氣流粉碎基礎(chǔ)理論概要

1、 氣流粉碎原理壓縮空氣或過熱蒸汽通過噴嘴后,，產(chǎn)生高速氣流,且在噴嘴附近形成很高的速度梯度，通過噴嘴產(chǎn)生的超音速高湍流作為顆粒載體1劉智勇，潘永亮，曾文碧. 超細(xì)氣流粉碎技術(shù)在輕工業(yè)中的應(yīng)用J.皮革科學(xué)與工程，2007，17(3)：35-38。物料經(jīng)負(fù)壓的引射作用進(jìn)入噴管，高壓氣流帶著顆粒在粉碎室中作回轉(zhuǎn)運動并形成強(qiáng)大旋轉(zhuǎn)氣流，物料顆粒之間不僅要發(fā)生撞擊，而且氣流對物料顆粒也要產(chǎn)生沖擊剪切作用，同時物料還要與粉碎室發(fā)生沖擊、摩擦、剪切作用。如果碰撞的能量超過顆粒內(nèi)部需要的能量，顆粒就將被粉碎。粉碎合格的細(xì)小顆粒被氣流推到旋風(fēng)分離室中，較粗的顆粒則繼續(xù)在粉碎室中進(jìn)行粉碎，從而達(dá)到粉碎目的2王莉.

2、氣流粉碎技術(shù)及應(yīng)用J.1997，2（3）：204-2083蔡艷華，馬冬梅，彭汝芳. 超音速氣流粉碎技術(shù)應(yīng)用研究新進(jìn)展J.化工進(jìn)展，2008，27（5）：671-675。研究證明：80%以上的顆粒是依靠顆粒間的相互沖擊碰撞被粉碎的，只有不到20%的顆粒是通過顆粒與粉碎室內(nèi)壁的碰撞和摩擦被粉碎。經(jīng)氣流粉碎后的物料平均粒度細(xì)，粒度分布較窄，顆粒表面光滑，顆粒形狀規(guī)整，純度高，活性大，分散性好；可粉碎低熔點和熱敏性材料及生物活性制品4李珣，陳文梅，褚良銀. 超細(xì)氣流粉碎設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J.化工裝備技術(shù)，2005，26（1）：27-32。氣流粉碎技術(shù)具有如下重要特征5楊裴，夏俊玲，石碩年，等. 氣流

3、粉碎技術(shù)在尼莫地平微粉生產(chǎn)中的應(yīng)用研究J.無機(jī)鹽工業(yè)，2005，37(1)：50-52；6盛勇，劉彩兵，涂銘旌. 超微粉碎技術(shù)在中藥生產(chǎn)現(xiàn)代化中的應(yīng)用優(yōu)勢及展望J. 中國粉體技術(shù)，2003，9(3)：28-31：（1）由于壓縮空氣在噴嘴處絕熱膨脹會使系統(tǒng)溫度降低，顆粒的粉碎是在低溫瞬間完成的，從而避免了某些物質(zhì)在粉碎過程中產(chǎn)生熱量而破壞其化學(xué)成分的現(xiàn)象發(fā)生，尤其適用于熱敏性物料的粉碎。（2）氣流粉碎純粹是物理行為，既沒有其它物質(zhì)摻入其中，也沒有高溫下的化學(xué)反應(yīng)，因而保持物料的原有天然性質(zhì)。（3）因為氣流粉碎技術(shù)是根據(jù)物料的自磨原理而實現(xiàn)對物料的粉碎，粉碎的動力是空氣。粉碎腔體對產(chǎn)品污染極少，粉

4、碎是在負(fù)壓狀態(tài)下進(jìn)行的，顆粒在粉碎過程中不發(fā)生任何泄漏。只要空氣經(jīng)過凈化，就不會造成新的污染源。 氣流粉碎工藝參數(shù)的研究氣流粉碎機(jī)的參數(shù)研究包括幾何參數(shù)和工藝參數(shù)。幾何參數(shù)包括噴嘴直徑、噴嘴與噴嘴（或靶）間的軸向距離、粉碎室直徑等，工藝參數(shù)主要包括：原料初始粒度、分級輪頻率、工質(zhì)壓力（氣流速度）、引射壓力（進(jìn)料速度）等。.1氣流速度效應(yīng)分析氣流速度即為空壓機(jī)所輸送的氣體通過噴嘴進(jìn)入粉碎室時的速度。設(shè)在高速氣流中運動的顆粒，其質(zhì)量為m，高速氣流賦予它的運動速度為w，則該顆粒所具有的動能為：E=0.5mw2。動能E只有一部分用于物料顆粒的粉碎上，這部分的動能記為E。當(dāng)物料顆粒對著沖擊板或?qū)χ谶\

