第八章 分級與分離

1、第七章第七章 分級和分離分級和分離 在粉體粉碎、輸送、儲存等處理過程中，有時需要將粉體按不同的粒度分類，稱為分級；而在生產(chǎn)過程中，由于流體流動、顆粒的布朗擴散等等原因，粉體顆粒會彌散在空氣（流體）中，造成污染，這時就需要在排放前將粉體顆粒與空氣（流體）分開，稱為分離。 分離分離:分離就是將任何形狀或密度的固體顆?；蛞褐椋６纫话阍?0-3m）從流體中分離出來的過程。其分離作用的器具或裝置系統(tǒng)為分離（除塵）器。對氣固系統(tǒng)習慣稱為除塵過程。相應(yīng)的起居或裝置系統(tǒng)統(tǒng)稱為分離器或除塵器。 分離效率（）：分離后獲得的某種成分的質(zhì)量（m）與分離前粉體中所含該成分的質(zhì)量之比(m0)，用下式表示：0100%mm

2、 工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)中處理的物料量一般較大，m和m0不易稱量，即使能夠稱量，分離產(chǎn)品中也不可能全是要求的顆粒，總有少量其它成分的顆粒。100%100%fabafafbfabFABx Fx Ax Bx Ax Fxxxxxx 設(shè)分級前粉體、分級后細粉和粗粉的質(zhì)量分別為F、A、B，其中合格細顆粒的含量分別為xf、xa、xb,如果分級過程中無損傷，則根據(jù)物料質(zhì)量平衡，有 綜合分級效率（牛頓分級效率）：是綜合考察合格細顆粒的收集程度和不合格粗顆粒的分離程度，該指標似乎更能確切地反映分級設(shè)備的分級性能，其定義為合格成分的收集率-不合格成分的殘留率，數(shù)學(xué)表達式為：11111Nababbaabfffbafababf

3、bafNffabBxx Ax FFxxxxxABFxxFxxxxxxxxxx部分分離效率部分分離效率 單獨用綜合分離效率來描述某一分離器的性能是不夠的，許多時候還必須顆粒的特性分布函數(shù)來描述，經(jīng)常使用的是粒度，即要知道對于某一粒級的分離效率。這時要用部分分離效率。 定義：在粒度、密度或化學(xué)成分等特性值為連續(xù)變量的場合，將特性值劃分成若干區(qū)間，各區(qū)間的回收率即部分分離效率。 如圖所示，曲線a,b分別為原始粉體和分級后粗粉部分的頻率分布曲線。設(shè)任一粒度區(qū)間d和d+d之間的原始粉體和粗粉的質(zhì)量分別為wf和wb，則以粒度為橫坐標，以(wb/wf)100%為縱坐標，可得曲線c。 分級粒徑也稱切割粒徑。曲

4、線1在粒徑dc處發(fā)生跳躍突變，意味著分級后ddc的粗顆粒全部位于粗粉中，并且粗粉中無粒徑小于dc的粗顆粒，而細粉中全部為ddc的細顆粒，無粒徑大于dc的粗顆粒。 dc稱為切割粒徑。習慣上將部分分級效率為50%的粒徑稱為切割粒徑。分級精度分級精度 實際分級結(jié)果與理想分級結(jié)果的區(qū)別表現(xiàn)在部分分級曲線相對于曲線1的偏離，其偏離程度可以來表示分級的精確度，即分級精度。定量公式為：7525/dd d75和d25分別為部分分離級為75%和25%時的粒徑。當粒度分布范圍較寬時，分級精度可表示為：9010/dd 分級效果的綜合評價：當分離效率和分級效果相同時，d50越小，分級效果越好； 當分離效率和d50相同

