（化学工程专业论文）惯性淘析器内气固两相流动的数值模拟与实验研究.pdf

惯性淘析器内气固两相流动的数值模拟与实验研究 摘要 本文从理论模型、数值模拟和实验研究三个方面分析研究了惯性淘析器内气 固两相流动的特性。采用f l u e n t 6 2 模拟了淘析器内气相流场结构及固体颗粒 运动行为，得到了气相速度场、压力场分布及颗粒的运动轨迹，分析了影响分级 效率的结构因素，为抑制器内气体的不规则湍动和防止成品粒料溢出提供了理论 依据。以数值模拟结果为指导，设计制造了高效的b i e ( b o t m c e di n e r t i a e l u t r i a t o r ) 型淘析器实验设备，搭建新型惯性淘析器实验台，进行了相关流场测试与实验研 究。所作主要研究工作如下： 1 、对惯性淘析器内气固两相流动中的颗粒进行受力分析，探讨了各种作用 力对颗粒运动的影响程度。建立模型时，对气相场采用欧拉法，建立雷诺时均方 程组，为使方程组封闭，引入k - e 双方程模型；对固相运动的描述则采用基于拉 格朗日法的随机轨道模型。气固相的耦合问题采用四向耦合来处理，不仅考虑颗 粒和气相的相互影响，还考虑了颗粒之间及颗粒与壁面间的碰撞。 2 、在g a m b i t2 2 中建立了惯性淘析器的几何模型并对其划分网格，提出 了一种进行纵向分区划分混合网格的新方法。在f l u e n t6 2 中，用基于雷诺时 均方程法的标准k - s 模型对u g s 型淘析器湍流场进行了数值模拟。针对u g s 型淘析器各部分的改进需求设计了五个试验方案，并一一做出了模拟分析，这些 探索研究为新型淘析器的开发提供了思路。设计了b i e 型淘析器并对其流场进 行模拟验证，计算结果表明：连接加速段和渐扩口径的内筒，有效地消除了对流 段顶部环隙的短路流和死旋涡，避免了对冲气流的相互扰动；通过调整分离段长 度和直径，增大了气流对颗粒的剪切力，增加了粒料的停留时间；在淘析区，下 移进气位置并加入两层格栅后，该区域气流更加匀称规整，导流格栅的整流效果 明显，加强了气流对粒料的淘析作用。 3 、在气相流场模拟的基础上，用相问耦合的随机轨道模型对两种惯性淘析 器内的颗粒运动行为进行模拟，预测了不同粒径颗粒的运动轨迹，分析了颗粒在 器内的速度分布情况。通过对颗粒轨迹的分析，找到了设备结构对颗粒运动行为 的影响规律，b i e 型淘析器独特的内构件设计有效的提高了颗粒运动的可控性。 用基于颗粒追踪法的分级效率表征了两种淘析器在三种工况下的分级性能。 4 、测试了b i e 型淘析器内不同位置的轴向速度和静压分布，测试值与模拟 值吻合较好，数值模拟结果是可信的。以工业生产中的高压聚乙烯粒料为实验物 料，对u g s 型和b i e 型淘析器进行了分离性能的测试实验，分级效率的实验值与 模拟值基本一致，这说明用颗粒追踪法模拟计算分级效率是有意义的。实验结果 表明，b i e 型淘析器的综合分级效率 = l u g s 型高2 8 左右。 关键词惯性淘析器数值模拟f l u e n t 两相流 i i n u 匝r i c a ls i m u 【，a t l 0 na n de x p e r i m 匝n ts t u d y 0 fg a s s o l i df l o wi ni n e r t i ae l u t r 【a t o r a b s t r a c t t h eb e h a v i o r so fg a ss t r e a ma n ds o l i dd i s c r e t ep h a s eh a db e e ns t u d i e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e t h o d t h ec o m m e r c i a lc f ds o f t w a r e f l u e n t 6 2w a su s e dt os i m u l a t et h ef l o wf i e l di ni n e r t i ae l u t r i a t o r s t h ev e l o c i t y a n ds t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n so fg a sp h a s ew e r eo b t a i n e d ，w h i c hh a db e e nu s e dt o a n a l y z es t r u c t u r ef a c t o r sa f f e c t i n gc l a s s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yi no r d e rt or e s t r u c t u r ea n d i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ee q u i p m e n t b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ， h i 曲e f f i c i e n