СПОСОБ РАЗМЕРНОЙ КЛАССИФИКАЦИИ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF SIZING POLYDISPERSE MATERIALS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области порошковой технологии, конкретно к способам размерной классификации полидисперсных материалов, например таких материалов, как алмазы, карбид кремния, карбид вольфрама, карбид бора, электрокорунд, нитрид бора, диоксид титана, микрокальцит и т.д.
В настоящее время известны способы классификации полидисперсных материалов в динамическом потоке.
Известен, например, способ, основанный на разделении полидисперсных материалов, в частности абразивных частиц, в динамическом потоке (авт.св. СССР №619208, кл. В03В 5/62 1978).
Способ заключается в том, что исходная гидроабразивная смесь, содержащая несколько фракций абразивных частиц, направляется с постоянным объемным расходом в направлении, противоположном действию сил гравитационного поля. По мере подъема часть потока сливается. На основании закона гидродинамики скорость движения однородных частиц под действием поля сил пропорциональна квадрату ее диаметра. Частицы крупнее заданного размера (скорость движения которых в неподвижном слое жидкости больше линейной скорости потока, движущегося противоположно гравитационному полю сил) движутся в направлении действия поля сил и выносятся соответствующим потоком. Частицы мельче заданного размера перемещаются в направлении, противоположном действию гравитационного поля, и выносятся потоком из зоны классификации. В процессе разделения формируются два потока: один, содержащий только частицы меньше заданного размера (размер определяется в основном скоростью потока), и второй, содержащий частицы крупнее заданного размера и часть частиц меньше заданного размера.
Способ позволяет производить предварительное разделение абразивов с размером частиц крупнее 10 мкм в непрерывном режиме. Однако полного разделения на мелкую и крупную фракцию по данному способу не происходит из-за неизбежного и значительного (до 90%) попадания в поток с крупной фракцией мелких частиц. Также данным способом практически невозможно классифицировать материалы микронного (размер частиц менее 10 мкм) и субмикронного (размер частиц менее 1 мкм) диапазонов.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются способ классификации полидисперсных материалов и устройство для его осуществления по патенту RU 2130806.
В известном способе разделение полидисперсных материалов проводят в жидкой среде, в зоне классификации, выполненной в виде канала (далее канал классификации или канал), расположенном вдоль направления действия центробежных сил, имеющей последовательно расположенные по ходу действия центробежных сил первый и второй выходы и между ними вход для подачи суспензии полидисперсного материала. Способ заключается в подаче через указанный вход в канал классификации потока суспензии полидисперсного материала, разделении подаваемого потока суспензии полидисперсного материала на два потока, первый из которых, с частицами материала заданного размера (выделенной фракцией), выводят в направлении, противоположном действию сил центробежного поля через первый выход и второй поток суспензии с частицами материала, размер которых больше заданного, выводят в направлении действия сил центробежного поля через второй выход.
Устройство для осуществления способа содержит полый ротор с осью вращения, выполненный в виде цилиндрического сосуда, средство подвода к ротору суспензии полидисперсного материала, средство отвода суспензии с выделенной фракцией заданного размера, средство отвода суспензии с более крупной фракцией и установленный в роторе узел классификации, с образованием в роторе над указанным узлом камеры осаждения материала, соединенной со средством отвода потока жидкости и полости вдоль оси ротора. Узел классификации включает, по крайней мере, один канал классификации, перпендикулярный оси вращения ротора, имеющий в направлении от оси вращения ротора первый выход, открытый в указанную полость ротора, и второй выход с установленной на нем форсункой, выходной диаметр которой значительно меньше размеров первого выхода. Форсунка соединена со средством отвода суспензии с более крупной фракцией. Между выходами в канале выполнено входное отверстие для потока суспензии полидисперсных материалов, при этом указанное входное отверстие соединено со средством подвода к ротору суспензии полидисперсных материалов входным каналом, выполненным в указанном узле под углом к разделительному каналу.
Способ осуществляют следующим образом. В разделительный канал по наклонному входному каналу подают поток жидкости с полидисперсным материалом (поток суспензии полидисперсного материала) в направлении действия сил центробежного поля с заданным расходом. Благодаря размеру выходного отверстия форсунки на втором выходе, который значительно меньше размеров первого выхода, на втором выходе создается гидравлическое сопротивление потоку суспензии. При этом объемный расход подаваемой в канал суспензии и диаметр разделительного канала задают из условия разделения в разделительном канале подаваемого полидисперсного материала на два потока, первый из которых, из частиц материала заданного размера, под действием потока жидкости выводят в виде потока суспензии в направлении, противоположном действию сил центробежного поля через первый выход, и второй поток частиц, размер которых больше заданного, выводят в направлении действия сил центробежного поля через второй выход вместе со вторым потоком жидкости. Для этого формируют поток жидкости, который течет в направлении против сил центробежного поля таким образом, чтобы его скорость была равной или близкой скорости перемещения частиц заданного размера под действием сил центробежного поля.
кф
В полость ротора (в направлении, противоположном действию сил центробежного поля через первый выход) потоком жидкости выносятся частицы, скорость движения которых под действием центробежной силы меньше, чем скорость движения жидкости в разделительном канале. Частицы, скорость которых превышает скорость потока в канале, выходят из зоны разделения вместе с потоком Q через форсунку. При этом скорость движения частиц под действием центробежной силы определяют по формуле:
част
где V - скорость частицы, м/с;
d - диаметр частицы, м;
3
Δ - разность плотностей частиц и жидкости, кг/м;
µ - вязкость жидкости, Па·с;
разд
R - расстояние от оси вращения ротора до входа суспензии полидисперсного материала в канала.
Поток суспензии с частицами заданного размера, вытекающий из первого выхода (первый поток суспензии), поступает в камеру осаждения, где из него выделяют заданный материал.
