UA121935C2 - Пристрій для виготовлення нанопорошку - Google Patents

Abstract

Винахід стосується техніки подрібнення макропорошків у газових вихорах, і може бути використаний для одержання цукрового нанопорошку або нанопорошку кам'яної солі. Пристрій включає подрібнювач макропорошку з циліндричним корпусом та з компресором газу на вході, сепаратор подрібненого макропорошку на фракції з циліндричним корпусом, розміщений співвісно з подрібнювачем макропорошку. Вихід компресора газу з'єднаний з подрібнювачем за допомогою сопла Лаваля. У подрібнювачі розташовано щонайменше два перпендикулярних його циліндричній осі диски, у кожному з яких виконано наскрізний отвір. Через дно сепаратора по циліндричній осі введено у сепаратор вал редуктора електромотора. На валу укріплено множину горизонтальних шкребків порошку, леза яких контактують з внутрішньою поверхнею циліндричної стінки сепаратора. На верхній твірній до сепаратора прикріплено трубу газового вихлопу.

Description

Пристрій включає подрібнювач макропорошку з циліндричним корпусом та з компресором газу на вході, сепаратор подрібненого макропорошку на фракції з циліндричним корпусом, розміщений співвісно з подрібнювачем макропорошку. Вихід компресора газу з'єднаний з подрібнювачем за допомогою сопла Лаваля. У подрібнювачі розташовано щонайменше два перпендикулярних його циліндричній осі диски, у кожному з яких виконано наскрізний отвір.

Через дно сепаратора по циліндричній осі введено у сепаратор вал редуктора електромотора.

На валу укріплено множину горизонтальних шкребків порошку, леза яких контактують з внутрішньою поверхнею циліндричної стінки сепаратора. На верхній твірній до сепаратора прикріплено трубу газового вихлопу.

Р Я м г НЯ рт та

РЕ ук фон Р ОК вк в? рр Кеш я Її х 7 се нн Й я АЗК фен ВУ

ККУ "шІш ше ак Я я ї й ки: чести : щи: ей

Винахід стосується техніки подрібнення макропорошків у газових вихорах, і може бути використаний для одержання: цукрового нанопорошку для весняної підгодівлі бджіл; кавових і шоколадних нанопорошків; адсорбентів, нанопорошку кам'яної солі для збагачення ним повітря при лікуванні деяких легеневих хвороб тощо.

Відомі способи і пристрої подрібнення речовин у вихрових потоках; пристрої ударно- вихрового відцентрового типу. Наприклад, у патенті (1| пропонується пристрій подрібнення дисперсних матеріалів у газовому вихорі, у патенті І2| - ударно-відцентрове подрібнення матеріалів, у патенті (ЗІ запропонований роторний подрібнювач, а у патенті І4) - струменеві подрібнювання твердих матеріалів у їх псевдо-зрідженому шарі. Є також технічні рішення, спрямовані на здійснення керованих процесів подрібнення твердих матеріалів. Зокрема, відомий млин для керованого вихрового розмелу твердих матеріалів за патентом (51.

Проте ці винаходи не забезпечують подрібнення твердих матеріалів на нанорівні при прийнятних ефективності та економічних показниках технологічного процесу без обмеження тонкості помелу і без забруднення продукту намелом. У цих пристроях не досягається тонкий розмел початкового матеріалу внаслідок короткочасності процесу розмелу і передчасного винесення диспергованого матеріалу потоком газу з зони розмелу. Також загальними недоліками винаходів (1-51 є відсутність можливості керування процесом подрібнення і сепарації продукту в процесі розмелу, що обумовлює зниження ефективності роботи обладнання та якості виробленого продукту разом з підвищеними витратами енергії в процесах тонкого розмелу матеріалів. Одним з істотних недоліків цих пристроїв є також їх занижені надійність і ресурс, наслідком чого є нерівномірність розподілу початкової дисперсної сировини при її введенні в зону розмелу, обумовлені цим явища масового і режимного дисбалансу процесів при роботі і, як наслідок, високі динамічні навантаження на опорні вузли робочого органу пристрою.

