10粉体工程-超细分级与固液分离设备

粉体工程与设备烟台大学环境与材料工程学院超细分级与固液分离设备学习重点1、超细分级原理2、过滤基本概念3、雾化器结构及特点1超细分级原理及设备1.1超细分级原理1.1.1离心分级设颗粒在离心场中的圆周运动速度为ut，角速度为ω，回转半径为r，则在Stokes沉降状态下，颗粒所受离心力Fc和介质阻力Fd分别为Fc与Fd方向相反，即指向回转中心。当FcFd时，颗粒所受的合力方向向外，因而发生离心沉降；反之，当FcFd时，颗粒向内运动。1.1.2惯性分级1.1.3迅速分级微细颗粒的巨大表面能使之具有强烈的聚附性。所谓迅速分级，即是采取适当的分级室，应用恰当的流场使微细颗粒尤其是临界分级粒径附近的颗粒一经分散就立即离开分级区，以避免由于它们在分级区内的浓度不断增大而聚集。1.1.4超细分级要求分级力场必须均匀稳定、强有力。前者可保证避免分级力场中流场的紊乱，以提高分级精度，后者则有利于减小分级粒径。被分级粉体进入分级室之前要充分分散。1.2干式分级和湿式分级1.2.1干式分级干式分级多为气力分级。气力超细分级机的技术关键之一是分级室流场设计。理想的分级力场应该具有分级力强、有较明显的分级面、流场稳定及分级迅速等性质。技术关键之二是分级前的预分散问题。（1）机械分散方法（2）化学分散方法表面活性剂存在问题：A、是否会引起粉体性能变化？B、分散剂一般以液体形式加入，为达到均匀分散的效果，需增加机械搅拌装置，因而增加了整个系统的复杂程度。1.2.2湿式分级比干式分级相比，均匀分散效果较好，分级精度和分级效率也较高，尤其适用于与湿法粉磨（碎）设备的配套联合使用。湿法分级难题在于需要将液体和固体再次进行分离。而且容易出现结块和板结现象，即二次团聚现象。1.3射流分级机射流分级机是基于附壁效应原理(Coanda效应，或称作康达效应、柯恩达效应)研制而成。射流从喷嘴喷出，喷嘴的两侧壁面AB和CD与喷嘴中心线成一α角度，当壁面到喷嘴的距离S1与S2不相等时(S1＜S2)，使主射流两边在同一时间卷吸到的外界流体不相等。显然，距离大的一边补充流体较为容易，而距离小的CD侧补充到的流量较小。为维持主射流的平衡，CD侧卷吸速度必须加快以获得足够的流量，这样势必造成CD侧的压力低于AB侧的压力，在这一压力差的作用下使射流向CD侧偏转，直到主射流完全贴附到CD壁稳定为止，微细颗粒由于Coanda效应而随主气流沿CD壁面运动，大颗粒由于离心力作用而被抛出，从而达到分级的目的。A、射流分级机集惯性分级、迅速分级和微细颗粒的附壁效应于一身。B、射流场分为湍流自由射流区、附壁效应、分级区三个区域。C、同时三产物分级，各级产品的粒度可通过改变分级刀刃角度调节。D、调节粗、中、细微粒出口的空气抽吸压力也可在一定范围内调节各级粉体粒度。E、分级精度高，分级粒径0.5-50微米。主要特点1.4超细分级有关问题1.4.1物料性质易黏附的粉体—应考虑必要的清理措施磨蚀性强的粉体—应采用耐磨材料或加耐磨内衬铁污染严重的粉体—应采用铁绝缘内衬静电效应—应采取必要的防静电措施有机粉体—应考虑粉尘爆炸的隐患1.4.2粉体的预分散正确选择分散剂1.4.3分级区流场应具有强有力的分级能力、分级面清晰、分级迅速等特点；流场中流束应各行其道，无相互干扰和影响。2固液分离设备2.1水力旋流器2.1.1构造和原理2.1.2切向速度自由涡强制涡旋流器的工作情况接近于自由涡流，但在半径小于溢流管处转变为强制涡。—常数—rVt/空气芯：由于离心力的作用，液体被摔到边缘，中心有一个处于负压的空气芯。伯努利方程？Z+P/ρg+U2/2g=常数其中Z为液体落差，P为液体压力，ρ为液体密度，g为重力加速度，U为流体流速。在流体静力学中，把Z称为位压头，P/ρg成为静压头，U2/2g称为动压头，三者之和为总压头。其实际意义为：当流体在系统中作稳定流动时，其具有能量守恒性，该能量守恒式即为伯努利方程。