Пристрій для сепарації сипучої суміші у текучому середовищі

Реферат: Пристрій для сепарації сипучої суміші у текучому середовищі містить камеру сепарування з завантажувальним бункером та робочим органом, наділеним приводним механізмом з джерелом стислого повітря. Робочий орган виконаний у вигляді пропелера, що примикає до днища камери, з порожнистим приводним валом та клиноподібними порожнистими лопатями. З пасивного боку лопатей виконані вікна для проходження повітря, а також лопаті мають поздовжній вигін та змінний кут атаки. Бічні стінки камери сепарування встановлені від кінця лопатей на відстані, що перевищує ширину останніх, та рівномірно наділені тічками із засувками. UA 105148 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ СЕПАРАЦІЇ СИПУЧОЇ СУМІШІ У ТЕКУЧОМУ СЕРЕДОВИЩІ UA 105148 U UA 105148 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до устаткування для класифікації сипких кускових матеріалів механічно-аеродинамічним шляхом, та може бути широко використана у вугільній, коксохімічній, гірничодобувній, металургійній та інших галузях промисловості, зокрема при збагаченні корисних копалин та сепарації інших сипких речовин та матеріалів. Відомий гідравлічний сепаратор для сепарації сипучих матеріалів, зокрема вугілля, у текучому середовищі, зокрема у псевдозрідженому шарі, який містить короб з бортами та подвійним дном, верхнє з яких є решітним, а нижнє виконане конусоподібним, а також розвантажувальні пристрої для легких і важких продуктів, встановлені біля протилежних бортів короба, та привод для передачі коробу горизонтальних коливань. Для сепарації сипку масу подають у зону дії висхідного потоку води з одночасним горизонтальним переміщенням утвореного завислого шару, розділення фрагментів сипкої маси у напрямках дії, прискорення та виведення легкого і важкого продуктів сепарації [АС СРСР № 986515, МПК В07В 1/40, опубл. 07.01.1983 р. у Бюл. № 1]. Недоліком пристрою для здійснення вищеописаного способу є значна тривалість одного виробничого циклу при досить посередній продуктивності. Даний недолік пояснюється недосконалою конструкцією, яка не дозволяє ефективно сепарувати великі об'єми сипких матеріалів, оскільки, окрім приводу для передачі коробу горизонтальних коливань, взагалі більше не містить жодних пристосувань для активізації процесу розділення завислих у водному середовищі часток сипучої суміші, що піддається сепарації. Також недоліком використання відомого пристрою для сепарації сипучих матеріалів є його економічна невиправданість. Даний недолік пояснюється використанням у ролі зріджуючого агента води - досить дорогого ресурсу у наш час, пов'язаного з низкою гострих економічних та екологічних проблем. Крім цього відсепароване у водному середовищі вугілля, природно, є мокрим, тому вимагає додаткових енергозатрат на висушування, внаслідок чого зростає собівартість готового продукту. Частково вказані недоліки усунені у відомому пристрої для сепарації суміші сипучих матеріалів у текучому середовищі, зокрема у киплячому шарі, який містить корпус із замкнутою системою циркуляції повітря, завантажувальний бункер з живильником, розподільну решітку, поверхня якої з боку підведення повітря вкрита шаром антиадгезійного матеріалу, переливні пороги, розвантажувальні пристрої та скребковий контейнер з гребінкою [патент України № 34203, МПК В07В 4/00, В07В 1/46, опубл. 11.08.2008 року у Бюл. № 15]. Сепарування суміші з використанням даного пристрою включає пропускання через шар сипкого матеріалу висхідного потоку газу, переважно повітря, з певною швидкістю, домагаючись початку інтенсивного взаємного переміщення часток матеріалу у стані неоднорідного псевдозрідження (кипіння), з наступним розділенням часток матеріалу за їх питомою вагою і виведенням легких та важких продуктів [див. Боттерилл Дж. Теплообмен в псевдоожиженном слое: Гидродинамические характеристики псевдоожиженного газом слоя и их влияние на его теплообменные свойства. Пер. с англ. - М.: Энергия, 1980. - С. 21]. Перевагою вищеописаного пристрою, у порівнянні з попереднім аналогом, є забезпечення можливості розділення речовин у газовому (повітряному) середовищі, яке