多階多管式旋風器裝置及分級收集粒狀物的方法

2023-12-04 00:51:41

專利名稱：多階多管式旋風器裝置及分級收集粒狀物的方法
技術領域：
本發明關於一種多階多管式旋風器裝置及分級收集粒狀物的方法。
技術背景納米技術是未來高科技產業的關鍵技術，可應用於化學、光學、電子、 陶瓷以及生物技術等高科技產業中，以提升產業層次與竟爭力，並創造高附 加價值，為我國高科技工業下一波的主力，然而，在粒狀物生產的過程中， 這種納米級的微小物無法以一般的粒狀物處理機制收集，因此，本案的發明人先前於2003年10月9日提出"使用旋風器收集納米微粒的方法及設計該 旋風器的方法"的發明專利(申請案號為092128213)以解決收集粒狀物的問 題，然而，直接使用上述旋風器收集粒狀物，並無法大量且有效的將粒狀物 依照粒徑分級收集，導致高經濟價值的超細粒狀物被混入細粒狀物，甚至是 粗粒狀物中，而僅能以低價售出，以傳統的旋風器為例，傳統的旋風器僅能 收集10pm以上的粒狀物，如何有效分離收集各類粒狀物，並且以分級的方 式提高超細粒狀物的經濟價值，是本案所要解決的問題。發明內容為了改善上述缺點，本發明是提供一種多階多管式旋風器裝置及分級收 集粒狀物的方法。多階多管式旋風器裝置包括至少一第一階旋風器以及至少一第二階旋 風器，第一階旋風器包括有截取氣動直徑《。M'1，、第二階旋風器包括有截 取氣動直徑"戸50，2"'，其中，第一階旋風器與第二階旋風器互相串聯，而截 取氣動直徑formula see original document page 5以下列方程式計算求得formula see original document page 5上式的下標的1與j表示第1階第j個旋風器；p為氣體粘度；N為導 翼片數目；W為導翼片的厚度；P為導翼片的間距；"為導翼片的旋轉圈數；^ax及 in分別為導翼片的外徑及內徑；^為氣體體積流率；^為擬合常數；c為粒狀物滑溜校正係數；而截取氣動直徑"p。5Q，2 j以下列方程式計算求得9Mdx" —du,》2(P2，； -N2,,2J)2 ln2—，/2，必,丄，2，^,,2，,化.；上式的下標的2與j表示第2階第j個旋風器；ia為氣體粘度；N為導 翼片數目；W為導翼片的厚度；P為導翼片的間距；"為導翼片的旋轉圏數；"max及^in分別為導翼片的外徑及內徑；^為氣體體積流率；^為擬合常數；c為粒狀物滑溜校正係數。而分級收集粒狀物的方法，其步驟包括使含有多個不同大小的粒狀物 的氣流通過至少一第一階旋風器；通過該第一階旋風器收集一第一級粒狀 物群組；使通過該第 一 階旋風器後的含有多個不同大小的粒狀物的該氣流， 再通過至少一第二階旋風器；通過該第二階旋風器收集一第二級粒狀物群 組，其中，第一階旋風器以及第二階旋風器內的氣壓在20託耳到760託耳 之間。為了讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特別 舉出優選實施例，並配合附圖，作詳細說明如下。


圖1為本發明的收集粒狀物的分級模廠設計的示意圖；圖2為本發明的旋風器示意圖；圖3為本發明的旋風機構示意圖；圖4為本發明的旋風器的另一實施例的示意圖；圖5為本發明的旋風器的另一實施例的示意圖；圖6為應用本發明的多階多管式旋風器裝置收集粒狀物對歸 一化參數與 收集效率的關係圖7為當粒狀物的密度^^5.8 g/cm3時，粒狀物粒徑dp與比表面積S 的關係圖；圖8為本發明的分級收集粒狀物的方法的流程圖。主要組件符號說明10 多階多管式旋風器裝置11 第一階旋風器112 旋風機構113、 113a、 113b 氣流入口114、 114a、 114b 氣流出口 115~內壁116~通道117~圓柱體118 螺旋型導翼片12 第二階旋風器20 進料機21 傳統旋風器22 第一收料器23 第二收料器24~過濾器25~鼓風機dpa50 截取氣動直徑具體實施方式
