（机械工程专业论文）微细散状物料干式选净工艺及设备.pdf

中文提要 散状微细物料选净技术是近年来刚刚发展起来的新技术。多年来选净问 题一直未能很好解决，混杂在物料中的同质微细颗粒严重影响下游产品的质 量，而传统筛分方法无法实现完全粒度分级( 纯净度均在1 0 以上) ：本文 利用层流沉降原理，结合振动理论，着重从紊流散聚假性粗颗粒为突破口， 针对工业应用，研制开发了一种紊流迷宫式散聚器，并以此为技术核心，研 究设计了一种干式选净机，较有效地解决了微卷级颗担由于颗粒间非选择性 ，_ _ _ _ _ _ - _ _ _ 一。_ 。_ 1 一一 聚团一假性粗颗粒，这一多年困扰粉体工程领域的难题。针对不同的物料 和工程要求，选净纯净度可达到l 一o - 2 。 f 催化剂是石油化工必须的生产辅料，其分级粒度限下率组成直接影响到 下游石化产品生产的顺利进行。美国垄断产品f t 系列催化剂30 u i n 以下含量 约为5 ，20l l m 以下仍有余存。采用干式选净技术处理后的国内同类产品 30 i _ l m 以下含量仅为3 0 ，2 0 n m 以下含量达到o ，达到并超过国际先进水平， 不仅成为国内垄断产品，而且动摇了美国对该产品的国际垄断地位，远销国 外出口龟4 汇。 矿砂类产品是精密铸造、高档砂轮及炭化硅产品的主要原料，其粒度组 成是关系产品质量的重要因素。某出口精密铸造用莫来石砂企业，因产品中 0 i m m 以下含量较高，不能达到外商最终产品要求，只能作为初级产品出口， 售价仅为达标价格的3o 。采用干式高纯选净技术后，0 i m m 以下含量由原 来的1 达到目前的0 20 0 0 ，高于外商0 3 的要求，直接以最终产品出口创 汇，企业效益大幅提高。成为国内垄断产品，同时提高了国际市场的竞争力。 实践证明，采用本研究项目发明的紊流高速碰撞散聚器后，很好的解 决了假性粗颗粒难题，使假性粗颗粒充分散聚，将干式选净技术一跃走在世 界前沿，产品t i # - 能指标均达到国际先进水平。通过在化工、型砂等行业的不 同工业规模和不同工艺( 开路、闭路) 条件下的工业应用，取得了很好的技 术、经济效果，为物料干式选净提供了一种新的工艺方法，同时也提出了对 应于选别的新概念选；争。广、 、，、 关键词：邀鱼堑盘。土盎蟛三董主垒查 a b s t r a c t t h eb u l kf i n em a t e r i a lp u r i l y i n gc l e a n i n gt e c h n o l o g yi s an e wt e c h n o l o g yt h a th a sb e e n d e v e l o p e dr e c e n t l y 1 1 1 ep r o b l e mt h a tt h em i c r o s i z e dp a r t i c l e sh a v es a m ep r o p e r t yi n t e r s p e r s e di n t h em a t e r i a ls e r i o u s l yi m p a c t e do dt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c td o w n s t r e a mh a sb e e nn o ts o l v e df o r m a n yy e a r s ，b u t t h ef u l l s i z ec l a s s i f i c a t i o n ( p u r i t yg r e a tt h a n 10 ) c a n n o tb er e a l i z e d b yt h e t r a d i t i o n a ls c r e e n i n gm e t h o d s t u d i e do nt h et u r b u l e n tf l o wd i s p e r s e c o l l e c tf a l s ec o a r s ep a r t i c l e s a n df o rt h ep u r p o s eo fi n d u s t r i a lu t i l i z a t i o nt h et u r b u l e n tf l o wl a b y r i n t hd i s p e r s e - c o l l e c td e v i c ei s d e v e l o p e db a s e d0 n t h el a m i n a rf l o ws e t t l e m e n ta n dv i b r a t i n gp r i n c i p l e s w i t ht h i st e c h n o l o g ya sa c o r e ，ad r yc l e a n i n gm a c h i n ew a sd e v e l o p e d ，a n dt h ep r o b l e mo fn o n s e l e c t i v ea g g r e g a t e f a l s