（材料加工工程专业论文）球形聚合物颗粒混法精密分级技术研究.pdf

分类号 u d c 学校代码 ! q 垒2 z 学号 武多萎理歹大署 学位论文 题目韭形鬈盒物题趋湿法猜蜜盆级撞苤研究 英文至缝鳖! 里! 亟望! 箜墨i 鱼鱼西q 旦坠垒丛q l q g y 题目曼墨曼垦丝塾q p 塾曼煎堡垒! q ! 迦盟i 匹i q ! 皇曼 研究生姓名奎东赴 指导教师姓名卫生l 一职称j 型l 学位j 匠一 4 3 0 0 7 0 申请学位级别砸士 学科专业名称挝料加工工程一 论文提交日期2 q ! ! 生垒且论文答辩日期2 q ! ! 生5 且 学位授予单位武这理王太堂学位授予日期2 q ! ! 笙鱼且 答辩委员会主席教授评阅人教授 教授 2 0 11 年5 月 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编 本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库 使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 僦( 捌：及纰气靳( ：叶苇日1 1 m z 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 交换树脂和吸附树脂在现代工业当中有着广泛而重要的应用，如医药、食品、 化工、水处理等。但目前国内生产的这类球形树脂产品粒度分布范围宽，均齐性 差，产品档次较低，使其功能性和应用性都受到较大影响。解决这一问题的关键 在于对球形树脂进行精密分级，而国内现有的分级设备对这类低密度材料的分级 精度，完全不能满足产品对粒度和均齐度的要求。 本文针对球形聚合物颗粒分级存在的问题，在对分级的理论、湿法分级技术 研究现状和进展进行了综合分析的基础上，基于课题专门研制的种新型多级水 力悬浮溢流器，对其分级效果进行了综合实验评价，并分析了分割粒径和分级效 率与操作参数的影响关系。实验研究表明，对型号为l x 1 0 0 0 e p ( d ) 的交换树脂 球形颗粒，其粒度范围为5 5 - - 3 5 0 9 m ，密度波动范围为1 1 7 7 - - - 1 0 7 2 9 c m 3 ，采 用新型多级水力悬浮溢流器分级，分割粒径为1 3 5 p m 时，达到的分级效果为： 细颗粒回收率为9 1 2 ，粗颗粒回收率为9 2 1 ，综合分级效率为8 3 3 ，溢流 产品的分级精度为d 9 0 d l o = 1 8 3 ，沉降产品的分级精度为d 9 0 d l o = 1 7 3 。 本文还采用激光散射像点粒度测量方法对聚合物球形颗粒在水中的沉降速 度及粒径测试分析，并发现了交换树脂和吸附树脂其颗粒密度并非均一，而是随 着颗粒尺寸的减小而增大，即密度约有1 0 的波动。这主要是由于颗粒合成过程 中形成的气孔尺寸和气孔率不均造成的，而交换和吸附树脂的气孔尺寸和气孔率 对其应用性能有显著影响。因此，该测量方法为在聚合物球形树脂合成中控制产 品质量提供了重要的测试分析手段。颗粒密度p 。与颗粒沉降速度u 和颗粒直径 d 。之f b - 关系为：p ，= p + 1 8 a u ( g d ；) 。 此外，本文利用f l u e n t 流体分析软件，模拟了悬浮溢流器内部的流场分 布状况，获得了速度矢量分布图和速度分布图。模拟结果表明，通过定常流动计 算，在溢流筒中，速度分布比较均匀，不存在大的涡旋，速度梯度合理，速度大 小分布合理。这一数值分析模拟结果也为优化水力悬浮溢流器结构，进一步改善 分级性能提供了设计依据。 关键词：树脂颗粒，精密分级，悬浮溢流器，性能评价，数值模拟 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x c h a n g er e s i na n da d s o r p t i o nr e s i nh a v ee x t e n s i v ea n di m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si n m o d e mi n d u s t r i a ls u c ha sm e d i c i n e ，f o o d ，c h e m i c a la n dw a t e rt r e a t m e n te t c b u tt h i s t y p eo fs p h e r i c a lr e s i np r o d u c t sm a d ei nc h i n ah a v eaw i d ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n r a n g e ，ap o o ru n i f o r m i t ya n dal o w e rp r o d u c tq u a l i t y , w h i c ha f f e c ti t sf u n c t i o na n