2.1.3优缺点：优点：构造简单，无运动部件；占地面积小，处理能力大；设备费用低；有利于连续化、自动化操作。缺点：液体进口速度大，所以阻力大，磨损严重。2.2过滤分离过滤是利用某种多孔介质对悬浮液进行分离的操作。工作时，在外力作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道流出，固体颗粒被截留，从而实现分离。一般将待过滤的悬浮液称为滤浆；所采用的多孔介质称为过滤介质；通过介质孔道的液体称为滤液；被截留的固体物称为滤饼或滤渣。2.2.1基本概念（1）过滤介质使滤液通过，截留固体颗粒并支撑滤饼的材料。要求其具有多孔性、耐腐蚀性及足够的机械强度。工业常用的过滤介质：织物介质、多孔性固体、粒状介质。织物介质编制滤布滤网天然纤维：棉、毛、丝、麻化学纤维：聚氯乙烯、聚乙烯、聚酯纤维玻璃丝金属丝特点：品种最多，用途最广。织物介质多孔性固体介质多孔性陶瓷板多孔性塑料板多孔性金属陶瓷板或管（由金属粉末烧结而成）特点：能截流小到1—3μm的固体微粒。堆积介质由颗粒状的细沙、石、炭屑等堆积而成的颗粒床层非编织纤维玻璃棉等的堆积层特点：用于处理含固体微粒少的悬浮液，如水的净化。悬浮液中固体微粒的含量及粒度介质所能承受的温度及其化学稳定性、机械强度等选择过滤介质时应考虑的问题优质的过滤介质所应具备的特点滤液清洁，固相损失量小滤饼容易卸除过滤时间短过滤介质不致因突然地或逐渐地堵塞而破坏过滤介质再生容易（2）滤饼的压缩性及助滤剂1）滤饼的压缩性：受力不变形的颗粒形成的滤饼称不可压缩性滤饼，反之则称为可压缩性滤饼。2）助滤剂：减小过滤阻力、提高滤饼的刚性和孔隙率的惰性材料。3）过滤推动力|过滤介质两侧的压力差。4）过滤速率：单位时间内通过的滤液体积。（3）过滤方式分类常压过滤、加压过滤、减压过滤、离心过滤。（4）滤饼过滤与深层过滤滤饼过滤悬浮液中的颗粒沉积在过滤介质表面形成滤饼层，滤液穿过滤饼层中的空隙流动叫做滤饼过滤。深层过滤固体颗粒不形成滤饼，而是沉积在过滤介质内部叫做深层过滤。用于去除直径小于5μm的细小颗粒，过滤介质要定期更换或清洗再生。2.2.2影响过滤速度的因素①滤浆的粘度②滤饼厚度滤饼厚度越大，阻力越大，过滤速度越小。当③滤饼性质不可压缩滤饼的颗粒坚硬，滤液通过的流道不会因压力的增大而变小，阻力基本保持不变，或随过滤时间的持续阻力增加很慢，过滤速度基本随压力的升高按比例增大；小颗粒在较大压力作用下会堵塞孔道，故过滤初期压力不能太大，避免流道过早地堵塞。2.2.3（1）恒压过滤过滤操作是在恒定的压差下进行，称为恒压过滤。恒压过滤是最常用的过滤方式，过滤过程中，随着饼层的不断增厚，阻力增加大，因压差不变，根据过滤基本方程式可推导出其计算式：式中k是过滤常数，t是过滤时间。22222eeeVVVkAtqqqktVA32e式中：qq是单位面积上得到的滤液量，m/m。（2过滤操作在恒定的速度下进行，称为恒速过滤。随着过滤时间的持续，饼层厚度增加，阻力增大，过滤压差随时间的持续呈直线增长。过滤设备的耐压能力有限，压力不能太高。对可压缩滤饼，压力的过度升高并不能使速度提高，相反会造成过滤终止。基本方程式为：V=wt（3这种过滤方式是开始先以较低的速度进行恒速过滤，以免压力过早升高形成流道堵塞，当压力升如图，采用定量泵，过滤初期保持恒定速度，随着时间的持续，泵出口压力升高，若此压力升至能使支路阀自动开启的设定值时，支路打开，部分滤浆返回泵入口，进入压滤机的滤浆减少，压滤机入口压力维持恒定，由此开始恒压过滤。1.定量泵；2.支路阀；3.压滤机滤液2滤浆1312.3喷雾干燥器喷雾干燥利用雾化器将溶液、乳浊液、悬浮液或膏状料液分裂成细小雾状液滴，在其下落过程中，与热气体(空气、氮气或过热水蒸气)接触进行传热传质，瞬间将大部分水分除去而成为粉末状或颗粒状的产品。2.3.1喷雾干燥器的特点(1)优点：a)干燥过程非常迅速。雾滴直径10~200μm，瞬间可蒸发95~98%的水分，时间仅需5~40s左右。b)干燥过程中液滴的温度低，产品质量较好。