（化学工程专业论文）窄进料旋风分离器分级性能的研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 窄进料旋风分离器分级性能的研究 摘要 为了探索新型清晰切割分级方法，本文以s t a i r m a n d 型旋风分离器为对象进 行了窄进料分级性能的模拟与实验研究。模拟软件采用f l u e n t 6 2 ，气相流场选 用k - r e a l i z a b l e 模型，颗粒相采用随机轨道模型。实验设备直径0 1 m ，进口气 速6 - - 1 5 m s ，物料选用碳酸钙颗粒，粒径在0 1 3 6 p t m 之间。本文所做主要研究工 作如下： ( 1 ) 以切割粒径理论为基础，建立了求解d 5 0 的理论模型，其计算结果与实验 结果的变化趋势基本一致。 ( 2 ) 利用f l u e n t 6 2 对其内部流场进行了数值模拟，分析了窄进料轴向位置、 径向位置、进料速率、主体气速、湍流模型、湍流度对采用窄进料操 作的旋风分级器分级的影响。结果表明：与全进料方式相比，窄进料能够得 到更高的分级效率和更好的分级精度，但提高不大。 ( 3 ) 利用相间耦合的随机轨道模型对窄进料操作的旋风分级器内的颗粒运动 行为进行模拟，预测了不同粒径颗粒的运动轨迹，寻找颗粒相运动行为与流场的 相互影响规律，阐述了窄进料分级的原理。结果表明，“短路流”、灰斗颗粒“返混”、 “上灰环”等非理想因素是造成窄进料操作分级精度不高的主要原因。 ( 4 ) 实验考察了主体气速、进料方式及入口质量浓度等参数对分级的影响。 结果表明：主体气速与进料速率差别不大时，分级效率和分级精度较高。就分级 精度与分级效率而言，窄进料比全进料略好，而点进料最好。随着入口质量浓度 的增大，分级精度与分级效率降低。分级次数的增加可以提高分级效果。 ( 5 ) 介绍了文丘里管进料的结构及分散机理，理论分析了文丘里管的进料原 理，并且采用f l u e n t 软件对文丘罩管内部的速度矢量、静压分布进行了模拟， 进一步揭示了文丘里管进料原理。 ( 6 ) 改进了原有分级设备，对其内部流场进行简单模拟，分析了其y = 0 纵剖面 的静压、动压、速度等高线分布图及速度矢量、颗粒运动轨迹分布图。 ( 7 ) 模拟了d s 型、m c 型与同本专利粉体分级机的内部流场与颗粒运动行为， 窄进料旋风分离器分级性能的研究 分析了三种分级机y = 0 纵剖而的静压、动压、速度等高线分柿图及速度矢量、流 体迹线、颗粒运动轨迹分布图。 关键词：旋风分级器颗粒分级窄进料旋风式分级机超细分级 青岛科技大学研究生学位论文 c l a s s i f i c a t i o np e r f o r m 队n c eo f c y c l o n es e p a r a t o rw i t hn a r r o w f e e d i n g a b s t r a c t i no r d e rt od e v e l o pn e w t y p ec l e a r - c u tc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d ，t h ec l a s s i f i c a t i o n p e r f o r m a n c eo fas t a i r m a n dc y c l o n es e p a r a t o rw a ss t u d i e dw i t hn a r r o wf e e d i n gb y s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o n n eg a sf l o wf i e l da n dp a r t i c l et r a c kw e r es i m u l a t e d u s i n gf l u e n t 6 2b yk - 6 r e a l i z a b l em o d e la n dd i s c r e t er a n d o mw a l km o d e l r e s p e c t i v e l y t 1 l ed i a m e t e ro fe q u i p m e n ti s0 1 m ，a n dg a sv e l o c i t yo fi n l e ti s1 0 m sw i t h t h ep a r t i c l es i z er a n g ef r o m0 1l a mt o3 6 1 m a n ew o r k sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) i tw a sd e r i v a t e dt h em o d e lo fs o l v i n gd 5 0o nt h eb a s i co fc u ts i z et h e o r y t h e o r e t i cc o m p u t