Способ разделения частиц по плотности и устройство для его реализации

 

Использование: концентрация и выделение из электропроводящей суспензии различных сортов частиц и может использоваться во многих областях промышленности, медицины, и в научных исследованиях. Сущность изобретения: способ включает наложение магнитного поля и ортогонального ему перпендикулярного направлению силы земного тяготения электрического тока на электропроводящую суспензию частиц. Электрический ток формируют с изменяющейся плотностью тока по вертикали. Формирование тока в нижней части суспензии осуществляют в одном направлении, а в верхней части в противоположном направлении. Значение плотности тока для нижней части суспензии устанавливают с увеличением плотности тока сверху вниз, а в верхней части суспензии - с уменьшением плотности тока сверху вниз. Значение плотности тока устанавливают в соответствии с отношением j = (ρ_ч- ρ_ж)g/B , где j - значение плотности тока /A/м2/, ρ_ч - плотность выделяемых частиц /кг/м3/; ρ_ж - плотность электропроводящей жидкости /кг/м3/; g - ускорение свободного падения /м/с2/; B - индукция магнитного поля /Тл/. Устройство включает заполненный электролитом сосуд из непроводящего и немагнитного материала, помещенный в магнитное поле. В сосуде установлены пластинчатые электроды, расположенные вдоль линий магнитного поля. Через стенки сосуда пропущены на разных уровня по высоте сосуда выводные патрубки и входной патрубок. Электроды расположены между собой под углом друг к другу и симметрично относительно плоскости, проходящей через радиус Земли. Электроды установлены попарно по высоте сосуда. Электроды верхней пары, расположены под углом, вершина которого обращена вверх. 2 с и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области технических средств для разделения и концентрации частиц в суспензии в горнодобывающей, обогатительной, химической и других областях промышленности, медицине и научных исследованиях. Предназначено для разделения частиц в суспензии и концентрирования по их плотности и электропроводности с использованием одновременного на них воздействия магнитного поля и постоянного электрического тока.

Такие способы и технические средства для них общеизвестны. Известны различных модификации способов, использующие физический принцип воздействия ортогональных магнитного поля и постоянного электрического пола на частицы в суспензии.

Известно изобретение [1] в котором использован прямой физический принцип, при котором формируют ортогональные друг другу магнитное поле и электрический постоянный ток, воздействуют ими на суспензию частиц и, используя при этом свойства частиц, режимные отношения магнитного поля и плотности постоянного электрического тока, перемещают частицы таким образом, что селектируемая часть частиц перемещается в выбранном направлении.

Устройство представляет кювету, по торцам которой расположены плоские электроды. Нижняя часть кюветы имеет вводные патрубки для подвода суспензии с частицами, а верхняя часть патрубка для вывода селектируемых частиц. Данные элементы помещены в поперечное магнитное поле, создаваемое электромагнитом.

Такое решение обладает незначительной остротой сепарации и ограниченным числом одновременно селектируемых сортов частиц, равным одному виду частиц.

В этом же описании [1] приведен второй аналогичный способ разделения частиц. Отличие чисто конструктивное, оно заключается в том, что использован сплошной электрод. Это позволило, как сказано, повысить эффект сепарации за счет устранения вихрей на границе зоны действия электромагнитных сил.

Наиболее близким техническим решением является изобретение [2] представляющее способ магнитогидродинамической сепарации дисперсного материала. Способ отличается тем, что предложено импульсное питание импульсы электрических и магнитных полей формируют с синхронным чередованием полярности. Это направлено на повышение точности сепарации за счет уменьшения конвекции и вихреобразования на зернах сепарируемого материала. По данному способу организован режим, когда в скрещенном поле возникает сепарирующая сила, пропорциональная разности плотности тока и напряженности магнитного поля. При этом частицы разных свойств движутся в разных направлениях.

Устройство, реализующее данный способ [2] выполнено традиционным образом. Сосуд с электродами помещен в поперечное магнитное поле. Отличительным является срединная перегородка вдоль сосуда. Разнотипные частицы в процессе работы попадают по разные стороны перегородки, откуда выводятся в сборники.

Аналогичные средства и рассмотренные аналоги принципиально не позволяют выделять из суспензии при одном технологическом цикле без режимной перестройки более одного вида частиц. При этом действующие силы имеют большой разброс по размерам форме части и их свойствам. Соответственно, поэтому острота разделения частиц не может быть высокой. Эти факторы обусловлены постоянными параметрами по плотности тока в суспензии и заданного удельного веса суспензии во всем объеме между электродами.

Предложенные способ и устройство позволяют разрешить отмеченные технические трудности по разделению частиц.

Сущность предложенных способа и устройства для этого состоят в следующем. Способ разделения частиц по плотности использует физический принцип наложения магнитного поля и ортогонального ему электрического тока на суспензию частиц. При этом электрический ток в суспензии формируют таким образом, что его направление было перпендикулярно направлению силы земного тяготения и плотность тока изменялась по вертикали.

