способ тонкого измельчения и активации материалов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ тонкого измельчения и активации материалов, включающий подачу смеси материала с носителем в рабочую зону измельчающего устройства, механическое измельчение и активацию материала, отбор материала из рабочей зоны с последующей выгрузкой, отличающийся тем, что непосредственно после и/или в процессе активации материала в рабочей зоне мелющего устройства на материал воздействуют ультразвуковым полем.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ультразвуковое поле генерируют в рабочей зоне.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ультразвуковое поле генерируют вне рабочей зоны.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что ультразвуковое поле генерируют встречными потоками энергоносителя переменной плотности, образующимися при встречном перемещении аэродинамически профилированных участков или элементов рабочих органов.

5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что ультразвуковое поле генерируют с дополнительной подачей сжатого носителя в корпус мелющего устройства.

6. Устройство для тонкого измельчения и активации материалов, содержащее корпус, в котором установлены рабочие органы в виде дисков с измельчающими элементами, загрузочный и выгрузочный патрубки, отличающееся тем, что устройство снабжено ультразвуковым излучателем в виде аэродинамически профилированных элементов, расположенных оппозитно на периферии рабочих органов.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что аэродинамические элементы выполнены в виде коаксиальных колец с оппозитными отверстиями или пазами, имеющих выточки, образующие при их осевом смещении псевдокамеры разрежения и сжатия потока материала.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что аэродинамические элементы выполнены в виде радиальных пазов или выступов, образующих гребенку.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что аэродинамические элементы выполнены в виде лопастей, установленных под углом к направлению вращения со смещением от рабочей зоны к тыльной части рабочих органов.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в одном из рабочих органов выполнены радиальные каналы с выходными соплами для подачи энергоносителя, при этом на другом рабочем органе противоположно смонтирована кольцевая гребенка.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что каналы выполнены изогнутыми в направлении, противоположном вращению рабочего органа, и сужающимися к периферии рабочего органа.

12. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в боковой стенке корпуса выполнено сопло, соединенное с магистралью сжатого энергоносителя, а противоположно ему по крайней мере на одном рабочем органе по окружности выполнен ряд отверстий.

13. Устройство по пп.6 9, отличающееся тем, что аэродинамически профилированные элементы расположены с шагом, равным отношению скорости их относительно перемещения к генерируемой частоте.

14. Устройство по пп.6 13, отличающееся тем, что зазоры между корпусом и рабочими органами выполнены кратными длине полуволны генерируемого ультразвука.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике тонкого измельчения и активации различных материалов и может быть использовано в производстве строительных материалов, химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известны способ и устройство для дезинтеграции твердых веществ и активации жидкостей, растворов, суспензий, в основу которых положен принцип воздействия на обрабатываемый материал электрическими разрядами в жидкой среде в замкнутом объеме [1]

Недостатками известного технического решения являются высокая энергоемкость процесса, низкая эксплуатационная надежность элементов и узлов дезинтегратора, невозможность обработки материала в воздушно-газовой среде. Например, при обработке твердого топлива процесс становится взрывоопасным, да и кавитационные процессы при электрических разрядах в газе выражены гораздо слабее, чем в жидкости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению являются дезинтегратор и реализуемый на нем способ тонкого измельчения и активации [2]

Способ включает подачу смеси обрабатываемого материала с газообразным носителем в рабочую зону мелющего устройства, например дезинтегратора, механическое измельчение и активацию материала мелющими элементами, например пальцами, закрепленными на роторах дезинтегратора, отбор обрабатываемого материала из рабочей зоны мелющего устройства с последующей выгрузкой.

Дезинтегратор содержит корпус, установленные в нем с возможностью противоположного вращения рабочие органы с измельчающими элементами, например дисковые роторы с концентрическими рядами пластин, загрузочный и выгрузочный патрубки, при этом рабочие органы расположены один в другом, внутренний рабочий орган выполнен в виде стакана с рядами продолговатых отверстий на боковой поверхности, между которыми с внешней стороны смонтированы била прямоугольной формы, а торцовая поверхность охватывающего рабочего органа имеет сегментные пазы.