d a p p l i c a t i o n t h ek e yt o s o l v et h i sp r o b l e mi s p r e c i s ec l a s s i f i c a t i o n o fs p h e r i c a l r e s i n ，b u tt o w a r dt h ec l a s s i f i c a t i o na c c u r a c yo f t h i sk i n do fl o w d e n s i t ym a t e r i a l ，t h e e x i s t i n g d o m e s t i cc l a s s i f i c a t i o ne q u i p m e n ta b s o l u t e l yc a nn o tm e e tt h ep r o d u c t r e q u i r e m e n t so fp a r t i c l es i z ea n du n i f o r m i t y a i m i n g a tt h ee x i s tc l a s s i f i c a t i o np r o b l e mo fs p h e r i c a lp o l y m e rp a r t i c l e s ，o nt h e b a s i so fc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st oc l a s s i f i c a t i o nt h e o r y 、w e tc l a s s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y r e s e a r c hs t a t u sa n dp r o g r e s s , b a s e do nn e wt y p em u l t i l e v e lh y d r a u l i cs u s p e n s i o n o v e r f l o wa p p a r a t u sm a d es p e c i a l l yb ys u b j e c t ，t h ep a p e rc o n d u c tc o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t e v a l u a t i o no fi t sc l a s s i f i c a t i o ne f f e c t ，a n d a n a l y s i s t h ei n f l u e n e e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e p a r a t i o np a r t i c l e ss i z e 、c l a s s i f i c a t i o ne f f i c i e n c ya n do p e r a t i o n p a r a m e t e r e x p e r i m e n t a ls t u d i e sh a v es h o w nt h a tf o rt h ee x c h a n g er e s i ns p h e r i c a l p a r t i c l e so fl x - 10 0 0 e p ( d ) t y p e ，w i t hap a r t i c l e s s i z er a n g eo f5 5t o35 0l x m ，w i t ha d e n s i t yf l u c t u a t i o n sr a n g eo f1 17 7 t o1 0 7 2g e r n ，w h e nu s i n gn e wt y p em u l t i l e v e l h y d r a u l i cs u s p e n s i o no v e r f l o wa p p a r a t u st or a t e ，a tas e p a r a t i o np a r t i c l e s s i z eo fo n e h u n d r e dt l l i 啊f i v ei n n ，t h ea c h i e v e dc l a s s i f i c a t i o ne f f e c ti saf i n ep a r t i c l e sr e c y c l i n g r a t eo f9 1 2 、ac r u d ep a r t i c l e sr e c y c l i n gr a t eo f9 2 1 、ac o m p o s i t ec l a s s i f i c a t i o n e f f i c i e n c yo f8 3 3 、ao v e r