超细粉体分级技术

第五章超细粉体分级技术第一节分级的目的、意义、研究内容及分类利用机械方法生产的超细粉体，很难使物料一次通过机械粉碎就能达到所需粒度要求，产品往往处于一较大的粒度分布范围。而在现代各工业领域的使用中，往往要求超细粉体产品处于一定的粒度分布范围。另外，在粉碎过程中，粉体中往往只有一部分产品达到了粒度要求，而另一部分产品却未达到粒度要求，如果不将这些已达到要求的产品及时分离出去，而将它们与末达到要求的产品一道再粉碎，则会造成能源浪费和部分产品的过粉碎问题。为此，在超细粉体生产过程中要对产品进行分级处理。一方面控制产品粒度处于所需分布范围，另一方面使混合粉料中粒度已达到要求的产品及时地被分离出去。对超细粉体分级技术研究，主要包括：超细粉体分级设备研究，工艺条件研究以及超细粉体的分散性研究。后者往往是极其重要的。因为，如果超细粉体的分散性得不到很好解决，这种粉体就无法进行有效分级。无论采用哪种技术及设备对超细粉体进行分级，都必须事先使该超细粉体处于良好的分散状态。对普通粉体的分级通常是采用筛分法，然而目前最细的筛网孔径也只有20μm左右(即600目左右)，再考虑到实际筛分过程中超细粉体对筛孔的堵塞问题，因此，在实际生产中超过325目的筛网用于干粉分级无实际工业化使用的意义。采用普通的常规筛分技术及设备无法对超细粉体进行分级处理，必须研究新的超细粉体分级设备及技术。到目前为止，已研究成功和正在研究并公开报导的超细粉体的分级方法较多，但真正工业化使用且分级效果较理想的技术和设备并不多。另外值得指出的是，随着现代技术的发展，采用电气成型制造的筛孔可以达到3μm，采用激光技术可制造出1μm的筛孔。这些筛分装置目前都已用于超细粉体浆料的分级，新近研究已将分子筛、膜分离等技术用于超细物体浆料的分级(如微米、亚微米及纳米材料的浆料)，但这些大多仍处于试验阶段。根据被分级物料的状态可分为干法分级和湿法分级。新近又研究了一种介于干法分级和湿法分级之间的分级方法，即超临界分级。另外，根据分级力场的不同，分级方法又可分为：重力场分级、离心力场分级、惯性力场分级、电场力分级、磁场力分级、热梯度力场分级以及色谱分级等。对超细粉体的分级必须根据超细粉体的不同特性，利用各种合适的力场对超细粉体进行有效的分级，才能获得满意的分级产品。超细粉体的分级方法可根据其使用的设备类型不同分为：旋流式分级、干式机械分级(如叶轮式，涡流式等)、碟式分级、卧螺式分级、静电场分级、超临界分级等。第二节超细粉体的主要分级原理目前工业化使用的超细粉体主要分级方法有：旋流式分级、干式机械分级(叶轮式，涡流式)、碟式分级及卧螺式分级。这些分级方法都是基于重力场和离心力场进行分级。一、重力场分级原理重力场分级原理是最古老、最经典也是较完善的理论，其理论基础是根据层流状态下的斯托克斯定律。在分级过程中，假设流场是按层流状态进行，并假设超细固体颗粒呈球形，在介质中是自由沉降。因此可认为在分级过程中，这种超细球形颗粒在自身重力场作用下，在介质(气体或液体)中沉降时单一颗粒所受到的介质阻力为：式中η——介质粘度（Pa·s）；d——颗粒的直径（m）；ν——颗粒的沉降速度（m/s）。vdFp3gdFg)(63式中d——颗粒的直径（m）；δ——颗粒的密度（kg/m3）；ρ——介质的密度（kg/m3）；g——重力加速度（m/s2）当介质的阻力等于颗粒的重力时，其沉降加速度为零，沉降速度保持恒定。这一定速称之为颗粒的沉降末速0，此时，PF=Fg代入上式即得0=218dg上式表明，当被分级的物质一定，所采用的介质一定(即δ、ρ、η一定)时，沉降末速只与颗粒的直径大小有关。因此，根据不同直径的颗粒的末速差异，可对粒度大小不同的颗粒进行分级。上式是基于假设流场为层流，颗粒呈球形，在介质中是以自由沉降形式进行。