e c o a r s ep a r t i c l e sp r o d u c e db e t w e e nt h em i c r o s i z e dp a r t i c l e st h a tp r e s e n t e di np o w d e re n g i n e e r i n g h a sb e e ns o l v e d i nv i e wo fv a r i o u sm a t e r i a l sa n d e n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t ，t h ec l e a n i n gp u r i t yc a n b er e a c h e dt o1 一0 2 o t h ec a t a l y s ti sa l la u x i l i a r ym a t e r i a ln e c e s s a r yu s e di np e t r o l e u mi n d u s t r y , t h ec o n t e n to ft h e u n d e r s i z er a t eh a v ed i r e c t l ye r i e c to nt h eo i l p r o d u c tp r o c e s s i n go f t h ed o w n s t r e a m t h ep a r t i c l e c o n t e n tw i t hs i z el e s st h a n3 0hmi sa b o u t5 ，a n ds o m eo f2 0umf o rt h ea m e r i c a n m o n o p o l yf t s e r i e sc a t a l y s tp r o d u c t s t h ec a t a l y s tp r o d u c e db yt h ec l e a n i n gt e c h n o l o g ya th o m eo n l yh a v e3 o o fp a r t i c l e sw i t hs i z el e s st h a n3 0 u m a n d t h e p a r t i c l e s w i t hs i z e l e s s t h a n2 0 u m i sz e r o t h eq u a l i t yo ft h ec a t a l y s tu pt ot h ew o r da d v a n c e dl e v e l ，b e c o m i n gam o n o p o l y p r o d u c t ，s h a k i n g t h em o n o p o l y p o s i t i o no f t h ea m e r i c a n p r o d u c t sa n d w e l ls o l dt oo v e r s e am a r k e t s t h ec o r u n d u mi sam a i nr a wm a t e r i a lu s e di np r o d u c t i o no f p r e c i s i o nc a s t i n g ，h i g hq u a l i t y g r i n d i n gw h e e la n ds i l i c o nc a r b i d e ，t h es i z ef r a c t i o ni s ak e yf a c t o rt h a t i m p a c to nt h ep r o d u c t q u a l i t y t h eo r es a n du s e df o rp r e c i s i o nc a s t i n gw i t hh i g h e rc o n t e n to fp a r t i c l es m a l lt h a n0 1m m ， d o n tm e e tt h eb u y e r sr e q u i r e m e n t ，f o rt h eq u a l i t yo ff i n a lp r o d u c t ，a n di ti so n l yb ee x p o r t e da sa p r i m a r yp r o d u c tw i t ht h ep r i c eo f3 0 o f t h en o r m a lp r i c e t h ep a r t i c l e ss m a l lt h a n0 1m mf r o m l d e c r e a s e dt ot h e0 2 s i n c et h eh i g hp u r i t yd r yc l e a n i n gt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dt h e q u a l i t y o f t h ep r o d u c ti sb e t t e rt h a nt h er e q u i r e m e n to fo 3 o f f e r e db yo v e r s e ab u y e r s 。