工程流體與粉體力學(xué)基礎(chǔ)：第九章 顆粒的分級(jí)與分離

1、第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.1 概述 generalization 利用分離特性將成分不同的混合物或相混合物(例如氣一固相、液一固相)分成成分或相組分不同的兩部分或兩部分以上的過程稱為分離(Separation)。通常包含：分級(jí)、分選、流體分離與分級(jí)以及除塵等。9.1.1 定義與意義 definition and meaning 根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，把粉碎產(chǎn)品按某種粒度大小或不同種類顆粒進(jìn)行分選的操作過程稱為分級(jí) partition。 分級(jí)的方式有兩種：用篩子篩分和在流體中進(jìn)行分級(jí)。 19.1.2 分級(jí)性能的評(píng)估evalua

2、tion of gradation performance 假設(shè)將任意一組顆粒進(jìn)行分級(jí)，在粗粒部分中未混入小于粒度d0的顆粒，同時(shí)在細(xì)粒中也未混入大于d0的顆粒，此時(shí)，由于粒度d0的分級(jí)進(jìn)行得完全，可稱為理想的分級(jí)ideal gradation。而d0稱為分級(jí)粒度partition size，又可稱為分級(jí)顆粒直徑。 (1)牛頓效率Newtons efficiency 用工業(yè)裝置分離粒徑、顆粒形狀、顆粒密度、化學(xué)組成，表面形狀、磁性、靜電特性、顏色等方面不同的a群和b群顆粒的混合物時(shí)，其模型通常如圖9-1所示。 2第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of pa

3、rticle9.1 概述 generalization 理想的分離應(yīng)是 a 群中只含 a 顆粒， b 群中只含 b 顆粒，但實(shí)際上是相互混雜的。 加料中的 a 群顆粒，實(shí)際被收入 a 群受料器的質(zhì)量比率為 a 群回收率。 圖9-13第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.1 概述 generalization 加料中的b群顆粒，實(shí)際被收入b群受料器的質(zhì)量比率為b群回收率 式中 xf加料中a群顆粒的含量比率(質(zhì)量比率)； (1-xf)加料中b群顆粒的含量比率； xaa群受料器中a群顆粒的含量比率； (1-xa)a群受料器中b群顆粒的含量比

4、率； xbb群受料器中a群顆粒的含量比率； (1-xb)b群受料器中b群顆粒的含量比率。(9-1)(9-2)4第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.1 概述 generalization 牛頓分離效率的定義為 此式又稱綜合分離效率general separation efficiency。 如果以粗、細(xì)粉頻度分布錯(cuò)位量相等的粒徑(圖9-2中，De稱為平衡粒徑)為分級(jí)界限，則牛頓效率可用下式表示： (9-3)(9-4)5第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.1 概述 gener

5、alization式中 a粗粉中的粗顆粒含量； b細(xì)粉中的粗顆粒含量； c粗粉中的細(xì)顆粒含量； d細(xì)粉中的細(xì)顆粒含量。 牛頓效率的物理意義就是實(shí)際分級(jí)機(jī)達(dá)到理想分級(jí)的質(zhì)量比。 6第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.1 概述 generalization(2)牛頓效率的實(shí)用計(jì)算式 根據(jù)物料平衡 分別消去A或B，分別代入(9-1)和(9-2)式中得(9-5)(9-6)7第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.1 概述 generalization(3)部分分離效率 partial

6、 separation efficiency 顆粒特性分布頻率 分離產(chǎn)物質(zhì)量比率 (9-9)8第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.1 概述 generalization 質(zhì)量平衡為 所謂部分分離效率，是指粒度、密度或化學(xué)成分等特性值為連續(xù)變量的場(chǎng)合，將特性值劃分為若干區(qū)間，各區(qū)間的回收率。(9-10)9第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.1 概述 generalization 9.1.3 分離界限與分離精度separation limit and separation a

