，，

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249； 2. 河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊050018)

顆粒分級(jí)作為粉體物料加工制備與應(yīng)用的基本操作，廣泛應(yīng)用于化工、建材、冶金、電子、醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域。近十多年來，顆粒分級(jí)技術(shù)的研究和設(shè)備開發(fā)得到了重視并取得了多方面進(jìn)展[1-5]，為渦流選粉機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)高精度分級(jí)提供了良好條件。

渦流選粉機(jī)的進(jìn)料方式通常取決于整體的設(shè)計(jì)布置，并對(duì)粉料的分散及選粉機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)有一定的影響，進(jìn)而影響選粉機(jī)的分級(jí)性能，例如，LHC型立輪式選粉機(jī)的進(jìn)料方式主要依據(jù)流化催化裂化催化劑(FCC)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)[6-8]。部分立輪式選粉機(jī)采用機(jī)械撒料盤或氣力輸送方式進(jìn)料，改善物料分散性和入料均勻性[9-11]。文獻(xiàn)[12-13]分別采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)比考察了上、下2種進(jìn)料方式對(duì)一種立輪式選粉機(jī)分級(jí)性能及產(chǎn)量、粒徑分布的影響，發(fā)現(xiàn)采用上進(jìn)料方式后顆粒在轉(zhuǎn)籠外緣圓柱面上更為均勻，有利于得到粒徑分布窄的細(xì)粉，但受轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速影響較大。然而，現(xiàn)有的研究工作主要集中于立輪式氣流選粉機(jī)進(jìn)料方式的設(shè)計(jì)上，臥輪式氣流選粉機(jī)還是一種較新型的設(shè)備[14-16]，目前針對(duì)臥輪式選粉機(jī)的進(jìn)料方式研究很少，Bauder等[17]指出根據(jù)情況可采用上部或下部進(jìn)料方式，但對(duì)進(jìn)料方式的具體影響尚不清楚。故此依據(jù)臥輪式選粉機(jī)的使用現(xiàn)狀及轉(zhuǎn)籠旋向，設(shè)計(jì)、考察了上部進(jìn)料、側(cè)面逆旋向進(jìn)料及側(cè)面順旋向進(jìn)料3種進(jìn)料方式下選粉機(jī)的分級(jí)性能，旨在探索進(jìn)料方式對(duì)臥輪式氣流分級(jí)性能的影響，為臥輪式氣流選粉機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 物料分級(jí)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)物料

試驗(yàn)物料為FCC催化劑，采用BT9300S型激光粒度分析儀，對(duì)其粒度分布進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)以20 μm粒徑為分級(jí)點(diǎn)，即小于20 μm的顆粒為細(xì)粉，大于20 μm的顆粒為粗粉。

表1 分級(jí)物料的粒徑分布Tab.1 Particle size distribution of FCC catalyst

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置及流程圖如圖1所示。采用負(fù)壓抽風(fēng)操作，試驗(yàn)物料加入選粉機(jī)后，粗顆粒經(jīng)分級(jí)后進(jìn)入下部收集斗，細(xì)顆粒通過轉(zhuǎn)籠葉片間隙經(jīng)出氣管排出；進(jìn)氣量由皮托管流量計(jì)測(cè)算并通過閥門調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)籠由電機(jī)帶動(dòng)，通過變頻器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

圖1 試驗(yàn)裝置流程圖Fig.1 Flow diagram of experimental system

試驗(yàn)的3種進(jìn)料方式如圖2所示。氣流由下部風(fēng)口進(jìn)入，上升至分級(jí)室后，在轉(zhuǎn)籠帶動(dòng)下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較強(qiáng)的離心分級(jí)力場(chǎng)。根據(jù)上部分級(jí)室內(nèi)轉(zhuǎn)籠帶動(dòng)氣流旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方向與物料進(jìn)入時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向。圖2a為側(cè)面逆旋向進(jìn)料方式，圖2b為側(cè)面順旋向進(jìn)料方式，圖2c為選粉機(jī)上部進(jìn)料。測(cè)定不同操作參數(shù)下的粗粉收率、粗粉中的細(xì)粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、粗粉和細(xì)粉的粒度分布，并計(jì)算每次試驗(yàn)下的牛頓分級(jí)效率和部分分級(jí)效率(粒級(jí)效率)。

注：紅色代表顆粒流，藍(lán)色代表氣流運(yùn)動(dòng)。圖2 不同進(jìn)料方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of different feeding types

