TWI293034B - Multi-stage, multi-tube cyclone device and method for classifying and collecting nano-particles - Google Patents
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Description
1293034 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 ' 本發明係有關於一種多階多管式旋風器裝置及分級 收集粒狀物之方法。 【先前技術】 奈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 提升產業層次與競爭力，並創造高附加價值，係為我國高 籲科技工業下一波的主力，然而，在粒狀物生產的過程中， 這種奈米級的微小物無法以一般的粒狀物處理機制收集， 因此，本案之發明人先前於中華民國92年10月9日提出 「使用旋風器收集奈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， β 而僅能以抵價售出，以習知的旋風器為例，習知的旋風器 僅能收集10 //m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。 【發明内容】 為了改善上述缺點，本發明係提供一種多階多管式旋 風器裝置及分級收集粒狀物之方法。 多階多管式旋風器裝置包括至少一第一階旋風器以 . . ^ ' 0956-A21638TWF(N2)：P55950014TW；sherrytsai . _ 1293034 及至少一第二階旋風器，第一階旋風器包括有戴取氣動直 徑6^5。，1，）’弟^階旋風斋包括有截取氣動直和a 1 工 PaSO^j 5 JL 中，，一階旋風器與第二階旋風器互相串聯，而戴取氣動 直徑^5。；以下列方程式計算求得： * d ^50,1,7
Me /)2(pw-N] 上式之下標的1與j係表示第丨階第“固旋風器； 為氣體黏度，N為導翼片數目； |φ；為導翼片的产声. Ρ為導翼片的間距；《為導翼片的旋轉圈數';^^及12分 別為導翼片的外徑及内徑；ρ係為氣體體積流率卜 < 為 擬合常数;c為粒狀物滑溜校正係數；… 而截取氣動直徑^5。，2，）以下列方程式計算求得· ^ ； .、上式之下標的2與j係表示第2階第』個旋風器; 义為氣體黏度；N為導翼片數目；冰為導翼片的厚度； p為導翼片的間距卜，為導翼片的旋轉圈數；r麵及^^ 別為，翼片的外徑及内徑；⑽為氣體體積流率；（為 换合常數；C為粒狀物滑溜校正係數。. 而分級收集粒狀物之方法’其步驟包括：使含有複 數不同大小_狀物之氣流通過至少—第—階旋風器；透 過該第一階旋風器收集-第—級粒狀物群組;使通過該第 -階旋風器後之含有《不同大小的粒狀物之該氣流，再 d
Pa50,2j 〇956-A21638TWF(N2)；P55950014TW；sherrytsai 的、特徵和優點能更明 ，並配合所附圖示，作
而δ亥寺弟—階風裔12亦互相亚聯，且該等第 器11以及第二階旋風器12互相對應並且串聯 係收集粒狀物的分級模廠設計，含有複數不同大小的粒狀 1293034 通過至少-第二階旋風器；透過該第二階旋風器收集一第 :級粒狀物群組，其中，第—階旋風器以及第二階旋風器 内之氣壓在20托耳到760托耳之間。 為了讓本發明之上述和其他目 顯易懂，下文特別舉出較佳實施例 詳細說明如下。 【實施方式】 請參閱第1、8圖，本發明之分級收集粒狀物之方法， 其步驟為a·使含有複數不同大小的粒狀物之氣流通過至 ，一第一階旋風器11 ; b·透過該第一階旋風器收隼一 第一級粒狀物群組；c.