a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw a si n c o n s i s t e n t t h er e a s o nw a st h a t t h ei n f l u e n c eo fc o n eh e i g h to nt h ec r i t i c a ls i z ew a sn o tc o n s i d e r e da n dt h ei n t e r n a l f l o wf i e l do fe l a s s i f i e rw a sc o n s i d e r e di n c o m p l e t e l ye n o u g h ( 2 ) t h ei n t e r n a lf l o w 丘e l dw a ss i m u l a t e dw i t hf l l j e n t 6 2 i tw a sa n a l y z e dt h a t t h ei n f l u e n c eo ft h en a r r o wf e e d i n gp o s i t i o na n df e e d i n gr a t ea n dt h em a i ng a sv e l o c i t y a n dt u r b u l e n c em o d e la n dt u r b u l e n c e i n t e n s i t y o nt h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yi n c y c l o n e - c l a s s i f i e r 丽mn a r r o wf e e d i n go p e r a t i o n t h ec o m p u t a t i o n a la n de x p e r i m e n t a l r e s u l t si l l u s t r a t e dt h a tt h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c ya n dc l a s s i f i c a t i o np r e c i s i o no fn a r r o w f e e d i n g i sh i g h e rt h a nt h a to ft o t a lf e e d i n g ，b u tt h ec h a n g ei ss m a l l ( 3 ) 仉m o v i n gb e h a v i o ro fs o l i dp a r t i c l e si nt h ec y c l o n e - c l a s s i f i e rw i t hn a r r o w f e e d i n go p e r a t i o nw a ss i m u l a t e dw i t hd i s c r e t er a n d o mw a l km o d e l 。强et r a c k so f p a r t i c l e so fd i f f e r e n ts i z e sw a sp r e d i c t e d n ei n t e r a c t i o nl a wb e t w e e np a r t i c l e sm o v i n g b e h a v i o ra n df i e l dw a sf o u n d t h ec l a s s i f i c a t i o np r i n c i p l ew i t hn a r r o wf e e d i n ga n dt h e m a i nr e a s o no fl o wc l a s s i f i c a t i o np r e c i s i o nw e r ee l a b o r a t e dv i v i d l y i tw a ss h o w nb y p a r t i c l et r a c ks i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt h eu p s i d es h o r tc i r c u i tf l o wn e a rv o r t e xf i n d e ra n d t h ed o w n s i d ed u s tw h i r li nd u s td u c tr e d u c ec l a s s i f i c a t i o np r e c i s i o na n dc o l l e c t i o n e f f i c i e n c y ( 4 ) ，n l ei n f l u e n c eo ft h em a i ng a sv e l o c i t ya n df e