RU2397140C2

RU2397140C2 - Device for catching of nanopowders

Info

Publication number: RU2397140C2
Application number: RU2008120478/02A
Authority: RU
Inventors: Павел Аркадьевич Стороженко (RU); Павел Аркадьевич Стороженко; Ширин Латиф оглы Гусейнов (RU); Ширин Латиф оглы Гусейнов; Станислав Георгиевич Федоров (RU); Станислав Георгиевич Федоров; Станислав Иванович Малашин (RU); Станислав Иванович Малашин
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2010-08-20
Also published as: RU2008120478A

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: device is proposed to catch particles of metal nanopowders, their oxides and alloys with particle size of less than 1 micrometre intended for use as active fillers in polymer and composite materials. Device comprises body in the form of cylindrical return-flow chamber with cone-shaped bottom, nozzle for introduction of gas and powder mixture tangentially joined to chamber, upper nozzle for exhaust of cleaned gas installed in upper part of chamber, nozzle for discharge of powder oxide, powder collector arranged at the bottom of chamber and joined to it. At the same time ratio of inner diametre (D) of return-flow vortex chamber and diametre (d) of upper nozzle for discharge of cleaned gas makes D:d≥3.

EFFECT: invention provides for increased efficiency, continuous operation of device, improved quality of powder, increased effectiveness.

1 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для улавливания частиц нанопорошков металлов, их оксидов, сплавов и т.п., предназначенных для использования в качестве активных наполнителей в полимерных и композитных материалах.The invention relates to a device for collecting particles of metal nanopowders, their oxides, alloys, etc., intended for use as active fillers in polymeric and composite materials.

Известны способ и устройство для получения нанопорошков в плазменных электродуговых реакторах. Исходный порошкообразный материал испаряют в высокотемпературной зоне плазмы в испарителе, затем осуществляют процесс закалки и конденсации испарившихся частиц и их улавливание на фильтрах (пат. РФ 2207933, МПК В22F 9/12, 10.07.2001).A known method and device for producing nanopowders in plasma electric arc reactors. The initial powdery material is evaporated in the high-temperature plasma zone in the evaporator, then the process of quenching and condensation of the evaporated particles is carried out and their capture on the filters (US Pat. RF 2207933, IPC B22F 9/12, 10.07.2001).

К недостаткам данного устройства можно отнести забивку фильтра порошком, частую смену фильтрующего материала, а также использование двух фильтров для более полного улавливания порошков.The disadvantages of this device include the clogging of the filter with powder, the frequent change of filter material, as well as the use of two filters for a more complete collection of powders.

Известно устройство для улавливания порошков с размерами частиц менее 1 мкм, в котором улавливание осуществляют через плотные лавсановые фильтры. Выгрузку порошка из тканевых фильтров проводят встряхиванием, затем его собирают в бункере-накопителе (пат. РФ 2238174, МПК В22F 9/14, 30.09.2003).A device for collecting powders with particle sizes less than 1 μm, in which the capture is carried out through dense dacron filters. The powder is unloaded from fabric filters by shaking, then it is collected in a storage hopper (US Pat. RF 2238174, IPC B22F 9/14, 09/30/2003).

К недостаткам известного устройства можно отнести забивку фильтров и частую выгрузку порошка, что приводит к снижению производительности работы реактора.The disadvantages of the known device include filtering and frequent unloading of the powder, which leads to a decrease in the performance of the reactor.

Для улавливания мельчайших частиц порошка применяются возвратно-поточные циклоны, в которых улавливание частиц из газового потока осуществляется под действием центробежных сил, возникающих вследствие вращения потока в корпусе аппарата (Гордон Г.М., Пейсахов И.Л. Пылеулавливание и очистка газов. Металлургиздат. - М., 1958). Эти аппараты способны уменьшить частоту выгрузки с фильтров и обеспечить выделение узкой фракции нанопорошков, что позволяет увеличить время непрерывной работы плазменного электродугового реактора.To capture the smallest powder particles, reciprocating cyclones are used in which particles are collected from the gas stream under the action of centrifugal forces arising from the rotation of the stream in the apparatus body (Gordon G.M., Peysakhov I.L. Dust collection and purification of gases. Metallurgical publishing house. - M., 1958). These devices are able to reduce the frequency of unloading from filters and to ensure the allocation of a narrow fraction of nanopowders, which allows to increase the time of continuous operation of a plasma electric arc reactor.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению, взятый нами за прототип, является циклон для улавливания микронных и субмикронных частиц порошка, который состоит из корпуса с суживающейся книзу конической частью и люком для выгрузки порошка, наклонного под углом 5-25° патрубка в верхней части корпуса, через который подается порошок, и патрубка для подачи газа из компрессора в тангенциальном направлении к внутренней стенки цилиндрической части (JP 2006102657 A, МПК В04С 5/04, 06.10.2004).The closest in technical essence to the proposed solution, taken as a prototype, is a cyclone for trapping micron and submicron particles of powder, which consists of a body with a tapered part tapering down and a hatch for unloading the powder, inclined at an angle of 5-25 ° pipe in the upper part the housing through which the powder is supplied, and a nozzle for supplying gas from the compressor in the tangential direction to the inner wall of the cylindrical part (JP 2006102657 A, IPC V04C 5/04, 10/06/2004).