a n di ti se x p o r t e d a saf i n a l p r o d u c tt o e a r ne x c h a n g ea n di n c r e a s i n gt h ee c o n o m i cr e s u l to ft h e e n t e r p r i s e t h i s p r o d u c t i sb e c o m i n ga m o n o p o l yp r o d u c t a th o m ea n da c o m p e t i t i v ep r o d u c ti nt h ew o r l d m a r k e t s t h ep r a c t i c ep r o v e dt h a tt h ep r o b l e mo ff a l s ec o a r s ep a r t i c l e sw a ss o l v e ds i n c et h et u r b u l e n t f l o wh i g hs p e e dc o l l i s i o nd i s p e r s e - c o l l e c td e v i c ei su s e d t h i st e c h n o l o g ym a k i n gt h ef a l s ec o a r s e p a r t i c l e sd i s p e r s e da n dc o l l e c t e ds u f f i c i e n t l y t h ed r yp u r i f y i n gc l e a n i n gt e c h n o l o g yh a sb e e na a d v a n c e dt e c h n o l o g yi nt h ew o r l d t h et o t a l s p e c i f i c a t i o no ft h ep r o d u c tu pt ot h el e v e lo ft h e i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d ，t h r o u g h t h e a p p l i c a t i o n i nt h es e c t o r so fc h e m i c a la n d c a s t i n g s a n d e n g i n e e r i n ga n dd i f f e r e n ts c a l e dp r o d u c t i o na n dp r o c e s sc o n d i t i o n s ( o p e nc i r c u i ta n dc l o s ec i r c u i t ) ， t h i st e c h n o l o g y p r o d u c eg o o dt e c h n i c a la n de c o n o m i cr e s u l t s ，c r e a t ean e w p r o c e s sm e t h o df o rd r y c l e a n i n g ，m e a n w h i l e ，t h en e wc o n c e p to fp u r i f y i n gc l e a n i n gt h a tc o r r e s p o n d i n gt ot h es e p a r a t i o ni s p r o v i d e d k e y w o r d s ：m i c r o s i z e dm a t e r i a ld r yc l e a n i n g p u r i f y i n gc l e a n i n gt e c h n o l o g ye q u i p m e n t 4 第一章绪论 一、粉体工程状况 近几十年以来，随着高、精、尖技术的普及和发展，粉体_ t - 茬i 学( 颗粒 学) 作为一个新兴的专门体系的学科应运而生，迄今仅有50 余年的历史。 当代高新技术的发展对工程材料的性能提出越来越高的要求：粒度微细化、 粒度分布均匀化、颗粒形状特定化、粒度组成确定化、粒度分级纯净化、品 质高纯化、表面处理功能化等“1 。尤其是近年来我国粉体工业的迅猛发展及 颗粒技术在许多工业部门及国民经济领域的广泛应用，粉体加工技术在我国 已越来越引起人们的重视。 所谓粉体可定义为固体颗粒的集合体。但很显然，将岩石那样大的颗粒 的堆积状态称为粉体是很不恰当的。英国标准规定：组成颗粒在10 0 0 微米 以下者为粉体( p o w d e r ) ，反之为粒体( p a r ti c l e ) ，两者统称为粉粒体或颗 粒体。