流化床气流粉碎机及喷嘴设计

1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院利用利用高速气流高速气流（300300500m/s500m/s）或）或过热蒸汽过热蒸汽（300300400400）的能量使颗）的能量使颗粒产生相互冲击、碰撞、摩擦剪切而实现超细粉碎，广泛应用于化工、粒产生相互冲击、碰撞、摩擦剪切而实现超细粉碎，广泛应用于化工、非金属矿物的超细粉碎，是最常用的超细粉碎设备之一。非金属矿物的超细粉碎，是最常用的超细粉碎设备之一。材料科学与工程学院材料科学与工程学院将压缩空气通过拉瓦尔喷管加速成亚音速或超音速气流，喷出的射将压缩空气通过拉瓦尔喷管加速成亚音速或超音速气流，喷出的射流带动物料作高速

2、运动，使物料碰撞、摩擦剪切而粉碎。流带动物料作高速运动，使物料碰撞、摩擦剪切而粉碎。被粉碎的物料随气流至分级区进行分级，达到粒度要求的物料由收被粉碎的物料随气流至分级区进行分级，达到粒度要求的物料由收集器收集下来，未达到粒度要求的物料再返回粉碎室继续粉碎，直集器收集下来，未达到粒度要求的物料再返回粉碎室继续粉碎，直至达到要求的粒度并被捕集。至达到要求的粒度并被捕集。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院压缩空气或过热蒸汽通过喷嘴压缩空气或过热蒸汽通过喷嘴后，后，产生高速产生高速气流且气流且在喷嘴附近在喷嘴附近形成很高的速度梯度，通过喷嘴产生的超音速高湍流作为颗粒形成很高的速度梯度，通过喷嘴产生

3、的超音速高湍流作为颗粒载体。载体。物料经负压的引射作用进入喷管，高压气流带着颗粒在物料经负压的引射作用进入喷管，高压气流带着颗粒在粉碎室中作回转运动并形成强大旋转气流，物料颗粒之间不仅粉碎室中作回转运动并形成强大旋转气流，物料颗粒之间不仅要发生撞击，而且气流对物料颗粒也要产生冲击剪切作用，同要发生撞击，而且气流对物料颗粒也要产生冲击剪切作用，同时物料还要与粉碎室发生冲击、摩擦、剪切作用。如果碰撞的时物料还要与粉碎室发生冲击、摩擦、剪切作用。如果碰撞的能量超过颗粒内部需要的能量，颗粒就将被粉碎。粉碎合格的能量超过颗粒内部需要的能量，颗粒就将被粉碎。粉碎合格的细小颗粒被气流推到旋风分离室中，较粗的

4、颗粒则继续在粉碎细小颗粒被气流推到旋风分离室中，较粗的颗粒则继续在粉碎室中进行粉碎，从而达到粉碎室中进行粉碎，从而达到粉碎目的目的。材料科学与工程学院材料科学与工程学院l优点： 1） 80%以上的颗粒是依靠颗粒间的相互冲击碰撞被粉碎的，只有不到20%的颗粒是通过颗粒与粉碎室内壁的碰撞和摩擦被粉碎。可以粉碎莫氏可以粉碎莫氏硬度硬度为为1 11010的材料的材料，经气流粉碎后的物料平均粒度细，最细可以达到最细可以达到0.20.2mm，一般为一般为0.5m0.5m20m20m；粒度分布较窄，可以满足窄粒度分布产品粉的要求；可以满足窄粒度分布产品粉的要求； 2）由于压缩空气在喷嘴处绝热膨胀会使系统温度