f l o wp r o d u c tc l a s s i f i c a t i o na c c u r a c yo fd 9 0 d 1 0 = 1 8 3 、a s e t t l e m e n t p r o d u c tc l a s s i f i c a t i o na c c u r a c yo fd 9 0 d 1 0 = 1 7 3 o v e r f l o wp r o d u c t a n d s e t t l e m e n tp r o d u c ta r ev e r yo u t s t a n d i n g t h ep a p e ra l s oa d o p tl a s e rs c a t t e r i n gi m a g ep o i n tm e a s u r e m e n tm e t h o dt o a n a l y s i ss e t t l i n gv e l o c i t yo fd i f f e r e n ts i z ep o l y m e rs p h e r i c a lp a r t i c l e si nw a t e ra n d p a r t i c l e ss i z e t e s t a n dw ef o u n dt h a tt 1 1 e p a r t i c l e sd e n s i t yo fe x c h a n g er e s i na n d a d s o r p t i o nr e s i ni sn o th o m o g e n e o u s ，b u ti n c r e a s i n gw i t ht h ed e c r e a s i n go fp a r t i c l e s i z e ，t h a ta b o u t10 d e n s i t yf l u c t u a t i o n t h i si sm a i n l yb e c a u s et h eu n e v e no fs t o m a s i z ea n ds t o m ar a t ef o r m i n gi nt h es y n t h e s i sp r o c e s sc a u s e ，a n ds t o m as i z ea n ds t o m a l l 武汉理工大学硕士学位论文 r a t eo fe x c h a n g er e s i na n da d s o r p t i o nr e s i ns i g n i f i c a n t l ya f f e c ti t sa p p l i c a t i o n p e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h i sm e a s u r e m e n tm e t h o dp r o v i d e dai m p o r t a n tt e s ta n a l y s i s m e a l lf o rc o n t r o l l i n gp r o d u c tq u a l i t yi np o l y m e rs p h e r i c a lr e s i ns y n t h e s i s t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e np a r t i c l ed e n s i t yp p 、p a r t i c l es e t t l i n gv e l o c i t y ua n dp a r t i c l e d i a m e t e rd vi s ：p 。= p + 1 8 f l u ( g d ：a f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e ru s i n gf l u e n tf l u i da n a l y s i ss o f t w a r e ，s i m u l a t e dt h e i n t e r n a lf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o nc i r c u m s t a n c eo fs u s p e n s i o no v e r f l o wa p p a r a t u s ，a n d o b t a i n e dv e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o nf i g u r ea n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nf i g u r e t h e s i m u l a t i o nc o n