За сукупністю суттєвих ознак і технічним результатом близьким до заявленого винаходу є винахід за патентом |6Ї. За цим аналогом пристрій має сушарку, дозатор, подрібнювач, тангенціально з'єднаний з циклоном. За думкою авторів патенту, у дисперсних частинках матеріалу виникають додаткові механічні напруження за рахунок різкої зміни напряму руху їх

Зо потоку при зміні площини обертання газодисперсної суміші з горизонтальної (в подрібнювачі) на вертикальну (в циклоні) і багаторазового ударного зіткнення частинок зі стінками подрібнювача та між собою. Це призводить також до механохімічної активації частинок речовини.

Найближчим за сукупністю суттєвих ознак і технічним результатом до пристрою є винахід

Ї/ї, що містить подрібнювач з профільованою боковою поверхнею, з глухим дном і діафрагмованою кришкою. Над подрібнювачем співвісно розміщено камеру закручування потоку газового носію з патрубком виведення готового продукту; камера закручування обмежена знизу діафрагмованою кришкою вихрової камери. Патрубок подавання початкового дисперсного матеріалу введений через верхню кришку камери закручування потоку по центру кришки і введений нижнім кінцем у подрібнювач на вхід пристрою для закручування і прискорення газодисперсного потоку суміші газового носію з дисперсним початковим матеріалом і прискорення таким чином дисперсних частинок початкового матеріалу. У технічному рішенні пристрою за патентом (7| у якості пристрою для закручування й прискорювання газодисперсного потоку використаний відцентровий вентилятор з порожнистим ротором з глухим нижнім диском і діафрагмованим верхнім диском, між якими закріплені лопатки. Ротор розміщений аксіально всередині вихрової камери під патрубком подавання початкового дисперсного матеріалу так, що, змінюючи висоту щілинного зазору між нижнім зрізом патрубка подавання і поверхнею нижнього диску ротора, можна проводити регулювання кількості подавання початкового матеріалу на розмелювання. Цьому сприяє конструктивне рішення млина, при якому зовнішній діаметр ротора менше (складає не більше ніж 0,71) від внутрішнього діаметра вихрової камери.

Недоліком пристрою подрібнення матеріалів за патентом (б) є його складність у реалізації, що ускладнює також його застосування у промислових умовах. Крім того, пристрій |б| є малопродуктивним.

Основним недоліком прототипу пристрою І7| є недостатня ефективність робочого процесу, виражена у зменшенні кількості цільового продукту при роботі внаслідок залипання бокової профільованої поверхні вихрової камери при її нагріванні й при тривалому процесі подрібнення, необхідному для досягнення заданої високої дисперсності подрібнення. Іншим недоліком пристроїв-прототипів є підвищене абразивне зношування окремих деталей і вузлів, зокрема, стінок вихрової камери в місці введення початкового дисперсного матеріалу. Крім того, у 60 пристроях немає сепаратора порошку.

Проведений аналіз процесів при роботі за патентом І|б| та за патентом І7| свідчить про актуальну потребу в обладнанні для подрібнення дисперсних матеріалів, вільному від означених недоліків, яке було б здатне ефективно проводити ультратонке кероване подрібнення твердих дисперсних матеріалів з одночасною механохімічною активацією продуктів і зменшеними витратами енергії.

В основу винаходу поставлена задача винайдення пристрою ультратонкого подрібнення дисперсних матеріалів, щоб на ньому можна було виготовляти нанопорошки.

Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для виготовлення нанопорошку, в якому розміщений горизонтально подрібнювач макропорошку з циліндричним корпусом та з компресором газу на вході. Додатково містить сепаратор подрібненого макропорошку на фракції з циліндричним корпусом, що розміщений співвісно з подрібнювачем макропорошку на його виході, при цьому діаметр сепаратора і довжина у 5-10 разів більші за діаметр і довжину подрібнювача, вихід компресора газу з'єднаний з подрібнювачем за допомогою сопла Лаваля; у подрібнювачі розташовано щонайменше два перпендикулярних його циліндричній осі диски, у кожному з яких виконано наскрізний отвір; через дно сепаратора по циліндричній осі введено у сепаратор вал редуктора електромотора; на валу укріплено множину горизонтальних шкребків порошку, леза яких контактують з внутрішньою поверхнею циліндричної стінки сепаратора; на верхній твірній до сепаратора прикріплено трубу газового вихлопу, що через фільтр приєднана до входу компресора, та сполучена з балоном, заповненим газом, хімічно інертним до нанопорошку; на нижній твірній сепаратора зроблено ряд отворів для висипання макропорошку у більший бункер і нанопорошку - у менший; більший бункер з'єднаний шнекером зі входом подрібнювача на нижній його твірній навпроти сопла Лаваля; менший бункер укомплектований змішувачем нанопорошку з компонентами згідно з технологією виготовлення продукту.

Пристрій для виготовлення нанопорошку, в якому диски подрібнювача відокремлені один від одного на відстань, рівну щонайменше два і щонайбільше три діаметри отвору в диску.

З подрібнювача порошку виходить суміш порошків різних розмірів. Сепаратор має у 5-10 разів більші діаметр і довжину, тому швидкість потоку порошку у ньому в 25-100 разів менша, ніж у подрібнювачі. Під дією сили тяжіння крупніші частинки падають на нижню твірну сепаратора у першій його половині, а наночастинки - у другій половині. Частинки нанопорошку

Зо поводяться, як великі молекули. Частина з них налипає на внутрішню поверхню сепаратора.

Для зчищення їх використовуються шкребки. Щоб внутрішні деталі компресора не стирались нанопорошком, на вході компресора змонтовано фільтр. Суміш нанопорошку горючого матеріалу з повітрям здатна вибухнути. Тому в пристрої використовується інертний газ, що рухається по замкненому колу: компресор, сопло Лаваля, отвори в дисках, сепаратор, вихлопна труба, фільтр, вхід в компресор. Запас газу міститься в балоні.

Сопло Лаваля використовується в реактивних двигунах |8В|І. В пристрої воно використано тому, що забезпечує потік газу, швидкість якого більша за швидкість звуку в газі. Завдяки цьому та вихровому рухові газово-пилової суміші через отвори в дисках забезпечується подрібнення матеріалу на наночастинки. Відстань між дисками вибрана такою, що сприяє інтенсивності газових вихорів. Шнекер забезпечує подачу крупного вихідного порошку з більшого бункера у подрібнювач, а також порошку, що поступає з сепаратора для повторного подрібнення.

Нанопорошок має велику питому поверхню, тому реагує з повітрям. Тому у меншому бункері змонтовано змішувач нанопорошку з консервантами, тобто речовинами, що додаються в продукт згідно технології.

Суть винаходу пояснює креслення.

Пристрій для виготовлення нанопорошку ілюструється кресленням.

Пристрій для виготовлення нанопорошку, в якому розміщений горизонтально подрібнювач 1 макропорошку 17 з циліндричним корпусом та з компресором газу З на вході, містить додатково сепаратор 2 подрібненого макропорошку 17 на фракції з циліндричним корпусом 8, що розміщений співвісно з подрібнювачем 1 макропорошку 17 на його виході; діаметр корпусу 8 сепаратора 2 і його довжина у 5-10 разів більші за діаметр і довжину корпусу подрібнювача 1, вихід компресора газу З з'єднаний з корпусом подрібнювача 1 за допомогою сопла Лаваля 4; у корпусі подрібнювача 1 розташовано щонайменше два перпендикулярних його циліндричній осі диски 5, б, у кожному з яких виконано наскрізний отвір; через дно 8 сепаратора 2 по циліндричній осі введено у сепаратор 2 вал 9 редуктора електромотора; на валу 9 укріплено множину горизонтальних шкребків 11 порошку, леза яких контактують з внутрішньою поверхнею циліндричної стінки сепаратора 2; на верхній твірній до сепаратора 2 прикріплено трубу 12 газового вихлопу, що через фільтр 13 приєднана до входу компресора 3, та сполучена з балоном 14, заповненим газом, хімічно інертним до нанопорошку 19; на нижній твірній 60 сепаратора 2 зроблено ряд отворів 15, 16 для висипання макропорошку 17 у більший бункер 18 і нанопорошку 19 - у менший 20; більший бункер 18 з'єднаний шнекером 21 зі входом подрібнювача 1 на нижній його твірній навпроти сопла Лаваля 4; менший бункер 20 укомплектований змішувачем 22 нанопорошку 19 з компонентами згідно з технологією виготовлення продукту.

