СПОСОБ МАГНИТНОЙ СЕПАРАЦИИ ЖИДКОСТНЫХ ИЛИ ПЫЛЕГАЗОВЫХ ПРОДУКТОВ И СЕПАРАТОР МАГНИТНЫЙ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MAGNETIC SEPARATION OF FLUID OR DUS-GAS PRODUCTS AND MAGNETIC SEPARATOR TO THIS END

Изобретение относится к области магнитной сепарации жидкостных или пылегазовых продуктов с мелкодисперсными слабомагнитными примесями и может быть использовано в керамической, теплоэнергетической, фармацевтической, горной, машиностроительной и других отраслях.
Известен способ магнитной сепарации жидкостных или пылегазовых продуктов [1], включающий пропускание сепарируемого продукта через размещенную в проточном кожухе фильтр-матрицу, выполненную из ферромагнитных гранул шаровидной формы, которая находится в магнитном поле магнитной системы, выполненной из постоянных магнитов, осаждение частиц магнитной фракции продукта на гранулах фильтр-матрицы, устранение действия магнитного поля на фильтр-матрицу путем отдаления загруженной осадком фильтр-матрицы от системы постоянных магнитов, разрушение структуры фильтр-матрицы и размыкание контактов между смежными гранулами действием на фильтр-матрицу механических сил, очистку фильтр-матрицы от осажденных в ее объеме частиц продукта путем промывания гранул фильтр-матрицы водой или продувкой сжатым воздухом.
Способ магнитной сепарации жидкостных или пылегазовых продуктов [1] реализован в сепараторе магнитном [1]. Сепаратор магнитный [1] включает цилиндрической формы корпус, внутри которого установлены соосно между собой и с корпусом магнитная система, выполненная из постоянных магнитов, и проточный кожух, частично заполненный фильтр-матрицей, выполненной из ферромагнитных гранул шаровидной формы, устройство для выведения и введения фильтр-матрицы из зоны действия магнитного поля магнитной системы и устройство для разрушения структуры фильтр-матрицы и контактов между гранулами фильтр-матрицы, закрепленные на корпусе входные и выходные патрубки. Проточный кожух выполняют цилиндрическим с перфорированными торцевыми поверхностями, а магнитную систему размещают внутри фильтр-матрицы.
Способ магнитной сепарации жидкостных или пылегазовых продуктов [1] включает рабочий режим и режим регенерации сепаратора магнитного.
В рабочем режиме сепарируемый продукт пропускают самотеком или под давлением через фильтр-матрицу. Продукт поступает в фильтр-матрицу через верхнюю торцевую поверхность проточного кожуха, проходит фильтр-матрицу и выходит из кожуха через его нижнюю торцевую поверхность. Под действием пондемоторных магнитных сил магнитовосприимчивые частицы продукта, движущегося через фильтр-матрицу, оседают преимущественно в зоне магнитного контакта смежных гранул шаровидной формы, где и аккумулируются в виде осадка, заполняя объем в зоне контакта гранул.
Режим регенерации фильтр-матрицы, следующий за рабочим режимом, начинается с устранения действия магнитного поля магнитной системы на гранулы фильтр-матрицы. Это достигается линейным перемещением в объеме корпуса сепаратора проточного кожуха вместе с размещенной в нем фильтр-матрицей вплоть до полного устранения действия магнитного поля на фильтр-матрицу. В дальнейшем, действуя на проточный кожух и соответственно на размещенную в нем фильтр-матрицу вибросилами или встряхиванием кожуха, его переворачиванием, пересыпкой гранул фильтр-матрицы в объеме кожуха, разрушают контакты между смежными гранулами, что приводит к очистке поверхности гранул от осевших на нее магнитовосприимчивых и других частиц осадка.
Выведение разрушенного осадка из объема фильтр-матрицы в дренаж осуществляют соответственно потоком воды или струей сжатого воздуха через перфорированные торцевые поверхности проточного кожуха.
Способу магнитной сепарации жидкостных или пылегазовых продуктов [1] и сепаратору магнитному [1] свойственен ряд существенных недостатков.
