Способ и устройство для сепарации сыпучих материалов Российский патент 2024 года по МПК B07B13/00 

Изобретение относится к способам разделения зернистых материалов, различающихся по плотности (шероховатости, упругости), и может быть использовано в химической промышленности, металлургии, строительной индустрии, сельском хозяйстве и других отраслях промышленности.

Известен способ сепарации сыпучих материалов, включающий операции подачи материала на наклонные лотки и разделения частиц, скользящих по наклонной плоскости (Авторское свидетельство СССР № 426717, по классу D 07D 1/04, 1972). Данный способ сепарации сыпучих материалов характеризуется следующими недостатками: ограниченные возможности вследствие сепарации зернистых материалов только по инерционным и фрикционным свойствам; низкое качество сепарации по причине отсутствия на наклонной плоскости устойчивого сдвигового течения частиц.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ сепарации зернистых материалов (см. патент РФ № 2030220 по классу B 07B 13/00, 10.03.95, Бюл. №7), заключающийся в подаче материала слоем на шероховатую поверхность, установленную под углом к горизонту, близким углу естественного откоса материала, разделении сдвигового потока ссыпающихся частиц по высоте на фракции, выводе полученных фракций в приемный бункер, разделенный перегородками на секции, продувке слоя воздухом (газом) в направлении от открытой поверхности к основанию. Устройство, реализующее этот способ, представляет собой шероховатый наклонный скат, установленный под углом к горизонту, близким углу естественного откоса материала, бункер-дозатор со щелевой выгрузкой материала, закрепленный над верхней кромкой ската, и расположенный под нижней кромкой ската приемный бункер, разделенный перегородками на секции для приема фракций материала, поверхность ската перфорирована и под ней устроена камера для отвода воздуха.

Недостатком таких решений является то, что при различии частиц компонентов по плотности или определённом соотношении их размеров и плотности возникают направленные навстречу друг другу потоки сепарации по толщине ссыпающегося слоя вследствие противоположного направления эффектов сегрегации и пневмосепарации, что препятствует достижению высоких показателей эффективности сепарации.

Технической задачей предлагаемых способа и устройства является повышение эффективности сепарации сыпучих материалов, различающихся по плотности (шероховатости, упругости), и расширение их технологических возможностей.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что:

в способе сепарации сыпучих материалов, заключающемся в подаче материала на шероховатый гравитационный скат, установленный под углом к горизонту, разделении сдвигового потока ссыпающихся частиц по высоте на фракции, выводе полученных фракций в приемный бункер, разделенный перегородками на секции, над поверхностью шероховатого гравитационного ската устанавливают с возможностью регулирования зазора ленточный конвейер с шероховатой лентой, регулируют скорость движения шероховатой ленты конвейера, сообщают материалу дополнительный импульс в направлении ската частицам, перемещающимся у открытой поверхности потока, до достижения среднего значения скорости сдвига в нем 65…70 с^-1 и разделяют сдвиговый поток на части, которые сопрягаются по поверхности с наиболее высокими значениями скорости сдвига.

в устройстве для сепарации сыпучих материалов, содержащем шероховатый наклонный скат, установленный под углом к горизонту, близким углу естественного откоса материала, бункер-дозатор со щелевой выгрузкой материала, закрепленный над верхней кромкой ската, и расположенный под нижней кромкой ската приемный бункер, разделенный перегородками на секции для приема фракций материала, над поверхностью ската установлен с возможностью регулирования зазора ленточный конвейер с шероховатой лентой для сообщения материалу дополнительного импульса в направлении ската частицам, перемещающимся у открытой поверхности потока, до достижения среднего значения скорости сдвига в нем 65…70 с^-1 , при этом ленточный конвейер выполнен с приводом, обеспечивающим регулирование скорости шероховатой ленты конвейера.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