s e q u e n c es h o wt h a tt h r o u g hs t e a d yf l o wc a l c u l a t i o n , i nt h ei n t e r i o ro f s u s p e n s i o no v e r f l o wa p p a r a t u s ，v e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni sv e r yu n i f o r m ，a n dl a r g es w i r l d o e sn o te x i s t ，r e a s o n a b l ev e l o c i t yg r a d i e n t ，d i s t r i b u t i o nr e a s o n a b l ev e l o c i t y m a g n i t u d e t h i sn u m e r i c a la n a l y s i ss i m u l a t i o nr e s u l ta l s op r o v i d e dd e s i g nb a s i sf o r o p t i m i z i n gh y d r a u l i cs u s p e n s i o no v e r f l o wa p p a r a t u ss t r u c t u r ea n df u r t h e ri m p r o v i n g c l a s s i f i c a t i o np e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：r e s i np a r t i c l e ，p r e c i s ec l a s s i f i c a t i o n , s u s p e n s i o n o v e r f l o wc l a s s i f i e r , p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论l 1 1 球形聚合物颗粒的应用和存在问题1 1 2 湿法分级的研究现状l 1 2 1 湿法分级理论研究2 1 2 2 湿法分级机研究3 l - 3 研究的目的和意义o e oo oo qoo 9 第2 章球形聚合物颗粒沉降速度测定1 l 2 1 球形聚合物的人工分级1 1 2 2 实验方案论述1 2 2 2 1 激光特性1 2 2 2 2 测速原理1 3 2 3 颗粒沉降试验1 5 2 3 1 l x 2 0 b 沉降速度计算1 5 2 3 2 l x 1 0 0 0 e p ( c ) 沉降速度计算1 8 2 3 3 l x 1 0 0 0 e p ( d ) 沉降速度计算1 8 第3 章悬浮溢流器性能评价2 0 3 1 悬浮溢流器计2 0 3 2 分级试验2 1 3 2 1 试验安装图2 1 3 2 2 溢流量计算2 3 3 2 3 试验步骤3 0 3 2 4 悬浮溢流器2 0 0 m m 分级试验3 2 3 2 5 悬浮溢流器中1 5 0 r a m 分级试验3 6 3 2 6 悬浮溢流器中2 5 0 m m 分级试验3 9 3 2 7 悬浮溢流器中3 0 0 m m 分级试验4 6 3 3 改进分级试验4 7 3 4 数据分析5 0 第4 章流场数值模拟5 2 4 1 利用g a m b i t 建立计算模型5 2 4 2f l u e n t 模拟一5 6 第5 章结论6 7 i v 武汉理工大学硕士学位论文 致谢6 8 参考文献6 9 所示期间发表的论文7 2 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 球形聚合物颗粒的应用和存在问题 交换树脂和吸附树脂在现代工业中有着广泛的应用，如食品、生物医药、废 水处理、离子膜烧碱、化工催化、工业及民用水处理等行业。离子交换树脂广泛 的应用于化工工艺、超纯物生产、环境保护等方面。交换树脂的优点是：处理 能力大，可对许多物质脱色，可以连续多次使用，使用时间长心3 。离子交换树脂 可用于去除水中的硫酸根，随着树脂量的增加，硫酸根的去除效果逐渐加强，活 性炭与离子树脂共存时，离子交换树脂优先交换硫酸根口1 。 吸附树脂是一类有机高聚物吸附物，为吸附和筛选原理相结合的分离材料。 大孔吸附树脂应用包括：对天然产物的吸附分离，医药中的应用，处理工业废水， 大孔树脂在分离、提取维生素、抗生素以及酶、氨基酸等物质时条件要求低，设 备简易，易于控制。大孔树脂可用于中成药的制造、质量管理及相关成分测试h 3 。 树脂在果汁脱苦方面、在果汁脱色澄清及色素去除方面、在去除毒素和降低农残 方面的应用取得了较大的进展哺1 。通过对大孔树脂、m v 一1 4 、s l 一1 4 、7 0 3 四种树 脂对含酚废水吸附的测定，表明大孔树脂对酚的吸附量最高，因为大孔树脂是苯 乙烯骨架，与酚的亲和力最强，因此大孔树脂最适合含酚废水的处理1 。