第六章 分级与分离

第七章分级和分离•在粉体粉碎、输送、储存等处理过程中，有时需要将粉体按不同的粒度分类，称为分级；而在生产过程中，由于流体流动、颗粒的布朗扩散等等原因，粉体颗粒会弥散在空气（流体）中，造成污染，这时就需要在排放前将粉体颗粒与空气（流体）分开，称为分离。•分离:分离就是将任何形状或密度的固体颗粒或液珠（粒度一般在10-3m）从流体中分离出来的过程。其分离作用的器具或装置系统为分离（除尘）器。对气固系统习惯称为除尘过程。相应的起居或装置系统统称为分离器或除尘器。•分级：把粉碎后的产品按某种粒度大小或不同种类的颗粒进行分选的操作过程。•筛分：将固体颗粒混合物通过具有一定大小孔径的筛面而分成不同粒度级别的过程。•选粉：利用颗粒在流体介质中沉降速度的不同，通过选粉机对颗粒进行分选的过程。•分级效率（）：分离后获得的某种成分的质量（m）与分离前粉体中所含该成分的质量之比(m0)，用下式表示：0100%mm•工业连续生产中处理的物料量一般较大，m和m0不易称量，即使能够称量，分离产品中也不可能全是要求的颗粒，总有少量其它成分的颗粒。100%100%fabafafbfabFABxFxAxBxAxFxxxxxx•设分级前粉体、分级后细粉和粗粉的质量分别为F、A、B，其中合格细颗粒的含量分别为xf、xa、xb,如果分级过程中无损伤，则根据物料质量平衡，有•综合分级效率（牛顿分级效率）：是综合考察合格细颗粒的收集程度和不合格粗颗粒的分离程度，该指标似乎更能确切地反映分级设备的分级性能，其定义为合格成分的收集率-不合格成分的残留率，数学表达式为：11111NababbaabfffbafababfbafNffabBxxAxFFxxxxxABFxxFxxxxxxxxxx式中：a,b分别为a成分、b成分的收集率，可以证明，牛顿分级效率的物理意义是粉体分级中能实现理想分级的质量比。部分分离效率•单独用综合分离效率来描述某一分离器的性能是不够的，许多时候还必须颗粒的特性分布函数来描述，经常使用的是粒度，即要知道对于某一粒级的分离效率。这时要用部分分离效率。•定义：在粒度、密度或化学成分等特性值为连续变量的场合，将特性值划分成若干区间，各区间的回收率即部分分离效率。•如图所示，曲线a,b分别为原始粉体和分级后粗粉部分的频率分布曲线。设任一粒度区间d和d+d之间的原始粉体和粗粉的质量分别为wf和wb，则以粒度为横坐标，以(wb/wf)100%为纵坐标，可得曲线c。•分级粒径也称切割粒径。曲线1在粒径dc处发生跳跃突变，意味着分级后ddc的粗颗粒全部位于粗粉中，并且粗粉中无粒径小于dc的粗颗粒，而细粉中全部为ddc的细颗粒，无粒径大于dc的粗颗粒。dc称为切割粒径。习惯上将部分分级效率为50%的粒径称为切割粒径。分级精度•实际分级结果与理想分级结果的区别表现在部分分级曲线相对于曲线1的偏离，其偏离程度可以来表示分级的精确度，即分级精度。定量公式为：7525/dd•d75和d25分别为部分分离级为75%和25%时的粒径。当粒度分布范围较宽时，分级精度可表示为：9010/dd•分级效果的综合评价：当分离效率和分级效果相同时，d50越小，分级效果越好；•当分离效率和d50相同时，分级精度越小，分级效果越好。•分级设备：筛分设备、粗分级机、离心式选粉机、旋风式选粉机、MDS组合式选粉机、O-Sepa选粉机、Sepax选粉机等。•筛分设备：一般适用于较粗物料(0.05mm)的分级，在筛分过程中，大于筛孔尺寸的物料被留在筛面上，这部分物料称为筛上料；小于筛孔尺寸的物料通过筛孔筛出，称为筛下料。为了将固体颗粒混合物分离成若干粒度级别，需使用一系列不同筛孔的筛子。•(a)由粗到细的筛序，其优点是可以将筛面由粗到细重叠布置，因而节省厂房面积；粗物料不接触细筛网可减轻细筛网的磨损；同时较难筛的细颗粒很快通过上层粗筛筛面，因而筛面不易堵塞，有利于提高筛分质量，其缺点是维修不方便。