請參閱圖1、圖8，本發明的分級收集粒狀物的方法，其步驟為a.使含 有多個不同大小的粒狀物的氣流通過至少一第一階旋風器11; b.通過該第 一階旋風器11收集一第一級粒狀物群組；c.使通過該第一階旋風器11後的 含有多個不同大小的粒狀物的該氣流，再通過至少一第二階旋風器12; d.通 過該第二階旋風器12收集一第二級粒狀物群組，其中，第一階旋風器ll以 及第二階旋風器12內的氣壓在20託耳到760託耳之間。請繼續參閱圖1， 應注意的是，本發明的多階多管式旋風器裝置10是在中度真空(20torr)至常
壓(760torr)的條件下作用，多階多管式旋風器裝置10包括有多個第一階旋風 器11以及多個第二階旋風器12，其中，所述第一階旋風器11互相併聯，而 所述第二階旋風器12亦互相併聯，且所述第一階旋風器11以及第二階旋風 器12互相對應並且串聯，圖1為收集粒狀物的分級模廠設計，含有多個不 同大小的粒狀物的氣流先經由進料機20傳送到傳統旋風器21中，通過傳統 旋風機21收集最大粒徑的粒狀物，該氣流再流到多階多管式旋風器裝置10 中，流入多階多管式旋風器裝置10中的氣流會先通過多個第一階旋風器11， 所述第一階旋風器11會先收集該氣流中較大徑粒的粒狀物(第一級粒狀物群 組)，之後，該氣流接著會流入所述第二階旋風器12，第二階旋風器12再收 集較小徑粒的粒狀物(第二級粒狀物群組)，接續，第一階旋風器11中較大粒 徑的粒狀物(第一級粒狀物群組)會被送到第一收料器22中，而第二階旋風器 12中較小粒徑的粒狀物(第二級粒狀物群組)則被送到第二收料器23中，最 後，流經多階多管式旋風器裝置10後的氣流會再通過過濾器24以及鼓風機 25中作最後處理。應注意的是，本發明的多階多管式旋風器裝置IO結合袋 式集塵設備(未圖示)或其它收集設備以協助收集粒狀物，本發明的多階多管 式旋風器裝置IO除可結合袋式集塵設備外，還可結合濾袋屋(bag-house)、袋 式過濾器(bag-filter)、高效率微粒過濾器(HEPA filter)以及靜電集塵器 (electrostatic precipitator)以協助收集粒狀物。另夕卜，在氣流通過多階多管式 旋風器裝置10之前，可使氣流先通過T型三通管(未圖示)，通過T型三通 管先篩除過濾粒徑超過10|im以上的粒狀物，以便當氣流通過多階多管式旋 風器裝置10時，可直接收集10|im以下的粒狀物。請參閱圖2、圖3，本發明的第一階旋風器11以及第二階旋風器12均 為軸翼型旋風器，其包括有艙體111以及旋風機構112,艙體111包括有用 以導入氣流的氣流入口 113、氣流出口 114以及內壁115，旋風機構112位 於該搶體111內且介於氣流入口 113與氣流出口 114之間，旋風機構112與 艙體111的內壁115形成信道116，該信道116用以使氣流在通過通道116 時產生旋轉，氣流中的粒狀物因而被賦予離心力，而撞擊艙體111的內壁115, 旋風機構112包括有圓柱體117以及環繞圓柱體117軸心且設在圓柱體117 上的螺旋型導翼片118，其中，通道116為螺旋型導翼片118與鄰近螺旋型 導翼片118的搶體111所定義，應注意的是，在本實施例中，氣流入口 113 被設在艙體111的上部，而氣流出口 114則設在旋風機構112下方且由搶體 111的徑向方向延伸出。