e d i n gm e t h o da n di n l e t c o n c e n t r a t i o no nc l a s s i f i c a t i o np r e c i s i o na n dc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yw e r ee x p e r i m e n t a l s t u d i e d ，n l er e s u l t ss h o w e dt h a tc l a s s i f i c a t i o np r e c i s i o na n dc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yw e r e i l l 窄进料旋风分离器分级性能的研究 h i g hw h e nt h em a i ng a sv e l o c i t yw a sc l o s et of e e d i n gr a t e c o m p a r e d w i t h c l a s s i f i c a t i o nr e s u l t s ，t h ep o i n tf e e d i n gw a sb e s ta n dt h en a r r o wf e e d i n gw a sb e t t e ra n d t h et o t a lf e e d i n gw a sw o r s t w i t hi n l e tc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n g ，t h ec l a s s i f i c a t i o n p r e c i s i o na n dc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yw e r er e d u c i n g t h eb i g g e rn u m b e ro fc l a s s i f y i n g t i m e si m p r o v e st h ec l a s s i f i c a t i o ne f f e c t ( 5 ) t h ef e e d i n gs t r u c t u r ea n dd i s p e r s i o nm e c h a n i s mo ft h ev e n t u r it u b ew a s i n t r o d u c e d t h ei n t e m a lv e l o c i t yv e c t o r sa n ds t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ev e n t u r i t u b ew e r es i m u l a t e du s e db ys o f t w a r eo ff l u e n t 6 2 t h ef e e d i n gp r i n c i p l eo f v e n t u r it u b ew a sf u r t h e rr e v e a l e d ( 6 ) t h eo r i g i n a le q u i p m e n tw a si m p r o v e d i t si n t e r n a lf l o wf i e l dw a ss i m u l a t e d s i m p l y t h es t a t i cp r e s s u r ea n dd y n a m i cp r e s s u r ea n dv e l o c i t yc o n t o u r sa n dv e l o c i t y v e c t o ra n dp a r t i c l e sm o v i n gt r a j e c t o r yd i s t r i b u t i o nw e r ea n a l y z e ds i m p l ya ty = 0 s e c t i o n ( 7 ) t h ei n t e r n a lf l o wf i e l da n dp a r t i c l e sm o v i n gb e h a v i o ro ft h ed s t y p ec l a s s i f i e r a n dm c t y p ec l a s s i f i e ra n dp o w d e rc l a s s i f i e ro fj a p a n e s ep a t e n tw e r ei n t r o d u c e da n d s i m u l a t e ds i m p l y t h es t a t i cp r e s s u r ea n dd y n a m i cp r e s