c yb i ee l u t r i a t o re q u i p m e n tw a sd e v e l o p e d t h em a i nw o r k s o f t h i ss t u d y i n c l u d e s ： 1 t h ei n f l u e n c eo fe a c hf o r c ea c to np a r t i c l e si ni n e r t i ae l u t r i a t o rw a sa n a l y z e d f o rg a ss t r e a m r e y n o l d s a v e r a g e dm o d e lb a s e do ne u l e rm e t h o dw a su s e da n dk 吨 m o d e lw a sa p p l i e dt of o r ma l g e b r a i cf i n i t ev o l u m ee q u a t i o n s f o rs o l i dp h a s e ， d i s c r e t ep h a s em o d e lb a s e do nl a g r a n g em e t h o dw a su s e dc o n s i d e r i n gc o u p l i n g b e t w e e ng a sa n ds o l i dp h a s e ，i nw h i c hi n t e r a c t i o nb e t w e e np a r t i c l e sa n dg a s ，a sw e l l a si n t e r a c t i o nb e t w e e np a r t i c l e sa n dw a l lw e r ec o n s i d e r e d 2 t h ep h y s i c a lm o d e lo fi n e r t i ae l u t r i a t o rw a se s t a b l i s h e da n dm e s h e di n g a m b i t 2 2 an e wm e t h o dt h a tg e n e r a t e dt h e 鲥dt h r o u g hr e a s o n a b l ec u t t i n gt h e f l o wf i e l dr e g i o nw a sp u tf o r w a r d t h es t a n d a r dk - rm o d e lp r o v i d e db yf l u e n t 6 2 w a ss e l e c t e dt os i m u l a t ef l o wf i e l di nu g sa n db i e t om e e tt 1 1 er e b u i i tr e q u e s to f e a c hp a r to fu g se l u t r i a t o r , f i v ep r o j e c t sw e r ed e s i g n e d , s i m u l a t e da n da n a l y z e d ， w h i c hp r o v i d en e wt h o u g h t st od e v e l o pn e wt y p ee l u t r i a t o r b i ee l u t r i a t o rw a s d e s i g n e d ，b a s e do nt h er e s u l to fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts t u d y i ti sf o u n dt h a t ： s h o r tc i r c u i ta n db a dv o r t e xi nt h et o po fc o n v e c t i o ns e c tw e r ee l i m i n a t e d ，d i s t u r b b e t w e e nm u t u a lf l o ww a sa v o i d e dt h r o u g hc o n n e c t i n gi n n e rc a n i s t e ro fa c c e l e r a t ea n d e x p a n ds e c t i o n ；s h a r es t r e s sa n ds t a yt i m eo fp a r t i c l e sw a si n c r e a s e di nt h en e w e l u t r i a t o r f l o wf i e l db e c a m em o r es y m m e t r ya sg a si n l e tw a sl o w e r e da n dt w ol a y e r s o f j a l o u s i ew a sa d d e d i ti sf