Поток жидкости, из которого выделен материал, объединяют с потоком суспензии, который вытекает через форсунку, и возвращают в емкость с исходной суспензией, откуда ее снова подают в устройство классификации для последующей классификации. Таким образом, исходная суспензия циркулирует в зоне классификации и из нее вытягивается мелкая фракция порошка, которая оседает в роторе, а именно в камере осаждения ротора, расположенной над разделительным узлом. Как только выделение мелкой фракции из суспензии полностью завершится, процесс останавливают и из ротора выгружают мелкую фракцию. Оставшуюся суспензию без мелкой фракции опять запускают на разделение при других режимах и выделяют из нее следующую фракцию порошка.
В известном способе и устройстве полидисперсный материал может быть разделен на любое количество фракций. Однако процесс разделения характеризуется невысокой производительностью, так как полное разделение исходного материала осуществляют только за несколько циклов прохода потока суспензии, вытекающего из форсунки, поскольку часть частиц заданного размера вытекает через форсунку разделительного канала.
Объемный расход потока, вытекающего через форсунку, постоянен и зависит от диаметра форсунки, величины центробежной силы и величины слоя жидкости перед форсункой (данная величина определяется конструктивными элементами ротора). Объемный расход потока с выделенной фракцией регулируется в зависимости от требуемого размера вытесняемых частиц. Обычно объемные расходы обоих потоков близки по величине, т.е. примерно половина исходного потока уходит наружу ротора вместе с мелкими частицами. Из-за этого требуется этот поток возвращать обратно на классификацию для повторного выделения из него мелкой фракции. Для полного выделения требуется 20…30 циклов, что существенно ограничивает производительность известного способа и устройства.
В основу настоящего изобретения положена задача исключить попадание частиц, размер которых равен или меньше заданного, в поток с более крупной фракцией, вытекающий из зоны классификации в направлении действия центробежных сил, и, таким образом, обеспечить за один цикл прохождения зоны классификации выделение из исходного полидисперсного материала частиц заданного размера, с тем чтобы повысить эффективность способа и устройства размерной классификации полидисперсных материалов.
Поставленная задача решается тем, что в способе размерной классификации полидисперсных материалов в жидкой среде в поле центробежных сил, создаваемом в зоне классификации, образованной вдоль направления действия центробежных сил, включающем подачу в зону классификации полидисперсного материала в потоке жидкости с заданным объемным расходом, создание в зоне классификации выходного потока, текущего в направлении против действия сил центробежного поля со скоростью, близкой к скорости движения частиц материала заданного размера под действием центробежного поля, и включающего указанные частицы материала заданного размера, вывод из зоны классификации указанного выходного потока в направлении против действия сил центробежного поля, вывод из зоны классификации частиц материала, размер которых больше заданного, в направлении действия сил центробежного поля, согласно предлагаемому изобретению в зону классификации на участке, распложенном по ходу действия центробежных сил за входом полидисперсного материала, подают с заданным объемным расходом жидкость без материала
Поток жидкости, включающий частицы полидисперсного материала (подаваемая суспензия полидисперсного материала), попадая в зону классификации, под действием дополнительного потока чистой жидкости не разделяется на два потока, как в известном решении, а разворачивается в направлении против действия центробежных сил. Разворот потока происходит в том числе благодаря созданию дополнительной жидкостью гидравлического сопротивления на выходе из зоны классификации в направлении центробежных сил. Под действием потока жидкости, текущего в направлении против сил центробежного поля со скоростью, близкой к скорости движения частиц материала заданного размера, частицы заданного размера движутся вместе с этим потоком и выводятся из зоны классификации.
При этом благодаря развороту подаваемого потока в направлении против действия центробежных сил частицы материала, размер которых равен или меньше заданного, не испытывают давления потока в направлении центробежных сил и, соответственно, практически исключается их попадание в поток частиц, которые выходят из зоны классификации в направлении действия центробежных сил.
Таким образом, из подаваемого полидисперсного материала за один цикл, то есть один проход зоны классификации, производится практически полное выделение материла заданной фракции в достаточно узком диапазоне, что обеспечивает высокую эффективность предлагаемого способа.
Целесообразно из подаваемого потока чистой жидкости, без материала, в зоне классификации формировать первый поток жидкости, текущий в направлении против действия сил центробежного поля и входящий по ходу течения в выходной поток, и второй поток жидкости, текущий в направлении действия сил центробежного поля, при этом указанный первый поток жидкости формируют таким образом, чтобы его скорость была близкой к скорости движения частиц материала заданного размера под действием центробежного поля, при этом указанный второй поток жидкости включает частицы материала, размер которых больше заданного размера
Первый поток чистой жидкости, который течет в направлении против центробежного поля, воздействует на частицы заданного размера, вытесняя их в направлении первого выхода. В результате полностью исключается попадание частиц заданного или меньшего размера в поток частиц большего размера, текущий в направлении действия центробежных сил.
Благодаря тому что первый поток жидкости, текущий в направлении против сил центробежного поля, имеет скорость, близкую к скорости движения частиц материала заданного размера, объединенный выходной поток будет также иметь скорость, близкую к скорости частиц заданной фракции, что обеспечивает более узкий диапазон разделения материала по заданным фракциям, то есть полностью исключает вывод частиц заданного размера в направлении сил центробежного поля.
Целесообразно, чтобы объемные расходы подаваемых в зону классификации потоков жидкости с полидисперсным материалом и чистой жидкости, без материала, определялись из условия:
вх
доб
ф
вых
Q+(Q-Q)=Q,
вх
где Q - объемный расход исходной жидкости с полидисперсным материалом, подаваемой в зону классификации;
доб
Q - объемный расход потока жидкости без материала (чистой жидкости), подаваемого в зону классификации;
ф-
Q - объемный расход потока, вытекающего через второй выход, включающего частицы материала, размер которых больше заданного;
вых
Q - объемный расход выходного потока, вытекающего через первый выход, включающий частицы материала заданного размера.
Было обнаружено, что приведенное соотношение указанных объемных расходов обеспечивает равенство (или близкие значения) скоростей потоков, текущих в направлении против действия сил центробежного поля, и скорости частиц заданного размера под действием центробежного поля, а именно объединенного выходного потока (включающего поток исходной жидкости с частицами материала и первого потока чистой жидкости) и первого потока чистой жидкости.