В этом способе для устранения действия магнитного поля магнитной системы на фильтр-матрицу необходимо использовать систему привода с механизмом линейного перемещения проточного кожуха относительно постоянных магнитов. Так как основным типом привода является привод электрическими двигателями с вращательным движением, то для линейного перемещения проточного кожуха между кожухом и приводным электрическим двигателем необходимо устанавливать сложный по конструкции механизм превращения вращательного движения в линейное. Учитывая действие на фильтр-матрицу не только силы тяжести, но и магнитных сил, мощность механизма линейного перемещения, как и мощность электрического двигателя, будут значительными. Реверсивный режим движения такого привода дополнительно осложняет как конструкцию механизма линейного перемещения, так и систему автоматического управления приводным электрическим двигателем. Необходимость иметь в корпусе сепаратора магнитного свободный объем для перемещения в этот объем проточного кожуха требует соответствующего увеличения объема корпуса, его габаритов и массы.
Кроме того, размещение магнитной системы в сепараторе магнитном [1] внутри фильтр-матрицы приводит к уменьшению величины магнитной индукции в фильтр-матрице в направлении отдаления от поверхности полюсов магнитов. Соответственно с уменьшением индукции уменьшается и величина магнитных осаждающих сил поля. Так как величина магнитной индукции на поверхности полюсов постоянных магнитов лимитируется условием максимального использования энергии магнитного поля магнитов, то при отдалении от поверхности магнитов средняя магнитная индукция в объеме фильтр-матрицы будет меньше, чем оптимальная индукция на поверхности магнитов Bd, которая отвечает максимальному использованию энергии магнитов Wd. Такая деконцентрация магнитного поля в объеме фильтр-матрицы, в которой происходит процесс магнитного осаждения примесей из сепарируемого продукта, является также недостатком способа магнитной сепарации жидкостных или пылегазовых продуктов [1] и сепаратора магнитного [1], которые принимаются в качестве прототипов предложенным способу и сепаратору.
В основу изобретения поставлена задача в способе магнитной сепарации жидкостных или пылегазовых продуктов и сепараторе магнитном путем выполнения проточного кожуха конусообразным с возможностью вращения и размещением этого проточного кожуха внутри магнитной системы постоянных магнитов достичь упрощения конструкции сепаратора магнитного, уменьшения его размеров, оптимизации его магнитной системы и повысить экономичность и эффективность способа магнитной сепарации жидкостных или пылегазовых продуктов.
Поставленная задача решается в способе магнитной сепарации жидкостных или пылегазовых продуктов, включающем пропускание сепарируемого продукта, через размещенную в части объема проточного кожуха фильтр-матрицу, выполненную из ферромагнитных гранул шаровидной формы, которая находится в магнитном поле магнитной системы, выполненной из постоянных магнитов, осаждение частиц магнитной фракции продукта на гранулах фильтр-матрицы, устранение действия магнитного поля на фильтр-матрицу путем отдаления загруженной осадком фильтр-матрицы от магнитной системы, разрушение структуры фильтр-матрицы и размыкание контактов между смежными гранулами действием на фильтр-матрицу механических сил, очистку фильтр-матрицы от осажденных в ее объеме частиц продукта путем промывания гранул фильтр-матрицы водой или продувкой сжатым воздухом, в котором согласно изобретению выведение фильтр-матрицы из зоны действия магнитного поля магнитной системы, разрушение структуры фильтр-матрицы и контактов между гранулами фильтр-матрицы, очистку их поверхности от осадка осуществляют за счет действия на гранулы центробежных сил, создающихся приведением во вращательное движение установленного вертикально конусообразной формы проточного кожуха, боковую поверхность которого выполняют под острым углом к вертикали.
Поставленная задача решается в способе магнитной сепарации, в котором промывание гранул фильтр-матрицы осуществляют потоком воды, протекающей под действием центробежных сил через перфорированную боковую поверхность проточного кожуха.
Поставленная задача решается в способе магнитной сепарации, в котором вращение проточного кожуха осуществляют с периодическим изменением скорости его вращения.
