操作參數(shù)對液固流化床分級性能的影響

石 賽， 劉匯洋， 俞建峰， 黃 然， 錢陳豪

(江南大學機械工程學院； 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室， 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，如化學惰性、 小尺寸效應、 物理剛性大、表面界面效應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]和高分子復合材料[6]等眾多技術領域中擁有廣泛的應用前景，因此，通過粉體分級技術獲得高品質(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]。雖然這些分級設備在粉體加工領域應用廣泛，但存在設備復雜、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。

斜板沉降技術運用“淺層沉降”原理，通過在沉降設備內(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和傳統(tǒng)液固流化床相結合，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 儀器設備

儀器設備主要有：液固流化床分級裝置(江南大學自制)；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)；恒溫鼓風烘干干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司)；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成；傾斜板材質(zhì)為亞克力板，斜板傾角α設計為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)量與進料中顆粒總質(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 結果與討論

2.1 流化速度對分級性能的影響

設置流化智能蠕動泵的轉速分別為0、 10、 20、 30、 40、 50 r/min，在不同的轉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[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

設置進料智能蠕動泵的轉速分別為20、 25、 30、 35、 40、 45 r/min， 在不同的轉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，會導致裝置重心不穩(wěn)，同時會發(fā)生顆粒的堵塞現(xiàn)象。

3 結論

將斜板沉降技術與傳統(tǒng)液固流化床結合，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。