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(1. 中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院,北京102249; 2. 河北科技大學機械工程學院,河北石家莊050018)
顆粒分級作為粉體物料加工制備與應用的基本操作,廣泛應用于化工、建材、冶金、電子、醫(yī)藥等眾多領域。近十多年來,顆粒分級技術(shù)的研究和設備開發(fā)得到了重視并取得了多方面進展[1-5],為渦流選粉機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、實現(xiàn)高精度分級提供了良好條件。
渦流選粉機的進料方式通常取決于整體的設計布置,并對粉料的分散及選粉機內(nèi)部流場有一定的影響,進而影響選粉機的分級性能,例如,LHC型立輪式選粉機的進料方式主要依據(jù)流化催化裂化催化劑(FCC)的生產(chǎn)工藝進行設計[6-8]。部分立輪式選粉機采用機械撒料盤或氣力輸送方式進料,改善物料分散性和入料均勻性[9-11]。文獻[12-13]分別采用數(shù)值模擬和實驗的方法對比考察了上、下2種進料方式對一種立輪式選粉機分級性能及產(chǎn)量、粒徑分布的影響,發(fā)現(xiàn)采用上進料方式后顆粒在轉(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進料方式的設計上,臥輪式氣流選粉機還是一種較新型的設備[14-16],目前針對臥輪式選粉機的進料方式研究很少,Bauder等[17]指出根據(jù)情況可采用上部或下部進料方式,但對進料方式的具體影響尚不清楚。故此依據(jù)臥輪式選粉機的使用現(xiàn)狀及轉(zhuǎn)籠旋向,設計、考察了上部進料、側(cè)面逆旋向進料及側(cè)面順旋向進料3種進料方式下選粉機的分級性能,旨在探索進料方式對臥輪式氣流分級性能的影響,為臥輪式氣流選粉機的設計開發(fā)提供技術(shù)支持。
試驗物料為FCC催化劑,采用BT9300S型激光粒度分析儀,對其粒度分布進行測試,結(jié)果如表1所示。試驗以20 μm粒徑為分級點,即小于20 μm的顆粒為細粉,大于20 μm的顆粒為粗粉。
表1 分級物料的粒徑分布Tab.1 Particle size distribution of FCC catalyst
試驗裝置及流程圖如圖1所示。采用負壓抽風操作,試驗物料加入選粉機后,粗顆粒經(jīng)分級后進入下部收集斗,細顆粒通過轉(zhuǎn)籠葉片間隙經(jīng)出氣管排出;進氣量由皮托管流量計測算并通過閥門調(diào)節(jié);轉(zhuǎn)籠由電機帶動,通過變頻器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。
圖1 試驗裝置流程圖Fig.1 Flow diagram of experimental system
試驗的3種進料方式如圖2所示。氣流由下部風口進入,上升至分級室后,在轉(zhuǎn)籠帶動下順時針旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生較強的離心分級力場。根據(jù)上部分級室內(nèi)轉(zhuǎn)籠帶動氣流旋轉(zhuǎn)的運動方向與物料進入時的相對運動方向。圖2a為側(cè)面逆旋向進料方式,圖2b為側(cè)面順旋向進料方式,圖2c為選粉機上部進料。測定不同操作參數(shù)下的粗粉收率、粗粉中的細粉含量(質(zhì)量分數(shù),下同)、粗粉和細粉的粒度分布,并計算每次試驗下的牛頓分級效率和部分分級效率(粒級效率)。
注:紅色代表顆粒流,藍色代表氣流運動。圖2 不同進料方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of different feeding types
牛頓分級效率ηN是綜合考察粗、細顆粒分離程度的指標,能較確切地反映分級設備的分級性能,牛頓分級效率越高,表明粗、細組分的混摻量越少,其數(shù)學表達式為
式中:xf為原料中粗顆粒的質(zhì)量分數(shù);xa為細粉中粗顆粒的質(zhì)量分數(shù);xb為粗粉中粗顆粒的質(zhì)量分數(shù)。
選粉機運行過程中,調(diào)節(jié)操作參數(shù)(主要為轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速和進風量)可改變產(chǎn)品的細度,其中轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速為最常用的調(diào)節(jié)參數(shù)。設定進風量恒定為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為牛頓分級效率隨轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖可知,轉(zhuǎn)速從600 r/min增加至1 500 r/min過程中,牛頓分級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,難以進入轉(zhuǎn)籠內(nèi)部,被大顆粒夾帶進入粗組分被收集。此外,轉(zhuǎn)速過大將加劇分級室內(nèi)氣流湍動,造成嚴重的顆粒返混;轉(zhuǎn)速太小則物料受氣流作用力相對較大,粗粉易隨氣流逃逸,造成“跑粗”現(xiàn)象,這都引起牛頓分級效率的下降。顯然,不同轉(zhuǎn)速下,上部進料時選粉機的牛頓分級效率一直較高,分級效果最好,而側(cè)面逆旋向進料時分級效果最差,2種進料方式下牛頓分級效率平均相差約11%,可見,進料方式對臥輪式選粉機的分級性能有重要影響。
