Способ гидровихревой классификации микро-наночастиц и устройство для её осуществления
METHOD FOR HYDRO-VORTEX CLASSIFICATION OF MICRO-NANOPARTICLES AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам классификации микро-наночастиц техногенных минеральных отходов (ТМО) и устройствам для их реализации, т.е. к классификаторам.
Одним из сдерживающих факторов повышения эффективности классификации микро-наночастиц ТМО является недостаточное совершенство техники и технологии, главным образом неэффективность формирования узкого диапазона улавливаемых фракций частиц микро- и наноразмера (Давыдов С.Я., Апакашев Р.А., Корюков В.Н. Улавливание наноразмерной фракции частиц глинозёмного производства, новые огнеупоры. 2016. №2. С. 12–15).
d
d
ч
m
-6
Применение микро-наночастиц ТМО в качестве модифицирующих добавок позволяет получать материалы с уникальными свойствами. Так, использование нано-порошков актуально при создании тугоплавких дисперсно-упрочненных композиционных материалов (Гордеев Ю.И. Влияние добавок легирующих керамических наночастиц на структурные параметры и свойства твердых сплавов / Ю.И. Гордеев, А.К. Абкарян, Г.М. Зеер [и др.] // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2013. № 3. С. 174‒181). Однако для их производства требуемый оптимальный размер наночастиц и их дисперсия находятся в диапазоне:  = (0,1 – 6)∙10 м; 3σ = 0,2.
Известен способ гидравлической классификации микро-наночастиц ТМО путём сепарации и коагуляции гидрофильных частиц с последующим выпадением коагулированных частиц в бункер и направлением оставшихся гидрофобных частиц в верхний патрубоксепаратора (Патент RU 2696732, опубл. 05.08.2019. Бюл. №22).
Однако вышеуказанный способ классификации микро-наночастиц ТМО путём их сепарации и коагуляции не позволяет управлять размером, дисперсией поступающих в бункер микро-наночастиц ТМО, поскольку гидрофильность частиц ограничена диаметром не менее  м.
Наиболее близким по исполнению к предлагаемому способу классификации микро-наночастиц ТМО путём классификации и коагуляции гидрофильных частиц с последующим выпадением коагулированных частиц в бункер и направлением оставшихся гидрофобных частиц в верхний патрубоксепаратора является способ, реализованный в гидровихревом классификаторе, состоящем из устройства для формирования псевдокипящего слоя микро-наночастиц ТМО, загрузочного питателя, смесительной камеры с пористой газораспределительной перегородкой, патрубка для подачи сжатого воздуха, хонейкомба для выравнивания скорости движения микро-наночастиц ТМО и аэратора для подачи жидкости под давлением в гидровихревые форсунки, закручивающие капли жидкости вокруг вектора скорости их поступательного движения (Макаров В.Н., Макаров Н.В., Потапов В.В., Горшкова Э.М. Перспективный способ повышения эффективности высоконапорного гидрообеспыливание. Вестник ЗабГУ.2018.Т.24 №5.С.13-20; Макаров В.Н., Косарев Н.П., Макаров Н.В., Угольников А.В., Лифанов А.В. Эффективная локализация взрывов угольной пыли с использованием гидровихревой коагуляции. Вестник пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело № 2, Т. 18, 2018. С. 178–189).
Жёсткие требования классификации по дисперсии медианных размеров микро-наночастиц ТМО обусловливают необходимость поиска способов и технических средств, которые в условиях вероятностного распределения физико-механических, геометрических, кинематических параметров микро-наночастиц ТМО могут эффективно их достигать. Для обеспечения качественного сырья в производстве материалов с уникальными свойствами необходима технология, в которой управляющее внешнее воздействие на процесс классификации по медианным размерам и их дисперсии будет автомодельно, т.е. независимо от вероятностных характеристик физико-механических свойств микро-наночастиц ТМО и регулируемо.
Таким условиям в части автомодельности соответствует технология классификации посредством закрутки капель жидкости вокруг вектора поступательной скорости их движения, т.е. гидровихревая классификация.
При гидровихревой классификации за счёт диффузии завихрённости в зоне контакта капли вращающейся жидкости и микро-наночастиц ТМО формируется присоединённый вихрь, энергия которого влияет на угол смачивания, т.е. влияет на минимальный диаметр коагулируемых микро-наночастиц ТМО.