但是，粉体生产过程中所处理的颗粒集合体包含大颗粒至小颗粒的广 阔范围，而且颗粒包括面粉、砂、金属粉等多种物质，造成粉体特性多种多 样。很明显，在粉体工艺过程中所发生的现象取决于这些粉体的物性”1 。粉 体工程学亦称颗粒学”3 ，是一门新兴的综合性技术科学。由于其跨学科、跨 技术的交叉性和基础理论的概括性，使得它既与若干基础科学相毗邻，又与 工程应用广泛联系，涉及领域可覆盖几乎所有工业部门【4 艺_ t - 、冶金、橡塑、 矿业、石油、食品、医药、能源、环境等 和相关农业，同时伴生出许多新 的学科和研究领域 粉体力学、粉体粒子化学，粉碎、分散、分级、选净、 捕集、造粒等 。随着技术的发展，产品性能要求的不断提高以及新型产品 的涌现，对微细物料的纯净度的要求愈来愈高。目前，微细物料在化工( 催 化剂、橡塑添加剂等) 、高级陶瓷原料、高精度铸造用砂( 莫来石) 、精细碳 化硅、高性能石英砂轮原料等，其选净度对下一级产品的性能影响很大，因 此对原料的粒度组成均有严格的要求。如各类催化剂的粒度组成与其聚合物 的粒度组成成_ f f - j ：g ；陶瓷的光洁度、透光性、柔韧性等与原料的细度成正比； 高精度不锈钢铸造用模具、高级陶瓷窑具的透气性、保温性、产品表面光滑 性等均与原料的粒度组成有很大关系；碳化硅产品其原料的细度直接影响成 品的强度、硬度和使用寿命；石英砂轮与碳化硅类同。上述各类情况，均要 求某一粒径以下含量不得超标，或某一粒径以下含量必须大于规定指标。比 吱o ： 聚丙烯催化剂( 聚烯烃类催化剂等) 要求3 0 “1 1 1 以下含量小于1 ，期望 值为零： 莫来石砂要求10 0 “m 以下含量小于0 2 ，期望值为零； 石英砂则要求l0 0 “i l l 一5 0 “1 1 1 为10 、50 “m 一10u m 为l o 、l0u m 以下 为5 ； 陶瓷泥料要求50 “m 以下大于8 5 ； 碳化硅要求1 0um 以下达到8 o 以上； 2o 世纪8 0 年代，随着世界范围内新技术、高技术的突飞猛进，新型材 料层出不穷。现代人类创造的超硬、超强、超导、超纯、超塑等材料，是科 学发展到了利用极端参数的阶段。要使材料达到极端状态，则往往要改变材 料的原有属性，而改变属性的方法之一就是使材料粒度细化至微细或超微细 状态后再行组合。显然，材料科学与工程领域高新技术的开发大大推动了颗 粒学的发展，丰富了颗粒学的内容，微细粉末技术逐渐发展起来，日趋成为 各国研究的重点。随着物质的超细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化， 产生了块状材料所不具有的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧 道效应，从而使微细粉末与常规颗粒材料相比具有一系列优异的物理、化学 性质。在精细化工和新材料领域中以粉末为原料的产品约占5o ，粉末原料 成本占总成本的3 0 一- 6o ；据统计美国杜邦 d u p o n t 公司19 8 5 年至1 9 9 2 年3 0 0 0 多种产品中6 2 是粉末或以粉末为基础的产品，其化学工业40 的增 值来源于粉末技术的进步“1 。伴随现代高技术和新材料产业，如微电子和信 息技术、高技术陶瓷和耐火材料、高聚物基复合材料、生物化工、航空航天、 新能源以及传统产业技术进步和资源综合利用及深加工等发展起来的粉体 工程技术，对现代高新技术产业的发展具有重要意义。微细粉体特别是超细 粉体由于粒度细、分布窄、质量均匀、缺陷少，因而具有比表面积大、表面 活性高、化学反应速度快、溶解度大、烧结温度低且烧结体强度高、填充补 强性能好等特性以及独特的电性、磁性、光学性能等，广泛应用于高技术陶 瓷、陶瓷釉料、微电子及信息材料、塑料、橡胶及复合材料填料、润滑剂及 高温润滑材料、精细磨料及研磨抛光剂、造纸填料及涂料、高级耐火材料及 保温隔热材料等高技术和新材料行业。 具有特殊功能( 电、磁、声、光、热、化学、力学、生物等) 的高技术 陶瓷是近20 年迅速发展的新材料，被称之为继金属材料和高分子材料后的 第三大材料。在制备它们时，原料越纯、粒度越细，高级陶瓷材料的烧成温 度越低，强度和韧性越好。一般要求原料的粒度小于1um ，如果原料的细度 达到纳米级，制备出的陶瓷称为纳米陶瓷，性能更加优异，是当今陶瓷材料 发展的最高境界。粒度细而均匀的釉料可使陶瓷制品釉面光滑平坦、光泽度 高、针孔少。一般高级陶瓷釉料的粒度要求尽量小于15 “m ，用作釉料的锆 英石粉的平均粒径为1 - 2um 。 显像管是现代微电子和信息产业的重要器件。显像管用的氧q t 4 9 粉平均 粒径一般要求为1 5u m 一5 5u m ；黑底石墨乳粒径小于1u m ；管颈石墨乳小 于4um ；销钉及锥体石墨乳小于1 0u m ； 复印粉和打印墨粉粒度小于4 4um ；高档纸张用的高岭土和碳酸钙涂料 要求细度一2 ”m 含量大于9 0 ；橡塑填料细度要求全部小于4 4 ”r f l ，且一2l im 含量达到4 0 以上： 高聚物基复合材料的重要组分是碳酸钙、高岭土、滑石、云母、硅灰石、 石英、氧化铝、氧化镁、透闪石、伊利石、硅藻土等。这些工业矿物填料的 重要质量指标是其粒度大小及粒度分布。