再請參閱圖4，本圖為第一階旋風器11以及第二階旋風器12的另一實 施例，其結構大致同上段所述，不同處在於本實施例的氣流入口 113a設在 艙體111的上部且氣流入口 113a的設計方向與艙體111的切線方向相同，而 氣流出口 114a則設在旋風機構112下方且由艙體111的徑向方向延伸出。續請參閱圖5，本圖為第一階旋風器11以及第二階旋風器12的另一實 施例，其結構大致同上段所述，不同處在於本實施例的氣流入口 113b設在 艙體111的上部且氣流入口 113b的設計方向與搶體111的切線方向相同， 而氣流出口 114b亦設在旋風機構112上方且由艙體111的軸向方向延伸出。應注意的是，本發明的旋風器(第一階旋風器11以及第二階旋風器12) 的結構與本案的發明人先前於2003年10月9日提出"使用旋風器收集納米 微粒的方法及設計該旋風器的方法"的中國臺灣發明專利(申請案號為 092128213)所公開的旋風器構造為不同，不同處即在於本發明還提供了多種 旋風器中的氣流入口及氣流出口的設計位置，如圖2、圖4、圖5的設計， 另外，由於本案的旋風器釆多階多管式設計，故旋風器中所適用的氣壓在20 託耳到760託耳之間，與本案申請人所提出的前案的適用氣壓(在20託耳以 下)明顯不同，並且因為適用氣壓不同，故計算截取氣動直徑的理論方程式 也跟著改變。本發明的第一階旋風器11以及第二階旋風器12分別具有一截取氣動直 徑(dpa50)，該氣動截取直徑(dpa50)是以下列公式推算
formula see original document page 9
其中，下標的i與j表示第i階第j個旋風器；p為氣體粘度；N為導翼 片數目；為導翼片的厚度；P為導翼片的間距；"為導翼片的旋轉圏數；ax及nin分別為導翼片的外徑及內徑；^為氣體體積流率；為擬合常數；C為粒狀物滑溜校正係數，使理論效率與文獻上實驗數據相符，而第i階第j個旋風器的滑溜係數"是以下列公式推算(Hinds， W.C.， 1999， Aerosol Technology, 2nd Ed.， Wiley & Sons, Inc., 99.49.): formula see original document page 10化其中，dp為粒徑；"'為第i階第j個旋風器中氣體分子的自由平均路 徑長，其值與氣體壓力成反比，與氣體溫度成正比。本發明針對會產生含粒狀物的氣流的製作工藝，設計出壓力在中度真空 (20torr)至常壓(760torr)的條件下，可以將粒狀物分級收集的裝置及方法，並 進行實驗室的實驗，其中，第i階第j個旋風器的粒狀物的收集效率可由下 公式計算而得formula see original document page 10、其中，^'，; — ^^仏/C'"為歸 一 化參數(normalized parameter);(nm-lpm)為粒狀物收集效率=0.5時的歸 一化參數的值；"A，7為第i階第j個旋風器中的粒狀物粒徑；Q》'為第i階第j個旋風器中 的氣體流量；《為擬合常數，能使理論效率與文獻上的實驗數據相符。請參閱圖6，該圖顯示本發明的軸翼型旋風器對歸一化參數("傘'，^"C") 的粒狀物收集效率測試結果，由圖可看出，當歸一化參數值為^'^"8n^(nm-lpm)時，粒狀物收集效率為=0.5(即50%)，亦即若操 作在適當的流量與壓力下時，採集粒徑大小可達100(nm)。