Кроме того, возможно формирование электрического тока в нижней части столба суспензии (меньше 1/2 столба суспензии) осуществить в одном направлении (справа налево), а в верхней части в противоположном направлении.

Возможно также формирование электрического тока в нижней части столба суспензии производить с увеличением плотности тока сверху вниз, в верхней части столба суспензии с уменьшением плотности сверху вниз, что достигается сближением (расширением) электродов между собой и соответственно изменяя сопротивления проводящей суспензии по высоте.

В дополнение к этому, для селективного концентрирования частиц разной плотности, значение плотности тока j устанавливают в соответствии с соотношением: где ρ_ч плотность выделяемых частиц (кг/м³); ρ_ж плотность электропроводящей жидкости (кг/м³); g ускорение свободного падения (м/с²); B индукция магнитного поля (Тл).

Новыми предложенными признаками способа являются: формирование электрического тока, перпендикулярное направлению силы земного тяготения с изменяющейся плотностью тока по вертикали.

Предложенное устройство для реализации данного способа имеет следующее конструктивное решение.

Оно имеет сосуд, заполненный электролитом с некоторыми частицами, подлежащими разделению, и выполненный из непроводящего и немагнитного материала. Сосуд помещен в магнитное поле, например, соленоид. В полости сосуда расположены пласстинчатые электроды, расположенные вдоль линий магнитного поля и, кроме того, расположенные под углом друг к другу и симметрично относительно плоскости, проходящей вдоль направления силы тяжести Земли. Через стенки на разных уровнях по высоте сосуда пропущены патрубки для вывода разделяемых частиц.

Возможно выполнение устройства в виде двух секций. Между секциями расположена диэлектрическая вставка. Нижняя секция имеет пару электродов, сужающихся к нижней части устройства. Вторая верхняя секция имеет также два электрода, расширяющиеся между собой вниз, в сторону первой секции. Две пары электродов имеют общую плоскость симметрии, проходящую вдоль направления силы тяжести Земли и расположены в одном сосуде с электропроводящей суспензией. Сосуд с этими элементами помещен в магнитное поле, например, создаваемое соленоидом. Своеобразие имеется в подключении одной пары электродов по отношению к другой паре электродов. Полярности подключения каждой пары электродов противоположны. Например, правый электрод в верхней секции подключен к клемме плюс, тогда как смежный с ним в нижней секции (тоже правый) подключен к клемме минус. Выходные патрубки для разделяемых частиц в суспензии установлены по высоте с учетом ряда параметров: плотностей жидкости и частиц, наклона электродов, напряженности магнитного поля, прикладываемого напряжения к электродам.

Как для двухсекционного устройства (одна пара электродов), так и для двухсекционного устройства, новыми признаками являются расположение активных поверхностей электродов под углом друг к другу, в физическом представлении (способе) достигается изменение плотности тока по высоте межэлектродного промежутка суспензии. При этом плоскость симметрии таких электродов или двух пар электродов совпадает с направлением силы тяжести Земли. Рассмотренные способ и устройство позволяют одновременно выделять из высокоскоростной сепарации несколько видов частиц, например, различающихся по плотности, что стало возможным введением двух новых параметрических условий: изменения плотности тока по высоте электродов и точного учета при этом силы земного тяготения.

Таким образом, основной целью изобретения является обеспечение селективного концентрирования частиц различной плотности в широком диапазоне их изменения.

Предложенные способ и устройство иллюстрируются следующими графическими материалами.

Фиг. 1 схема макета односекционного устройства, реализующего способ разделения частиц в суспензии.

Фиг. 2 схема макета двухсекционного устройства, реализующего способ разделения части в суспензии.

Устройство по фиг. 1 в полной мере поясняет сущность предложенного способа. Двухсекционное устройство (фиг. 2) также в операционном виде включает все признаки данного способа.

Статичная конструкция устройства (фиг. 1) представляет лабораторный макет. Он имеет соленоид 1, в котором расположен сосуд 2 с пластинчатыми электродами 3. Сосуд 2 заполнен электропроводящей суспензией 4. Электроды 3 расположены в соленоиде 1 своей активной плоскостью вдоль линий магнитного поля, что создает ортогональное расположение магнитного поля и электрического тока между собой. Соленоид и электроды подключены к источнику постоянного тока 5. Электроды 3 расположены между собой под углом. Плоскость симметрии О-О электродов совпадает с направлением силы тяжести Земли. Верхняя часть сосуда имеет входной патрубок 6 для подачи расходуемой суспензии. Через стенки 7 сосуда 2 выведены выходные патрубки 8 для сбора частиц в некоторые сборники 9.