5、動的其它顆粒發(fā)生沖擊碰撞時，這部分能量用下式表示： （7-1）式中，wi發(fā)生沖擊碰撞時顆粒所具有的速度；沖擊碰撞后顆粒速度的恢復(fù)系數(shù)，<1。假設(shè)脆硬性的物料顆粒是絕對彈性體，則顆粒沖擊破壞所需的功，可以表示為： （7-2）式中，物料的強(qiáng)度極限；E 物料的彈性模量；物料的密度；m 顆粒的質(zhì)量。顯然，為了使物料顆粒發(fā)生粉碎，必要的條是：便可以求出使顆粒發(fā)生粉碎所必需的沖擊速度wi： （7-3）由此可知，為了達(dá)到超微粉碎的目的，氣流粉碎的氣流必須具有很高的速度，才能產(chǎn)生很大的能量7言仿雷.超微氣流粉碎技術(shù)J.材料科學(xué)與工程，2000，18（4）：145-149。因此提高噴嘴的氣流速度，對提高物

6、料粉碎效果、粉碎效率是有利的楊云川，李國康. 超細(xì)粉體氣流粉碎技術(shù)探析J. 化工礦物與加工，2002(6):23-25 王工，汪英. 氣流粉碎裝置粉碎效能分析J.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，27（2）：238-240。但是，如果過高地追求高速度，則要增加能耗。同時，根據(jù)陸厚根、李鳳生陸厚根. 粉體技術(shù)導(dǎo)論M. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1998；李鳳生. 特種超細(xì)粉體制備技術(shù)及應(yīng)用M. 北京：國防工業(yè)出版社，2002的研究，當(dāng)氣流速度高到某一值時，粉碎效率不但不再上升反而呈下降趨勢。因此，單純提高氣流速度對能源消耗、粉碎效率等也是不利的。陳海焱、Arnaud Picot等的研究表明：工質(zhì)壓力提高使

7、顆粒獲得的動能增加，碰撞能量增加，產(chǎn)品粒度更細(xì)。但是工質(zhì)壓力增加到某一值時，粒度減少的趨勢變緩。這是因為噴嘴氣流速度與工質(zhì)壓力并非線性關(guān)系，當(dāng)工質(zhì)壓力超過一定值時，打破了噴嘴前后的壓力比，在粉碎室產(chǎn)生激波，氣相穿過激波時速度下降而固相速度幾乎不變，氣固相的速度差導(dǎo)致固相撞擊速度下降而影響了粉碎效果陳海焱，王成端.超音速流化床氣流磨系統(tǒng)參數(shù)的研究J. 化工礦物與礦工，2001(4)：4-7；Arnaud Picot，Christophe Lacroix. Effect of Micronization on Viability and Thermotolerance of Probiotic F

8、reeze-dried CulturesJ. International Dairy Journal，2003，13(6)：455-462。因此，工質(zhì)壓力應(yīng)有一個最優(yōu)值。Rudinger認(rèn)為，氣流粉碎過程中，顆粒濃度越高，加速過程中能量損失會更少。要使顆粒有效地粉碎，碰撞時的速度必須足夠高，即使在高顆粒濃度下，也可以通過提高噴嘴的壓力而使顆粒加速，但是，壓力不能無限地增大，因為隨著壓力的增加，壓縮機(jī)的能耗將以非線性的方式快速地增加18Rudinger G. Fundamentals of gas-particle flowJ.Handbook of Powder Technology,1980

9、:1-75。.2 進(jìn)料速度（進(jìn)料量）進(jìn)料速度是影響粉碎效果的重要參數(shù)之一17王永強(qiáng)，王成端. 氣流粉碎機(jī)動態(tài)參數(shù)對粉碎效果影響的研究J. 中國粉體技術(shù)，2003，9(2) ：20-28；20Tuunila R，Nystrstrom L. Technical Note Effect of Grinding Parameter on Product Fineness in Jet Mill GrindingJ. Minerals Engineering，1998，11(11) ：1089-1094；21Laurence Godet-Morand，Alain Chamayou， John Dodds

10、. Talc Grinding in an Opposed Air Jet Mill：Start-up，Product Quality and Production Rote OptimizationJ. Powder Technology，2002，128(2-3) ：306-313；Gommeren H J C, Heitzmann D A, Moolenaar A C, et al. Modelling and control of a jet mill plantJ. Powder Technology, 2000,108:147-154，進(jìn)料速度主要由粉碎區(qū)的持料量決定。進(jìn)料速度的大

11、小決定粉碎室每個顆粒受到的能量的大小。當(dāng)加料速度過小，粉碎室內(nèi)顆粒數(shù)目不多時，顆粒碰撞機(jī)會下降，顆粒粒徑變大；當(dāng)進(jìn)料速度過大時，粉碎室內(nèi)的顆粒濃度增加，每個顆粒所獲得的動能減少，導(dǎo)致由碰撞轉(zhuǎn)變成顆粒粉碎的應(yīng)變能變小，顆粒粒徑增加，顆粒粒度分布大，因此尋找最佳進(jìn)料速度是很重要的。陳海焱.陳海焱，張明星，顏翠平. 流化床氣流粉碎中持料量的控制J.煤炭學(xué)報，2009,34（3）：390-393等根據(jù)理論分析和實驗數(shù)據(jù)，建立了氣流粉碎的持料量與粉碎區(qū)的顆粒體積濃度的關(guān)系為：MH=V(1-)s+G式中，MH氣流粉碎機(jī)的持料量，kg； 氣流粉碎分級區(qū)中有效空間體積，m3； （1-）氣流粉碎分級區(qū)顆粒所占體

