Способ вихревого измельчения материала и газодинамическое устройство для его осуществления

1 Изобретение относится к вихревому измельчению материалов и может быть использовано для тонкого высокопроизводительного измельчения полидисперсных материалов в различных отраслях промышленности например: горнорудной, химической, строительной, энергетической, пищевой, медицинской. Из предшествующего уровня техники известен способ вихревого измельчения материалаB 02C 19/00, 1983.), включающий ввод струи энергоносителя под углом к радиусу зоны измельчения, ограниченной боковой и торцевыми стенками, и образование высокоскоростного вихря, подачу исходного материала с возможностью вовлечения его в вихревой поток, генерацию газодинамических возмущений в вихревом потоке в точках расположенных по периметру боковой стенки и на одинаковом угловом расстоянии друг от друга, и вывод целевого продукта. Из [1], известно также, и газодинамическое устройство для вихревого измельчения материала, включающее помольную камеру, снабженную течкой для подачи исходного материала патрубком подачи энергоносителя с регулируемым углом установки относительно радиуса камеры, патрубком вывода целевого продукта и источниками газодинамического возмущения вихревого потока, выполненными в виде резонаторов Гельмгольца, расположенных тангенциально камере. Общим недостатком описанных выше способа и устройства для вихревого измельчения материала является низкая производительность. В связи с тем, что увеличение производительности неизбежно связано с ростом габаритных размеров помольной камеры и, как следствие пути, проходимого потоком за один полный оборот по ее внутреннему периметру, при движении потока происходит заметное снижение средней величины его скорости в том числе и из-за нарастания различного рода потерь энергии. Это снижает кинетическую энергию частиц, что приводит к снижению эффективности их измельчения, а также к снижению производительности и достижимой тонкости помола. Известен также способ вихревого измельчения материала (патент США 3648936, B 02C 19/06, 1970.), включающий тангенциальный ввод струй энергоносителя под углом к соответствующему радиусу зоны измельчения, ограниченной боковой и торцевыми стенками помольной камеры, с образованием высокоскоростного вихря, подачу исходного материала в камеру с вовлечением его в вихревой газовый поток и вывод целевого продукта. Из [2] известно также и газодинамическое устройство для вихревого измельчения материала, реализующее способ [2], включающее помольную камеру, снабженную средствами для подачи исходного материала, патрубками для 2 подачи энергоносителя и патрубком для вывода целевого продукта. Недостатками известных из [2] способа и устройства является низкая эффективность тонкого измельчения полидисперсных систем, поскольку диспергирование исходного материала происходит в режиме устойчивого вращательного движения. Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности измельчения и уменьшение неоднородности дисперсного состава целевого продукта. Поставленная задача решена тем, что в способе вихревого измельчения материала,включающем ввод струй энергоносителя под углом к соответствующему радиусу зоны измельчения, ограниченной боковой и торцевыми стенками, и образование высокоскоростного вихря, подачу исходного материала с возможностью вовлечения его в вихревой поток и вывод целевого продукта, согласно изобретению, перед вводом струй энергоносителя в зону измельчения в них создают пульсирующий режим течения. Предпочтительно, чтобы частота пульсаций в каждой группе струй соответствовала диапазону 50 - 500 Гц, а частота пульсаций во второй группе струй соответствовала диапазону 15 - 25 кГц, а введение струй с различными частотами пульсаций осуществлять в чередующейся последовательности. Поставленная задача решена также тем,что газодинамическое устройство для вихревого измельчения материала, содержащее помольную камеру, снабженную средствами для подачи исходного материала, каналами для подачи энергоносителя и патрубком для вывода целевого продукта, согласно изобретению, дополнительно содержит газоструйные излучатели высокого давления, при этом каждый канал подачи энергоносителя связан с полостью помольной камеры через соответствующий газоструйный излучатель. В варианте выполнения газодинамического устройства для вихревого измельчения материала, оно содержит помольную камеру, снабженную средствами для подачи исходного материала, каналы для подачи энергоносителя и патрубок для вывода целевого