УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ НАНОПОРОШКОВ
DEVICE FOR CATCHING OF NANOPOWDERS

Изобретение относится к устройствам для улавливания частиц нанопорошков металлов, их оксидов, сплавов и т.п., предназначенных для использования в качестве активных наполнителей в полимерных и композитных материалах.
Известны способ и устройство для получения нанопорошков в плазменных электродуговых реакторах. Исходный порошкообразный материал испаряют в высокотемпературной зоне плазмы в испарителе, затем осуществляют процесс закалки и конденсации испарившихся частиц и их улавливание на фильтрах (пат. РФ 2207933, МПК В22F 9/12, 10.07.2001).
К недостаткам данного устройства можно отнести забивку фильтра порошком, частую смену фильтрующего материала, а также использование двух фильтров для более полного улавливания порошков.
Известно устройство для улавливания порошков с размерами частиц менее 1 мкм, в котором улавливание осуществляют через плотные лавсановые фильтры. Выгрузку порошка из тканевых фильтров проводят встряхиванием, затем его собирают в бункере-накопителе (пат. РФ 2238174, МПК В22F 9/14, 30.09.2003).
К недостаткам известного устройства можно отнести забивку фильтров и частую выгрузку порошка, что приводит к снижению производительности работы реактора.
Для улавливания мельчайших частиц порошка применяются возвратно-поточные циклоны, в которых улавливание частиц из газового потока осуществляется под действием центробежных сил, возникающих вследствие вращения потока в корпусе аппарата (Гордон Г.М., Пейсахов И.Л. Пылеулавливание и очистка газов. Металлургиздат. - М., 1958). Эти аппараты способны уменьшить частоту выгрузки с фильтров и обеспечить выделение узкой фракции нанопорошков, что позволяет увеличить время непрерывной работы плазменного электродугового реактора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению, взятый нами за прототип, является циклон для улавливания микронных и субмикронных частиц порошка, который состоит из корпуса с суживающейся книзу конической частью и люком для выгрузки порошка, наклонного под углом 5-25° патрубка в верхней части корпуса, через который подается порошок, и патрубка для подачи газа из компрессора в тангенциальном направлении к внутренней стенки цилиндрической части (JP 2006102657 A, МПК В04С 5/04, 06.10.2004).
2
К недостаткам описанного устройства можно отнести то, что его трудно использовать при улавливании субмикронных порошков, получаемых в плазменном электродуговом реакторе, так как для обеспечения вращения газового потока внутри циклона смесь газа с порошком вводится в циклон одновременно с автономным вводом чистого газа со стороны, противоположной к вводу газопорошковой смеси. Из электродугового реактора порошок и газ идут единым потоком со скоростью 2500 л/мин (что требуется для быстрого охлаждения паров и закалки порошка), в то время как скорость подачи порошка в описанном циклоне составляет всего 750 л/мин. Кроме того, улавливанию подвергались порошки с размером частиц 290-970 нм и удельной поверхностью 2,8 м/г, о возможности улавливания порошков с частицами меньшего размера в предложенном циклоне неизвестно.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для улавливания частиц порошков размером 50-250 нм, увеличение производительности за счет непрерывной работы реактора, улучшение качества порошков, повышение экономичности.
Для решения поставленной задачи предложено устройство для улавливания нанопорошков металлов, их оксидов, сплавов и т.п., содержащее корпус в виде цилиндрической возвратно-поточной камеры с конусообразным днищем, патрубок для ввода смеси газа и порошка, тангенциально присоединенный к камере, верхний патрубок для выхода очищенного газа, установленный в верхней части камеры, патрубок для вывода частиц порошка, размещенный внизу днища камеры и соединенный с ним сборник порошка, отличающееся тем, что соотношение внутреннего диаметра (D) возвратно-поточной вихревой камеры и диаметра (d) верхнего патрубка для вывода очищенного газа составляет D:d≥3.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. В существующих циклонах газовый вихрь представляет собой квазитвердое вращение, т.е. V/R=const,
где V - скорость вихря,
R - радиус камеры, т.е. скорость в любой точке потока одинакова.
Если D:d<3, то любая турбулентность или пульсации, вносимые входным газом, не подавляются, в лучшем случае сохраняются, а то и усиливаются. Поэтому все существующие циклоны критичны к входному патрубку (течение газа на входе стараются сделать как можно спокойнее, т.е. ламинарным), который должен создавать условия ламиниризации входного потока.
2
y
В предлагаемом устройстве при отношении внутреннего диаметра возвратно-поточной камеры к диаметру патрубка для вывода очищенного газа D:d≥3 в камере создается устойчивое вихревое течение с наибольшей скоростью вращения на границе с диафрагмой, т.е. на внешней стенке выходного патрубка, при этом вихревой поток подчиняется закону сохранения импульса, где V·R=const. В этом случае, чем ближе поток к центральной части аппарата, т.е. чем меньше текущий радиус камеры R, тем больше скорость потока. При таком распределении скоростей можно добиться очень больших центробежных сил за счет больших ускорений, размеров устройства и входных скоростей, т.к. Gy=V:R, где G - центробежное ускорение.
2
2
При входной скорости 50 м/с, диаметре камеры 0,2 м и выходном диаметре патрубка 0,025 м центробежное ускорение составит Gy=(50):0,025=100000 м/с.
Предложенное устройство при таких параметрах позволяет улавливать 50% частиц с размерами 50 нм и 65-70% частиц со средним размером 60-85 нм. На фиг.1 представлен общий вид устройства.
Устройство включает в себя корпус 4, состоящий из возвратно-поточной вихревой камеры 1 и конусообразного днища 2, патрубок 3 для вывода частиц порошка, верхний патрубок 5 для выхода очищенного газа, патрубок 6 для ввода смеси газа и порошка, сборник порошка 7.
На фиг.2 представлены внутренний диаметр (D) возвратно-поточной вихревой камеры и диаметр (d) патрубка для выхода очищенного газа.
Смесь газа с частицами порошка со скоростью 60 м/с и температурой 60°С через патрубок 6 поступает в возвратно-поточную вихревую камеру 1 и, приобретая вращательное движение, опускается по спирали вдоль внутренних стенок камеры и конусообразного днища 2. В центральной зоне камеры газовая смесь освобождается от частиц порошка, очищенный газ направляется в верхнюю часть камеры, а затем выводится через патрубок 5, при этом частицы порошка, осаждающиеся на стенках камеры и днища, стекают вниз и через выходной патрубок 3 попадают в сборник 7.
Представленные в таблице данные свидетельствуют о том, что предлагаемое устройство позволяет улавливать до 75% частиц порошка.