способ получения порошков, суспензий, эмульсий

Формула изобретения

Способ получения порошков, суспензий, эмульсий, включающий формирование центробежного поля сил в проточной камере, подачу расплава в зону диспергирования, диспергирование струи расплава ударом лопасти центробежно-ударного распылителя и охлаждение капель, отличающийся тем, что коаксиально центробежному полю сил вдоль периферии лопастей вращающегося распылителя формируют центростремительное поле сил, располагая в проточной камере с тангенциальным входным каналом клинообразную полость, сужающуюся в направлении вращения распылителя, выбирают линейную скорость лопастей распылителя большей максимальной скорости потока расплава в тангенциальном канале, а струю диспергируемого расплава формируют в кольцевой щели, располагая ее в зоне максимальных значений кинетических энергий потоков каждого поля сил, причем средний радиус R_ср щели выбирают из неравенства

R < R_ср < R₁,

где R - максимальный радиус лопастей центробежно-ударного распылителя;

R₁ - радиус, на котором расположена вершина клинообразной полости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике диспергирования расплавов и может быть использовано в порошковой металлургии, а также в процессах химической промышленности.

Диспергирование расплавов, в основном, производится без использования нагнетающих устройств и осуществляется либо при помощи центробежных механических распылителей, либо в струе газа (жидкости)-носителя.

Способ струйного диспергирования характеризуются высокими удельными энергетическими затратами и в крупнотоннажном производстве являются малоэффективными. Дополнительно они требуют значительных затрат на вспомогательное производство (компрессорные станции) и поддержание экологического баланса (газоочистка). Способы, в которых расплав под действием центробежных сил течет по рабочему элементу и распыляется за его пределами, обеспечивают производство полидисперсного порошка, суспензии при относительно невысоких производительностях (RU 2009028 C1, 15.03.94).

В способе, описанном в SU 1827325 А, 15.07.93 для сужения фракционного состава полученного продукта и увеличения производительности процесса во время диспергирования повышают давление среды. Давление создают путем вращения расплава вместе с обогреваемой емкостью, на периферии которой размещена центробежная форсунка.

К недостаткам этого способа следует отнести сложность подвода тепла и поддержания стабильной температуры вращающейся емкости, особенно при распылении материалов с высокой температурой плавления. Поэтому способ нашел применение при получении порошков легкоплавких материалов (олова, сплава Вуда).

Наиболее близким к заявляемому способу (прототипом) является способ (Пажи Д. Г. и др. Распыливающие устройства в химической промышленности, М., "Химия", 1975, с. 199), в процессе которого формируют центробежное поле сил в проточной камере, подают расплав в зону диспергирования, и диспергирование ведут ударом лопасти центробежно-ударного распылителя. Для увеличения надежности процесса лопасти распылителя покрывают тонкой пленкой легкокипящего вещества.

Преимуществом прототипа является высокая производительность при стабильности и надежности процесса. Использование легкокипящего вещества обеспечивает гидродинамическую стабилизацию течений в зоне дробления струи расплава и одновременно ослабляет кавитационное разрушение лопастей диспергатора.

К недостаткам прототипа следует отнести высокие затраты на проведение и обеспечение вспомогательного процесса вследствие необходимости использования ожиженного газа, а также ограниченность применения данного способа из-за возможного загрязнения основного продукта легкокипящим веществом.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в уменьшении удельных энергетических затрат на высокопроизводительное распыление порошка, суспензии и эмульсий, которые характеризуются суженным фракционным составом и однородностью продукта, путем увеличения статического давления и скоростного напора в зоне формирования струи расплава.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе получения порошков, включающем формирование центробежного поля сил в проточной камере, подачу расплава в зону диспергирования, диспергирование струи расплава ударом лопасти центробежно-ударного распылителя, и охлаждение капель, дополнительно коаксиально центробежному полю сил вдоль периферии лопастей вращающегося распылителя формируют центростремительное поле сил, располагая в проточной камере с тангенциальным входным каналом клинообразную полость, сужающуюся в направлении вращения распылителя, выбирают линейную скорость лопастей распылителя большей максимальной скорости потока расплава в тангенциальном канале, а диспергируемую струю формируют в кольцевой щели, располагая ее в зоне максимальных значений кинетических энергий потоков каждого поля сил, причем средний радиус R_ср щели выбирают из неравенства:

R < R_ср < R₁,

где R - максимальный радиус лопастей центробежно-ударного распылителя;

R₁ - радиус, на котором расположена вершина клинообразной полости.

Коаксиальное наложение центробежного и центростремительного полей сил в проточной камере, заполненной расплавом, позволяет вытеснить расплав за периферию лопастей вращающегося распылителя, приблизить абсолютную скорость потока расплава к линейной скорости этих лопастей и одновременно увеличить приток расплава к периферии распылителя, компенсируя влияние центробежных сил. При выборе линейной скорости вращения распылителя большей максимальной скорости течения расплава в тангенциальном канале проточной камеры достигается ускорение течения расплава и передача ему дополнительного момента количества движения, а соответственно, увеличение скоростного напора потока расплава. Формирование зоны диспергирования в виде кольцевой щели между периферией лопастей диспергатора и выходным отверстием проточной камеры, радиус которого меньше радиуса вершины клинообразной полости, позволяет диспергировать поток расплава с максимальной кинетической энергией и минимальным разбросом абсолютных скоростей в струе.

