多级多尺度散式流态化精密分级塔的研究

摘要

粉体制造时，分级是决定最终粉体产品粒度组成、级别宽窄、粗细颗粒含量的关键，对窄级别或极窄级别超细粉体的制造，分级显得比粉碎更重要。为此，国内外开展了大量的理论和实验研究，以解决分级下限、分级效率和能耗三大问题。传统的干式分级由于受流场稳定性、物料分散等方面的制约，在解决窄粒度分布、切割清晰度和高回收率上存在困难。湿式分级虽然流场稳定性优于干式分级，物料分散的难度低，但存在后续干燥，甚至需要二次粉碎等弊端，故主要用于某些贵重粉体的分级。 基于现有干式分级和湿式分级各自存在的缺陷，通过详细分析超细颗粒之间的作用力和颗粒流态化后的扬析、夹带及粗细颗粒之间存在的相平衡现象，借鉴上升流分级原理和液体精馏原理，作者在此提出了多级多尺度散式流态化精密分级的干式分级方法和概念。即分级塔内设置多层筛板，每两层筛板间空域即为一分级区，靠近上层筛板的下方为稀相区，以含细颗粒为主，靠近筛板的上方为浓相区，浓相区颗粒及颗粒聚团靠倾斜滑动进入塔板低位端设置的粗颗粒聚集槽内由轴流风机引入下层筛板上的空间实现再分散，稀相区颗粒随上升气流上升至上层筛板。粉料进入塔前经过高速气流的预分散，在塔内呈散式流态化状态，小颗粒聚团和被大颗粒携带的小颗粒在下落被循环的过程中经轴流风机多次打碎分散，从而产生稀浓相颗粒在流体中的浓度平衡，使细颗粒获得多次分离，这样通过多个流化层对细颗粒的多次分离就产生出多级流态化分级效果；通过计算颗粒的终端速度，调节塔内风速的大小，可以满足分离不同粒径颗粒的分级要求，得到不同尺度要求的高纯超细粉体。经过一系列的试验、改进和优化。证明，该实验设备具有分级精度高，粒级效率高，分级下限低，易于控制等优点。 作者以超细颗粒之间的作用力理论为基础，建立了干燥条件下分级过程中超细颗粒凝并模型，并进行了定量计算，得到了本分级塔实验条件下的不同粒径石英砂颗粒凝并后的颗粒当量直径。计算结果表明，直径1μm石英砂颗粒凝并后的颗粒聚团的当量直径呵达1480μm，而直径10μm石英砂颗粒凝并后的颗粒聚团的当量直径只有279μm，对直径1～10μm石英砂颗粒，扩散力最小，可被忽略，范德华力与静电吸引力占绝对统治地位，从理论上定量解释了超细颗粒干式分级实验结果中粒级效率所呈现的鱼钩效应；另外，以超细颗粒疑并后的当量直径和流态化条件下颗粒的扬析与夹带理论为基础，建立了超细颗粒(属C类颗粒)的粒级效率模型，计算结果与实验结果基本吻合。 借助于先进的模拟软件FLUENT6.2，对分级塔进行了气流流场和颗粒轨迹的模拟计算，流场模拟计算显示：精密分级塔内静压分布基本呈阶梯状分布，沿Z轴方向，由下至上呈递减的趋势，经过每一块塔板时就产生一次显著压降，从减压分级原理上讲有利于颗粒进行分级操作；气速沿Z轴方向向上穿过整个塔体时有一个速度递减趋势，即流态化精密分级塔所采用的速度梯度原理与精馏中的温度梯度原理相对应；气流穿过塔板时速度增大，其湍动强度远远大于其它空域的湍动强度，并在匀风板上达到最大；.塔板与塔板间空域处，流场规整无涡旋，速度分布均匀，与上升流分级机流场相似。颗粒轨迹模拟结果显示：在塔内风速为0.100m/s的条件下，大颗粒群均沉降到塔的底部，小颗粒群大多数从塔顶溢出，极少数被引出气流引入下层塔板重新分离，中等粒径的颗粒均被引出气流引入下层塔板；粒径大的颗粒在沉降过程中，其动量也普遍大，但一部分经过塔板的碰撞和引出气流的吸引，动量减少，分离出的细颗粒无论粒径大小，其动量基本相同，表明了颗粒越小，其对气流的跟随性越好，越容易被分离出；颗粒粒径越大，其湍动度也相对较大，并且经过塔板时的湍动度达到最大；塔板通过的颗粒越多，颗粒的湍动度越大。模拟计算结果验证了分级塔塔板设计、粗颗粒引出系统、分级区设计和在塔内产生速度梯度的必要性，为精密分级塔总体结构上的改进和操作上的优化提供了坚实的理论依据。 在本实验装置上的分级实验结果表明：以滑石粉颗粒为原料进行分级，将塔内风速控制在0.122m/s，粒径10μm颗粒的粒级效率达到了78.78％，d95达到12.84μm；以石英砂颗粒为原料进行分级，将塔内风速控制在0.139m/s，粒径10μm颗粒的粒级效率达到了92.80％，d95达到12.58μm；在操作条件允许的条件下，加料量越少，分级效率越高；粗颗粒循环系统循环风速，在本实验中由上至下为：0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s和2.5m/s较为合适；本实验条件下，回流细粉量越大对获得更纯细颗粒越有利，但也使分级效率下降，对分级产生不利影响。分级实验中的最佳风速与计算得出的理想风速是有差别的，对于粒径10μm颗粒的计算分离风速，通过分级性能趋势图可看出，要小于实际风速，但随着风速的提高，溢流产品中粗颗粒的返混率会不断增大，严重影响分级精度，对于不同的物料，基于颗粒本身的性质(颗粒的形状，密度，各种结合力等)与颗粒群的性质，其理想风速与实际最佳风速亦有不同。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

