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        操作參數(shù)對液固流化床分級性能的影響

        2021-06-23 01:24:22劉匯洋俞建峰錢陳豪
        中國粉體技術(shù) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:效率

        石 賽, 劉匯洋, 俞建峰, 黃 然, 錢陳豪

        (江南大學(xué)機械工程學(xué)院; 江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室, 江蘇無錫 214122)

        二氧化硅(SiO2)具有有機高分子材料無法比擬的優(yōu)點,如化學(xué)惰性、 小尺寸效應(yīng)、 物理剛性大、表面界面效應(yīng)小和可忽略的溶脹性[1]等,在光子晶體[2]、 藥物載體[3]、 精密陶瓷材料[4]、 色譜填料[5]和高分子復(fù)合材料[6]等眾多技術(shù)領(lǐng)域中擁有廣泛的應(yīng)用前景,因此,通過粉體分級技術(shù)獲得高品質(zhì)的SiO2產(chǎn)品可產(chǎn)生明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

        目前,用于超細粉體濕法分級的設(shè)備主要有錯流式分級機、圓錐水力分級機、離心分級機等[7-8]。雖然這些分級設(shè)備在粉體加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但存在設(shè)備復(fù)雜、分級精度浮動大和粒度調(diào)節(jié)困難等問題。傳統(tǒng)液固流化床具有設(shè)備簡單、操作容易、維修量少和分級精度高等優(yōu)點,已大規(guī)模應(yīng)用于實際生產(chǎn)中[9],但在粉體分級過程中仍存在分級效率低、占地面積大和單位面積處理量低等不足。

        斜板沉降技術(shù)運用“淺層沉降”原理,通過在沉降設(shè)備內(nèi)添加若干組小間距平行的傾斜薄板,縮短固體顆粒沉降距離,從而增大處理量,減小沉降器體積和占地面積,提高處理效率[10-12]。本文中將斜板沉降技術(shù)和傳統(tǒng)液固流化床相結(jié)合,研制一種新型的液固流化床分級裝置;在液固流化床不同斜板傾角條件下,研究流化速度、物料質(zhì)量濃度和進料流速這3種操作參數(shù)對SiO2粉末分級效率的影響規(guī)律,為實際生產(chǎn)中提高粉體分級裝置的分級效率提供參考依據(jù)。

        1 實驗

        1.1 儀器設(shè)備

        儀器設(shè)備主要有:液固流化床分級裝置(江南大學(xué)自制);精密電子天平(奧豪斯國際貿(mào)易上海有限公司);電磁強力自動攪拌機(上海標本模型廠);智能蠕動泵(卡川爾流體上海有限公司);恒溫鼓風(fēng)烘干干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司);Bettersize 2600激光粒度分析儀(丹東百特儀器有限公司)。

        圖1所示為液固流化床分級裝置示意圖,主要由流化水罐、智能蠕動泵(2個)、液固流化床和原料罐組成。為滿足分級裝置對粉體的分級需求,液固流化床分級裝置主要由溢流口、傾斜板、進料噴頭、流化水口、布水板和和底流口等構(gòu)成;傾斜板材質(zhì)為亞克力板,斜板傾角α設(shè)計為60 °、70 °和80 °;蠕動泵與流化水口、進料口均通過PVC軟管連接,實現(xiàn)流化水和物料的自動進料功能;分級過程中,粒徑大的顆粒從分級裝置底部底流口流出,粒徑小的顆粒從斜板上方溢流口溢出。

        1—流化水罐;2—流化智能蠕動泵;3—液固流化床;301—溢流口;302—傾斜板;303—進料噴頭;304—布水板;305—流化水口;306—底流口;4—進料智能蠕動泵;5—原料罐。圖1 液固流化床分級裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of liquid-solid fluidized bed classification device

        1.2 SiO2粉體漿料的制備

        稱取適量SiO2粉末分散至自來水中,將SiO2漿料置于轉(zhuǎn)速為100 r/min的電磁強力自動攪拌機中充分攪拌。SiO2漿料的粒度分布如圖2所示,粒徑分布范圍為0.43~67.55 μm,中值粒徑約為10.1 μm。

        圖2 SiO2漿料的粒度分布Fig.2 Particle size distribution of silica slurry

        1.3 液固流化床分級性能評價指標

        液固流化床分級裝置需要確定評價指標的計算方法和測定參數(shù)。實驗采用部分分級效率和綜合分級效率[13-14]進行評價。

        分級總效率γ為溢流級產(chǎn)品中顆粒質(zhì)量與進料中顆??傎|(zhì)量之比,其計算公式為

        (1)

        式中:ρ為原料顆粒的質(zhì)量濃度,g/L;v0為物料進料流速,m/s;S為進料噴頭橫截面積,m2;t為溢流產(chǎn)品取樣時間,s;mt為烘干后溢流產(chǎn)品和器皿總質(zhì)量,g;m0為空器皿的質(zhì)量,g。