12、積與氣流所占體積的比值，即Vs/V；s固體顆粒的密度，kg/m3；流化床氣流粉碎區(qū)底部填料量，與流化床底部結(jié)構(gòu)有關(guān)，kg。通過實驗發(fā)現(xiàn)流化床氣流粉碎機(jī)磨腔中的持料量對粉碎效果和出料粒度的穩(wěn)定性有重要影響，持料量的大小與氣流粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)大小、底部形狀，粉碎物料的密度和流動參數(shù)相關(guān)。Midoux 23 Midoux N， Hosek P. Micronization of Pharmaceutical Substances in a Spiral Jet MillJ. Powder Technology，1999，104(2) ：113-120給出了扁平式氣流磨中加料速度與粉碎直徑的關(guān)系式。Lau

13、rence等人在對噴式氣流磨的研究中發(fā)現(xiàn)，每一級分級輪轉(zhuǎn)速都有一個最佳給料速度與之相對應(yīng)，并通過實驗予以驗證Laurence Godet-Morand，Alain Chamayou，John Dodds.Talcgrinding in an opposed air jet mill：start-up，product quality and production rate optimization. Power Technology 2002.。.3 其它兩噴嘴末端的距離或噴嘴末端與靶的距離稱為分離距離。Siti Masrinda Tasirin22 Siti Masrinda Tasirin，

14、Derek Geldart. Experimental Investigation on Fluidized Bed Jet Grinding. Powder Technology，1999，105(1-3)：337-341對分離距離對粉碎效果的影響作了分析，指出：對噴嘴-靶式粉碎機(jī)，隨著分離距離的減小，粉碎速度增大，顆粒粒徑減?。粚娮?噴嘴式粉碎機(jī)，顆粒尺寸隨分離距離的增加略有減小。但是經(jīng)噴嘴噴射出的流體速度的衰減很快，如果分離距離太大，粉碎室里顆粒所獲得的動能將會減少，所得的產(chǎn)品粒徑就會增加，影響了粉碎效果，所以這個結(jié)論的正確性還值得思考。A. C. Bentham， C. C. Kwa

15、n， R. Boerefijin， M. Ghadin. Fluidised bed jet milling of pharmaceutical powders. Power Technology，2004 對藥粉進(jìn)行流化床式氣流粉碎，分析了單個粒子在噴射區(qū)受力破碎的過程，認(rèn)為在一定參數(shù)條件下針對某幾種產(chǎn)品的粉碎可達(dá)到最佳效果。 氣流粉碎理論的研究根據(jù)氣流粉碎原理，其基礎(chǔ)理論研究主要包括了以下方面：高速氣流的形成，顆粒在高速氣流中的加速規(guī)律，顆粒沖擊粉碎規(guī)律，氣流粉碎機(jī)參數(shù)的研究。.1高速氣流的形成.1.1噴嘴氣流粉碎中物料粉碎的能量來源于高速氣流，高速氣流則是依靠噴嘴將氣流的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能而

16、形成的。氣流粉碎的噴嘴可分為收縮型和縮擴(kuò)型(Laval型)，目前主要采用縮放型噴嘴。在氣流粉碎機(jī)研制之初，在計算方法的確定、型面曲線修正、起始擴(kuò)散角控制等方面，研究人員依據(jù)氣體動力學(xué)原理，在噴嘴的設(shè)計理論和基礎(chǔ)實驗研究方面作了一定的工作。N.Rink將靜止的顆粒和氣流通過較長的Laval噴嘴加速獲得了較大的顆粒速度，其理論與實驗的結(jié)果證明這種噴嘴適合于顆粒粉碎l1Rink.N.Research into the acceleration of materials in Laval jet nozzlesJ.Chemie ingenieur Technik，1975，47(7):311。葉菁等利

17、用定常二維無旋超音速流的數(shù)值方法特征線法，結(jié)合氣流粉碎機(jī)的流動特征，分析了噴嘴管壁特征線的設(shè)計方法，提出了等流能噴嘴設(shè)計的方法與步驟8葉菁，陳家炎，王啟宏.超音速氣流粉碎等流能噴嘴計算J.武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1990(2):25-30。陳志敏等對超音速氣流粉碎機(jī)的噴嘴流動狀態(tài)及結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了分析，探討了獲得有效噴射速度的超音速噴嘴的設(shè)計方法7陳志敏，徐敏.超音速氣流粉碎機(jī)噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究J.機(jī)械工程與科學(xué)，1995，53(1):77-82。金鈴采用Fluent軟件對流化床氣流粉碎機(jī)噴嘴位置進(jìn)行了數(shù)字模擬，分析粉碎機(jī)腔體中的流場，分析結(jié)果表明，在噴嘴位置的設(shè)計上，存在最佳的安裝位置，使得粉碎性