采用 x d a - 2 0 0 大孔树脂对含芳香族化合物废水进行吸附，研究结果表明：树脂对模拟 废水中的芳香族化合物的吸附量随起始质量浓度的增加而增加，而且基本呈线性 关系，同时，该树脂还可用于m 生产废水的处理口1 。 交换树脂和吸附树脂虽然在现代工业当中有着广泛而且重要的应用，但是目 前国内生产的这类球形树脂产品粒度分布范围宽，均齐性差，产品档次较低，使 其功能性和应用性都受到较大影响。解决这一问题的关键在于对球形树脂进行精 密分级j 而国内现有的分级设备对这类低密度材料的分级精度，完全不能满足产 品对粒度和均齐度的要求。 1 2 湿法分级的研究现状 湿法分级是通过颗粒在分离介质中沉降速度的差异被分离的一个过程。湿法 超细粉分级技术的研究具有重要意义，主要体现在以下几个方面，( 1 ) 湿法超碎 粉碎机的发展迫使研究湿法超细粉分级：( 2 ) 湿法分级为超细粉的精确分级提供 可能性，能够解决超细粉分级最难以解决的问题分散；( 3 ) 从制备的产品 的粒度上来说，由于干法超细粉制备系统受粉磨极限的影响较大，难以得到1 岬 武汉理上大学硕士学位论文 以下的颗粒，湿法粉碎及分级易于得到l l x m 以下的颗粒；( 4 ) 生产工艺的要求， 如精细陶瓷工业的注浆成型，本身就是湿法工艺陋3 。 1 2 1 湿法分级理论研究 分级精度( c s r ) 的定义是：粗粉的1 0 与细粉的9 0 的比值，它可以用来判 断粗粉和细粉之间的分离效率。如果c s r l ，表明分为两组粉体的分级很好， 反之，如果c s r 1 ，粉体的分级是很差的砷1 。 直到现在，通常通过筛分进行的尺寸分析，一直是一个表征湿法分级颗粒群 的基本方法。该方法与湿法分级过程的分离准则是矛盾的。一个表征水力分级颗 粒群的新方法出现了u 训。 湿法分级在有效地生产非常细或者非常窄粒度分布方面遇到了挑战，这反映 在现有分级方法的优化和新设备的研究两方面。随着越来越复杂模型的使用，在 现象学和流体力学为基础的模拟学方面，分级模型展现了一个新时代。最近几年 正常的经验和半经验模型也得到了验证。水力旋流器被用在许多不同的精细应用 和流程。在超细粉体制备领域已经出现了新的分级技术u 。 从更普遍的情况出发，重新推导了任意流速及固液密度条件下的牛顿流体中 的固体砂粒运动末速计算模型。根据已有的实验结果，分析比较了过渡区和层流 区各种阻力系数模型计算的准确性，以及各流型之间过渡时的基本变化特征n 引。 模拟重力分级机稳态分级性能的计算方法被提出来。模型建立时采用了分级 面积法，并利用修正后的斯托克斯定律预报修正分离粘度d 5 0 c 。实验结果表明分 离精度与d 5 0 c 有关。矿浆粘度是参考生产厂商提供的有关设计数据而选定的。该 模型与工业分级机的实际数据吻合良好，其中的标准参数可使模型经调整后适合 各种实际情况n 引。通过模拟颗粒在不同宽度的竖直通道中的沉降来研究颗粒的 沉降规律和竖直通道的宽度对颗粒沉降运动的影响作用。模拟结果表明随着通道 宽度的增大，颗粒沉降由稳定沉降转变为不规则摆动沉降，沉降雷诺数开始不断 增大，随后又趋于稳定n 引。近来提出了新的球形颗粒沉降曳力系数拟合关联式， 其精度优于常用的b r a u e r 和c l i f l & g a u v i n 关联式u 副。 紊流条件下颗粒沉降的介质阻力，采用修正后的物理模型和受力分析推导出 了球体介质阻力公式，新公式较以往沿用的公式精度提高n 6 1 。 在离心机中，逆流分级对微米级截面是有效的。一种特别的带有旋转接头的 离心机发明出来了，用泵控制进料泥浆、工艺水、底流。这就允许调节流速去 优化操作。静止的粗颗粒被工艺水流态化并且和底流一起上升。创造了一个无量 纲格式的过程方程来选择适当的设计和运行参数，特别是高度加载的底流n 们。 超细粉体在液体中分散的机理、分散的意义以及分散方法，对各种分散方法 2 武汉理工大学硕士学位论文 进行了对比，总结了分散性的评定原则，在此基础上对分散的途径和研究进行展 望n 引。 粒度分离原理，水力旋流器和筛分机的数学模型。讲述了筛分和分级两种分 离技术n 引。分级的基本概念和原理，综述了各种微粉分级器的特点和操作性能， 展示了微粉分级的发展前景啪3 。流体分级的基础理论，分级机的评价方法，湿式 流体分级设备，分级机的安装、操作与维修，液体分级的研究课题与展望瞳。颗 粒流体力学研究颗粒在流体中的沉降运动，包括颗粒在流体中的运动方程，颗粒 的运动阻力系数，颗粒沉降速度计算晗纠。 1 2 2 湿法分级机研究 重力水力分级设备利用沉降分级理论，细粒悬浮液分级设备包括：机械分 级机，圆锥分级机，箱式和槽式水力分级机，用于微细粒的重力分级机，以及错 流式分级机，水力溢流分级精度较高，是目前常用的超细颗粒分级方法。涉及 中级分级，相关的分级设备一般都借助水来进行，可分为水力分级设备和离心力 水力分级设备。周兴龙等介绍了常规的重力分级设备，包括水力分级箱，圆锥分 级机，机械搅拌式分级机，筛板槽形分级机，圆池形分级机，机械分级机。