        部分分級效率η(x)定義為溢流級產(chǎn)品中某一粒徑顆粒質(zhì)量分數(shù)與進料中該粒徑顆粒質(zhì)量分數(shù)的比值,其計算公式為

        (2)

        式中:f0(x)為溢流級中顆粒粒徑為x的質(zhì)量分數(shù),%;fi(x)為進料中顆粒粒徑為x的質(zhì)量分數(shù),%。

        本實驗中以顆粒粒徑尺寸區(qū)分產(chǎn)品是否合格,通過綜合分級效率η評價合格產(chǎn)品和不合格產(chǎn)品的分離程度,合格顆粒粒徑定義為≤6.41 μm。綜合分級效率η的計算公式為

        (3)

        式中:β為溢流產(chǎn)品中合格細顆粒的質(zhì)量分數(shù),%;α為進料中合格細顆粒的質(zhì)量分數(shù),%。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 流化速度對分級性能的影響

        設(shè)置流化智能蠕動泵的轉(zhuǎn)速分別為0、 10、 20、 30、 40、 50 r/min,在不同的轉(zhuǎn)速下多次測量每分鐘的流量并取平均值得到流化流量,計算得相應(yīng)的流化速度分別為0、 0.02、 0.03、 0.05、 0.07、 0.09 m/s。為了研究流化速度對液固流化床裝置分級性能的影響,設(shè)定斜板傾角為70°, 物料質(zhì)量濃度為8 g/L, 進料流速為0.023 m/s,考察流化速度對液固流化床分級裝置SiO2粉末分級效率的影響。不同流化速度下溢流級的部分分級效率曲線如圖3所示。

        由圖3可以看出, 當流化速度增大時, 分級粒徑增大, 不同粒徑顆粒的溢流級部分分級效率均呈現(xiàn)增大趨勢。 其中, 流化速度在0~0.05 m/s增加時, 不同粒徑部分分級效率顯著增加; 當流化速度從0.05 m/s增加到0.09 m/s時,細顆粒的部分分級效率變化不大,而較粗顆粒分級效率增加較明顯,主要原因是隨著流化速度的增大,各粒級顆粒受到上升水流曳力也不斷增大。從溢流級部分分級效率曲線可看出,粉體分級過程中出現(xiàn)魚鉤效應(yīng)[15],即部分細顆粒被粗顆粒攜帶至底流口,降低了細顆粒的部分分級效率,主要原因在于細顆粒間范德華力、粒子碰撞和粒子-流體的相互作用而發(fā)生嚴重的團聚,從而降低了較細顆粒溢流級部分分級效率。

        圖3 不同流化速度下溢流級的部分分級效率曲線Fig.3 Partial classification efficiency curves of overflow stages under different fluidization flow rates

        在不同斜板傾角條件下,流化速度對綜合分級效率的影響如圖4所示。由圖4可知,當流化速度增加時,粗、細顆粒在流化床層(重力、流虛擬質(zhì)量力、流體阻力、顆粒間相互作用力等)和上升水流曳力共同作用下進入溢流級的概率均增大。當流化速度過大時,粗顆粒將大量進入溢流級產(chǎn)品,導(dǎo)致綜合分級效率降低。在流化速度較小時,斜板傾角越大,綜合分級效率越大;在流化速度較大時,斜板傾角越大,綜合分級效率越小,其主要原因在于傾斜板可使流化水上升速度數(shù)倍于特定粒徑顆粒的沉降末速,且斜板傾角越小,流化水流速越大,分級裝置單位面積的處理量越大;當流化速度一定時,斜板傾角越大,進入溢流級的顆粒粒徑越大,體現(xiàn)為斜板傾角越大,綜合分級效率最先達到最大值。

        圖4 不同斜板傾角條件下流化速度對綜合分級效率的影響Fig.4 Influence of fluidization flow rates on comprehensive classification efficiency under different inclined plate angles

        2.2 物料質(zhì)量濃度對分級性能的影響

        為了研究物料質(zhì)量濃度對液固流化床裝置分級性能的影響,設(shè)定SiO2粉末在流化速度為0.05 m/s、 進料流速為0.023 m/s的條件下,物料質(zhì)量濃度分別取為6、 7、 8、 9、 10、 11 g/L,不同物料質(zhì)量濃度下溢流級的部分分級效率曲線如圖5所示。

        由圖5可知,物料質(zhì)量濃度較小時,不同粒度的部分分級效率變化不明顯;而當物料質(zhì)量濃度過大時,細顆粒的部分分級效率明顯降低,這是因為物料質(zhì)量濃度的增加增大了細微顆粒間的團聚概率和范德華力[16],促使細顆粒進入到底流口,導(dǎo)致溢流級的部分分級效率降低。