18、能達(dá)到最佳金鈴. 流化床粉碎機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值模擬及對噴嘴位置的影響J.礦山機(jī)械，2009，37（15）：81-84。這與金振中的研究結(jié)果相一致金振中，崔巖，金鏞國，等.流化床式氣流粉碎機(jī)中噴嘴徑向位置對粉碎性能的影響J.礦山機(jī)械，2008，36（3）：80-83。M Grujicic 等人通過對噴嘴流場分析，優(yōu)化了噴嘴內(nèi)型，使得氣體的拖曳力增加，顆粒的加速度增大，在相同的距離速度進(jìn)一步提高，這樣增大了物料顆粒的速度，不但可以將顆粒更加細(xì)化，而且提高了系統(tǒng)的效率M Grujicic，C Tong，W S DeRosset，et al. Flow analysis and nozzle-shape

19、 optimization for the cold-gas dynamic-spray process J.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B：Engineering Manufacture，2003，217(11)：1603-1613。Hiroshi Katanoda等對顆粒在超音速噴嘴內(nèi)部和外部的流動流場做了數(shù)值模擬和分析，并對顆粒的速度和溫度分布做了預(yù)測和分析Hiroshi Katanoda，Matsuo KazuyasuAnalysis of particle behavior in highve

20、locity oxyfuel thermal spraying processJJournal of Thermal Science，2003，12(3)：17-21。楊軍瑞等為解決傳統(tǒng)氣流粉碎能量利用率不高、物料加速效果差、粉碎效果差等問題，通過對氣流粉碎中噴嘴結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，設(shè)計了一種新型環(huán)形復(fù)合噴嘴。通過Fluent數(shù)值模擬，表明新型環(huán)形復(fù)合噴嘴比常規(guī)噴嘴具有射流速度快、射流相對集中和射程遠(yuǎn)等優(yōu)點楊軍瑞，胥海倫，陳海焱. 新型環(huán)形復(fù)合噴嘴的數(shù)值模擬分析與研究J.中國粉體技術(shù)，2009，15（4）：11-14。王利文等對氣流粉碎裝置的噴嘴結(jié)構(gòu)和參數(shù)運用均勻設(shè)計法進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化，采用流體動力學(xué)軟

21、件對所設(shè)計噴嘴進(jìn)行流場模擬，應(yīng)用有限元分析軟件對噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，討論了入口直徑、入口穩(wěn)定段長度、喉部臨界截面和內(nèi)腔造型對噴嘴性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，入口壓力3.5MPa，入口直徑為6mm的噴嘴為設(shè)計的最佳噴嘴內(nèi)腔錐角在8°-12°之間變化時，對噴嘴的性能影響不大，內(nèi)腔造型為光滑曲面時噴嘴性能最佳王利文，潘家禎，王子剛，等. 超音速氣流粉碎噴嘴數(shù)值模擬J.力學(xué)與實踐，2009（2）：17-21王子剛，潘家禎. 超音速氣流粉碎機(jī)噴嘴的模擬與實驗研究J.化工裝備技術(shù)，2008，29（6）：1-5，7。何楓、謝峻石等人根據(jù)可壓縮流體軸對稱n-s方程，利用RA N-湍流模

22、式和有限體積法，采用四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對不同內(nèi)部流道型線的噴嘴自由射流進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：軸對稱等直徑圓管噴嘴，進(jìn)口處的流道型線對射流流道參數(shù)的分布影響較大；軸對稱收縮噴嘴的收縮角大小主要影響射流出口附近的流動，對流動具有不同的阻滯效果，并據(jù)此提出收縮噴嘴內(nèi)部流道型線采用維多辛斯基曲線可以獲得優(yōu)良的流動特性謝峻石，何楓. 噴嘴內(nèi)部流道型線對射流流場的影響J.機(jī)械開發(fā)，2001，18(4):42-47 何楓，謝峻石，楊京龍.噴嘴內(nèi)部流道型線對射流流場的影響J.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2001，18(4):114-119.。.1.2研磨氣體氣流粉碎最常用的工作介質(zhì)有三種:壓縮空氣、過熱蒸汽和惰性氣體，較

23、多采用空氣作介質(zhì)。陳海焱等的理論分析和實驗驗證表明，蒸汽氣流磨的能量轉(zhuǎn)換形式為：燃料過熱蒸汽的勢能和熱能過熱蒸汽的動能物料顆粒的動能。相對于空氣氣流磨而言，能量轉(zhuǎn)換少了兩個損失較大的過程，即過熱蒸汽的勢能電能，電能壓縮空氣的勢能，可見蒸汽氣流磨的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空氣氣流磨。粉碎過程中，以過熱蒸汽作為介質(zhì)，噴嘴出口處產(chǎn)生的氣流速度高達(dá)3馬赫，是壓縮空氣為介質(zhì)時產(chǎn)生的氣流速度的1.5倍左右，故粉碎能力更強(qiáng)l3陳海焱，李顯寅，張家達(dá).應(yīng)用過熱蒸汽干法制備超細(xì)粉的研究J.四川冶金，1997，19(3):53-55。金振中等通過對熱壓縮空氣與過熱蒸汽、冷壓縮空氣的比較，證明以熱壓縮空氣為工質(zhì)所產(chǎn)生的粉碎力大