50℃~60℃。c)产品具有良好的溶解性、流动性和分散性。d)生产过程简化，操作控制方便。e)制品纯度高。f)适宜于连续化大规模生产。(2)缺点：a)设备比较复杂，一次性投资较大。b)废气夹带的微粉，需要一套高效的分离装置，结构复杂、费用较贵。c)因设备庞大，且卫生条件要求高，设备清理工作量大。d)设备的热效率不高，热消耗大，热效率约30%~40%，动力消耗大。2.3.2喷雾干燥器主要结构喷雾干燥设备主要包括原料液供给系统、空气加热系统、干燥系统、气固分离系统及控制系统。干燥系统是喷雾干燥设备的关键，包括雾化器、干燥室等，雾化器使料液分裂成雾滴，干燥室是料液与空气进行传热传质的重要场所。（1）雾化器雾化器是喷雾干燥的关键部件，雾滴平均直径一般为Φ20~60μm。喷雾干燥中使用的雾化器分为压力式、离心式和气流式。1）压力式雾化器压力式雾化器俗称压力喷嘴，液体在高压作用下通过喷嘴时，因喷嘴结构形成旋转运动，最后经喷嘴孔高速喷出而被雾化。当喷嘴孔为细直孔时，随着压力增加，液体流出状态的演变过程如下图。由高压泵供来的高压(2~20MPa)液体，经喷嘴作用后，部分势能转化为动能使液体呈现强烈的旋转运动。压力雾化器优点：结构简单，制造成本低，维修、更换方便；动力消耗较小；改变喷嘴的内部结构，可获得到不同的雾化效果。缺点：生产过程中流量及操作压力无法单独调节，否则会影响雾化质量。喷嘴孔径很小，一般在φ1mm以下，极易堵塞，不适于高粘度料液。喷嘴易磨损，需经常更换。2）离心式雾化器离心式雾化器是液体在流经高速旋转盘内腔或表面时因获得的离心力而被雾化。当料液被送至高速旋转圆盘上后，在自身惯性力离心力和重力作用下得到加速而分离雾化，其中离心力远大于重力，称为离心雾化；液体和周围空气接触面处的摩擦力作用，促使形成液滴，称为速度雾化。这两种雾化同时存在，随着料液量和雾化器转速的增大，顺序发生直接分裂成液滴、丝状割裂成液滴和膜状分裂成液滴三种雾化形式。液滴大小和喷雾的均匀性，主要取决于旋转圆盘的圆周速度和液膜厚度。液膜厚度与溶液的性质、处理量有关；圆盘的圆周速度较小(小于50m/s)时，喷雾不均匀性随圆盘转速的增加而减小，圆盘圆周速度大于60m/s时，就能克服不均匀性。要得到均匀的液滴，需要满足下列5个条件：雾化轮转动时无振动；旋转盘的转速要高；液体通道表面光滑；料液在流体通道上均匀分布；均匀的进料速度。离心雾化器的液料通道大，不易堵塞；对料液的适应性强，高粘度、高浓度的液料均可；操作弹性大。但结构复杂，造价高。图1光滑圆盘(a)平板型(b)盘型(c)碗型(d)杯型图2多叶圆盘1－盘盖2－铆钉3－圆盘3）气流式雾化器利用蒸汽或压缩空气的高速运动(一般为200~300m/s)使料液在喷嘴出口处相遇而产生液膜分裂而雾化。由于料液速度不大，而气流速度很高，两种流体存在着相当高的相对速度，液膜被拉成丝状，然后分裂成细小的雾滴。雾滴的大小取决于相对速度和料液的速度，相对速度越高，雾滴越细，粘度越大，雾滴增大。增加气液的重量比，可得到均匀的雾滴；在一定范围内，液体出口愈大，雾滴也愈细；液滴的直径还随气体粘度的减小或气体重度的增加而减少。气流式雾化器喷嘴结构简单，磨损小；对于低粘度或高粘度料液(包括滤饼在内)，特别是含有少量杂质的物料，均可雾化，适用范围广；所得雾滴较细；喷嘴操作弹性大，处理量有一定伸缩性，且调节气液比可控制雾滴大小，也就控制了成品粒度；动力消耗大，为离心式雾化器的5-8倍。图3内混合喷嘴1.液体通道2.混合室3.喷出口4.气体通道5.导向叶片气流式雾化器具有并流操作的特点，适用于热敏性物料的干燥。这种流向显著地延长了颗粒在塔内的停留时间，可降低塔的高度。操作时，要防止要颗粒返回区域产生严重的粘壁现象。（2）热风分配器喷雾干燥技术之一就是液滴和热风间的有效混合，其主要影响因素是各种雾化器喷雾轨迹、热风导入形式，而热风导入形式与热风分配器有关。热风分配器应能够使热风均匀地与液滴接触，防止气流在塔内形成涡流以避免