способ вихревого измельчения материалов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ вихревого измельчения материалов, заключающийся в том, что газовые струи подают под углом к радиусу зоны измельчения, образованной боковой и торцевыми стенками, со скоростью, достаточной для образования вихря, затем подают измельчаемые частицы и выводят полученную пылегазовую смесь через отверстия в боковой и торцевых стенках, отличающийся тем, что объем полученной пылегазовой смеси, удаляемой через торцевые стенки, составляет 0,2 - 0,9, а через боковую стенку составляет не более 0,6 от общего выводимого объема пылегазовой смеси.

2. Устройство для вихревого измельчения материалов, содержащее боковую и торцевые стенки, образующие зону измельчения, на которых выполнены отверстия для ввода газа и вывода полученной пылегазовой смеси, отличающееся тем, что имеет по меньшей мере по два отверстия для вывода пылегазовой смеси, расположенные на боковой и торцевых стенках.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что отверстия для вывода пылегазовой смеси выполнены в виде щелей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам, а именно к способу вихревого измельчения материалов, и может быть использовано в различных отраслях промышленности: химической, строительной, цементной, пищевой, медицинской и других для получения дисперсных материалов, суспензий, аэрозолей, с тонким и сверхтонким помолом.

Известен способ вихревого измельчения материалов, включающий ввод газовых струй под углом к радиусу зоны измельчения, ограниченную боковой и торцовыми стенками. Вводимые газовые струи образуют вихрь с высокой скоростью вращения, в который вводят измельчаемый материал. После измельчения и вывода пылегазовой смеси производят классификацию частиц. Крупные частицы возвращают на домол.

Данный способ измельчения, совмещенный с классификацией и возвратом на домол крупных частиц, удобен для пользователя.

Однако такой способ не позволяет измельчать вязкие твердые материалы, для измельчения которых требуются высокие скорости вращения. В описанном способе при подаче газовых струй в зону измельчения через входное отверстие происходит расширение струи и падение скорости в ее ядре, поэтому скорость вихря в зоне измельчения всегда меньше входной скорости.

Известно устройство для измельчения материалов [1] в котором зона измельчения материалов образована боковой и двумя торцовыми стенками. На боковой стенке устройства имеется отверстие для подачи газовых струй под углом к радиусу зоны измельчения. На верхней торцовой стенке имеется отверстие для подачи в зону измельчения частиц, а также центральное отверстие для вывода измельченной пылегазовой смеси.

Известен также способ вихревого измельчения материала [2] при котором воздействуют на измельчаемый материал в замкнутом пространстве вихревым потоком, образованным приводимыми во взаимодействие турбулентными газовыми струями, подаваемыми из плоских или осесимметричных сопл. Образованную пылегазовую смесь выводят через стенки замкнутого пространства. Для заданной скорости вихревого потока доводят отношение масштаба турбулентности приводимых во взаимодействие газовых струй по меньшей мере к одному из поперечных размеров сопла до величины менее 0,1 и интенсивность турбулентности до величины менее 5% путем физического воздействия на пограничных слой в сопле.

Данный способ позволяет уменьшить пограничный слой вихревого потока и увеличить скорость ядра потока за счет снижения турбулентности в пограничном слое. Однако снижение турбулентности в пограничном слое происходит на относительно небольшом участке длины потока, а далее развивающаяся турбулентность разбивает поток и уменьшает его скорость. Такой способ не позволяет поэтому производить тонкий и сверхтонкий помол материалов повышенной твердости. Также такой способ не позволяет проводить точную классификацию измельчаемого материала, так как утолщение пограничного слоя приводит к большему перемешиванию частиц, в него в большем количестве попадают частицы больших размеров, которые в дальнейшем должны быть опять направлены на домол.

Известный способ осуществляется с помощью устройства для вихревого измельчения материала [2] которое содержит зону измельчения, образованную боковой стенкой и торцовыми стенками, которые охвачены полым пыленепроницаемым кожухом для изоляции зоны измельчения от окружающей среды. На верхней торцовой стенке закреплен пылепровод системы загрузки, а также имеется центральное отверстие отвода пылегазовой смеси. Боковая стенка снабжена двумя соплами для формирования газовых струй и патрубками для вывода пылегазовой смеси.