5、時，分級精度越小，分級效果越好。 分級設(shè)備：篩分設(shè)備、粗分級機、離心式選粉機、旋風式選粉機、MDS組合式選粉機、O-Sepa選粉機、Sepax選粉機等。 篩分設(shè)備：一般適用于較粗物料(0.05mm)的分級，在篩分過程中，大于篩孔尺寸的物料被留在篩面上，這部分物料稱為篩上料；小于篩孔尺寸的物料通過篩孔篩出，稱為篩下料。 為了將固體顆粒混合物分離成若干粒度級別，需使用一系列不同篩孔的篩子。 (a)由粗到細的篩序，其優(yōu)點是可以將篩面由粗到細重疊布置，因而節(jié)省廠房面積；粗物料不接觸細篩網(wǎng)可減輕細篩網(wǎng)的磨損；同時較難篩的細顆粒很快通過上層粗篩篩面，因而篩面不易堵塞，有利于提高篩分質(zhì)量，其缺點是維修不方便

6、。 (b)由細到粗的篩序：由于粗顆粒接觸篩網(wǎng)，致使細篩網(wǎng)不僅易磨損，還易被大顆粒堵塞，降低篩分效率，但容易布置，維修方便。 (c) 混合篩分：是上述兩種篩序的組合，具有兩者的優(yōu)點。 篩面篩面 棒條篩面：固定篩或重型振動篩，篩孔25150mm 板狀篩面：58鋼板，篩孔尺寸1050mm 編織篩面：彈簧鋼或不銹鋼制。 中細粒級物料分級。 條縫篩面：不銹鋼條，縫寬0.25、0.5、0.75、2mm等。 非金屬篩面：天然（合成）橡膠、尼龍等。不適于細物料。 板狀篩面的篩孔開口率可按下式計算：22ka100%as式中，a-篩孔的直徑，s-孔壁之間的最小距離。對于平行排列的圓形篩孔，k=0.785；對于三角

7、形排列的圓形篩孔，k=0.905;對于平行排列的方形篩孔，k=1。對于邊長為a、b的長方形篩孔，有： ab100%a+sbs篩板厚度t可按下式計算：t0.625a 篩孔大小可用篩目數(shù)M表示，也可用1cm2面積上所具有的篩孔數(shù)K表示，它們之間的關(guān)系為：2MK=2.5 篩分機械分類：按篩分方式分為干式篩和濕式篩，按篩面運動特征可分為振動篩、搖動篩、回轉(zhuǎn)篩和固定篩。 振動篩：是目前工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種篩機。它與搖動篩最主要的區(qū)別在于振動篩的篩面振動方向與篩面成一定角度，而搖動篩的運動方向基本上平行于篩面。振動篩工作時，物料在篩面上主要做相對滑動，具有振幅小、頻率高，消除物料堵塞現(xiàn)象，使篩機具有較高

8、的篩分效率和處理能力；動力消耗少，構(gòu)造簡單、維修方便；使用范圍廣，不僅用于細篩，也可用于中粗篩分。 搖動篩：物料主要作平行于篩面的滑動。 回轉(zhuǎn)篩：由篩網(wǎng)或篩板制成的回轉(zhuǎn)筒體、支架和轉(zhuǎn)動裝置組成。按筒形篩面的形狀有圓筒篩、圓錐篩、多角筒篩和多角錐篩四種。物料在回轉(zhuǎn)筒內(nèi)由于摩擦作用而被提升到一定高度，然后因重力作用沿篩面向下滾動，隨之又被提升，因此物料在筒內(nèi)的運動軌跡成螺旋形。在不斷的下滑翻滾轉(zhuǎn)動過程中，細顆粒通過篩孔落入篩下，大于篩孔尺寸的篩上料則自篩筒的大端排出。它的特點是工作平穩(wěn)、沖擊和振動小、易于密封收塵，維修方便。缺點是篩面利用率較低，體形較大，篩孔易堵塞，篩分效率低。 粗分級機：也叫粗