s u r ea n dv e l o c i t yc o n t o u r sa n d v e l o c i t yv e c t o ra n dp a t hl i n e sa n dp a r t i c l e sm o v i n gt r a j e c t o r yd i s t r i b u t i o ni nt h et h r e e t y p ec l a s s i f i e r sa b o v ew e r ea n a l y z e ds i m p l ya ty = 0s e c t i o n k e yw o r d s ：c y l c o n e s e p a r a t o r ；p a r t i c l ec l a s s i f i c a t i o n ；n a r r o wf e e d i n g ；c y c l o n e t y p ec l a s s i f i e r ；l j l t r a f m ec l a s s i f i c a t i o n i v 青岛科技人学研究生学位论文 a 赳d ) b c c c 2 、c i 、c 3 d d s o d l o o d c 札 d p d d 1 d d d e d h d i ；d i + 1 e e p f f c 符号说明 入口高度；1 1 1 团聚概率，o , p - o 6 9 3 ( d l d b ) 2 】 入口宽度；m c u n n i n g h a m 修正系数； 常量； 平均粒径；m 分离效率为5 0 的切割粒径；m 临界粒径；m 切割粒径；m 团聚粒径，m 颗粒的当量直径；m 筒体内径；m 内锥外径；m 排灰口内径；m 排气管内径；m 水力直径；m 第i 个、第i + 1 个粒径区间的平均粒径；m 偏差度； t e r r a 指数； 1 + r 3 6 ； 颗粒所受离心力，7 【( 一0 ) v , 2 6 ，；n 窄进料旋风分离器分级性能的研究 颗粒所受介质阻力，k p d ；谚；n 旋风分离器入口面积；m 2 重力加速度，9 8 1 n m 2 ； 由浮力而产生的湍流动能； 由层流速度梯度而产生的湍流动能； 筒体高度；m 内锥高度；m 锥体高度；m 排气管下端到排尘口的距离；m 不完全度； 离心分离因素，w 2 r g 分级精度； 进口截面上流体与壁接触的周长；m 分级后获得某种成分的质量；k g 分级前粉体中某种成分的质量；蚝 分级后细产物质量；蚝 分级后粗产物质量；k g 湍流马赫数； 旋流指数，0 5 0 7 ； 旋转圈数，r o s i n 取4 ，娜p l e 取5 ； 空气压力；k p a 回转半径；m 旋风分离器半径及排气管半径；m l b k l c s o b k k j n r g q q h 巩 讯 i ， k l m 毗 m m m n n p r 青岛科技人学研究生学位论文 p g 略( v ) “； 分级后粗粉中的累积筛余粒度分布； 分级原料的累积筛余粒度分布； 排气管插入深度；m 流体截面的面积；m 2 用户自定义的变量； 斯托克斯数； 不考虑团聚时的部分分级效率，1 - e x p - 0 6 9 3 ( a a s 。厂】 颗粒的瞬时速度；m s 进口气速；m s 颗粒在r t 处的最大切向气速；m s 气体的切向、径向与轴向速度；m s 颗粒与气流间的相对速度；m s 在分离器入口高度一半以下的环形空间的体积；i n 3 排气管下口以下的分离空间体积减去内旋流的体积；m 3 角速度，v t m v i ；r a d s 粗产物中该粒级含量； 质量为m 的给料中某一粒级的含量； 分级后细粉中合格细颗粒的含量； 分级后粗粉中合格细颗粒的含量； 分级前粉体中合格细颗粒的含量； 颗粒质量分数； 可压缩湍流中过度的扩散产生的湍流波动； i l i s g 瞄 & w 亏 觚 u u w 融 硒 k k h 窄进料旋风分离器分级性能的研究 希腊字母 丫a 1 一丫b t 1 q n t i p 0 k k 斗 p p - p g o k 、o t 合格成分的收集率； 不合格成分的残留率； 湍动能耗散率，瑶7 气3 胆o 0 7 l ； 分离效率； 牛顿分级效率； 部分分级效率； 气流旋转下倾角；取3 0 0 湍动能，3 c 雕2 2 ； 气体分子的平均自由程；m 气体粘度；1 8 x 1 0 - 5 p a s 分别为固体颗粒、空气的密度；k g m 3 分别是k 和方程的湍流p r a n d t l 数； 陟d ；1 8 ，i ； i v 窄进料旋风分离器分级性能的研究 声明 独创性声明 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发 表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青 岛科技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密因 在年解密后适用于本声明。 