在一定范围内，填料的粒度越细， 级配越好，其填充和补强性能越好。高性能的高聚物基复合材料一般要求无 机_ t - 业矿物填料的细度小于1o “m 。例如，低密度聚乙烯薄膜要求碳酸钙填 料的平均粒径为1 4 3 4 “m ，最大粒径小于l0 “m ；聚稀烃和聚氯乙烯热塑 性复合材料要求平均粒径为 - 4u m 的改性重质碳酸钙填料；平均粒径1 - 4 “m 的重质碳酸钙在聚丙稀、均聚物和共聚物中的填充量为2 0 o 6 - 一40 ，使制 品的弹性模量较单纯的聚合物还要高；平均粒径1 - 4 “i n 的重质碳酸钙不仅 可以降低刚性和柔性p v c 制品的生产成本，还可提高这些制品的冲击强度。 在美国，用作塑料填料的高岭土的平均粒径为：粗粒级2 - 3um ，中粒级 1 5 2 5um ，细粒级0 5 1 0 “【f l ；煅烧高岭土0 3 - 3ui n 。 高档涂料的着色颜料和体质颜料粒度越细、粒度分布越均匀，应用效果 越好。例如，作为白色颜料的金红色型t i 0 ：，考虑其光学性能，最合适的粒 径是0 2 - 0 4 “m ；具有电、磁、光、热、生物、防腐、防辐射、特种装饰等 功能的特种涂料，一般要求使用粒径微细、分布较窄的功能性颜料或填料， 如含玻璃微珠厚层涂膜的道路标志涂料，所用的玻璃微珠反射填料的平均粒 径为0 卜1 0um ：用作玻璃模具脱模剂的高温润滑涂料，其无机矿物填料石 墨、碳化硼等的平均粒径要求小于l0 “m 。 矿物原料的粒度大小和粒度分布直接影响耐火材料及保温隔热材料的 烧成温度、显微结构、机械强度和容重。对同一种原料，粒度越细烧成温度 越低、制品的机械强度越高。所以现代高档耐火材料一般选用粒径0 卜l 0 “1 1 1 的超细粉体作为原料。对于轻质隔热保温材料，如硅钙型硅酸钙，石英 粉原料的粒度越细，容重越小，质量越好。所以制备容重小于13 0 k g m 3 的超 轻硅钙型硅酸钙，要求石英粉的细度小于5 “1 1 1 。 精细磨料和研磨抛光剂，如碳化硅、金刚砂、石英、蛋白石、硅藻土等， 在某些应用领域要求其粒度小于10 “m 。用于制备研磨和抛光剂的硅藻土， 小于1o ”m 的颗粒占9 9 95 ，颗粒平均粒径5 7 “m 。 生化剂药业中，原料的细度与药品的生物活性和有效成分利用率成正 比。同时还可以将一些难溶或难以提取有效成分的药材加工成易溶、易于提 取有效成分或易于被人体吸收的速溶品或保健药品，从而大大提高药材，尤 其是传统中药材的有效成分利用率。目前，微细粉体技术已经在一些药品及 保健品，如花粉、人参、当归等加工中得到应用。 微细粉体技术因现代高技术新材料产业的崛起而发展，反过来又促进相 关高技术新材料产业的更大进步，以至在全球范围内，自20 世纪8 0 年代初 以来，各种微细粉体原料的需求量成快速增长。据统计，我国在2 0 世纪90 年代之前，非金属矿物微细粉体产品不足5 万吨，到19 9 6 年已超过3 0 万吨。 20 0 0 年达到50 万吨，预计到20 10 年将达到120 万吨以上”1 。 二、粉体工程研究回顾 虽然粉体工程出世较晚，但粉体作, _ l k - 去1 7 有着数千年以上悠久的传统实践 历史。其理论基础仍然是古老的选矿工程、运动学理论基础亦是流体力学， 这样其研究历史可追溯到1 8 世纪初，加之研究对象物理性能差异很大，因 此其研究完全是建立在实验基础之上，通过取得的大量实验数据，总结出对 应条件下的规律性结论。 物料分级的许多理论性试验，可追溯到19 世纪，但早在18 世纪初，牛 顿 n e w t o n l 既提出了球形体在介质中沉降其阻力与球体直径的平方成正比 ( r “) 一即所谓的阻力平方公式。l 8 世纪产业革命以后，选矿业随着 金属材料需求量的大幅增长和蒸汽机提供的动力，从原始的手工操作发展为 机械化，选矿理论研究才真正开展起来。1 85 1 年，英国物理学家斯托克斯 g g s t o k es 】对低速运动的细小球形颗粒，在忽略介质的惯性力条件下，球 形体在介质中沉降阻力大小与介质粘度、球体尺寸和相对速度有关，而与介 质密度无关的理论( r = 3 丌a v ) 一即粘性阻力公式。在雷诺数r e 7 5 7 5 1 0 1 1 1 0 1 01 0 o l1 ，o0 1 5 0 l 金属人气e 灰及朱氧化物、术朱燃 高温中悬燃炭粒燃炭粒及炭粒 升华浮的液珠等混 后冷液珠合后发生 却凝化学作川 结 表二：矿物采选加工业颗粒分类表“o 【粒径( um )+ 5o o 50 0 一一7 57 5 - - 10lo o 10 1 粒级粗粒中细粒细粒 亚超细粒超细粒 传统破碎磨矿与矿物解离矿物粒度深加工 l 加工方法 破碎粗磨细磨超细粉碎胶体级微粉碎 i 测量手段肉眼放大镜、显微镜电子显微镜 大晶体粗粒矿物细粒矿物优质填料、涂胶体级材料， 颗粒矿解离，细解离，一料，矿蝴颓高性能涂料， 物解离，砂填料。般粉料、料，填充料，蔽糌，、 l a 料， 无机复泡沫分填料、颗化工陶瓷材矽物粘a 灸杳右 应用范围合材料选，表层粒增强材料，悬浮体材料。离子沉淀 骨架。重分选，煤料及化工料。载体浮浮选，溶剂吸 选泥浮选制品原选，选择性絮附法，电渗析 料。泡沫凝，油团聚， 浮选剪切絮凝 此外还有飘尘、降尘划分。