Данное устройство обладает теми же недостатками, что и вышеописанный способ.

В основу изобретения положена задача создания способа вихревого измельчения материала, который позволил так отводить пылегазовую смесь в процессе вихревого измельчения, чтобы обеспечивалось увеличение скорости в вихре в результате снижения статического давления.

Поставленная задача решается тем, что в способе вихревого измельчения материалов, заключающемся в том, что подают газовые струи под углом к радиусу зоны измельчения, образованной боковой и торцовыми стенками, со скоростью, достаточной для образования вихря, затем подают измельчаемые частицы и вводят полученную пылегазовую смесь через отверстия в боковой и торцовых стенках согласно изобретению. Объем полученной пылегазовой смеси, удаляемой через боковую и торцовые стенки, составляет от 0,2 до 0,9, при этом вывод пылегазовой смеси через боковую стенку составляет не более 0,6 от общего выводимого объема пылегазовой смеси.

Экспериментальные исследования закономерностей течения в зоне измельчения вихревого потока показали, что проблема классификации может быть решена при распределенном по боковой поверхности выводе пылегазовой смеси.

При таком выводе пылегазовой смеси внутри зоны измельчения уменьшается статическое давление, что приводит к увеличению скорости вращения. Увеличение скорости вращения вихря увеличивает и интенсивность столкновений частиц, при этом их кинетическая энергия достигает величин, достаточных для помола сверхтвердых материалов. Такой способ позволяет проводить помол материала за более короткий промежуток времени, а получаемый порошок имеет размер частиц менее одного микрона для сверхтвердых (алмаз, нитрид бора) и вязких (медь, свинец, титан) материалов.

Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью устройства для вихревого измельчения материала, которое содержит боковую и торцовые стенки, образующие зону измельчения, на которых выполнены отверстия для ввода газа и вывода полученной пылегазовой смеси, согласно изобретению имеет по меньшей мере по два отверстия для вывода пылегазовой смеси, расположенные боковой и торцовых стенках.

Такое устройство обеспечивает увеличение коэффициента измельчения без увеличения удельных затрат энергии, увеличение номенклатуры измельченных материалов, снижение интенсивности истирания стенок. Этот эффект объясняется тем, что при выводе пылегазовой смеси через стенки снижается трение потока о стенки по двум причинам: во-первых, скорость вблизи стенки приобретает некоторое значение не равное нулю; а во-вторых, уменьшается объем пограничного слоя, увеличивается ядро потока, в котором скорость нарастает от уровня входной по гиперболическому закону, т.е. обратно пропорционально радиусу.

В результате скорость вращения пылегазовой смеси в зоне измельчения увеличивалась в 1,6-1,8 раза по сравнению с входной, что позволяет измельчать полиэтилен, фторопласт, медь, титан, алмазы, нитрид бора.

Для повышения эффективности осуществления классификации частиц целесообразно отверстия для вывода пылегазовой смеси выполнить в виде щелей.

На фиг.1 изображено устройство, продольный разрез; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1.

Устройство реализующее предлагаемый способ содержит зону 1 измельчения, образованную боковой 2 и торцовыми 3 стенками, которые с внешней стороны обхвачены полым кожухом 4 для изоляции зоны измельчения от окружающей среды. На верхней торцовой стенке 3 расположено центральное отверстие 5 вывода пылегазовой смеси и закреплен пылепровод 6 системы загрузки. Боковая стенка 2 снабжена патрубком 7 (фиг.2) ввода газа и патрубками 8 вывода пылегазовой смеси. Торцовые стенки 3 снабжены патрубками 9 вывода пылегазовой смеси. Патрубки 8 и 9 вывода выполнены в виде щелей, большие боковые стороны которых расположены под углом к радиусу зоны измельчения, позволяют избежать случайного попадания частиц больших размеров в патрубки 8 и 9 вывода. Кожух 4 снабжен трубой 10 для отвода из устройства всей получаемой пылегазовой смеси.