不保密囹 ( 请在以上方框内打“”) 本人签名： 导师虢主砂 r 期： 年 月日 日期：咔月f 3 同 1 0 0 青岛科技大学研究生学位论文 j j l 一 闩i j吾 粉体性能及应用的关键因素是颗粒的形状、粒度及尺寸分布、表面积等。其 广泛应用于冶金、材料、电子、矿业、陶瓷、化工、机械、建筑、医药、食品、 能源等领域【1 2 】。随着科技的发展和能源的日趋紧张，各行业对分级设备提出了更 高的要求，不仅要求节能、处理量大、结构简单体积小、成本低和分级效率高， 而且要求产品的粒度分布范围较窄或极窄、均匀合理、调整方便和低污染。超细 颗粒的直径很小，单一微粒中暴露在表面的原子较多，表面能较高，颗粒之间有 强烈的吸附作用，极易形成聚团，给分级工作带来很大的难度。就必须在分级时 加强颗粒的分散，以减弱部分分级效率曲线上的“鱼钩效应”p 】。 旋风式分级机属于气流式分级机的一种，它以旋风分离器为母体经各种演变 而来，例如，在其内部增加分散装置、筛分装置、粒径调节装置等。它是自由涡 类分级机，其分级原理为利用颗粒在气流产生的自由涡或准自由涡离心力场中所 受到的离心力与空气曳力作用，离心沉降分离【1 1 。其构造比较简单，适于比较细 的分级( 5 - 5 0 9 m ) ，不适于高浓度、精密分级。旋风分离器具有无运动部件、工 作稳定可靠、造价低、维修方便等优点，在工业领域应用广泛。因此开发高性能 的旋风式分级机具有重要意义。党君祥掣2 l 对4 种微型旋风分离器在不同流速下的 分级效率进行了实验研究，表明可用微型旋风器对超细粉体进行分级，分割粒径 可达1 3 - 1 5 岬。小川明【3 】对旋风分离器的分级性能进行了系统的研究和阐述，提 出了用旋风分离器进行微细分级的可行性。 为了适应粉体工业发展的需要，实现对超细粉体的清晰分割、精细分级，本 研究得到了山东省自然科学基金的支持，其目的是对窄进料旋风式分级机进行理 论、c f d 和实验研究，以探讨影响其分缴效率及分级精度的因素，这对开发出高 效节能环保的旋风式分级机有一定的参考价值和指导意义。 窄进料旋风分离器分级性能的研究 1文献综述 分级是利用粒度不同的颗粒在复合力场中具有不同运动轨迹的特性，实现按 粒度分离的过程【8 6 l 。作用在颗粒上的力主要包括重力、离心力、流体阻力，这些 力的大小与颗粒的粒度有关，不同粒度的颗粒受力不同，因而产生不同的运动轨 迹。应该注意的是，颗粒的其它物理性质( 密度、形状、表面电性) 和化学性质( 对 介质的相互作用特性1 对运动轨迹也有不同程度的影响，粒度不是影响运动轨迹的 唯一因素，这正是微细颗粒分级的困难所在。尤其在次要力场不能忽略时，用数 学方法描述颗粒运动轨迹变得十分复杂。 1 1 旋风式分级机研究进展 1 1 1 提高分级性能的理论研究 1 1 1 1 充分的预分散 分级性能与物料的初始分散状态有密切的关系，很多研究者对此进行了研 究。y a m a d a 等1 4 】的试验结果表明，利用空气喷射器使颗粒充分分散后，在入料粒 度不变的情况下，分级精度和细粉产率分别提高5 8 和6 5 。陶珍东等【4 】根据流体 力学理论分析阐述了利用改进旋风分离器进行微细粉分级的可行性，证明了充分 的预分散和良好的预分级对提高旋风分离器的分级精度和分级效率非常重要。 1 1 1 2 进料粒度范围的影响 s v a r o v s k y 4 1 的试验结果证明，当旋风分离器的入料颗粒中小于5 岬者为9 0 以上时，切割粒径可小于1 5 1 x m 。 1 1 2 提高分级性能的具体措施 通过改进旋风式分级机的结构，增加内构件，可有效提高其分级性能和增加 功能。在这方面，有许多成功的案例。 1 1 2 1 增加内构件 ( 1 ) 增加分散装置 在简体入口安装一类似于文丘里管的缩放管【5 】，当流体通道面积在收缩段 ( 或扩大段) 突然变窄( 或变宽) 时，流率增大( 或减小) ，使颗粒浓度增大( 或 减小) ，增加了颗粒相互碰撞的机会，促使颗粒加剧分散与团聚颗粒分解，使进 入分散室中的团聚颗粒几乎不存在。所以能够以低成本与高精度分级粉体( 如调 色剂) 至一定尺寸范围。 2 青岛科技大学研究生学位论文 在旋风分离器蜗壳入口内或简体中安装三个棱柱形流体偏流器【羽，影响浓 物料流体的偏转与分散，在蜗壳入口作用下，粗颗粒在外层，细颗粒在内层。当 遇到流体偏流器时，粗颗粒向外偏转，进而甩至壁面，有的被粉碎，有的被分散， “假大颗粒”破碎成细颗粒；内层的细颗粒被向中心偏转的气流带出排气管。当再 遇到流体干扰器时，上述粗颗粒中携带的部分已经分散的细颗粒又以同样原理分 离。从而，降低了粗颗粒中的细颗粒量，提高分级效率。 陈家炎【4 1 等根据减压分级原理，在旋风筒芯管上部加设环孔喷射装置，获 得了切割粒径小于l l l m 的实验室分级效果。郭家松 4 1 等采用料斗抽气的方法使分 级效率大大提高。 利用c o a n d a ( 康达) 效应【9 】将粉体喷射进分级室，使粉体得到充分的分散， 能够高精度分级。 在筒体内设多个扩大段与带环孔的收缩件( 或挡板) 0 0 , 1 1 】，以加剧颗粒的分 散。