Целесообразно жидкость без материала (чистую жидкость) подавать в зону классификации на участке, расположенном по ходу действия центробежных сил на расстоянии от входа исходной суспензии полидисперсного материала. Благодаря разнесению входов для подаваемых потоков обеспечивается формирование ламинарного потока чистой жидкости, что улучшает эффективность разделения. При этом для формирования указанного ламинарного потока расстояние между входами предпочтительно выбирать не менее диаметра потока чистой жидкости, текущего в направлении против сил центробежного поля.
Одним из способов реализации способа является создание зоны классификации в роторе в виде канала, расположенного перпендикулярно оси вращения ротора и имеющего последовательно расположенные по ходу действия центробежных сил первый и второй выходы и между ними первый вход для подачи полидисперсного материала в потоке жидкости и второй вход для подачи жидкости без материала, расположенный вблизи второго выхода. При этом на втором выходе создают проходное сечение меньшего диаметра, чем на первом.
Для обеспечения равенства скоростей потоков, текущих в направлении против сил центробежного поля, целесообразно канал на участке от второго выхода до первого входа выполнять меньшего диаметра, чем на участке канала от первого входа до первого выхода.
Целесообразно длину узкой части канала выполнять не менее диаметра узкого канала и выше. Это необходимо для успокоения скоростей потока, движущегося по этой части канала, и выравниванию их по сечению.
Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для классификации полидисперсных материалов в жидкой среде, содержащем полый ротор с осью вращения и в виде цилиндрического сосуда, средство подвода к ротору полидисперсных материалов в потоке жидкости, первое средство отвода жидкости с частицами материала заданного размера, второе средство отвода жидкости с частицами материала более крупного размера и установленный в роторе узел классификации с образованием в роторе полости вдоль его оси вращения, соединенной с указанным первым средством отвода, включающий по крайней мере один канал классификации, перпендикулярный оси вращения ротора, имеющий в направлении от оси вращения ротора первый выход, открытый в указанную полость ротора, и второй выход, соединенный с указанным вторым средством отвода, при этом проходное сечение второго выхода меньше проходного сечения первого выхода для создания гидравлического сопротивление потоку жидкости на втором выходе, первый вход для подачи полидисперсных материалов в потоке жидкости, распложенный между указанными выходами и соединенный с указанным средством подвода к ротору полидисперсных материалов, согласно предлагаемому изобретению в канале классификации выполнен второй вход для подачи в него жидкости, расположенный за первым входом в направлении от оси вращения ротора и соединенный со средством подвода к ротору указанной жидкости.
Наличие второго входа позволяет вводить в канал классификации дополнительный поток жидкости без суспензии (чистой жидкости) и таким образом повысить точность и эффективность разделения по заданным фракциям полидисперсного материала.
Целесообразно, чтобы узел классификации содержал первый и второй входные каналы, соединяющие соответственно первый и второй входы с соответствующими средствами подвода, при этом указанные входные каналы предпочтительно выполнять наклонными к каналу классификации в направлении ко второму выходу.
Наклонные каналы обеспечивают ввод в зону классификации исходных потоков под действием сил центробежного поля.
Целесообразно, чтобы устройство содержало от 2 или более каналов классификации. Большое количество каналов позволяет повысить производительность устройства.
При этом количество каналов в устройстве определяется конструктивными особенностям устройства, в частности количество каналов зависит от габаритных размеров устройства и требуемых потоков суспензии, т.е. от объемов перерабатываемой суспензии полидисперсного материала.
Возможен вариант выполнения устройства, согласно которому в роторе над разделительным узлом была выполнена камера осаждения.
Такой вариант устройства может быть использован при разделении небольшого количества материала по объему, например для исследовательских работ.
В дальнейшем предлагаемое изобретение будет более подробно раскрыто на примерах выполнения со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг.1 - изображает схему осуществления способа;
Фиг.2 - изображает схему осуществления варианта способа;
Фиг.3 - показывает схематично устройство размерной классификации полидисперсных материалов;
Фиг.4 - показывает схематично вариант устройства классификации полидисперсных материалов.
Способ размерной классификации полидисперсных материалов в предпочтительном варианте, показанном на Фиг.1, осуществляют следующим образом. В поле действия центробежных сил вдоль направления действия этих сил создают зону классификации 1 (Фиг.1), например, в виде канала в роторе, перпендикулярного оси вращения ротора. Зона 1 классификации имеет последовательно расположенные по ходу действия центробежных сил первый выход 2 для выходного потока с выделенным материалом заданной фракции, то есть частицами, размер которых лежит в заданном диапазоне (первый поток суспензии), и второй выход 3 для потока с частицами материала, размер которых больше заданного. Между указанными выходами расположен первый вход 4 для подачи исходного потока жидкости с полидисперсным материалом и второй вход 5 для подачи жидкости без материала (чистой жидкости).
При этом первый и второй входы 4 и 5 разнесены относительно друг друга вдоль длины зоны 1 классификации, второй вход 5 расположен вблизи второго выхода 3.
доп
вх
На втором выходе 3 создают гидравлическое сопротивление вытеканию потока жидкой среды под действием центробежных сил, например, путем создания проходного сечения второго выхода 3 значительно меньших размеров по сравнению с проходным сечением первого выхода 2 и ширины зоны 1 классификации. В поле действия центробежный сил в зону классификации одновременно подают два потока: через второй вход 5 подают с заданным объемным расходом Q поток 6 жидкости без материала (чистую жидкость); через первый вход 4 подают с заданным объемным расходом Q исходный поток 7 жидкости с полидисперсным материалом (далее по тексту именуемый также «исходная суспензия полидисперсного материала).
В результате создания гидравлического сопротивления на втором выходе 3 поток чистой жидкости в зоне классификации разделяется на два потока: первый поток 8, который течет в направлении, противоположном действию центробежных сил, и второй поток 9 - в направлении действия указанных сил.
Под действием первого потока 8 чистой жидкости исходный поток 7 жидкости, подаваемый с полидисперсным материалом в зону 1 классификации, разворачивается, объединяясь с первым 8 потоком чистой жидкости, образует выходной поток 10, который течет в направлении, противоположном действию сил центробежного поля, и выводится из зоны классификации через первый выход 2.
