专利名称：旋涡分级器的制作方法
技术领域：
本实用新型为利用流体的动能使固体颗粒分级的设备。属于固体颗粒分级领域。
两种以上的固体颗粒混合物，粒度级别在相近的级别内，可以利用它们的质量、密度、运动速度、惯性、形状等物理性质的区别，在气体、液体的流动过程中进行分级选择作业。如煤和煤矸石，矿石和脉石可利用它们密度上的区别进行分级作业。
分级作业要求粗产品和细产品中互相混入的错误粒级含量越少越好。同时要求设备、工艺有较高的生产能力，较低的生产成本，要有工业生产的经济价值。
国内外利用流体的流动进行分级作业的设备和工艺多种多样，比较先进的，与本装置接近的有旋液分离器(水力旋流器)，旋风分离器(旋风除尘器)，和侧鼓跳汰式分离机。
旋风分离器和旋液分离器的结构、工作原理相同，只是利用的介质不同，结构的比例关系不同。现以旋液分离器为例加以说明，它的标准结构如图一所示由圆柱形筒体3、圆锥形筒体4、给料口1、底流口5、溢流口2等部分组成。料浆的压力为0.5－－2.5Kg／cm2，以切线方向从给料口进入圆柱形筒体，在分离器内受器壁的约束，被迫向下作螺旋运动，在惯性离心力场的作用下，料浆中的粗粒级向水力旋流器的筒壁运动，并沿筒壁旋转向下，最后以较高浓度的料浆形式由底流口排出；细粒级则在中心轴附近旋转，由下向上运动，以较低浓度的料浆形式由溢流口排出。
与其他水力分级机相比，它的优点是构造简单、价廉、无运动部件；生产效率高、占地面积小；在筒内料浆少，停留时间短；细粒级产品分离较彻底，水可重复利用；分级效率较高，约35－－50％。
其缺点是对筒体磨损严重，使用寿命短；固液料浆须事先混合，必须设置混合设备；必须配置砂泵把料浆匀相混合、加速，砂泵消耗功率大，机械搅拌设备、叶轮、泵壳易磨损，不易操作，价格昂贵，维修费用高；砂泵没有小功率型号，最小为40千瓦，小型化生产时为适应压力和流量的需要，要设置出口旁路减压、减流，浪废了能量；对料浆的浓度、粒度、压力、速度等参数要求严格，否则对工作指标影响很大；因是以离心沉降为主的过程，料浆是匀相混合物，分离的时间短，分级效果不佳，粗产品和细产品中互相混入的错误粒级比例达35－－50％，需多级分离才能较理想；与旋液分离器相配套的分级作业生产一次性投资较大，小型设备也需几十万元。
侧鼓跳汰式分离机是以重力沉降为主的，为洗煤设计的设备。它的结构示意图如图二主体是由一个长方形箱体组成。其部件分为溢流口6、进料机7、底流口8、分离槽9、活塞10、活塞缸11、卵石层12、条筛13、锥体槽14、进水口15、出渣机构16、偏心连杆机构17等。
工作过程是水从进水口以恒定流量流进锥体槽，由于活塞缸中的水受活塞的周期性的压迫，分离槽中的水在上升过程中被迫上下波动；煤经过粉碎、筛分后，粒度在0.1～10毫米之间，由进料机连续送入分离槽，由于煤的重力沉降末速度与分离槽中水的上升分速度接近，所以煤颗粒在分离槽内处于悬浮状态，煤和混入的矸石由于粒度、密度不同发生分层；水流在向上波动时，细产品煤经溢流口进入下一级分离槽，直到最后一级由溢流口流出槽外，排入自然沉淀池进行脱水分离；水流向下波动时，矸石由底流口进入锥形槽，沉到锥底后由出渣机构断续排出；分离槽多由三到四级串连组成，以期达到较彻底的分离目的。
侧鼓跳汰式分离机的优点是生产效率高，混合、搅拌、分离同时在一个容器内进行；是非均相混合，节约能量；操作简单，易调整；分级效率较高，矸石中混入的煤较少，低于5％。