К недостаткам описанного устройства можно отнести то, что его трудно использовать при улавливании субмикронных порошков, получаемых в плазменном электродуговом реакторе, так как для обеспечения вращения газового потока внутри циклона смесь газа с порошком вводится в циклон одновременно с автономным вводом чистого газа со стороны, противоположной к вводу газопорошковой смеси. Из электродугового реактора порошок и газ идут единым потоком со скоростью 2500 л/мин (что требуется для быстрого охлаждения паров и закалки порошка), в то время как скорость подачи порошка в описанном циклоне составляет всего 750 л/мин. Кроме того, улавливанию подвергались порошки с размером частиц 290-970 нм и удельной поверхностью 2,8 м²/г, о возможности улавливания порошков с частицами меньшего размера в предложенном циклоне неизвестно.The disadvantages of the described device can be attributed to the fact that it is difficult to use when collecting submicron powders obtained in a plasma electric arc reactor, since in order to ensure the rotation of the gas flow inside the cyclone, the gas-powder mixture is introduced into the cyclone simultaneously with the autonomous input of pure gas from the side opposite to the introduction of a gas-powder mixture. From the electric arc reactor, the powder and gas flow in a single stream at a rate of 2500 l / min (which is required for rapid cooling of the vapors and quenching of the powder), while the powder feed rate in the described cyclone is only 750 l / min. In addition, powders with a particle size of 290-970 nm and a specific surface area of 2.8 m ² / g were captured, the possibility of trapping powders with smaller particles in the proposed cyclone is not known.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для улавливания частиц порошков размером 50-250 нм, увеличение производительности за счет непрерывной работы реактора, улучшение качества порошков, повышение экономичности.The objective of the present invention is to provide a device for trapping particles of powders of a size of 50-250 nm, increasing productivity due to the continuous operation of the reactor, improving the quality of powders, increasing efficiency.

Для решения поставленной задачи предложено устройство для улавливания нанопорошков металлов, их оксидов, сплавов и т.п., содержащее корпус в виде цилиндрической возвратно-поточной камеры с конусообразным днищем, патрубок для ввода смеси газа и порошка, тангенциально присоединенный к камере, верхний патрубок для выхода очищенного газа, установленный в верхней части камеры, патрубок для вывода частиц порошка, размещенный внизу днища камеры и соединенный с ним сборник порошка, отличающееся тем, что соотношение внутреннего диаметра (D) возвратно-поточной вихревой камеры и диаметра (d) верхнего патрубка для вывода очищенного газа составляет D:d≥3.To solve this problem, a device for collecting nanopowders of metals, their oxides, alloys, etc., comprising a housing in the form of a cylindrical reciprocal-flow chamber with a conical bottom, a nozzle for introducing a mixture of gas and powder, tangentially attached to the chamber, an upper nozzle for the outlet of the purified gas installed in the upper part of the chamber, a pipe for removing powder particles, located at the bottom of the bottom of the chamber and connected to it a powder collector, characterized in that the ratio of the inner diameter (D) the atomic-flow vortex chamber and the diameter (d) of the upper nozzle for outputting purified gas is D: d≥3.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. В существующих циклонах газовый вихрь представляет собой квазитвердое вращение, т.е. V/R=const,The essence of the invention is as follows. In existing cyclones, a gas vortex is a quasi-solid rotation, i.e. V / R = const,

где V - скорость вихря,where V is the vortex velocity,

R - радиус камеры, т.е. скорость в любой точке потока одинакова.R is the radius of the chamber, i.e. the speed at any point in the flow is the same.

Если D:d<3, то любая турбулентность или пульсации, вносимые входным газом, не подавляются, в лучшем случае сохраняются, а то и усиливаются. Поэтому все существующие циклоны критичны к входному патрубку (течение газа на входе стараются сделать как можно спокойнее, т.е. ламинарным), который должен создавать условия ламиниризации входного потока.If D: d <3, then any turbulence or pulsations introduced by the inlet gas are not suppressed, in the best case they are preserved, or even amplified. Therefore, all existing cyclones are critical to the inlet pipe (they try to make the gas flow at the inlet as calm as possible, i.e. laminar), which should create conditions for laminating the input stream.