24、于以冷壓縮空氣為工質(zhì)所產(chǎn)生的粉碎力，且更加經(jīng)濟(jì)金振中，王洪斌，葛曉陵，等. 熱壓縮空氣在氣流粉碎中的應(yīng)用及其加料器噴嘴設(shè)計J.化工礦物與加工，2006（9）：18-22王雅萍等為探索采用過熱蒸汽對氣流粉碎分級機(jī)性能的影響，利用Fluent軟件對流化床式氣流粉碎機(jī)進(jìn)行整體建模，并分別以空氣和蒸汽兩種介質(zhì)作為工質(zhì)，計算和分析氣流粉碎腔內(nèi)部流場和溫度場狀態(tài)。結(jié)果表明：采用過熱蒸汽介質(zhì)時的噴嘴出口處氣流速度的最大值約為空氣介質(zhì)時的1.8倍；采用蒸汽介質(zhì)在分級區(qū)形成穩(wěn)定的徑向、軸向流場速度要大于空氣介質(zhì)時的流場速度；在微負(fù)壓條件下，采用過熱蒸汽介質(zhì)，由粉碎區(qū)至分級區(qū)粉碎腔內(nèi)部有150-240 的溫度變化

25、，腔內(nèi)能夠保持干燥運行王雅萍，朱目成，陳海焱. 過熱蒸汽氣流粉碎分級機(jī)的數(shù)值模擬J.材料科學(xué)與技術(shù)，2009，28（2）：167-170。吉曉莉等分析了流化床中工質(zhì)種類和狀態(tài)對比能耗和效率的影響，實驗表明，與空氣相比，水蒸氣具有成本低、臨界速度高、氣固比小、能量利用率高、粉碎強(qiáng)度大、物料在粉碎室中粘壁程度低、產(chǎn)品不帶靜電荷等優(yōu)點14吉小莉，崔亞偉，葉菁.流化床式氣流磨工作介質(zhì)和入料顆粒的選擇J.武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999，21(4):40-43。舒朗等以電廠余熱蒸汽為介質(zhì)，對低等級粉煤灰進(jìn)行氣流超微粉碎，通過對設(shè)備工況的調(diào)節(jié)，能高效、廉價地制備各種微米尺度的粉煤灰超微粉體。粒度分析和SEM 圖

26、像顯示，粉碎后粉煤灰平均粒度細(xì)，粒度分布較窄，能有效地保護(hù)粉煤灰顆粒的球狀結(jié)構(gòu)，細(xì)化后的級粉煤灰具有較高的火山灰活性，并具有一定的減水作用舒朗，盧忠遠(yuǎn)，嚴(yán)云，等.電廠余熱蒸汽粉碎級粉煤灰的研究J.中國粉體技術(shù)，2008,14（3）：32-35。余博等以低等級干排粉煤灰為原料，以蒸汽氣流粉碎系統(tǒng)為手段，利用火電廠低品位過熱蒸汽制備超細(xì)粉煤灰。結(jié)果表明:過熱蒸汽氣流粉碎可以低成本、規(guī)?；貙Φ偷燃壏勖夯疫M(jìn)行超細(xì)粉碎，能有效保護(hù)粉煤灰的玻璃微珠結(jié)構(gòu)，加劇物料的晶格畸變及無定形化，制備出的超細(xì)粉體具有良好的粒徑分布和形貌特征，活性提高至125以上，達(dá)到混凝土和砂漿用一級粉煤灰的技術(shù)要求余博，陳海焱，舒

27、朗，等. 用電廠低品位過熱蒸汽制備超細(xì)粉煤灰J.金屬礦山，2008（2）：146-149。氮氣主要用于粉碎易于氧化、燃燒和爆炸的物料。zhao等利用水平圓盤式氣流磨實驗研究了氦氣、水蒸氣、空氣和二氧化碳作介質(zhì)對氣體動能的影響，結(jié)果表明:小分子量的氣體能研磨出更細(xì)的粉體，氦氣、水蒸氣比空氣(或氮氣)能研磨出更細(xì)的粉體，且都比CO2好16Zhao Q.Q.，Schurr G.A. Effect of motive gases on fine grinding in a fluid energy millJ. Powder technology，2002，122:129-135。.2 顆粒在高速氣流

28、中的加速規(guī)律研究目前氣流粉碎機(jī)的設(shè)計中，一直依據(jù)射流軸心速度衰減速度在10de20de，確定噴嘴距粉碎中心點的距離。沒有考慮顆粒加入噴射氣流后對氣流速度的影響，也未考慮顆粒在氣流中加速的距離要求。對于不同的工質(zhì)，噴嘴出口速度的表達(dá)式不同5蔡相涌,王洪斌,束雯等. 氣流粉碎機(jī)用氣力加料器設(shè)計參數(shù)研究. 華東理工大學(xué)學(xué)報,2002,28 (6) :649-653；6蔡相涌,王洪斌,王元華等. 氣流粉碎機(jī)用蒸汽加料器設(shè)計參數(shù)研究.華東理工大學(xué)學(xué)報,2002 ,28 (6) :654-56 。壓縮空氣工質(zhì)噴嘴出口速度為：式中，p0，pp1噴嘴進(jìn)口、出口處的壓力；0進(jìn)口處的比容；k定熵指數(shù)，空氣的k =

