Струйная мельница: различия между версиями

Струйные мельницы применяют для измельчения керамических и абразивных материалов, фармацевтических субстанций, минеральных наполнителей композиционных материалов и др. Современные струйные мельницы обеспечивают тонину помола d97 от 0,7 мкм до d97 = 100 мкм, что примерно соответсвует среднему размеру частиц от 200 нм до 50 мкм. Диапазоны производительности составляют от единиц килограмм до нескольких тонн в час. Отличительными чертами струйных мельниц являются большой срок службы, возможность получения продукта высокой чистоты, обладающего большой удельной поверхностью.

Измельчение материала в струйной мельнице происходит в размольной камере, в которую подают сжатый воздух или перегретый пар. Мелющий поток через сопла поступает в камеру измельчения, где формирует аэрозоль из твердого измельчаемого вещества, называемый псевдоожиженным слоем. Вокруг струиструй мелющего воздуха происходит интенсивная вихревая циркуляция частиц. Типичные скорости потоков мелющего воздуха в струйных мельницах составляют 400—700 м/с (обычно около 600 м/с), а в паровых мельницах скорость потока мелющего пара может достигать 1200 м/с. Мелющий поток является сверхзвуковым, что обуславливает сложную локальную динамику ускорения частиц воздухом и распределения вещества в струеструях. Таким образом, приПри входе потока воздуха в псевдоожиженный слой материал вовлекается в поток и ускоряется потоком до егоскорости собственной скоростипотока. Во время разгона и вовлечения частиц материала в поток происходят интенсивные столкновения частиц друг с другом. Такие столкновения обусловлены различными скоростями частиц в самом потоке, спецификой движения частиц в вихре аэрозоля, а различия в динамике разгона обусловлены разными размерами частиц и разными точками входа в поток. В зоне входа частиц в аэрозоль происходит измельчение ~70 % материала, оставшиеся 30 % измельчаются при встрече, смене направления или отражении частиц, вошедшихдвигающихся в мелющиймелющем потокпотоке.

По строению рабочей камеры современные струйные мельницы делят на два типа — струйные мельницы с псевдоожиженным слоем и спиральные (плоскокамерные) струйные мельницы. Рабочая камера струйной мельницы с псевдоожиженным слоем имеет цилиндрическую форму. Мелющие сопла расположены на одном уровне по высоте, ближе к дну камеры, так, чтобы мелющие потоки компенсировали друг друга, исключая износ стенок камеры и эффективно создавали псевдоожиженный слой. Такой принцип устройства размольной камеры является наиболее универсальным и самым износостойким. Минусом такой схемы является то, что на дне камеры могут скапливаются компактные куски материала. Это обуславливает требования к входному размеру частиц.

В спиральных (плоскокамерных) струйных мельницах мелющие сопла расположены на внешней стенке тороидальнойплоской цилиндрической камеры, таким образом, чтобы создавать поток, направленный по касательной.кругу, Такаясоздавая конфигурациявысокоинтенсивное приводиткруговое к высокоинтенсивному круговому движениюдвижение аэрозоля в размольной камере. Мелющие потоки вызывают движение аэрозоля продукта по кругу, что обеспечивает спиральную конфигурацию движения мелющего потока. Интенсивная круговая циркуляция снижает износ стенок размольной камеры, так как сверхзвуковой мелющий поток отклоняется в сторону и частицы с высокими скоростями не достигают внешней стенки камеры. Такая схема устройства камеры менее износостойка чем схема с псевдоожиженным слоем. Тем не менее, такая мельница имеет ряд существенных преимуществ. Камера мельницы не забивается при размоле порошков с высокой плотностью и электризуемостью, проблема налипания порошков отсутствует. Сильные центробежные силы, действующие на частицы, аэрозоля вызывает увеличение его плотности, что улучшает поглощение энергии мелющих потоков. При равной производительности объем рабочей камеры спиральной мельницы в десятки раз меньше объема камеры мельницы с псевдоожиженным слоем. В совокупности эти факторы определяют применение таких мельниц в фармацевтической промышленности, то есть размоле органических соединений до ультрадисперсного состояния. В случае размола органического сырья износ мельниц отсутствует, либо обусловлен содержанием абразивных примесей.