其缺点是用水量大，占地面积大，细粒级的沉淀分离占地面积更大；附属机械装置多，制造时占用的钢材较多，附属工房等建筑物造价较高；精煤中含矸石仍在5－－10％，分级仍不理想。
本实用新型的目的是要提供一种分级设备。它应该是分级效率较高；结构简单；操作工艺简便可靠；附属设备少，且可供挑选的功率级别多；相对能耗少；能实现小型化，微型化生产的设备。
本实用新型的要点是该旋涡分级器是一个垂直放置的筒体，其形状可为圆柱形或圆锥形。介质进口处筒体直径D为100～5000毫米。筒体的上部是强迫型旋涡室，其高度H2为D～6D，强迫型旋涡室的顶部有一个伸入筒体的物料进口，其直径D1为0.2D～D，物料进口的下部为布料钟，强迫型旋涡室的侧壁上部为溢出口，可为沿切线方向的一个或2～20个溢出口；下部为介质进口，可为沿切线或渐开线，或倾斜螺旋线方向有一个或2～20个介质进口；筒体的下部是自然型旋涡室，其高度H1为0.1D～2D，自然型旋涡室底部中央有一个底流口，其直径D2为0.1D～0.4D，自然型旋涡室上部有一个调节环，将它与强迫型旋涡室分开，调节环内径D3为0.5D～D，介质为流体，可为水或空气。介质进口的总截面F1＝Q1·V－1Ψ，Q为介质总流量，Ψ为修正系数，V为介质进口的流速，溢流口总截面积F2大于4F1、小于 (π)/4 D2。
以下结合附图
三和附图四对旋涡分级器的结构、操作过程及原理做详细说明图三是旋涡分级器的剖视图，其主要结构由物料进口20、溢出口21、强迫型旋涡室22、布料钟23、介质进口24、调节环25、自然型旋涡室26、底流口27等部分组成。图四是一种圆锥型旋涡分级器的正视图。
操作过程如下流体介质水以恒定速度由介质进口24，从下部进入强迫型旋涡室22，在充满自然型旋涡室26之后，形成一个螺旋上升的强迫型旋涡，旋涡的中心形成一个低压区；经过粉碎、筛分，粒度在某个级别的固体颗粒从物料进口20经过布料钟23，连续送入旋涡中部与布料钟直径相应的液面上，与激烈旋转的水流混合；由于颗粒的粒度、密度、质量、截面积不同，被水流加速到了不同的切线速度水平上，颗粒受到的离心力与颗粒切线速度的平方成正比，切线速度对离心力的变化影响最大；细产品质量较小，惯性也较小，被加速到较高切线速度所需要的时间短，因而在一定时间内受到的离心力较大，以至会移向旋涡的外层；粗产品密度大，质量大，在一定时间内被加速到的切线速度较小，受到的离心力也较小，相对会保留在旋涡的中间部位；颗粒同时还受到重力的作用而发生重力沉降，粒度和密度较大的粗产品，沉降末速度大，反之，则较小；还由于强迫旋涡室22中的旋涡形状，在各个不同的横截面上面积是不同的，所以水流上升的分速度也各不相同，分布状态是上部、边缘部分较高，下部、中心部分较低；处于中部的粗产品，重力沉降末速度大，大于中部的水流上升的分速度，因而它就纵向穿过旋涡，下降到自然旋涡室26；相对处于边缘的细产品重力沉降末速度较小，小于边缘部分水流上升的分速度，随水流上升，由溢流口21排出；下降运动中的粗产品，在穿越调节环25时受到限制，落在调节环25上的颗粒会随激烈的水流再次上升，调节环25的大小可以部分控制进入自然型旋涡室26的颗粒等级；下降到自然型旋涡室的颗粒，不再受上升水流的扰动，切向能量很少再得到补充，在这里主要受重力和向心力的作用，被推向自然型旋涡室底部中心的底流口27，由底流口27随部分水流排出。
这是一个连续不断的过程，在容器空间中的每一个点，流体的运动状态都是不相同的，而且随着固体颗粒的不断混入，时刻都在发生变化，但是不同的固体颗粒在旋涡中运动轨迹的变化趋势是定向的，有规律的，它的结果是分级作业所期望的。
