重力式均化料倉內(nèi)細(xì)粉料流動(dòng)與防粉料架橋的研究

重力式均化料倉內(nèi)細(xì)粉料流動(dòng)與防粉料架橋的研究

1細(xì)粉料的均化在工業(yè)生產(chǎn)中，由于原料的物理性質(zhì)和工藝參數(shù)的變化，不同類別產(chǎn)品的指標(biāo)也會(huì)發(fā)生變化。為了穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量,一般在包裝出廠前,必須對(duì)不同批次的產(chǎn)品進(jìn)行摻混(即均化),使得最終成品的各項(xiàng)指標(biāo)均勻、穩(wěn)定。以往,細(xì)粉料的均化多采用機(jī)械混合,即物料在旋轉(zhuǎn)滾筒內(nèi),利用旋轉(zhuǎn)過程中物料之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行混合。但這種均化方式能耗較大、處理量小,不便于產(chǎn)品大批量、連續(xù)生產(chǎn),而且由于旋轉(zhuǎn)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)部件多,若用于混合磨蝕性較強(qiáng)的礦粉等,則其零部件極易損壞、更換頻繁,既耽誤生產(chǎn),又產(chǎn)生昂貴的維修費(fèi)用。也有一些細(xì)粉料的均化是利用壓縮空氣進(jìn)行流態(tài)化混合的,該方式雖可大批量生產(chǎn),但能耗巨大。筆者介紹一種非常節(jié)能的均化裝置——重力式均化料倉。其工作原理是在料倉內(nèi)部放置多個(gè)下料通道并在不同高度布置多個(gè)取料點(diǎn),利用散料自身的重力讓不同層次的物料沿著均化結(jié)構(gòu)中預(yù)先設(shè)計(jì)的通道下落,在下料過程中即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品均化。2.1料倉內(nèi)散料流動(dòng)散料在料倉內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)有整體流(層流)和漏斗流(中心流)兩種。在卸料過程中,若料倉中心部位的散料先向卸料口流動(dòng),即后進(jìn)先出、先進(jìn)后出,成為漏斗流[見圖1(a)],這種散料流動(dòng)形態(tài)很不穩(wěn)定;若料倉內(nèi)的散料一起向下平移,即先進(jìn)先出、后進(jìn)后出,形成整體流[見圖1(b)],無不流動(dòng)區(qū),流動(dòng)均勻、平穩(wěn)。整體流料倉是實(shí)現(xiàn)重力式均化的必要條件,其形成取決于散料與料倉壁面間的壁摩擦角φ、漏斗半角α和有效內(nèi)摩擦角δ。2.2均化材料場(chǎng)的結(jié)構(gòu)類型和均勻化機(jī)1、貼壁管型料倉均化效果好常見的均化料倉有以下幾種型式:中心管型、摻混樹型、貼壁管型和中心錐型,如圖2所示。其中以摻混樹型和貼壁管型均化料倉的均化效果較好。貼壁管型料倉更具有管道易布置、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。在目前的工業(yè)設(shè)計(jì)中,流動(dòng)性好的塑料粒子的均化基本上采用摻混樹型和貼壁管型均化料倉。若采用一定的助流手段,這兩種均化料倉也可用于細(xì)粉料的均化。2、均化料倉的設(shè)計(jì)均化料倉的結(jié)構(gòu)是在整體流料倉的基礎(chǔ)上,在其內(nèi)部增加一些豎向布置的管道或?qū)уF,每根內(nèi)置管道的不同部位開有下料孔(即均化孔),均化孔分布在料倉內(nèi)的不同方位、不同高度,料倉底部設(shè)有集料斗。開始卸料時(shí),等量的物料從料倉內(nèi)各個(gè)部位的均化孔進(jìn)入均化通道,在各自的通道內(nèi)向下流動(dòng),到達(dá)底部的出料口。