一般而言 1 0 “m 者经重力作用很快沉降，称为降尘； 按颗粒大小，其对应光线波长、粒径分析方法、分级方法和沉降规律如 袁三： 二、颗粒几何特性 颗粒体是占据一定空间的实体。由于其外部形态的随机性，为全面、准 确、详尽地对其表述，多年来粉体工程学对颗粒几何特性不断地细化和补充。 一般情况主要包括颗粒大小、颗粒形状、颗粒表面积等，而其中颗粒的大小 最为重要。颗粒物料的粒度及其分布特性，在很大程度上决定着颗粒加工工 艺性质和效率的高低，是选择和评价设备以及进行过程控制的基本依据，是 物料应用的重要性能指标。 1 颗粒大小：常用表征颗粒大小的指标为粒径、粒度和粒度分布。 裹三” 0 0 0 10 0 l0 1ll0 0 010 0 0um 波长 协篓 x 线紫外线可见光红外线 电子显微镜光学显微镜电磁波 妻羹 离心力 重力沉降 冲洗 沉降 筛分 筛分 沉降 层流沉降过渡区紊流沉降 c u m i n g 规律布朗运动s t o k esa n e nn e w f o n h a n 修正区 修正区修正区修正区 飘尘降尘 ( 1 ) 粒径( p a r t i c l ed l a m e t e r ) ：用于单颗粒一维几何性质的描述， 以表示颗粒的大小。球形颗粒的直径即为粒径；但实际粉体的颗粒是形状不 一的非球形颗粒。为准确的量度它，人们采用了许多方法，利用三轴径来计 算非球形颗粒粒径即是一种。此外还有投影径、球当量径等。 三轴径：将颗粒放置于每边均与其相切的长方体中，长方体长i 、宽b 、 高h 称为颗粒三轴径。由三轴径计算的各种平均径及其物理意义如表四所示。 表四：颗粒的轴径“ 序号名称符号计算式物理意义 平面图形算数平 l 二轴平均径盔( ，+ 功2 均值 立体图形算数平 2 三轴平均径匝( + 6 枷3 均值 三轴调和平均 3与外切长方体比 3 d 。 111 表面积相同的球 径 一j + ，bh 体直径 二轴几何平均平面图形几何平 4 西万 径 均 三轴几何平均 与外切长方体体 5 d ：g i b h积相同的立方体 径 边长 三轴等表面积2 舾+ 2 b h + 2 l h 与外切长方体表 6 d i 面积相同的立方 平均径 1 6 体的边长 投影径：为便于显微镜- f i 贝 j 量微细颗粒，在颗粒以最大稳定度( 中心最 低) 在平面上的投影为依据确定颗粒的大小。有关定义等见表五。 表五：颗粒的投影径“ 名称符号计算式物理意义 f e r e t 径dp 与颗粒投影相切的两条平行线间的距离 m ar t if i 径巩 一定方向将投影面积两等份处的等分线长 投影面积径z4 4 a 厅与投影面积相等的圆直径 投影周长径 d ，l | 与投影周长相等的圆直径 球当量径：利用和颗粒具有相同参量的球体直径来表示颗粒的大小。各 当量径列于表六。 表六：颗粒的球当量径“ 名称符号计算式物理意义 体积径d ，3 y e与颗粒体积相同的球体直径 表面积径匠4 s 口与颗粒表面积相同球体直径 比表面径巩，d ：d ： 粘度相同、速度一致下，具 阻力径凶艮如f r = 巾u 2 d ；o 有相同运动阻力的球体直径 同密度、同粘度流体中同密 自由沉降径d f 圹j 警 度球体具有相同沉降速度的 直径 斯托克斯径矾： ! ! ! 翌 层流区( r e 0 5 = 颗粒的自 、( p 。一p ) g由降落直径 注：斯托克斯径d “以球径等于d 。的球体在层流区内重力沉降速度与密度相同的颗粒重力沉降速度 相饰，即：r p 。一p j 耐2 ( 1 8 户v 。，由于物料密度远大于气体密度，简化得：d s = i 3 5 5 ( “v p ，) ”2 ：式中 a ：颗粒表面积；v ：颗粒体积；p 。：物料密度；p ：气体密度：u ：动力粘度： 此外还有筛分径( 颗粒可通过的最小方筛孔宽度) 、展开径( 通过颗粒 重心的平均弦长) 等。 ( 2 ) 粒度 p a r t i c le s i z e ：多颗粒系统中，颗粒的平均大小。它表 示所有颗粒大小的总体概念。同粒度一样也是颗粒一维几何性质的描述。 实际x - 作中，由于接触的不是单个颗粒，而是包含不同粒径的颗粒体， 既粒群。对其大小的描述，常用平均粒度概念。颗粒群可以认为是由许多个 颗度间隔不大的粒级构成。设由d ；至d ，的粒级内的颗粒个数为1 2 ，取d 。至 d ，的平均值d 代表该1 1 个颗粒的粒度，f 。为该粒级内粒度为d 的颗粒个数占 全部颗粒个数的分数；f 。为粒度d 的颗粒质量( 体积) 占全部颗粒的质量( 体 积) 分数。在测量颗粒个数足够多的前提下，平均粒度以个数为基准、以质 量( 体积) 为基准的计算表达式分别如下： 个数基准： d = ( en d 。矗d 4 ) “。一4 = ( d 。d 4 ) “一刖 质量( 体积) 基准：d = ( l d ”一j ) 1 邓1 实际应用中，两个系列的平均粒度计算式列于表七，此外还有定义函数 法计算平均粒度。 平均粒度”1 ：设颗粒群是由粒径d ，d ：，d 组成的集合体，其物理特性 f ( d ) 可表示为各粒径函数的和： f ( d ) = f ( d 1 ) + f ( d2 ) + f ( d3 ) + + f ( d 。) 