1.4.1. Аппараты для измельчения твердых веществ

В зависимости от требуемой степени измельчения веществ и необходимой производительности аппарата в химической промышленности используют мельницы различной конструкции: центробежные, вибрационные, газоструйные, планетарные, коллоидные и др. [12, 13].

Центробежные мельницы. В центробежных мельницах измельчаемый материал воздушным потоком подается во вращающуюся с большой скоростью чашу, за счет центробежных сил отбрасывается на размольное кольцо, где размалывается в результате удара. Часто центробежные мельницы заполняются мелющими шарами (металлическими или керамическими), усиливающими разрушение частиц при ударе и трении (рис.1.4).

 

Рис. 1.4. Центробежно-шаровая мельница:

1 редуктор; 2 – корпус; 3 – чаша; 4 - размольное кольцо; 5 – отбойная решетка; 6 – сепаратор; 7 – выводной штуцер; 8 – вентилятор; 9 – штуцер питания; 10 – шары; 11 – штуцер для подвода газа-носителя; 12 – двигатель

 

Вибрационные мельницы. В вибрационных мельницах помольная емкость вибрирует, что на порядок увеличивает число контактов между соударяющимися шарами (рис.1.5). При этом значительно (в 3-5 раз) увеличивается производительность измельчителя. В то же время в вибрационной мельнице энергия единичного удара мелющего тела меньше, чем в центробежной мельнице. Поэтому эффективность ее работы при измельчении крупных материалов (более 10 мм) снижается.

 

Рис.1.5. Однокамерная мельница с центральным расположением вибровозбудителя:

1 корпус; 2 – упругая подвеска; 3 – опорная рама; 4 – вибровозбудитель; 5 – приводной электродвигатель; 6- муфта; 7 – шаровая загрузка; 8 – загрузочное окно

 

Газоструйные мельницы. Одним из главных недостатков шаровых мельниц является большой износ шаров и рабочих поверхностей аппарата. Кроме того, продукты разрушения загрязняют перерабатываемый материал. Эти проблемы частично снимаются при использовании газоструйных мельниц, в которых  для помола используют энергию газовой струи (сжатого воздуха или перегретого пара). На рис.1.6 схематично изображен один из вариантов высокоскоростного газоструйного измельчителя.

Рис. 1.6. Струйный измельчитель с горизонтальной размольной камерой:

1- камера измельчения; 2 – сопла; 3 – штуцер подачи энергоносителя; 4 – газораспределительное кольцо; 5 – штуцер питания; 6 – корпус сепаратора; 7 – труба для вывода тонкой фракции; 8 – сборник крупной фракции

 

Подлежащий измельчению материал специальным инжектором подается в зону измельчения. В эту же зону через сопла поступает газ или пар. Сопла направлены таким образом, что струи газа внутри камеры пересекаются. Частицы материала, увлекаемые струями газа, в местах пересечения струй соударяются с большой скоростью и измельчаются. Поскольку струи газа входят в зону измельчения под некоторым углом, вся масса пылегазовой смеси приобретает вращательное движение в сторону направления струй. В результате такого движения частицы оказываются в поле центробежных сил и разделяются на фракции: более крупные сосредотачиваются в периферийной части камеры, более мелкие оттесняются к центру.

Коллоидные мельницы. Мельницы этого типа предназначены для получения частиц размером 0,1 – 1 мкм (размер коллоидных частиц). При увеличении степени измельчения материала повышается способность частиц образовывать прочные агломераты. При некоторой крупности материала устанавливается своеобразное равновесие в его гранулометрическом составе: сколько частиц получается при разрушении, столько же частиц снова соединяется. Для подавления процесса агломерации измельчение проводят в присутствии диспергирующей среды (жидкости, реже газа). Отношение количества твердой и жидкой фаз, в зависимости от измельчаемого материала, изменяется от 1:2 до 1:6. Для стабилизации коллоидной системы в диспергирующую среду добавляют электролиты.

 

Рис.1.7. Конусная коллоидная мельница:

1 вал; 2 – ротор; 3 – корпус; 4 – накидная гайка; 5 – статор; 6 – канавки; 7 – приемная воронка; 8 – крышка; 9 – выводной штуцер

 

В промышленности используют несколько типов коллоидных мельниц. В конусной мельнице  (рис.1.7) подлежащий измельчению материал поступает в зазор между вращающимся ротором и статором.

Находят достаточно широкое применение коллоидные мельницы с решетчатым ротором, в которых измельчаемый материал через узкие прорези в стенках ротора попадает в зазор между статором и ротором (рис.1.8.). Здесь происходит интенсивное диспергирование материала в результате растирания и разрыва частиц, а также в результате кавитационного эффекта, возникающего при быстром вращении ротора.