•(b)由细到粗的筛序：由于粗颗粒接触筛网，致使细筛网不仅易磨损，还易被大颗粒堵塞，降低筛分效率，但容易布置，维修方便。•(c)混合筛分：是上述两种筛序的组合，具有两者的优点。•筛面•棒条筛面：固定筛或重型振动筛，筛孔25~150mm•板状筛面：5~8钢板，筛孔尺寸10~50mm•编织筛面：弹簧钢或不锈钢制。中细粒级物料分级。•条缝筛面：不锈钢条，缝宽0.25、0.5、0.75、2mm等。•非金属筛面：天然（合成）橡胶、尼龙等。不适于细物料。•板状筛面的筛孔开口率可按下式计算：22ka100%as式中，a-筛孔的直径，s-孔壁之间的最小距离。对于平行排列的圆形筛孔，k=0.785；对于三角形排列的圆形筛孔，k=0.905;对于平行排列的方形筛孔，k=1。对于边长为a、b的长方形筛孔，有：ab100%a+sbs筛板厚度t可按下式计算：t0.625a•筛孔大小可用筛目数M表示，也可用1cm2面积上所具有的筛孔数K表示，它们之间的关系为：2MK=2.5•筛分机械分类：按筛分方式分为干式筛和湿式筛，按筛面运动特征可分为振动筛、摇动筛、回转筛和固定筛。•振动筛：是目前工业中应用最广泛的一种筛机。它与摇动筛最主要的区别在于振动筛的筛面振动方向与筛面成一定角度，而摇动筛的运动方向基本上平行于筛面。振动筛工作时，物料在筛面上主要做相对滑动，具有振幅小、频率高，消除物料堵塞现象，使筛机具有较高的筛分效率和处理能力；动力消耗少，构造简单、维修方便；使用范围广，不仅用于细筛，也可用于中粗筛分。•摇动筛：物料主要作平行于筛面的滑动。•回转筛：由筛网或筛板制成的回转筒体、支架和转动装置组成。按筒形筛面的形状有圆筒筛、圆锥筛、多角筒筛和多角锥筛四种。物料在回转筒内由于摩擦作用而被提升到一定高度，然后因重力作用沿筛面向下滚动，随之又被提升，因此物料在筒内的运动轨迹成螺旋形。在不断的下滑翻滚转动过程中，细颗粒通过筛孔落入筛下，大于筛孔尺寸的筛上料则自筛筒的大端排出。它的特点是工作平稳、冲击和振动小、易于密封收尘，维修方便。缺点是筛面利用率较低，体形较大，筛孔易堵塞，筛分效率低。影响筛分过程的因素1.物料物性的影响•物料粒度分布：理论和实验证明，物料中所含的难筛粒（粒度大于筛孔尺寸的3/4但小于筛孔尺寸的颗粒）、阻碍粒（粒度大于筛孔尺寸而小于1.5倍筛孔尺寸的颗粒）数量愈少，筛分愈容易，所得的筛分效率也愈高。•物料的湿度：物料表面的水分使细粒互相粘结成团，并附着在大粒子上，使筛孔堵塞。附着在筛丝上的水分在表面张力作用下，可能在筛孔中形成水膜，阻碍物料的通过。•物料含泥量：物料中含有泥质时，当含水量达到8%时就会使细颗粒物料粘结在一起，经筛面摇动即滚成球团，很快堵塞筛孔。可用水冲洗物料。2.筛面运动性质及其结构参数的影响•筛面运动性质：粒子垂直筛面运动，物料层的松散度大，析离速度也大，同时粒子通过筛孔的概率增大，筛分效率提高。•有效筛面面积：筛孔的面积与整个筛面面积之比。有效筛面面积愈大，筛分效率愈高。•筛面长度：筛面宽度主要影响生产力，筛面长度则影响筛分效率。筛面愈长，粒子在筛面上停留时间也长，增加了通过筛孔的机会，但不能过长，一般不超过宽度的2.5～3倍。•筛孔大小：筛孔的尺寸愈大，筛面单位面积生产率和效率也愈大。3.操作条件的影响•加料均匀性：一是单位时间的加料量应相等，二是物料沿筛面宽度须均匀分布。•料层厚度：料层的厚度愈薄，接触筛面的机会就多，提高筛分效率。•筛面倾角•粗分级机：也叫粗分离器，随带颗粒的气流在负压作用下以10～20m/s的速度由下向上从进气管1进入内外锥之间的空隙。气流刚出进气管时，特大颗粒由于惯性作用碰到反射菱锥体4后首先被撞落到外锥下部，由粗粉管排出。因两锥间继续上升的气流上部截面积扩大，气流速度降至4～6m/s，所以又有部分粗颗粒在重力作用下被分选出来，顺外锥内壁向下落至粗粉管排出。