Способ диспергирования материалов

СОЮЗ СОВЕТСКИХоаааЛЕМИСНипРЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕ 1 СССРПо ДЕЛАМ ИЗОЫ ЕТЕНИЙ И ОТКЯЛИйОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ 21) 3360410/23-2622) 06,10.8146) 07,11.84, Бюл. Р 4 А,И.Шульг ена Трудо рный инст(71) Московский ордКрасного Знамени гтут(54) (57) СПОСОБ ДИСПЕРГИРОВАНИЯИАТЕРИАПОВ путем наложения на смесжидкости и твердого материала циклически меняющегося положительного иотрицательного давления, .о т л и -ч а ю щ и .й с я тем, что, с цельюинтенсификации процесса за счетмикровзрывного воздействия, в циклах отрицательного давления в смесвводят пузырьки горючей газообразной смеси, а наложение положительного давления осуществляют адиабатически до самовоспламенения пузырьков.1122Изобретение относится к областиобогащения полезных ископаемых, вчастности к процессам промывки, измельчения, Флотации и может быть использовано в лакокрасочной, текстильной, химической, керамическойпромышленности, а также в областипорошковой металлургии.Известен способ диспергированияматериалов путем их ультразвуковой 1 робработки в жидкой среде 1 1,Однако данный способ не позволяет эффективно диспергировать материалы по причине высокого затухания;ультразвука, складывающегося из расстояния, расхождения и поглощенияультразвуковой энергии, Наиболее эффективное диспергирование материалов протекает в непосредственнойблизости от излучающих ультразвукповерхностей, которые быстро выходятиз строя, что вызывает необходимость их частой замены и тем самымснижение производительности устройства, реализующего способ. Для повышения эффективности диспергированияматериалов используют 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 5звуковых генераторов и излучателей,небольшие объемы обрабатываемых жидких сред, невысокая эффективностьдиспергирования материалов и низкаяпроизводительность делают данный . 40способ непригодным для широкого промышленного использования.Наиболее близким к предложенномупо технической сущности и достигаемому эффекту является способ диспергирования материалов путем наложе-.ния на смесь жидкости с твердымматериалом циклически меняющегосязнакопеременного давления 23,Однако известный способ не позволяет эффективно диспергироватьматериалы, поскольку в жидкости нриее дегазации; проходящей при отрицательном давлении, образуются многочисленные воздушные пузырьки и 55даже воздушные полости, которые приводят к резкому падению амплитудызнакопеременного давления за счет 344 2перехода жидкости в колебательное движение, что ведет к прекращению кавитации.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 насмесь жидкости и твердого материалациклически меняющегося положительного и отрицательного давления, вциклах отрицательного давления всмесь вводят пузырьки горючей газообразной смеси, а наложение положи- .тельного давления осуществляют адиабатически до самовоспламенения пузырьковНа чертеже представлено устройство для реализации предлагаемого способа.Способ осуществляется следукицимобразом.Подлежащий диспергированию материал загружается в рабочую камеру 1,которая закрывается крышкой 2 выпуклой формы и затем заполняется посредством патрубка 3 водой так, чтобывнутри рабочей камеры 1 и крышки 2не оставалось воздуха. Заполнениевнутреннего объема рабочей камеры 1и крышки 2 производится при открытыхзадвижках 4 и 5, причем задвижка 4обеспечивает поступление воды в рабочую камеру 1, а задважка 5 - выпускиз нее воздуха. Закрытием задвижек4 и 5 обеспечивается полная герметизация внутреннего объема рабочейкамеры 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,11 ри движении поршня 6 во внутрь ра122344 3бочей камеры 1 в жидкости развивается сжимающее напряжение, а при обратном движении - р астя гивающее.Обратным напр авлением 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- р щенного на нижней крышке 11 рабочей камеры 1. Пар в газораспределительный элемент 10 поступает по патрубку 2 от источника 13 пара, приэтом расход Пара регулируется задвижкой 4. Газораспределительный элемент 10 производит диспергирование пара на пузырьки, размер которых определяется не только размером его отверстий 15, но и величиной давления в 20 рабочей камереЕсли 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 10. 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 пузырек- жидкость. Кроме того, частично происходит образование воздушных пузырьков за счет дегазации жидкости.Если же объем вводимого в жидкость 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 50 создается повышенное давление и размер пузырьков уменьшается.Длительность фазы растягивающего напряжения выбирается из соотношения 55 Нс =где Н - высота рабочей камеры; 4Ч - скорость всплывания паровыхпузырьков, 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 создавать 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-. дят, 1122344Если 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 напряженияопределяется техническими характеристи-,ками возбудителя 8 колебаний.