在原理上这个过程主要利用下列差别1.固体颗粒在进入旋涡时的静止惯性不同，受到流体传给的力不同，形成了切线速度上的差别，径向离心力的差别和离心沉降速度上的差别。
2.固体颗粒的重力沉降末速度不同的差别。
3.重力沉降过程和离心沉降过程在时间上的差别。
对固体颗粒在螺旋上升的强迫型旋涡中的能量传递，离心沉降、重力沉降的规律，还未见到现有资料中做过完整的描述，利用这一现象实现工业化生产也还未见到过先例。
本实用新型达到了予期的目的，同已有技术相比，其优点是1.分级效率高。从底流口排出的粗产品中混入的细产品可为10％以下，而一般的旋流分离器则为35～50％，造成这种差别的理论原因在于不同粒度、密度的固体颗粒，受到的离心力差比旋流分离器中多了一个数量级，切线速度的差的平方。
固体颗粒在旋涡中受到的离心力F＝MVt2R－1式中M为颗粒的质量，Vt为瞬时切线速度，R为半径，Vt＝V0＋at。式中V0为切向初速度，a为切向加速度，t为时间。a＝FM－1式中F为切向力。
在旋液分离器中的进料口处，固体颗粒和液体初速度V0相同。切向加速度a＝0，所以Vt相同。在R也相同时，所受的离心力的差别主要质量M的差别造成的。质量相同时，离心力的差是0，质量较大者离心力较大，所以粗产品集向旋涡的外缘。
在旋涡分级器中则不相同，固体颗粒V0＝0，由于液体速度较高，对颗粒有能量传递，a不等于0，a＝FM－1，M较小的得到的a较大，M相同密度较小的，体积较大，受到流体阻力F较大，a也较大；Vt＝V0＋at，密度较小，质量较小的细产品的Vt在一短时间t内会大于粗产品，离心力F＝MVt2R－1式中Vt是平方项，对离心力的变化影响最大，从而形成了细产品得到的离心力较大的结果，与旋液分离器相反，细产品反而集向旋涡的外缘。
与侧鼓跳汰式分离机相比，虽然都利用了重力沉降末速度的差别，但比其又多了两个有利因素。1.离心沉降使颗粒产生了内外分层，粗产品在中部，细产品在边缘部；2.螺旋上升强迫型旋涡的特性是边缘部水流上升分速度大，中心部水流上升分速度小。这两个因素使分级效率得到提高。
2.不需要事先将液体固体进行混合，因而节省了混合设备，占地面积减少。
3.省去了靠机械搅拌使料浆匀相混合、加速的砂泵，代之的是型号可广泛选择、廉价的普通水泵，从而可使设备小型化、微型化。
4.由于是非匀相混合过程，固体颗粒未被加速到与介质同速就已达到分级目的，从而节省了加速固体所需的能量。
5.与旋液分离器相比，对器壁磨损最严重的粗产品不是沿器壁旋转，而是在容器中部旋转下沉，相对于旋液分离器来说，离心场较弱，细产品对器壁的磨损也较弱，所以同样的材料，本装置的磨损寿命要提高许多。
6.由于进入分级器前，固体颗粒和介质是分开的，也可以是混合的，它排除了一个必须事先匀相混合并加速的限制条件，从而又扩大了它做为独立单元与其他过程配套的可能性，扩大了应用范围。
7.由于是以重力沉降为主的过程，对分级器内的粒度，压力、浓度、速度等参数要求比旋流分离器宽，条件变化对工作状态影响较小，且易于调整。
总之，本实用新型旋涡分级器与现在实际应用的旋液(风)分离器，侧鼓跳汰式分离机相比，在分级效率，能源消耗，操作简易程度，固定投资等方面都有较大提高，以洗煤为例，生产量为10吨／时的小型设备，吨生产变动成本约20～30元／吨，同等产量，以旋涡分级器为主设计的机组，成本可望降到10～20元／吨。