В предлагаемом устройстве при отношении внутреннего диаметра возвратно-поточной камеры к диаметру патрубка для вывода очищенного газа D:d≥3 в камере создается устойчивое вихревое течение с наибольшей скоростью вращения на границе с диафрагмой, т.е. на внешней стенке выходного патрубка, при этом вихревой поток подчиняется закону сохранения импульса, где V·R=const. В этом случае, чем ближе поток к центральной части аппарата, т.е. чем меньше текущий радиус камеры R, тем больше скорость потока. При таком распределении скоростей можно добиться очень больших центробежных сил за счет больших ускорений, размеров устройства и входных скоростей, т.к. Gy=V²:R, где G_y - центробежное ускорение.In the proposed device, with the ratio of the inner diameter of the reciprocating chamber to the diameter of the pipe for the outlet of the purified gas D: d≥3, a stable vortex flow is created in the chamber with the highest rotation speed at the boundary with the diaphragm, i.e. on the outer wall of the outlet pipe, while the vortex flow obeys the law of conservation of momentum, where V · R = const. In this case, the closer the flow to the central part of the apparatus, i.e. the smaller the current camera radius R, the greater the flow rate. With this distribution of speeds, very large centrifugal forces can be achieved due to large accelerations, dimensions of the device and input speeds, because Gy = V ² : R, where G _y is centrifugal acceleration.

При входной скорости 50 м/с, диаметре камеры 0,2 м и выходном диаметре патрубка 0,025 м центробежное ускорение составит Gy=(50)²:0,025=100000 м/с².At an input speed of 50 m / s, a chamber diameter of 0.2 m and an outlet diameter of a nozzle of 0.025 m, centrifugal acceleration will be Gy = (50) ² : 0.025 = 100000 m / s ² .

Предложенное устройство при таких параметрах позволяет улавливать 50% частиц с размерами 50 нм и 65-70% частиц со средним размером 60-85 нм. На фиг.1 представлен общий вид устройства.The proposed device with these parameters allows you to capture 50% of particles with sizes of 50 nm and 65-70% of particles with an average size of 60-85 nm. Figure 1 presents a General view of the device.

Устройство включает в себя корпус 4, состоящий из возвратно-поточной вихревой камеры 1 и конусообразного днища 2, патрубок 3 для вывода частиц порошка, верхний патрубок 5 для выхода очищенного газа, патрубок 6 для ввода смеси газа и порошка, сборник порошка 7.The device includes a housing 4, consisting of a reciprocating vortex chamber 1 and a cone-shaped bottom 2, a pipe 3 for outputting powder particles, an upper pipe 5 for exiting purified gas, a pipe 6 for introducing a mixture of gas and powder, a powder collector 7.

На фиг.2 представлены внутренний диаметр (D) возвратно-поточной вихревой камеры и диаметр (d) патрубка для выхода очищенного газа.Figure 2 shows the inner diameter (D) of the reciprocating vortex chamber and the diameter (d) of the pipe for the outlet of the purified gas.

Смесь газа с частицами порошка со скоростью 60 м/с и температурой 60°С через патрубок 6 поступает в возвратно-поточную вихревую камеру 1 и, приобретая вращательное движение, опускается по спирали вдоль внутренних стенок камеры и конусообразного днища 2. В центральной зоне камеры газовая смесь освобождается от частиц порошка, очищенный газ направляется в верхнюю часть камеры, а затем выводится через патрубок 5, при этом частицы порошка, осаждающиеся на стенках камеры и днища, стекают вниз и через выходной патрубок 3 попадают в сборник 7.A mixture of gas with powder particles at a speed of 60 m / s and a temperature of 60 ° C through the nozzle 6 enters the reciprocating vortex chamber 1 and, acquiring a rotational movement, descends in a spiral along the inner walls of the chamber and the conical bottom 2. In the central zone of the chamber the mixture is freed from powder particles, the purified gas is directed to the upper part of the chamber, and then discharged through the nozzle 5, while the powder particles deposited on the walls of the chamber and bottom flow down and through the outlet 3 enter the collector 7.

Представленные в таблице данные свидетельствуют о том, что предлагаемое устройство позволяет улавливать до 75% частиц порошка.The data presented in the table indicate that the proposed device allows to capture up to 75% of powder particles.

Claims

A device for collecting nanopowders of metals, comprising a body in the form of a cylindrical reciprocal flow chamber with a conical bottom, a nozzle for introducing a mixture of gas and powder tangentially attached to the chamber, an upper nozzle for discharging purified gas installed in the upper part of the chamber, a nozzle for discharging powder particles located at the bottom of the bottom of the chamber and the powder collector connected to it, characterized in that the ratio of the inner diameter (D) of the reciprocating vortex chamber and the diameter (d) of the upper outlet pipe The ode of the purified gas is D: d≥3.