способ струйного измельчения материалов

Формула изобретения

СПОСОБ СТРУЙНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ, включающий смешивание воздушного потока с частицами измельчаемого материала в виде газоматериальной смеси, предварительное ее охлаждение с последующим ускорением в разгонной трубе потоком энергоносителя путем расширения в соплах Лаваля и выпуск отработанного воздуха в атмосферу после дробления и сбора измельченного материала, отличающийся тем, что из отработанного воздуха утилизируют холод, возвращают его в смеситель во время предварительного охлаждения газоматериальной смеси, которую направляют по спирали с нарастанием скорости, причем наклон спирали изменяют по ходу ее вращения от кругового направления вокруг ее продольной оси до параллельного ее продольной оси направления перед входом смеси в разгонную трубу, а отработанный воздух после сбора измельченного материала повторно направляют на стадию смешивания газоматериальной смеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству композиционных материалов, в частности к технологии производства порошков, конкретно к технике струйного измельчения, и может быть использовано в химической и других отраслях промышленности для получения порошковых материалов.

Анализ технического уровня способов струйного измельчения материалов [1, 2] показывает, что одним из основных направлений повышения производительности струйных мельниц является повышение степени охрупчивания измельчаемого материала путем его предварительного охлаждения перед дроблением.

Известен способ, включающий смешивание воздушного потока с частицами измельчаемого материала в виде газоматериальной смеси, предварительное ее охлаждение сжиженным воздухом или азотом, поступающим из сосуда, соединенным со смесителем посредством трубопровода с регулирующим вентилем, с последующим ускорением смеси в разгонной трубе потоком энергоносителя путем расширения его в соплах Лаваля и выпуск отработанного воздуха или смеси его с азотом в атмосферу после дробления и сбора измельченного материала (аналог) [3]

Недостатком этого способа являются дополнительные существенные затраты на обеспечение процесса предварительного охлаждения измельчаемого материала сжиженным воздухом или азотом, который после передачи холода газоматериальной смеси уносится в атмосферу после дробления и сбора измельченного материала, при этом полностью теряется остаточный холод в отработанном потоке воздуха или его смеси.

Наиболее близким по технической сущности способом струйного измельчения материалов является способ струйного измельчения металлических порошков, включающий разделение сжатого потока энергоносителя в вихревой трубе Ранка на холодный и горячий потоки, использование холодного потока для смешивания с частицами измельчаемого материала в виде газоматериальной смеси и предварительного ее охлаждения с последующим ускорением смеси в разгонной трубе горячим потоком путем его расширения в соплах Лаваля, при этом горячий поток охлаждается, и выпуск отработанных потоков в атмосферу после дробления и сбора измельченного материала (прототип) [4]

Недостатком указанного способа является то, что отработанные потоки с остаточным холодом уносятся в атмосферу после дробления и сбора измельченного материала, а кроме того, разделение сжатого потока энергоносителя на холодный и горячий потоки требует определенных энергозатрат, что выражается в падении давления в разделенных потоках примерно на половину, чем в исходном потоке энергоносителя. К тому же в газоматериальную смесь при расширении горячего потока в соплах Лаваля поступает меньше холода, чем при расширении энергоносителя при температуре до его расширения, что снижает степень охрупчивания материала, а следовательно, и производительность дробления.

В основу изобретения поставлена техническая задача усовершенствования струйного измельчения материалов путем утилизации холода из отработанного в разгонной трубе энергоносителя вместе с охлажденной в нем газоматериальной смесью и создания условий для эффективного его использования во время предварительного охлаждения измельченного материала, что приводит к повышению производительности струйного измельчения без дополнительных энергозатрат.