7、ccuracy 為評(píng)價(jià)分離效果，通常還采用如下指標(biāo)：(1)中位分離點(diǎn) meso-position separation point 表示分離概率相等，也就是分離的兩部分產(chǎn)物具有相等的組分或質(zhì)量時(shí)所對(duì)應(yīng)的特性值稱為中位分離點(diǎn)(圖9-3 (a)。 例如，顆粒作粒度分級(jí)時(shí)，進(jìn)入粗粉和細(xì)粉的質(zhì)量數(shù)值相等的顆粒粒徑即稱為中位徑D50。 10第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.1 概述 generalization(2)平衡分離點(diǎn)balance separation point 根據(jù)分離錯(cuò)位量相等也可求得分離點(diǎn)，如圖9-3(b)中兩曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)

8、的橫坐標(biāo)，圖9-3(c)中交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)分別表示顆粒錯(cuò)位組分相等以及錯(cuò)位質(zhì)量相等的平衡分離點(diǎn)。圖9-2中表示顆粒粒度分級(jí)錯(cuò)位量相等時(shí)的平衡粒徑balance particle size。 11第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.1 概述 generalization圖9-312第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.1 概述 generalization(3)分離精度separation accuracy 以分離函數(shù)為基礎(chǔ)可以評(píng)價(jià)分離精度。 理想的分離過程應(yīng)該是 T的全部顆

9、粒都在細(xì)產(chǎn)物中，而 T的全部顆粒都在粗產(chǎn)物中。理想的分離過程在分離點(diǎn)T處分離函數(shù)表現(xiàn)為突變函數(shù)，見圖9-4a。 圖9-4b中畫剖面線的面積即表示偏差的大小，而分離函數(shù)的斜率則表示分離效率的大小，為此，偏差度可用下式確定： (9-11)13第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.1 概述 generalization 分離銳度為=1理想分離過程， 越偏離1，分離精度越差。 (9-12)圖9-414第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.1 概述 generalization9.2.

10、1 篩分screen separation 把固體顆粒放在具有一定大小孔徑或縫隙的篩面上，使物料分成通過篩子的較細(xì)部分成為篩下料和留在篩上的較粗部分成為篩上料。這種分級(jí)方法稱為篩分。篩分操作按物料含水分的不同，分為干法篩分和濕法篩分。篩分析是將粉末樣品通過一系列不同篩孔的標(biāo)準(zhǔn)篩，分離成若干個(gè)粒級(jí)。分別稱重，求得以重量百分?jǐn)?shù)表示的粒度分布。篩分析適用于粒徑約100mm至20之間的粒度分布測(cè)量。 15第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (1)篩分與篩制screen separation

11、and sieve scale 篩分機(jī)械或設(shè)備的工作面是篩面。篩面結(jié)構(gòu)有格子篩（也叫柵篩）、板篩（也稱篩板）、編織篩（也叫網(wǎng)篩）等多種，格子篩與板篩用于篩分塊、粒狀物料；編制篩用于篩分粉料或漿料。標(biāo)準(zhǔn)篩用于測(cè)定粒度分布。編制篩是用鋼絲、銅絲、尼龍絲等按經(jīng)緯形式編制而成。篩面在許多國(guó)家已有標(biāo)準(zhǔn)，即對(duì)篩孔尺寸、篩絲尺寸、上下兩篩號(hào)間孔大小作規(guī)定。各國(guó)規(guī)定不同的標(biāo)準(zhǔn)篩系列，大多數(shù)系列的篩孔尺寸按1.189等比幾何級(jí)數(shù)改變，故相鄰號(hào)篩孔面積之比為1.414。 16第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grad

12、ing 美國(guó)Tyler系列是以目(每英寸長(zhǎng)度上的孔數(shù))作為篩號(hào)sieve number。它以200目為基準(zhǔn)，其篩孔尺寸為0.074mm，絲直徑為0.053mm。最細(xì)為400目，篩孔尺寸為38m。 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局采用的ASTM系列則采用篩號(hào)，以18號(hào)為基準(zhǔn)，其篩孔尺寸為l mm；最細(xì)為400號(hào)，其篩孔尺寸為37 m 。 日本標(biāo)準(zhǔn)(JIS)系列使用篩號(hào)。最細(xì)為325號(hào)，篩孔尺寸為37 m 。對(duì)于細(xì)篩，與Tyler系列的目數(shù)接近，篩孔尺寸也接近。 17第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 法