Регулирование энергией присоединённого вихря за счёт давления жидкости, подаваемой из аэратора в гидровихревые форсунки, позволяет управлять медианным диаметром классифицируемых микро-наночастиц ТМО.
Данный способ гидровихревой классификации заключается в использовании управления медианным диаметром микро-наночастиц ТМО путём закрутки капель жидкости вокруг вектора их поступательного движения в гидровихревых форсунках при постоянном давлении жидкости, подаваемой в них из аэратора, создания присоединённого вихря, увеличение энергии которого позволяет уменьшать медианный диаметр коагулируемых микро-наночастиц ТМО, то есть управлять размерами микро-наночастиц ТМО, поступающих в бункер.
Методологической основой этого способа классификации микро-наночастиц ТМО является экспериментально доказанная научная гипотеза о корреляции минимального диаметра коагулированных микро-наночастиц ТМО с угловой скоростью вращения капель жидкости при гидровихревой коагуляции.
Коэффициент вариации минимального диаметра коагулируемых микро-наночастиц ТМО от угловой скорости вращения капель жидкости авторами данной заявки на изобретение получен в виде:
, (1)
где: С(А, f) - коэффициент динамичности коагуляции, зависящий от амплитуды и частоты колебаний кинематических параметров вращающихся капель жидкости;
V
ж
, ;
V
V
V
ж
г
ч
,  =  - скорость капли жидкости и скорость газа, равная скорости частицы, м/с;
- угловая скорость вращения капли жидкости,;
ч
г
3
ρ, ρ - плотность микро-наночастиц ТМО и газа соответственно, кг/м;
ж-г
2
δ - коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела капли жидкости и микро-наночастиц ТМО, Дж/м;
θ - краевой угол смачивания на границе раздела капли жидкости и микро-наночастиц ТМО, рад;
- коэффициент влияния угловой скорости вращения капли жидкости на минимальный диаметр поглощаемых микро-наночастиц ТМО;
ж
3
ρ - плотность капли жидкости, кг/м;
d
чmin
ж
- минимальный диаметр поглощаемой микро-наночастиц ТМО при ω = 0, м.
Из уравнения (1) следует, что угловая скорость вращения капель жидкости может быть эффективным управляющим параметром в процессе гидровихревой классификации микро-наночастиц ТМО по их медианному диаметру, то есть по размерам. При этом угловая скорость вращения капель жидкости зависит от давления жидкости, подаваемой из аэратора в гидровихревые форсунки. Отличительной особенностью гидровихревой классификации является её высокая чувствительность к медианному размеру микро-наночастиц ТМО поскольку, минимальный диаметр поглощаемых микро-наночастиц ТМО существенно зависит от угловой скорости вращения капель жидкости, то есть давления жидкости, подаваемой из аэратора в гидровихревые форсунки, которое в данном случае является управляющим параметром.
На фиг. 1 представлен результат экспериментальных исследований и их сравнения с расчётами по предложенной математической модели при коэффициенте динамичности коагуляции C(A,f) = 1, то есть при постоянном давлении жидкости, подаваемой из аэратора в гидровихревые форсунки: А=const, и частоте колебаний кинематических параметров вращающихся капель жидкости f=0, где каждая из трех кривых соответствует динамике изменения коэффициента вариации минимального диаметра поглощаемых частиц компонентов  от угловой скорости вращения  при гидровихревой гетерокоагуляции, в частности, кривая 1 соответствует распределению результатов для частиц угля, кривая 2 – для частиц окиси кремния, а кривая 3 – для частиц глинозема.
Из анализа графиков, приведённых на фиг. 1, видно, что с увеличением угловой скорости вращения капель жидкости во всем рассматриваемом диапазоне изменения коэффициента вариации минимального диаметра поглощаемых микро-наночастиц ТМО от угловой скорости вращения при гидровихревой коагуляции  имеет отрицательное значение, т.е. гидровихревая коагуляция способствует уменьшению медианного диаметра коагулируемых (полностью поглощаемых) микро-наночастиц ТМО, при этом производная  от  с ростом ω уменьшается. Монотонность, идентичность характера изменения коэффициента вариации  для различным по физико-механическим свойствам микро-наночастиц ТМО подтверждает гипотезу о корреляции минимального диаметра коагулируемых микро-наночастиц ТМО с угловой скоростью вращения капель жидкости при гидровихревой коагуляции. При этом эффективность влияния угловой скорости вращения капель жидкости на снижение минимального диаметра поглощаемых частиц компонентов тем выше, чем меньше удельная энергия поверхностного натяжения микро-наночастиц ТМО, т.е. чем больше краевой угол смачивания.