При подаче материала на шероховатый наклонный скат и его сдвиговом течении по скату, в потоке материала протекает процесс сепарации частиц по плотности (шероховатости, упругости) под действием эффектов сегрегации и квазидиффузионной сепарации (Долгунин, В.Н. Механизмы и кинетика гравитационной сепарации гранулированных материалов/В.Н. Долгунин, А.Н. Куди, М.А. Туев//Успехи физических наук, 2020, т.190, №6, 585-604.). Процесс сепарации интенсифицируется за счет увеличения скорости сдвига и сдвиговых напряжений в потоке при воздействии дополнительных импульсов в направлении ската. Импульсное воздействие осуществляется путем контакта частиц на открытой поверхности потока с шероховатой лентой ленточного конвейера, которая сообщает частицам дополнительный импульс в направлении ската. При этом импульсное воздействие приводит к формированию в центральной части потока зоны с экстремально большими значениями скорости сдвига и градиента порозности, которая углубляется в слой материала с увеличением интенсивности импульсного воздействия (Фиг.1). На (Фиг.1) представлены профили скорости u(y), объемной доли пустот (порозности) ε(y) и распределения концентрации c(y) контрольных частиц малой плотности в смеси монодисперсных частиц (+3,6-3,75 мм) бисера и силикагеля в гравитационном потоке при активировании продольными импульсами (скорость ленты 1,5 м/с). Зона располагается между областями потока с высокими и низкими значениями порозности и характеризуется условиями для интенсивного протекания эффекта квазидиффузионной сепарации (миграции). В результате импульсного воздействия эффективность сепарации повышается, т.к. направление потоков квазидиффузионной сепарации и сегрегации совпадает (сепарация по плотности, шероховатости и упругости). При повышении интенсивности импульсного воздействия эффективность сепарации увеличивается, достигая максимального значения при углублении зоны с экстремальным значением скорости сдвига на глубину, равную 0,5…0,55 толщины слоя и соответствующую среднему значению скорости сдвига 65…70 с^-1.

На чертеже (Фиг.2) представлена схема устройства, реализующего способ сепарации сыпучих материалов.

Устройство состоит из бункера-дозатора 1 исходной смеси, шибера 2 для регулирования толщины слоя и установленного под бункером-дозатором шероховатого наклонного ската 6. Шероховатый наклонный скат установлен с возможностью регулирования угла его наклона к горизонту. Над скатом закреплен с возможностью регулирования зазора ленточный конвейер 5 с шероховатой лентой. Ленточный конвейер снабжён приводом, обеспечивающим регулирование скорости шероховатой ленты конвейера. Под нижней кромкой гравитационного ската установлен приемный бункер 3, разделенный перегородкой 4 на секции для приема фракций материала.

Из бункера-дозатора 1 зернистый материал слоем определённой толщины, регулируемой шибером 2, подаётся на шероховатый наклонный скат 6. На слой материала оказывается дополнительное импульсное воздействие, осуществляемое путем контакта частиц на открытой поверхности потока с шероховатой лентой конвейера 5, которая движется в направлении ската. В процессе сдвигового течения материала, активированного дополнительным импульсом в направлении ската, верхние слои материала обгоняют нижние. При этом импульсное воздействие приводит к формированию в центральной части потока зоны с экстремально большими значениями скорости сдвига и градиента порозности. Эта зона потока формируется между областями потока с высокими и низкими значениями порозности и характеризуется экстремальными значениями градиента объемной доли пустот (Фиг. 1), что является благоприятным условием для интенсивного протекания эффекта квазидиффузионной сепарации (Долгунин, В.Н. Механизмы и кинетика гравитационной сепарации гранулированных материалов/В.Н. Долгунин, А.Н. Куди, М.А. Туев//Успехи физических наук, 2020, т.190, №6, 585-604). В результате миграции в нижних слоях потока, имеющих пониженную порозность, концентрируются более плотные частицы, а в верхних, разреженных слоях, имеющих высокую порозность, концентрируются менее плотные компоненты смеси. Ссыпающийся веером с нижней кромки ската зернистый материал направляется в приёмный бункер 3, разделенный перегородками 4 на секции для приема фракций материала. При этом в веере, образующемся при ссыпании материала, частицы, имеющие высокую скорость и летящие по длинным траекториям вблизи верхней границы веера (менее плотные) попадают в дальнюю секцию приемного бункера. В свою очередь, частицы, движущиеся с меньшей скоростью и пролетающие в веере по коротким траекториям вблизи нижней его границы (более плотные), попадают в ближнюю секцию приёмного бункера. Полученные фракции из секций бункера выводятся через патрубки в нижней части бункера. Дополнительный продольный импульс, сообщаемый ленточным конвейером гравитационному потоку материала, позволяет повысить эффективность сепарации сыпучих материалов по плотности (шероховатости, упругости) за счет интенсификации эффекта квазидиффузионной сепарации (миграции).

ПРИМЕР. С целью подтверждения эффективности предлагаемого способа сепарации сыпучих материалов проведено экспериментальное исследование динамики сепарации частиц по плотности в гравитационном потоке с активацией и без нее. В качестве экспериментального материала были использованы монодисперсные частицы (+3,6-3,75 мм) бисера и силикагеля. Определялась эффективность разделения частиц в зависимости от среднего значения скорости сдвига. Исследование проводилось на ранее описанной установке (Фиг.2), состоящей из шероховатого ската длиной 0,9 м, бункера-дозатора, приёмного бункера и ленточного конвейера. Исследование влияния дополнительного импульса на эффективность сепарации в гравитационном потоке частиц различной плотности проведено в диапазоне скоростей сдвига, который обеспечивался при варьировании скоростью шероховатой ленты конвейера, прилегающей к открытой поверхности слоя, от 1 до 2 м/с.