продукта, а также, согласно изобретению, что оно дополнительно содержит газоструйные излучатели высокого давления, каждый из которых выполнен в виде узла, состоящего из двух блоков, один из которых сопловый, а другой резонаторный, при этом сопловый блок выполнен в виде ряда сопел, гидравлически связанных между собой и каналом подачи энергоносителя посредством коллекторного канала, выполненного в сопловом блоке, а резонаторный блок выполнен в виде ряда резонаторов, расположенных напротив сопел. Между сопловым и резонаторным блоками расположен выходной излучающий 3 канал в виде щели, дно которой выполнено в виде отражателя акустических волн. Кроме того, газоструйные излучатели должны быть расположены по внутреннему периметру боковой стенки помольной камеры и вдоль ее образующей, при этом резонаторы каждого резонаторного блока могут быть выполнены регулируемыми, с возможностью их настройки на различные резонансные частоты. Дополнительно резонаторы могут быть расположены в вертикальных рядах, вдоль стенки помольной камеры, с монотонным уменьшением их резонансной частоты в направлении от верха к днищу помольной камеры, при этом резонаторы в каждом блоке могут иметь различную резонансную частоту. Преимуществом предлагаемого способа является то, что в поле центробежных сил вихря, под действием которого движется диспергируемый материал, создаются локальные области повышенных и пониженных давлений, под действием градиентов которых происходят локальные дополнительные ускорения попадающих в эти области частиц. Локальные области повышенных и пониженных давлений создаются в объеме помольной камеры за счет излучения в ее полость ультракоротких волн (УКВ). В результате этого происходит изменение траектории движения частиц и их угловой скорости,приводящее к увеличению частоты соударений. При этом энергия соударений не успевает рассеиваться, что приводит к аккумулированию энергии в объеме частиц и переходу их в упруго-напряженное состояние. По достижению критического предела этого состояния, частицы разрушаются. Дальнейшее измельчение осколков частиц происходит аналогично вышеописанному. Кроме того, за счет формирования в полости помольной камеры поля УКВ, происходит резонансное поглощение частицами энергии УКВ с одновременным воздействием периодической знакопеременной нагрузки при прохождении ими областей относительного разряжения и повышенного давлений. Это способствует умножению и росту микродефектов внутренней структуры частиц и их разрушению. Генерируемые ультразвуковые колебания различной частоты, способствуют повышению однородности дисперсного состава целевых продуктов, т.к. поглощение акустической энергии частицами разных размеров происходит на разных резонансных частотах. Это обусловлено тем, что излучение больших частот лучше поглощается мелкими частицами, а малых частот крупными. Широкий спектр частот УКВ колебаний обеспечивает поглощение волновой энергии всеми частицами. Расположение зон ввода, энергоносителя(источников УКВ) на одинаковом угловом расстоянии друг от друга, обеспечивает периодический характер изменения возмущающих воздействий по всей зоне измельчения. 4 В дальнейшем изобретение поясняется чертежами и описанием к ним. На фиг. 1 изображено газодинамическое устройство для вихревого измельчения материалов продольный разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вариант выполнения устройства (продольный разрез); на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 - сечение Б-Б (вариант выполнения); на фиг.6 - фрагмент сечения В-В на фиг. 5 (аксонометрическая проекция); на фиг 7 - фрагмент сечения фиг. 4 ( вариант выполнения газоструйного излучателя); на фиг. 8 фрагмент сечения фиг. 4 (вариант выполнения газоструйного излучателя); на фиг. 9 - фрагмент сечения фиг. 4 (вариант выполнения газоструйного излучателя); на фиг. 10 - фрагмент сечения В-В на фиг. 5 (вариант выполнения газоструйного излучателя); на фиг. 11 - фрагмент сечения В-В на фиг. 5 (вариант выполнения газоструйного излучателя); на фиг. 12 - фрагмент сечения В-В на фиг. 5 (вариант выполнения газоструйного излучателя). Газодинамическое устройство для вихревого измельчения материалов содержит, корпус 1, преимущественно круглого сечения, с патрубком 2 подачи энергоносителя и патрубком 3 вывода целевого продукта, помольную камеру,образованную боковой стенкой 4 и верхней и нижней торцевыми стенками корпуса 1. Патрубок 3 сообщен с внутренней полостью помольной камеры. На верхней торцевой стенке корпуса 1, коаксиально помольной камере