Для рабочей:камеры высотой 3 м длительность фа- Озы растягивающего напряжения состав-.ляет 10 с, а использование электрогидравлического возбудителя колебаний, частотный диапазон которогопростирается до 100 Гц, обеспечивает 5минимальную длительность фазы сжатияО, с, т.е. длительность фазы растягивающего напряжения превышаетдлительность фазы сжамающего напряжения. 20Для диспергирования особо твердыхматериалов в Фазе растягивающегонапряжения в жидкость вводят горячую газообразную смесь, например,смесь парафиновых углеводородов ( этан, 25бутан, пропан и т.д.) с воздухом иликислородом, ненасыщенных углеводородов (этилен, ацетилен и т.д.) с воздухом или кислородом; паров диэтилового эфира, ацетона этилового слир - З 0та, бензина с воздухом или кислородом,В Фазе сжимающих напряжений поддействием нарастающего давления происходит уменьшение объема пузырь 35ков горячей газообразной смеси,сопровождающееся повышением ее температуры, Так же, как и ранее, длительность фазы растягивающих напряженийдолжна обеспечивать насыщение жидкос 40ти пузырьками горючей газообразнойсмеси, а длительность Фазы сжимающихнапряжений - быстрое сжатие этихпузырьков, при котором ие происходиттеппообмена с окружающей жидкостью,45т.е. процесс сжатия протекает поадиабатическому закону.При сжатии пузырьков, напримерпаровых, температура нара быстровозрастает и в момент схлопываниясоставляет О К. При сжатии пуФ 50зырьков горючей газообразной смесиповьивение температуры происходит до определенного предела, прикотором становится возможным воспламенение горючей газообразной смесн, сопровождающееся ее взрывообразным горением, приводящим к образованию ударной волны с крутым передним фронтом, мощнымй иикропотоками жидкости и сильным тепловыиимпульсом, При этом меняются химические свойства жидкости в сторонуповышения ее окислительной способности.Ударная волна с амплитудой давления, превышающей предел прочности материала на сжатие, вызываетего разрушение, ппастическую деформацию и образование микротрещин,по которым вода проникает во внутрьструктуры материала и тем самымспособствует передаче давления нетолько на поверхность, но и на внутренние области материала. Мощные микропотоки жидкости способствуют.выносу мнкрочастиц материала из зоныего разрушения. Сильные тепловые иипульсы вызывают появление в материале термоупругих .напряжений, приводящих к ослаблению его прочностии увеличению скорости диспергирования. Увеличение окислительнойспособности воды также способствует более эффективному диспергированию материалов за счет их поверхностной эрозии,Температура, необходимая длявзрывообраэного воспламенения горючей газовой смеси, зависит как оттипа смеси, так и от соотношенияотдельных компонентов. Смесь пропанвоздух при содержании первого 17взрывается при 580 С, а при содержании 57 - при 530 С. Температура в пузырьке Т зависит от степени сжатия и приблизительно можетбыть рассчитана по формуле где Т - начальная температурапузырька;Р - начальное давление внутрипузырька;Р - конечное давление внутрипузырька;г - показатель адиабаты,В случае пропускания в жидкостьгорючей газообразной смеси источник 12 пара заменяется источникомгорючей газообразной смеси, а остальные элеиеяты выполняют те же функции,что и в случе пропускания в жидкостьпара.Поскольку пузырьки имеют различные размеры, что обусловлено их распределением по высоте объема жидкостии 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.Для 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 уделв ную мощность диспергирующего действия каждого пузырька.Схлопывание паровых пузырьков и взрывообразное горение пузырьков, заполненных горючей газообразной смесью, вблизи стенок рабочей камерыприводит к их разрушению, Для устранения этого водяной пар или горючую газообразную смесь вво - дят непосредственно в область расположения диспергирующих материалов,35 1122344 8которые в этом случае размещаютна решетке 16 в рабочей камереДиспергирование материалов приводит к образованию суспензии, котораявыпускается из рабочей камерычерез патрубок 17 при открытиизадвижки 18, После чего рабочаякамера 1 вновь заполняется водой, внее помещается материал и процессдиспергирования повторяетсяПример осуществления способа. Образцы мергеля с пределом прочностина сжатие 2 О г/м при обработкес амплитудой 8 " 10 Н/м и частотой10 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 присодержании первого 4 Х), эти образцы диспергируют полностью. Обработка образцов мергеля знакопеременным давлением с амплитудой 8 "х 10 И/м и частотой О Гц в течение 20 мин приводит к уменьшениювеса всего на 27.Использование предлагаемого спо.соба диспергирования материаловобеспечит по сравнению с известнымвысокую эффективность процесса диспергирования материалов; возможность управления процессом диспергирования; значительную простотуи надежность технических средств дляреализации способа.122344 А. Тарас Соста Техре орректор Н. Коро стелев аказ 806 Подписно осуам д. 4/5 ск ал Редактор Л. Гратилл ВНИИПИ по 11 303