使通過該第一階旋風器丨丨後二含 有複數不同大小的粒狀物之該氣流，再通過至少一第二^ ^器12; d.透過該第二階旋風器12收集—第：級^ 物群組，其中’第一階旋風器u以及第二階旋風器12内 之氣壓在20托耳到760托耳之間。請續參閱第1圖，廣注 意的是，本發明之多階多管式旋風器裝置1〇係於中度真 空(20torr)至常壓（760t〇rr)的條件下作用，多階多管 風器裝置10包括有複數第一階旋風器丨i以及複數^二 階旋風器12，其中，該等第一階旋風器u互相並聯， 一階旋風 ’第1圖 物之氣流先經由進料機20傳送到傳統旋風器a令，透過 俸統旋風機21收集最大粒徑的粒狀物，該氣流再流到多 0956-A21638TWF(N2)；P55950014TW；sherrytsai 1293034 :多中器裝置1〇中’流入多階多管式旋風器裝置 勺虱机會先通過複數第一階旋風器u，該一 先收集該氣流中較大徑粒的粒狀物(第-級 哭u l:且之後’该氣流接著會流入該等第二階旋風 弟；階旋風器12再收集較小經钇晴 狀階旋風器u中較大粒徑的粒 f「階旋風器12中較小粒徑的粒狀物(第二級粒狀物群 .、、_被㈣第：彳隱器23中，最後，流經多階多管式 =器裝置1G後的氣流會再通過過據器24以及鼓風機 』士中作取後處理。應注意的是’本發明之多階多管式旋風 裔U 10結合袋式集塵設備（未圖示）或其他收集設備以 協助收集粒狀物，本發明之多階多管式旋風器裝置10除 1結合袋^集塵設備外，還可結合濾袋屋(bag_house)、 ‘式過濾盗（bag-filter)、高效率微粒過濾器（HEpA filter) 以及靜電集塵器（electrostatic precipitat〇r)以協助收隼 =物1另’於氣流通過多階多管式旋風器裳置1〇之前: 可使吼k先通過T型三通管（未圓示），透過丁型三通管 先筛除過鳥徑超過1G仰以上的粒狀便當氣 過多階多管式旋風哭梦置1〇B 士 ^^,L通 的粒狀物。 衣置可直接收㈣脚下 2 '3 ® 5 η α^Μ 一階凝風益12皆為滅型旋風器，其包括有艙體⑴以 WMm il2 ill 0956-Α21638TWF(N2)；P559500l4TW；sherrytsai 1293034 入口⑴、氣流出口 114以及内壁n5，旋風機構⑴位 於該艙體1Π内且介於氣流入口 113與氣流出口 114之 間，旋風機構112與艙體ln之内壁115形成通道116 , 该通這116用以使氣流在通過通道U6時產生旋轉 凌中的粒狀物因而被賦予離心力，而撞擊艙體⑴之内 2 115，旋風機構112包括有圓柱體117以及環繞圓柱 粗117軸心且設於圓柱體117上之螺旋型導.置片， ，中，通道m 4螺旋型導翼片118與鄰近螺旋型導翼 m 8的搶體⑴戶斤定義，應注意的是，於本實施例中、， 乳流入口 U3被設於艙體1U之上部，而氣流出口 114 則設於旋風機構112下方且由艙體m之徑向方向延伸 出。 再請參閱第4圖’本圖係為第一階旋風 以及 二階旋風器12之另-實施例，其结構大致同上段所i =同處係在於本實施例之氣流人σ丨13a係設於搶體111 士部且氣流人π l13a之科方向係與艙體U1之切線 ’而氣流出σ 114a則购 由舶體111之徑向方向延伸出。 匕續請參閱第5圖，本圖係為第—階旋風器n以及第 -P白旋風器12之另-實施例，其結構大致同上段所述， 二，在於本實施例之氣流入D 113b係職 古，且虱流人π 113b之設計方向係與艙體ιη之切線 3 :相同，而氣流出口i⑽亦設於旋風機構112上^^^ 由舶體111之軸向方向延伸出。 