物料從各個(gè)均化通道出料口流出,匯集在集料斗內(nèi),從集料斗流出的物料,即完成均化后的均勻物料。均化料倉的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于均化管的開孔大小、開孔規(guī)律及集料斗結(jié)構(gòu)等。而細(xì)粉料重力式均化料倉的設(shè)計(jì),除了要考慮以上因素外,還要考慮細(xì)粉料能夠順利流入均化管內(nèi)不產(chǎn)生架橋。3細(xì)粉末化試驗(yàn)為了更好地研究均化機(jī)理,我們針對(duì)細(xì)粉料均化進(jìn)行了試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)地整理、分析和處理。3.1均化料倉設(shè)備根據(jù)均化料倉設(shè)計(jì)理論,我們建立了容積為3m3的重力式均化料倉試驗(yàn)臺(tái),該設(shè)備是改良過的摻混樹型均化料倉,如圖3所示。為了便于觀察,均化料倉的外殼材質(zhì)選用透明的有機(jī)玻璃。試驗(yàn)裝置與工業(yè)裝置幾何相似,內(nèi)部設(shè)置四根均化管,均化管開孔按照工業(yè)尺寸1∶1的比例進(jìn)行模擬。3.2均化管開孔大小對(duì)開孔量的影響均化管開孔形狀常見的有兩種,圓形孔和契形孔(見圖4)。均化管開孔大小影響管內(nèi)物料流量及流動(dòng)形態(tài),也決定了各個(gè)均化管內(nèi)流出物料的摻混比例。為了能準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)均化管開孔大小,滿足下料量及取料分布的要求,要對(duì)均化管所承載散料的單孔下料量進(jìn)行模擬測(cè)試。試驗(yàn)采用?108mm×4mm不銹鋼管,管側(cè)壁分別開15～80mm圓形孔和契形孔。對(duì)粒度為74μm(200目)的三聚磷酸鈉粉料進(jìn)行單孔下料量的測(cè)試,結(jié)果見圖5。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),同樣孔距的開孔,契形孔下料量大于圓形孔。在試驗(yàn)中還觀察到,均化孔的下料量會(huì)隨著上部散料堆積高度的增加而增大,但散料堆積高度超過一定值時(shí),下料量保持恒定。3.3均化管路散料單孔下料量試驗(yàn)是在出料口無阻礙情況下測(cè)量的,實(shí)際工作時(shí),均化孔進(jìn)料量受到底部出料限制。當(dāng)各個(gè)流動(dòng)通道的出料量小于自由進(jìn)料時(shí)的進(jìn)料量時(shí),均化管內(nèi)散料應(yīng)為滿管流。在滿管流狀態(tài)下,同一根管子上的多個(gè)開孔只有在料面以下距其最近的一個(gè)開孔在進(jìn)料,如圖6所示。料倉內(nèi)料面高于開孔A時(shí),只有開孔A進(jìn)料,開孔B不進(jìn)料;當(dāng)料倉內(nèi)料面降低到開孔A以下,且均化管內(nèi)料面低于開孔B時(shí),開孔B才開始進(jìn)料。滿管流狀態(tài)下,下料速度取決于出料速度,而不是進(jìn)料口的進(jìn)料速度。3.4均化管的開孔均化管開孔位置從理論上講應(yīng)該將整個(gè)料倉均勻地分割成若干個(gè)區(qū)域,這里的均勻分割指的是在同一時(shí)間內(nèi),可以等量地拾取到各個(gè)層次的物料,而不是簡(jiǎn)單的幾何分割。由于增加了均化管的取料通道,散料在料倉內(nèi)部依靠重力下落時(shí),沿軸向的下落速度是不一樣的。自下至上,依次遞增?？拷鼈}底的下料速度最慢,越接近倉頂速度越快。開孔要保證每個(gè)相鄰的兩個(gè)進(jìn)料孔之間物料流過的時(shí)間相同,因而上下開孔的疏密程度(開孔間距)不相同,應(yīng)該是上疏下密。