5、降低，颗粒的粉碎是在低温瞬间完成的，从而避免了某些物质在粉碎过程中产生热量而破坏其化学成分的现象发生，尤其适用于热敏性物料的粉碎。加工温度低加工温度低（小于气流温度），材料破碎时的应变（小于气流温度），材料破碎时的应变率高，可粉碎低熔点、热敏性和生物等材料。率高，可粉碎低熔点、热敏性和生物等材料。可粉碎低熔点和热敏性材料及生物活性制品。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 3 3）气流粉碎纯粹是物理行为，既没有其它物质掺入其中，也没气流粉碎纯粹是物理行为，既没有其它物质掺入其中，也没有高温下的化学反应，因而保持物料的原有天然性质有高温下的化学反应，因而保持物料的原有天然性质。颗粒表。颗粒表面光

6、滑，颗粒形状规整，纯度高，活性大，分散性好面光滑，颗粒形状规整，纯度高，活性大，分散性好。 4 4）因为气流粉碎技术是根据物料的自磨原理而实现对物料的粉因为气流粉碎技术是根据物料的自磨原理而实现对物料的粉碎，粉碎的动力是空气。粉碎腔体对产品污染极少，粉碎是在碎，粉碎的动力是空气。粉碎腔体对产品污染极少，粉碎是在负压状态下进行的，颗粒在粉碎过程中不发生任何泄漏。只要负压状态下进行的，颗粒在粉碎过程中不发生任何泄漏。只要空气经过净化，就不会造成新的污染源。空气经过净化，就不会造成新的污染源。l缺点：能耗较大能耗较大，生产成本较高。，生产成本较高。材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.2.流化床对

7、撞式气流粉碎机流化床对撞式气流粉碎机 （1 1）流化床对撞式气流粉）流化床对撞式气流粉碎碎：将：将对喷原理对喷原理与与流化床中流化床中膨胀气体喷射流膨胀气体喷射流相结合。相结合。 流化床式气流粉碎机是德国流化床式气流粉碎机是德国2020世纪世纪8080年代的新产品，主年代的新产品，主要生产厂家是德国要生产厂家是德国AlpineAlpine公公司，美国、日本、中国也有司，美国、日本、中国也有公司生产。公司生产。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 （2 2）工作原理：）工作原理：物料物料通过阀门进通过阀门进入料仓，螺旋将物料送入研磨室入料仓，螺旋将物料送入研磨室；空气空气通过逆喷嘴喷入研磨室使通

8、过逆喷嘴喷入研磨室使物料呈物料呈流态化流态化。被加速的物料在。被加速的物料在各喷嘴交汇点汇合，在此，颗粒各喷嘴交汇点汇合，在此，颗粒互相冲撞、摩擦、剪切而粉碎。互相冲撞、摩擦、剪切而粉碎。粉碎的物料由上升气流输送至粉碎的物料由上升气流输送至涡涡轮式超细分级器轮式超细分级器，细粉细粉产品经出产品经出口排出，口排出，较粗的颗粒较粗的颗粒沿机壁返回沿机壁返回磨矿室，磨矿室，尾气尾气进入除尘器排出。进入除尘器排出。2.2.流化床对撞式气流粉碎机流化床对撞式气流粉碎机材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.2.流化床对撞式气流粉碎机流化床对撞式气流粉碎机材料科学与工程学院材料科学与工程学院 粒子在高速喷

9、射气流交点碰粒子在高速喷射气流交点碰撞，该点位于流化床中心。撞，该点位于流化床中心。 靠气流对粒子的高速冲击及靠气流对粒子的高速冲击及粒子间的相互碰撞而使粒子粒子间的相互碰撞而使粒子粉碎，与腔壁影响不大。粉碎，与腔壁影响不大。 磨损大大减弱。磨损大大减弱。流化床内对撞气流流化床内对撞气流交汇点示意图交汇点示意图2.2.流化床对撞式气流粉碎机流化床对撞式气流粉碎机材料科学与工程学院材料科学与工程学院（a a）平面）平面汇聚汇聚式式 （b b）空间）空间汇聚汇聚式式 流化床对喷式气流粉碎机的二种粉碎室结构形式示意图流化床对喷式气流粉碎机的二种粉碎室结构形式示意图2.2.流化床对撞式气流粉碎机流化床