є дешевим і при цьому не створює екологічних проблем (завдяки закритій системі циркуляції повітря). Проте, недоліком відомого пристрою для сепарації є складність і габаритність конструкції, відсутність будь-яких додаткових пристосувань для інтенсифікації процесу розділення речовин у киплячому шарі, а також відносна дороговизна окремих елементів конструкції, зокрема розподільної решітки з антиадгезійним (полімерним) покриттям. Крім цього залишаються великі енерговитрати на підтримання режиму киплячого шару, нестабільність системи у випадку її застосування для розділення сипких матеріалів з різнорідною масою і формою часток, наприклад вугілля, а також присутність негативної тенденції до стирання вугільних часток під час інтенсивного перемішування у киплячому шарі. Недоліки обох попередніх аналогів усунені у відомому пристрої для сепарації суміші сипучих матеріалів, зокрема вугілля, у псевдозрідженому шарі, який має ванну з відділенням для сепарації матеріалу, оснащеним похилою V-подібною решіткою з кутом нахилу рифлів 30-75° і відстанню між ними 3-6 мм, та відділенням для виведення потонулих фракцій, а також газорозподільну плиту, переливний поріг, елеватор, механізм для розвантаження важких фракцій і завантажувальний бункер. Робота пристрою включає подачу повітря через похилу Vподібну решітку у шар вихідного матеріалу з одночасним здійсненням горизонтальних коливань з частотою 60-90 хв. і амплітудою 40-120 мм, та розділення матеріалу в утвореному однорідному псевдозрідженому шарі на легкий і важкий продукт [патент Росії № 2029637, МПК В07В 4/08, опубл. 27.02.1995 р. у Бюл. № 1]. Недоліком відомого пристрою є неможливість оперативного налаштування його конструкції, відповідно до стану сировини, призначеної для сепарації через технологічну складність вибору 1 UA 105148 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 оптимальних параметрів режиму сепарації в межах запропонованого співвідношення амплітуди коливання, частоти, кута нахилу рифлів розподільної решітки та кута між ними у кожному конкретному випадку - залежно від гранулометричної характеристики вихідної сировини та бажаної кількості виділених фракцій. Це спричиняє зниження якості сепарації вугілля. На практиці вказаний недолік не дозволяє повною мірою реалізувати весь функціональний потенціал заявленого технічного рішення. Найбільш близьким аналогом за своєю суттю та ефектом, що досягається, і який приймається за прототип, є пристрій для аеродинамічної сепарації сипучої суміші, зокрема вугілля, у текучому середовищі, який містить циліндричну робочу камеру, встановлену на рамі, завантажувальний бункер, газорозподільну решітку, приводний механізм, переливний поріг і елеватор. При роботі пристрою відбувається розділення матеріалу за питомою вагою шляхом приведення аеросуспензії зі збагачуваним матеріалом у обертовий рух з наступним виведенням легких і важких фракцій [АС СРСР № 194669, МПК В07В 7/083, опубл. у 1967 році]. Основним недоліком відомого пристрою є низька продуктивність сепарації сипучої суміші, зокрема вугільної маси. Даний недолік має техніко-технологічний характер і пояснюється тим, що при організації процесу сепарування за допомогою відцентрових сил (тобто шляхом обертання заповненої вугільним матеріалом сепараційної ємності) зона робочої камери сепаратора, яка розташована близько до геометричної центральної осі, виявляється фактично не робочою, оскільки лінійна швидкість переміщення продуктів на цій ділянці занадто мала. Це призводить до збільшення тривалості перебування вугільної маси в робочій камері сепаратора, внаслідок чого і знижується продуктивність. Наступний технічний недолік відомого пристрою полягає у недосконалості його завантажувального бункера. Вказаний бункер має стандартну конусоподібну форму (у вигляді воронки), завдяки чому вугільна сировина, призначена для сепарації, подається переважно в центр циліндричної робочої камери, звідки погано розподіляється до її периферійних стінок з причини, зазначеної у попередньому недоліку. Ще одним технічним недоліком відомого пристрою є неможливість регулювати об'єм його робочої камери. Це не дозволяє