周密的設(shè)計(jì)還要考慮到適應(yīng)工廠工況的變化,比如要兼顧在滿倉操作和半倉操作等情況下,都應(yīng)滿足均化指標(biāo)要求。由于在實(shí)際的工廠操作中,物料常在半倉甚至更少的情況下開始均化。如果均化管的開孔設(shè)計(jì)只滿足滿倉時(shí)的均化狀況,則均化管下半部分的開孔數(shù)量少,不能滿足滿管流的下料量,這樣每個(gè)均化孔的取料量也會(huì)發(fā)生變化。因此,均化管的開孔設(shè)計(jì)還要考慮料位的因素,使其在任何位置都能夠達(dá)到良好的均化效果。一般情況下,均化孔的方位對(duì)均化指標(biāo)影響不大,設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮沿軸向的取料位置。但有一些均化指標(biāo)還要考慮均化孔在水平徑向方位上的分布,如對(duì)產(chǎn)品的顆粒度均勻性有要求的散料。在倉頂中間位置進(jìn)料時(shí),大顆粒易流到兩邊,較細(xì)的粉料留在中間部位(見圖1),此時(shí)均化管的開孔就要考慮徑向的取料位置。3.5內(nèi)孔、料點(diǎn)出料口位于底部的集料斗也是均化料倉的一個(gè)重要組成部分,它的作用是限制均化通道上各個(gè)進(jìn)料點(diǎn)之間的進(jìn)料流量配比,穩(wěn)定各個(gè)通道的流量。內(nèi)孔是料倉錐的出料口,位于集料斗的最上方,各均化通道出料口呈徑向環(huán)形分布,匯集于套筒壁(見圖7)。如果集料斗設(shè)計(jì)得不合理,根據(jù)滿管流原理,就會(huì)出現(xiàn)下面的均化孔不進(jìn)料或少進(jìn)料現(xiàn)象,影響均化效果。3.6細(xì)粉料的流動(dòng)性單純依靠散料自身重力下料的均化料倉在石化行業(yè)中塑料粒子的均化上應(yīng)用很廣泛,但若將它應(yīng)用在細(xì)粉料均化上,則必須根據(jù)細(xì)粉料的流動(dòng)性對(duì)其結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)。這是因?yàn)榧?xì)粉料在多數(shù)情況下的流動(dòng)性比塑料粒子差一些,下料時(shí)容易出現(xiàn)結(jié)拱、架橋等不順暢現(xiàn)象。1、重力式均化料料根據(jù)散料的Carrl流動(dòng)性指數(shù),一般將其分為三類。第一類,Carrl流動(dòng)指數(shù)為0～60。這類粉料流動(dòng)性很差,完全依靠重力下料困難,即使加上助流裝置,仍會(huì)產(chǎn)生架橋、卡料現(xiàn)象,如水泥或含水量高的細(xì)粉料。這種粉料不適用于重力均化。第二類,Carrl流動(dòng)指數(shù)為80～100。這類粉料如PP、PE粒子等,其流動(dòng)性很好,僅靠重力可以順利下料,不架橋、不結(jié)拱。這類散料可以直接采用重力式均化料倉進(jìn)行均化。第三類,Carrl流動(dòng)指數(shù)為60～80,這類粉料如PVC粉、PTA粉、礦粉、部分催化劑粉等,其流動(dòng)性一般,單單依靠重力可以有效流動(dòng),但會(huì)偶爾“架橋”,若在料倉底部設(shè)置助流裝置可以順利排空。這種細(xì)粉料可以利用重力進(jìn)行均化,用于這類粉料的均化料倉,其設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于助流裝置,比如導(dǎo)流板、流化風(fēng)、振動(dòng)促流等構(gòu)件,促使均化管與料倉內(nèi)的物料無阻礙、均勻、順利下料。2、多層套錐料倉均化轉(zhuǎn)料倉以往石化行業(yè)的粉料均化,如PTA粉料等常采用中心錐型均化料倉,見圖2(d),其特點(diǎn)是在料倉中增加一個(gè)多層套錐,每層錐體的錐頂角不同,用于控制倉內(nèi)各層粉料的下落速度。