Результаты экспериментального исследования влияния интенсивности импульсного воздействия на эффективность сепарации частиц по плотности в гравитационном потоке представлены на (Фиг.3) в виде зависимости коэффициента разделения от скорости сдвига. На (Фиг.3) представлена динамика изменения коэффициента разделения смеси монодисперсных частиц (+3,6-3,75 мм) бисера и силикагеля в зависимости от скорости сдвига в гравитационных потоках: 1) – в отсутствие дополнительного импульсного воздействия; 2) – в активированных гравитационных потоках.

В исследованном диапазоне интенсивности импульсного воздействия и соответствующих скоростей сдвига значения коэффициента разделения превышают значение коэффициента в гравитационном потоке без импульсного воздействия. Анализ показателей эффективности обнаруживает экстремальное значение эффективности при средних значениях скорости сдвига 65…70 с^-1.

В связи с этим представляется возможным утверждать, что формирование зоны с интенсивной сдвиговой деформацией сопровождается образованием сопряженных с ней областей потока с чрезвычайно большим различием в объемной доле пустот (порозности). Как следствие, в указанной зоне формируются благоприятные условия для проявления эффекта квазидиффузионной сепарации (миграции) под действием большого градиента среднего расстояния между частицами – движущей силы названного эффекта.

По сравнению с прототипом предлагаемые технические решения обеспечивают более высокую эффективность (на 25 %) сепарации сыпучих материалов.

Предложенная группа изобретений относится к способам разделения зернистых материалов, различающихся по плотности (шероховатости, упругости), и может быть использована в химической промышленности, металлургии, строительной индустрии, сельском хозяйстве и других отраслях промышленности. Способ сепарации сыпучих материалов включает подачу материала на шероховатый гравитационный скат, установленный под углом к горизонту, разделение сдвигового потока ссыпающихся частиц по высоте на фракции, вывод полученных фракций в приемный бункер, разделенный перегородками на секции. Над поверхностью шероховатого гравитационного ската устанавливают с возможностью регулирования зазора ленточный конвейер с шероховатой лентой. Регулируют скорость движения шероховатой ленты конвейера, сообщают материалу дополнительный импульс в направлении ската частицам, перемещающимся у открытой поверхности потока, до достижения среднего значения скорости сдвига в нем 65…70 с^-1 и разделяют сдвиговый поток на части, которые сопрягаются по поверхности с наиболее высокими значениями скорости сдвига. Технический результат - повышение эффективности сепарации сыпучих материалов, различающихся по плотности (шероховатости, упругости) и расширение их технологических возможностей. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.

1. Способ сепарации сыпучих материалов, включающий подачу материала на шероховатый гравитационный скат, установленный под углом к горизонту, разделение сдвигового потока ссыпающихся частиц по высоте на фракции, вывод полученных фракций в приемный бункер, разделенный перегородками на секции, отличающийся тем, что над поверхностью шероховатого гравитационного ската устанавливают с возможностью регулирования зазора ленточный конвейер с шероховатой лентой, регулируют скорость движения шероховатой ленты конвейера, сообщают материалу дополнительный импульс в направлении ската частицам, перемещающимся у открытой поверхности потока, до достижения среднего значения скорости сдвига в нем 65…70 с^-1 и разделяют сдвиговый поток на части, которые сопрягаются по поверхности с наиболее высокими значениями скорости сдвига.

2. Устройство для сепарации сыпучих материалов, содержащее шероховатый наклонный скат, установленный под углом к горизонту, близким углу естественного откоса материала, бункер-дозатор со щелевой выгрузкой материала, закрепленный над верхней кромкой ската, и расположенный под нижней кромкой ската приемный бункер, разделенный перегородками на секции для приема фракций материала, отличающееся тем, что над поверхностью ската установлен с возможностью регулирования зазора ленточный конвейер с шероховатой лентой для сообщения материалу дополнительного импульса в направлении ската частицам, перемещающимся у открытой поверхности потока, до достижения среднего значения скорости сдвига в нем 65…70 с^-1, при этом ленточный конвейер выполнен с приводом, обеспечивающим регулирование скорости шероховатой ленты конвейера.