Поступающий в струйную мельницу мелющий воздух или пар используют для транспортировки ультрадисперсной фракции из мельницы. Типовые давления мелющего воздуха составляют 4-910 бар (абс.), пара 35-45 бар и даже выше. Мельницы конструируют таким образом, чтобы эффективное давление в корпусе мельницы была незначительно выше атмосферного, с тем, чтобы энергия мелющих потоков утилизировалась эффективнее. При этом, скорость выходящего воздушного потока должна быть достаточной для транспортировки частиц требуемой фракции. Такой принцип вывода продукта из размольной камеры обуславливает верхнюю границу размера частиц продукта. Вертикальный поток воздуха в корпусе мельницы с псевдоожиженным слоем не может эффективно транспортировать частицы размером, например, 200 микрон.

Установка для струйного измельчения кроме самой мельницы содержит другие узлы, необходимые для обеспечения эффективной работы мельницы загрузки и разгрузки продукта. В мельницу с псевдоожиженным слоемОбычно продукт загружают в мельницы через тактовый шлюзовик. ВДозирование спиральнуюосуществляют струйнуюлибо мельницувзвешиванием продуктмельницы дозируютс исходяматериалом, излибо фактическойпо производительностипотреблению мельницытока классификатором, либо методом постоянного дозирования некоторого количества материала. ВводОсобенности продуктаустройства обеспечиваютструйных шнековыммельниц дозаторомдиктуют требования к загружаемому материалу. Для небольших мельниц средняя частица должна иметь размер 1-2 мм или менее, либокрупные тактовымустановки шлюзовикомрекомендуют сзагружать частицами менее 5 мм. Размер частиц на входе в мельницу слабо влияет на её производительность, особенно если на выходе требуется получать ультрадисперсный продукт.[[Файл:промышленная лопастнымструйная питателеммельница.jpg|thumb]]

Современные струйные мельницы кроме размольной камеры имеет интегрированный классификатор частиц, отбирающий частицы требуемой тонины помола. В мельнице с псевдоожиженным слоем мелющие потоки встречаются в центре камеры, часть потоков уходит вниз, поднимая продукт со дна мельницы, суммарный поток воздуха направлен вверх. На выходе из размольной камеры находятся направляющие поверхности, обеспечивающие равномерное течение воздуха и продукта вверх. По мере движения вверх крупные частицы оседают под действием силы тяжести, более мелкие частицы продолжают движение вверх вместе с несущим воздухом покидающим мельницу. Поднимаемый воздухом материал сортируют в специальном узле, удаляющем частицы со слишком большой массой. Такой узел называют классификатором. Обычно, классификатор монтируют над размольной камерой и располагают в одном корпусе с мельницей. Конструктивно классификатор представляет собой вращающейся ротор с лопатками, расположенными вдоль радиуса вращения[[Файл:воздушный классификатор.jpg|thumb]]. Поток воздуха с материалом попадает внутрь ротора только через лопатки. Дно ротора представляет собой кольцо с поддуваемым лабиринтным уплотнением и служит для вывода продукта из мельницы через центральное отверстие. В рассмотренном случае, через боковой отвод в корпусе, находящийся ниже ротора классификатора. Верхняя часть ротора классификатора сплошная и соединена с валом электродвигателя. Таким образом, частицы испытывающие достаточные центростремительные силы покидают мельницу. Центростремительные силы обусловлены спецификой движения частиц в потоке воздуха, их сечением и формой. С технической точки зрения, классификатор представляет собой центрифугу, транспортировка частиц через которую обеспечивается аэродинамическими силами. Двигатель, приводящий в движение ротор классификатора совершает работу по ускорению воздуха и материала поступающих в мельницу до скоростей, при которых мельницу покидает материал желаемой дисперсности. При повышении частоты вращения ротора классификатора размер частиц покидающих мельницу снижается. Таким образом, тониной помола струйной мельницы можно управлять простым изменением скорости вращения классификатора, даже прямо во время работы.