能够对窄粒径范围分布的粉体颗粒进行高效分级，已经应用在调色剂的频闪 干燥系统【1 0 】中。 ( 2 ) 增加筛分装置 在锥体内同轴地设有带筛孔的内锥壳【1 2 1 ，内外锥壳问形成环室，从环室上 部的环缝进“二次气”以清洗粗颗粒中的细颗粒及孔壁上的细颗粒。环室底部排出 细颗粒，内锥底部排出粗颗粒。 在简体内设两组相互平行、角度可调的旋转叶片【”，1 4 1 ，外围通入旋转气流， 分散的物料喷射入两组旋转叶片间，导向叶片控制气流流向，可使粗细颗粒分级。 在简体内设有带筛孔( 或斜缝) 的内简件【1 5 】，内筒外包着壳，形成环室， 环室内进“二次气”以形成旋转悬浮气层，“清洗”粗颗粒中的细颗粒及内筒上的细 颗粒提高了分级效率。 在旋风分离器的内、外筒之间设带孔隙的圆筒【1 1 】来过滤粉体，可使粗细颗 粒分级。 ( 3 ) 增加粒径调节装置 在上部排气管口设上下可调的双锥体( 或磨轮) 【7 ，1 6 1 ，调节排气管与双锥 体( 或磨轮) 问的缝隙，从而调节排气量，以获得可调的分级点。 在锥体内表面上设许多角度可调的导流叶片【1 7 1 ，以调节轴向喷射的旋转 流，从而相对容易地改变分级点，已经应用于干燥状态下颗粒( 如粉尘) 的分级 中1 1 7 1 。 在简体内设上下可调的环形内件门( 上部圆柱形，直径小；中间倒锥形； 下部圆柱形，直径大) ，筒体壁与内件间形成狭窄的环形空间，使粗颗粒分离路 径减小( 更靠近壁) ，利于粗颗粒的分离，防止粗颗粒被中央上行流携带走。可 3 窄进料旋风分离器分级性能的研究 调节分级点。 在筒体中设两组相互平行的旋转叶片【1 4 】，调节叶片倾角可调节产品粒径。 通过调节滑板f 1 1 】来改变旋风分离器入口的开口宽度，以控制分级粒径。 在筒壁上设入口大小可调的收集袋【1 1 1 ，以调节较大颗粒的分级点 用长度不同且可上下可调的多个圆筒【1 1 】作为排气管，外管收集较小颗粒， 内管收集中等颗粒，锥体底部收集较大颗粒。可获得多个产品，也可调节分级点。 ( 4 ) 增加导流装置 在排气管外部设倒锥形的导流件【1 8 】，以减弱其周围的气流湍流，从而提高 分级机的效率。 在简体入口设数个平板【1 9 】作为导流装置，使混合流直线前进从而撞击在筒 体内壁面上，以粉碎团聚颗粒，加剧颗粒分散。 在简体的排气管口设矩形平板式导流件f 2 0 】，以使超细粉体经分散室的出口 随气流迅速排出，从而能够对超细粉体进行高精度的分级。 陶珍东等【4 】扩大内筒直径，以缩小内、外筒间的距离，缩短颗粒离心沉降 时间；增大直筒高度，以延长离心旋转时问。 在排气管中部设带小孔的分隔板【1 ，以增大流速，来收集在内筒中央的细 粉体，可提高分级效率。 ( 5 ) 不同的进料位置 从简体顶盖垂直向下引入一高度分散混合涮2 1 1 ，而切向进入筒体内的气流 使其由垂直方向向水平方向偏转，以使分散粉体迅速分级，实现高精度分级。 在锥体内设同轴的多个大小不同的倒锥壳【2 2 1 ，气流携带粉体切向进入倒锥 壳内螺旋向上运动；重颗粒从料腿排出，轻颗粒进入环形捕集空间，从第二料腿 排出；更轻颗粒进入第二环形收集空间，从第三料腿排出，气体从上部排气管排 出。不同粒径颗粒在不同高度分别进入不同的收集室，可得到多种不同粒径范围 的产品。其利用了重力、离心力，利于分离各种粒径颗粒，气体对粗颗粒有“二次 分离”作用，从而提高了分级精度。 ( 6 ) 防止粗颗粒混入细颗粒气中的装置 陶珍东等【4 】在内筒入口处加设了一环形挡板，以阻挡可能回弹的颗粒。 在排气管口设有百叶窗式护罩【1 5 l ，防止粗颗粒进入细颗粒气体中。 在排气管底端设控制板( 中心锥、导流板) 【1 1 】调节出口面积，能调节气流 进入内部圆筒的流速且使之稳定。 ( 7 ) 减少粗颗粒产品中的细颗粒含量的装置 在锥体下部适当位置设旋风接头【6 ，进二次风，其方向与旋风分离器进风管 的进风方向相反，对物料进行二次净化筛分，可以使粗产品中的超细粉末含量比 4 青岛科技大学研究生学位论文 未用旋风接头时减少5 0 以上，可用于分级。 1 1 2 2 各类分级机的组合 将分级原理不同的分级机相互组合，可实现多粒径分级、降低分级粒径或高 精度分级。 ( 1 ) 射流分级机和旋风式分级机的结合 利用t c o a n d a 效应和离心力场的筛分理论，汤义武等【2 3 l 设计了新型旋流分级 机，上部设康达( c o a n d a ) 圆块，下部有旋风分离器，含有粉体颗粒的高速气流进 入分级机后，受弧形器壁引导和限制，发生偏转，沿壁面运动，发生附壁作用，粗 粉远离康达( c o a n d a ) 圜，从其出口排出。底部中粉出口向上通二次风对粗颗粒进 行“清洗，除去粗颗粒中的细颗粒；顶部排出细颗粒气。k - c 分级器俐将射流式分 级机与旋风分离器组合成一体，可生产三种粒径范围的产品。 ( 2 ) 涡轮式分级机和旋风式分级机的结合 分级机【8 ，删是由上部分级腔( 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 , - 一6 0 0 m 3 m i n , 转子的转速为3 0 0 一- , 2 3 0 0 r m i n 。