o u n dt h a tj a l o u s i eh a d ad i s t i n c t n e s se f f e c to nf l o wf i e l d i i i 3 b a s e do nf l o wf i e l ds i m u l a t i o n ，m o v i n gb e h a v i o ro f p a r t i c l e si nt h et w oi n e r t i a e l u t r i a t o rw a ss i m u l a t e dw i md i s c r e t ep h a s em o d e l w h i c hp r e d i c t e dt r a c k so f p a r t i c l e s o fd i f f e r e n ts i z e s e q u i p m e n ts t r u c t u r ei n f l u e n c eo i lp a r t i c l ew a sf o u n dt h r o u g h a n a l y z i n gp a r t i c l ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o n t h ep a r t i c u l a ri n n e rp a r t si nb i ee l u t r i a t o r m a d et h ep a r t i c l em o v e m e n tm o r ec o n t r o l l a b l e s e p a r a t ep e r f o r m a n c ei nt h r e e o p e r a t i o nc o n d i t i o nw a st o k e nb yc l a s s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yb a s e do np a r t i c l et r a c i n g m e t h o d t h ec o m p a r e dr e s u l ts h o w e dt h a tc l a s s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yf o rp o l y e t h y l e n e p a r t i c l e si nb i ei s3 0p e r c e n th i g h e rt h a ni nu g s 4 u s i n gt h ei f a - 3 0 0a n du m o u l dp r e s s u r em e t e r , t h ef l o wf i e l da n ds t a t i c p r e s s u r ed i s t r i b u t i o nh a db e e nm e a s u r e di nd i f f e r e n ts e c t i o no fb i ee l u t r i a t o r t h e c o m p a r i s o no f t h ee x p e r i m e n td a t aa n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a ts i m u l a t i o ni s r e l i a b l e ，e x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tu s i n gi n d u s t r yp r o d u c tp o l y e t h y l e n ea n dt h e s e p a r a t i o na b i l i t yo f u g s a n db i ei st e s t e d t h ec o n s i s t e n te x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n r e s u l ts h o w e dt h a ti ti sr e a s o n a b l et oc a l c u l a t e s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yw i t hp a r t i c l e t r a c i n gm e t h o d b e s to p e r a t i o nc o n d i t i o ni sf o u n da f t e rr e p e t i t i o u se x p e r i m e n t s ，i n w h i c hi n t e g r a t es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi s2 8 h i g h e rt h a nu g s s k e yw o r