〇956-A21638TWF(N2)；P55950014TW；sherrytsai 1293034 楚if ,忍的疋，本發明之旋風器（第一階旋風器11以及 ϋ钱器12)之結構與本案之發明人Μ於中華民國 月9日提出「使用旋風It收集奈米微粒的方法及 5又' 广風11的方法」的發明專利(申請案號為 092128213) 祖二,的旋風11構造係料同，不同處即在於本發明更提 :夕種方疋風态中的氣流入口及氣流出口的設計位置，如 i^i4：、5圖之設計，另外，由於本案之旋風器採多階多 官，设計，故旋風器中所適用之氣壓係在2〇托耳到76〇 托耳之間’與本案申請人所提出之前案的適用氣麼(在20 明顯不同’並且因為適用氣壓不同’故計算截取 就動直徑之理論方程式也跟著改變。 本表明之第一階旋風器U以及第二階旋風器八 別具有-截取氣動直徑(dpa50)，該氣動截取直 ）二 以下列公式推算: ^ ^ ^ ^ p 5G)係
max,z，7 d
In2 8气戌爲(1) 其中’下標的i與j係表示第丨階第j個旋風器；&為 氣體黏度；N為導翼片數目；w為導翼片的厚度;p為- ^片的間距^為導翼片的旋轉_ ; 4及^分別^ 4片的外徑及内徑H為氣體體積流率；（為擬合當 數，匸為粒狀物滑溜校正係數，使理論效率與文獻上〜 數據相符’而第i階第j個旋風器之滑溜係數义係以= ^^#^(Hinds, W.C., 1999, Aerosol Technology, 2nd Ed'' Wiley & SonsvInc.9 99.49.)： 0956-A21638TWF(N2)；P55950014IW；sherrytsai 10 1293034 〇υ=1 + Φ：ί2·34 + 1^ (2) i ; Λ,^f 1 J ^ 子勺自由千句路㈣，其值與氣體壓力成反比，斑氣體温 度成正比。 … 本叙明針對會產生含粒狀物的氣流之製程，設計出壓 力在中度真空(20torr)至常壓(蘭〇rr)的^ 狀物分級收集的裝置及方法，並進行實驗室的每验，其中， 第1階第」個旋風器的粒狀物之收集效率可由下公式計算而 得··
1 -exp(«)=1—exp〇693
ψΙ^) (3) 其中.，％广电，此為歸一化參數（nonndized par雲ter)，〜別= 8*104(nm_lpm)為粒狀物收隼效率$ i>^ 狀物粒徑；U.，y•為第i階第』個旋風器中之氣體流量；ζ. ，擬^常數，能使理論效率與文獻上的實驗數據相符。請 參閱第6圖，該圖顯示本發明之軸翼型旋風器對歸一化參 數=Φ,·，,β，;^)之粒狀物收集效率測試結果，由圖可看 出’當歸一化參數值為〜，5Q=8*104(nm_lpm)時，粒狀物收 集效率為1=0.5(即50%)，亦即若操作在適當之流量與壓 力下時，擷取粒徑大小可達l〇〇(nm)。 由上可知’收集效率^7z，j·與粒狀物之粒徑dp有一定的 關係’若粒狀物為敏雄、性(非多孔性)的，其粒徑办則藉由 BET比表面積分析方法來決定，圓球狀粒狀物之比表面積 0956-A21638TWF(N2)；P55950014TW；sherrytsai (4)1293034 S與粒徑dp之關係可由下式推出： n Nndp2
S 6 總質量二T = 一~~了 NPP~dp^ PPdp 6 其中，。為粒狀物之密度，第7圖係以粒狀物之密度 〜8 g/cm為例所製成的粒狀物粒徑办與比表面積$之 關係對照圖，舉例來說，當比表面積S被測出為10.3 m2/ 時’此時的粒徑為〇.l"m(即100nm)， 應注意的是，本實 鈿例利用bet比表面積作分析時，使用到過濾器（未圖 不）’而5亥過濾器所用的濾布之淨氣布比（m3/min/m2，·單位 滤布面積所流經單位時間廢氣量之比例）約為195，若 高粒f物收集效率I時，可將淨氣布比降至i或i以下。 ^粒狀物為其他形狀(偏離圓球狀），則比表面積S與 粒徑dp之關係需加入形狀修正因子（加以修正，其表示 式如下： < a $一轉表面積_ ^6ζ__ . ' 總質量 ppdp ⑺ 本發明之多階多管式旋風器袭置及分級收隼粒狀物之 方法可有效解決勘技射槪大量且有效的餘i勿依 狀物被混人細粒狀物，甚至是價值的超細粒 出的問題，本發 狀物之方法可有效將粒狀物依照粒八托 刀、及收亦才 值。^"刀頒，以提高經濟償 雖然本發明已以較佳實施例揭^ 构路如上，然其並非用以 0956-A21638TWF(N2) ； P55950014TW；sherrytsai 12 1293034 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
0956-A21638TWF(N2)；P55950014TW；sherrytsai 1293034 【圖式簡單說明】 第1圖係為本發明之收集粒狀物的分級模廠設計之示 意圖； 第2圖係為本發明之旋風器示意圖； 第3圖係為本發明之旋風機構示意圖； 第4圖係為本發明之旋風器之另一實施例的示意圖； 第5圖係為本發明之旋風器之另一實施例的示意圖； 第6圖係為應用本發明之多階多管式旋風器裝置收集 粒狀物對歸一化參數與收集放率之關係圖； 第7圖係當粒狀物之密度心=5.8 g/cm3時，粒狀物粒 徑dp與比表面積S之關係圖； 第8圖係為本發明之分級收集粒狀物之方法之流程 圖。 【主要元件符號說明】 本發明 10〜多階多管式旋風器裝置 11〜第一階旋風器 111〜艙體 112〜旋風機構 113、 113a、113b〜氣流入口 114、 114a、114b〜氣流出口 115〜内壁 116〜通遒 117〜圓柱體 0956-A21638TWF(N2)；P55950014TW；sherrytsai 1293034 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〜過滤《器 25〜鼓風機 dpa5。〜截取氣動直徑
0956-A21638TWF(N2)；P55950014TW；sherrytsai
Claims (1)
1293034 十、申請專利範圍： 1· 一種分級收集粒狀物之方 豆 使含有複數不同大小的/有： 階旋風H; 狀物之减通過至少一第一 透過該第一階旋風器收 ^ , 弟一級粒狀物群组； 使通過该弟一階旋風器後门 物之該氣流，再通過至少—第，二有:數不同大小綱 弟一)¾方疋風器；以及 透過該第二階旋風器收隼一 ： 廿山 ’、弟一、，及粒狀物群组； 其中，該第一階旋風器以、 在20托耳到托耳之間。及°亥弟一 P白方疋風器内之氣壓 、去，項所述之分級收集粒狀物之方 中’ ^相—階旋風器之數量為複數時，該等第- 階旋風器係彼此並聯設置，而兮筮挪 T ^ 批± 直而5亥弟二階旋風器之數量為複 數日守，該等第二階旋風器係彼此並聯設置。 乂 3.如申請專利範亂第1項所述之分級收集粒狀物之方 法〃中σ亥第1¾旋風斋與該第二階旋風器係串聯設置。 4·如申請專利範圍第」項所述之分級收集粒狀物之方 法，，中，該第一階旋風器以及第二階旋風器皆為軸翼型 方疋風器，該軸翼型旋風器包括有一艙體以及一旋風機構， 該艙體包括有一用於導入該氣流之氣流入口、一氣流出口 以及一内壁，該旋風機構位於該艙體内且介於該氣流入口 與該氣流出口之間，該旋風機耩與該艙體之該内壁形成一 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，而撞擊該驗體之内壁。 〇956-A2l638TWF(N2);P55950014TW；sherrytsai 16 1293034 、、5·如中凊專利範圍第4項所述之分級收集粒狀物之方 4去〃中’忒》疋風機構包括有一圓柱體以及環繞該圓柱體 二：設於:?