СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ АЭРОСУСПЕНЗИИ, РОТОКЛОН
METHOD FOR SEPARATION OF AEROSUSPENSION, ROTOCLONE

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к сухому разделению аэросуспензий, в частности к отделению воздуха от пыли и дыма, в угольной, машиностроительной, строительной и других отраслях.
Уровень техники.
-9
Аэросуспензиями принято называть аэрозоли, которые образуются при механическом измельчении твердых тел: дроблении, истирании, взрывах. К ним относят и дым, образующийся при горении. Они представляют собой дисперсные системы, состоящие из мелких твердых частиц, взвешенных в газовой среде. Дисперсность аэросуспензий может приближаться к 10 м. Кроме дисперсности они характеризуются концентрацией (весовая концентрация - количество дисперсной фазы в единице объема, или частичная концентрация - число частиц в единице объема).
Образование аэросуспензий не является прерогативой деятельности человека. В природе постоянно происходят процессы, следствием которых оно является, начиная с пыльных бурь и кончая разносимой ветром пыльцы, спор растений и простейших живых организмов. Освобождение воздуха от взвешенных частиц необходимо ввиду взрывоопасности тех или иных ее ингредиентов (мучная, угольная и др. пыли), загрязнения продукции производств, негативных воздействий на организм человека.
Широкое применение при сухой газоочистке получили методы, основанные на фильтрации аэросуспензий через пористые фильтры. Одним из недостатков такого рода фильтров является непостоянство их рабочих параметров. Отмечается, что «…пока фильтр частично не забит пылью, он малоэффективен по отношению к мелким частицам» (Краткая химическая энциклопедия, М., 1961, т.1, С.743-746).
-6
Распространенным аппаратом для сухой газоочистки является циклон (там же рис.1), способный выводить из газового потока частицы размером от 5•10 м и более. При этом достигается извлечение от 30 до 86% таких частиц за счет увеличения коэффициента гидравлического сопротивления с 60 до 180 (таблица 1). Получили применение и батарейные циклоны (рис.2, таблица 2).
В зарубежной практике нашли применение для улавливания сухой пыли ротоклоны. Их действие основано на использовании центробежной силы, развивающейся при вращении специального ротора внутри корпуса, в который подают аэросуспензию. Частицы пыли действием центробежной силы отбрасываются к стенкам корпуса и выводятся наружу, а очищенный газ проходит по назначению. Их недостаток в том, что очищенный газ выносит с собой и частицы, не осевшие на стенки корпуса, т.е. по эффективности ротоклоны сопоставимы с циклонами.
-6
В патенте RU 2293761 автора Рожкова И.С. (RU) в п.1 формулы указано, что «вдоль внешнего периметра кругового кольца на небольшом удалении от края снизу крепят цилиндрическую сетку». Круговое кольцо приводится во вращение электродвигателем. В описании указано, что при выбранных параметрах двигателя, сетки и скоростей потока пара капли продукта диаметром, большим 6,2•10 метра, не смогут пройти в полость подвижной сетки, а для равного диаметра шанс проскочить сетку не превышает 0,6% (прототип).
Таким образом, в указанном прототипе мы находим ротор особой конструкции, корпус, фильтрацию через ячейки вращающейся сетки и использование центробежной силы. Однако он применен для разделения аэроэмульсий.
-9
-6
В целом можно констатировать, что наличный уровень способов и устройств сухой газоочистки не включает в себя диапазон размеров частиц от 10 до 10 метра, характеризуется высоким значением гидравлического сопротивления и сравнительно небольшой производительностью.
Машину для сжатия и подачи воздуха под давлением называют компрессором. Известны поршневые, центробежные и центростремительные компрессоры. По направлению движения газа в двух последних видах будем различать осевые (газ перемещают параллельно оси вращения), радиальные (газ перемещают в направлении, перпендикулярном оси) и радиально-осевые центростремительные компрессоры. В последнем случае газ действием лопастей компрессора нагнетается в приосевую область, из которой перемещается параллельно оси вращения.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом данной группы изобретений является повышение эффективности способов и машин для сухого разделения аэросуспензий на очищенный газ и пыль, сдвиг границы дисперсности улавливаемой пыли с микро- на наноразмер.
1. Достижение указанного технического результата обеспечивается фильтрацией через движущуюся сетку с использованием действия центробежных, центростремительных сил, сил тяжести и инертности пыли, различия условий конденсации компонентов аэросуспензии. При этом поток аэросуспензии направляют параллельно оси вращения ротора сверху вниз. Очищенный газ сжимают в приосевой полости ротора и выводят по назначению. В пространстве около сетки создают разрежение газа.