При этом на частицы полидисперсного материала в зоне классификации действуют центробежные силы и давление выходного потока 10 и первого потока 8 чистой жидкости, которые текут в направлении, противоположном действию центробежных сил.
Для обеспечения выделения из исходного полидисперсного материала заданной фракции формируют объединенный выходной поток 10 и поток 8, текущие в направлении против сил центробежного поля, таким образом, чтобы их скорости были близки к скорости движения частиц заданного размера под действием центробежного поля.
Частицы материала, скорость движения которых под действием центробежной силы меньше, чем скорость движения объединенного выходного потока 10 и потока 8 жидкой среды, движутся под действием этих потоков в направлении против сил центробежного поля вместе с этим потоком и вытесняются ими из зоны классификации через первый выход 2. Частицы материала, скорость движения которых под действием центробежных сил превышает скорость объединенного выходного потока 10 и потока 8, движутся под действием центробежных сил в направлении второго выхода 3 и выводятся из зоны классификации через указанный второй выход 3 вместе с потоком 9.
В результате в зоне классификации формируются три потока суспензии материала: первый объединенный выходной поток 10 и поток 8 с выделенным материалом заданной фракцией, текущие против сил центробежного поля и вытекающие через первый выход 2, и третий поток суспензии (поток 9 жидкости с частицы материала, размеры которых больше заданного), текущий в направлении сил центробежного поля и вытекающий через второй выход 3.
Задавая, в частности, угловую скорость вращения зоны классификации, т.е. определенный уровень центробежных сил, и диаметр зоны 1 классификации, которые в свою очередь задают скорость выходного потока 10 в зоне 1 классификации, обеспечивают размерную классификацию исходного полидисперсного материала, а именно выделение из полидисперсного материала частиц материала с размерами в заданном диапазоне.
Благодаря тому что исходный поток жидкости с полидисперсным материалом, попадая в зону классификации, не разделяется на два потока, как в прототипе, а разворачивается под действием потока 8 чистой жидкости, образованного за счет гидравлического сопротивления форсунки второго выхода, практически исключается попадание мелких частиц (в заданном диапазоне) в поток частиц, которые движутся под действием центробежных сил и выводятся с потоком 9 жидкости через второй выход 3.
При этом первый поток 8 чистой жидкости вытесняет из зоны 1 классификации к первому выходу 2 частицы материала, размер которых меньше заданного и которые попадают в поток частиц большего размера, например, в результате дисперсии или налипания на более крупные частицы.
Таким образом, из подаваемого в зону классификации полидисперсного материала за один цикл, то есть один проход зоны классификации, выделяются все частицы материала заданного размера.
Для более эффективной размерной классификации формируют первый поток чистой жидкости, который течет в направлении против центробежных сил таким образом, чтобы его скорость была близка к скорости движения частиц заданного размера под действием центробежного поля, с тем чтобы скорость объединенного выходного потока 10 была близка к скорости движения частиц заданного размера под действием центробежного поля.
Для обеспечения равенства скоростей потока 8 жидкости, текущего противоположно действию центробежных сил и объединенного выходного потока 10, объемные расходы входных потоков 7 и 6, подаваемых в классификационную зону 1 через первый и второй входы 4 и 5 соответственно, а также объемные расходы выходных потоков 10 и 9 через первый и второй выходы 2 и 3 определяют из условия:
вx
доб
ф
вых
Q+(Q-Q)=Q,
вх
доб
ф
вых
где Q - объемный расход исходного потока 7 жидкости с полидисперсным материалом, подаваемого через первый вход 4; Q - объемный расход потока 6 чистой жидкости, подаваемой через второй вход 5; Q - объемный расход потока 9 жидкости с частицами материала (второго потока суспензии), вытекающего через второй выход 3: Q - объемный расход выходного потока 10 жидкости с материалом выделенной фракции (первый поток суспензии), вытекающего через второй выход:
Наиболее технологичным и простым способом формирования таких потоков является, как показано на Фиг.1, создание потоков разного диаметра, что обеспечивается, например, разделением зоны 1 классификации на две части 11 и 12 разного диаметра, а именно выполнением части 12 зоны классификации (или канала классификации) на участке от второго выхода 3 до первого входа 4 меньшего диаметра, чем диаметр части 11 зоны 1 классификации (канала) на участке от первого входа 4 до первого выхода 2.
доб
ф
вых
2
2
При этом объемный расход чистой жидкости определяют из условия: Q=Q+Q×d/D, где d - диаметр узкой части 12 зоны 1 классификации, D - диаметр широкой части 11 зоны 1 классификации.
Предпочтительно диаметр узкой части 12 принимать в 1,4-4,5 раза меньше диаметра широкой части 11, что уменьшает расход чистой жидкости (поток 8) в 2-20 раз по сравнению с потоком 10 в широкой части 11 (исходя из условий равенства скоростей потоков 10 и 8 в широкой и узких частях 11 и 12 соответственно зоны классификации) и составляет 5-50% от расхода потока 10 в широкой части.
Возможно и иное соотношение диаметров частей зоны классификации, при котором объемный расход потока 8 чистой жидкости в узкой части 12 канала составляет 0,1% до 99.9% от объемного расхода потока 10 в широкой части канала.
Авторами выявлено, что чем меньше процент объемного расхода в узкой части 12, тем выше производительность, но при этом существует вероятность создания избыточной концентрации суспензии в узкой части 11 канала, что приведет к засорению на втором выходе 3.
Поэтому эти параметры выбирают известными расчетными и/или эмпирическими способами исходя из конкретных условий разделения суспензии, в частности в зависимости от вида материала, концентрации, вида интегральной кривой распределения частиц по размерам исходной суспензии, определяющей соотношения мелкой и крупной фракции по границе разделения.
Для обеспечения ламинарного потока жидкости в зоне классификации длину узкой части 12 канала задают равной или больше его диаметра.