Поставленная задача решается в сепараторе магнитном, включающем цилиндрической формы корпус, внутри которого установлены соосно между собой и с корпусом магнитная система, выполненная из постоянных магнитов, и проточный кожух, частично заполненный фильтр-матрицей, выполненной из ферромагнитных гранул шаровидной формы, входные и выходные патрубки, в котором согласно изобретению проточный кожух выполняют конусообразной формы с наклоном под острым углом к вертикали его боковой поверхности и устанавливают кожух вертикально на ферромагнитную втулку приводного вала с возможностью вращения проточного кожуха с валом внутри кольцевых радиально намагниченных постоянных магнитов, которые закреплены на внутренней поверхности ферромагнитного кольцевого выступа цилиндрического корпуса с чередованием полярности постоянных магнитов в горизонтальной плоскости.
Поставленная задача решается в сепараторе магнитном, в котором размещенную над магнитной системой верхнюю часть боковой поверхности проточного кожуха выполняют перфорированной, а кольцевой выступ цилиндрического корпуса выполняют с вертикальными сквозными отверстиями для пропускания через эти отверстия воды, промывающей фильтр-матрицу.
Поставленная задача решается в сепараторе магнитном, в котором корпус сепаратора устанавливают на фундамент с наклоном его оси к вертикали под углом 5-20°.
Поставленная задача решается в сепараторе магнитном, в котором приведение во вращательное движение приводного вала осуществляют электроприводом, оснащенным системой регулирования скорости вращения.
Причинно-следственная связь между существенными признаками предложенного изобретения и положительным результатом, который этими признаками достигается, следующая.
В отличие от прототипа, в котором удаление фильтр-матрицы из зоны действия магнитного поля осуществляют механической силой, прилагаемой непосредственно к проточному кожуху и направленной по вертикали вверх, в предложенном способе тот же процесс - удаление гранул фильтр-матрицы из зоны действия на них магнитного поля - происходит под действием на гранулы механической силы другой природы и другого направления, а именно - центробежной силы, направленной радиально по нормали к оси вращения фильтр-матрицы. Для формирования вертикальной составляющей траектории гранул фильтр-матрицы под действием центробежных сил проточный кожух, в котором размещена фильтр-матрица, выполняют конусообразной формы с наклоном его боковой поверхности под острым углом к вертикали. Вследствие этого на гранулы (например, шарики), прижатые центробежными силами Fц к внутренней поверхности кожуха, действуют силы Fцt, направленные вдоль поверхности кожуха в направлении удаления гранул фильтр-матрицы из зоны действия магнитного поля кольцевых радиально намагниченных постоянных магнитов. Сила Fцt зависит от величины центробежной силы Fц и угла наклона α боковой поверхности кожуха к вертикали:
Fцt=Fц·sinα.
Центробежная сила Fц зависит от линейной скорости тела V и радиуса R окружности, по которой вращается это тело, и может многократно превосходить силу тяжести Fg, действующую на это же тело:
Так, например, при R=0,15 м, n=250 об/мин и V=3,9 м/c Fц=10 Fg и поэтому, даже при незначительном угле наклона α=30°, Fцt=Fy·sin30°=5 Fg.
При шаровидной форме гранул фильтр-матрицы с чистой поверхностью и высокой чистоте внутренней поверхности проточного кожуха возникающие между этими поверхностями силы трения Fт будут меньшими, чем сила Fцt.
Поэтому при определенных оборотах фильтр-матрицы под действием центробежной силы Fц (и ее составной силы Fцt) будет происходить как процесс удаления гранул вверх из зоны действия магнитного поля, так и одновременно, что не менее важно, процесс разрушения структуры фильтр-матрицы, который сопровождается разрыванием контактов между гранулами и очисткой поверхности гранул от осадка.
Разрушение структуры фильтр-матрицы, сопровождающееся перемешиванием и соударением (колочением) гранул матрицы между собой, может существенно уменьшить их остаточное намагничивание, что также повышает эффективность регенерации фильтр-матрицы.