Такое техническое решение не обеспечивает требуемой эффективности тонкого измельчения и активации материалов, поскольку материал подвергается только механическим воздействиям встречно вращающихся элементов. Поэтому качество измельченного материала зависит от расположения и формы бил, геометрических параметров рабочих органов, скорости вращения последних. При изменении компонентного состава и других параметров измельчаемого состава требуется оптимизировать параметры самого измельчающего устройства (режим обработки, количество бил и др.), т.е. для каждого конкретного случая необходимо устанавливать оптимальные варианты выполнения дезинтегратора, варьировать режимы обработки или производить дополнительные операции по предварительной подготовке измельчаемого материала. Кроме того, низкая эффективность измельчения известным способом обусловлена тем, что при свободном пробеге между двумя последовательными соударениями с измельчающими элементами на частицу материала не воздействуют никакие силы и она перемещается к периферии рабочего органа по инерции.

Цель изобретения повышение эффективности тонкого измельчения и активации материалов, качества готового продукта, надежности измельчения твердых и абразивных материалов.

Цель достигается тем, что в известном способе тонкого измельчения и активации материалов, включающем подачу смеси материала с носителем в рабочую зону измельчающего устройства, измельчение и активацию материала измельчающими элементами, отбор материала из рабочей зоны устройства с последующей выгрузкой, согласно изобретению непосредственно после и/или в процессе активации материала в рабочей зоне мелющего устройства на материал дополнительно воздействуют акустическим ультразвуковым полем. При этом ультразвуковое поле может генерироваться как в рабочей зоне, так и вне рабочей зоны мелющего устройства. Одним из возможных методов создания ультразвукового поля является генерация встречными потоками носителя переменной плотности, образующимися при встречном перемещении аэродинамически профилированных участков рабочих органов мелющего устройства, например при вращении дисковых роторов дезинтегратора. В качестве другого метода предлагается генерация ультразвукового поля с дополнительной подачей сжатого носителя в корпус мелющего устройства.

Реализация предлагаемого способа осуществляется с помощью устройства, содержащего корпус, установленные в корпусе с возможностью относительного вращательного перемещения рабочие органы с измельчающими элементами, например, дисковые роторы дезинтегратора или ротор и статор дисмембратора, загрузочный и выгрузочный патрубки, которое согласно изобретению дополнительно снабжено ультразвуковым излучателем в виде расположенных оппозитно на периферии рабочих органов аэродинамически профилированных элементов. Профилированные элементы устанавливаются (или выполняются) с шагом, равным отношению скорости и относительного перемещения к генерируемой частоте.

Зазоры между корпусом и рабочими органами, расстояние между рабочими органами и протяженные толщины (толщины дисков роторов) выполнены кратными длине полуволны ультразвука, что необходимо для образования устойчивого ультразвукового поля.

Предлагается несколько вариантов ультразвуковых излучателей (УИ) как "пассивного" (без дополнительной подачи сжатого носителя), так и "активного" (с подачей сжатого носителя) типов. Первый вариант излучателя "пассивного" типа УИ I выполнен в виде закрепленных на периферии рабочих органов коаксиальных колец с соосными отверстиями или пазами аэродинамического профиля, причем в отверстиях или пазах выполнены выточки, образующие при их осевом совмещении псевдокамеры разрежения и сжатия потока материала. Второй вариант УИ II отличается выполнением генерирующих элементов в виде расположенных по периферии рабочих органов радиальных пазов с выточками, или выступов, или тех и других одновременно, образующих своего рода гребенки. Такое выполнение УИ улучшает условия обработки твердоабразивных материалов. Этой же цели служит в варианте УИ III выполнение выступов в виде аэродинамических профилированных лопастей, установленных под углом к направлению вращения со смещением от рабочей зоны к тыльной части рабочих органов. Излучатель "активного" типа УИ IV отличается тем, что в одном из рабочих органов выполнены радиальные каналы, соединенные с магистралью сжатого носителя и оканчивающиеся на периферии выходными соплами, а напротив выходных сопел на другом рабочем органе установлена кольцевая гребенка. Этот вариант может иметь своей особенностью то, что радиальные каналы выполнены изогнутыми в направлении, противоположном вращению рабочего органа, в котором они выполнены, и сужающимися от оси к периферии рабочего органа (УИ V). В таком случае отпадает необходимость подачи сжатого носителя, а носитель снимается в радиальных каналах. Струйное сопло излучателя "активного" типа УИ VI выполнено в боковой стенке корпуса, а на противолежащей ему окружности в одном или обоих рабочих органах имеется ряд отверстий.