13、國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(AFNOR)系列使用篩號(hào)。號(hào)數(shù)越小篩越細(xì)，最細(xì)為17號(hào)，篩孔尺寸為40 m 。 前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)( CT)系列，直接以篩孔尺寸標(biāo)于篩框上，最細(xì)為40 m 。 德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)系列則標(biāo)以篩號(hào)，以及每平方厘米的篩孔數(shù)。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)篩系列，基本沿用Tyler系列。它是取其每隔一個(gè)相鄰的兩個(gè)篩子作為此系列的相鄰號(hào)篩子。與Tyler篩不同的是，篩孔尺寸值較整齊，且直接將篩孔尺寸標(biāo)于篩上，而不用目。此系列篩孔尺寸按等比幾何級(jí)數(shù)變化。 18第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (2)

14、孔隙率porosity 孔隙率也稱開孔率,是指篩孔凈面積占篩面總面積的比率，可用下式表示 式中 z 一單位長(zhǎng)度內(nèi)的篩孔數(shù)； Db一篩絲直徑。 一般篩網(wǎng)孔隙率可達(dá)80%，在篩孔較小情況下，孔隙率為40%左右。篩板孔隙率均在50%以下，這影響了粒子通過篩孔的可能性?？紫堵视址Q篩面有效面積比，這個(gè)值越高，對(duì)篩分越有利。 (9-13)19第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 9.2.2 篩分機(jī)理principle of screen separation 篩分過程中，物料要通過篩孔，其必要條件

15、是顆粒的大小一定要比篩孔小，同時(shí)顆粒還要有通過篩孔的機(jī)會(huì)。其充分條件是顆粒與篩面之間要保持一定形式的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。(1)顆粒通過概率 probability of particle passage 設(shè)篩孔為金屬絲所組成的方形孔，如圖9-5，篩孔每邊凈長(zhǎng)為D，篩絲的粗細(xì)為Db，被篩分的顆粒設(shè)為球形，其直徑為d。就該篩孔而言，球粒中心運(yùn)動(dòng)范圍為(D+Db)2。當(dāng)球粒能順利落下時(shí)，其球心位置則應(yīng)在(D-d)2范圍內(nèi)。20第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 球粒落下去的機(jī)會(huì)，即其通過概率為： 如

16、果篩面傾斜的話，如圖9-6,則篩孔作用的大小將由D減小為D，球形顆粒能夠通過篩孔的幾率勢(shì)必會(huì)減少，顆粒是正方形、長(zhǎng)方形或其它形狀，其通過篩孔機(jī)會(huì)也會(huì)減少。 (9-14)圖9-621第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (2)篩分效率efficiency of screen separation 含有大小不同顆粒的物料經(jīng)過篩分，并非小于篩孔的顆粒都有機(jī)會(huì)穿過篩孔而成為篩下料，因而在篩上料中仍混有篩下料顆粒。為了說明篩分質(zhì)量，引入篩分效率的概念，則： 式中 m1入篩物料中含有篩下粒級(jí)的質(zhì)量

17、； m3混在篩上料中的篩下粒級(jí)質(zhì)量； m4實(shí)際篩出的篩下料質(zhì)量； 篩分效率。 (9-15)22第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 也可用累計(jì)篩下百分含量來表示 式中 Wa篩下料中含篩下粒級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)； Wb入篩物料含篩下粒級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)； Wc篩上料中含篩下粒級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 工業(yè)上實(shí)際操作的平均篩分效率為70%98% 。(9-16)23第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (3

18、)影響篩分的因素factors affecting screen separation 一是被篩分的物料，二是篩分機(jī)械。 物料方面的影響因素有： (a)堆積密度stacking density 在物料堆積密度比較大(約在0.5tm3以上)的情況下，篩分處理能力與顆粒密度成正比。但在堆積密度較小的情況下，上述的正比關(guān)系不易保持。24第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (b)粒度分布size distribution 粒度分布可以影響處理能力的變化幅度達(dá)300。一般，細(xì)粒多，處理能力大。