Выполнение стенок кожуха из магнитной стали и его вращение в магнитном поле с чередующейся полярностью постоянных магнитов создает эффект электромагнитного экранирования размещенной внутри кожуха фильтр-матрицы от действия на нее магнитного поля постоянных магнитов. Такое электромагнитное экранирование фильтр-матрицы уменьшает в зависимости от толщины стенки кожуха магнитные силы, которые действуют как на удержание осевших на гранулы магнитовосприимчивых частиц продукта, так и на магнитные силы, которые удерживают гранулы фильтр-матрицы в зоне действия магнитного поля, препятствуя их перемещению вверх в зону регенерации сепаратора.
В результате указанных механических и электромагнитных процессов при определенной скорости вращения кожуха при заданном угле α и при заданных радиусах конической поверхности кожуха структура фильтр-матрицы и осадок частиц сепарируемого продукта, подлежащего магнитной сепарации, будут разрушаться, а сами гранулы по внутренней поверхности кожуха будут перемещаться из зоны действия магнитного поля в свободный объем кожуха (не заполненный гранулами фильтр-матрицы). В этом объеме в результате возникновения сил трения между гранулами, действия центробежных сил и сил динамического дисбаланса масс происходит очистка поверхности гранул от осадка, что создает наиболее оптимальные условия для регенерации сепаратора.
Размещение фильтр-матрицы внутри кольцевых постоянных магнитов обусловливает концентрацию магнитного поля (рост магнитной индукции) в направлении уменьшения радиуса фильтр-матрицы. Это позволяет получить среднюю магнитную индукцию в объеме фильтр-матрицы, большую, чем величина магнитной индукции на внутренней поверхности кольцевых магнитов, и достичь достаточной величины индукции в фильтр-матрице даже при выполнении магнитной системы из дешевых, малоэнергетических постоянных магнитов (например, ферритбариевых). Установка корпуса сепаратора магнитного на фундамент с наклоном его оси к вертикали под небольшим углом (5-20°) обеспечивает дополнительное разрушение структуры фильтр-матрицы при вращении проточного кожуха, интенсифицируя тем самым процесс регенерации в предложенном сепараторе.
Удаления осадка из объема кожуха в дренаж осуществляется традиционно потоком промывочной воды или струей сжатого воздуха, которые проходят через верхнюю и нижнюю торцевые перфорированные поверхности кожуха. При сепарации жидкостных продуктов как вариант способа выведения под давлением осадка в дренаж предусматривается пропускать поток промывочной воды через боковые поверхности кожуха, которые в этом случае выполняются перфорированными по высоте объема кожуха, не засыпанного гранулами фильтр-матрицы. Поток промывочной воды движется вместе с смытым осадком через щели боковой поверхности кожуха под давлением, которое создается действием на этот поток центробежных сил.
Для интенсификации процесса регенерации фильтр-матрицы в предложенном изобретении предлагается циклическое изменение скорости вращения кожуха в широких пределах, что достигается приводом вала магнитного сепаратора, оснащенным системой автоматического управления приводным электрическим двигателем с периодическим изменением скорости его вращения, а при необходимости и работой двигателя в реверсном режиме.
Формирование траектории движения гранул фильтр-матрицы из зоны действия магнитного поля магнитной системы достигают соответствующим выполнением профиля боковой поверхности кожуха от самой простой - в виде поверхности срезанного конуса к сложному профилю - в виде выпуклой относительно магнитной системы и корпуса сепаратора криволинейной поверхности.
На фиг.1 изображено продольное сечение сепаратора магнитного в рабочем режиме его работы.
На фиг.2 изображено поперечное сечение сепаратора магнитного в рабочем режиме его работы.
На фиг.3 изображено продольное сечение сепаратора магнитного в режиме его регенерации.
На фиг.4 изображено поперечное сечение сепаратора магнитного в режиме его регенерации.