Благодаря выравниванию в зоне классификации скоростей потоков 8 чистой жидкости (поток в узкой части 12 канала) и выходного потока 10 (поток в широкой части 11 канал), которое осуществляют разделением зоны классификации на части разного диаметра, все частицы заданной фракции вместе с выходным потоком жидкости вытекают из зоны классификации через первый выход 2, что обеспечивает возможность разделения полидисперсного материала в достаточно узком диапазоне. Как было указано ранее, скорость течения потока жидкости в зоне классификации определяет диаметр разделения частиц. При разных объемных расходах скорости течения потоков в широкой и узкой частях 11 и 12 соответственно одинаковые. Так как скорости потоков 10 и 8 в узкой и широкой частях канала одинаковые, то все частицы в обеих частях 12 и 11 канала находятся в одинаковых условиях, и соответственно частицы меньше диаметра разделения движутся в обеих частях канала внутрь ротора против действия центробежных сил, а более крупные частицы движутся наружу ротора по направлению действия центробежных сил. Если в узкую часть 12 канала попадет мелкая частица, например, из-за диффузии, налипания на более крупные частицы, то она будет вытеснена из канала внутрь ротора потоком 8 чистой жидкости.
Возможно осуществление способа без разделения зоны классификации на части разного диаметра, как показано на Фиг.2. При этом предпочтительно, чтобы объемный расход подаваемой чистой 6 жидкости существенно не превосходил объемный расход потока 9 через второй выход 3. В данном случае подаваемая в зону классификации чистая жидкость 6 создает гидравлическое сопротивление на втором выходе 3, которое разворачивает исходный поток 7 жидкости, подаваемый через первый вход 4 с полидисперсным материалом, в направлении против действия центробежных сил. В результате в зоне классификации образуется объединенный выходной поток 10 жидкости, текущий в направлении против действия сил центробежного поля. При соблюдении условия равенства скоростей потока 10 жидкости, текущего в направлении против сил центробежного поля, и скорости движения частиц заданного размера под действием центробежного поля (или достаточно близких величин скоростей) обеспечивается выделение из полидисперсного материала частиц заданного размера. При этом благодаря тому что исходный поток 7 жидкости разворачивается, количество мелких частиц, выходящих через второй выход 3, будет незначительно, то есть выделение заданной фракции материала из полидисперсного материала осуществляется за один цикл (один проход зоны классификации).
Такой вариант может быть использован при заниженных требованиях к качеству разделения и ограниченных габаритных размерах узла разделения.
В отдельных случаях конструктивного выполнения устройства второй вход может быть распложен практически сразу за первым входом. При этом такое выполнение возможно как при разделении зоны классификации на части разного диаметра, так и при равномерной зоне классификации.
Такой вариант может быть использован при еще более заниженных требованиях к качеству разделения и ограниченных габаритных размерах узла классификации.
Конкретные параметры зоны классификации, а именно диаметры входных и выходных отверстий, диаметр канала классификации, соотношение диаметров широкой и узкой его частей, скорости вращения зоны классификации (уровень центробежных сил) зависят от множества факторов, в том числе от требуемой производительности процесса разделения полидисперсного материала, состава полидисперсного материала, конструктивных особенностей устройства классификации. Параметры зоны классификации могут быть рассчитаны по известным математическим зависимостям итерационным методом.
На Фиг.3 показан предпочтительный вариант выполнения устройства для классификации полидисперсных материалов. Устройство, показанное на Фиг.1, содержит полый ротор 1 с осью 2 вращения, выполненный в виде цилиндрического сосуда, средство 3 подвода к ротору жидкости с полидисперсным материалом (суспензия полидисперсного материала), средство 4 подвода к ротору жидкости без материала (чистая жидкость), средство 5 отвода жидкости с частицами материала заданного размера (суспензии с выделенной фракцией заданного размера), средство 6 отвода жидкости с частицами материала, размер которых больше заданного (суспензии с более крупной фракцией). В полости ротора 1 установлен узел 7 классификации в виде тела вращения.
Наружные стенки узла 7 классификации примыкают к внутренним стенкам цилиндра ротора 1, внутренние образуют полость 8 вдоль оси вращения ротора, совмещенную с полостью ротора. Узел 7 классификации содержит, по крайней мере, один канал 71 классификации, перпендикулярный оси 2 вращения ротора 1. Канал 71 содержит первый в направлении от оси вращения ротора выход 72, открытый в полость 8 ротора 1, и второй выход 73, совмещенный с отверстием в роторе и, например, соединенный со средством 6 отвода из ротора суспензии с более крупной фракцией, расположенный между ними первый вход 74 для подачи суспензии полидисперсных материалов и второй вход 75 для подачи чистой жидкости (без материала), расположенный по ходу действия центробежных сил на расстоянии от первого входа 74, предпочтительно около второго выхода 73 канала 71. Второй выход 73 канала 71 снабжен средством, обеспечивающим уменьшение его диаметра, например, форсункой, установленной, например, в отверстии стенки ротора.
В отдельных случаях конструктивного выполнения устройства второй вход 75 может быть расположен практически сразу за первым входом 74. Например, такое выполнение может быть целесообразно при низких требованиях к параметрам разделения и ограниченных габаритах классификационного узла.
вых
Диаметр первого выхода 72 канала 71 является величиной, взаимосвязанной с объемным расходом Q объединенного выходного потока 9 суспензии с выделенным материалом (первый поток суспензии), который в свою очередь задается производительностью устройства.
вых
част
к
Q=V·S
част
где V - скорость движения частицы в канале 71 классификации под действием центробежного поля вращения ротора, м/с,
к
S - площадь поперечного сечения первого выхода 72 канала 71 классификации.
где, D - диаметр первого выхода 72 канала 71 классификации.
При этом скорость движения частиц под действием центробежного поля вращения ротора можно определить по формуле:
част
где V - скорость частицы, м/с;
d - диаметр частицы, м;
3
Δ - разность плотностей частиц и жидкости, кг/м;
µ - вязкость жидкости, Па·с;
-1
ω - угловая скорость вращения ротора, с;
разд
R - расстояние от оси 2 вращения ротора до первого входа 74 канала 71.