由上可知，收集效率'w與粒狀物的粒徑dp有一定的關係，若粒狀物為緻密性(非多孔性)的，其粒徑dp則藉由BET比表面積分析方法來決定，圓球狀粒狀物的比表面積S與粒徑dp的關係可由下式推出 總表面積 7V;k/; 2 _ 6總質jp。傘其中，^P為粒狀物的密度，圖7是以粒狀物的密度^-5.8g/cm3為例 所製成的粒狀物粒徑dp與比表面積S的關係對照圖，舉例來說，當比表面 積S被測出為10.3m2/g時，此時的粒徑為O.lpm(即lOOnm),應注意的是， 本實施例利用BET比表面積作分析時，使用到過濾器(未圖示)，而該過濾器
所用的濾布的淨氣布比(m3/min/m2;單位濾布面積所流經單位時間廢氣量的比例)約為1.95，若需提高粒狀物收集效率時，可將淨氣布比降至1 或1以下。若粒狀物為其它形狀(偏離圓球狀)，則比表面積S與粒徑dp的關係需加 入形狀修正因子；加以修正，其表示式如下 ^二總表面積^ 6《 _總質量—(5)本發明的多階多管式旋風器裝置及分級收集粒狀物的方法可有效解決 傳統技術中無法大量且有效的將粒狀物依照粒徑分級收集的問題，避免將具 有高經濟價值的超細粒狀物被混入細粒狀物，甚至是粗粒狀物中而僅能以低 價售出的問題，本發明的多階多管式旋風器裝置及分級收集粒狀物的方法可 有效將粒狀物依照粒徑分類，以提高經濟價值。雖然本發明已以優選實施例公開如上，然其並非用以限定本發明，任何 業內人士，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因 此本發明的保護範圍當視權利要求書所界定者為準。
權利要求
1.一種分級收集粒狀物的方法，其步驟包括使含有多個不同大小的粒狀物的氣流通過至少一第一階旋風器；通過該第一階旋風器收集一第一級粒狀物群組；使通過該第一階旋風器後的含有多個不同大小的粒狀物的該氣流，再通過至少一第二階旋風器；以及通過該第二階旋風器收集一第二級粒狀物群組；其中，該第一階旋風器以及該第二階旋風器內的氣壓在20託耳到760託耳之間。
2. 根據權利要求1所述的分級收集粒狀物的方法，其特徵在於，當該 第一階旋風器的數量為多個時，所述第一階旋風器彼此並聯設置，而該第二 階旋風器的數量為多個時，所述第二階旋風器彼此並聯設置。
3. 根據權利要求1所述的分級收集粒狀物的方法，其特徵在於，該第一 階旋風器與該第二階旋風器串聯設置。
4. 根據權利要求1所述的分級收集粒狀物的方法，其特徵在於，該第一 階旋風器以及第二階旋風器均為軸翼型旋風器，該軸翼型旋風器包括有一艙 體以及一旋風機構，該搶體包括有 一用於導入該氣流的氣流入口 、 一氣流出 口以及一內壁，該旋風機構位於該搶體內且介於該氣流入口與該氣流出口之 間，該旋風機構與該搶體的該內壁形成一通道，用以使氣流在通過該通道時 產生旋轉，該氣流中的粒狀物因而被賦予離心力，而撞擊該艙體的內壁。
5. 根據權利要求4所述的分級收集粒狀物的方法，其特徵在於，該旋風 機構包括有 一 圓柱體以及環繞該圓柱體軸心且設在該圓柱體上的 一螺旋型 導翼片，其中該通道為該螺旋型導翼片與鄰近該螺旋型導翼片的該搶體所定 義。