Предложенный сепаратор магнитный (фиг.1, фиг.3) включает цилиндрической формы корпус 1 с входными 2 и выходными 3 патрубками для сепарируемого продукта. Внутри корпуса 1 соосно между собой и корпусом 1 установлены проточный кожух 4, частично заполненный фильтр-матрицей 5 (объем фильтр-матрицы, например, в 2-3 раза меньше объема проточного кожуха 4), которая составлена из ферромагнитных гранул шаровидной формы, и магнитная система 6, выполненная из постоянных магнитов. Магнитная система 6 (фиг.2, фиг.4) составлена из отдельных радиально намагниченных постоянных магнитов в виде кольцевых секторов с чередованием полярности магнитов по кругу и закрепленных на кольцевом выступе 7 (магнитопроводе), выполненном на внутренней поверхности корпуса 1. Магнитная система 6 может выполняться с произвольным количеством пар полюсов. На фиг.2 и фиг.4 изображена шестиполюсная кольцевая магнитная система 6. Внутри магнитной системы 6 установлен проточный кожух 4, который выполняют конусообразной формы с наклоном под острым углом к вертикали его боковой поверхности. Кожух 4 закрепляют вертикально на ферромагнитной втулке 8 приводного вала 9 (фиг.1, фиг.3). Проточный кожух 4 является не только конструктивным элементом сепаратора, но, будучи выполненным тонкостенным и ферромагнитным, является одновременно и одним из магнитопроводов магнитной цепи магнитной системы 6 сепаратора магнитного. Втулку 8 также выполняют ферромагнитной, так как через эту втулку частично замыкается рабочий магнитный поток (что особенно проявляется при двухполюсном выполнении магнитной системы 6). Верхняя и нижняя поверхности проточного кожуха 4 выполнены перфорированными. Для прохождения потока воды или воздуха в корпус 1 его оснащают патрубками входными 10 и выходными 11. При выполнении верхней части боковой поверхности проточного кожуха 4 перфорированной на кольцевом выступе 7 выполняют вертикальные отверстия 12.
Предложенный сепаратор магнитный, в котором реализуется предложенный способ магнитной сепарации, работает следующим образом.
1
1
1
1
В рабочем режиме работы сепаратора магнитного подлежащий продукт Q (фиг.1) через входные патрубки 2 с задвижкой подают внутрь корпуса 1, и дальше через верхнюю торцевую перфорированную поверхность проточного кожуха 4 продукт Q попадает в фильтр-матрицу 5. Под действием силы гравитации (или и дополнительно под давлением) продукт Q проходит через гранулы шаровидной формы фильтр-матрицы 5 и нижнюю торцевую перфорированную поверхность проточного кожуха 4 и далее движется в направлении патрубков 3 для выведения из корпуса 1 уже просепарированного продукта Q. Магнитное поле в рабочем объеме фильтр-матрицы 5 создается магнитной системой 6 (фиг.1, фиг.2). Концентрация магнитного потока в объеме фильтр-матрицы 5 при выполнении фильтр-матрицы из ферромагнитных гранул шаровидной формы (особенно при высоком значении плотности упаковки гранул) позволяет в предложенном сепараторе магнитном осуществить в его рабочем режиме эффективное осаждение наиболее мелкодисперсных и слабомагнитных примесей как из жидкостных, так и из пылегазовых продуктов (например, турбинного конденсата или производственного конденсата ТЭЦ [2]). Но основное преимущество предложенного магнитного сепаратора проявляется именно в режиме его регенерации - очистке гранул фильтр-матрицы от осажденных на их поверхность магнитовосприимчивых и других частиц сепарируемого продукта, подлежащего сепарации.
Для перевода сепаратора из рабочего режима в режим регенерации сначала прекращают подачу продукта в корпус сепаратора 1 задвижкой патрубка 2 (фиг.3) и в дальнейшем приводят во вращательное движение приводной вал 9 с закрепленными на нем втулкой 8 и проточным кожухом 4. При этом в результате вращения гранул фильтр-матрицы 5 на каждую из гранул действует своя центробежная сила в зависимости от ее линейной скорости, массы гранулы и ее расстояния от оси вращения. По мере увеличения оборотов и соответствующего роста центробежных сил разрушаются контакты между смежными гранулами и разрушается сама структура фильтр-матрицы 5 в целом. Разрушение структуры фильтр-матрицы 5 дополнительно интенсифицируется за счет действия на нее сил динамического дисбаланса масс относительно оси вращения из-за неизбежной асимметрии масс гранул относительно оси вращения. При наклоне на некоторый угол (5-20°) оси вращения проточного кожуха к вертикали разрушение структуры фильтр-матрицы 5 дополнительно усиливается за счет действия на гранулы сил гравитации и сил инерции.