最內(nèi)層的錐頂角最小,錐內(nèi)的粉料流動(dòng)速度也最快;外層錐體的錐頂角略大,該層的粉料下落速度稍慢些,依次類推。多層套錐的結(jié)構(gòu)使散料在下降過程中,沿料倉徑向產(chǎn)生速度梯度,以達(dá)到均化目的。這種料倉的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部構(gòu)件少,粉料流動(dòng)順暢,對(duì)流動(dòng)性略差的粉料可以減少“架橋”現(xiàn)象。它的缺點(diǎn)是,只能定性地改變出料速度,不能準(zhǔn)確地定量均化,均化效果較差。摻混樹型均化料倉的均化效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中心錐型,但對(duì)于細(xì)粉料,因其內(nèi)部構(gòu)件多,不利于粉料的順暢下料。尤其是均化管上的開孔部位,不易進(jìn)料,甚至?xí)凹軜颉?。用于?xì)粉料均化試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)在摻混樹型均化料倉的基礎(chǔ)上,對(duì)均化管下料口和料倉底部的出料口處進(jìn)行了技術(shù)改造,設(shè)計(jì)、安裝了必要的助流構(gòu)件,使細(xì)粉料可以順利通過均化管進(jìn)行重力式均化,并達(dá)到較高的均化效果。4結(jié)果表明，二氧化鋁粉料均化的結(jié)果和結(jié)論4.1可能導(dǎo)致電解二氧化錳粉料ph離散值下降試驗(yàn)采用帶有助流構(gòu)件的摻混樹型均化料倉,對(duì)電解二氧化錳粉料進(jìn)行均化,取得非常好的混合效果。不同批次的電解二氧化錳粉料均化前后的pH值見圖8。從圖8可以看出,電解二氧化錳粉料均化前的pH離散值為3.5,自由下落均化后的為0.6。兩者比較,均化效果很明顯。如果采用外動(dòng)力,將料倉內(nèi)流出的物料再次送回料倉,再進(jìn)行一次循環(huán),pH離散值可降至0.17。試驗(yàn)還證明,對(duì)于均化指標(biāo)要求更高的散料,可以配合使用增加散料循環(huán)次數(shù)的方式來提高均化效果。但是,循環(huán)次數(shù)超過3次后,效果增加緩慢,而能耗增加卻很大。4.2式均化料倉的開孔整體流是重力式均化料倉的前提條件;開孔規(guī)律是重力式均化料倉設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在,散料通過均化管相鄰兩孔之間的時(shí)間相等是布置開孔的原則;如果輔以適當(dāng)?shù)闹餮b置,可以將重力式均化料倉用于流動(dòng)性一般的細(xì)粉料。5電解二氧化錳粉料均化前后ph值的變化電解二氧化錳粉料由于其下游用戶對(duì)pH值的離散度范圍要求很窄,產(chǎn)品的生產(chǎn)過程無法滿足這一要求,需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行后處理,即均化后再包裝。我們將試驗(yàn)研究結(jié)果用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)電解二氧化錳粉料的均化料倉設(shè)計(jì),取得了很好的效果。首先,我們對(duì)電解二氧化錳粉料進(jìn)行了物性測(cè)試,其物性參數(shù)如下:粒度43μm(325目)篩余率為0.81%堆積密度1900kg/m3Carrl指數(shù)70莫氏硬度7內(nèi)摩擦角33.95°壁摩擦角31.53°根據(jù)電解二氧化錳粉料的Carrl指數(shù)判定,其流動(dòng)性一般,粒度較細(xì),可以借助助流裝置進(jìn)行重力式均化。根據(jù)生產(chǎn)要求,重力式均