29、1.4。而過熱蒸汽工質(zhì)噴嘴出口速度是：式中，i 比焓，J/kg。這兩個公式對物料不通過噴嘴的情況進(jìn)行計算是比較準(zhǔn)確的，而對物料通過噴嘴的情況則需要進(jìn)行修正，因為氣流中的顆粒對氣體的速度有影響。Voropayev7 Voropayev S，Eskin D. Optimal Particle Acceleration in a Jet Mill Nozzle. Minerals Engineering，2002，15(6)：47-49指出，固體顆粒在氣流磨中的加速過程包括兩個階段：氣固混合時的加速和氣固流在噴嘴中的加速。目前，對物料和壓縮氣體一起通過噴嘴的情況下顆粒的加速規(guī)律研究得比較多。氣體壓入

30、混合室與物料混合，由于混合室的壓力稍低于噴射氣流的壓力，所以混合是在低速下進(jìn)行的，能量損失較少。經(jīng)過動量傳遞和能量轉(zhuǎn)換，混合物成為氣固均質(zhì)二相流。物料以一定角度進(jìn)入氣流，致使運動為非一維流動。令u為x方向的氣流速度，p 為顆粒的速度，V為速度松弛時間。假設(shè)顆粒以x方向的速度分量up ，0，y方向速度p，0進(jìn)入氣流，拖曳力系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的拖曳力系數(shù)，則：（3）（4）式中，D 顆粒的粒徑；氣體密度。此式中前一項參數(shù)代表與顆粒初速度相關(guān)的雷諾數(shù)。令，對公式（3）積分，得（5）所以當(dāng)Z = 0 時，獲得顆粒的最大滲透量ymax ：（6）同理，可得（7）G.Rudinger18Rudinger G. Fun

31、damentals of gas-particle flowJ.Handbook of Powder Technology,1980:1-75從單一顆粒出發(fā)，假定氣流沿其行程的速度是時間的一次函數(shù)，即u(t)=ue+bt，從理論上推導(dǎo)出了單個顆粒運動速度與噴嘴氣流出口速度之間的關(guān)系為：（1-1）式中，us顆粒速度隨時間變化的值； ue、u(t)氣流出口速度和氣流速度隨時間變化的函數(shù)值； V運動的速度松弛時間； t時間； s顆粒密度； ds顆粒直徑； ug氣流的粘性系數(shù)。氣流粉碎中噴嘴氣流速度出口通常是減速的。但是當(dāng)氣流速度為時間的二次函數(shù)時，求解顆粒的氣流速度較為困難。在實際工作中，求解顆粒在

32、不同氣流運動速度曲線下的空間位置的變化更為重要。Rumpf曾根據(jù)斯托克斯阻力定律推導(dǎo)出顆粒在一定氣流速度下所獲得的運動速度與加速距離之間的關(guān)系為19 H.Rumpf.Principen der prallzerkleinerung und ihre anvendung bei der strahlmahlungJ.Chemie-ingenieru-technik,1960,32(3):335-342：（1-2）G.Rudinger1818Rudinger G. Fundamentals of gas-particle flowJ.Handbook of Powder Technology,19

33、80:1-75對噴嘴中氣固兩相流的情況在一定的假設(shè)條件下用7個方程進(jìn)行了描述，即氣體的連續(xù)性方程、固體顆粒的連續(xù)性方程、氣固混合物的動量方程、由于氣體與固體的速度差而產(chǎn)生的曳力(其相互作用的力)方程、熱傳遞方程、狀態(tài)方程。對于可壓縮流體流動的描述，還補(bǔ)充能量方程和與壓力、溫度、密度相關(guān)的狀態(tài)方程。而且，氣流粉碎希望能將動能盡可能大地用于固體顆粒的粉碎，減小能耗，因此能量問題是研究的重點之一。W.Gregor和K.Schonert20Gregor W., SehonertK. The Efficiency of the Particle Aceeleration in a Jet pipeJ.P

34、owder Technology，1983，34(1):81-86認(rèn)為在氣流粉碎中，用噴嘴的膨脹氣流加速顆粒，由于噴嘴壁面的摩擦，氣體與顆粒之間的滑移以及在噴嘴出口的氣流未消耗動能，能量并未完全轉(zhuǎn)化為顆粒的動能。他們用噴嘴出口的顆粒動能與所施加的總能量之比定義噴嘴的加速效率，推導(dǎo)出Laval噴嘴內(nèi)所加速顆粒的加速效率為:（1-3）式中，噴嘴加速效率；use噴嘴末端氣顆粒速度；L噴嘴長度D噴嘴直徑氣固濃度、s純氣流和有顆粒加入時的摩擦因子?？梢姡瑖娮斐隹诘臍饬魉俣扰c顆粒速度之比、氣固濃度和噴嘴的幾何尺寸對顆粒的加速效率均有影響。W.Gregor和K.Schonert研究指出，由于能量損失，輸入的