змінювати виробничу потужність пристрою залежно від потреб виробництва, що, природно, обмежує сферу його функціонального застосування. Також суттєвим технічним недоліком відомого пристрою для сепарації сипучих матеріалів є недосконалість конструкції його газорозподільної решітки, представленої у вигляді горизонтальної газопроникної плити, нерухомо прикріпленої до внутрішніх стінок робочої камери сепаратора. Така конструкція газорозподільної решітки, по суті, є "пасивним" робочим органом і тому, природно, не може жодним чином підвищувати інтенсивність та якість сепарації вугільної маси. До того ж, використання газопроникної плити, яка є дном сепаратора, для підтримання певного тиску, вимагає дуже великих витрат повітря, а отже сепаратор повинен мати дуже потужну силову установку, що робить процес сепарації досить дорогим, а тому й економічно невиправданим. Крім цього важливим техніко-технічним недоліком відомого рішення щодо пристрою є конструктивна недосконалість вузла виведення відсепарованих фракцій матеріалу. Даний недолік полягає у тому, що операції видалення із сепаратора розділених фракцій вугілля виконуються нарізно із застосуванням спеціально пристосованого для цього обладнання: так, легкі фракції виводяться через переливний поріг робочої камери сепаратора, а важкі фракції транспортуються за допомогою елеваторного колеса. Такий підхід не раціонально використовує можливості сепарації вугільної маси у складі аеросуспензії і при цьому суттєво ускладнює технологію процесу та конструкцію самого сепаратора. До того ж, вказаний недолік спричиняє додаткову складність і недосконалість конструкції сепаратора через фактичну наявність одразу двох приводних механізмів: одного - для обертання циліндричної робочої камери, а іншого - для роботи елеваторного колеса. Це підвищує показник енергоспоживання відомого пристрою мінімум в два рази, що робить його економічно не вигідним, особливо при малих об'ємах виробництва. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення якості і продуктивності процесу сепарації сипучих матеріалів з одночасним спрощенням і удосконаленням конструкції пристрою для сепарування та зниження енерговитрат за рахунок підвищення інтенсивності сепарації сипучих матеріалів у складі аеросуспензії, а також оптимізації процесів подавання сипучої маси у сепараційну зону і виведення готових продуктів шляхом відповідних конструктивних удосконалень. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої для сепарації сипучої суміші у текучому середовищі, який містить камеру сепарування з завантажувальним бункером та робочим органом, наділеним приводним механізмом з джерелом стислого повітря, згідно з корисною 2 UA 105148 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 моделлю, робочий орган виконаний у вигляді пропелера, що примикає до днища камери, з порожнистим приводним валом та клиноподібними порожнистими лопатями, причому з пасивного боку останніх виконані вікна для проходження повітря, а також лопаті мають поздовжній вигін та змінний кут атаки, а бічні стінки камери сепарування встановлені від кінця лопатей на відстані, що перевищує ширину останніх, та рівномірно наділені тічками із засувками. Запропонований пристрій забезпечує діяння на сипучий матеріал механічних та аеродинамічних сил з подальшим відведенням готових фракцій. Механічне діяння на суміш матеріалу здійснюють періодично у напрямі вільної поверхні матеріалу, який знаходиться під дією відцентрових сил та сил гравітації, з утворенням у останньому порожнин (запон), в які під тиском подають дозовані порції повітря, а відведення готових фракцій здійснюють на відстані, більшій висоти порожнини, та пошарово. Запропонований пристрій для механічно-аеродинамічної сепарації сипучої суміші, зокрема вугілля, характеризується високими показниками якості і продуктивності. Це стало можливим завдяки удосконаленню процесу розділення вугільних часток у складі аеросуспензії та відповідній зміні принципу роботи аеродинамічного сепаратора, які полягають у тому, що необхідне відцентрове прискорення вугільні частки отримують не за рахунок обертання самої робочої камери сепаратора, а