本实用新型可广泛用于颗粒直径大于0.1毫米的各种固体颗粒的分级作业。例如从原煤中分离出煤矸石，从河床金矿砂中富集金砂等分级作业。
现在例举实施例如下1.水力旋涡分级器，主要设计尺寸D＝400毫米，F＝56平方厘米，分选对象是炼焦烟煤，原煤中含矸石约10～15％，颗粒级别应小于10毫米，经分级作业后，矸石中含煤粒少于5％，精煤中含矸石7～8％，生产率7～8吨／时。
2.风力旋涡分级器，主要设计尺寸D＝400毫米，F＝500平方厘米，分选对象是经粉碎后粒度小于10毫米的煤，其中含0.3毫米以下的煤粉30％，经分级作业后原煤中含煤粉少于5％，生产量6～8吨／时。
3.微型水力旋涡分级器，主要设计尺寸D＝200毫米，分选对象，粒度在5毫米以下的含金矿砂，经过分选作业，直径大于0.1毫米的金粒和直径大于0.5毫米的脉石得到富集，0.5毫米以下的土、砂粒被陶汰。
权利要求1.一种旋涡分级器，为一个垂直放置的筒体，其特征在于筒体的上部是强迫型旋涡室，其侧壁上部有溢出口，下部有介质进口，介质进口处筒体直径D为100～5000毫米，顶部有一个伸入筒体的直径D1为0.2D～D的物料进口，物料进口的下部为布料钟，强迫型旋涡室高度H2为D～6D，筒体的下部是高度H1为0.1D～2D的自然型旋涡室，其底部中央有一个直径D2为0.1D～0.4D的底流口，在自然型旋涡室和强迫型旋涡室之间有一个内径D3为0.5D～D的调节环，介质进口的总截面积F1=QV-1Ψ，(Q为介质总流量，V为介质进口的流速，Ψ为修正系数)，介质为流体，溢流口总截面积F2大于4F1并小于 (π)/4 D2。
2.按照权利要求1所说的旋涡分级器，其特征在于所说的筒体为圆锥形筒体。
3.按照权利要求1所说的旋涡分级器，其特征在于所说的筒体为圆柱形筒体。
4.按照权利要求1，2，3，所说的旋涡分级器，其特征在于所说溢流出口为筒体侧壁切线方向的一个溢出口。
5.按照权利要求1，2，3，所说的旋涡分级器，其特征在于所说溢出口为沿筒体侧壁切线方向的2个～20个溢出口。
6.按照权利要求1，2，3，所说的旋涡分级器，其特征在于所说介质进口为沿筒体切线方向的一个介质进口。
7.按照权利要求1，2，3，所说的旋涡分级器，其特征在于所说介质进口为沿筒体渐开线方向的一个介质进口。
8.按照权利要求1，2，3，所说的旋涡分级器，其特征在于所说介质进口为沿筒体倾斜螺旋线方向的一个介质进口。
9.按照权利要求1，2，3，所说的旋涡分级器，其特征在于所说介质进口为沿筒体切线方向的2个～20个介质进口。
10.按照权利要求1，2，3，所说的旋涡分级器，其特征在于所说介质进口为沿筒体倾斜螺旋线方向的2个～20个介质进口。
11.按照权利要求1，2，3，所说的旋涡分级器，其特征在于所说介质进口为沿筒体渐开线方向的2个～20个介质进口。
专利摘要一种旋涡分级器，属于固体颗粒分级领域。本装置为一个垂直放置的筒体，上部为强迫型旋涡室，下部为自然型旋涡室，固体颗粒由强迫型旋涡室顶部的物料口进入，介质由其下部进口进入后形成螺旋上升的旋涡，使固体颗粒分级，细产品随旋涡向上沿切线从溢出口排出，粗产品下沉到自然型旋涡室由底流口排出。本产品可对直径大于0.1毫米的各种固体颗粒进行分级，分级效率比效高，结构简单、操作方便、节省能源。
文档编号B04C5/00GK2040404SQ8821493
公开日1989年7月5日 申请日期1988年10月21日 优先权日1988年10月21日
发明者郭树中, 郭永忠 申请人:山西省沁源化工机械厂