Ультразвуковое воздействие на измельченный материал в рациональном использовании приемов реализации и оптимальном исполнении элементов предлагаемого устройства обеспечивает достижение цели изобретения. Это позволяет утверждать, что предлагаемые способ и устройство связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнение предлагаемого изобретения с прототипом обнаружило у первого из них ряд признаков, отличных от признаков второго, что обусловливает соответствие критерию изобретения "новизна". Анализ других известных технических решений в данной области техники выявил в источнике [3] признаки, сходные с признаками предлагаемого изобретения, а именно: в устройстве для ультразвукового диспергирования, содержащем корпус с многоступенчатым роторным излучателем ультразвука, в дисках выполнены отверстия уменьшающегося от ступени к ступени диаметра, считая по ходу движения материала.

Однако это устройство предназначено для обработки материала в жидкой среде (диспергирования) и прямой перенос схожего признака в предлагаемое изобретение не позволит достигнуть поставленной цели без доработки и оптимизации технологического и конструктивного исполнения. Напротив, схожий с известным признак изобретения в совокупности с другими заявляемыми признаками обеспечивает непрерывность совмещенного ультразвукового и механического воздействия на обрабатываемый материал в оптимальных режимах и различных вариантах конструктивного исполнения предлагаемых способа и устройства. Это позволяет положительно судить о наличии в заявляемом техническом решении изобретательского уровня.

На фиг.1 изображено устройство, разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг. 3 ультразвуковой излучатель по п. 7 формулы изобретения (вариант УИ I); на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.5 вид В на фиг.3; на фиг.6 ультразвуковой излучатель по п.8 формулы изобретения (вариант УИ II); на фиг.7 вид Г на фиг. 6; на фиг. 8 ультразвуковой излучатель по п.9 формулы изобретения (вариант УИ III); на фиг.9 вид Д на фиг.8; на фиг.10 ультразвуковой излучатель по п. 10 формулы изобретения (вариант УИ IV); на фиг. 11 ультразвуковой излучатель по п. 11 формулы изобретения (вариант УИ V); на фиг.12 разрез Е-Е на фиг. 11; на фиг.13 ультразвуковой излучатель по п.12 формулы изобретения (вариант УИ VI) и размеры зазоров и толщин рабочих органов устройства, указанные в п.14 формулы изобретения.

Способ тонкого измельчения и активации материалов включает подачу материала с носителем, например с воздухом или другим газом, в рабочую зону мелющего устройства (дезинтегратора или дисмембратора), генерацию ультразвукового поля, механическое измельчение и активацию материалов в ультразвуковом поле измельчающими элементами, например пальцами или лопастями, закрепленными на дисковых роторах дезинтегратора или дисмембратора, отбор материала из зоны механического и ультразвукового воздействия с последующей выгрузкой. При этом ультразвуковое поле генерируют как в рабочей зоне механического измельчения, так и вне ее при помощи встречных потоков носителя переменной плотности и/или дополнительной подачей сжатого носителя на профилированные элементы ультразвукового излучателя.