за допомогою рухомого робочого органа, що обертається в ній. Вказаний робочий орган представлений у вигляді ротора з вертикальною віссю, оснащеного клиноподібними лопатями з отворами для подачі повітря під тиском, і виконує одразу дві функції: розподіляє висхідний повітряний потік (у запропонованій конструкції виконує роль газорозподільної решітки) і механічним шляхом підвищує інтенсивність сепарації. Так, клиноподібні лопаті ротора щоразу ніби підкидають вугільні частки вгору, а повітряні струмені, які під тиском виходять із отворів на їх поверхні, заповнюють порожнини (запони) між частками вугілля, та підтримують стан аеросуспензії, сприяючи таким чином якісному і продуктивному процесу сепарації. Підвищенню якості та інтенсивності сепарації сприяє також удосконалена конструкція завантажувального бункера. Завдяки оснащенню конусоподібного бункера розширеним донизу вихідним каналом, вугільна маса при засипанні у робочу камеру краще розподіляється у напрямку до стінок сепаратора. Цьому сприяє також факт встановлення бункера на опору таким чином, що центральна частина перерізу його вихідного каналу виявляється закритою, а отже увесь вугільний матеріал, висипаючись крізь утворений кільцеподібний вихідний отвір, потрапляє до найбільш продуктивної робочої зони сепаратора - зони обертання лопатей ротора. Крім цього, наявність у запропонованій конструкції підйомного механізму дозволяє регулювати положення завантажувального бункера відносно робочої камери сепаратора і таким чином, при необхідності, змінювати величину і кут нахилу потоку вугільної маси, призначеної для сепарації. Наявність знімних бортів у конструкції робочої камери запропонованого сепаратора дозволяє значно розширити сферу функціонального застосування пристрою і покращити його експлуатаційні характеристики. Так, змінюючи висоту бортів, можна легко і швидко, без ускладнення конструкції всього пристрою в цілому, змінювати об'єм робочої камери відповідно до кількості сировини, призначеної для сепарації. На відміну від прототипу, у запропонованому технічному рішенні враховані і раціонально використані відомості про фізичні властивості твердих речовин, зокрема вугілля, у складі аеросуспензії. Відомо, що частки твердого сипкого матеріалу у складі аеросуспензії розподіляються під дією висхідного повітряного потоку, відповідно до своєї густини і/або маси: легкі продукти "випливають" на поверхню, а важкі - "тонуть". Згідно з цим, різні фракції вугілля, що знаходиться у складі аеросуспензії та у стані відцентрового прискорення, розташовуються на певній висоті відносно горизонтальної площини робочої камери запропонованого сепаратора: легші знаходяться вище, а більш важкі - відповідно, нижче. Для виведення вказаних фракцій на поверхні бортів робочої камери сепаратора виконані вікна (отвори визначеного розміру) на певній висоті, яка відповідає висоті знаходження завислих часток вугілля. Висота розташування та кількість вікон на одному рівні встановлюються експериментально, оскільки залежать від стану вихідної сировини, кількості обертів ротора та інших факторів, і обов'язково враховуються під час проектування сепаратора на основі запропонованого технічного рішення, а кількість рівнів вказаних вікон вибирається залежно від необхідної кількості виділених фракцій. Таким чином, виведення фракцій відбувається, по суті, в автоматичному режимі, без використання жодних примусових транспортуючих механізмів та приводів до них, що дозволяє оптимізувати процес виведення готових продуктів із зони 3 UA 105148 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 сепарації, а також спростити конструкцію і знизити енергоспоживання запропонованого пристрою для сепарування сипучої суміші. У запропонованому пристрої (сепараторі) ротор приєднаний до вузла управління змінною швидкістю будь-якої відомої конструкції. Наприклад, ротор може бути зв'язаний через ремінну передачу з електродвигуном, при цьому необхідна швидкість обертання ротора (а отже і прискорених часток) досягається шляхом зміни числа обертів електродвигуна. Це забезпечує універсальність і високу функціональність запропонованої конструкції. Завдяки