закреплен стакан 5 с коаксиальным патрубком б для подачи исходного материала, установленный с зазором "а" относительно верхней торцевой стенки корпуса 1. В верхней части стакана 5, тангенциально установлен выгрузочный патрубок 7,предназначенный для вывода особо тонкой фракции целевого продукта. В боковой стенке 4 выполнены газоструйные излучатели высокого давления, содержащие каналы 8 для подачи энергоносителя, сопла 9 и резонаторы 10. В варианте выполнения (см. фиг.4) резонаторы 10 снабжены подвижными поршнями II для настройки резонансной частоты, при этом угол вывода струй (условно показан стрелкой 12) энергоносителя относительно соответствующего радиуса боковой стенки 4 помольной камеры равен 60 - 85198. В варианте выполнения (см. фиг. 5;6;10;11;12), газодинамическое устройство для вихревого измельчения материалов содержит несколько сопловых блоков, расположенных по внутреннему периметру боковой стенки 4 помольной камеры и столько же резонаторных блоков, расположенных напротив соответствующих сопловых блоков. Каждый сопловый блок включает коллектор 13, сообщенный с одной стороны через канал 8 с источником энергоносителя (на черт. условно не показан), а с другой стороны с соплами 9, расположенными вдоль образующей боковой стенки помольной 5 камеры. Резонаторный блок содержит резонаторы 10, настроенные на различные резонансные частоты и расположенные также вдоль образующей боковой стенки 4 помольной камеры,при этом резонансная частота резонаторов 10 отрегулирована таким образом, что она монотонно уменьшается от верха помольной камеры к ее днищу. Каждый резонатор 10 резонаторного блока соосно расположен напротив соответствующего сопла 9 соплового блока. Для увеличения мощности акустических колебаний, вводимых в рабочий объем помольной камеры в выходных излучающих каналах, выполненных в виде щелей 15, расположенных между сопловыми 9 и резонаторными 10 блоками. Дно щелей 15 выполнено в виде цилиндрических отражателей 14, при этом в предпочтительном варианте выполнения, центры кривизны отражателей лежат на окружности с диаметром, равным разности: D - R, где D - внутренний диаметр помольной камеры; R -радиус кривизны отражателей. В варианте выполнения (см. фиг. 7) оси сопел 9 и выходных каналов 15 газоструйных излучателей расположены под тупым углом; в другом варианте (см. фиг. 8), сопла 9 и выходные каналы установлены под острым углом; в варианте выполнения, изображенном на фиг. 9,газоструйный излучатель имеет два выходных канала 15 и 16. В других вариантах выполнения, изображенных на фиг. 10; 11; 12, показаны возможные варианты выполнения резонаторных блоков с различной резонансной частотой, при этом на фиг. 10 показан блок с различной высотой резонаторов, определяемой наклоном поверхности выходного канала 15; на фиг. 11 показан вариант выполнения резонаторного блока в виде щели с переменной по высоте глубиной; на фиг. 12 приведен вариант выполнения резонаторного блока, резонансная частота которого задана выполнением резонаторов с различными поперечными размерами. Работа устройства, реализующего заявленный способ, осуществляется следующим образом. В зависимости от варианта выполнения,энергоноситель под избыточным давлением,подается или по патрубку 2 в полость корпуса 1,или непосредственно подводится к каналам 8 и далее поступает в полость помольной камеры. По мере прохождения газодинамических излучателей, сформированные с помощью сопел 9 струи натекают на соответствующие резонаторы 10, в результате взаимодействия струй с препятствием (резонаторами), в них возбуждаются автоколебания и создается пульсирующий режим течения. Истекая из выходных каналов 15,энергоноситель поступает под углом 60-85 к соответствующему радиусу помольной камеры с одновременным излучением в ее рабочий объем акустических волн. Направленные под углом 6 к соответствующему радиусу помольной камеры, струи энергоносителя создают в камере вихревой поток, в котором благодаря акустическим волнам создаются локальные области с повышенной концентрацией акустической энергии. Через патрубок 6 в камеру вводится перерабатываемый материал, который вовлекается в вихревое движение, разрушаясь на частицы,взаимодействующие в процессе разрушения,между собой и со стенками помольной камеры. Вследствие локальных искажений вихревого поля внутри помольной камеры, происходит постоянное изменение траектории движения частиц, что приводит к увеличению частоты их соударений и накоплению ими внутренней энергии в объеме каждой частицы. При достижении внутренней (упругой) энергии частиц критического значения - частица разрушается. УКВ различной частоты обеспечивают повышение однородности дисперсного состава целевого продукта, поскольку их волновая энергия поглощается как мелкими частицами так и крупными. