляді кругового кільця закріплені лопаті радіально-осьового доцентрового компресора, при цьому у порожнині розділення установлено обід зі скребками для видалення пилу. 5 UA 100185 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело 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 6