这些与实际情况都有较大差异。对于超细颗粒来说，更重要的是其颗粒极细，粒径之间的差异极小，因而对重力之差及末速之差影响极小。因此，靠简单的重力场作用很难使超细颗粒进行快速精确高效分级，所以必须借助其它力场以达到较好的分级效果。在研究中发现，采用离心力场可以对超细颗粒达到较好的分级效果，也可将这两种力场综合利用。二、离心力场分级原理当被分级的物质、介质及颗粒的粒径都相同时，要提高颗粒的沉降末速度，关键是要提高重力加速度g。由物理学知识知，采用离心力可使加速度达到几十个g至几百个g，有时甚至可达数千个g。颗粒在离心力场中的离心加速度a可用下式表示：rrat22式中ω——颗粒的旋转角速度（rad/s）；t——颗粒的切向速度（m/s）；r——颗粒的旋转半径（m）。颗粒在离心力场中所受到的离心力Fc为：rdFc23)(6上式表明，对于一定的颗粒及一定的介质，其受到的离心力随旋转半径r和旋转角速度ω增大而增大，ω的增大效果最明显。在离心沉降过程中，对于同一颗粒所受到介质的阻力Fp为22rdkFp式中k——阻力系数；r——颗粒的径向运动速度（m/s）。当介质的阻力与离心力达到平衡时，颗粒在离心力场中的沉降速度达最大值且为衡速，可由下式导出：因为Fc=Fp代入上式可得出：22236)(ortdkrd当颗粒极细时，可采用斯托克斯阻力公式近似代替，即：代上式得ororddk322rddrdort2323)(636ordrrd36)(223)(1822rdor定义：为离心分离因素，并将离心加速度代入上式得：从上式可以看出，当被分级的物质一定，介质一定，介质的粘度一定，离心加速度或分离因素一定时，颗粒的离心沉降速度只与颗粒的直径大小有关。因而可采用离心力场根据颗粒离心沉降速度的不同，对粒径大小不同的颗粒进行分级。上式也说明，当被分级的物料及介质的各种特性一定时，提高颗粒的离心沉降速度的关键是提高离心加速度a或分离因素j。)(18)(1822jgdador以上是当前超细粉体领域大规模工业化应用的主要分级方法所依据的主要理论基础和分级原理。关于其它分级方法，如静电场分级、磁力场分级、超临界分级、热梯度力场分级、色谱分级等的分级原理，由于其各不相同，缺少共性，而且很专一，故将在对应的分级方法章节中给予专项介绍。第三节粉体分级的基本概念在讨论和评判粉体分级技术时，经常会遇到“分级效率”、“分级精度”、“分级极限”及“分组粒释”等基本概念。以下将对这些基本概念讲行定义和解释。一、分级效率与分级精度分级效率是评判一种分级方法优劣的重要指标，在工业化应用中，这一指标十分重要。对于某一分级方法即使分级出的产品分布范围很窄，但分级效率很低，在工业化生产中仍无实际应用价值。分级效率通常有如下几种表示方法，即部分分级效率、总分级效率、牛顿分级效率、分级精度(又称锐度)、理查德分级效率和粒级效率曲线等。（一）部分分级效率E（di）部分分级效率E（di），是指分级出的产品中粒径为di的颗粒的重量占分级给料量中粒径为di的颗粒的重量百分数。部分分级效率E（di）可用下式表示：式中dR1——分级出的产品中粒径为di的颗粒的含量；dR2——分级给料量中粒径为di的颗粒的含量21)(dRdRdEi（二）总分级效率E总分级效率E，是指分级出的产品的总重量占分级给料量的重量百分数，可用下式表示：式中W1——分级出的产品总量；W——分级的总给料量。WWE1（三）牛顿分级效率（）牛顿分级效率（），在实际应用中经常采用，是一种最经典的分级效率表示方法。其计算公式如下：设Q代表被分级的原料总量；Q1代表原料中粗粒量；Q2代表原料中细粒量。m、n、p分别代表原料、粗粒级部分和细粒级部分中实有的粗粒级物料的百分含量，则有Q=Q1+Q2NN原料中实有的细粒量粗粒中实有的细粒量原料中实有的粗粒量细粒中实有的粗粒量NpnmQQQ21将上式代入牛顿分级效率的计算公式并整理得：上式是经常用来计算牛顿分级效率的具体公式。))