35、能量只有部分能用于接下來的粉碎過程，能量損失主要包括:噴嘴出口處氣體動能的損失;氣體與器壁摩擦引起的能量損失;固體顆粒與器壁摩擦引起的能量損失;氣體與顆粒之間存在的速度差產(chǎn)生的滑移引起的能量損失。D.Eskin2lD.Eskin，S.VoroPayev，O.Vasilkov. Simulation of jet MillingJ.Powder Techno1ogy.1999,105(1-3):257-265；22 Eskin.D.，VoroPayev.S. Engineering estimations of Opposed Jet milling efficiencyJ. Minerals

36、Engineering, 2001,14(10):1161-1175建立了氣流粉碎氣固混合流的動力學(xué)模型，建立不同顆粒濃度的條件下氣流粉碎的性能分析與設(shè)計。通過模擬分析表明:固體顆粒的質(zhì)量流量和顆粒尺寸對能量的損失有很大的影響，從而影響噴嘴中顆粒的加速過程。固氣質(zhì)量流量比是決定流動過程中顆粒速度的重要參數(shù)之一。顆粒與噴嘴內(nèi)壁的磨擦的模型雖然還進(jìn)一步的研討，但都可以估計動能損失的范圍。根據(jù)能量和動量守恒，假設(shè)氣固流在噴嘴中的流動過程為等壓過程、進(jìn)料速度為0，從而估算出氣固的非彈性氣固作用而引起的氣體動能的損失為:（1-4）式中:Eloss氣體的動能損失；Ekin一氣體流過噴嘴的動能式(1-4)表

37、明，對于高值的氣固流，噴嘴加速效率不高，能量損失大。因此噴嘴氣流粉碎機(jī)效率的降低主要是由顆粒的加速過程引起的。Eskin還提出了一維單分散模型，它考慮了流體的多分散性和顆粒與噴嘴壁的摩擦，提出了最一般的方程組。由于噴嘴中的能量損失主要是由氣固流的粘性引起的，因此他根據(jù)流動模型估計了能量損失:（1-5）D.ESkin and H.Kalman23D.Eskin, H.Kalman. Engineering model of friction of gas-solids flow in a jet mill nozzleJ. Chen. Eng. Technol.,2002,25(1):57-64

38、建立了一個簡單的顆粒與噴嘴壁摩擦能損失的估算的計算模型。摩擦被認(rèn)為是顆粒與噴嘴壁碰撞引起動能損失的過程。假定加速顆粒的偏心碰撞引起了徑向顆粒運動。這個模型符合一般的動能定律，不同的是在產(chǎn)生階段假定了平均徑向速度。為了獲得一個方向的近似值，摩擦動能損失分配在過流橫斷面所有的顆粒上。數(shù)值研究表明如果噴嘴壁面粗糙，顆粒的摩擦?xí)O大地降低顆粒速度。D.Eskin對顆粒加速的研究做了很多工作，是理論研究的一大進(jìn)展，為氣流粉碎機(jī)設(shè)計者提供重要的信息，但是他對顆粒加速的影響因素只是定性地做了分析，沒有給出影響的關(guān)系式;而且只用加速效率去表征了顆粒的加速過程，沒有推導(dǎo)出顆粒的速度，這些都有待于進(jìn)一步研究。O.

39、Triesch和M.Bohnet24O.Triesch, M.Bohnet. Measurement and CFD prediction of velocity and concentration profile in a decelerated gas-solids flow J.Powder Technology,2001,115(2):103-113應(yīng)用CFD軟件，利用Lagrangian法模擬計算了管道和擴(kuò)散段中的氣固流。在軟件中加入計算顆粒相互干擾，顆粒與管壁的碰撞以及顆粒角速度的子程序后，模擬計算管道中的軸向顆粒速度和氣固濃度，結(jié)果與采用激光測速(PDA)技術(shù)測試結(jié)果非常吻合。.

40、3 氣流沖擊粉碎規(guī)律的研究顆粒碰撞比較復(fù)雜的問題是顆粒的碰撞概率，顆粒在加速后能否相互碰撞及碰撞幾率對氣流粉碎機(jī)的能效比有較大的影響。1959年，RumPf應(yīng)用Hertz理論分析了顆粒碰撞的應(yīng)力分布與沖擊速度的關(guān)系，結(jié)出了兩顆粒以一定的速度碰撞所產(chǎn)生的最大應(yīng)力為：（1-6）式中，m1、m2兩顆粒的質(zhì)量，kg； r1、r2兩顆粒碰撞部位的曲率半徑，m； 1、2兩顆粒的泊松比； Y1、Y2兩顆粒的彈性模量； 顆粒的相對運動速度，m/s。在特殊情況下，其中， 介質(zhì)中聲速當(dāng)max超過顆粒在一定粒級下的強(qiáng)度時，即產(chǎn)生破壞，RumPf據(jù)此計算出了不同沖擊速度下，球與球、球與平板相撞時的max/Z值。并對玻