若有一直径为d 组成均一假想球形颗粒群，并使，俐= 厂例，则d 为该 颗粒群的平均粒度，厂例称为定义函数( 安德列耶夫 ah 且pe eb 定义 函数) 。 上述定义说明，双方颗粒群如具有相同的物理性质，并且d 可求解，则 可求出平均粒度。对应的定义函数亦列于表七： 表七：粒群平均粒度 t 十 名称 什计算公式 定义函数对数正态分布公式| 号 个数基准质量基准 算敷平均粒度 口en d ene l h | ，n e in i d 、n dn xp ( 05 【n 口。) 长度平均粒度 o j 。eo d n d m d l ( m a qe6 n 一口o e x 口( 1 5 ln 口，) 面积平均粒度n en 叠 tn 者州i m a l6 月一e n d风e x p ( 25 ln 1 口) 体积平均粒度 d 。a o a d a l d mn x p ( 35 1n 口) 平均面积粒度 n( n d e m ”2( m a 1 e z j i d ) ”26 n d , o e x p ( 1n 。f j 平均体积粒度 口，( n d 7 ，f 日“( 州e ( m 付1 ) “n d 口x 0 【l5 l n ? 口) i 体积长度平均柱度d t ( 月一7 月西“1( 州 n l a ) “2月d 。毋x p ( 20 【n j 口j l 重量矩平均粒度 n( n 柚( m d ( m 口1 ) ”z i o e x p ( 2 0 1n7 口。) i 调和平均粒度 ne 月e ( n a 9 留。j e 【】6 n d n 口c x p ( 一0 5 lr l 口。) j 峰值柱度见。分布曲线最高频度点 l 中值( 中位) 粒度巩累计分布曲线中央值( 5 0 处) 此外，表七中亦列出了颗粒对数正态分布平均粒度计算公式 由于计算颗粒群平均粒度的公式和方法很多，对于同一粒群，不同公式 计算的平均粒度都不相同，给实际应用带来诸多不便。如何选择哪? 当颗粒 群一定，其物理性质即以确定，即，俐确定，那么，例也就确定了。一般 而言，对于数个有序颗粒群的比较，多采用算数( 个数) 平均粒度公式；按 雷廷智 p r r i t t i n g e r 】学说研究磨矿功耗时，采用调和平均粒度计算；而 按基克功耗理论研究粉碎能耗时，要采用几何平均粒度公式进行计算；研究 跳汰理论时，根据牛顿一雷廷智( n e w t o n r i t t i n g e r ) 沉降规律，应采用体 积( 重量) 平均粒度公式；研究水煤浆粒度级配、化工用催化剂等，亦应采 用体积( 重量) 平均粒度公式；而研究水煤浆添加剂时，则采用面积平均粒 度公式：同理，在研究矿物表面改性、微细粒团聚等现象时，要采用面积平 均粒度公式。 ( 3 ) 粒度分布( p a r t i c l es i z e d is tr i b u t i o n ) ：利用简单的表格、绘 图和函数形式等来表示颗粒群粒径的分布状态。 粒群的平均粒度是表征颗粒体系的重要几何参数，但其提供的粒度特性 信息则非常有限。应为两个平均粒度相同的粒群，完全可能有极不一样的粒 度组成，此外现代科学技术要求掌握越来越精确的粒度特性，才能正确评价 技术效果和分析生产过程。而粒度分布是描述粒度特性最好的方法，它反映 了粒群中各种颗粒大小及对应的数量关系。完整地表示颗粒群体粒度分布需 要有两个量，即颗粒的特征尺寸( 颗粒的线性尺寸、面积、体积) 和它的总 数量( 颗粒的个数、面积、体积和质量) ，分别称为粒度变量和总体数量。 用显微镜法及计数器法( 如激光粒度分析仪) ，获得的是个数分布数据。用 筛分法和沉降法等，则获得质量分布数据。常用的粒度分布有频率分布和累 计分布。频率分布表示各个粒径相对应的颗粒百分含量( 微分型) ；累计分 布表示小于( 或大于) 某粒径的颗粒占全部颗粒的百分含量与该粒径的关系 ( 积分型) 。对粒度分布最精确的描述是数学函数，即利用概率理论或近似 函数的经验法来寻找数学函数。用分布函数不但可表示粒度的分布状态，而 且，还可以用解析法求解各种平均径、比表面积、单位质量的颗粒数等粉体 特性。此外，在实际测定时，还能减少决定分布所需的测定次数。 a ：颗粒数频率( 微分) 分布”1 粒度分布方程：如果用6 代表群体粒径的可变量，则出现频率函数厂r 6 ， 表示颗粒大小分布曲线。令颗粒数分布曲线为d f = f r 6 ，d 6 成立的条件是： f ( 8 ) a 5 = 1 b ：重量频率”( 微分) 分布”l 令d 。( 6 ) 是颗粒在间隔( 6 ，6 + d6 ) 里的重量，则d 。( 6 ) = 占r 6 ，d6 成立的条件是：k ( j ) 布= 1 此外，还有体积频率、指数分布、质量分布等微分分布。 c ：颗粒数残留积分( 颗粒数筛余累计曲线) r n ( 8 ) = f ( 8 ) d 3 j i9 d ：颗粒数通过积分( 颗粒数过筛累计曲线) 胁( d ) = f ( 占) d 很显然：r n ( 8 ) + d n ( 6 ) = f ( 8 ) d 8 + i f ( 6 ) d 8 = i ，( 6 ) d 艿= 1 此外，还有重量残留积分、重量通过积分等积分分布。 