d s ：i n e r t i ae l u t r i a t o r ；n u m e f i c ms i m u l a t i o n ；f l u e n t t w o - p h a s ef l o w i v 4 丑 c b c & d 以 易 d h d i v 口；d f + 1 e 昂 局 f f p f v f m f s 乃 i 厶 k l m m o p 日；p d 符号说明 分级后细粉质量；k g 分级后粗粉质量；k g 曳力系数； 单颗粒阻力系数： 粒径；i l l 切割粒径：n l 颗粒直径：m 水力直径；m 散度； 第i 个、第i + 1 个粒径区间的平均粒径；n l 法向速度分量的恢复； t e r r a 指数： 颗粒与流体之间的相互作用力；n 分级前粉体；k g 压力梯度力；n 虚假质量力：n m a g n u s 升力：n s a f f m a n 升力；n 剪切力；n 转动惯量：k g m 2 湍流涡尺度； 面流率： 湍动能；m s 2 分子自由程；m 分离后粉体中某成分的质量； k g 分离前粉体中某成分的质量； k g 任意面上两微元问的压力；d a 乩 坳 唯 坳 v n t ，| 2 l | ，v 1 2 矿 v r 圪 x ，x a ，轴 希腊字母 口口 p 8 | 球形颗粒半径；m 分级原料的累积筛余粒度分布： 颗粒雷诺数； 颗粒旋转雷诺数； 分级后粗粉中的累积筛余粒度分布： 和粒子有相同体积球体的表面积；m 2 方向上的颗粒位移；m 为粒子的实际表面积；m 2 转动合力矩；n m 时均速度； m s 脉动速度； m s 颗粒的终端沉降速度：r r d s 颗粒x 方向速度分量：m s 颗粒y 方向速度分量；m s 颗粒z 方向速度分量； i n s 颗粒碰壁前的法向速度；m s 颗粒碰壁前的切向速度：m s 固体颗粒速度；m s 颗粒速度相对于碰撞点表面的速度；m s 网格单元的体积；m 3 接触点的滑移速度；m l s 合格细颗粒的含量； 压力松弛因子 反弹角 颗粒碰壁前速度和壁面切向之间的夹角： r a d 删脚屯删。蹦s昂 坼 矿 磊 6 u ，6 y 西 y a 玎 t l o 1 1 p l l r g o v i 、v ， p 口 乃 r e l ，t e 2 ，t e 3 吒 砀 ，叫， c o p c k r o n e c k e rd e l t a 符号 切向变形度 分别为气相和固相瞬时速度脉动量； 耗散率； 形状因子 合格成分的收集率； 分离效率； 粗颗粒产率； 部分分级效率 湍流粘性系数 湍动粘度；p a s 静摩擦系数； 分别为颗粒前一时刻和本时刻的速度； m s 颗粒密度；k g m 3 固相颗粒响应时间； s 湍流涡团在雷诺应力三个正应力分量方向上涡团生存期 气相拉格朗日时间尺度； 颗粒的迟豫时间；8 颗粒的旋转角速度在圆柱坐标中的三个分量； r a d s 转动角速度；r a d s 颗粒球形度 惯性淘析器内气固两相流动的数值模拟与实验研究 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名： 本人承担一切相关责任。 日期：2 0 0 7 年4 月1 8 目 青岛科技大学研究生学位论文 刖吾 粉体工程这个名词是在二战后才出现的，实际上，人类对于粉体的研究早在 新石器时代就开始了。粉体从古至今一直与人类的生产生活有着十分密切的关 系，科学技术发展到近代，几乎所以的工业部门均涉及到粉粒体的处理过程。随 着知识的积累，在综合学科、边缘学科迅猛发展的大趋势下，人们对粉体的认识 也产生了升华。这就是将粉体看成是物质的一种特殊存在形式，把各行业在粉体 研究中的共性聚合在一起作为- i 1 单独的学科来进行研究，以指导各行业的产品 开发和技术进步，- i 1 新的学科一粉体工程学就由此诞生了。现在，粉体工程学 己发展成为一门跨学科、跨行业的综合性极强的技术科学，它的应用遍及材料、 冶金、化工、矿业、机械、建筑、食品、医药、能源、电子等诸多领域。 惯性淘析分级器是一种粉体分离设备，其工作原理是通过气流携带物料加 速，气流产生一个大角度转弯，大颗粒在惯性力作用下脱离主体气流，细微粉尘 随主体气流排出。本文研究的惯性淘析器是齐鲁石化高压聚乙烯包装系统用的 u g s 型淘析器，主要用于从颗粒产品中将微小品粒和纤维分离出来，例如，从纤 维粉末中将大粉尘析出，从散聚合物中排出漂浮物等。 目前，国内对惯性淘析器的理论研究较少，国外的相关报道也多是应用于工 程实践领域。淘析器内气固流动状态比较复杂，本文应用数值模拟结合实验研究 的方法，对该两相流场进行研究。建立了描述流场状况的数学模型，以期在惯性 淘析器理论模型上有所发展；通过数值模拟和实验研究，分析了造成u g s 型淘 析器分级效率低的结构因素和操作因素；基于以上研究结果，提出了一系列改进 措施，并设计制造了高效的b i e 型淘析器。实验结果表明，b i e 型淘析器的综合 分级效率比u g s 型有大幅度的提高。 惯性淘析器内气同两相流动的数值模拟与实验研究 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 齐鲁石化l d p e 装置的粒料包装系统，现存在粒料中夹带塑料粉尘、少量粒 料随气流溢出的问题，既影响产品的质量和销售，又造成了工作环境的污染，亟 待加以解决。