分级切割粒径为5 1 5 t t m 。 ( 3 ) 离心分级机与旋风式分级机结合 s v a r o v s k y 4 l 用离心分级机与旋风分离器组合的分级装置对氧化铝粉进行了 分级试验，切割粒径达0 5 5 i n n 。 1 1 2 3 分级系统 蔡安江等f 冽设计了一种超细粉碎旋风分级系统，工作原理是：物料依次经振 动提升机、振动给料机和振动磨机。粉磨至一定颗粒细度，经重力沉降室预分级 ( 分离粗大颗粒) ；再经同级并联、三级串联旋风分离器进一步分级，最后由布 袋收集机捕获，该系统能对物料进行高效率、高精度分级，满足超细粉加工生产的 要求。 s v a r o v s k y l 4 l 曾用预分级机和旋风分离器组合的分级装置进行了氧化铝粉的 分级试验，并获得了切割粒径为0 5 5 1 x m ，分级精度为d 2 5 d 7 5 = 0 3 3 的效果。充分分 散的颗粒立即进入旋风分离器1 2 6 , 2 7 1 ，可对1 0 t u n 以下的颗粒进行分级。 1 1 3 典型旋风式分级机 1 1 3 1d s 型分级机 5 窄进料旋风分离器分级性能的研究 珏 疆耪 图1 1d s 型分级机结构示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fd st y p ec l a s s i f i e r 日本n p k 公司研制的d s 型无动件分级机i 绷，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，通过中心锥体进入分级区，由于离心力的作用被分成粗粉和细粉。“二次气” 经角度可调的叶片圆周进入分级室，以使颗粒充分分散，提高其分级效率。粗粉 经环形通道进入卸料仓，细粉从中心锥体下部排出。分级点的调节也是通过调整 中心锥体的高度和二次风量来完成。切割粒径为1 3 0 0 1 肛n ，处理量为1 0 - 4 0 0 0 k g h ，分级精度d 7 5 d 2 5 为1 1 - - 1 5 ，有较高的固气比。 工业改进措施如下。 在分级锥出口设有许多由弯曲翅片1 2 9 舢组成的可调的导流叶片，以消除排 气管内气流的螺旋运动，使其变成轴向流动。 在插入管口设有旋转转子【3 1 3 2 1 ，以将涡流式分级机与d s 式分级机组合起 来。由于径向圆周速度的不同而产生的剪切力破碎了团聚颗粒，所以能够防止粉 体中的团聚颗粒进入分级室，可调产品的粒径分布。 在分散室中设流体矫正装置【3 3 】以分散粉体，能够提高分级效率与产品的产 率。 在筒体内设电机驱动的旋转导流板1 3 4 1 以分散粉体，能够精确分级。 在分级锥处设有大小不同的套管组成的环体1 3 5 】，能次生产几种不同粒径 范围的粉体。在放大尺寸时，能够防止产品粒径的变化。 对“二次气”的流率精确控$ 1 j 3 6 , 3 7 , 3 8 ，对“二次气”分布器进口加以改进，以 稳定分级室中旋转流。可维持稳定的分级状态。 在分级锥边壁上设许多分级孑l 1 3 9 ，其内部设有涡流风机，以吸出细颗粒， 能够高效率分级。 在分级机下部设悬挂的可振动料斗【删来暂时存储粉体，使粗颗粒借助脉 6 青岛科技大学研究生学位论文 动流平稳地排出。 工业应用表明，d s 式分级机能提高产品的收集率且缩短转换工作时间，已经 应用于干燥调色剂的生产【4 1 】；能精确地分级细粉体，已用于r r 的调色剂生产附3 1 。 1 1 3 2m c 型分级机 m c 型微粉分级机晔4 5 嗣，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，从出口排出分级机；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 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 - - - t 0 0 0 k # 。 1 2 粉体分级研究概述 1 2 1 分级原理 广义的分级f 8 7 】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【8 7 1 。 1 2 1 1 重力分级原理 假设流场为层流状态，颗粒呈球形，在介质中以自身重力自由沉降，遵守斯 托克斯定律。当被分级物质一定，所采用介质一定时，沉降末速仅与颗粒粒径有 关。依据不同粒径颗粒的末速差异对颗粒分级，粗颗粒须引入现状修正系数，超 细颗粒的沉降属于干涉沉降。 1 2 1 2 迅速分级原理 依据逆流平衡分级原理，越接近于分级界限的颗粒，在分级室中滞留的时间 也越长。加之颗粒巨大的表面能使之具有强烈的聚附性，从而聚集成“假大颗粒”。 为了克服这种现象，提出了迅速分级原理，采取适当的分级室，利用恰当的流场， 使微细颗粒特别是临界颗粒一经分散就立即离开分级区，以避免它们在分级区内 的浓度不断增大而聚集。 