新设 备有：上升水流式分级机，其中包括奥利沸虹吸分级脱泥器，l w i s 分级机，h l ik k i 圆锥分级机，f l o t e x 分级机，s t o e s 分级机，d e i s r e r 分级机，w i l l oi ig h b y 分级机，斜板斜管分级机单元集成式斜窄流分级机心钔。 国内外的常规水力重力分级设备，新型重力分级设备，斜板分级设备，单元 集成斜窄流分级设备等研究应用情况进行了综合评价。认为斜窄流分级设备有取 代其他水力分级设备驹趋势瞳翮。 讲述了湿式微细粒分级的几种主要设备，并对各自的优缺点进行了初步的分 析。文献论述了微细粒分级理论，指出分离粒度d 舯某一级窄级别的颗粒粒径， 该颗粒进入粗产品和细产品的概率为5 0 。用于微细粒湿式分级设备有两种类 型，即重力沉降分级类型，离心分级类型，前者包括重力湿式分级机，错流式分 级机等，后者包括旋流器，离心分级机啪1 。 论述了该沉降分级机研制时对设备的要求，结构参数的确定与工作原理。通 过对该机性能的实验，说明该机具有结构简单，性能优良，造价低廉等优点，适 合在边磨边浸氰化一步提金工艺流程中应用心 。文献介绍了一种与边磨边浸氰化 提金工艺中的塔式磨浸机相匹配的沉降分级机。该机具有分级效率高，结构简单 等特点，能有效地控制边磨边浸氰化尾渣含金品位在要求的0 5 9 t 范围以下， 能很好的满足边磨边浸氰化提金工艺的要求晗引。 文献对细粒级物料湿式分级的理论及几种主要的分级技术及设备作了介绍， 3 武汉理一 大学硕士学位论文 并对各自的优缺点进行了分析，指出了细粒级物料湿式分级的发展方向和存在的 问题。悬浮液的精细分级，对于中细粒级的分级，技术较为成熟有效，在矿物加 工行业中应用较广豳3 。文献利用悬浮液的重力沉降分离的原理，通过对石灰乳中 的砂粒在清水中的沉降速度的测定，设计出一种石灰乳重力沉降除砂器，以解决 石灰乳除砂难的问题m 1 。 文献介绍了超细粉体湿法分级设备，主要有水力旋流器( 特别是小直径水力 旋流器) 、卧螺式分级机和碟式分级机。并对水力旋流器作了介绍。9 0 年代初， 我国也生产了小直径聚氨酯衬里水力旋流器。 文献介绍了一种新型旋转式圆筒分级机，圆筒上带着一圈叶片。研究了对 球形和非球形二元混合颗粒分级时，分级机的最佳性能。从多级联接的混合流中 获得颗粒的停留时间分布和分级机的分离效率。并解释了达到形状分级机最佳性 能的操作参数。文献指出：广义的分体分级是利用粉体颗粒的特征( 如粒径、形 状、密度化学成分颜色放射性磁性静电特性等) 的差别将其分类的总称田刳。文 献介绍了一种新型旋转式圆筒分级机，圆筒上带着一圈叶片。每个叶片像输送带 一样工作，粒状物料被传送上升到倾斜的圆筒里面，在旋转的圆筒里面这些颗粒 滚落下来引。 文献讲述了湿法分级设备，包括卧式螺旋离心分级机和超细水力旋流器，对 设备的结构与工作原理，主要技术参数与工艺配置，安装调试与操作，维修与检 验，做了介绍，。 文献讲述了磨矿回路中的分级作业。讲述了分级效率，水力旋流器，螺旋分 级机和其它的分级设备副。 t u c l a u s t h a l 式离心分级机，它是一种逆流式分级机，它的工作是间断的，因 而生产效率低。优点是细颗粒可以由延长诸如水的时间而得到充分的分离。根据 t u c l a u s t h a l 提供的数据，溢流中小于3 p m 颗粒的含量 瞄啪3 。 以i f , a 1 2 0 3 的超细分级为对象，借鉴蝶式离心机的薄层分离原理，通过模型 试验研究了采用蝶式分离机分级超细粉的过程，并进行了工业化初步试验，结果 表明分级性能受到分级机结构参数和操作参数的影响，产品的颗粒中位径d 可 达到0 5um 左右，分级效率3 0 以上，最大颗粒粒径不大于3 5 9 m 。在超细粉 体静电场湿法分级，间断离心湿法分级和连续离心湿法分级方面的研究显示：湿 法分级特别适用于对易燃易爆物品及要求粒度分布范围窄的超细产品进行分级， 对于最终产品要求是干态的产品，采用湿法分级后需进行干燥和防团聚处理口引。 针对目前磨料微粉分级存在的困难，自行研制了垂直式多级水力分级装置来 实现磨料微粉的窄粒级分级。实验表明，分散是分级的前提，设计强有力的稳定 力场是分级的关键，分级产品及时排出是分级的保障引。 4 武汉理t 大学硕士学位论文 在离心场下对硅酸锆微粉进行湿法分级，研究表明：分散是分级的前提，力 场的设计是分级的关键。要想得到分散性能好的硅酸锆超微粉悬浮液，必须添加 “软件材料 ，实验验证复合分散剂对硅酸锆超微粉的分散性能最好h 们。 文献介绍了水介质流化床分选机的原理，利用鸡西煤样来研究了煤颗粒在水 介质流化床分选机中的沉降末速，讨论了煤颗粒的不同密度( 小于1 3 、1 3 1 4 、 1 和1 5 、1 5 1 6 、1 乱1 8 、大于1 8 9 c m 3 ) 、不同粒度( 3 2 、2 1 、1 - - , 1 3 2 5 m m ) 及形状系数对沉降末速的影响，最终建立了3 个相关的数学模型，为水介质流化 床分选机流态化以及工艺参数研究奠定了理论基础h 。