9、分離器，隨帶顆粒的氣流在負壓作用下以1020m/s的速度由下向上從進氣管1進入內(nèi)外錐之間的空隙。氣流剛出進氣管時，特大顆粒由于慣性作用碰到反射菱錐體4后首先被撞落到外錐下部，由粗粉管排出。因兩錐間繼續(xù)上升的氣流上部截面積擴大，氣流速度降至46m/s，所以又有部分粗顆粒在重力作用下被分選出來，順外錐內(nèi)壁向下落至粗粉管排出。 氣流在兩錐之間上升至頂部后經(jīng)導(dǎo)向葉片6進入內(nèi)錐。由于方向突變，部分粗顆粒再次被分離，同時氣流在導(dǎo)向葉片作用下作旋轉(zhuǎn)運動，較細的顆粒由于離心力的作用而甩向內(nèi)錐內(nèi)壁并沿壁落下，最后進入粗粉管。細粉則隨氣流經(jīng)中心排氣管7排入后續(xù)的分級機進行氣固分離。 離心式選粉機：也稱內(nèi)部循環(huán)式選

10、粉機，屬第一代選粉機。其工作原理為：物料由加料管12經(jīng)中軸周圍落至撒料盤10上，受離心慣性力作用向周圍拋出。在氣流中，較粗顆粒迅速撞到內(nèi)筒內(nèi)壁，失去速度沿壁滑下。其余較小顆粒隨氣流向上經(jīng)小風葉時，又有一部分顆粒被拋向內(nèi)筒壁被收回。更小的顆粒穿過小風葉，在大風葉的作用下經(jīng)內(nèi)筒頂上出口進入兩筒之間的環(huán)形區(qū)域，由于通道擴大，氣流速度降低，同時外旋氣流產(chǎn)生的離心力使細小顆粒離心沉降到外筒內(nèi)壁并沿壁下沉，最后由細粉出口9排出。內(nèi)筒收回的粗粉由粗粉出口8排出。超細分級原理 離心分級：設(shè)顆粒在離心場中的圓周運動速度為ut,角速度為，回轉(zhuǎn)半徑為r，在Stokes沉降狀態(tài)下，顆粒所受離心力Fc和介質(zhì)阻力Fd分別

11、為：32322266pptcppdprDuFDrrFK D u 式中，ur為流體的徑向運動速度 當FcFd時，顆粒所受的合力方向向外，因而發(fā)生離心沉降，反之，顆粒向內(nèi)運動；當Fc=Fd時，有：32ppt22pr2rpc2ptDuK D u6ru6K rDu此式表明：如果顆粒的圓周速度足夠大時，即可獲得足夠小的分級粒徑 慣性分級原理：如圖所示，主氣流通過噴射器隨帶顆粒高速噴射至分級室，輔助控制氣流使氣流及顆粒的運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，粗顆粒由于慣性大，故運動方向偏轉(zhuǎn)較小，而進入粗粉收集裝置；細顆粒及微細顆粒則發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)，隨氣流沿不同的運動軌跡進入相應(yīng)的出口被分別收集。主氣流的噴射速度、控制氣流

12、的入射初速度和入射角幾個出口支路的位置和引分量對分級粒徑和分級精度有重要影響。 迅速分離原理：微細顆粒的巨大表面能使之具有強烈的聚附性。在分級力場中，這些顆?？赡軗碛辛鶊霾痪鶆蚣芭鲎驳扔捎诰奂杀碛^尺寸較大的團聚顆粒，它們在分級室中滯留的時間越長，團聚現(xiàn)象越嚴重。迅速分級原理就是為了克服這種現(xiàn)象而提出來的。所謂迅速分級，即是采取適當?shù)姆旨壥?，?yīng)用適當?shù)牧鲌鍪刮⒓氼w粒尤其是臨界分級粒徑附件的顆粒一經(jīng)分散就立即離開分級區(qū)，以避免由于它們在分級區(qū)內(nèi)的濃度不斷增大而聚集。迅速分級是迄今為止所有超細分級機所極力追求的。 減壓分級原理：當顆粒粒徑遠小于氣體的平均自由程m時，由于顆粒周圍產(chǎn)生分子滑動而導(dǎo)致顆