前言

第一章分级技术综述

1.1超细分级设备简介

1.1.1惯性分级机

1.1.2重力场分级机

1.1.3离心力场分级机

1.1.4射流分级机(复合力场分级机)

1.1.5新型超细分级简介

1.1.6 正在研究中的分级原理与方法

1.2小结

1.3项目研究的目的、意义和内容

1.3.1研究的目的与意义

1.3.2研究的内容

1.3.3研究的创新点

第二章超细粉体精密分级的基本概念和理论基础

2.1基本概念

2.1.1产品粒度

2.1.2分级粒径

2.1.3分级精度

2.1.4分级效率

2.1.5分级效果的综合评价

2.2颗粒的基本物性

2.2.1颗粒的大小

2.2.2颗粒的形状系数

2.2.3颗粒的密度和空隙率

2.2.4静止角

2.2.5颗粒的分类

2.3颗粒粒径测试技术

2.3.1激光粒度仪的构造及测量原理

2.3.2使用范围及要求

2.4超细粉体分级理论分析

2.4.1惯性分级的理论分析

2.4.2离心分级原理的理论分析

2.4.3重力场分级理论分析

2.4.4影响分离粒度的各种因素

2.4.5流速分布与分级产物的粒级宽度

2.5超细颗粒的凝并团聚与分散

2.5.1超细颗粒的凝并与团聚

2.5.2超细颗粒分级前的预分散

2.6小结

第三章精密分级塔流态化分级原理与分级参数的确定

3.1流态化现象

3.2流态化分级原理

3.3起始流化速度

3.4终端速度（沉降理论）

3.4.1终端速度

3.4.2影响颗粒沉降的基本因素

3.4.3影响颗粒沉降的其它因素

3.4.4颗粒形状对沉降速度的影响

3.4.5壁效应

3.4.6流体中颗粒群的沉降过程

3.5颗粒终端速度与起始流化速度的综合关系

3.6分级参数的测定

3.6.1实验装置

3.6.2分级参数的测定

3.7小结

第四章多级多尺度散式流态化精密分级塔的设计与分离模型的建立

4.1精密分级塔的设计

4.1.1设计中需要解决的技术问题

4.1.2精密分级塔的设计构思

4.1.3精密分级塔工作过程

4.1.4精密分级塔的设计

4.1.5塔高的计算

4.1.6塔板数计算

4.1.7回流比

4.1.8塔截面的计算

4.1.9分离效率

4.1.10分级区颗粒受力分析及平衡粒径

4.2流态化分级模型的建立

4.2.1基本理论

4.2.2 C类颗粒分离模型的建立：

4.2.3理论结果与实验结果比较

4.3小结

第五章分级塔内三维流场的数值模拟

5.1湍流的基本方程

5.2湍流的数值模拟方法简介

5.2.1三维湍流数值模拟方法的分类

5.2.2直接数值模拟（DNS）简介

5.2.3大涡模拟（LES）简介

5.2.4 Reynolds平均法（RANS）简介

5.3精密分级塔的CFD流场模拟

5.3.1模型的网格分区及网格划分

5.3.2边界条件设置及湍流模型选择

5.3.3模拟结果与讨论

5.4流场模拟结论小结

第六章分级塔内颗粒运动轨迹的数值模拟

6.1颗粒流体系统的复杂性及其多尺度结构

6.2颗粒流体系统计算模型概述

6.2.1计算模型的分类与简介

6.2.2各类模型的特点及问题

6.3固体颗粒相在流场中的受力

6.4颗粒在湍流流场中的扩散

6.5颗粒和壁面的碰撞

6.5.1 Tsuji壁面碰撞模型

6.5.2 Tabakoff经验公式

6.6颗粒运动轨迹的模拟结果

6.6.1二维模型的网格划分

6.6.2初始条件与边界条件

6.6.3分级塔内颗粒运动轨迹模拟结果

6.7小结

第七章实验部分

7.1分级塔内压降的测定

7.2实验流程

7.3实验结果与讨论

7.3.1风速对滑石粉颗粒分级的影响

7.3.2风速对石英砂颗粒分级的影响

7.3.3加料速度对石英砂分级效果的影响

7.3.4循环风速对石英砂颗粒分级的影响

7.3.5回流产品量对石英砂颗粒分级的影响

7.4颗粒扫描电镜照片对比

7.5分级塔分级效果与部分超细粉分级机分级效果对比

7.6小结

结论与展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文