6. 根據權利要求5所述的分級收集粒狀物的方法，其特徵在於，該第一 階旋風器以及第二階旋風器分別具有一截取氣動直徑(dpa50),該氣動截取直 徑(dpa50)是以下列公式推算formula see original document page 2 其中，下標的i與j表示第i階第j個旋風器；^t為氣體粘度；N為導翼 片數目；W為導翼片的厚度；P為導翼片的間距；W為導翼片的旋轉團數；^ax及^iin分別為導翼片的外徑及內徑；2為氣體體積流率；(為 擬合常數；C為粒狀物滑溜校正係數。
7.根據權利要求6所述的分級收集粒狀物的方法，其中，該第i階第j個旋風器的滑溜係數"是以下列公式推算傘2.34 + 1.05 exp, 傘"、 V l 乂其中，dp為粒徑；A'"'為第i階第j個旋風器中氣體分子的自由平均路 徑長。
8.—種多階多管式旋風器裝置，包括有至少一第一階旋風器，包括有至少一導翼片以及一截取氣動直徑 力。so，U,該導翼片設在該第一階旋風器中；以及至少一第二階旋風器，包括有至少一導翼片以及一截取氣動直徑"/^0，2，7',該導翼片設在該第二階旋風器中；其中，該第一階旋風器與該第二階旋風器互相串聯，該截取氣動直徑"P"5"1"'以下列方程式計算求得化ax,W -麼W J2 - NW 'J2 ln 28朋w化.a，/二wN ，^，乂.其中，下標的1與j表示第1階第j個旋風器；^為氣體粘度；N為導 翼片數目；W為導翼片的厚度；P為導翼片的間距；w為導翼片的旋轉圈數；""^及^^分別為導翼片的外徑及內徑；^為氣體體積流率；^為擬合常數；C為粒狀物滑溜校正係數；而該截取氣動直徑"戸5。，2，7以下列方程式計算求得下標的2與j表示第2階第j個旋風器；p為氣體粘度；N為導翼片數目； W為導翼片的厚度；P為導翼片的間距；"為導翼片的旋轉圏數；"maxl^in分別為導翼片的外徑及內徑；2為氣體體積流率；^為擬合常數；C為粒狀物滑溜校正係數。
9. 根據權利要求8所述的多階多管式旋風器裝置，其特徵在於，當該第 一階旋風器的數量為多個時，所述第一階旋風器彼此並聯設置，而該第二階 旋風器的數量為多個時，所述第二階旋風器彼此並聯設置。
10. 根據權利要求8所述的多階多管式旋風器裝置，其特徵在於，該第 一階旋風器以及第二階旋風器均為軸翼型旋風，該軸翼型旋風器包括有一艙 體以及一旋風機構，該搶體包括有一用於導入該氣流的氣流入口、 一氣流出 口以及一 內壁，該旋風機構位於該艙體內且介於該氣流入口與該氣流出口之 間，該旋風機構與該搶體的該內壁形成一通道，用以使氣流在通過該通道時 產生旋轉，該氣流中的粒狀物因而被賦予離心力，而撞擊該艙體的內壁。
11. 根據權利要求8所述的多階多管式旋風器裝置，其特徵在於，該旋 風機構包括有一 圓柱體以及環繞該圓柱體軸心且設在該圓柱體上的一螺旋 型導翼片，其中該通道為該螺旋型導翼片與鄰近該螺旋型導翼片的該搶體所 定義。
全文摘要
一種多階多管式旋風器裝置及分級收集粒狀物的方法，分級收集粒狀物的方法的步驟包括使含有多個不同大小的粒狀物的氣流通過多階多管式旋風器裝置中的至少一第一階旋風器，並通過第一階旋風器收集第一級粒狀物群組，再使氣流通過多階多管式旋風器裝置中的至少一第二階旋風器，並通過第二階旋風器收集第二級粒狀物群組，其中，多階多管式旋風器裝置內的氣壓在20託耳到760託耳之間，且第一階旋風器包括有截取氣動直徑dpa50，1，j，而第二階旋風器包括有截取氣動直徑dpa50，2，j，並且第一階旋風器與第二階旋風器互相串聯。
文檔編號B04C5/08GK101125314SQ200610115550
公開日2008年2月20日 申請日期2006年8月18日 優先權日2006年8月18日
發明者徐玉杜, 簡弘民 申請人:財團法人工業技術研究院