Наиболее надежной схемой компоновки классификатора является осесимметричное расположение крыльчатки классификатора, при этом вращение крыльчатки происходит в горизонтальной плоскости. Такая компоновка обеспечивает равномерность потоков, поступающих к классификатору. Диаметры роторов классификаторов составляют от нескольких сантиметров до метра и более. Лопатки классификатора выполняют из износостойких материалов, таких как окись циркония или карбид вольфрама. В случае измельчения органических соединений их выполняют из нержавеющей стали. Скорость движения лопаток классификатора обычно стараются снизитьделать невысокой, с тем, чтобы уменьшить нагрузкиабразивное воздействие на лопатки. Типовые скорости внешеней части лопаток классификатора составляют 150—200 м/с. В любом случае, сверхзвуковая и близкая к ней скорость движения лопаток являются нежелательными, это снижает производительность классификатора, а при приближении к скорости звука характер обтекания частиц разгоняемым воздухом резко изменяется и лопатки классификатора начинают испытывать сильноечерезмерное абразивное воздействие. Классификатор должен иметь достаточно большой радиус, более того, большие расстояния, преодолеваемые частицами в лопатках позволяют получать более узкие фракции. Современные классификаторы могут иметь широкую лопатку и расширяющийся параболическое сечение внутреннего канала между лопатками. Это делается для того, чтобы скорость потока воздуха вдоль радиуса крыльчатки, падала в той же мере что и тангенциальнаяцентростремительное скоростьускорение проходящих частиц. Это позволяет создать некоторую область, в которой возможнапроисходит классификация, что приводит к снижению влияния динамики движения частиц на классификацию и позволяет классифицировать аэрозоль с более высоким массовым содержанием твердых частиц.

Помол в струйной мельнице осуществляют сжатым воздухом или паром. Сжатый воздух генерируютполучают в винтовом компрессоре. Наиболее распространены двуступенчатые винтовые компрессоры с промежуточным охлаждением воздуха. Воздух, выходящий из компрессора должен быть безмасляным и не содержать влаги способной к конденсации. В целях повышения КПД струйных мельниц можно использовать горячий воздух, который имеет больший объем, чем воздух охлажденный в интеркулере при том же давлении. Так же используют одноступенчатые компрессоры, имеющие более высокий КПД, если тепловую энергию, получаемую при сжатии воздуха не отбрасывают.

Всё это делает струйное измельчение незаменимым в фармацевтике, производстве керамики, пигментов, чистых веществ, измельчении высокоабразивных материалов и др. Материалы, полученные струйным измельчением, имеют ряд отличительных особенностей. Измельчение происходит из-за соударений частиц друг с другом. При таких соударениях получаются микрочастицы с острыми гранями, что обуславливает сильное увеличение удельной поверхности. Также значительно снижается насыпная плотность материала. Многие материалы частично сохраняют свою микроструктуру, например, слоистую структуру сохраняют графит и, слюда, сульфид молибдена. Таким образом, струйное измельчение может приводить к получению материалов с новыми свойствами. В процессе измельчения идет интенсивное образование новой поверхности и интенсивное перемешивание частиц. Эти условия являются оптимальными для химической модификации вновь образующейся поверхности.

Сильным сдерживающим фактором применения струйных установок является их невысокий КПД. Типовой КПД компрессора современной установки для струйного измельчения составляет 45-58 %. Конструктивные возможности повышения КПД, видимоочевидно, исчерпаны. ЭтоРезультирующий меньшевыход продукта ниже, чем КПДв шаровых мельницмельницах, использующих электромоторыпрямой привод, особенно если требуется получение частиц крупнее 20-30 микрон. Лучшие серийно выпускаемые системы имеют фактическийПрирост КПД 58может %, то есть 58 % электроэнергии из сети достигает камеры измельчения. Такой прирост КПДбыть обусловленполучен оптимизацией процесса подготовки воздуха, а именно, отсутствием промежуточного охлаждения при сжатии. В результате, получаются воздух с малой плотностью, что приводит к увеличению скорости мелющей струи на 30-60 %. Таким образом, одно из направлений увеличения КПД струйных мельниц — увеличение температур мелющего воздуха, с тем, чтобы не отбрасывать тепло из компрессора.

Альтернативный вариант снижения затрат — применение перегретого пара. Такие мельницы не обладают высоким КПД из-за потерь, обусловленных энтальпией испарения воды. Фактический КПД паровой мельницы достигает обычного для струйнойкомпрессорной установки значения только при давлении пара в 40 бар. Снижение стоимости измельчения достигается не повышением КПД, а переходом с электрической энергии на использование энергоносителей, например, природного газа. Энергетическая компонента затрат падает в 4-5 раз, стоимость газа в этом случае ниже чем затраты на электроэнергию на любом другом типе мельниц с такими же параметрами.