19、最大允許粒度不應(yīng)大于篩孔的2.54倍，物料中含難篩粒(大于篩孔尺寸34的顆粒)、阻礙粒(大于篩孔尺寸而小于1.5倍篩孔的顆粒)數(shù)量越少，篩分越易，所得篩分效率也越高。 (c)含水量moisture content 物料中水分含量達(dá)到一定程度時(shí)，由于顆粒間的相互粘附而結(jié)成團(tuán)塊或堵塞篩孔，篩分能力就會(huì)急劇下降。若將其改成濕式篩分，反可使處理能力提高。25第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 篩分機(jī)械方面的影響因素有： (a)孔隙率porosity 篩面開孔率越小，篩分處理能力越小，但篩面使

20、用壽命相對(duì)會(huì)延長(zhǎng)。 (b)篩孔大小 screen size 在一定范圍內(nèi)，篩孔大小與處理能力成正比。但是篩孔過分小的話，篩分處理能力就會(huì)急劇降低。 (c)篩孔形狀 screen shape 正方形孔的處理能力比長(zhǎng)方形的小，但篩分的精確度，以正方形的為佳。 25第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (d)振動(dòng)的幅度與頻率frequency and amplitude 一般地，粒度小的適宜用小振幅與高頻率振動(dòng)?，F(xiàn)在有用音頻波來提高細(xì)粉的篩分效率的，即所謂“音波篩”。 (e)加料的均勻性fe

21、ed uniformity 單位時(shí)間加料量應(yīng)該相等，入篩料沿篩面寬度分布應(yīng)該均勻。在細(xì)篩時(shí)，加料的均勻性影響更大。 (f)料速與料層厚度 speed and thickness 篩面傾角大，可增快料速，增加處理能力，但篩分效率降低。料層薄，雖會(huì)減低處理能力，但可提高篩分效率。 26第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 9.2.3 干式分級(jí)dry-type partition(1)干式分級(jí)機(jī)理 principle of dry-type partition 干式分級(jí)通常是利用顆粒在氣流中

22、沉降速度差，或者說利用軌跡不同來進(jìn)行的。作用于顆粒的力有：阻力、浮力、重力、離心力、科里奧利力、慣性力、靜電力、磁力、摩擦力、對(duì)撞力、附著力等。分級(jí)機(jī)是利用這些力中的一種或幾種力的組合而制成的。 幾種氣流分級(jí)機(jī)在機(jī)理上的差別大致如圖9-7所示。圖9-7(a)為利用顆粒沉降速度與氣流的平衡進(jìn)行分級(jí)。 27第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 圖9-728第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle gr

23、ading vt為顆粒在靜止氣流中的沉降速度，u為分級(jí)區(qū)氣流速度，顆粒以(u-vt)速度沿氣流方向運(yùn)動(dòng)。 若uvt，則顆粒朝重力方向運(yùn)動(dòng)；若uvt，顆粒順氣流方向運(yùn)動(dòng)；若u=vt，則顆粒在氣流中處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)的顆粒直徑即為分離界限。 圖9-7(b)為顆粒受橫切氣流作用，利用不同顆粒具有不同運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分級(jí)。 圖9-7(c)為離心分級(jí)，即處于離心力場(chǎng)中的顆粒，利用徑向速度的平衡進(jìn)行分級(jí)。vtur的粗顆粒朝外側(cè)運(yùn)動(dòng)，反之vtur細(xì)顆粒朝內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)。 29第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle gradin

24、g 氣流分級(jí)機(jī)的分級(jí)過程： 1)分散：將附著或凝聚在一起的顆粒聚集體分散成單個(gè)顆粒； 2)分離：組合各種力的作用，使顆粒獲得速度差，實(shí)現(xiàn)粗、細(xì)顆粒分離； 3)捕集：從氣流中分離與捕集顆粒； 4)卸出。 形狀不同的顆粒在氣流中流動(dòng)混亂、相互干擾；速度分布不均、壁效應(yīng)或靜電作用影響，使顆粒運(yùn)動(dòng)復(fù)雜；顆粒相互排斥、再飛散、再混合，在分級(jí)過程中粉碎作用等因素均影響分級(jí)效果。 30第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (2)超細(xì)顆粒的分級(jí)原理partition principle of supe