Устройство для тонкого измельчения и активации материалов содержит корпус 1, установленные в нем с возможностью вращения на валу электродвигателя ротор 2 и статор 3 дисмембратора с измельчающими элементами 4, загрузочный 5 и выгрузочный 6 патрубки, ультразвуковой излучатель (I, II, III, IV, V, VI варианты) "пассивного" или "активного" типа. Ультразвуковой излучатель "пассивного" типа УИ I (фиг.3, 4 и 5) содержит закрепленные на периферии рабочих органов дисмембратора коаксиальные кольца 7 и 8 с оппозитными отверстиями или пазами 9 аэродинамического профиля. В пазах 9 выполнены выточки 10, образующие псевдокамеры 11 сжатия и разрежения носителя. Ультразвуковой излучатель "пассивного" типа УИ II (фиг.6 и 7) имеет радиально расположенные на роторе 2 и статоре 3 дисмембратора оппозитные пазы с выточками или радиальные выступы 12, образующие гребенки, также образующие при их совмещении псевдокамеры 11 сжатия-разрежения носителя. Ультразвуковой излучатель пассивного типа УИ III (фиг.8 и 9) содержит лопасти 13 и 14 аэродинамического профиля, установленные на периферии рабочих органов дисмембратора под углом к направлению вращения со смещением от рабочей зоны к тыльной части ротора 2 и статора 3. Такое выполнение предохраняет лопасти 13 и 14 от абразивного износа. Ультразвуковой излучатель "активного" типа УИ IV (фиг.10) имеет радиальные каналы 15 в статоре 3 дисмембратора, соединенные с осевым магистральным каналом (не показан) для подачи сжатого носителя в зону генерации ультразвука и оканчивающиеся выходными соплами 16. На роторе 2 дисмембратора напротив выходных сопел 16 установлена или выполнена кольцевая гребенка 17, например, в виде ряда отверстий. Ультразвуковой излучатель "активного" типа УИ V (фиг.11 и 12) также имеет радиальные каналы 15, но эти каналы выполнены в роторе 2 дисмембратора изогнутыми в направлении, противоположном направлению вращения ротора 2 и сужающимися от оси ротора 2 к его периферии. Ультразвуковой излучатель "активного" типа УИ VI (фиг.13) содержит струйное сопло 18 для подачи сжатого носителя, выполненное в стенке корпуса 1. На оппозитных соплу 18 участках ротора 2 по окружности размещен ряд чередующихся отверстий 19. Толщина ротора 2 и статора 3, расстояние между ними и зазор между ротором 2 и корпусом 1 выполнены кратными длине полуволны генерируемого ультразвука. Генерирующие ультразвук элементы расположены с шагом, равным отношению скорости их относительного перемещения к генерируемой частоте. Ультразвуковые излучатели всех описанных типов могут быть выполнены в одном устройстве одновременно в дополнение друг к другу.

Устройство работает следующим образом.

Исходный материал через загрузочный патрубок 5 поступает в центр быстровращающегося ротора 2 дисмембратора и перемещается от центра дисмембратора к периферии, подвергаясь разнонаправленным ударам измельчающих элементов 4, установленных как на роторе 2, так и на статоре 3. Во время перемещения измельчаемые частицы материала подвергаются воздействию ультразвукового поля, генерируемого ультразвуковым излучателем. Ультразвуковое воздействие на измельчаемую частицу до и после удара измельчающего элемента (механического разрушения) снижает энергию разрушения частицы, предотвращает налипание материала к рабочим поверхностям мелющего устройства, что особенно важно, например, при обработке глин для керамического производства. Положительным свойством предлагаемого устройства является возможность регулирования технологического процессе непосредственно в работе при измельчении параметров обрабатываемого материала, особенно при использовании ультразвуковых излучателей "активного" типа, например при наличии системы обратной связи блока контроля качества выхода продукта с блоком управления подачей сжатого носителя. Выполнение размеров элементов устройства кратными длине полуволны ультразвука позволяет получить устойчивые однородные параметры ультразвукового поля.

П р и м е р. Производили помол угля с исходной фракцией до 2 мм на дисмембраторе с диаметром рабочих органов 500 мм с двумя рядами измельчающих элементов на роторе и одним промежуточным рядом на статоре на скорости 3000 об/мин. Без генерации ультразвука на выходе дисмембратора был получен порошок с удельной поверхностью до 1 м²/г. После выполнения на периферии рабочих органов гребенок в виде радиально ориентированных зубьев на этом же дисмембраторе был получен угольный порошок с удельной поверхностью до 5 м²/г. Размеры субмикронных частиц такого порошка достигают 20 20, что существенно повышает эффективность сжигания топлива. Таким же способом можно производить тонкодисперсный материал для зубопротезирования, качественные смеси для пенокерамики и другие материалы. Традиционно подобных результатов достигают на шаровых мельницах, но производительность помола на шаровых мельницах ограничена, а процесс энергоемкий.

По сравнению с прототипом использование предлагаемых способа и устройства существенно повышает эффективность и качество обработки самых различных материалов, снижает энергоемкость процесса измельчения, обеспечивает возможность обработки высокоабразивных материалов.