2. Машиной, осуществляющей выполнение указанных действий, является ротоклон с сеткой. Он включает в себя круглый цилиндрический корпус, ротор полости распределения и разделения аэросуспензии, полость отвода пыли, патрубки подачи аэросуспензии, отвода очищенного газа, пыли и двигатель с удлиненным валом, введенным в полость разделения аэросуспензии, где на нем крепят дно ротора в виде диска и его крышку в виде кругового кольца. Полости распределения, разделения и отвода сообщают кольцевыми щелями. При этом обечайку ротора выполняют сетчатой, между дном и крышкой ротора закрепляют лопасти радиально-осевого центростремительного компрессора, в полости разделения пыль удаляют скребками, перемещаемыми ободом.
Краткие пояснения таблицы и графических материалов
В таблице представлены значения величин: средней квадратичной скорости молекул (ū); средней длины свободного пробега (l); числа столкновений молекулы в единицу времени (v) и размера газовых молекул (σ), найденного из коэффициента вязкости. В ней воспроизведены данные, приведенные в таблице 2-54 первого тома «Краткого физико-технического справочника» под общей редакцией К.П.Яковлева (Госиздат, М., 1960, С.331). Надобность таблицы обусловлена несовпадением данных в различных источниках (сравни с таблицей Дж. Кэй и Т. Лэби «Таблицы физических и химических постоянных», Госиздат, 1962, С.45), что может затруднить восприятие примеров.
Чертеж представляет осевой разрез ротоклона с сеткой. Помимо общепринятых цифровых обозначений применен показ направлений движения аэросуспензии и ее компонентов стрелками. Стрелки: а) с округлым оперением указывают направление движения аэросуспензии; б) без оперения - направление движения очищенного газа; в) с квадратным оперением - направление движения пыли.
Осуществление группы изобретений
н
n
n
н
1. При хаотичном движении нормальную скорость (перпендикулярную к оси вращения) имеет лишь некоторая часть частиц и молекул. Направив аэросуспензию нормально к оси вращения ротора, мы будем иметь вероятность прохождения сетки частицей выбранного размера, равную W. При параллельном движении аэросуспензии вероятность ее прохождения равна W. Очевидно, что W меньше W, что подтверждает существенность соответствующего отличительного признака п.1 формулы группы изобретений.
Значим и момент направления потока аэросуспензии сверху вниз. Пройдя внутрь полости ротора или будучи отраженной сеткой, частица по инерции в полости ротора сохранит тенденцию движения к его дну, как и вне ротора к низу полости. В результате увеличивается ее путь и соответственно вероятность агрегатирования.
Разрежение газа в пространстве около сетки позволяет реализоваться потенции газа к расширению. Сжатие газа в приосевой полости ротора, в известной части формирующее эту потенцию, обеспечивает вывод очищенного газа из полости ротора.
2. На чертеже представлен осевой разрез ротоклона, включающий корпус 1 в форме кругового цилиндра. Полость корпуса разделена на кольцевую полость 2 распределения аэросуспензии, полость 3 разделения аэросуспензии, полость 4 отвода пыли и двигатель 5 с удлинителем вала 6.
Кольцевая полость распределения аэросуспензии образована внутренней поверхностью стенки корпуса, его крышкой 7, крышкой полости разделения 8 и поверхностью врезанного в крышку 8 патрубка 9 с фланцем отвода очищенного газа. В крышку полости врезан патрубок 10 с фланцем для подачи аэросуспензии.
Полость разделения аэросуспензии образована стенками корпуса, крышкой полости разделения и дном 11. Крышка этой полости и ее дно образуют вдоль своих периметров со стенкой корпуса кольцевые щели. Кольцевая щель 12 крышки полости обеспечивает равномерное по ее протяженности поступление аэросуспензии из полости распределения в полость разделения. Кольцевая щель 13 дна полости обеспечивает проход пыли, оседающей на стенках полости при разделении аэросуспензии, в полость отвода ее.
Удлинитель вала посредством подшипника 14 сочленен с патрубком отвода очищенного газа и подшипника 15 - с дном полости разделения. В полости разделения на удлинителе вала двигателя закрепляют дно 16 в виде диска и крышку 17 ротора в виде кругового кольца. Между ними крепят лопасти 18 радиально-осевого центростремительного компрессора. В качестве обечайки ротора применяют мелкоячеиетую сетку 19. Удаление пыли со стенок полости разделения ведут скребком обода 20, размещенного в пазу верха полости разделения. Обод перемещают в пазу червячной парой, приводимой в действие через прорезь в корпусе электродвигателем, закрепленным вне полости. Удаление пыли из полости отвода ведут через патрубок с фланцем 21.