комплексу запропонованих техніко-технологічних удосконалень досягається підвищення якості сепарації сипучої суміші, зокрема вугільної маси, зростання загальної продуктивності виробництва, а також спрощення конструкції пристрою. Таким чином, уся сукупність суттєвих ознак запропонованого рішення стосовно пристрою для механічно-аеродинамічної сепарації сипучої суміші матеріалів у текучому середовищі забезпечує досягнення певного позитивного технічного результату. Подальша суть запропонованого пристрою пояснюється кресленнями: фіг. 1 запропонований пристрій для механічно-аеродинамічної сепарації сипучих матеріалів у текучому середовищі, повздовжній переріз, варіант для сепарації вугілля; фіг. 2 - те ж саме, вигляд зверху. Запропонований пристрій для механічно-аеродинамічної сепарації сипучих матеріалів містить циліндричну робочу камеру 1, яка складається із циліндричної основи 2, жорстко закріпленої на рамі 3, і знімних бортів 4 з вікнами 5 (тічками з засувками) для виведення готових фракцій. До бортів 4 приєднаний підйомний механізм 6, який регулює положення завантажувального бункера 7, оснащеного розширеним донизу вихідним каналом 8 і встановленого на опору 9 з можливістю подачі вугільної маси в робочу камеру 1 через кільцеподібний отвір 10 вихідного каналу 8. В порожнині робочої камери 1 також розташований ротор 11 (робочий обертовий орган), оснащений пустотілими (порожнистими) клиноподібними лопатями 12. З пасивного боку (ззаду) клиноподібних лопатей 12 виконані вікна 13 для проходження повітря для порційної подачі в робочу камеру 1 стисненого повітря, яке за допомогою повітропроводу 15, сполученого із внутрішньою порожниною ротора 11, через канали 14 надходить в порожнини лопатей 12. Лопаті 12 мають поздовжній вигін та змінний кут атаки. Ротор 11 зв'язаний через ремінну передачу 16 з електродвигуном 17. Принцип роботи запропонованого пристрою на прикладі сепарації вугілля. Призначену для сепарації вугільну масу подають у завантажувальний бункер 7, звідки вона через кільцеподібний отвір 10 вихідного каналу 8 потрапляє в порожнину робочої камери 1 і нерівномірно частково заповнює її. Після цього вмикають електродвигун 17, який через ремінну передачу 16 приводить у рух ротор 11, який у свою чергу за допомогою лопатей 12 надає прискорення часткам вугільної маси, присутньої всередині робочої камери 1. Одночасно з цим через повітропровід 15 у внутрішню порожнину ротора 11 нагнітають повітря, яке надходить через канали 14 всередину пустотілих клиноподібних лопатей 12, звідки у вигляді дозованих порцій повітря виходить у порожнину робочої камери 1 крізь вікна 13. Внаслідок цього утворюється аеросуспензія, яка, маючи текучість, рівномірно заповнює об'єм робочої камери 1. При цьому серед часток вугільної маси, які відрізняються за масою (крупністю) або навіть за густиною (у випадку наявності домішок), виникає тенденція до сортування: більш легкі продукти піднімаються у верхній шар аеросуспензії, а важкі продукти опускаються у нижній. Через відповідні вікна 5 на поверхні знімних бортів 4 прискорені легкі і важкі продукти виводяться з робочої камери та направляються у приймальні відсіки (не показані). Під час сепарації у завантажувальний бункер 7 постійно подають нові порції вугільної маси для забезпечення сталого складу аеросуспензії. Запропонований пристрій для механічно-аеродинамічної сепарації сипучої суміші у текучому середовищі не містить у своєму складі жодних конструктивних елементів, які неможливо було б відтворити на сучасному етапі розвитку науки і техніки, зокрема у галузі сепарації твердих речовин у повітряному середовищі, а отже є придатним для промислового застосування, має технічні та інші переваги перед відомими аналогами, що підтверджує можливість досягнення технічного результату. Суттєва відмінність запропонованого пристрою для сепарації сипучої суміші у текучому середовищі від раніш відомих, полягає у тому, що робоча камера складається із двох роз'ємних частин, оснащена вікнами для виведення розділених фракцій і підйомним механізмом для регуляції потоку завантажуваної маси сипучого матеріалу, завантажувальний бункер встановлений