10、对撞式气流粉碎机材料科学与工程学院材料科学与工程学院（a）物料经过喷嘴）物料经过喷嘴 （b）物料不经过喷嘴）物料不经过喷嘴 流化床对喷式气流粉碎机的两种形式结构示意图流化床对喷式气流粉碎机的两种形式结构示意图 2.2.流化床对撞式气流粉碎机流化床对撞式气流粉碎机材料科学与工程学院材料科学与工程学院（3 3）技术特点）技术特点 产品细度高（产品细度高（d d5050=3=310m10m），粒度分布窄且），粒度分布窄且无过大颗粒；粉磨效率高，能耗低，产量大，比其无过大颗粒；粉磨效率高，能耗低，产量大，比其它类型的气流磨节能它类型的气流磨节能50%50%；采用刚玉、碳化硅或；采用刚玉、碳化硅或PUP

11、U（环）等作易磨件因而磨耗低，产品受污染少，纯（环）等作易磨件因而磨耗低，产品受污染少，纯度高，可加工无铁质污染的粉体，也可粉碎硬度高度高，可加工无铁质污染的粉体，也可粉碎硬度高的物料；结构紧凑，简单；噪音小；可实现操作自的物料；结构紧凑，简单；噪音小；可实现操作自动化。动化。但但造价较高。造价较高。 2.2.流化床对撞式气流粉碎机流化床对撞式气流粉碎机材料科学与工程学院材料科学与工程学院 （4 4）优缺点）优缺点 优点：优点：粉碎效率高，能耗低粉碎效率高，能耗低：气流带颗粒呈多角度对撞，作用力大，粉粒的气流带颗粒呈多角度对撞，作用力大，粉粒的受力复杂，外加的能量被粉粒充分吸收，受力复杂，外加

12、的能量被粉粒充分吸收，喷射功喷射功损耗少损耗少；把流化床原理与把流化床原理与平卧式涡轮超细分级器平卧式涡轮超细分级器相结合相结合，使细料及时排出，减少了因细粉过粉碎而损失，使细料及时排出，减少了因细粉过粉碎而损失的能量。的能量。与圆盘式气流磨相比，与圆盘式气流磨相比，平均能耗减少平均能耗减少3050%3050% 。2.2.流化床对撞式气流粉碎机流化床对撞式气流粉碎机材料科学与工程学院材料科学与工程学院 磨损轻，污染少磨损轻，污染少：从第一次撞击，粉粒主要是进从第一次撞击，粉粒主要是进行相互之间的冲撞，对室外壁冲撞少。行相互之间的冲撞，对室外壁冲撞少。 设备体积小，占地面积少设备体积小，占地面积

13、少：在同等生产能力的前在同等生产能力的前提下，流化床对撞式气流磨比圆盘式气流磨体积提下，流化床对撞式气流磨比圆盘式气流磨体积减少减少1015%，占地面积减少，占地面积减少1530%。 自动化程度高，噪声小，生产能力大自动化程度高，噪声小，生产能力大，适合于大，适合于大规模工业化生产。规模工业化生产。2.2.流化床对撞式气流粉碎机流化床对撞式气流粉碎机材料科学与工程学院材料科学与工程学院 缺点缺点： 颗粒不断高速冲击分级叶片，在生产超硬粉粒时颗粒不断高速冲击分级叶片，在生产超硬粉粒时，分级叶片的磨损仍很严重。，分级叶片的磨损仍很严重。2.2.流化床对撞式气流粉碎机流化床对撞式气流粉碎机材料科学与