圓柱體上之一螺旋型導翼片，其中該通道為 〜疋型導翼片與鄰近該螺旋型導翼片的該艙體所定義。 、〆6甘t申請翻範圍第5項所述之分《餘狀物之方 ，、中，該第—階旋風器以及第二階旋風哭分別且右 截取氣動直徑(dpa5G)，” 古〜 刀別具有一 推管. °亥轧動截取直徑（dpa5〇)係以下列公式 d Pa5Q，i,j W, ^UWiJ \2 In 2 、其中，下標的1旬係表示第丨階第」 ., 氣體黏度；N為導翼片數目；w 翼片的間距；（為導翼片的旋轉圈數;及r^ 翼片的外徑及内徑;1係為氣體體積流; 數；C為粒狀物滑溜校正係數。、β，《為擬合« 7·如申請專利範圍第6頂 —： 法，其中，該第i Ρ皆第j個旋嵐刀級收集粒狀物之方 公式推算：^^之滑溜係叫係以下列 Cij =1 + Λ dPu 2.34+ 1.05 exp -0.39 Φζ 其中，dp為粒控；\y為第丨 子的自由平均路徑長。/弟j個旋風器中氣體分 8·-種Μ多管式旋風器裝置，包括 至少-第-階旋風器，包括有至 置 夕蛤翼片以及一截 〇956-A2l638TWF(N2)；P55950014TW；sherrytsai 17 1293034 取氣動直徑“".，該導翼片設於該第_階旋風器中：以 及 ，少：第二階旋風器’包括有至少—導翼片以及一截 取氣動直禮，该導翼片設於該第二階旋風器中； 9"(rmax，lj - rmin，l，j·, 上其中，該第一階旋風器與該第二階旋風器互相串聯， 該戴取氣動直徑以下列方程式0求得: pa^XJ d _ Ϊ 8气· A,成，二，死』，八 其中，下軚的1與』係表示第1階第」個旋風器；/ 為氣體黏度，· N為導翼片數目；冰為導翼片的厚度，· 為導翼片的間距，· //為導翼片的旋轉圈數； 別為導翼片的外徑及内徑；2係為氣體體積流率;ϋ 擬合常數；C為粒狀物滑溜校正係數； d pa50,29j 而該截取氣動直徑心祝以以下列.方程式計算求得： _aax，2,厂’min」^2,7_ 8气A屈，; 中，下標的2與j係表示第2階第j個旋風器；“為氣， 黏度，N為導翼片數目；W為導翼片的厚度；p為& ^ 的間距；《為導翼片的旋轉圈數；rmaxArmin分別為導翼， 的外徑及内徑；J係為氣體體積流率；（為擬合常數^ C為粒狀物滑溜校正係數。 9·如申請專利範圍第8項所述之多階多管式旋風哭、 置’其中，當該第一階旋風器之數量為複數時，該等第二 階旋風器係彼此並聯設置，而該第二階旋風器之數‘ 0956-A21638TWF(N2)；P55950014TW；sherrytsai 18 1293034 數時，該等第二階旋風器係彼此並聯設置。 10. 如申請專利範圍第8項所述之多階多管式旋風器裝 置，其中，該第一階旋風器以及第二階旋風器皆為軸翼型 旋風，該軸翼型旋風器包括有一艙體以及一旋風機構，該 艙體包括有一用於導入該氣流之氣流入口、一氣流出口以 及一内壁，該旋風機構位於該艙體内且介於該氣流入口與 該氣流出口之間，該旋風機構與該艙體之該内壁形成一通 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，而撞擊該艙體之内壁。 11. 如申請專利範圍第8項所述之多階多管式旋風器裝 置，其中，該旋風機構包括有一圓柱體以及環繞該圓柱體 轴心且設於該圓柱體上之一螺旋型導翼片，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艙體所定義。 0956-A21638TWF(N2)；P55950014TW；sherrytsai
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