 

Рис. 1.8. Коллоидная мельница с решетчатым ротором:

1- ротор; 2 – статор; 3 – корпус; 4 – штуцер питания; 5 – продольные ребра; 6 – сквозные прорези в роторе; 7 – кожух; 8 – лопасти-выбрасыватели; 9 – штуцер для вывода измельченного материала

 

 

 

Рис. 1.9. Роторно-бильная коллоидная мельница:

1- корпус; 2 крышка; 3 – била; 4 – ротор; 5 – вал; 6 – контрударник; 7, 10 – штуцера охлаждения или нагревания мельницы; 8, 9 – штуцера для ввода и вывода измельчаемого материала

В бильном коллоидном измельчителе рабочими элементами являются била, укрепленные на роторе, и контрударники, заделанные в корпусе (рис.1.9). Ряды бил ротора расположены между рядами контрударников корпуса. Высокая степень измельчения (1-20 мкм) достигается в результате истирания и сжатия частиц между билами и контрударниками, чему также способствует значительный кавитационный эффект, развивающийся вследствие высокой скорости движения бил и частиц и их встреч с контрударниками.

В виброкавитационной мельнице (рис.1.10) измельчению материала способствует колебания высокой частоты; при диаметре ротора 0,5 м и скорости вращения 18000 об/мин частота колебания частиц близка к ультразвуковым. В такой мельнице достигается степень измельчения материала 1-10 мкм.

 

Рис.1.10. Виброкавитационная коллоидная мельница:

1 – корпус; 2 статор; 3 – ротор; 4 – продольные канавки; 5 – штуцер питания; 6 – штуцер вывода пульпы; 7 – штуцера охлаждения или подогрева мельницы; 8 – вал ротора

 

К числу коллоидных измельчителей можно также отнести высокоскоростной измельчитель «Реактрон», который широко используется в химической промышленности как измельчитель, разрыхлитель, смеситель, гомогенизатор и аппарат для проведения химических и массообменных процессов. Ротор этого аппарата представляет собой диск, снабженный двумя рядами пальцев, расположенных по концентрическим окружностям, и билами, размещенными в центре диска. На крышке по концентрическим окружностям расположены три ряда пальцев. При этом ряды пальцев крышки приходятся между рядами пальцев на роторе. При высоких скоростях движения пальцев в зоне измельчения возникают большие истирающие и разрывающие  усилия, вызывающие интенсивное измельчение частиц. Измельчение усиливается еще и наличием высокого кавитационного эффекта.

Планетарные мельницы. Планетарные мельницы относятся к числу наиболее эффективных ударно-истирающих измельчителей. Они предназначены для быстрого сверхтонкого измельчения порошков в сухом состоянии или в виде суспензий, а также для перемешивания и гомогенизации эмульсий и паст.

Помол производится в стаканах, заполненных шарами, устанавливаемых в гнезда планетарного механизма, совершающих вращательное движение вокруг своей оси и оси водила (рис.1.11). Скорость вращения планетарного механизма 150-1500 об/мин. Высокая скорость измельчения и активация в них обеспечивается центробежными силами, возникающими при вращении стаканов вокруг своей оси и общей оси. Они в десятки раз превышают силу тяжести, что позволяет во столько же раз уменьшить размеры мелющих тел без снижения их кинетической энергии. В течение 2 мин работы такой мельницы достигается такая же дисперсность, как после 10-12 часов работы обычной шаровой мельницы.

Планетарно-центробежные мельницы марки АГО периодического действия при единовременной загрузке в один стакан до 1.2 кг перерабатываемого материала  позволяют за смену наработать до 710 кг продукта.

Виброцентробежные мельницы планетарного типа марки ВЦМ работают в непрерывном режиме, производительность их достигает 3000 кг/ч. Конструкция выполнена с горизонтальным расположением помольных барабанов в виде трубы, которые жестко закреплены на водилах и перемещаются вместе с ними, описывая круговую траекторию в плоскости, перпендикулярной осям барабанов. При этом барабаны не вращаются вокруг собственной оси и остаются ориентированными в вертикальной плоскости. В результате такого перемещения измельчаемый материал подвергается суммарному воздействию центробежных сил, силы тяжести и кориолисовых сил, что способствует возникновению внутри барабана условий, при которых обрабатываемый материал подвергается интенсивному воздействию виброударных, истирающих и раздавливающих нагрузок, приводящих к измельчению и активации обрабатываемого материала.

 

 

Рис. 1.11. Схема планетарной мельницы

 

В настоящее время производятся планетарные мельницы нового поколения как лабораторного, так и промышленного назначения – марки «Активатор-2S», для проведения механохимических синтезов. Их производительность изменяется в пределах от 100 до 5000 кг/ч. Конструкция этих аппаратов позволяет, задавая соотношение скоростей вращения оси и барабанов, обеспечивать различные виды воздействия на перерабатываемый материал: ударное (для измельчения), вихревое (для смешения), ударно-сдвиговое (для проведения химических реакций).

Производительность мельниц любой конструкции зависит от твердости и крупности исходного материала и требуемой степени измельчения. Чем выше степень измельчения, тем меньше производительность аппарата и больше энергозатраты на единицу массы перерабатываемого сырья. Для тонкого помола материала, сопровождающегося, как правило, механохимической активацией твердых частиц, используются, в основном, вибрационные, планетарные и коллоидные мельницы.