常用的粒度分布有正态分布、对数正态分布( 柯罗莫哥洛夫 k o l m o g r o v 分布) 、盖茨( g a u d i n ) 一高登( g a u d ir 1 ) 一舒兹曼( s h u z m a n ) 分布 简称g g s 分布】、罗辛( r o s i o i l ) 一拉姆勒( r a m m t e r ) 分布 简称r r s b 分布 等。关于 详尽的说明，请参见相关资料“7 “。 利用沉淀法制备的粉体，其个数分布基本符合正态分布，催化剂产品的 粒度分布完全符合正态分布；许多细磨产物，尤其是粉碎法制备的粉体、灰 尘、海滨砂粒等的粒度组成，都服从对数正态分布，工程中遇到的气溶胶( 悬 浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散体系) 颗粒分布很接近 对数正态分布：颚式破碎机、圆锥破碎机、辊式破碎机和棒磨机细粒级产物 的粒度分布符合g g s 分布，球磨机产物近似符合，但对于大多数物料仅适于 中部粒度区间，当粒度接近0 或x 时，误差较大；多数破碎、磨碎产物的 粗度分布都服从r r s b 分布，而对于煤炭、石灰石、水泥等脆性物料经各种 破碎、磨碎设备处理后的产物则更服从r r s b 分布，莫来石砂则完全符合r r s b 分布，重介质选煤工艺用磁铁矿粉( f e ，0 。) 也完全符合r r s b 分布； 2 、颗粒形状：颗粒的轮廓边界或表面上各点的图像。 颗粒的形状对颗粒群的许多性质都有影响，如比表面积、流动性、磁性、 固着力、增强性、填充性、研磨特性和化学活性、介质中的运动速度、滤饼 的空隙率、比阻大小等。对其加工产物的用途和价值有直接的关系，为了使 产品的某些性质优良，一些工业产品对颗粒形状的要求列于表八。 表八：工业产品对颗粒形状的要求 序号产品种类对性质的要求对颗粒形状要求 l 涂料、墨水、化妆品固着力强、反光效果强片状 2 橡胶填料增强型和耐磨性非长形状 3 塑料填料高冲击强度长形状 4 炸药引爆物稳定性光滑球形 5 洗涤剂和食品工业流动性球形颗粒 6磨料 研磨性多角状 i 7 莫来石砂整体强度正立方形 l 8催化荆活性 粗糙球形i 由于颗粒形状千差万别，准确描述还很困难。一般有两类：语言术语和 数学语言。用数学语言描述颗粒的几何形状，除特殊场合需要三种数据以外， 一般需要两种数据及其组合。通常使用的数据包括三轴方向颗粒大小的代表 值，二维图像投影的轮廓曲线，以及表面积和体积等立体几何各有关数据。 习惯上将颗粒大小的各种无因次组合称为形状指数( s h a p ci n d e x ) ，立体几 何各变量的关系则定义为形状系数( s h a p ef a c t o r ) 表九列出了一些描述 颗粒形状的术语，尽管某些术语并不能精确地表述，但仍可形象地大致反映 颗粒形状的某些特征，工程中仍被广泛应用。 表九：颗粒形状术语 i 球形s d h e r i c a l粒状0 r a n u l a r j 立方体c u b ic 8 l棒状r o d l i k e i 片状 p l a t y ( d is g s ) 针状n e e d l e li k e ( i c i c u l ar ) j 柱状p r is m o i d a l纤维状f ib r o u s i 鳞状f l a k y树枝状b e n d r i t i c j 海绵状s p o n g e聚集体a 9 1 0 m e l a t e 块状b 1 0 c k y申空t t 0 1 1 0 w 尖角状 s h a r p粗糙r o u g h 圆角状r o u n d光滑s m o o t h 多孔状 p o r 0 1 1 s毛绒状 f 1 u f f y ( n a p p y ) 数学定量分析有很多方法，但常用的主要是形状系数和形状指数”6 ”1 。 形状系数：设颗粒直径为d 、体积为v 、表面积为s ，形状系数计算式为： 表面积形状系数矽，书 体积形状系数矽，= v d 比表面积形状系数妒，。= 妒，妒。 形状指数”1 ：用数学表达式来描述颗粒外形特征的方法。 威德尔( w a d e l l ) 球形度山。： q ) 。= 与颗粒等体积的球的表面积颗粒的表面积 扁平度m ：m = 短径厚度 仲长度n ：n = 长径短径 粗糙度p ：p = 颗粒实际表面积外观视为光滑时颗粒表面积 或：p = 吸附法测得的比表面积渗透法测得的比表面积 一些材料球形度中。的测量值见表十“。 表十1 部分材料球形度中。的测量值 名称山。名称山。 钨粉 o 8 5煤尘o 6 0 6 糖0 8 4 8水泥o 5 7 烟尘( 圆形类) o 8 2 玻璃尘( 有棱角) o 52 6 i 钾盐 0 7o软木颗粒o 50 5 砂( 圆形类) o 7o云目尘粒o 10 8 l 可可粉 0 60 6 以上仅简单地回顾和论述了有关颗粒集合体的一些常用概念及性质，对 以后章节具有指导意义，是颗粒体的干式选净的基础性知识。有关更详尽的 论述和理论分析参见参考文献。 第三章层流选净 一、概述 随着世界范围内新技术、高技术的突飞猛进，新型材料层出不穷。现在 人类创造的超硬、超强、超导、超纯、超塑等材料，是科学发展到了利用极 端参数的阶段。要使材料达到极端状态，对前端原料的