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что излучения больших частот поглощаются преимущественно более мелкими частицами, а малых - более крупными. Широкополосным частотным диапазоном УКВ обеспечивается резонансное поглощение волновой энергии частицами любых (в разумных пределах) размеров. Диспергированный целевой продукт отводится по патрубку 3, поступает в сепарирующее устройство. В варианте выполнения, повышение мощности генерируемых УКВ, излучающихся в объем помольной камеры, достигается за счет расположения между каждыми сопловым и резонаторным блоками отражателей 14 с направлением отражения ими УКВ в выходные каналы 15,при этом в предпочтительном варианте выполнения, центры кривизны отражателей расположены на окружности с диаметром, равным D R, где D - внутренний диаметр помольной камеры; R - радиус кривизны отражателей. Дополнительный технический результат,который может быть достигнут при использовании этого варианта выполнения, заключается в том, что возмущение в вихревом потоке облучаемого УКВ, создается с определенной полосой частот, исходя из дисперсного распределения частиц (динамическая классификация по крупности частиц) измельчаемого материала в вихревом потоке по вертикали (высоте камеры). Экспериментально установлено, что в нижней части помольной камеры преимущественно содержатся более крупные фракции измельченного материала, а вверху - более мелкие. Нижние газоструйные излучатели генерируют звуковые колебания самых низких частот, энергия которых эффективно поглощается крупными частицами. Таким образом, спектральное распределение по вертикали акустической энергии соответствует оптимальному поглощению ее части 7 цами, вовлеченными в вихревой поток, что приводит к повышению КПД устройства. В других вариантах выполнения (см. фиг. 7- 9), в зависимости от физико-механического состояния обрабатываемого материала, выбирают конкретный вариант или комбинацию вариантов выполнения газодинамических излучателей. Например, при диспергировании особо твердых, трудно разрушающихся материалов,вариант излучателя, показанный на фиг. 9, выгодно сочетать с излучателями, показанными на фиг. 6, поскольку в этом варианте часть излучения направлена навстречу движению вихревого потока. При этом газодинамические излучатели могут быть подсоединены к источнику высокого давления как через коллекторную полость корпуса 1 (см. фиг. 1), так и индивидуально; последний вариант подсоединения предпочтителен при смешанном варианте выполнения газодинамических излучателей, поскольку при таком выполнении, для эффективной работы,необходимо обеспечить различные расходы энергоносителя через газодинамические излучатели. Во всех вариантах выполнения, в верхней части помольной камеры развиваются торцевые токи энергоносителя с мелкими частицами диспергированного материала, которые через зазор"а" поступают в полость стакана 5 и отводятся по патрубку 7 на классификацию (при необходимости) и сепарацию. 8 Технический результат от использования изобретения выражается в повышении однородности дисперсного состава целевого продукта,поскольку поглощение акустической энергии эффективно происходит как мелкими частицами измельчаемого материала, так и крупными. Широкий спектр частот акустических колебаний обеспечивает оптимальное поглощение акустической энергии всеми частицами измельчаемого материала, что значительно повышает производительность и снижает энергоемкость процесса диспергирования. Кроме того, значительно расширяется область применения предложенного способа и реализующих его устройств, например, легко реализуется возможность получения как гидрофильных, так и гидрофобных порошков; получение различных паст и утилизации вредных и экологически опасных отходов промышленности. Дополнительный технический результат существенное повышение КПД устройства (при использовании второго варианта выполнения газодинамического устройства) может быть достигнут при наиболее полном поглощении энергии УКВ диспергируемым материалом. Это возможно только при условии такой настройки генераторов, при которой генерируемые УКВ имеют такое спектральное распределение частот по высоте помольной камеры, которое соответствует резонансной частоте частиц находящихся в вихревом потоке на соответствующем уровне в помольной камере.