1 2 1 3 减压分级原理 包括减压下重力分级原理与离心力分级原理，当颗粒粒度接近于气体分子的 平均自由程入m 时，由于颗粒周围产生分子滑动而导致颗粒所受的阻力减小，重 力场中颗粒沉降速度须作如下修正： 7 窄进料旋风分离器分级性能的研究 u = c ：g ( p b p ) d ；1 8 卜t ( 1 1 ) c - - 1 + f 2 4 6 + 0 8 2 e x p ( 一0 4 4 d p z 埘) 1 入m d p ( 1 2 ) 0 0 5 入m d p f d 时，颗粒所受的合力方向向外，因而发生离心沉降；反之，当f 。 d c 的粗颗粒全部位于粗粉中，细粉中全部为d p d c 的细颗粒，即将待分级粉体从粒径d c 处截然分开。d c 常取部分分级效率为5 0 的 粒径。 1 2 3 3 分级效果定量计算 实际分级曲线的陡峭程度即其相对于理想分级曲线的偏离程度表示为分级 的精确度，即分级精度。下面仅列出三种分级效果定量计算的指数。 分级精度k 德国人l e s c h o n s h i 提出，即部分分级效率为7 5 和2 5 的粒径d 7 5 和( 1 2 5 之比： k = d 7 5 d 2 5 或k = d 2 5 d 7 5 ( 1 - 1 0 ) 理想分级：k = 1 。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 i 4 ，分级状态很好。 t e r r a 指数e p 法国j u t n d r e t e r r a 提出，表示部分分级效率的斜率： e p = ( d 7 5 一虹) 2 ( 1 1 1 ) 理想条件下，e p 值越小，分级精度越好，但e p 值和分级粒径有关，分级粒径 窄进料旋风分离器分级性能的研究 大，e p 值大；分级粒径小，e p 小。若不标明d s o 则容易判断错误。 不完全度i 法国人b e l u g o u 提出，对e p 与d 5 0 的依赖性予以修证： i = e p d 5 0 ( 1 - 1 2 ) 1 2 3 4 分级效果的综合评价 分级设备的分级效果的判断须从多个方面综合判断。比如，当t 1 n 、k 相同时，d 5 0 越小越好；当t 1 n 、d 5 0 相同时，k 值越小越好。分级机有两种以上粒度不同的分级产 品时，则应同时考察牛顿分级效率和各级别产品的部分分级效率。 1 2 4 分级的关键问题 1 2 4 1 分散 团聚【9 6 1 的根源是粒子间引力，这些引力有分子间的范德华力( 与分子间距离 六次方成反比，有效距离5 0 n m ，长程力) 、吸附层导致的位阻排斥力、水化或溶 剂化膜作用力、疏水作用力、偶极作用力、粒子间表面的氢键、吸附湿桥、液桥 引力、磁吸引力、固体架桥力、其它化学键力和双电层交叠导致的静电引力。超 细颗粒比表面增大，且粉碎过程中碰撞吸收机械能和热能，表面能升高；表面原 子或离子数的比例大大提高，表面活性增加，粒子间引力增大或由于外来杂质如 水分的作用而易于聚集；粉碎中冲击、摩擦及粒径减少，产生大量静电力，使颗 粒聚集。超微粉体在空气中分散的评价方法有：分散度法；黏着力法；图像分析 法；分散指数法；沉降天平法：粒度大小和粒度分布；扫描和透射电镜法；滑动 摩擦角。分散稳定理论有：d l v o 理论；空间位阻稳定理论；空缺稳定理论。 在实际分级效率曲线上的粒径微细区出现了向上的弯钩，某些情况弯钩位置 上升很多，有时竞达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”。鱼钩最低点即为颗粒团聚粒径。团聚足造成“鱼钩效应”的主要原因， 使分级精度大大降低。团聚体的表征方法有：团聚系数法；瓶颈数法；素坯密度 压力法；压汞法；多状态比较法。 考虑团聚时的部分分级效率如下： r ( d ) = 1 一l - i 一爿( d ) 1 7 1 ( d ) = l 一 l e x p l - 0 6 9 3 ( d l d t , ) 2i o e x p l - 0 6 9 3 ( d i d 5 0 产l ( 1 1 3 ) 因此要想获得分级精度高的粉体就必须使颗粒得到充分的分散，在空气中提 高分散的方法主要有：干燥分散( 减弱液桥力引起的颗粒团聚) ；机械分散( 利 用机械力，即流体的剪切力及压应力，由高速旋转的叶片或气流的喷嘴及冲击作 用引起) ；表面改性；分散剂分散：助磨剂分散；静电分散( 升高可调控电压) ； 超声波分散等。 1 2 4 2 力场 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 理想的分级力场应该具有分级力强、流场稳定、分级面清晰、分级迅速及可 调节等性质。最大限度减少或避免涡流的存在，即流线形式要单一，流线不相互 干扰和影响。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、离心力场、电力场、磁力场、热梯度力场等。 1 2 4 3 存在一分级面 在这个分级面上，作用在颗粒上的力是瞬问的、强有力的，且在整个作用区 域都是持久稳定的。 1 2 4 4