Пристрій для виготовлення нанопорошку, в якому диски 5, б подрібнювача 1 відокремлені один від одного на відстань, рівну щонайменше двом і щонайбільше трьом діаметрам отвору в диску.

Приклад пристрою для виготовлення нанопорошку. Пристрій виготовлено з нержавіючої сталі. Внутрішній діаметр подрібнювача 1 рівний 550,1 см, довжина - 22:41 см, сепаратора - 35 см та 100 см відповідно. Діаметр сопла Лаваля 4 у критичному перерізі рівний З мм. Компресор

З типу АВАСВ 700/500 має потужність 7,5 кВт та подає азот на виході об'ємом 2 м/хв.

Швидкість азоту у сепараторі 10-15 см/с. Діаметр отворів в дисках 5, б, 7 рівний 2 см, відстані 5 см між дисками задаються кільцями 23. Електромотор з редуктором 10 потужністю 50 Вт обертає вал 9 з частотою 10 об/хв. В балоні 14 міститься азот, яким на початку роботи пристрою продувають подрібнювач 1, сепаратор 2, бункери 18 і 20, відкривши кришки бункерів і кран балону 14.

Приклад виготовлення горючого нанопорошку. Україна посідає третє місце в світі по експорту меду. Існує проблема весняної підгодівлі бджіл штучним кормом. Найчастіше використовується суміш цукрової пудри з квітковим пилком. Копань В.С., співавтор винаходу випробував весною 2018 року на своїй пасіці корм з нанопорошків, виготовлених на пристрої, що заявляється як винахід, і корми традиційні.

Цукрова пудра з діаметром частинок 10-20 мкм поміщалась в бункер 18 і подрібнювалась 30 хв, поки діаметр частинок цукру не досяг величини 0,1-0,6 мкм (дрібніші частинки імерсійний оптичний мікроскоп, що ми використовували, не розрізняє). Після цього в бункер 18 був засипаний квітковий пилок з гречки, зібраний бджолами влітку 2017. Гранули пилку в легкому режимі роботи пристрою протягом 5 хв були роздроблені на окремі зерна пилку і перемішані в бункері 20 з цукровим нанопорошком в концентрації 65-70 95 ваг. цукру.

Половині бджолосімей було згодовано корм з нанопорошком, а половині - традиційний корм такої ж концентрації. Кожній сім'ї було дано 1 кг корму. Виявилось, що бджоли, підгодовані

Зо нанокормом, розвивались весною краще, і у серпні 2018 року зібрали з соняшників на 30-40 95 більше меду, ніж бджоли, що були підгодовані традиційним кормом.

Приклад подрібнення кухонної солі. Відомі методи лікування хворих в соляних шахтах диханням повітрям, що містить соляний пил (9). У пристрої, що заявляється як винахід, було подрібнено (після очищення пристрою від цукру та квіткового пилу) 1,5 кг кухонної кам'яної солі підприємства "Артемсіль". Діаметр частинок нанопорошку становив 0,1-0,3 мкм. Було розпилено в кімнаті площею 12 ме 20 г нанопорошку. Його наявність в повітрі відчувалась диханням 5-7 днів. В авторів винаходу немає медичної освіти, не проведені випробування нанопорошку в лікарні. Тому немає права рекламувати нанопорошок кухонної солі, але придатність пристрою для виготовлення нанопорошків доведена.

