УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ КЛАССИФИКАЦИИ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR ELECTROSTATIC CLASSIFICATION OF FINELY-DISPERSED MATERIALS

Разработка и создание эффективного классификатора тонкодисперсных материалов становится все более актуальной в связи с прогрессом в порошковой металлургии, нанотехнологиях, развитием производства современных строительных материалов, горно-обогатительной, химической, фармацевтической и других отраслей промышленности.
Изобретение относится к способам классификации дисперсных материалов в электрических полях и может быть использовано в металлургической, строительной, горно-обогатительной, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности.
Известны классификаторы дисперсных материалов, в которых разделение частиц исходного материала по крупности основано на различии величин действия сил, применяемых в рабочем объеме - массовой (гравитационной и/или инерционной) и силы вязкого трения частиц в воздушном потоке.
Массовая сила (гравитационная и/или инерционная), действующая на частицы, зависит от размера и плотности частиц:
а сила вязкого трения - от размера, формы и скорости движения частиц в среде, а также вязкости и плотности среды:
где: d - диаметр частицы;
ч
ρ - плотность частицы;
с
ρ - плотность среды;
λ - коэффициент сопротивления;
υ - скорость частицы относительно среды;
g - ускорение свободного падения.
Если массовая сила зависит, главным образом, от свойств частицы, то сила вязкого трения, в основном, определяется свойствами потока среды и его взаимодействием с поверхностью частиц. Турбулентности, возникающие в потоке среды, приводят к возникновению сил, перемешивающих частицы, и результаты классификации всегда оказываются хуже желаемых.
Известны классификаторы, в которых наряду с гравитационными силами, и силами вязкого трения для обеспечения более четкой классификации по размерам дополнительно используют еще и электростатические силы (Патент РФ, №2058827 В03С 3/15, 3/16; Патент РФ, №2064345, В03С 7/00), а также используют плазму, генерируемую бегущей ТЕМ-волной высокой интенсивности (Заявка РФ, №92014980/26, В03С 3/00). Перечисленные классификаторы имеют высокую производительность, но также недостаточно селективны при разделении микронных и, особенно, субмикронных материалов. В этих способах и устройствах, их реализующих, частицы классифицируемого материала получают электрический заряд
где Q – заряд, получаемый частицей, находящейся в области тихого разряда к моменту времени t;
Е - напряженность электрического поля в точке рабочего пространства, в которой находится частица;
r - радиус сферической частицы;
k - подвижность ионов;
10
11
3
n - концентрация ионов в электрическом поле тихого разряда, достигающая 10-10 ионов/см;
е - заряд электрона.
В электростатическом поле, создаваемом системой электродов в рабочем пространстве классификатора, на заряженную частицу действует дополнительная, играющая главную роль сила
где Q - заряд частицы,
Е - напряженность электрического поля в месте нахождения частицы.
Недостатки перечисленных и им подобных способов и устройств обусловлены противоречием между действием сил гравитационных и электростатических, упорядочивающих движение частиц, и сил вязкого трения внутри транспортирующих потоков, приводящих к перемешиванию классифицируемых частиц.
Целью предлагаемого изобретения: является разработка эффективного способа и устройства классификации тонкодисперсных материалов.
Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе и устройстве из процесса классификации исключены силы вязкого трения.
По совокупности существенных признаков в качестве прототипа выбран «Способ сепарации мелкодисперсных порошков и устройство для его осуществления» (см. патент РФ №2136382, В03С 07/00).
Решение поставленной задачи достигают тем, что в предлагаемом способе и устройстве классификацию падающего потока дисперсного материала производят путем зарядки и осаждения заряженных частиц тихим разрядом, создаваемым системой электродов в вакуумной рабочей камере.
Предлагаемый способ осуществляется в устройстве следующим образом. В вакуумированный корпус классификатора, содержащий систему электризующих и осадительных электродов, вакуумным шлюзом сверху подают подготовленный для классификации материал. Частицы материала, проходя через кольцевую рабочую щель, тонким слоем падают в рабочую камеру, электризуются системой зарядных электродов и под действием электростатического поля движутся к осадительным электродам в приемные емкости.
В вакууме под действием силы тяжести все частицы, независимо от размера и площади поверхности, движутся с одинаковым ускорением и за один и тот же промежуток времени приобретают одинаковые скорости, поэтому выделение частиц и разделение их по размерам будет происходить только в результате их взаимодействия с электрическим полем (в устройстве направление электростатического поля перпендикулярно направлению гравитационного поля).
Сила взаимодействия частиц с электростатическим полем зависит от величины заряда, получаемого частицей, величина которого связана, главным образом, с площадью поверхности частицы. Поэтому радиальное ускорение, которое приобретет частица в электростатическом поле, будет пропорционально произведению заряда, полученного частицей, на напряженность поля:
Где: m - масса частицы;
a
r
- радиальное ускорение;
Q - заряд частицы;
Е - напряженность электростатического поля.