Указанная техническая задача достигается тем, что в предлагаемом способе струйного измельчения материалов, включающим смешивание воздушного потока с частицами измельченного материала в виде газоматериальной смеси, предварительное ее охлаждение с последующим ускорением в разгонной трубе потоком энергоносителя путем расширения в соплах Лаваля и выпуск отработанного воздуха в атмосферу после дробления и сбора измельченного материала, из отработанного воздуха утилизируют холод, возвращая его во время предварительного охлаждения газоматериальной смеси, которую направляют по спирали с нарастанием скорости, причем наклон спирали изменяют по ходу ее движения от кругового направления вокруг ее продольной оси до параллельного ее продольной оси направления перед входом смеси в разгонную трубу, а отработанный воздух после сброса измельченного материала повторно направляют на стадию смешивания газоматериальной смеси.

Повторное использование отработанного воздуха для приготовления газоматериальной смеси, помимо экономии энергозатрат на сжатие и подачу воздуха в смеситель, позволяет частично понизить температуру измельчаемого материала, уже на стадии смешивания его с отработанным воздухом за счет его остаточного холода.

Дополнительно понизить температуру измельчаемого материала на стадии предварительного охлаждения газоматериальной смеси также без дополнительных затрат позволяет возвращение утилизированного холода, который образуется в результате расширения энергоносителя в соплах Лаваля. Направление газоматериальной смеси по спирали увеличивает ее путь вдоль поверхности возврата холода, увеличивая время контакта смеси с этой поверхностью, что создает условия для эффективного использования утилизированного холода, в результате чего температура измельчаемого материала опускается ниже, увеличивая степень охрупчивания материала, а следовательно, требуется меньше энергозатрат для его дробления.

Ускорение газоматериальной смеси на стадии предварительного охлаждения с одновременным переходом ее спирального движения от кругового направления к осевому позволяет также снизить энергозатраты как за счет уменьшения потока энергоносителя, подаваемого в сопло Лаваля, так и за счет снижения аэродинамического сопротивления потока при входе в разгонную трубу.

Следовательно, применение предлагаемого способа струйного измельчения материалов в совокупности признаков, изложенных в формуле изобретения позволяет понизить температуру измельчаемого материала перед дроблением, а соответственно повысить степень его охрупчивания, что снижает энергозатраты при дроблении и повышает его производительность.

Предлагаемый способ поясняется чертежом.

В состав оборудования для реализации способа последовательно включены бункер 1 исходного материала, смеситель 2, сопло Лаваля 3, соединенное с источником энергоносителя 4, разгонная труба 5, камера 6 дробления, классификатор 7, пылеосадочное устройство 8 и вытяжной вентилятор 9, выход которого помимо выброса отработанного воздуха в атмосферу соединен трубой 10 для возврата отработанного воздуха со смесителем 2. На поверхности смесителя 2 расположен испаритель 11 утилизатора холода, на поверхности разгонной трубы 5 и камеры 6 дробления расположен его конденсатор 12, которые соединены между собой трубой 13 для подачи конденсированного хладоагента при помощи насоса 14 и трубой 15 для возврата паров хладоагента в конденсатор 12. Кроме того, классификатор 7 соединен со смесителем 2 трубой 16 для возврата недоизмельченного материала.

Способ струйного измельчения материалов заключается в следующем.

Перед подачей исходного материала в смеситель 2 предварительно охлаждают его поверхность, пропуская только один воздушный поток. От источника энергоносителя 4 подают к соплу Лаваля 3 поток сжатого воздуха, где он, расширяясь, охлаждается. Выделяемый при этом холод понижает температуру стенок разгонной трубы 5 и камеры дробления 6, конденсируя хладоагент в конденсаторе 12 утилизатора холода. Насосом 14 возвращают холод в виде конденсата в испаритель 11, где он испаряясь, охлаждает стенки смесителя 2 без дополнительных энергозатрат. Оставшаяся часть холода в отработанном воздухе рассеивается частично в классификаторе 7, пылеосадочном устройстве 8 и вентиляторе 9, которые для уменьшения рассеивания холода теплоизолированы, остальная часть холода выбрасывается в атмосферу, кроме некоторой ее части, повторно направленной с отработанным воздухом по трубе возврата 10 в смеситель 2 в виде остаточного холода.