1.3 分級(jí)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

牛頓分級(jí)效率ηN是綜合考察粗、細(xì)顆粒分離程度的指標(biāo)，能較確切地反映分級(jí)設(shè)備的分級(jí)性能，牛頓分級(jí)效率越高，表明粗、細(xì)組分的混摻量越少，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：xf為原料中粗顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；xa為細(xì)粉中粗顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；xb為粗粉中粗顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的影響

選粉機(jī)運(yùn)行過程中，調(diào)節(jié)操作參數(shù)(主要為轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速和進(jìn)風(fēng)量)可改變產(chǎn)品的細(xì)度，其中轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速為最常用的調(diào)節(jié)參數(shù)。設(shè)定進(jìn)風(fēng)量恒定為186 m3/h，通過變頻器改變轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速分別為600、900、1 200、1 500 r/min。

圖3為牛頓分級(jí)效率隨轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖可知，轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min增加至1 500 r/min過程中，牛頓分級(jí)效率均先緩慢增加后快速下降，臨界轉(zhuǎn)速約為1 200 r/min。這是由于轉(zhuǎn)速太大，造成轉(zhuǎn)籠邊緣氣流切向速度較大，20 μm以下的小顆粒受到較大的離心作用，難以進(jìn)入轉(zhuǎn)籠內(nèi)部，被大顆粒夾帶進(jìn)入粗組分被收集。此外，轉(zhuǎn)速過大將加劇分級(jí)室內(nèi)氣流湍動(dòng)，造成嚴(yán)重的顆粒返混；轉(zhuǎn)速太小則物料受氣流作用力相對(duì)較大，粗粉易隨氣流逃逸，造成“跑粗”現(xiàn)象，這都引起牛頓分級(jí)效率的下降。顯然，不同轉(zhuǎn)速下，上部進(jìn)料時(shí)選粉機(jī)的牛頓分級(jí)效率一直較高，分級(jí)效果最好，而側(cè)面逆旋向進(jìn)料時(shí)分級(jí)效果最差，2種進(jìn)料方式下牛頓分級(jí)效率平均相差約11%，可見，進(jìn)料方式對(duì)臥輪式選粉機(jī)的分級(jí)性能有重要影響。

圖4為上部進(jìn)料時(shí)選粉機(jī)的部分分級(jí)效率隨轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖可知，隨顆粒粒徑的減小，部分分級(jí)效率曲線均呈現(xiàn)下降、稍有上升后繼續(xù)下降的總體趨勢(shì)，即曲線在很小粒徑時(shí)出現(xiàn)拖尾。這與常規(guī)的“魚鉤”曲線[18]有所不同，可能由于該粒徑段小顆粒受氣流湍動(dòng)、解離作用較強(qiáng)，難以團(tuán)聚長(zhǎng)大為假粗顆粒，也可能由物料種類及測(cè)量?jī)x器誤差等引起的。

隨轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的增加，粗顆粒的損失量逐漸減少，但當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到1 500 r/min時(shí)，細(xì)顆粒含量顯著增加，細(xì)產(chǎn)品收率降低較多；而轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，粗顆粒損失量較大，綜合分級(jí)效果也不理想?？梢姡?dāng)工藝風(fēng)量確定時(shí)，存在合適的轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速使分級(jí)效果最佳。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下的牛頓分級(jí)效率Fig.3 Newton classification efficiency under different rotor cage speeds

圖4 部分分級(jí)效率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.4 Variations of partial classification efficiency with rotor cage speed

2.2 進(jìn)風(fēng)量的影響

通過調(diào)節(jié)變頻器，設(shè)定轉(zhuǎn)籠輪的轉(zhuǎn)速恒定為1 200 r/min，通過調(diào)節(jié)管路閥門使進(jìn)風(fēng)量分別為107、136、186、235 m3/h。