青岛科技大学化学工程研究所经调研和现场考察后认为，出现上述 问题的主要原因是，包装机前的惯性淘析器没有将粒料中的细粉尘淘析洁净所 致。因此亟需开发出一种新型高效的惯性淘析器，利用气固两相相对速度的周期 变化强化淘析过程，以达到彻底清除粒料中塑料细粉尘的目的。 开发工作以分析惯性淘析器内流场结构，研究流场内颗粒的运动规律及影 响因素为目标，探索提高淘析器分离效率的方法，彻底解决聚乙稀生产中惯性 淘析器分离效率过低的问题。利用c f d 商业软件f l u e n t 6 2 模拟淘析器内的 湍流流场结构，并进行相关的实验研究，从而寻求强化气流对颗粒表面剪切作 用的方法。晟终为加强淘析区的气流湍动，解决惯性淘析器细粉尘去除问题提 供理论基础，并开发出能满足工业使用要求的新型淘析器。 多相流研究是在流体力学、传热传质学、物理化学、燃烧学等学科的基础上 发展起来的一门新兴学科i z j ，对国民经济的发展具有十分重要的作用。它广泛的 应用于能源、动力、核工业、石油化工、制冷低温环境保护及航天技术等许多工 业部门。因此，尽管多相流在国际上是一个只有几十年发展历史的新兴科学，但 由于它在上述众多的工程技术领域都有重要的应用，发展速度很快。尤其是在二 十世纪6 0 年代以来，由于原子能电站及航天工业的迅速发展，动力工业及石油 化学工业中高参数设备及技术的引入，以及对环境保护的日益重视，大大地促进 了多相流研究的发展。 由于气固两相流动的复杂性，目前对于惯性淘析器流场的认识不足，缺乏理 论和实验研究，国内还未发现相关公开报道，相比其在工业上的广泛应用，理论 研究明显滞后。本研究从模型推导、数值模拟和实验研究三个方面出发，建立了 淘析器内气固两相流动的数学模型，采用f l u e n t 6 2 对惯性淘析器内的气相流 场和颗粒运动轨迹进行模拟预测，以工业生产中的待处理物料为实验材料进行了 分离实验。通过分析影响分级性能的结构因素和操作因素，为设备的改进和工业 化设计提供参考依据。 青岛科技大学研究生学位论文 1 2 颗粒分级研究进展 1 2 1 分级原理 广义的分级是利用颗粒粒径、密度、颜色、形状、化学成分、磁性、放射性 等特性的不同而把颗粒分为不同的几个部分。狭义的分级是根据不同粒径颗粒在 介质( 通常采用空气和水) 中受到离心力、重力、惯性力等的作用，产生不同的运动 轨迹，从而实现不同粒径颗粒的分级”。 1 2 2 分级指标 1 分离效率1 3 】 ( 1 ) 定义 分离后获得的某种成分的质量与分离前粉体中所含该成分的质量之比称为 分离效率。用下式表示： 野= 一mx 1 0 0 ( 1 1 ) 埘o 式中 用旷一分离前粉体中某成分的质量 研分离后粉体中某成分的质量 玎分离效率 上式明确反映了分离效率的实质，但使用上并不方便，原因是工业连续生产 中处理的物料量一般较大，不易称重，即使能够称量，分离产品中也不可能全是 所要求的颗粒，总有少量其他成分的颗粒。 设分级前粉体、分级后细粉和粗粉的质量分别为f 、a 、b ，其中合格细颗 粒的含量分别为斯、x a ，珊，又假定分级过程中无损耗，则根据物科质量平衡，有 f = a + b ( 1 - 2 ) x f f ；+ x b b 0 - 3 ) 以上两式联立，得 叩2 x x ，a x 1 0 0 = x o ( x - - x b ) 石，( 工a 一) 1 。 ( 1 4 ) ( 2 ) 综合分级效率( 牛顿分级效率) 牛顿分级效率是综合考察合格细颗粒的收集程度和不合格粗颗粒的分离程 度，该指标似乎更能确切地反映分级设备的分级性能，其定义为：合格成分的收 集率0 。) ，不合格成分的残留率( 1 一v b ) 。其数学表达式为： 惯性淘析器内气嗣两相流动的数值模拟与实验研究 r v = y 。一( 1 一y s ) = y o + y h 一1 t 1 - 5 ) 因为 ，。= 万x o a ，儿= 7 b 而( 1 - x b ) xr l xr ：塑旦：塑 f x a x b f x 口一x b 所以 玑= 丽( x ：- x , ，) ( ) ( x z o 。二- x ) ) 1 。 ( 1 6 ) 因此，牛顿分级效率的物理意义是分级粉体中能实现理想分级( 即完全分级) 的质量比。 ( 3 ) 部分分级效率蜘 将粉体按颗粒特性分为若干粒度区间，分别计算出各区间颗粒的分级效率。 旷絮鬻 m 乃 式中q o 粗颗粒产率，即分级后粗颗粒的质量与分级原料的质量之比 d ，d h ，一第i 个、第f + 1 个粒径区间的平均粒径 r o ( d i ) 分级后粗粉中的累积筛余粒度分布 r ，p 一分级原料的累积筛余粒度分布 部分分级效率m 随粒径d p 变化的关系曲线称为部分分级效率曲线，如下图所示。 1 理想分级曲线2 3 一实际分级曲线 图i - 1 部分分级效率曲线 f i g l 一1p a r t i a lc l a s s i f i c a t i o nc u r v e 2 分级粒径 分级粒径也称切割粒径。图1 中，曲线1 在粒径盔处发生跳跃突变，意味着 分级后d 砬的粗颗粒全部位于粗粉中，细粉中全部为d 盔的细颗粒。