Из бункера 1 в смеситель 2 после охлаждения его поверхности подают исходный материал в виде частиц или гранул и недоизмельченный материал, отсеянный классификатором 7. Смешиваясь с отработанным воздухом в газоматериальную смесь, частицы исходного материала немного охлаждаются за счет остаточного холода отработанного воздуха и недоизмельченного материала без дополнительных энергозатрат. Полученную газоматериальную смесь направляют в смеситель 2 по спирали, чтобы она, перемещаясь вдоль поверхности возврата холода, вначале по круговому направлению, максимально охладилась на стадии предварительного охлаждения смеси за счет утилизированного холода, в результате чего повышается степень охрупчивания измельчаемого материала без дополнительных энергозатрат. А затем по мере приближения к разгонной трубе 5, наклон спирали изменяют от кругового направления до осевого, чтобы снизить аэродинамическое сопротивление потока за счет снижения его завихрения при входе в разгонную трубу 5, что также снижает энергозатраты. Одновременно с этим газоматериальную смесь разгоняют, увеличивая ее скорость, еще на стадии предварительного охлаждения измельчаемого материала, что уменьшает затраты энергоносителя в соплах Лаваля 3 на последующее ускорение смеси в разгонной трубе 5.

Продолжая подавать сжатый воздух из источника энергоносителя 4 к соплу Лаваля 3, предварительно охлажденную смесь ускоряют отработанным в сопле Лаваля 3 потоком сжатого воздуха, постоянно подаваемым от источника энергоносителя 4. При этом газоматериальная смесь интенсивно охлаждается и разгоняется до скорости, при которой ее дробят в камере 6. Измельченный материал вместе с отработанным холодным воздухом направляют в классификатор 7, где измельченный материал сепарируется по фракциям: измельченные частицы выносятся в пылеосадочное устройство 8, где их собирают, а недоизмельченные частицы возвращают по трубе 16 в смеситель 2. Отработанный воздух выбрасывают в атмосферу вытяжным вентилятором 9, а часть его повторно направляют по трубе 10 в смеситель.

Таким образом, повторное использование отработанного воздуха для смешивания частиц измельчаемого материала с небольшим понижением их температуры и предварительного разгона полученной газоматериальной смеси на стадии ее предварительного охлаждения исключает энергозатраты на эти операции, а утилизация холода из отработанного в соплах Лаваля энергоносителя позволяет выполнить предварительное охлаждение измельчаемого материала также без дополнительных энергозатрат. При этом конечная температура измельчаемого материала перед дроблением с учетом его охлаждения в разгонной трубе потоком сжатого воздуха путем расширения в соплах Лаваля снижается, что повышает степень охрупчивания измельчаемого материала и, следовательно, понижает энергозатраты на его дробление. Все это повышает производительность процесса измельчения материалов при снижении энергозатрат.

П р и м е р. В струйной мельнице с составом оборудования, приведенного на чертеже, производят измельчение полимерного материала с диаметром гранул 2-5 мм до частиц размером от 0,3 до 0,06 мм. Сжатый до давления 12 МПа воздух подают в сопло Лаваля, где он, расширяясь, охлаждается, при этом температура его на выходе из камеры дробления составляет 34^оС, а давление отработанного воздуха падает до атмосферного. Исходный материал при температуре 18^оС подают в смеситель, куда повторно направляют отработанный в мельнице воздух с температурой 5^оС на входе в смеситель и недоизмельченный материал из классификатора. После перемешивания температура воздуха в газоматериальной смеси устанавливается 8^оС. Далее смесь направляют в смеситель по спирали вдоль поверхности возврата холода, в результате предварительного охлаждения температура воздуха в ней на выходе смесителя опускается до 2^оС.

Одновременно производят измельчение этого же полимерного материала по прототипу. Расход сжатого воздуха в обоих случаях составляет 106 м³/ч.

Результаты измельчения приведены в таблице.

Из анализа результатов приведенных в таблице данных можно заключить, что предлагаемый способ по сравнению с известным увеличивает производительность на 41% и снижает приведенные затраты на 1 кг измельченного полимерного материала на 24%