ф
ф
Диаметр отверстия на втором выходе 73 является одним из факторов, задающих объемный расход жидкой среды Q (второй поток 11 суспензии с частицами более крупного размера, чем заданный диапазон), вытекающей через второй выход 73 (форсунку). Соотношение диаметра отверстия на втором выходе 73 и объемного расхода Q второго потока 11 суспензии через форсунку может быть рассчитано по следующей зависимости:
ф
3
где Q - объемный расход второго потока 11 суспензии через второй выход 73, м/с;
ф
µ - коэффициент сужения отверстия на втором выходе 73 (сужение форсунки);
d - диметр отверстия второго выхода 73, м;
-1
ω - угловая скорость вращения ротора, с;
R - расстояние от оси 2 вращения ротора до второго выхода 73 канала 71 классификации (наружный радиус столба жидкости в роторе), м
r - расстояние от оси вращения ротора до первого выхода 72 канала 71 классификации (внутренний радиус столба жидкости в роторе), м;
Канал 71 узла классификации 7 разделен на две части 711 и 712 разного диаметра. Более широкая часть 711 расположена между первым выходом 72 и первым входом 74. За первым входом 74 расположена узкая часть 712 канала 71. Переход 713 между частями 711 и 712 предпочтительно выполнять конусообразным. Конусообразный переход от широкой части 711 к узкой части 712 препятствует осаждению крупных частиц, движущихся ко второму выходу на стенку конуса. Переход между частями может быть и ступенчатым. При этом на границу раздела будет осаждаться крупные частицы материала, которые сформируют обтекаемую поверхность. Однако в данном случае возможен отрыв крупной частицы материала, которая может закрыть форсунку.
Диаметры широкой и узкой частей 711 и 712 канала 71 определяют из условия равенства скоростей потоков в широкой и узкой частях 711 и 712 канала 71.
Длина узкой части 712 канала 71 составляет не менее, а предпочтительно более его диаметра для обеспечения ламинарного потока жидкости в нем.
При этом общая длина канала 71 классификации должна быть минимальной, насколько это позволяет конструкция, для уменьшения соотношения центробежных сил на втором и первом выходах.
Возможно выполнение устройства с каналом классификации одного диаметра по всей длине (не показано). Такое устройство может быть использовано при невысоких требованиям к качеству разделения и ограниченных габаритных размеров узла классификации. Возможно использовать конусную форму канала для компенсации изменения центробежных сил по длине канала.
Первое и второе входные отверстия 74 и 75 могут иметь как круглую форму, так и другую, например, в виде щели. При этом первое входное отверстие 74 должно быть на границе узкой и широкой частей 711 и 712 каналов.
Кроме того, узел 7 классификации содержит первый входной канал 76, выполненный в указанном узле 7 под углом к каналу 71 (в направлении ко второму выходу) и соединенный с первым входом 74 канала 71 и со средством 3 подвода к ротору исходной суспензии полидисперсных материалов, второй входной канал 77, выполненный в указанном узле 7 под углом к каналу 71 (в направлении ко второму выходу), и соединенный со вторым входом 75 канала 71 и со средством 4 подвода к ротору чистой жидкости.
Возможен любой, в пределах до 90°, угол наклона входных каналов, при этом указанный угол выбирается из конструктивных соображений.
Возможно выполнение устройства без наклонных входных каналов, например путем выполнения в узле классификации полостей, соединенных с классификационным каналом. Особенно, такое решение возможно для ввода чистой жидкости, однако для потока суспензии потребуются специальные меры для исключения застойных зон по ходу движения потока, в которых может скапливаться материал и мешать движению потока.
В качестве средств 3, 4 (показаны условно) подвода к ротору 1 суспензии полидисперсных материалов и чистой жидкости могут быть использованы известные конструкции, например форсунки.
Средства 5, 6 (показаны условно) вывода суспензии представляют собой каналы, через которые вытекает суспензия самотеком под действием центробежных сил. Суспензия накапливается в сборниках и далее перекачивается известными способами в устройства дальнейшей переработки.
Возможно выполнение узла 7 классификации с более чем одним каналом 71 классификации, например 2 и более аналогичных каналов с входными каналами, соединенными со средством отвода выходных потоков и средством подвода чистой жидкости и суспензии полидисперсных материалов. Число каналов классификации определяют исходя из производительности системы и конструктивных соображений, при этом желательно выполнять конструкцию, симметричную с противоположно направленными каналами.
Возможно выполнение ротора 1 и узла 7 классификации, при котором узел 7 классификации примыкает к верхней внутренней стенке ротора 1 (Фиг.3). Возможен также вариант выполнения устройства, показанный на Фиг.4, когда над узлом 7 классификации в роторе образована камера 12 для осаждения (сбора) выделенной фракции материала.
Кроме того, устройство снабжено двигателем вращения ротора (не показано). Устройство вращения ротора может быть различным от прямого привода до привода с ременной передачей.
Способ классификации полидисперсных материалов на описанном выше устройстве осуществляют следующим образом.
доб
Чистую жидкость через средство 4 подвода жидкости с заданным объемным расходом Q подают во второй наклонный входной канал 77.
Благодаря действию центробежных сил жидкость через второй вход 75 поступает в канал 71, в узкую его часть 712, в область второго выхода 73.
вх
Исходный поток жидкости с полидисперсным материалом (исходная суспензия полидисперсного материала), который требуется разделить на фракции, через средство 3 подвода суспензии полидисперсного материала подают с заданным объемным расходом Q в первый наклонный входной канал 76. Благодаря действию центробежных сил исходная суспензия через первый вход (первое отверстие) 74 поступает в канал 71 классификации, в широкую его часть 711.
Поскольку проходное сечение второго выхода 73 (выходной диаметр форсунки) меньше диаметра узкой части 712 канала, на втором выходе 73 создается гидравлическое сопротивление поступающему потоку жидкости, поток чистой жидкости разделяется на два потока, один из которых, первый поток 10 жидкости, течет в направлении, противоположном действию центробежных сил, а второй - в направлении действия указанных сил.
Созданное на втором выходе 73 гидравлическое сопротивление и первый поток 10 чистой жидкости, который течет по узкой части 712 канала 71 в направлении, противоположном действию центробежных сил, разворачивает исходный поток жидкости, подаваемый с полидисперсным материалом через первый вход 74, и объединяется с ним с образованием объединенного выходного потока, первого выходного потока 9 суспензии, который несет к первому выходу 72 частицы материла заданного размера.