这种情 4 青岛科技大学研究生学位论文 况犹如将待分级粉体从粒径以处截然分开一样，所以，必称为切割粒径。习惯上， 将部分分级效率为5 0 的粒径称为切割粒径。 3 分级效果定量计算 从图1 中可以看到，实际分级结果与理想分级结果的区别表现在部分分级曲 线相对于曲线1 的偏离，其偏离的程度即曲线的陡峭程度可以用来表示分级的精 确度，即分级精度。为了便于量化，提出了关于部分分级曲线的各种指数： ( 1 ) 分级精度指数( s h a r p n e s si n d e x ) k 分级精度指数k 由德国的l e s c h o n s h i 提出，定义为部分分级效率为7 5 和2 5 的粒径彩”和勃j 之比： k 2 比7 5 d p 2 5 或 k = 彩2 讳7 5( 1 8 ) 对于理想分级，k = 1 。显然，实际分级时，k 值越接近于1 ，分级精度越高； k 值在1 4 2 0 之间，分级状态良好；k 1 4 ，分级状态很好。 ( 2 ) t e r r a 指数昂 指数昂是由法国的煤炭技术人员a n d r e t e r r a 提出的，表示部分分级效率的 斜率： 昂2 ( 彩7 5 - - d p 2 5 ) 2( 1 - 9 ) 理想条件下，昂值越小，分级精度越好，但昂值和分级粒径有关，分级粒 径大，昂值大；分级粒径小，昂小。如果不表明如d 则容易判断错误。 ( 3 ) 不完全度( i m p e r f e c t i o n ) i 不完全度1 由法国的b e l u g o u 提出，对昂与如。的依赖性予以修正： ，= 粕0( 1 1 0 ) 类似的各种指数有很多，但目前经常采用的是分级精度指数x 。 4 分级效果的综合评价 判断分级设备的分级效果须从上述几个方面综合判断。譬如，当、k 相同时， 易j d 越小，分级效果越好；当 ，4 卯相同时，k 值越小，即部分分级效率曲线越陡 峭，分级效果越好。如果分级产品按粒度分为两级以上，则在考察牛顿分级效率的 同时，还应分别考察各级别的分级效率。 1 2 3 分级的关键问题 对于任何分级方法而言，要想取得较好的分级效果，关键是如何提高分级物 料的分散性和选择合适的分离方法。 ( 1 ) 分散4 1 惯性淘析器内气同两相流动的数值模拟与实验研究 物料经细化后呈现与原物料不同的性质，首先是比表面增大，表面能升高； 其次表面原子或离子数的比例大大提高，使其表面活性增加，粒子之间引力增大 或由于外来杂质如水分的作用而易于聚集；超细粒子也易在粉碎过程中由于碰撞 吸收或粉碎后由于静电等作用力而聚集在大粒子上，无论在空气中还是在液相中 均易生成粒径较大的二次颗粒，这使得对超细产品的分级比普通产品分级更加困 难。 图l 中曲线2 上，当d 很小时，在粒径微细区出现的向上的弯钩，某些情况弯 钩位置上升很多，有时竟达1 0 0 ，即极细的颗粒反而完全进入粗产品。这种现象 称为“鱼钩效应”。 团聚是造成“鱼钩效应”的主要原因。粒径较粗的粉体，两个颗粒间的范德华引 力与其重力相比很小，可以忽略不计。随着粒径的减小，范德华引力和重力之比急 剧增大。根据估算，两个直径为l p m 的球形颗粒，在间距为o 1 0 l p m 时，其范德华 引力高达其重力的1 0 0 倍以上。 因此分级的首要任务是分散粒子，使其处于单分散状态，从而提高粉体的流散 性，即超细粉体的基础在于粉体粒子的分散。可以说，充分的分散可使分级过程事 半功倍。 细粉体在液相中的抗团聚分散方法主要有：介质调控；药剂调控。在空气 中的抗团聚分散方法主要有：干燥分散；机械分散；表面调控；静电分散。 ( 2 ) 分离 解决了粉体粒子的分散之后，另一个更大的难题是如何设计稳定、可调节的 力场。理想的分级力场应该具有分级力强、流场稳定及分级迅速等性质。由于粉 体粒子在不同的介质、不同的力场中的行为不一样，因此必须了解其物理特性、 运动特性，设计高效合理的分级力场。目前，分级机使用的力场主要为重力场、 惯性力场和离心力场。 1 2 4 典型分级设备 1 干式分级机 日本、德国、美国等国家从上世纪8 0 年代初就已经广泛开展超细粉分级技术 的研究，已发展了多种气力分级机。在这类分级机中，被分级粉体的某一粒级所 受的向心力与转速作用的离心力达到平衡时就是理论上所谓的临界分级点。而分 级粒径的大小。即最终获得的细粉粒径的大小，取决于临界分级点的设计。 ( 1 ) 锥形离心气流分级机i ，1 该机为气流分级机，没有任何运动部件。一次风与所夹带的物料从顶部进入分 6 青岛科技大学研究生学位论文 散区，在二次气流的作用下，充分分散后进入分级区，三次风通过导流片进入分级 区。在离心力的作用下，粗粉和细粉分离。该设备成品粒度分选最细达0 9 5 u m 左 右，分级精度d 7 5 d 2 5 可达到1 1 6 ，并且该设备具有结构紧凑，分级效率高，运行安全可 靠等特点。值得一提的是，该设备的导流片角度可以在7 0 1 5 0 之间调整。 ( 2 ) m s 叶轮分级机【6 】 待分级物料和一次气流经给料管、可调管进入机内，经气流分布锥而进入分级 区，轴带动分级叶轮旋转，细粒级物料在分级区内受分级轮高速旋转产生强大的离 心力场和分级机后部引风机所产生的向心力双重作用下，因向心力大于离心力，随 气体经叶片之间的间隙向上通过细粒排出口排出。