Устройство для вихревого измельчения материала работает следующим образом.

Через патрубок 7 ввода газа подается сжатый воздух в зону 1 измельчения, туда же подается измельчаемый материал через пылепровод 6 системы загрузки, закрепленный на верхней торцовой стенке 3.

Подаваемые струи воздуха под углом к радиусу зоны 1 измельчения закручиваются и образуют вихрь со скоростью вращения выше входной. Твердые частицы вовлекаются в вихревое движение и взаимодействуют друг с другом и стенками 2 и 3. Измельченный материал удаляется из зоны 1 измельчения через отверстие 5, а заторможенная стенками 2 и 3 пылегазовая смесь удаляется через патрубки 8 и 9 в полый кожух 2, и далее через трубу 10 на разделение.

Рассмотрим результаты исследования процесса помола нитрида бора с исходными размерами частиц 1,0-1,4 мм в предлагаемом устройстве. Данное устройство снабжено щелевыми патрубками 8 и 9 вывода с суммарным отношением ширины щелей к диаметру зоны 1 измельчения во всех опытах одинаковых и равных 0,06. Высота щелей 8 и длина щели 9 равнялась высоте зоны 1 измельчения. Во всех опытах поддерживались постоянными: расход воздуха Q 3,5 м/мин, давление воздуха Р 0,32 МПа, исходная масса нитрида бора m 0,04 кг. Дисперсность полученного измельченного материала, составила d 1-5 мкм.

В проведенных опытах изучалась зависимость времени измельчения навески частиц до размеров 1-5 мкм в зависимости от объема воздуха, выводимого через боковую и торцовые стенки, а также выход заданного размера (в процентах) от ширины выходных щелей за один проход измельчаемого материала, через зону измельчения.

В табл. 1-4 в качестве измельчаемого материала использовался нитрид бора дисперсностью 1-5 мкм.

В табл.1 приведены данные по выходе заданного размера частиц (в процентах) при увеличении числа щелей на боковой стенке от одного до двенадцати при постоянном суммарном проходном сечении выхода.

Как видно из табл.1 с увеличением числа щелей повышается процент выхода частиц заданного размера.

В табл.2 приведены данные по выходу продукта при наличии щелей не только на боковой стенке, но и на торцовых, здесь выхода частиц заданного размера еще выше.

В табл.3 приведены результаты измерения нахождения частиц навески до их полного выноса в зависимости относительного объема воздуха, выводимого только через отверстия в боковой стенке (12 щелей).

Анализ результатов показывает, что целесообразно выводить через боковую стенку менее 0,6 от общего объема воздуха. В табл.4 приведены результаты при наличии по 4 щели на боковой и торцевых стенках (всего 12 щелей).

По данным результатам опыта, приведенным в табл.4, можно сделать вывод, что при наличии торцовых и боковых щелей целесообразно выводить 0,2-0,9 от общего объема воздуха.

Предлагаемый способ заключается в подаче газовой струи под углом к зоне измельчения, образованной боковой и торцовыми стенками, со скоростью, достаточной для образования вихря, затем подают измельчаемые частицы и вводят полученную пылегазовую смесь через отверстия в боковой и торцовых стенках, согласно изобретению объем полученной пылегазовой смеси, удаляемой через торцовые стенки, составляет от 0,2 до 0,9, а через боковую стенку 0,6 от общего выводимого объема пылегазовой смеси.

Таким образом указанные способ вихревого измельчения материала и устройство для его осуществления позволяют увеличить тонну помола для материалов, измельчаемых в устройстве измельчения прототипе в 1,5-2 раза и измельчать сверхтвердые и вязкие материалы до размера 1-5 мкм за 5-8 с за счет увеличения частоты ударов частиц друг о друга и о неподвижные стенки из-за отсоса газа с поверхностей стенок непосредственно из зоны торможения, одновременно уменьшить интенсивность истирания стенок в 2-3 раза и увеличить эффективность классификации в пределе до 98%