Висновок. Винайдено, зроблено і апробовано на практиці пристрій для виготовлення нанопорошку з діаметром частинок 0,1-0,3 мкм для кухонної солі і 0,1-0,6 мкм - для цукру.

На основі цукрового нанопорошку виготовлено і випробувано весною 2018 року корм для бджіл з корисним результатом. Задачу винаходу - створення пристрою для виготовлення нанопорошків - виконано.

Джерела інформації: 1. Мап Веїїау5Ку, Ргосез5 апа аїмісе ог сопігоїей, дап.5, 1999, О5 Мо 5855326. 2. Артамонов В.А. Устройство для ударно - центробежного дробления и измельчения, КУ 2364444, 2008. 3. Жамборов С.С., Роторньйй измельчитель, КИ 2410160, МПК В02С13/14,2009. 4. тії 1.5. Тпгопоприї ейісіепсу еппапсетепі ої Теіцаеай беа (єї тії, БО Мо 5133504, 1992. 5. Хап Веїїам5Ку, Мопег тії! ог сопігопПед. Сотрбе пійпу ої рапісціате зоїїд5, 05 Мо 6789756 В2, 2004. 6. Артемьев В.К., Карданов Ю.Х. Патентообладатель Артемьева Е.В. Способ сверхтонкого измельчения материалов, КО Мео2070094, ВО2С19/06, 1993, опубл. 10.12.1996. 7. Ким Д.А., Романов Н.А., Яворский А.И., Вихревой измельчитель для каскадного измельчения, КО Мо 2386480, 2010, МПК ВО2С13/14. 8. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика, М.: Наука, 1991, 600 с -Т. 1 и 304 с -Т1.2. 9. Електронний ресурс. - Режим доступу: пер:/роїга-мгед.ви/50їуапауа-Котпаїа-роїіга-і-мгєеад- аіуа-огдапіа та. (510)

Claims (2)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Пристрій для виготовлення нанопорошку, в якому розміщений горизонтально подрібнювач макропорошку з циліндричним корпусом та з компресором газу на вході, який відрізняється тим, що додатково містить сепаратор подрібненого макропорошку на фракції з циліндричним корпусом, що розміщений співвісно з подрібнювачем макропорошку на його виході, при цьому діаметр сепаратора і довжина у 5-10 разів більші за діаметр і довжину подрібнювача, вихід компресора газу з'єднаний з подрібнювачем за допомогою сопла Лаваля, у подрібнювачі розташовано щонайменше два перпендикулярних його циліндричній осі диски, у кожному з яких виконано наскрізний отвір, через дно сепаратора по циліндричній осі введено у сепаратор вал редуктора електромотора, на валу укріплено множину горизонтальних шкребків порошку, леза яких контактують з внутрішньою поверхнею циліндричної стінки сепаратора, на верхній твірній до сепаратора прикріплено трубу газового вихлопу, що через фільтр приєднана до входу компресора газу та сполучена з балоном, заповненим газом, хімічно інертним до нанопорошку, на нижній твірній сепаратора виконано ряд отворів для висипання макропорошку у більший бункер і нанопорошку - у менший, більший бункер з'єднаний шнекером зі входом подрібнювача на нижній його твірній навпроти сопла Лаваля, менший бункер укомплектований змішувачем нанопорошку з компонентами згідно з технологією виготовлення продукту.

2. Пристрій для виготовлення нанопорошку за п. 1, в якому диски подрібнювача відокремлені один від одного на відстань, рівну щонайменше двом і щонайбільше трьом діаметрам отвору в диску. З Ї о й ОХ ве я м ав же ЕОМ Оу Я т Бо ре, НИЗ Я ї ен Ка: меш Я ЗЕ гне нин НН й ВУ ОО бок х мс пани З й щ і 5 З | унія ДЖ й та ННЯ і й ї ч а тс в ЧИ '

У. Ах ОО и ВД, З а Й с ше Я дев чн р ло В ру чи: 8, КД М; ТК