на опору з можливістю подачі вугільної маси в робочу камеру через кільцеподібний отвір розширеного донизу вихідного каналу, газорозподільна решітка виконана у вигляді ротора з вертикальною віссю, оснащеного клиноподібними лопатями з отворами для 4 UA 105148 U 5 10 15 20 25 30 35 подачі порцій повітря під тиском і приєднаного до вузла управління змінною швидкістю. Це дозволяє сипучому матеріалу, який знаходиться під дією сил відцентрового прискорення, періодично надавати додаткове дозоване прискорення, нормальне за напрямком до її відкритої поверхні, а на звільнене місце кожного разу під тиском подавати дозовану порцію повітря. Вказані відмінності у сукупності дозволяють підвищити якість процесу сепарації сипучого матеріалу, збільшити загальну продуктивність виробництва, а також спростити конструкцію пристрою. Жодний з відомих пристроїв для сепарації сипучих матеріалів не може одночасно мати всі вказані відмінності, оскільки не має у своєму складі всієї сукупності запропонованих конструктивних ознак, які б забезпечували досягнення необхідного технічного результату. До технічних переваг запропонованого пристрою, у порівнянні з найближчим аналогом, можна віднести: - підвищення інтенсивності та якості сепарації сипучого матеріалу за рахунок удосконалення процесу розділення часток у складі аеросуспензії та відповідної зміни принципу роботи аеродинамічного сепаратора, зокрема використання рухомого робочого органа у вигляді ротора з клиноподібними лопатями; - спрощення конструкції за рахунок оптимізації процесів подавання сипучого матеріалу у сепараційну зону і виведення готових продуктів; - розширення функціональних і експлуатаційних характеристик за рахунок забезпечення можливості регулювати виробничу потужність пристрою (сепаратора). Економічний ефект від впровадження запропонованого пристрою, у порівнянні з використанням найближчого аналога, отримують за рахунок зростання продуктивності виробництва, що досягається завдяки комплексному конструктивному удосконаленню, а також за рахунок зниження енергоспоживання сепаратора. Численні можливі варіанти виконання окремих елементів пристрою, зокрема висота знімних бортів, кількість вікон для виведення розділених фракцій, конструкція підйомного механізму, кількість лопатей ротора, тип приводу тощо можуть змінюватися залежно від виробничих потреб і стану сировини, що підлягає переробці. Пристрій для аеродинамічної сепарації сипучого матеріалу додатково забезпечує періодичне надання сипучої маси, яка знаходиться під дією сил відцентрового прискорення, дозованого прискорення, нормального за напрямком до її відкритої поверхні, з одночасним локальним подаванням дозованої порції повітря під тиском. Для цього пристрій містить робочу камеру, утворену двома роз'ємними частинами, оснащену вікнами для виведення розділених фракцій і підйомним механізмом, завантажувальний бункер, встановлений на опору з можливістю подачі вугільної маси в робочу камеру через кільцеподібний отвір розширеного донизу вихідного каналу, та газорозподільну решітку, виконану у вигляді ротора з вертикальною віссю, оснащеного клиноподібними лопатями з отворами для подачі порцій повітря під тиском і приєднаного до вузла управління змінною швидкістю, і саме ці обставини у сукупності дозволили надбати запропонованій корисній моделі переваги у порівнянні з відомими аналогами. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Пристрій для сепарації сипучої суміші у текучому середовищі, який містить камеру сепарування з завантажувальним бункером та робочим органом, наділеним приводним механізмом з джерелом стислого повітря, який відрізняється тим, що робочий орган виконаний у вигляді пропелера, що примикає до днища камери, з порожнистим приводним валом та клиноподібними порожнистими лопатями, причому з пасивного боку останніх виконані вікна для проходження повітря, а також лопаті мають поздовжній вигін та змінний кут атаки, а бічні стінки камери сепарування встановлені від кінця лопатей на відстані, що перевищує ширину останніх, та рівномірно наділені тічками із засувками. 5 UA 105148 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6