•气流在两锥之间上升至顶部后经导向叶片6进入内锥。由于方向突变，部分粗颗粒再次被分离，同时气流在导向叶片作用下作旋转运动，较细的颗粒由于离心力的作用而甩向内锥内壁并沿壁落下，最后进入粗粉管。细粉则随气流经中心排气管7排入后续的分级机进行气固分离。•离心式选粉机：也称内部循环式选粉机，属第一代选粉机。其工作原理为：物料由加料管12经中轴周围落至撒料盘10上，受离心惯性力作用向周围抛出。在气流中，较粗颗粒迅速撞到内筒内壁，失去速度沿壁滑下。其余较小颗粒随气流向上经小风叶时，又有一部分颗粒被抛向内筒壁被收回。更小的颗粒穿过小风叶，在大风叶的作用下经内筒顶上出口进入两筒之间的环形区域，由于通道扩大，气流速度降低，同时外旋气流产生的离心力使细小颗粒离心沉降到外筒内壁并沿壁下沉，最后由细粉出口9排出。内筒收回的粗粉由粗粉出口8排出。超细分级原理•离心分级：设颗粒在离心场中的圆周运动速度为ut,角速度为，回转半径为r，在Stokes沉降状态下，颗粒所受离心力Fc和介质阻力Fd分别为：32322266pptcppdprDuFDrrFKDu式中，ur为流体的径向运动速度•当FcFd时，颗粒所受的合力方向向外，因而发生离心沉降，反之，颗粒向内运动；当Fc=Fd时，有：32ppt22pr2rpc2ptDuKDu6ru6KrDu此式表明：如果颗粒的圆周速度足够大时，即可获得足够小的分级粒径•惯性分级原理：如图所示，主气流通过喷射器随带颗粒高速喷射至分级室，辅助控制气流使气流及颗粒的运动方向发生偏转，粗颗粒由于惯性大，故运动方向偏转较小，而进入粗粉收集装置；细颗粒及微细颗粒则发生不同程度的偏转，随气流沿不同的运动轨迹进入相应的出口被分别收集。主气流的喷射速度、控制气流的入射初速度和入射角几个出口支路的位置和引分量对分级粒径和分级精度有重要影响。•迅速分离原理：微细颗粒的巨大表面能使之具有强烈的聚附性。在分级力场中，这些颗粒可能拥有六场不均匀及碰撞等由于聚集成表观尺寸较大的团聚颗粒，它们在分级室中滞留的时间越长，团聚现象越严重。迅速分级原理就是为了克服这种现象而提出来的。所谓迅速分级，即是采取适当的分级室，应用适当的流场使微细颗粒尤其是临界分级粒径附件的颗粒一经分散就立即离开分级区，以避免由于它们在分级区内的浓度不断增大而聚集。迅速分级是迄今为止所有超细分级机所极力追求的。•减压分级原理：当颗粒粒径远小于气体的平均自由程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。于是，在重力场中，颗粒的沉降速度修正为：2cppmcpmpmpCgDu=18C12.460.82exp0.44D/D0.0567D当气体为空气时，m=6.6/P,P是空气压力，kPa.干式分级和湿式分级•干式分级多为气力分级。空气动力学理论的发展为多种气力分级机的研制和开发提供了坚实的理论基础。•气力超细分级的技术关键之一是分级室流场设计。理想的分级力场应该具有分级力强、有较明显的分级面、流场稳定及分级迅速等性质。如果分级区内出现紊流或涡流，比将产生颗粒的不规则运动，形成颗粒的相互干扰，严重影响颗粒分级精度和分级效率。因此设计时应避免分级区涡流的存在、流通运动轨迹的平滑性以及分级面法线方向两相流厚度尽可能小等。•技术关键之二：分级前的预分散问题。分级区的作用是将已分散的颗粒按设定粒径分离开来，它不可能具有分散的功能；而颗粒的分散性能极大地影响着分级效率。因此，分散和分级是一个密不可分的系统，预分散方法包括：•机械分散法：该分散方法又可分离心分散和射流分散，前者是给料进入分级区前先落至离心撒料盘，旋转撒料盘的离心作用将粉体均匀地撒向四周，形成一层料幕后再进行分级，如图所示。为了强调对团聚体的打散效果，可将撒料盘设计成阶梯形。射流分散是利用喷射器产生的高速喷射气流进行分散，高速