25、rfine particle 超微細(xì)顆粒粒徑小至微米級(jí)以下，表面能大，更易于聚集。為實(shí)現(xiàn)高回收率和高精度分級(jí)，氣流分級(jí)裝置必須盡可能達(dá)到： (a)物料充分分散； (b)分離作用力既瞬時(shí)作用于點(diǎn)或線上，又持久作用于整個(gè)分級(jí)區(qū)域內(nèi)； (c)對(duì)氣流作整流處理，避免產(chǎn)生局部渦流； (d)分離出的顆粒應(yīng)立即卸出，避免再混合。 31第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 1)迅速分級(jí)原理principle of rapid partition 逆流平衡分級(jí)原理，當(dāng)uvt時(shí)，細(xì)顆粒上升，滯留時(shí)間(圖9

26、-8(a)為 當(dāng)uvt時(shí)，粗顆粒下降，滯留時(shí)間為 越接近于分級(jí)界限的顆粒，滯留時(shí)間越長(zhǎng)，分級(jí)過程中顆粒的濃度不斷增加，并產(chǎn)生聚集效應(yīng)(圖9-8b)。迅速分級(jí) ，使臨界顆粒速離分級(jí)區(qū)。 32第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 圖9-833第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 2)減壓分級(jí)原理partition principle under pressure reduction

27、減壓下重力分級(jí)原理： 由Stokes區(qū)的沉降速度為 對(duì)于超細(xì)分級(jí)，當(dāng)顆粒粒度小于或等于氣體分子的平均自由行程長(zhǎng)度時(shí)，由于顆粒周圍產(chǎn)生分子滑動(dòng)而使顆粒受的阻力減小，因此，在重力場(chǎng)中顆粒沉降速度需做Cunningham修正 (9-17)(9-18)34第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading Cunningham修正系數(shù)為 減壓下離心力分級(jí)原理： 在離心力場(chǎng)中顆粒的分級(jí)粒徑可由顆粒離心慣性力與空氣粘性阻力的平衡關(guān)系求得： 假設(shè)為球形顆粒，并在Stokes區(qū)，則 (9-20)35第九章 顆粒的分

28、級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 考慮Cunningham修正,則 由式(9-20)與式(9-22)相等，可得分級(jí)粒徑： 減壓分級(jí)原理僅適于具有高精度的分級(jí)機(jī)。(9-22)(9-23)36第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 3)離心逆流式分級(jí)原理partition principle under centrifugal countercurrent 渦輪型超細(xì)氣流分級(jí)裝置是應(yīng)用減壓下離心

29、力分級(jí)原理進(jìn)行分級(jí)的，由于氣流與離心力方向相反，故稱離心-逆流式分級(jí)。圖9-9。 其工作原理: 渦輪型分級(jí)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，粗顆粒在離心慣性力作用下甩向轉(zhuǎn)子外緣，而細(xì)顆粒卻在氣流力(由負(fù)壓形成)帶動(dòng)下向渦輪中心作逆向運(yùn)動(dòng)，從而加強(qiáng)了分級(jí)作用。圖示的渦輪上還附設(shè)有分散物料用葉片，以強(qiáng)化分級(jí)前對(duì)顆粒的分散作用。 37第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 圖9-938第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle

30、grading (3)超細(xì)氣流分級(jí)裝置的類型types of partition equipment of superfine gas flow (a)離心型 1)旋風(fēng)分離器分級(jí)粒度1.020m。 2)NPK氣力分級(jí)器分級(jí)粒度520 m 。 (b)強(qiáng)制渦型 臥式渦輪型氣流分級(jí)機(jī)。 39第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 9.2.4 濕式分級(jí)slurry-type partition 濕式分級(jí)機(jī)理與干式基本相同。由于流體介質(zhì)密度和粘度相當(dāng)大，濕式顆粒的沉降速度僅為干式的數(shù)十分之一。40