        圖5 不同物料質(zhì)量濃度下溢流級的部分分級效率曲線Fig.5 Partial classification efficiency curves of overflow stage under different mass of concentrationmaterial

        圖6為不同斜板傾角條件下,物料質(zhì)量濃度對綜合分級效率的影響。由圖6可知,隨著物料質(zhì)量濃度的增大,綜合分級效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,這是因為小范圍增大物料質(zhì)量濃度時,溢流級細顆粒的分級效率增加幅度較大;繼續(xù)增大物料質(zhì)量濃度,溢流級粗顆粒的分級效率增加幅度超過細顆粒的,綜合分級效率呈現(xiàn)下降趨勢,即達到分級裝置的分離能力;相同物料質(zhì)量濃度下,斜板傾角為70°時綜合分級效率較高。

        圖6 不同斜板傾角下物料的質(zhì)量濃度對綜合分級效率的影響Fig.6 Influence of mass concentrationof material on comprehensive classification efficiency under different inclined angle of inclined plate

        2.3 進料流速對分級性能的影響

        設(shè)置進料智能蠕動泵的轉(zhuǎn)速分別為20、 25、 30、 35、 40、 45 r/min, 在不同的轉(zhuǎn)速下多次測量每分鐘的流量并取平均值得到進料流量, 計算得相應(yīng)的進料流速分別取為0.015、 0.019、 0.023、 0.027、 0.031、 0.039 m/s,為了研究進料流速對液固流化床裝置分級性能的影響,設(shè)定流化速度為0.05 m/s、物料質(zhì)量濃度為8 g/L的條件下,考察進料流速對液固流化床分級裝置SiO2粉末分級效率的影響。不同進料流速下溢流級的部分分級效率曲線如圖7所示。

        圖7 不同進料流速下溢流級的部分分級效率曲線Fig.7 Partial classification efficiency curves of overflow stage at different feed flow rates

        從圖7可知,進料流速從0.015 m/s增加到0.023 m/s時,細顆粒和粗顆粒的溢流級部分分級效率均在不斷增大;當進料流速從0.027 m/s增加到0.039 m/s時,細顆粒的溢流級部分分級效率呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢,這是由于增加進料流速相當于同時增加液固流化床分級裝置內(nèi)部的上升水流和SiO2粉末的濃度,小范圍增加流化速度可增加細顆粒的溢流級分級效率[17],而進料流速過大時,SiO2顆粒間的團聚作用會降低細顆粒溢流級的部分分級效率。

        圖8揭示了不同斜板傾角下進料流速對綜合分級效率的影響。由圖8可知,在進料流速較小時,隨著斜板傾角的增大綜合分級效率增大;在進料流速較大時,隨著斜板傾角的增大,綜合分級效率減小。主要原因在于低進料流速下合格產(chǎn)品顆粒更容易從大傾角斜板中溢出;在高進料流速下,不合格產(chǎn)品顆粒會在小傾角斜板滑落,從底流口流出。同一斜板傾角下,當進料流速增大時,綜合分級效率均先增大后減小,且斜板傾角較大時綜合分級效率先達到最大值,這表明適當減小斜板傾角,可增大沉降面積,增加處理量,但如果斜板傾角過小,會導(dǎo)致裝置重心不穩(wěn),同時會發(fā)生顆粒的堵塞現(xiàn)象。

        3 結(jié)論

        將斜板沉降技術(shù)與傳統(tǒng)液固流化床結(jié)合,研制出一種新型液固流化床分級裝置;通過實驗研究分析了流化速度、物料質(zhì)量濃度和進料流速3個操作參數(shù)對分級性能的影響。主要結(jié)論如下:

        1)隨著流化速度的增大, 溢流級各粒級的部分分級效率增大, 綜合分級效率先增大、 后減小。 在較低流化速度下, 斜板傾角越大, 綜合分級效率越大; 在較高流化速度下, 斜板傾角越大, 綜合分級效率越小。

        2)隨著物料質(zhì)量濃度的增大,溢流級細顆粒的部分分級效率先增大、 后減小,綜合分級效率先增大、 后減小。在相同物料質(zhì)量濃度下,綜合分級效率在斜板傾角為70 °時最大,斜板傾角為80 °時最小。

        3)隨著進料流速的增大,溢流級細顆粒的部分分級效率先增大、 后趨于穩(wěn)定,綜合分級效率先增大、 后減小。在較低進料流速下,斜板傾角越大,綜合分級效率越大;在較高進料流速下,斜板傾角越大,綜合分級效率越低。

        4)當斜板傾角為60 °、流化速度為0.07 m/s、物料質(zhì)量濃度為8 g/L、進料流速為0.023 m/s時,綜合分級效率可達63.16%。

        5)適當減小斜板傾角,增大流化水速度,可增大處理量,但斜板傾角過小會造成顆粒堵塞的現(xiàn)象。

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