3. На процесс разделения аэросуспензий влияют параметры, характеризующие и сетку, и аэросуспензию. Одним из таких параметров для сетки является линейная скорость ее движения, которую определяют из формулы:
,
s
где v - линейная скорость сетки (м/с);
R - удаленность сетки от оси вращения (м);
n - число оборотов сетки за единицу времени (об/с).
Значимым параметром является размер ячейки сетки в направлении вращения. Обозначим его l. Помимо размера ячейки сетки для оценки ее эффективности нам понадобится знание толщины (диаметра) проволоки сетки, которую обозначим d.
-10
-9
Поток аэросуспензии, направляемый в пространство между сеткой и стенкой корпуса, составлен из частиц двоякого рода. Прежде всего, это молекулы газа и испарившихся твердых частиц. Размеры молекул очень малы. Например, диаметр молекулы азота оценивается в 3,5÷3,7 Å (1 Å=10 м), что позволяет полагать размер этой группы частиц воздуха, меньшим 10 метра.
-6
3
-3
И молекулы газа, и частицы пыли находятся в постоянном движении. Различие в характере их движения обусловлено, прежде всего, различием их масс. Чем больше масса, тем меньше средняя скорость движения частиц такой массы. Скорости молекул зависят от температуры и подчиняются максвелловскому распределению молекул по скоростям. Например, при нормальных условиях (0°С и 760 мм рт.ст.) молекула углекислого газа имеет среднюю квадратичную скорость, равную 390 м/с. Молекула водорода, в тех же условиях - 1840 м/с. Пылинка размером 1·10 м имеет массу, многократно превышающую массу молекулы водорода, и потому ее скорость соответственно меньше скорости молекул любого из газов, если полагать ее подчиняющейся распределению скоростей Максвелла. Для такой частицы при плотности 1000 кг/м и нормальных условиях средняя квадратичная скорость равна 5·10 м/с. Такая частица перемещается со скоростью потока газа.
Второй момент, различающий характер движения частиц пыли и молекул, состоит в том, что молекулы соударяются упруго, тогда как нейтральные или разноименно заряженные частицы пыли при столкновениях агрегатируют в более крупные.
Отбрасывая частицы пыли действием ротора к стенкам корпуса ротоклона, повышают концентрацию их у стенок. Этим способствуют увеличению вероятности столкновения, то есть возрастанию скорости осаждения. При этом в установившемся режиме концентрация пыли в пространстве, примыкающем к сетке, уменьшается, однако хаотичное движение молекул постоянно вводит в него частицы, не успевшие укрупниться. По этой причине отбор газа непосредственно из пространства около ротора недостаточно эффективен. Он сопоставим с эффективностью циклона, в котором реализуют аналогичный «отбор».
p
При отборе газа из полости ротора ему необходимо пройти через движущуюся сетку. Величина нормальной составляющей скорости частиц и молекул суспензии υ должна быть такой, чтобы частица или молекула за время смены ячейки τ успела пройти путь, равный половине толщины проволоки сетки, то есть 0,5d. В предположении, что проволока круглая, если она преодолеет это расстояние, то будет отброшена внутрь полости ротора, если нет, то будет отброшена к стенке корпуса. Следовательно:
s
Но τ равно и частному от деления размера ячейки сетки l на линейную ее скорость v, из чего с учетом уравнения (1) следует, что:
.
Идентичность левых частей уравнений (2) и (3) позволяет записать, что
p
0,5d/υ=l/2πRn, откуда:
,
p
где υ - скорость частицы (м/с);
π - постоянное число, равное 3,14…;
R - радиус сетки ротора (м);
d - диаметр проволоки сетки (м);
n - число оборотов ротора в единицу времени (об/с);
l - размер ячейки сетки (м).
Таким образом, для всех компонентов аэросуспензии критической является нормальная составляющая их скорости. Если эта скорость меньше следующей из уравнения (4), то частица не сможет преодолеть сетку при сколь угодно малом ее размере.
Поскольку в правой части уравнения все величины характеризуют параметры ротора, то возможность через их значения оценивать достаточную для преодоления сетки скорость частиц представляется значимой. Более того, полагая статистически равномерным распределение частиц в пространстве перед ячейкой сетки с учетом их размеров, можно оценивать в процентах их долю, прошедшую через сетку. И, наконец, распределение Максвелла включает в себя широкий спектр значений скоростей. Та часть спектра, скорости которой не достигают значений, определяемых уравнением (4), будет задержана.