Таким образом, перечисленные существенные отличия позволяют по сравнению с прототипом получить новое качество - увеличение полного давления в расплаве при минимальном разбросе абсолютных скоростей диспергируемой струи и лопастей центробежно-ударного диспергатора, что обеспечивает увеличение производительности процесса при сужении границ разброса гранулометрического состава полученного продукта. Одновременно незначительная величина относительной скорости лопастей относительно скорости потока практически исключает появление условий для кавитационного разрушения лопастей распылителя.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема устройства для осуществления способа получения порошков, суспензий и эмульсий; на фиг. 2 - эпюра скоростей течений потока расплава в проточной камере.

Реализация способа в описанном устройстве осуществляется следующим образом. Расплав (см.фиг.1) из термостата-накопителя 1 поступает через сифон 2 под избыточным давлением 0,005...0,05 МПа в обогреваемый трубопровод 3. Для исключения возможности перелива расплава площадь сечения трубопровода 3 выполнена большей соответствующей площади сифона 2. Из трубопровода 3 расплав под действием сил гравитации поступает в тангенциальный канал проточной камеры 4, где формируется симметричное течение с близкой к параболическому закону распределения эпюрой скоростей (см. фиг. 2, сечение 1-1). Перепад высот трубопровода 3 и плотность расплава определяют статическое давление и соответствующую максимальную скорость потока в тангенциальном канале. Путем подбора максимального радиуса лопастей 6 центробежно-ударного распылителя 5 и частоты вращения быстроходного вала 7 привода 8 устанавливают линейную скорость периферии лопастей большей максимальной скорости расплава в тангенциальном канале. Это позволяет приблизить скорость течения расплава к линейной скорости лопастей распылителя и увеличить скоростной напор потока. Поэтому, начиная с сечения 2-2, на поток расплава в радиальном направлении действуют две противонаправленные силы: центробежная сила, которая вытесняет расплав из области вращения лопастей 6, и центростремительная сила, вызванная радиальной составляющей реакции скоростного напора потока в сужающейся полости А, прижимающая расплав к этим лопастям. Суммарное действие центробежного и центростремительного полей сил распределяет поток равномерно вдоль периферии распылителя 5 и вытесняет его в кольцевую щель 6, в которой происходит формирование и диспергирование струи расплава. При фиксированной частоте вращения распылителя сечение кольцевой струи и ее длина определяют площадь и, соответственно, расход диспергируемого материала. С другой стороны минимизация этого сечения и увеличение частоты вращения приводят к уменьшению размеров образовавшихся частиц. Диспергированные частицы имеют сферическую форму. Процесс характеризуется круговой диаграммой с углом при вершине конуса факела 140 - 170^o. Угол увеличивается с повышением дисперсности частиц порошка.

Предлагаемое техническое решение объединяет преимущества центробежно-ударного и механического (с использованием дисков) способов диспергирования жидкостей. Вследствие стабильности размеров струи расплава в кольцевой щели и незначительной величины разности скоростей периферии лопасти распылителя и течения расплава способ обеспечивает высокопроизводительное диспергирование порошков суспензии и эмульсии с минимальным разбросом размеров полученных частиц и высокой однородностью продукта.

Способ отличается экономичностью процесса. Удельные энергетические затраты на диспергирование одной тонны расплава не превышают 1,5 кВтч.

Использование особенностей формы факела распыла позволяет применять устройства для реализации данного способа при строительстве дешевых грануляторов. При монтаже устройств с горизонтальной осью вращения быстроходного вала привода ширина гранулятора не будет превышать 1-1,5 м, а в его донной части находится конвейер для отвода готового продукта.

Способ может быть использован в технологических процессах смешивания (растворения) двух и более компонентов. Смешивание аэрозолей исходных материалов обеспечивает высокую гомогенизацию конечного продукта.

Способ отличается простотой конструкции используемых устройств и, соответственно, обеспечивает стабильность и надежность процесса.

Пример реализации способа.

В процессе испытаний устройства для реализации способа исследовалась возможность получения порошков и гранул различных материалов, суспензий и эмульсий. В качестве исходного продукта при диспергировании выбраны следующие материалы: литейный сплав алюминия и расплав хлористого калия (отработанный электролит при производстве магния).

Параметры пилотной установки:

- частота вращения быстроходного вала привода ... 1500, 3000, 6000 об/мин;

- максимальный диаметр лопастей ротора ... 125 мм;

- мощность электродвигателя привода ... 7,5 кВт.

Результаты испытаний приведены в таблице.