m
dm
ж
m
dm
V
Однако вышеуказанный способ гидровихревой классификации микро-наночастиц ТМО не позволяет раздельно управлять медианными диаметрами d и их дисперсией σ микро-наночастиц ТМО, поскольку технически обеспечивает фиксированное, заранее заданное значение давления жидкости в аэраторе и соответственно постоянное значение угловой скорости вращения  и поступательной скорости , определяющей расход жидкости на выходе из гидровихревых форсунок, и как следствие заданное значение медианного диаметра d и жёстко коррелирующее с ним значение дисперсии σмикро-наночастиц ТМО, поступающих через коллектор классификаций в бункер сбора, что ограничивает возможности использования микро-наночастиц ТМО для материалов с заданными уникальными свойствами.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в использовании способа раздельного управления медианными диаметрами и их дисперсией микро-наночастиц ТМО путём регулировки амплитуды и частоты изменения давления и расхода жидкости, подаваемой из аэратора в гидровихревые форсунки посредством равномерного изменения гидравлического сопротивления аэратора заданной амплитудой и частотой, то есть в создании условий для динамической гидровихревой коагуляции. Раздельное регулирование амплитудой и частотой изменения давления и расхода жидкости, подаваемой из аэратора в гидровихревые форсунки, позволяет изменять амплитуду и частоту колебания угловой скорости вращения капель жидкости на выходе из гидровихревых форсунок, а также их поступательную скорость и как результат управлять медианным диаметром и его дисперсией микро-наночастиц ТМО при динамической гидровихревой коагуляции.
Методология динамической гидровихревой классификации основана на результатах экспериментальных исследований влияния коэффициента динамичности коагуляции на медианный диаметр и его дисперсию микро-наночастиц ТМО, полученных авторами данной заявки.
m
dm
n
Таким образом, для заданных параметров классификации: медианный диаметр d  и дисперсия медианного диаметра σ можно подобрать номинальное значение давления жидкости, подаваемой из аэратора в гидровихревые форсунки , амплитуду его колебаний А (),   номинальную частоту колебаний f, при которых в процессе динамической гидровихревой коагуляции через коллектор классификации в бункер сбора будут подаваться микро-наночастицы ТМО с заданными параметрами классификации. При этом максимальная и минимальная амплитуды колебания давления  определяются геометрическими параметрами диафрагмы, через соотношения суммарных площадей отверстий и чётных и нечётных концентрических окружностей и площади диска.
Таким образом, технический результат раздельного управления медианным диметром и его дисперсией микро-наночастиц ТМО при динамической гидровихревой коагуляции достигается за счёт, раздельного регулирования амплитуды и частоты колебаний угловой скорости вращения капель жидкости и их поступательной скорости при заданном изменении амплитуды и частоты давления и расхода жидкости подаваемой из аэратора в гидровихревые форсунки.
max
min
На фиг. 2 изображена принципиальная схема гидровихревого классификатора микро- и наночастиц ТМО; на фиг. 3 – аэратор и диафрагма с промежуточным положением дисков относительно друг друга, вид по сечению А-А; фиг. 4 – аэратор с диафрагмой из двух дисков в положении дисков диафрагмы, соответствующем полностью открытым отверстиям на нечётных концентрических окружностях, то есть А (в) и в положении дисков диафрагмы, соответствующем полностью открытым отверстиям на чётных концентрических окружностях, то есть А (г), вид по сечению Б-Б; фиг. 5 - Аэратор с диафрагмой из двух дисков в положении, при котором диск 14 с отверстиями, расположенными на концентрических окружностях по радиальным лучам равномерно (д) и в положении, при котором диск 15 с отверстиями, расположенными на концентрических окружностях по радиальным лучам в шахматном порядке (е); фиг.6. - 3Д модель аэратора с диафрагмой соответствующая фиг. 3.