14、工程学院材料科学与工程学院 （5 5）应用）应用： 高硬物料、高纯物料、难粉碎层状非金属矿、热高硬物料、高纯物料、难粉碎层状非金属矿、热敏性和密集气孔性物料等。敏性和密集气孔性物料等。2.2.流化床对撞式气流粉碎机流化床对撞式气流粉碎机材料科学与工程学院材料科学与工程学院 （6 6）特征）特征 利用一对或若干对喷嘴相对喷射时产生的超音速气流使利用一对或若干对喷嘴相对喷射时产生的超音速气流使物料彼此从两个或多个方向相互冲击和碰撞而粉碎。物料彼此从两个或多个方向相互冲击和碰撞而粉碎。 由于物料高速直接对撞，冲击强度大，能量利用率高，由于物料高速直接对撞，冲击强度大，能量利用率高，可用于粉碎莫氏硬度

15、可用于粉碎莫氏硬度10级以下的各种脆性和韧性物料，级以下的各种脆性和韧性物料，产品粒度可达亚微米级。产品粒度可达亚微米级。 还克服了靶式靶板和循环式磨体易损坏的缺点，减少了还克服了靶式靶板和循环式磨体易损坏的缺点，减少了对产品的污染，延长了使用寿命。对产品的污染，延长了使用寿命。 是一种较理想和先进的气流粉碎机。是一种较理想和先进的气流粉碎机。 2.2.流化床对撞式气流粉碎机流化床对撞式气流粉碎机材料科学与工程学院材料科学与工程学院（7 7）拉瓦尔喷管）拉瓦尔喷管材料科学与工程学院材料科学与工程学院（a）亚音速射流喷嘴）亚音速射流喷嘴 （b）音速射流喷嘴）音速射流喷嘴 （c）超音速射流喷嘴）超

16、音速射流喷嘴 常用射流的喷嘴形式常用射流的喷嘴形式 d*d*d*（8 8）拉瓦尔喷管设计）拉瓦尔喷管设计材料科学与工程学院材料科学与工程学院超音速喷嘴一般有四部分构成：超音速喷嘴一般有四部分构成：稳定段稳定段、亚音速亚音速渐缩段渐缩段、喉部临界截面喉部临界截面和和超音速扩散段超音速扩散段，如图所示。，如图所示。这四部分应当用光滑圆弧相连接，构成一个光滑的内这四部分应当用光滑圆弧相连接，构成一个光滑的内腔型面。腔型面。1dd2d0l1l2l超音速喷嘴结构示意图超音速喷嘴结构示意图 （8 8）拉瓦尔喷管设计）拉瓦尔喷管设计材料科学与工程学院材料科学与工程学院喷嘴各截面参数的计算（喷嘴各截面参数的计

17、算（1 1）1、任意截面状态与滞止状态的关系2、临界状态与滞止状态的关系 3、任意截面与临界状态的关系20211MKTT120)211 (KKMKPP1120)211 (KMK120*KTT10*)12(KKKPP110*)12(KK2*) 1(21MKKTT12*) 1(21KKMKKPP112*) 1(21KMKK212*) 1(21MKKMVV)1(212*)211 (121KKMKKMAA120*KKRTV材料科学与工程学院材料科学与工程学院参数计算（参数计算（2 2）1、已知滞止参数及出口速度通过V/V*的关系求M，进而计算所有参数2、已知滞止参数及出口马赫数根据马赫数可求出所有截面

18、的参数3、已知滞止参数及出口压力通过出口压力与滞止压力的关系求出出口截面马赫数，进而计算出口截面参数材料科学与工程学院材料科学与工程学院例子：一台蒸汽喷射器的喷嘴，使用的蒸汽压力P0=1.0MPa，T0=200，流量Q=2kg/s， 要求出口压力50000Pa。求喷嘴主要参数。 过热蒸汽绝热指数1.30，气体常数0.4615 ，蒸汽密度4.6083 。第一步：选择喷嘴类型1、计算临界压力比2、计算出口压力比 需采用拉瓦尔喷嘴第二步：计算出口马赫数第三步：计算出口截面参数第四步：计算临界截面参数第五步：计算几何尺寸5457. 005. 01000000500000*0PPPaPaPPe11.kkgkj5457. 0)130. 12()12(130. 130. 110*KKKPP5773. 2) 105. 0(130. 12 1)(1230. 1130.