Способ диспергирования материалов

Способ диспергирования материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ путем наложения на смесь жидкости и твердого материала циклически меняющегося положительного и отрицательного давления, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса за счет я кpoвзРЫБНОГО воздействия, в циклах отрицательного давления в смесь вводят пузырьки горючей газообразной смеси, a наложение положительного давления осуществляют адиабатически до самовоспламенения пузырьков .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК

L

Я с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTGPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3360410/23-26 (22) 06.10.81 (46) 07.11.84. Бюл. ¹ 41

° °

° °

° а

М

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTEl СССР

re ДЕЛАМ ИЗОЫ ЕТЕНИЙ И ОТНЯ ПИй (72) В.С.Ямщиков и А.И.Шульгин (71) Московский ордена Трудового

Красного Знамени горный институт (53) 621.039.73(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 620382, кл. В 28 С l/04, 1978.

2. Заявка Франции № 2432888,,кл. В 01 F 1/00, опублик. 11.04.80.,SU„„ I I 22344 А

ЭСЮ В 01 F 1/00; В 02 С 19/18 (54) (57) СПОСОБ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ

ИАТЕРИАПОВ путем наложения на смесь жидкости и твердого материала циклически меняющегося положительного и отрицательного давления, .о т л и— ч а ющи.й ся тем, что, с целью интенсификации процесса за счет микровзрывного воздействия, в циклах отрицательного давления в смесь вводят пузырьки горючей газообразной смеси, а наложение положительного давления осуществляют адиабатически до самовоспламенения пузырьков.

Ф 1122

Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, в частности к процессам промывки, измельчения, флотации и может быть использовано в лакокрасочной, текстильной, химической, керамической промышленности, а также в области порошковой металлургии.

Известен способ диспергирования материалов путем их ультразвуковой 10 обработки в жидкой среде 1 1).

Однако данный способ не позволяет эффективно диспергировать материалы по причине высокого затухания .. ультразвука, складывающегося из расстояния, расхождения и поглощения ультразвуковой энергии. Наиболее эффективное диспергирование материалов протекает в непосредственной .близости от излучающих ультразвук поверхностей, которые быстро выходят из строя, что вызывает необходимость их частой замены и тем самым снижение производительности устройства, реапизующего способ. Для повышения эффективности диспергирования материалов использущт различные приемы, в частности увеличение гидростатического давления, которое интенсифицирует как процесс диспергирования материалов, так и процесс разрушения не только поверхностей, излучающих ультразвук, но и стенок рабочих камер.

Высокие энергетические затраты, сложность и малая надежность ультра- З звуковых генераторов и излучателей, небольшие объемы обрабатываемых жидких сред, невысокая эффективность диспергирования материалов и низкая производительность делают данный 40 способ непригодным для широкого промышленного использования.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому эффекту является способ диспер- 4> гирования материалов путем наложе-. ния на смесь жидкости с твердым материалом циклически меняющегося знакопеременного давления 5 21.

Однако известный способ не поз- 50 воляет эффективно диспергировать материапы, поскольку в жидкости при ее дегазации; проходящей при отрицательном давлении, образуются многочисленные воздушные пузырьки и 55 даже воздушные полости, которые приводят к резкому падению амплитуды знакопеременного давления за счет

344 2 перехода жидкости в колебательное движение, что ведет к прекращению кавит ации.

Периодический выпуск выделившегося из жидкости воздуха приводит к уменьшению числа ядер кавитации и требует возбуждения знакопеременного давления с большей амплитудой до реализации интенсивной кавитации. Однако увеличение амплитуды знакоперемен.ного давления приводит к явлению отрыва жидкости от стенок камеры устройства, снижая эффективность диспергирования материалов.

Целью изобретения является интенсификация процесса за счет микровзрывного воздействия.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу диспергирования материалов путем наложения на смесь жидкости и твердого материала циклически меняющегося положительного и отрицательного давления, в циклах отрицательного давления в смесь вводят пузырьки горючей газообразной смеси, а наложение положи- . тельного давления осуществляют адиабатически до самовоспламенения пузырьков °

На чертеже представлено устройство для реализации предлагаемого способа.

Способ осуществляется следукицнм образом.

Подлежащий диспергированию материал загружается в рабочую камеру 1, которая закрывается крышкой 2 выпуклой формы и затем заполняется посредством патрубка 3 водой так, чтобы внутри рабочей камеры 1 и крышки 2 не оставалось воздуха. Заполнение внутреннего объема рабочей камеры 1 и крышки 2 производится при открытых задвижках 4 и 5, причем задвижка 4 обеспечивает поступление воды в рабочую камеру 1, а задважка 5 — выпуск из нее воздуха. Закрытием задвижек

4 и 5 обеспечивается полная герметизация внутреннего объема рабочей камеры 1.

Посредством поршня 6, размещенного в направляющем цилиндре 1 рабочей камеры 1 и приводимого в колебательное движение возбудителем 8 колебаний через шток 9, в жидкости создают знакопеременное давление, представляющее собой чередование фаз сжимающего и растягивающего напряжений.