粗粒级物料因受离心力大，经环 形体从机体下部的粗粒排出口排出。该机的特点是引入了二次气流，冲洗粗粒物料 中夹带的细粒，使其向上运动，再次进入分级区分级，提高了分级效率和分级精度。 在这类分级机中，被分级粉体的某一粒级所受的向心力与转速作用的离心力 达到平衡时就是理论上所谓的临界分级点。 ( 3 ) m s s 超细分级机 该机是m s 型机的改进型。其特点在于叶轮段的圆柱形壳体壁上增加了切向气 流喷射孔，它的作用是从孔中向机内喷射气流，使叶轮在离心力作用下抛向筒壁的 粗颗粒中所夹带的细颗粒能从中彻底分离。 ( 4 ) a t p 型分级机【7 j 该机是一种叶轮转子式分级机。分级叶轮通常水平安装于分级机顶部。该机 d 9 7 - - 般为4 3 5 1 m a 。 ( 5 ) 多转子微粉分级机 该分级机是由上部分级腔( 由多个转子构成) 和底部分散装置所组成的大处理 量分级机。原料在分级机的底部被流化分散，然后被上升气流带入分级区。细粉通 过转子叶片后在上部提出，进入收集器。粗粉及团聚颗粒在下落过程中，与切向导 入的二次气流相遇再次分散后，通过底部的出口阀卸出。该机专门为高细度、大处 理量的分级过程而设计。其处理能力为1 6 t h ，空气耗量为1 5 6 0 0 m 3 m i n , 转子 转速为3 0 0 2 3 0 0 r m i n 。分级切割粒径为5 1 5 1 m a 。 ( 6 ) 螺旋线气流分级机m p s 系列【s 】 螺旋线气流分级机无旋转运动件，分级过程所需气流由装在机壳内的( 涡轮式) 引风机产生。气流由进气口进入可调导向叶片外侧，穿过叶片形成旋涡流，物料在 离心力和气体粘性力的作用下分级。粗粒级物料由螺旋输送器送出，细粒物料由引 风机排出进入循环室得到收集。通过调节叶片的角度就可改变气流旋转环半径的 大小从而改变分级粒径的尺寸。 ( 7 ) 有效碰撞分级器 惯性淘析器内气同两相流动的数值模拟与实验研究 它由上下两个耐磨材料制成的圆筒组成，筒内有气溶胶式的颗粒流，粒层外为 干净气流，在进入直圆筒处发生碰撞，使物料易于分散，j 、于分级粒度的粒子从细粒 出口排出。其特点是分级迅速、排料方便，结构简单、耐用而易维修。 在此基础上发展起来一种两级连续流动碰撞分级器。气溶胶射流与干净气体 射流在导流板的平面发生碰撞，在两收集室之间形成气体界面。只要是平衡喷射， 形成的气体界面稳定，通过控制两射流的速度就可得到惯性分级，气溶胶中的粗粒 子穿过界面进入粗粉收集室，细粒子随流线保留在细粉收集室，进入第二级碰撞分 级。 ( 8 ) m c 型微粉分级机 m c 型微粉分级机无运动部件，靠两相流沿器壁的旋转流动所产生的离心力 场进行分级。其原理是夹带分散颗粒的气固两相流在负压的吸引下进入上部的涡 旋腔，在导向圆锥体的引导下以稳定的浓度进入分级室，在离心力的作用下被分离 成粗细两种颗粒。细粉通过分级锥体上部的中心通道，在由入口进入的二次空气夹 带下从出1 7 ：1 排出分级机；粗粉则沿着分级锥体落入粗粉室。该机的分级切割粒径 范围在5 5 0 1 t m 之间，可通过改变导向锥体和分级锥体之间的缝隙、二次空气量 以及不同区域的压力来调节，其处理能力为0 5 1 0 0 0 k g h 。 ( 9 ) d s 型分级机 这是一种无转子的半自由涡式分级机，含有微细颗粒的两相流，在负压的作用 下旋转进入分级机。经沿上部筒体壁旋转分离后，部分空气和微粉通过插入管离开 分级机；剩余部分需要进一步分级的物料，通过中心锥体进入到分级区，由于离心 力的作用被分成粗粉和细粉。二次空气经过可调整角度的叶片进入分级室，以使 颗粒充分分散，提高其分级效率。粗粉经过环形通道进入卸料仓，细粉从中心锥体 下部排出机外。分级细度的调节也是通过调整中心锥体的高度和二次风量来完 成。d s 型分级机的切割粒径为1 3 0 0 1 x r n , 处理量为1 0 4 0 0 0 k g h 。 n o ) a c u c u t 型分级机 该分级机最早由美国开发生产。其结构及原理如下：中间部分为分级转子， 转子外侧是固定壁，上下盖板将分级室密封。转轴上段空心轴作为细粉出口，下段 实心轴装有皮带轮，由电机带动旋转。转子由上下转盘和叶片构成，转子旋转形成 离心力场。同时在空心部分产生负压区，使气流随着转子旋转，并沿径向流向空心 轴部，由此构成离心力场与压力场共同作用的流体流动。分级室内颗粒受到流体夹 带的作用，若颗粒受到的径向夹带力大于离心力，则颗粒通过细粉出口排出，粗粉由 切向出口排出。该机的特点是分级精度高，切割粒径可小于1 1 t m ，分级细度仅靠调整 转子转速即可。 ( 1 1 ) 附壁交叉射流式分级机 青岛科技大学研究生学位论文 附壁交叉射流式分级机亦称交叉弯管式气流机。它利用高速射流的附壁效应 同时将物料分成不同细度的3 个等级。颗粒在压缩空气的夹带下，通过加料喷嘴进 入分级机，流动中的颗粒轨迹是由颗粒惯性及空气阻力所决定的，通过附壁块曲线 表面时，由于附壁效应形成流动偏向。因为每个颗粒根据其大小不同而惯性不一样 较小的颗粒具有较强的附壁效应，因而贴着附壁块表面流动，大颗粒因惯性大而被 空气夹带得更远。