13、粒所受的阻力減小。于是，在重力場中，顆粒的沉降速度修正為：2cppmcpmpmpC gDu=18C12.460.82exp0.44D /D0.0567D 當氣體為空氣時，m=6.6/P, P是空氣壓力，kPa.干式分級和濕式分級 干式分級多為氣力分級。空氣動力學(xué)理論的發(fā)展為多種氣力分級機的研制和開發(fā)提供了堅實的理論基礎(chǔ)。 氣力超細分級的技術(shù)關(guān)鍵之一是分級室流場設(shè)計。理想的分級力場應(yīng)該具有分級力強、有較明顯的分級面、流場穩(wěn)定及分級迅速等性質(zhì)。如果分級區(qū)內(nèi)出現(xiàn)紊流或渦流，比將產(chǎn)生顆粒的不規(guī)則運動，形成顆粒的相互干擾，嚴重影響顆粒分級精度和分級效率。因此設(shè)計時應(yīng)避免分級區(qū)渦流的存在、流通運動軌跡的平

14、滑性以及分級面法線方向兩相流厚度盡可能小等。 技術(shù)關(guān)鍵之二：分級前的預(yù)分散問題。分級區(qū)的作用是將已分散的顆粒按設(shè)定粒徑分離開來，它不可能具有分散的功能；而顆粒的分散性能極大地影響著分級效率。因此，分散和分級是一個密不可分的系統(tǒng)，預(yù)分散方法包括： 機械分散法：該分散方法又可分離心分散和射流分散，前者是給料進入分級區(qū)前先落至離心撒料盤，旋轉(zhuǎn)撒料盤的離心作用將粉體均勻地撒向四周，形成一層料幕后再進行分級，如圖所示。為了強調(diào)對團聚體的打散效果，可將撒料盤設(shè)計成階梯形。射流分散是利用噴射器產(chǎn)生的高速噴射氣流進行分散，高速射流使粉體顆粒在噴射區(qū)發(fā)生強烈的碰撞和剪切，從而將顆粒聚團破壞。 化學(xué)分散法：采用合

15、適的表面活性劑，可以有效地降低微細顆粒的表面能，提高粉體的分散性。但表面活性劑有兩個問題：其一是盡管活性劑的加入量很少，但卻會引起粉體性能的變化，所以要選用對粉體性能無影響的分散劑；其二是分散劑一般以液體形式加入，為達到均勻分散的效果，需增加機械攪拌裝置，因而增加了整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度。 濕式分級：與干式分級相比，以液體為分散介質(zhì)的濕式分級，由于流量、流速、壓力等參數(shù)相對易于控制，分散效果好，可以達到微米甚至納米級的分級粒徑，分級精度和分散效率也較高，尤其適合于與濕法粉磨設(shè)備配套使用。濕式分級的難題在于分級后的產(chǎn)品依然是懸浮液，需將液體和固體顆粒再次進行分離。分離的方法有壓濾和噴霧干燥等方法，無

16、論何種方法，干燥后的粉體都存在不同程度的結(jié)塊和板結(jié)現(xiàn)象，這種粉體顆粒的二次團聚現(xiàn)象往往會給超細粉體的性能帶來不利影響。超細分級的有關(guān)問題 超細顆粒分級與大顆粒分級的本質(zhì)區(qū)別在于超細顆粒的強烈聚附性及其在流場中運動的極弱的自主性。要獲得理想的分級效果，必須解決顆粒的分散問題以及使流場問題。1.分級作業(yè)與物料性質(zhì)：粉體的物理性質(zhì)是影響分級過程的重要因素之一。大多數(shù)有機粉體黏附性較強，并且在分級過程中易發(fā)生爆炸或燃燒；硬度大的粉體具有強烈的磨蝕性，因而對設(shè)備的磨損性要求較高；有些粉體對純度要求較高，在分級過程中要防止雜質(zhì)污染；同時要重視摩擦產(chǎn)生的靜電問題。 易黏附的粉體會積聚在器壁，長期的積聚必將影響流場的正常作業(yè)，甚