11ри движении поршня 6 во внутрь ра1122344

3 бочей камеры 1 в жидкости развивается сжимающее напряжение, а при обратном движении — растягивающее.

Обратным направлением движения поршня 6 в жидкости реализуют фазу растягивающего напряжения, во время которой в жидкость рабочей камеры 1 вводят газообразный агент, например водяной пар, посредством газораспределйтельиого." элемента 10, разме- !и щенного на нижней крышке 11 рабочей камеры 1. Пар в газораспределительный элемент 10 поступает по патрубку 12 от источника 13 пара, при этом расход пара регулируется задвиж-!g кой !4. Газораспределительный элемент 10 производит диспергирование пара на пузырьки, размер которых определяется не только размером его отверстий !5, но и величиной давления в що рабочей камере l.

Если объем вводимого в жидкость пара равен объему жидкости, заполняющей часть объема направляющего цилиндра 7 при движении поршня в сторону возбудителя 8 колебаний, то размер пузырьков пара определяется размером отверстий 15 газораспределительного элемента !О. В этом случае вжидкости не возникает растягивающего напряжения и не происходит ее дегазация.

Если объем вводимого в жидкость пара меньше объема жидкости, заполняющего часть направляющего цилиндра 7 при движении поршня 6 в сторону возбудителя 8 колебаний, то в жидкости рабочей камеры 1 возникает растягивающее напряжение, приводящее к росту размеров паровых пузырьков за счет диффузии в их объем растворенного в воде воздуха и испарения воды на границе раздела пузырекжидкость. Кроме того, частично происходит образование воздушных пузырьков за счет дегазации жидкости.

Если же объем вводимого в жидкость 5 пара превышает объем воды, заполняющей часть объема направляющего цилиндра 7 при движении поршня 6 в сторону возбудителя 8 колебаний, то внутри жидкости рабочей камеры 1 создается повышенное давление и размер пузырьков уменьшается.

Длительность фазы растягивающего .напряжения выбирается из соотношения 55

tp= > где Н вЂ” высота рабочей камеры;

V — скорость всплывания паровых пузырьков, равная 0,5 м/с. Выполнение этого соотношения обеспечивает равномерное насыщение жидкости в рабочей камере 1 паровыми пузырьками.

Фаза растягивающего.напряжения сменяется фазой сжимающего напряжения, достигаемого движением поршня 6 во внутрь объема .рабочей камеры 1 по направляющему цилиндру 7. Под действием нарастающего давления происходит уменьшение размеров паровых пузырьков и их схлопывание. Энергия движения стенок пузырьков переходит при этом в энергию образующихся при схлопывании ударных волн и кумулятивных струек жидкости, которые разрушают материалы точно так же, как гидродинамическая и ультразвуковая кавитации, с той лишь разницей, что вводимые в жидкость паровые пузырьки заданных размеров, намного превышающих размер пузырьков, образующихся при гидродинамической и ультразвуковой кавитациях, обладают гораздо большей единичной мощностью схлопывания и эрозионной активностью. При схлопывании паровых пузырьков происходит конденсация содержащегося в них нара. Пузырьки, образовавшиеся за счет дегазации жидкости и заполненные воздухом и частично паром, уменьшаются в . размерах за счет диффузии воздуха из пузырька в жидкость. Поскольку скорость диффузии воздуха невелика и он обладает высокой уйругостью, то схлопываниез пузырьков затруднено и они не вносят сколько-нибудь заметного вклада в процесс диспергирования материалов. По этой причине в жидкости нецелесообразно eosдавать растягивающее напряжение, способное вызвать ее дегазацию, фаза растягивающего напряжения должна лишь обеспечивать возможность пропускания водяного пара в жидкость без изменения давления в .ней, а фаза.сжимающего напряжения — схлопывание пузырьков.

Длительность фазы сжатия должна обеспечить быстрое схлопывание паровых пузырьков, при этом чем короче длительность фазы сжатия, тем быстрее схлопываются пузырьки и тем большее диспергирующее действие они произво-.

ДЯT

1122344

Если длительность фазы растягивающего напряжения определяется условием насыщения жидкости паровыии пузырьками и зависит от размеров рабочей камеры 1 и скорости всплывания паровых пузырьков, то длительность фазы сжимающего напряжения определяется техническими характеристи-, ками возбудителя 8 колебаний.Для рабочей: камеры высотой 3 м длительность фа- 10 зы растягивающего напряжения состав-. ляет 10 с, а использование электрогидравлического возбудителя колебаний, частотный диапазон которого простирается до 100 Гц, обеспечивает 15 минимальную длительность фазы сжатия

0,1 с т.е. длительность фазы растягивающего напряжения превышает длительность фазы сжамающего напряжения. 20

Для диспергирования особо твердых материалов в фазе растягивающего напряжения в жидкость вводят горячую газообразную смесь, например, смесь парафиновых углеводородов (этан, 25 бутан, пропан и т.д.) с воздухом или кислородом, ненасыщенных углеводородов (этилен, ацетилен и т.д. ) с воздухом или кислородом; паров диэтилового эфира, ацетона, этилового слир — З0 та, бензина с воздухом или кислородом.