При этом значимо и направление ввода аэросуспензии в пространство между стенкой корпуса и сеткой ротора устройства. Очевидно преимущество ее ввода в осевом направлении. Результатом ее контакта с сеткой ротора является обретение скорости, направленной по касательной к траектории места контакта. Действием потока газа результирующая скорость будет направлена под острым углом к образующей цилиндра корпуса, то есть путь частицы больше удаленности точки контакта от стенки корпуса, благодаря чему возрастает вероятность агрегатирования. Средняя скорость молекул превосходит скорость сетки. Они либо получают импульс в том же направлении, что и частицы, либо проходят в полость ротора. Оба эти процесса уменьшают концентрацию молекул в пространстве около сетки, чем увеличивают длину их свободного пробега.
Примеры оценки эффективности ротоклона
3
2
4. Примем, что ротоклон применен для очистки газа цементного производства с объемом аэросуспензии 10 м/с. При радиусе сетки 0,5 м и высоте 0,3 м ее площадь составит 0,94 м, а скорость потока аэросуспензии должна быть порядка 10,6 м/с. Скорость пыли примерно равна скорости потока аэросуспензии.
-4
-3
p
Для приведения ротора в движение выберем синхронный двигатель с числом оборотов 3000 об/мин, т.е. n=50 об/с, диаметр проволоки сетки d=5·10м, а l=2·10 м. Подставив в уравнение (4), имеем υ=19,6 м/с. Очевидно, что ни одна из частиц, имеющих скорость 10,6 м/с, в полость ротора проникнуть не сможет. Разумеется, это заключение не является безусловным по ряду причин. Во-первых, скорость в 10,6 м/с найдена без учета наличия сетки, которая сокращает площадь и потребует или увеличения скорости потока, или уменьшения производительности устройства, или увеличения высоты сетки и пр. Эти «или» легко учесть более детальными расчетами.
8
5. Есть моменты, которые должны отрабатываться опытным путем. Например, каждая молекула азота, кислорода и углекислого газа при нормальных условиях испытывает около 5·10 столкновений в секунду. Ничто не мешает такой молекуле, учитывая направленность потока аэросуспензии и его разреженность в околосеточном пространстве, «втащить» частицу размером в 10 Å в ячейку сетки. Хаотичность характера движения молекул предопределяет равновероятность наличия скоростей по всем возможным направлениям, в том числе и нормальном. Вероятность реализации такого рода явлений может быть оценена по весовой концентрации частиц в аэросуспензии и очищенном газе.
-5
5
Из уравнения (3) можно найти время периода смены ячеек сетки (τ). τ=1,3·10 с или частоте 0,8·10. Эта частота сопоставима с частотой столкновений молекул. Ее можно изменять, меняя параметры сетки, как и частоту столкновений молекул, изменением температуры и степени разрежения. Влияние этих изменений на производительность ротоклона, его селективность значимо.
Проведенное рассмотрение показывает, что ротоклон с сеткой не может гарантировать полное исключение прохода наночастиц. Однако позволяет полагать, что значимая их часть, при достаточной экспериментальной проработке, может быть задержана.
3
В местах массового скопления людей (зрелищные, лечебные, учебные учреждения, метрополитен, иные транспортные средства) может быть рекомендована очистка воздуха ротоклоном. Например, при производительности 10 м/с и потребности человека 1 литр/с, рассмотренный в четвертом примере ротоклон может обеспечить 10 тысяч человек очищенным воздухом.
Таблица
Молекула газа
ū
1
v
σ<sub>η</sub>,
Азот
490 м/с
9,4·10<sup>-10</sup> м
5,0·10<sup>8</sup> с<sup>-1</sup>
3,7·10<sup>-10</sup> м
Аргон
410 м/с
10,1·10<sup>-10</sup> м
4,0·10<sup>8</sup> с<sup>-1</sup>
3,5·10<sup>-10</sup> м
Водород
1840 м/с
17,8·10<sup>-10</sup> м
10,0·10<sup>8</sup> с<sup>-1</sup>
2,6·10<sup>-10</sup> м
Гелий
1310 м/с
28,1·10<sup>-10</sup> м
4,3·10<sup>8</sup> с<sup>-1</sup>
2,3·10<sup>-10</sup> м
Кислород
460 м/с
10,2·10<sup>-10</sup> м
4,4·10<sup>8</sup> с<sup>-1</sup>
3,6·10<sup>-10</sup> м
Окись углерода
490 м/с
9,4·10<sup>-10</sup> м
4,7·10<sup>8</sup> с<sup>-1</sup>
3,7·10<sup>-10</sup> м
Углекислота
390 м/с
6,1·10<sup>-10</sup> м
6,0·10<sup>8</sup> с<sup>-1</sup>
4,4·10<sup>-10</sup> м