Простейший вариант двухсекционного устройства показан на фиг. 2. Он включает в нижней части электроды 3, которые выполнены идентично односекционному устройству по фиг. 1. В дополнение к этому через диэлектрический изолятор 10 размещена верхняя секция с электродами 11, расширяющимися под углом к низу с плоскостью симметрии О-О. Такое двухсекционное устройство с двумя парами электродов 3 11, расположенные в одном сосуде с суспензией, установлены в полости (магнитном поле) соленоида 4. Полярности подключения к источнику питания одной пары электродов по отношению к другой паре электродов противоположны. Например, правый электрод верхней пары подключен к клемме плюс (+) источника тока, тогда как смежный с ним (тоже правый) электрод нижней пары к клемме минус (-). Сущность способа и принцип работы заключаются в следующем.

Межэлектродный объем заполняют электропроводящей суспензией разделяемых частиц. На суспензию накладывают взаимно ортогональные постоянный электрический ток и магнитное поле. Угол наклона электродов от вертикальной плоскости симметрии изменяют в зависимости от требуемой неоднородности изменения удельного веса жидкости. Величина эффективного удельного веса, действующего на каждый элемент жидкости определяют по формуле: где d эффективный удельный вес выбранного элемента жидкости [Н/м³]
j плотность тока (А/м²] для выбранного d;
ρ_ж плотность жидкости в нормальных условиях [кг/м³]
g ускорение свободного падения [м/с²]
b индукция магнитного поля [Тл]
Частицы суспензии разделяются по плотности вблизи плоскости симметрии О-О (фиг. 1). Частицы с большой плотностью располагаются ниже, чем частицы с меньшей плотностью в соответствии с зависимостью:

При этом распределение плотности электрического тока между электродами по их высоте в плоскости симметрии О-О, совпадающей с направлением силы тяжести Земли направлено в сторону его увеличения для сужающихся электродов 3 к низу. При этом наблюдается слабая нелинейность j по высоте h, которая может при необходимости линеаризирована за счет незначительного искривления электродов навстречу друг к другу.

Принцип работы предложенного устройства прост. В исходном состоянии (фиг. 1) сосуд 2 с электродами 3 должен быть заполнен через входной патрубок 6 электропроводящей суспензией. После чего к электродам 3 подведен постоянный электрический ток от источника 5. Далее в зависимости от плотности материала частиц в суспензии будет происходить процесс их сепарации в некоторых зонах расположения патрубков 8. По мере концентрации и необходимости частицы через патрубки 8 собирают в сборники 9. При этом имеется возможность многопараметрической регулировки зон плотности, по которым проводится сепарация: по высоте, ширине зон сепарации, остроте сепарации. Регулирующими воздействиями являются величина электрического тока, магнитной индукции, угол наклона электродов.

В соответствии с предложением был разработан и изготовлен опытный макет устройства с использованием описанного способа, который показал удовлетворительные результаты по разделению частиц различных видов диэлектрических и проводящих материалов с различной плотностью в 20% растворе едкого калия (КОН). Макет смонтирован на базе сверхпроводящего соленоида с индукцией магнитного поля B 2 Тл. Внутренний диаметр соленоида 80 мм. Плотность тока j 2 мА/см² 20 мА/см². Плотность селектируемых материалов в пределах
ρ = 0,1 г/см³ - 20 г/см³.
Двухсекционное устройство по принципу работы не отличается от односекционного устройства. Оно обладает большими функциональными возможностями в расширении диапазона одновременно разделяемых частиц по плотности их материала.

Формула изобретения

1. Способ разделения частиц по плотности, включающий наложение магнитного поля и ортогонального ему и перпендикулярного направлению силы земного тяготения электрического тока на электропроводящую суспензию частиц, отличающийся тем, что электрический ток формируют с изменяющейся плотностью тока по вертикали.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование электрического тока в нижней части суспензии осуществляют в одном направлении, а в верхней части суспензии в противоположном направлении.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что значение плотности тока для нижней части суспензии устанавливают с увеличением плотности тока сверху вниз, а в верхней части суспензии с уменьшением плотности тока сверху вниз.

4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что значение плотности тока селективного концентрирования частиц разной плотности устанавливают в соответствии с соотношением

где j значение плотности тока, А/м²;
ρ_ч - плотность выделяемых частиц, кг/м³;
ρ_ж - плотность электропроводящей жидкости, кг/м³;
g ускорение свободного падения, м/с²;
B индукция магнитного поля, Тл.

5. Устройство для разделения частиц по плотности, включающее заполненный электролитом сосуд из непроводящего и немагнитного материала и помещенный в магнитное поле, установленные в сосуде пластинчатые электроды, расположенные вдоль линий магнитного поля, пропущенные через стенки сосуда на разных уровнях по высоте сосуда выводные патрубки и входной патрубок, отличающееся тем, что электроды расположены между собой под углом друг к другу и симметрично относительно плоскости, проходящей через радиус Земли.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что электроды установлены попарно по высоте сосуда, причем электроды нижней пары расположены под углом, вершина которого обращена вниз, а электроды верхней пары расположены под углом, вершина которого обращена вверх.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2