圖4為上部進料時選粉機的部分分級效率隨轉(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,即曲線在很小粒徑時出現(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、解離作用較強,難以團聚長大為假粗顆粒,也可能由物料種類及測量儀器誤差等引起的。
隨轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的增加,粗顆粒的損失量逐漸減少,但當轉(zhuǎn)速增加到1 500 r/min時,細顆粒含量顯著增加,細產(chǎn)品收率降低較多;而轉(zhuǎn)速為600 r/min時,粗顆粒損失量較大,綜合分級效果也不理想??梢姡敼に囷L量確定時,存在合適的轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速使分級效果最佳。
圖3 不同轉(zhuǎn)速下的牛頓分級效率Fig.3 Newton classification efficiency under different rotor cage speeds
圖4 部分分級效率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.4 Variations of partial classification efficiency with rotor cage speed
通過調(diào)節(jié)變頻器,設定轉(zhuǎn)籠輪的轉(zhuǎn)速恒定為1 200 r/min,通過調(diào)節(jié)管路閥門使進風量分別為107、136、186、235 m3/h。
圖5為不同進料方式下牛頓分級效率隨進風量的變化曲線。由圖可知,隨風量增加牛頓分級效率均先較快變大后逐漸減小,對比而言,上部進料時牛頓分級效率總是較大,最大值約為78%。風量增加可改善物料的分散性,降低顆粒團聚的概率,同時增大小顆粒的曳力,粗細顆粒間夾帶減少,分離程度增加;但風量過大后,轉(zhuǎn)籠外側(cè)的平均徑向氣速增大,氣流湍動也加劇,粗顆粒被氣流夾帶誤入細組分的概率增加,造成牛頓分級效率開始下降。此外,較大風量時,氣流上升速度增加,物料采用側(cè)面逆旋向進入時也可獲得較好的分散性,進料方式對分級效果的影響被削弱。
圖5 不同風量時的牛頓分級效率Fig.5 Newton classification efficiency under different air volume rate
圖6為上部進料時部分分級效率曲線隨風量的變化曲線。由圖可以看出,在不同風量下,部分分級效率曲線均出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。風量從136 m3/h增加至186 m3/h過程中,細顆粒含量的下降幅度較大,風量超過186 m3/h后,細顆粒含量基本不再降低,但粗顆粒跑損增多,影響分級效果。
圖6 部分分級效率隨風量的變化曲線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)速和進風量,難以徹底消除粗產(chǎn)品中的細顆粒夾帶,這是由超細顆粒易團聚的特性和選粉機內(nèi)氣流湍動等多種因素造成的,但是可以通過進一步優(yōu)化選粉機內(nèi)的流場分布,改善物料分散性等措施來提高分級精度。
立輪式選粉機普遍采用撒料盤進行物料分散,然而,由于結(jié)構(gòu)限制,這種進料方式并不適合臥輪式選粉機。氣流由下部風口上升運動至臥輪式選粉機分級室后,在轉(zhuǎn)籠作用下轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動,氣流切向速度較大。上部加料時,物料首先受旋轉(zhuǎn)氣流強剪切作用進行沖擊、分散,粗顆粒逐漸向外運動,細顆粒向中心運動,隨氣流旋轉(zhuǎn)至下方時遇底部上升的淘洗氣流,細粉繼續(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作用比較充分。
側(cè)面進料時,物料入口處的流場強度較小,氣流對顆粒的剪切作用弱,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,造成細粉夾帶嚴重,尤其采用側(cè)面逆旋向進料,旋轉(zhuǎn)氣流趨于將物料壓向邊壁,這更加不利于物料分散,分級效果較差。
通過試驗研究不同進料方式及轉(zhuǎn)籠的轉(zhuǎn)速和進風量對臥輪式氣流選粉機分級效果的影響,得出如下結(jié)論:
1)采用上部進料能夠使物料在強旋轉(zhuǎn)氣流中獲得較好的剪切分散,提高粗、細顆粒的分離程度,有效地提高牛頓分級效率,是一種比較合適的臥輪式選粉機的進料方式。
2)部分工藝中需要采用側(cè)面進料時,顆粒入口的位置設計應該考慮轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)向及分級室內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)方向,避免形成較多的壁面“短路”顆粒流。相較于逆旋向進料方式,順旋向進料方式更有利于使物料向中心運動,改善物料分散性,具有相對較好的分級效果。