圖5為不同進(jìn)料方式下牛頓分級(jí)效率隨進(jìn)風(fēng)量的變化曲線。由圖可知，隨風(fēng)量增加牛頓分級(jí)效率均先較快變大后逐漸減小，對(duì)比而言，上部進(jìn)料時(shí)牛頓分級(jí)效率總是較大，最大值約為78%。風(fēng)量增加可改善物料的分散性，降低顆粒團(tuán)聚的概率，同時(shí)增大小顆粒的曳力，粗細(xì)顆粒間夾帶減少，分離程度增加；但風(fēng)量過大后，轉(zhuǎn)籠外側(cè)的平均徑向氣速增大，氣流湍動(dòng)也加劇，粗顆粒被氣流夾帶誤入細(xì)組分的概率增加，造成牛頓分級(jí)效率開始下降。此外，較大風(fēng)量時(shí)，氣流上升速度增加，物料采用側(cè)面逆旋向進(jìn)入時(shí)也可獲得較好的分散性，進(jìn)料方式對(duì)分級(jí)效果的影響被削弱。

圖5 不同風(fēng)量時(shí)的牛頓分級(jí)效率Fig.5 Newton classification efficiency under different air volume rate

圖6為上部進(jìn)料時(shí)部分分級(jí)效率曲線隨風(fēng)量的變化曲線。由圖可以看出，在不同風(fēng)量下，部分分級(jí)效率曲線均出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。風(fēng)量從136 m3/h增加至186 m3/h過程中，細(xì)顆粒含量的下降幅度較大，風(fēng)量超過186 m3/h后，細(xì)顆粒含量基本不再降低，但粗顆粒跑損增多，影響分級(jí)效果。

圖6 部分分級(jí)效率隨風(fēng)量的變化曲線Fig.6 Variations of partial classification efficiency with air volume

綜合分析圖4和圖6可以看出，通過改變轉(zhuǎn)籠的轉(zhuǎn)速和進(jìn)風(fēng)量，難以徹底消除粗產(chǎn)品中的細(xì)顆粒夾帶，這是由超細(xì)顆粒易團(tuán)聚的特性和選粉機(jī)內(nèi)氣流湍動(dòng)等多種因素造成的，但是可以通過進(jìn)一步優(yōu)化選粉機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)分布，改善物料分散性等措施來提高分級(jí)精度。

2.3 進(jìn)料方式影響分析

立輪式選粉機(jī)普遍采用撒料盤進(jìn)行物料分散，然而，由于結(jié)構(gòu)限制，這種進(jìn)料方式并不適合臥輪式選粉機(jī)。氣流由下部風(fēng)口上升運(yùn)動(dòng)至臥輪式選粉機(jī)分級(jí)室后，在轉(zhuǎn)籠作用下轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氣流切向速度較大。上部加料時(shí)，物料首先受旋轉(zhuǎn)氣流強(qiáng)剪切作用進(jìn)行沖擊、分散，粗顆粒逐漸向外運(yùn)動(dòng)，細(xì)顆粒向中心運(yùn)動(dòng)，隨氣流旋轉(zhuǎn)至下方時(shí)遇底部上升的淘洗氣流，細(xì)粉繼續(xù)跟隨氣流旋轉(zhuǎn)，粗粉則落入下部的浮升區(qū)，開始沉降下落，此過程中顆粒的分散與分級(jí)作用比較充分。

側(cè)面進(jìn)料時(shí)，物料入口處的流場(chǎng)強(qiáng)度較小，氣流對(duì)顆粒的剪切作用弱，顆粒分散性較差，另一方面，大部分顆?？拷鼩け?，易形成“短路”直接沿壁面下落，造成細(xì)粉夾帶嚴(yán)重，尤其采用側(cè)面逆旋向進(jìn)料，旋轉(zhuǎn)氣流趨于將物料壓向邊壁，這更加不利于物料分散，分級(jí)效果較差。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究不同進(jìn)料方式及轉(zhuǎn)籠的轉(zhuǎn)速和進(jìn)風(fēng)量對(duì)臥輪式氣流選粉機(jī)分級(jí)效果的影響，得出如下結(jié)論：

1)采用上部進(jìn)料能夠使物料在強(qiáng)旋轉(zhuǎn)氣流中獲得較好的剪切分散，提高粗、細(xì)顆粒的分離程度，有效地提高牛頓分級(jí)效率，是一種比較合適的臥輪式選粉機(jī)的進(jìn)料方式。

2)部分工藝中需要采用側(cè)面進(jìn)料時(shí)，顆粒入口的位置設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)向及分級(jí)室內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)方向，避免形成較多的壁面“短路”顆粒流。相較于逆旋向進(jìn)料方式，順旋向進(jìn)料方式更有利于使物料向中心運(yùn)動(dòng)，改善物料分散性，具有相對(duì)較好的分級(jí)效果。