2
Вращение ферромагнитного проточного кожуха 4 с частотой оборотов n (фиг.3) относительно магнитной системы 6 с чередованием полярности полюсов в направлении вращения приводит к наведению в стенке проточного кожуха 4 вихревых токов, магнитное поле которых создает эффект электромагнитного экранирования ферромагнитных гранул фильтр-матрицы 5 от действия на них магнитного поля магнитной системы 6. При этом существенно ослабляются или практически исчезают магнитные силы взаимодействия как отдельных гранул между собой, так и всех гранул с внешним магнитным полем, что дополнительно способствует разрушению начальной структуры фильтр-матрицы 5. При достижении определенной скорости вращения открывают задвижки патрубков 10 (фиг.3) и в корпус 1 подают поток Q воды или струю сжатого воздуха. Под действием центробежных сил гранулы фильтр-матрицы 5 по горизонтали прижимаются к боковой поверхности проточного кожуха 4, наклоненной к вертикали под острым углом. В результате механического взаимодействия гранул фильтр-матрицы 5 с наклонной поверхностью проточного кожуха 4 возникает сила, которая действует на гранулы вдоль этой поверхности вверх в направлении удаления гранул из зоны действия магнитного поля в свободный объем проточного кожуха 4. При заданной максимальной частоте оборотов все гранулы (шарики) по боковой поверхности проточного кожуха 4 перемещаются на верхнюю часть его боковой поверхности над магнитной системой 6 и удерживаются там центробежными силами. В процессе перемещения гранул происходит их взаимное трение между собой, что способствует очистке поверхностей гранул от осадка, а соударение гранул между собой приводит к уменьшению остаточной индукции гранул, то есть к их размагничиванию.
2
2
При магнитной сепарации жидкостных продуктов удаление осадка из межшарового пространства осуществляется потоком промывочной воды, который подается самотеком или под давлением в направлении гранул фильтр-матрицы 5 (фиг.3). В дальнейшем поток Qпромывочной воды вместе с осадком протекает или под действием сил гравитации через объем проточного кожуха 4 и через его нижнюю торцевую перфорированную поверхность попадает в нижнюю камеру корпуса 1 и в дальнейшем через патрубки 11 выводится в дренаж, или через перфорированную боковую поверхность проточного кожуха 4 (если кожух выполняется с такой перфорацией) поток промывочной воды Q под действием центробежных сил и под внешним давлением (если поток промывочной воды подается в корпус под давлением) попадает в верхнюю камеру корпуса сепаратора и в дальнейшем через вертикальные отверстия 12 в теле кольцевого выступа 7 (фиг.3) попадает в нижнюю камеру корпуса 1 и выводится в дренаж через патрубки 11 (фиг.3). Предложенная система электропривода приводного вала 9, которая может работать периодически с регулированием скорости вращения, позволяет многоразовое повторение разгона и остановки проточного кожуха 4 с размещенной в нем фильтр-матрицей 5 и выбор наиболее оптимальной скорости вращения проточного кожуха 4 для получения нужной величины центробежных сил.
Существенное повышение эффективности регенерации фильтр-матрицы в предложенном магнитном сепараторе расширяет область использования сепараторов магнитных с гранулированной насадкой.
Предложенный сепаратор магнитный может эффективно использоваться для очистки производственного и турбинного конденсата на ТЭЦ, воды в тепловых установках теплоснабжения в энергетической отрасли; для осветления суспензии в керамической промышленности; для магнитной сепарации сильноизмельченных магнитных руд, которые подаются на магнитную сепарацию в пылегазовом состоянии, для извлечения магнитных примесей из жидкостного аммиака в производстве азотных удобрений и других областях.
Источники информации
1. Патент RU №2299767 С1. Авторы: Сандуляк Александр Васильевич и др., опубликовано 27.05.2007, Бюл. №15.
2. А.В.Сандуляк. «Очистка жидкостей в магнитном полете», - Львов: «Высшая школа», 1984 г.