вх
доб
Объемные расходы Q и Q соответственно подаваемой в канал 71 исходной жидкости с полидисперсным материалом и чистой жидкости и скорость вращения ротора в зависимости от конструктивных характеристик устройства (параметров канала в широкой и узкой частях, внутреннего и наружного столба жидкости в роторе) подбирают таким образом, чтобы скорости текущих в направлении против сил центробежного поля потоков жидкости в широкой и узкой частях канала 711 и 712 были близки скорости частиц материала заданного размера под действием центробежного поля.
В результате частицы заданного размера, скорость которых равна или меньше скорости потока, текущего против действия центробежных сил, выводятся указанным потоком из зоны классификации.
При этом поток 10 жидкости, который течет в узкой части 712 канала 71, вытесняет из указанной узкой части все частицы заданного размера и более мелкие, которые попадают туда из широкой части канала, например, в результате диффузии или налипания на более крупные частицы.
В конструкции устройства, показанной на Фиг.3, поток суспензии с выделенной фракцией через средство 5 отвода выводится из устройства в специальное устройство осаждение, где производится отделение материала от жидкости, например, в известные самовыгружаемые осадительные центрифуги, выбор которых зависит от вида разделяемого материала и размера осаждаемой фракции.
В конструкции устройства, показанной на Фиг.4, поток суспензии с выделенной фракцией попадает в расположенную в роторе над узлом классификации камеру 12 осаждения, где известным способом производится отделение материала от жидкости. Далее выделенный материал удаляется из устройства.
Частицы крупнее заданного диаметра под действием центробежной силы проходят сквозь первый поток жидкости и вместе со вторым потоком жидкости (образуя второй поток суспензии) выходят наружу через форсунку.
Таким образом, полидисперсный материал, подаваемый в канал 71 в виде суспензии, полностью разделяется на заданные фракции за один проход через узел классификации.
Далее приведены примеры расчета параметров разделения полидисперсного материала
Пример 1
1. Расчет параметров разделения суспензии на две части по границе 10 мкм. т.е. на мелкую фракцию -10 мкм и крупную фракцию +10 мкм.
Расчет проводим из условий:
1. Диаметр широкой части канала принимаем равным D=0.01 м (10 мм)
2. Диаметр узкой части канала принимаем равным d=0.003 м (3 мм)
вых
3
3. Принимаем объемный расход жидкости, протекающий и вытекающий через первый выход канала и широкую часть канала, Q=15 см/с
разд
4. Расстояние от оси вращения ротора до границы раздела широкой и узкой частей принимают равным R=0.035 м
ф
5. Расстояние от оси вращения до места расположения форсунки, из которой вытекает второй поток суспензии с объемным расходом Q, принимают равным R=0.05 м
выт
6. Внутренний радиус столба жидкости (расстояние от оси вращения до первого выхода канала, из которого вытекает первый поток суспензии с объемным расходом Q) принимают равным r=0.025 м.
ф
3
7. Объемный расход второго потока суспензии, вытекающего через выходную форсунку, принимают равным Q=12 см/с.
Исходные условия приняты исходя из априорных данных. Метод расчета является итерационным.
доб
ф
вх
доб
ф
вых
Для правильной работы классификационного канала требуется, чтобы скорость потока, текущего в узком канале противоположно действию центробежных сил (Q-Q), была равна скорости объединенного потока в широком канале (Q+(Q-Q)=Q).
Рассчитывают:
1. Скорость вращения ротора
доп
2. Объемный расход чистой жидкости Q, подаваемой в канал через второй вход
ф
3. Диаметр выходной форсунки d
вх
4. Объемный расход исходной суспензии Q, подаваемой в канал через первый вход.
разд
Скорость вращения ротора рассчитывают из условий, что скорость течения потока в широкой части канала внутрь ротора равна скорости движения 10-микронных частиц наружу ротора за счет центробежных сил в широкой части канала (R).
потока
част
V=V
част
где V - скорость частицы, м/с;
d - диаметр частицы, м;
3
Δ - разность плотностей частиц и жидкости, кг/м;
µ - вязкость жидкости, Па·с;
-1
ω - угловая скорость вращения ротора, с;
вых
Q - объемный расход жидкости (первый поток суспензии), протекающей широкую часть канала и вытекающей через первый выход канала;
разд
R - расстояние от оси вращения ротора до границы раздела широкой и узкой частей.
Преобразовав формулу и подставив значения параметров, получаем:
ω=200 рад/с, откуда
n=ω·60/2π=1909 об/мин
доп
Далее рассчитывают Q
доп
выт
ф
Q=Q+Q
выт
вых
2
2
3
Q=Q·d/D=15·0.09=1.35 см/с
Где d - диаметр узкой части канала, D - диаметр широкой части канала.
вых
вх
выт
част
к
Q=Q+Q=V·S
доп
выт
ф
3
Q=Q+Q=1,35+12=13,35 см/с
Рассчитывают выходной диаметр форсунки (диаметр второго выхода) по формуле
ф
Откуда d=1,48 мм
Далее рассчитывают объемный расход исходной суспензии:
вх
вых
выт
3
Q=Q-Q=15-1.35=13,65 см/с
Таким образом, получаем:
1. n=1909 об/мин
доп
3
2. Q=13,35 см/с
ф
3. d=1,48 мм
вх
3
4. Q=13,65 см/с
Пример 2.
2. Расчет параметров разделения полидисперсного материала на две части по границе 5 мкм, т.е. на мелкую фракцию -5 мкм и крупную фракцию +5 мкм. Расчет проводим из условий:
8. Диаметр широкой части канала принимаем равным D=0.01 м (10 мм)
9. Диаметр узкой части канала принимаем равным d=0.003 м (3 мм)
вых
3
10. Принимаем объемный расход жидкости, протекающий и вытекающий через первый выход канала и широкую часть канала, Q=15 см/с
paзд
11. Расстояние от оси вращения ротора до границы раздела широкой и узкой частей принимают равным R=0.035 м
ф
12. Расстояние от оси вращения до места расположения форсунки, из которой вытекает второй поток суспензии с объемным расходом Q, принимают равным R=0.05 м
выт
13. Внутренний радиус столба жидкости (расстояние от оси вращения до первого выхода канала, из которого вытекает первый поток суспензии с объемным расходом Q), принимают равным r=0.025 м.