文献针对浆态床f t 合成 中液体蜡与细颗粒催化剂的分离，对于其粒径分布相似的细石英砂与水的体系的 沉降分离进行了考察，用超声波浓度仪测定沉降过程中的颗粒浓度，由此得出了 沉降过程的浓度场h 刭。 文献主要探讨了氧化铝粉在水中的沉降分级问题。采用无机混凝剂硫酸铝、 氯化铁进行了研究，并对凝聚沉淀机理进行了初步分析，探讨研究了氧化铝微粉 分级处理的工艺流程h 引。 文献报道了金刚石微粉的分级研究。研究表明：分级效果与其分散性关系 极大，该研究采用加分散剂的方法来提高金刚石微粉在水中的分散性。加入复合 改性剂可改善金刚石微粉在水中的分散性1 。文献对自行设计的射流式短程多 级流态化分级器操作的影响因素进行了实验研究，探讨了分级实验的最佳条件。 该设备具有精度分级的能力，可以同时获得四个粒段的产品，其中两段产品的分 级精度达到1 0 0 ，分级产品最小粒度 2 5l am h 副。文献在传统流态化分级器的 基础上，结合自由射流，缩短分级器的长度，连续改变分级器的直径，设计了一 种适用于硬质磨料微粉分级的新型高精度分级设备射流式短程多级流态化 分级器，利用该设备可以同时获得四个粒段的分级产品，其中两段产品的分级 精度达到1 0 0 m 。 文献从空气分级机的渠道轮原理开始，在实验室研究了一种湿法分级设备的 实验模型。由于湿法分级和空气分离器分级的不同，新的概念和旧的概念在某些 方面有根本不同。这个设备用1 5 0 m m 直径的转子来排出新鲜水，转子转速是 8 0 0 , - - 2 0 0 0 转分。与新鲜水流速变化一致，我们获得了3 1 0 0l am 的分离粒度h 7 1 。 文献讲述对最大粒径严格限制的1l am 和小于1l am 的颗粒在湿法处理中继 续获得了重要性。近来，人们投入巨力发展超细粉的湿法分级，因为几乎所有新 的进步都以离心分级为基础。技术上可实现的离心加速度和分级区域的停留时间 设定了这一这过程的极限。近来发展的湿法分级过程应用了一个在横流膜中可选 择的颗粒储蓄效应并且不需要运动的机械部分m 1 。 文献在改造现有的闭环球磨机系统，与快速干燥机结合成为现代化的高效分 5 武汉理工大学硕士学位论文 离器的范围里，讨论了同时分级和水泥原料干燥问题。文献特别指出在p h o e n i x 水 泥厂改造原始磨机系统，结果是一个超出设备制造商保证的性能水平的项目h 9 。 文献指出应用干法过程去回收需要更高质量要求的爆破碎石产品通常是不 充分。这个目标通常只能通过湿法过程达到。运用荷兰一个爆破碎石回收厂的实 例，通过德国一家公司制造的搅拌器夹具取代干燥空气分级阶段，向我们示范了 如何才能得到一个高质量产品1 。 文献提出了一个用于湿法精密离心分级的新系统，该系统使用了一个几乎严 格的旋转通过流。我们可以在一个高速旋转的双层容器里产生这种没有任何湍流 波动的水流。使用一个间歇式分级的圆筒球形容器进行分级实验，理论和数值流 分析m 3 。 文献指出：在湿法球磨中总是发现，在生产工厂运行正常的情况下，大孔径 筛子的产品粒度分布不包含通过一阶磨仿真模型预测的那么多资料。我们研究了 四种修正这种影响的方法。方法1 采用一个假设的出料粒度分级机，方法2 考虑 不同大小对应不同轴向流速，方法3 采用修正后的特定破碎率，方法4 允许无第 一顺序的粉碎动力学聆刳。 湿法分级就是将粉体在液体( 通常是水) 中进行分级，由于液体的分散 作用，而且还可以使用分散剂，故能使粉体达到几乎完全分散的状态，从而能够 用比较简单的装置进行高精度的分级，对于附着性很强的产品、粒度分布要求很 窄的产品比较适用 5 3 o 超细粉体湿式分级设备有两种类型：即重力沉降分级类 型，离心分级类型，现分述如下： ( 1 ) 重力沉降类型分级设备m 】。 图1 1 是湿法重力分级机图形，它的机械结构比较简单，由两个沉降池组成。 l舅一 i l 1一 图1 1 湿法重力分级机图图1 2 湿法错流分级 6 武汉理工大学硕士学位论文 待分级产品注入沉降池，虹吸管吸出溢流产品，沉降产品进入第二个沉降池进行 二次分级，沉降池内部有循环分散系统。上升流体对颗粒的作用力与重力的平衡 决定平衡粒度，小于该粒度的颗粒进入溢流，大于该粒度的进入二级沉降池。它 的优点是可以平稳的进行分级，并且可以全过程自动控制，溢流中大颗粒的含量 非常小，可用于高级颜料、研磨料的分级。但缺点也是明显的，当颗粒的粒径值 是微米时，分级速率太低，效率太差。 国内的沉降分级机有5 0 0 - 4 0 0 m m m s 沉降分级机，由中科院物理研究所 研制，利用重力自然沉降分级。该分级机有下述优点：分级效果好。给矿一2 0 0 目占6 0 7 0 时，分级溢流一2 0 0 可达到8 5 9 5 分级效率高，可达4 0 6 0 ， 工作稳定；具有较高的分级浓度，在3 5 给矿浓度下，仍可达到上述各项指标； 设备体积小，占地面积小。 图1 2 是湿法错流分级原理简图，流体流动方向和分级产品地加入方向成角 度a ( 大多为9 0 。) ，粘滞阻力垂直向上，重力方向垂直向下，这两个力决定颗 粒沉降的速率和时间，水平方向颗粒地流动速率决定颗粒的水平运动位移。颗粒 地流动路线是抛物线，颗粒大小不一样，抛物线的路线就不一样。