Регулирование амплитуды и частоты давления и расхода жидкости, подаваемой из аэратора в гидровихревые форсунки технически осуществляется за счёт равномерного изменения гидравлического сопротивления аэратора. Равномерное регулирование гидравлического сопротивления аэратора технически достигается посредством установки в нем диафрагмы, выполненной из двух дисков. Соосно распложённые диски выполнены с возможностью вращения относительно друг друга равномерно открывая и закрывая выполненные в них отверстия. На первом диске отверстия расположены на концентрических окружностях по радиальным лучам равномерно (5д), а на втором отверстия расположены на тех же концентрических окружностях по радиальным лучам в шахматном порядке (5е). Таким образом при относительном вращении дисков одновременно и равномерно закрываются (открываются) отверстия на нечётных концентрических отверстия (4в) и открываются (закрываются) отверстия на чётные концентрические отверстия (4г). Количество таких колебаний суммарной площади проходного сечения диафрагмы за один относительный оборот дисков равно половине радиальных лучей, на которых расположены отверстия. Такая конструкция диафрагмы обеспечивает равномерность изменения давления, скорости и расхода жидкости, поступающей из аэратора в гидровихревые форсунки, обеспечивая устойчивость динамической гидровихревой коагуляции в процессе классификации микро-наночастиц ТМО
Период колебаний давления жидкости, поступающий из аэратора в гидровихревые форсунки определяемый, выше указанной частотой его колебания, должен быть не более времени прохождения микро-наночастицами ТМО псевдокипящего слоя области воздействия на них капель жидкости из гидровихревых форсунок. Данное требование обусловлено необходимостью воздействия заданной амплитуды колебаний давления жидкости подаваемой из аэратора в гидровихревые форсунки, то есть заданного изменения угловой скорости вращения капель жидкости являющейся управляющим параметром, влияющим на параметры классификации на длине пробега капель жидкости от выхода из гидровихревой форсунки до коллектора классификации бункера сбора микро-наночастиц ТМО.
0
0
в
В частности, при расстоянии от выхода их гидровихревой форсунки до коллектора классификации равном , толщине области псевдокипящего слоя микро-наночастиц ТМО, на которые воздействуют капли жидкости из гидровихревых форсунок равном h (диаметра факела распыла гидровихревых форсунок, фиг. 2), начальной поступательной скорости вращения капель жидкости из гидровихревых форсунок равной V, время релаксации капель жидкости в процессе гидровихревой коагуляции равной τ, которая определяется заданным медианным диаметром классифицируемых микро-наночастиц ТМО, уравнение для расчета периода колебаний угловой скорости вращения капель жидкости при заданной скорости V, и заданных геометрических параметрах классификатора и медианном диаметре микро-наночастиц ТМО вертикальной скорости перемещения микро-наночастиц в псевдо кипящем слое V получим в виде:
(2)
где:  – разность плотностей микро-наночастиц ТМО и жидкости;  – коэффициент динамической вязкости жидкости.
В соответствии с уравнением (2) период колебаний угловой скорости вращения капель жидкости . Выбирая  из выше указанного условия, регулируем величину дисперсии медианного размера микро-наночастиц ТМО.
Таким образом, заданная амплитуда и заданная частота колебания давления и расхода жидкости, подаваемой из аэратора в гидровихревые форсунки однозначно определяется в соответствии вышеприведёнными графиками (фиг. 1) и уравнениями (1, 2) при заданных геометрических параметрах гидровихревого классификатора и  параметрах классификации:   и  микро-наночастиц ТМО.
Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является:
- возможность раздельного управления медианным диаметром и дисперсией классифицируемых микро-наночастиц ТМО;
- повышение эффективности классификации за счёт исключения многоступенчатости классификации, позволяющее понизить энергозатраты для получения микро-наночастиц ТМО с заданными геометрическими параметрами;
- возможность получения микро-наночастиц ТМО с требуемыми медианными диаметрами и дисперсией для создания уникальных композиционных материалов с требуемыми физико-механическими свойствами.
Задача изобретения решается, технический результат достигается за счёт того, что предлагаемый способ динамической гидровихревой классификации микро-наночастиц ТМО по медианным размерам и их дисперсии, включающий в себя формирование псевдокипящего слоя микро-наночастиц ТМО за счёт сжатого воздуха,  классификацию их путём гидровихревой коагуляции с закрученными каплями жидкости за счёт давления жидкости подаваемой в гидровихревые форсунки из аэратора для управления медианным размером и его дисперсией микро-наночастиц ТМО, поступающих в бункер коллектора классификации, подачу коагулированных микро-наночастиц ТМО в коллектор классификации с бункером сбора микро-наночастиц ТМО, при этом осуществляют регулировку давления и расхода подаваемой в гидровихревые форсунки жидкости путём изменения гидравлического сопротивления аэратора, посредством чего капли жидкости закручивают в гидровихревой форсунке с переменной угловой и поступательной скоростями, период колебания которых не более времени прохождения микро-наночастиц ТМО псевдокипящего слоя области воздействия на них капель жидкости из гидровихревых форсунок.