(1())((pnmmmnpmN（四）分级精度分级精度，通常是用相当于分配率为75%和25%的粒度和来表示，即式中d25——产品中颗粒累积重量百分数为25%时的颗粒粒径；d75——产品中颗粒累积重量百分数为75%时的颗粒粒径。通常之值越大，分级精度越高。2575S2575S75252575/ddS2575S（五）理查德（Richard）分级效率理查德分级效率（μR）也是较早采用的一种分级效率计算方法，计算方法如下：μR=粗粒产物中的粗粒回收率×细粒产物中的细粒回收率=原料中的细粒量细粒产物中的细粒量原料中的粗粒量粗粒产物中的粗粒量（六）规范化粒级效率曲线切割粒径点的斜率规范化粒级效率曲线切割粒径点的斜率也经常用来评价分级效率与分级精度，其表达式为：式中Dp——颗粒直径（m）;——规范化粒径；ηDp——Dp粒径粒级效率；——规范化粒径粒级效率。规范化粒级效率曲线如图3-1所示。1)(**PPDDdDdP50*dDDPP50*/dDPDP二、各种分级效率与分级精度表达方法的评价与建议评价分级效果的优劣由分级效率来衡量(注意切勿与有时也称为分级效率的粒级效率相混淆)。理想分级是把颗粒在分级点彻底地分开，即小于分级粒径的颗粒不混杂在粗粒产品中，大于分级粒径的颗粒不混杂在细粒产品中，这时分级效率应为100%。如果仅把原样分成两部分，每部分的粒度分布均与原样完全相同，这称之为分别，分割的分级效率就视为0％。然而，实际分级是介于两者之间，衡量分级效果优劣的分级效率，要能定量确定分级的清晰程度，并能全面完整地评价真实分级效果。研究及实际应用表明，牛顿分级效率计算法，符合理想分级时效率为100%，分割时效率为0%，是比较好的分级效率计算法。理查德分级效率计算法，符合理想分级时效率为100%，但分割时效率不为0%，且不是定值。规范化粒级效率曲线切割粒径点的斜率只符合分割时效率为0%，但不符合理想分级时效率为100%。1)(**PPDDdDdP为此，人们建议采用粒级效率曲线切割粒径点的斜率对应的正弦来评价分级效率，即这种表示既符合理想分级时效率为100%，又符合分割时效率为0%，而且粒级效率曲线通常均要测定，便于使用。另外分级精度（锐度）d25/d75也基本符合两种分级终端情况的效率值。]1)([**PPDDdDdarctgSinP三、分级极限与分级粒径分级极限在粉体分级技术的讨论及生产中经常遇到。众所周知，不同的分级设备有不同的分级极限，但如何定义分级极限，在粉体界的理解及说法不一。在有些文章中，将分级极限与分离极限经常互用，这在一些特定情况是可行的，而在某些情况则是不妥当的。作者根据多年的研究以及与工业界的接触，在工程上通常理解为，分级极限是指某一特定设备对粉体进行分级时，实际所能获得的最小粒度限度。因此，在工程上往往将它与分级设备所能达到的最小分级粒径相联系，有时甚至互用。分级粒径有时又称切割粒径或中位分离点，它是评判某一分级设备技术性能的一个很重要的指标，也是实际生产中设备选型的一个重要依据。分级粒径的确定有图解法和计算法两种，在工程上较实用且易理解的是计算法。计算法可结合不同的分级设备的具体形式，根据其物理和数学模型推导出直观的和实用的具体计算公式。为了便于理解以及以后应用与分析问题方便，以下分别对涡轮式气流分级机、水力旋流器、沉降式离心机等分级设备的分级粒径计算方法和公式进行推导。（一）涡轮式气流分级机的分级原理及分级粒径下图所示为转子（涡轮）式气流分级机分级原理示意图。图中圆形表示分级叶轮的截面，气流以虚线表示，P交于叶轮表面上的某一点。叶轮平均半径为r，颗粒粒径为d，密度为δ。颗粒在P点上受两个相反力的作用，即由叶轮旋转而产生的离心惯性力F和气流阻力R。这两个力可以分别用下列方程