所以，错流式 分级机能够一次对多个粒级地产品进行处理。除了上面介绍的，多槽式水力分级 机、连续溢流分级机和圆锥水力分级机也在工业上有应用【5 副。 ( 2 ) 离心分级机 超细粉体在重力场的作用下沉降速率比较小，所以对微米级颗粒进行分级 时，所需分级时间大概达到十几个小时，明显分级效率不高，所以离心分级机得 到了广泛的使用。 旋流器作为一类简易、优质的分级机械，分级粒径通常不超过1 0 1 t m ，大量 使用在超细粉体的检验分级，它的结构简易如图1 3 所示，从图上我们可以看出， 水力旋流器由圆柱和圆锥上下两个部分组成，没有回旋零件，凭借切向给料 产生旋流，旋流器内部速度差异表较大，因此产生了很大的的剪切力，从而打碎 产生地块体，更有益于分级【5 6 】。使用旋流器进行分级，因为流体地紊流和颗粒 地混和一些原因，通常旋流器的分级粒径为3 - - 2 5 1 m a 。因为加料以后磨擦很大， 通常不用在磨料粉体地分级。国内外对旋流器地使用都开展了广泛的的学习，从 而设立了数学模型，国外的水力旋流器模型主要包括l y n c h r a o 和p l i t t 模型【5 7 1 。 碟式离心机结构如图1 4 所示，这类分级机里面安有一批锥型碟片，分级产 品从中心加入，沉降在每个碟片的下表面，初始阶段颗粒的沉降运动通常是分级 过程地关键性地阶段，后续阶段是颗粒在碟片表面上向下向外滑向碟片周围运 动，然后沉降在转鼓上，细小颗粒跟随流体一起流出，以致达成分级地目地【5 8 】。 这类机械地好处在于分级粒度临近1 1 t m ，但是碟片上存在共沉降地特征，导致粗 7 武汉理工大学硕士学位论文 基蒹二一 啄蘩 j l5 萎 i yly 斤 图1 3 旋流器示意图图1 - 4 蝶式离心机 粒级产品中的细颗粒含量比较高，怎样更高的提升分级效率，有待后来人员的深 入研究和深入探讨。 w l 型卧式离心分级机的结构和工作原理如图1 5 所示，它包括转鼓、螺 旋推料器、差速器、机壳、机座等零部件，转鼓和螺旋推料器装配在差速器里， 2 3 45 图1 - 5w l 型卧式离心分级机 同向旋转仅存在细小的差速，待分级颗粒从进料管到达料仓，和转鼓差不多同步 旋转，颗粒到达离心力场，快速分层，细粒级颗粒从溢流环出来，粗粒级物料被 赶到周围，推料器推动粗颗粒向前运动，到达排渣e l 时，粗颗粒排出。种种类型 的分级机，分离速度可高达2 4 0 0 9 ，广泛的使用在l - 1 0 1 t m 颗粒地分级，固体含 量最高可达到5 0 ，它的给料和出料都是连续工作，可是实事上它是从离心沉 淀机改变进化来的。从溢流口流出地细小颗粒是那些来不及沉降到外沿的颗粒， 分级平衡粒度是由径向路程和轴向路程的大小决定的，也就是被横流( c r o s sf l o w ) 确定。这一点就和逆流式分级机明显不同，逆流式分级机的分级平衡粒度是由沿 武汉理工大学硕士学位论文 径向地阻力和离心力地平衡来决定。所以w l 型卧式离心分级机的分级是不完全 的，粗粒级产品中绝对会存在很多细小颗粒。国内的精密分级广泛的使用这种方 法分级，比如金刚石微粉、石榴子石等对粒级分布非常严格的厂家【5 引。 湿法分级，好处是流场容易控制，能够得到粒度非常细的产品，同时产品的 粒度分布范围能够控制的非常窄。水是一类非常好地分散剂，能够润湿其它物品， 可以显著的减少颗粒表面地作用力，同时分散剂在水中可以充分地分散，这样就 能够使超细粉体完全的分散在水中，明显地提升了分级效率。但是湿法分级也有 一些不好的缺点：当最终地需求产品是干态的时候，分级得到的产品必须经过后 续处理，如干燥以及防团聚处理，这就显著的增加了工艺复杂度，提高的能量消 耗，而对于最终产品需求是湿态、粒度特别细和粒度分布特别窄或分级产品是易 燃易爆品时使用湿法分级是良好的。 1 3 研究的目的和意义 课题研究的目的是对交换树脂和吸附树脂两种球形聚合物颗粒进行分级。 目前，国内交换树脂生产厂商制备的球形树脂产品粒度分布范围比较宽，均 齐性比较差。如国内交换树脂主要生产单位西安蓝晓科技有限公司的l x 2 0 b 产 品的最大粒径是7 7 0 9 i n ，最小粒径是2 0 0 “m ：l x - 1 0 0 0 e p ( c ) 的最大粒径是1 2 0 p m ， 最小粒径是7 5 1 t m ；l x - 1 0 0 0 e p ( d ) 的最大粒径是3 5 0 p m ，最小粒径是5 5 i - t m 。 l x 1 0 0 0 e p 属于固定化酶树脂载体。l x 2 0 b 属于层析分离纯化专用树脂，功能 是中药有效成分及抗生素相似物层析分离。由于粒度分布太大，导致l x 1 0 0 0 e p 作为树脂载体不理想，导致l x 2 0 b 的层析分离纯化功能不好。因此要对树脂进 行分级。但是目前国内的分级设备对该产品的分级效果不好，不能满足分级的要 求。为了得到粒度分布窄的产品，所以研究本课题。 课题的研究内容包括很多，具体的说有以下几个方面： ( 1 ) 基于层流状态下球形聚合物颗粒湿法沉降分级设计方法； (