41、璃球和石灰石進(jìn)行的高速沖擊粉碎試驗證明:從能耗的角度來說，不同的物料以及不同粒度的同一物料都存在著一個最優(yōu)的沖擊速度，使粉碎的能耗最低。當(dāng)速度大于該值時，能得到更細(xì)的產(chǎn)品，但能量利用率降低。RumPf還借用分子論中自由平均行程來表示顆粒間的平均距離:(1-9)式中，顆粒間的平均距離；（1-）固體容積濃度。Rumpf認(rèn)為越小，碰撞幾率越大。當(dāng)顆粒的減速路程大于其時，顆粒才能碰撞，否則，顆粒未能相撞已停止運動。因此氣流粉碎實際研究中，主要間接地從加料速度與粉碎效果的關(guān)系上，摸索顆粒的容積濃度的大小，保持比較理想的顆粒碰撞幾率，同時不因顆粒容積濃度太大而影響顆粒在氣流中的加速。Eskin22 Esk

42、in.D.，VoroPayev.S. Engineering estimations of Opposed Jet milling efficiencyJ. Minerals Engineering, 2001,14(10):1161-1175，23D.Eskin, H.Kalman. Engineering model of friction of gas-solids flow in a jet mill nozzleJ. Chen. Eng. Technol.,2002,25(1):57-64應(yīng)用了Kuerten模型，考慮了單向流動和顆粒在靜止氣體中的減速，對氣流粉碎區(qū)進(jìn)行了分析。規(guī)定9

43、5%的顆粒與其相反方向運動的顆粒碰撞的區(qū)域在噴嘴軸向上的長度為I95：（1-10）由式(l-10)計算可知，I95很短。因此，顆粒在粉碎區(qū)的碰撞頻率很高，而強(qiáng)烈的碰撞過程必然導(dǎo)致顆粒的減速，所以粉碎區(qū)中的顆粒濃度和水力阻力會有很大的提高，與在自由噴射中的值相比，其值也將提高。另外一個重要的問題是氣體對顆粒碰撞過程的影響。Eskin為了建立一個模型，做了如下假設(shè)：a 高速氣固流流進(jìn)靜止的粉碎區(qū)；b 高顆粒濃度的區(qū)域在粉碎區(qū)中心形成，而且假設(shè)氣體和固體顆粒在粉碎區(qū)的速度都為0；c 在粉碎區(qū)入口處，氣體和固體的速度相等，u = us；d.粉碎區(qū)的u值與在噴嘴中的u值相等；e顆粒碰撞模型與用于計算噴嘴

44、中氣固流的模型相同。假設(shè)噴射流中的顆粒進(jìn)入粉碎區(qū)時未改變方向，通過與粉碎區(qū)靜止的顆粒碰撞和靜止氣體流動產(chǎn)生的摩擦而減速。顆粒與顆粒間的碰撞可看作是一個力對顆粒的作用，這個力可進(jìn)一步認(rèn)為在自由程內(nèi)是個常數(shù)，可計算為：（1-11）式中，k顆粒與顆粒碰撞的復(fù)位系數(shù)。如果假設(shè)碰撞的顆粒是極好的塑性物料，碰撞的力與粉碎區(qū)入口處的摩擦力之比22為（1-12）式中，Re雷諾數(shù)，可根據(jù)顆粒速度計算，因為顆粒是在靜止氣體中運動。這個公式在0.5Re10000范圍內(nèi)是有效的。如果物料是極好的彈性材料，則上式中的乘數(shù)2必須變?yōu)?，即 上述對顆粒沖擊粉碎的探討，有一定的局限性，包含大量缺陷的顆粒破碎遠(yuǎn)比理論上建立的力

45、學(xué)過程復(fù)雜。顆粒粉碎后的粒徑是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題。同時，顆粒粉碎的環(huán)境不同，顆粒的狀態(tài)、性能、設(shè)備及工況不同，顆粒的破碎與能耗關(guān)系也不同，很難有一個通用的表達(dá)式，而且許多參數(shù)必須采用實驗的方法進(jìn)行確定。但在單顆粒的基礎(chǔ)上研究了顆粒的比粉碎能與顆粒碰撞強(qiáng)度的關(guān)系，認(rèn)為顆粒的粉碎粒徑與顆粒自身的一些性能有較大關(guān)系，由此給出顆粒粉碎所需碰撞速度的大小，對以沖擊破碎為機(jī)理的氣流粉碎而言，有一定的指導(dǎo)作用。若能從微觀角度和顆粒間的相互作用出發(fā)，研究顆粒碰撞過程中裂紋的發(fā)生、發(fā)展和聚集過程，以及顆粒的運動，碰撞受力、能量傳遞等，能更明確顆粒斷裂的本質(zhì)。Yashima12 Yashima S. Relati

46、onships Between Particle Size and Fracture Energy or Impact Velocity Required to Fracture as Estimated from Single Particle Crushing. Powder Technology，1987，51(3)：277-282、Kanda13 Kanda Y. A Consideration of Grinding Limit Based on Fracture Mechanics. Powder Technology，1986，48 (3)：263-267；14 Kanda Y.，Abe Y.，Hosoya T.，et al. A Consideration of Ultrafine Grinding Based o