4
5
6
7
8
5
10
9
10
11
12
11
13
14-15
14-15
16
17
14
15
10
18
19
20
Гидровихревой классификатор содержит загрузочный питатель , установленный над коллектором классификатора . В смесительной камере  установлены пористая газораспределительная перегородка  и патрубок  для подачи сжатого воздуха и формирования на входе в коллектор  кипящего слоя микро-наночастиц ТМО. На входе в сепаратор  установлен хонейкомб  для выравнивания скорости движения микро-наночастиц ТМО.  По оси сепаратора  установлен аэратор  с гидровихревыми форсунками .  По оси аэратора  установлены диафрагма , выполненная из двух дисков . Соосно распложённые диски  выполнены с возможностью вращения по оси  относительно друг друга равномерно открывая и закрывая выполненные в них отверстия . На первом диске  отверстия расположены на концентрических окружностях по радиальным лучам равномерно, а на втором диске  отверстия расположены на тех же концентрических окружностях по радиальным лучам в шахматном порядке (фиг. 5е). По периметру классификатора  расположен коллектор классификации  с бункерами  сбора микро-наночастиц ТМО в соответствии с заданным медианным диаматом и его дисперсией, на выходе классификатора установлен бункер  для отходов.
4
6
7.
8
5
9
10
14-15
13
11
14-15
13
11
11
14
12
11
13
11
12
18
19
20
Предложенный способ динамической гидровихревой коагуляции реализуется в вышеуказанном устройстве гидровихревой классификации микро-наночастиц ТМО следующим образом. Микро-наночастицы ТМО из загрузочного питателя  непрерывно направляют в смесительную камеру , ограниченную газораспределительной газовой перегородкой  По патрубку  под слой микро- и наночастиц ТМО подают сжатый газ. Сжатым газом микро- и наночастицы аэрируют до псевдокипящего состояния и подают через входной коллектор , выравнивающий хонейкомб  на вход в классификатора . Жидкость под давлением поступает на вращающийся диски  диафрагмы  аэратора  частота относительного вращения дисков  диафрагмы  аэратора  при заданном номинальном давлении жидкости в аэраторе  и заданных площадях отверстий на чётных и нечётных концентрических окружностях диска  соответствует заданной величине амплитуды и частоты колебания давления жидкости жёстко коррелирующих с амплитудой и частотой изменения угловой скорости вращения капель жидкости на выходе из гидровихревых форсунок  поступающей из аэратора  по ходу её движения за диафрагмой  и определяется заданными параметрами классификации микро-наночастиц ТМО:   и . Поступающая из аэратора  жидкость с заданной амплитудой и частотой колебания давления и расхода в гидровихревые форсунки  закручивается в них в форме капель с заданной амплитудой и частотой колебания угловой скорости вращения их, способствуя коагуляции микро-наночастицы ТМО с заданным медианным диаметром и его дисперсии. Изменение указанных параметров движения вращающих капель жидкости меняет величину коэффициента динамичности коагуляции, и как результат величину коэффициента вариации минимального диаметра коагулируемых микро-наночастиц ТМО согласно вышеприведённым уравнениях и графикам. Коагулированные микро-наночастиц ТМО заданного медианного диаметра и дисперсии по соответствующим траекториям движения, определяемым инерционными силами, поступают через коллектор классификации  в бункер сбора микро-наночастиц ТМО , а не смачиваемые микро-наночастиц ТМО поступают в бункер отходов .
11
12
19
11
Таким образом, в соответствии с математической моделью и экспериментальными данными по влиянию коэффициента динамичности коагуляции на параметры классификации микро-наночастиц ТМО определяют геометрические параметры дисков диафрагмы и скорость их относительного вращения, что определяет необходимые значения амплитуды и частоты колебания давления жидкости, поступающей из аэраторе  в гидровихревые форсунки  и как результат при заданном номинальном давлении и расходе жидкости требуемые медианные значения и их дисперсию классифицируемых микро-наночастиц ТМО, поступающих в бункер  их сбора. Проведённые эксперименты показали, что колебания амплитуды давления жидкости в аэраторе  в диапазоне ±30% и её частоты в диапазоне 2-10 Гц позволяют уменьшить минимальный диаметр коагуляции, то есть классифицируемых микро-наночастиц ТМО, на 12%, а его дисперсию на 8%.