ф
3
14. Объемный расход второго потока суспензии, вытекающего через выходную форсунку, принимают равным Q=12 см/с
Исходные условия приняты исходя из априорных данных. Метод расчета является итерационным.
доб
ф
вх
доб
ф
вых
Для правильной работы классификационного канала требуется, чтобы скорость потока, текущего в узком канале противоположно действию центробежных сил (Q-Q), была равна скорости объединенного потока в широком канале (Q+(Q-Q)=Q)
Рассчитывают:
5. Скорость вращения ротора
доп
6. Объемный расход чистой жидкости Q, подаваемой в канал через второй вход
ф
7. Диаметр выходной форсунки d
вх
8. Объемный расход исходной суспензии Q, подаваемой в канал через первый вход.
разд
Скорость вращения ротора рассчитывают из условий, что скорость течения потока в широкой части канала внутрь ротора равна скорости движения 5-микронных частиц наружу ротора за счет центробежных сил в широкой части канала (R).
потока
част
V=V
част
где V - скорость частицы, м/с;
d - диаметр частицы, м;
3
Δ - разность плотностей частиц и жидкости, кг/м;
µ - вязкость жидкости, Па·с;
-1
ω - угловая скорость вращения ротора, с;
вых
Q - объемный расход жидкости (первый поток суспензии), текущий по широкой части канала и вытекающей через первый выход канала;
разд
R - расстояние от оси вращения ротора до границы раздела широкой и узкой частей.
Преобразовав формулу и подставив значения параметров, получаем:
ω=400 рад/с, откуда
n=ω·60/2π=3818 об/мин
доп
Далее рассчитывают Q
доп
выт
ф
Q=Q+Q
выт
вых
2
2
3
Q=Q·d/D=15·0.09=0,92 см/с
где d - диаметр узкой части канала, D - диаметр широкой части канала.
вых
вх
выт
част
к
Q=Q+Q=V·S
доп
выт
ф
3
Q=Q+Q=1,35+12=13,35 см/с
Рассчитывают выходной диаметр форсунки (диаметр второго выхода) по формуле
Откуда
ф
d=1 мм
Далее рассчитываем объемный расход исходной суспензии:
вх
вых
выт
3
Q=Q-Q=15-1.35=13,65 см/с
Таким образом, получаем:
5. n=3818 об/мин
доп
3
6. Q=13,35 см/с
ф
7. d=1 мм
вх
3
8. Q=13,65 см/с
Пример 3.
3. Расчет параметров разделения полидисперсного материала на две части по границе 1 мкм, т.е. на мелкую фракцию -10 мкм и крупную фракцию +10 мкм.
Расчет проводим из условий:
15. Диаметр широкой части канала принимаем равным D=0.02 м (20 мм)
16. Диаметр узкой части канала принимаем равным d=0.007 м (7 мм)
вых
3
17. Принимаем объемный расход жидкости, протекающий и вытекающий через первый выход канала и широкую часть канала, Q=7.5 см/с
разд
18. Расстояние от оси вращения ротора до границы раздела широкой и узкой частей принимают равным R=0.035 м
ф
19. Расстояние от оси вращения до места расположения форсунки, из которой вытекает второй поток суспензии с объемным расходом Q, принимают равным R=0.05 м
выт
20. Внутренний радиус столба жидкости (расстояние от оси вращения до первого выхода канала, из которого вытекает первый поток суспензии с объемным расходом Q), принимают равным r=0.025 м.
ф
3
21. Объемный расход второго потока суспензии, вытекающего через выходную форсунку, принимают равным Q=12 см/с
Исходные условия приняты исходя из априорных данных. Метод расчета является итерационным.
доб
ф
вх
доб
ф
вых
Для правильной работы классификационного канала требуется, чтобы скорость потока текущего в узком канале противоположно действию центробежных сил (Q-Q) была равна скорости объединенного потока в широком канале (Q+(Q-Q)=Q).
Рассчитывают:
9. Скорость вращения ротора
доп
10. Объемный расход чистой жидкости Q, подаваемой в канал через второй вход
ф
11. Диаметр выходной форсунки d
вх
12. Объемный расход исходной суспензии Q, подаваемой в канал через первый вход.
разд
Скорость вращения ротора рассчитывают из условий, что скорость течения потока в широкой части канала внутрь ротора равна скорости движения 10-микронных частиц наружу ротора за счет центробежных сил в широкой части канала (R).
потока
част
V=V
част
где V - скорость частицы, м/с;
d - диаметр частицы, м;
3
Δ - разность плотностей частиц и жидкости, кг/м;
µ - вязкость жидкости, Па·с;
-1
ω - угловая скорость вращения ротора, с;
вых
Q - объемный расход жидкости (первый поток суспензии), протекающей широкую часть канала и вытекающей через первый выход канала;
разд
R - расстояние от оси вращения ротора до границы раздела широкой и узкой частей.
Преобразовав формулу и подставив значения параметров, получаем:
ω=700 рад/с,
откуда
n=ω·60/2π=6680 об/мин.
доп
Далее рассчитывают Q
доп
выт
ф
Q=Q+Q
выт
вых
2
2
3
Q=Q·d/D=15·0.09=0.92 см/с
где d - диаметр узкой части канала, D - диаметр широкой части канала.
вых
вх
выт
част
к
Q=Q+Q=V·S
доп
выт
ф
3
Q=Q+Q=0.92+12=12,92 см/с
Рассчитывают выходной диаметр форсунки (диаметр второго выхода) по формуле
откуда
ф
d=0.8 мм.
Далее рассчитываем объемный расход исходной суспензии:
вх
вых
выт
3
Q=Q-Q=15-0.92=14.08 см/с
Таким образом, получаем:
9. n=6680 об/мин
доп
3
10. Q=12.92 см/с
ф
11. d=0.8 мм
вх
3
12. Q=14.08 см/c.