3
2
Но, т.к. m~r, a Q~r, то (5) можно представить как:
откуда:
Т.е. большее радиальное ускорение в электростатическом поле получают частицы меньшего размера. Поэтому они достигают осадительного электрода первыми и оказываются в самой верхней приемной емкости. А крупные частицы, получающие меньшие ускорения, к осадительному электроду прилетят последними и попадут в нижние приемные емкости.
Присоединив к патрубку соответствующей приемной емкости шлюз, выделенную фракцию частиц отбирают и выводят за пределы, не прерывая процесса классификации.
В вакууме силы вязкого трения отсутствуют, поэтому в рабочем пространстве классификатора нет турбулентных течений, и перемешивания частиц при их движении не происходит, а разделение по размерам оказывается более селективным (острым) и эффективным, чем в любом из традиционных классификаторов, разделяющих дисперсный материал в вязких средах.
Вакуум, который необходим для работы классификатора, выбирают, исходя из следующего соображения: необходимо, чтобы длина свободного пробега молекулы азота (наиболее массовой составляющей воздуха) стала больше или равной расстоянию между зарядным и осадительным электродами в классификаторе.
Чтобы оценить диапазон давлений, при которых может работать классификатор, воспользуемся эмпирическим соотношением, используемым для упрощенных расчетов средней длины свободного пробега молекул в вакуумной технике:
Откуда
Где: Р - давление в мм рт.ст.;
<l> - средняя длина свободного пробега молекул воздуха в метрах.
-1
-2
-3
Расстояние между зарядным и осадительным электродами в классификаторе ~10м (порядка 10 см), следовательно, среднюю длину свободного пробега молекулы азота ~0,05-0,5 м будут иметь при давлении Р~10-10 мм рт.ст., что вполне достижимо для современных форвакуумных насосов.
Предлагаемое устройство по способу (классификатор) содержит цилиндрический корпус 1, в верхней части которого расположен широкий входной патрубок 2, соединенный с вакуумным шлюзом 3. Патрубок в нижней части переходит в кольцевую рабочую щель 4. Высоковольтный источник питания 6 размещен внутри корпуса зарядных электродов 5 - полого цилиндра, установленного в верхней части корпуса 1 классификатора. На поверхности корпуса зарядных электродов - полого цилиндра по спирали на изоляторах смонтирован проводник с зарядными электродами в виде острий 7. Острия зарядных электродов выполнены из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением. В нижней части корпуса классификатора размещен снабженный фильтром 11 входной патрубок вакуумного насоса 12, вынесенного за пределы корпуса классификатора. Осадительные электроды 8 установлены на внутренней цилиндрической поверхности корпуса классификатора и выполнены в форме открытых сверху, забранных сеткой усеченных конусов, нижние кромки которых переходят в желоба, соединенные с приемными емкостями 9. Число осадительных электродов с приемными емкостями равно количеству фракций, выделяемых классификатором из исходного материала. Каждая приемная емкость имеет выходной патрубок с клапаном 10 для присоединения к вакуумному шлюзу 3 (см. Рис. 1).
Заряд частиц классифицируемого материала, как и в способе по патенту РФ №2136382 В03С 07/00, осуществляют тихим разрядом.
Предлагаемый способ классификации реализуют с помощью устройства следующим образом: подготовленный для классификации материал вакуумным шлюзом 2 подают через входной патрубок в кольцевую входную щель 2, после прохождения которой материал тонким слоем попадает под воздействие электрического разряда, стекающего с острий зарядного электрода 6, при этом частицы классифицируемого материала получают заряд
где Q - заряд частицы, находящейся в области тихого разряда к моменту времени t;
Е - напряженность электрического поля в месте нахождения частицы;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость частицы;
r - радиус сферической частицы;
k - подвижность ионов;
10
11
3
n - концентрация ионов в электрическом поле тихого разряда, достигающая 10-10 ионов/см;
е - заряд электрона; под воздействием электрического поля между зарядным 7 и осадительным 8 электродами, движутся в радиальном направлении к осадительным электродам, связанным с приемными емкостями 9, входы которых открыты на внутренней цилиндрической поверхности корпуса классификатора. Каждая приемная емкость имеет свой выходной патрубок 10 с клапаном для отбора классифицированного материала. Отбор выделенных фракций материала производят, присоединяя к патрубку приемной емкости вакуумный шлюз, выводя их за пределы устройства, не прерывая работы классификатора.
На рисунке 1:
1. цилиндрический корпус;
2. входной патрубок 2;
3. вакуумный шлюз;
4. кольцевая рабочая щель;
5. цилиндрический корпус зарядных электродов;
6. Высоковольтный источник питания;
7. Острия зарядного электрода;
8. Осадительные электроды;
9. Приемные емкости;
10. патрубок с клапаном;
11. Фильтр;
12. входной патрубок вакуумного насоса.
Число осадительных электродов с приемными емкостями равно количеству фракций, выделяемых классификатором из исходного материала. Каждая приемная емкость имеет выходной патрубок для присоединения к вакуумному шлюзу 3.