颗粒将按大小不同形成一个扇面轨迹，在二次空气流量和压力的 调节下，可从不同的角度上获得多种产品。这种分级机没有运动部件，对0 ，5 t u n 1 0 p r o 范围的粉体其分级效率最高。因强烈的高速磨损，这类设备的分级对象多为 软质物料。 ( 1 2 ) o s e p a 分级机h 该机主体是一个涡壳形旋风筒，内装有笼形转子，分级机涡壳内装有一圈立 式导流叶片。物料从顶部的两个进口喂入转笼顶盖上的撒料盘，转动的料盘将粉 体抛向外围的挡环，撞击分散后改变方向落下，在转笼与导流叶片之间的狭长空 间内形成料幕。导流叶片与转笼转动的综合作用使机内气体形成强烈的水平旋流， 颗粒既有沿切线作直线运动惯性，又受向心气流的夹带作用，粗颗粒惯性较大，与壁 面碰撞后分离，细颗粒随气流进入转笼，最终从中央风管吸出捕集产品。 2 湿式分级机 湿式分级机的开发和研究已有多年的历史，得到实际应用的湿式分级机也有 多种类型，主要分为重力式和离心式。 ( 1 ) 水力旋流器【1 0 】 水力旋流器的分级过程是：物料在内部高速旋转，产生很大的离心力。在离心 力和重力的作用下，较粗颗粒被抛向器壁，作螺旋向下运动，最后由底流口排出， 较细颗粒及大部分水分形成旋流，沿中心向上升起，至溢流管排出。水力旋流器 的优点是构造简单、价廉、无运动部件、处理量大、占地面积小。缺点是分级精 度较低。 ( 2 ) 卧式螺旋离心分级机 待分级的悬浮液由中心加料管加入螺旋推料器的推进仓，加速后由螺旋上的 进料孔进入转鼓内。在离心力的作用下，进入转鼓内的悬浮液很快分成两层，较粗 或较重的颗粒沉积在内壁上形成沉渣层，而含较细或较轻颗粒的液相则形成内环 分离液层。分离液采用溢流方式或向心泵式排出，沉渣( 固体颗粒) 则被螺旋推料器 推送到转鼓的锥端，在此进一步脱水后由出渣口甩出转鼓，一般分级粒度为2 岬 5 9 m 。 9 惯性淘析器内气同两相流动的数值模拟与实验研究 1 3 惯性淘析器分级原理 1 3 1 惯性淘析器的工作原理 淘析器是一种颗粒分级设备，主要用于颗粒产品中微小品粒和纤维粉尘的分 离，其工作原理是：利用各区域气固两相存在的速度差，使附着在粒料表面的细 粉尘在气体对固体表面的剪切作用下脱落。气流突然加速，减速或改变方向，绕 过粒料表面的气流边界层需重新建立，此时气流对粒料表面的剪切力成倍增大。 操作时，进入器内的固体粒料经过加速减速阶段，在气流的剪切作用下，使粗细 颗粒分离，成品粒料下落至料仓，细粉尘随气流排出器外，以此达到淘析洁净的 目的。 本文所研究的改进型淘析器结构如图1 2 所示。粒料从 n 加入，靠重力下落，在加料段下部，被从n 5 进入加料段 环隙的气体加速，向下经加速段流入对流分离段。在对流段， 并流向下流动的颗粒和气体与从循环区n 3 入口流入的上升 气流相遇，两股气流均转为向上流动，颗粒表面附着的细粉 尘大部分在此区域脱离粒料表面进入气相，被从n 2 排出的 气体带出器外。粒料靠重力和惯性继续下落，在对流区下段 与上升气流逆流流动，粒料表面的细粉尘被进一步淘析后落 入循环区。在循环区，由n 3 进入的气体横向穿过持续下落 的粒料，部分返转向上进入对流区，部分返转向下，在空气 喷嘴喷入的高速气流带动下形成环流，粒料再次被淘析，洁 净的粒料落入锥体，从n 4 由输送机送出器外。 实际上，在各区内气固两相均存在速度差，附着在粒料 表面的细粉尘受气体对固体表面的剪切而脱落。该剪切力 乃可由s t o k e s 公式的奥森修正式近似计算： 乃：c o 譬。 b # 口 图l _ 2 惯性淘析器结构 f i g l 一2 t h es t r u c t u r e o f i n e r t i ae l u t r i a t o r c o = 熹( 1 + 7 。- 2 r e ) ( 1 一1 2 ) i 、- cu 式中：“为气固问的滑移速度，d 为粒料直径，r e 为气相雷诺数。 气固两相相对速度越大，粒料表面所受剪切力越大，越有利于细粉尘从粒料 表面脱落。但气流突然加速，减速或改变方向，绕过粒料表面的气流边界层需重 新建立，此时可使气流对粒料表面的剪切力成倍增大，更有利于细粉尘的淘析， 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 现有淘析器就是利用以上原理设计的。操作时，进入器内的固体颗粒一直下落， 而气流在不断改变方向和速度，以达到淘析洁净的目的。 1 3 2 现有淘析器存在的问题 ( 1 ) 粒料在器内的停留时间短，淘析不充分 现有淘析器的特点之一是处理量大，u g s 2 0 0 型的处理量为2 7 0 0 0 k g h ，即 7 5 k g s 。粒料的下落高度大约为3 5 m 。粒料从加料区底部至锥体与气体接触的距 离大约为2 0 m ，接触时间仅2 s 左右。在此期间，粒料先与气体并流，后转为逆 流，进入循环区后为气体横向吹过垂直下落的固相流，淘析过程时间短，且过于 简单，故淘析不充分，出料中颗粒表面仍附着少量粉尘。 ( 2 ) 出气中有少量粒料带出 在对流段，从上进气口来的下降气流与从下进气口来的上升气流相遇后，转 为横向流动，直接流出器外。由于出口无遮挡措施，靠近边壁的颗粒遇到局部高 速横向气流时，会随气流从出口溢出。 1 4 气固两相流动数值模拟的研究进展 气固两