В фазе сжимающих напряжений под действием нарастающего давления происходит уменьшение объема пузырь«35 ков горячей газообразной смеси,сопровождающееся повышением ее температуры. Так же, как и ранее, длительность фазы растягивающих напряжений должна обеспечивать насыщение жидкос40 ти пузырьками горючей газообразной смеси, а длительность фазы сжимающих напряжений — быстрое сжатие этих пузырьков, при котором ие происходит теппообмена- с окружающей жидкостью, 45 т.е. процесс сжатия протекает по адиабатическому з акону.

При сжатии пузыр.ьков, например паровых, температура нара быстро возрастает и в момент схлопывания составляет !О К. При сжатии пу50 зырьков горючей газообразной смеси повьииение температуры происходит до определенного предела, при котором становится возможным воспламенение горючей газообразной сме- 55 сн, сопровождающееся ее взрывообразным горением, приводящим к образованию ударной волны с крутым передним фронтом, мощнымй иикропо токами жидкости и сильным тепловыи импульсом. При этом меняются химические свойства жидкости в сторону повышения ее окислительной способности.

Ударная волна с амплитудой давления, превышающей предел прочности материала на сжатие, вызывает его разрушение, ппастическую деформацию и образование -микротрещин, по которым вода проникает во внутрь структуры материала и тем самым способствует передаче давления не только на поверхность, но и на внутренние области материала. Мощные микропотоки жидкости способствуют выносу мнкрочастиц материала из зоны

ex о разрушения. Сильные тепловые иипульсы вызывают появление в материале термоупругих .напряжений, приводящих к ослаблению его прочности и увеличению скорости диспергирования. Увеличение окислительной способности воды также способствует более эффективному диспергированию материалов за счет их поверхностной эрозии.

Температура, необходимая для взрывообраэного воспламенения rîðþчей газовой смеси, зависит как от типа смеси, так и от соотношения отдельных компонентов. Смесь пропанвоздух при содержании первого IX взрывается при 580 С, а при содержании 57 — при 530 С. Температура в пузырьке Т„ зависит от степени сжатия и приблизительно может быть рассчитана по фориуле где Т - начальная температура пузырька;

Р— начальное давление внутри пузырька;

Р„- конечное давление внутри пузырька; г. — показатель адиабаты.

В случае пропускания в жидкость горючей газообразной смеси источник 12 пара замеияется источником горючей газообразной смеси, а остальные элеиеяты выполняют те же функции, что и в случе пропускания в жидкость пара.

Поскольку пузырьки имеют различные размеры, что обусловлено их распределением по высоте объема жидкости и условиями их диспергирования на отверстиях 15 газораспределительного элемента 10, постольку их схлопывание (в случае пузырьков, заполненных горючей газообразной смесью ) происходит неодновременно. В первую очередь схлопываются и воспламеняются мелкие пузырьки, а в последнюю — круп— ные, причем схлопывание и воспламе— кение крупных пузырьков происходит в условиях более высокого давления, что способствует увеличению удельной мощности диспергирующего действия каждого пузырька.

Дпя повышения эффективности диспергирования материалов. используют повышенное гидростатическое давление, создаваемое в жидкости путем смещения среднего положения подвижного поршня 6 в направляющем цилиндре 7.

Повышенное гидростатическое давление .способствует более быстрому схлопыванию паровых пузырьков и воспламенению пузырьков с горючей газообразной смесью, что увеличивает удельную мощность диспергирующего действия каждого пузырька.

Схлопывание паровых пузырьков и взрывообразное горение пузырьков, заполненных горючей газообразной смесью, вблизи стенок рабочей камеры 1 приводит к их разрушению. Для устранения этого водяной пар или горючую газообразную смесь вво— дят непосредственно в область расположения диспергирующих материалов, 35

1122344 8 которые в этом случае размещают на решетке 16 в рабочей камере

Диспергирование материалов приводит к образованию суспензии, которая выпускается из рабочей камеры 1 через патрубок 17 при открытии задвижки 18. После чего рабочая камера 1 вновь заполняется водой, в нее помещается материал и процесс диспергирования повторяется..

Пример осуществления способа. Образцы мергеля с пределом прочности на сжатие 2 10 г/м при обработке с амплитудой 8 " 10 Н/м и частотой

l0 Гц в течение 1,5 мин теряют 407. своего веса при пропускании в жидкость в фазах растягивающих напряжений водяного пара. В то же режиме, но при пропускании горючей газообразной смеси (пропан-воздух при содержании первого 4X ), эти образцы диспергируют полностью. Обработка образцов мергеля знакопеременным давлением с амплитудой 8 " х10 И/м и частотой !О Гц в течение 20 мин приводит к уменьшению веса всего на 27.

Использование предлагаемого способа диспергирования материалов обеспечит по сравнению с известным высокую эффективность процесса диспергирования материалов; возможность управления процессом диспергирования, значительную простоту и надежность технических средств для реализации способа.! 122344

Составитель А. Тарасов

Техред Ж.Кастелевич Корректор H. Король

Редактор Л. Гратилло

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

Заказ 8060/5 Тираж 575 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5