31、第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 濕式分級(jí)的優(yōu)點(diǎn)為：(a)微細(xì)顆粒在液體中易分散，分級(jí)精度高；(b)沉降速度小，現(xiàn)象變化遲緩，分級(jí)范圍狹窄；(c)以稀料漿狀態(tài)處理，供料輸送等操作簡(jiǎn)便。缺點(diǎn)是：(a)分級(jí)產(chǎn)物為濕狀，為制得干粉要有干燥過程，往往形成干燥固結(jié)；(b)因沉降速度小，單位面積產(chǎn)量低；(c)對(duì)于可溶解于分散介質(zhì)的物質(zhì)和易變質(zhì)的物質(zhì)不適用。 41第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle g

32、rading (1)重力一濕式分級(jí)機(jī)gravity-slurry type partition device圖9-10(a)：優(yōu)點(diǎn)是粗粒混入溢流少，可自動(dòng)化生產(chǎn)。圖9-10(b)：用以除去粗粒子和洗凈。 圖9-1042第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (2)水力旋流器hydraulic cyclone 在工業(yè)部門中，為達(dá)到分級(jí)、濃縮、脫泥、除塵和選別等目的，廣泛使用液體或氣體旋流分離器。旋流器產(chǎn)生的離心慣性力可比重力大幾十到幾百倍，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，造價(jià)低廉，使用維護(hù)方便，是普遍使用

33、的分離或分級(jí)設(shè)備。 (一)水力旋流器的工作原理 principle of hydraulic cyclone 利用流體旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生的離心慣性力，加速固體顆粒與流體之間的分離，懸浮的顆粒受到離心加速度的作用而從液體中分離出，或不同密度或不同大小的固體顆粒被分級(jí)。 43第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 含有懸浮固相顆粒的混合液，以一定的壓力和速度由給料管沿切線方向進(jìn)入旋流器圓柱蝸殼，形成高速的旋流，如圖9-11。 圖9-1144第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and sepa

34、ration of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 其中一股是沿著旋流器圓柱體和圓錐體內(nèi)壁形成一個(gè)向下的外螺旋流，另一股是在圍繞旋流器軸心形成一個(gè)向上的內(nèi)螺旋流，其軸心形成負(fù)壓，實(shí)為空氣柱。由于自上而下筒體的橫截面積是逐漸減少的，因此內(nèi)螺旋流圓周速度將逐漸增大，在離氣柱較近的地方速度最大。大顆粒在旋轉(zhuǎn)的過程中產(chǎn)生極大的離心力，被甩向筒體壁，小顆粒則由于產(chǎn)生的離心力小而處于圓心和筒體之間。離心力比較小的錐筒壁，將留下最大的固相顆粒。根據(jù)斯托克斯定律，大顆粒的徑向流動(dòng)時(shí)阻力大，徑向流無法向中心帶動(dòng)。45第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and sepa

35、ration of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 較細(xì)的固相顆粒被徑向流帶往中心線半徑較小的地方，一直到離心力與作用于顆粒的液體徑向流壓相平衡。因此，水力旋流器內(nèi)應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)顆粒按半徑分布。其中最大的顆粒，則靠近器壁處積聚，隨外螺旋流下降至底流口（沉砂口）；而較小的顆粒則靠近中心，并按粒度相應(yīng)地分布在不同半徑上，隨內(nèi)螺旋流通過溢流管進(jìn)入溢流收集室被排出。在內(nèi)、外螺旋流的作用下，使高、低密度顆粒得到分離，如圖9-12所示。 46第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle g

36、rading 圖9-1247第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (二)旋流器內(nèi)液體流場(chǎng)的描述description of liquid flow in cyclone 流體在旋流器中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)流體進(jìn)行微元受力分析得到微分形式的伯努利方程式中 H流體的總能頭； v半徑r處的圓周速度。 這個(gè)方程反映了旋轉(zhuǎn)流體流動(dòng)中能量變化的關(guān)系，是描述流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的基本方程。 (9-24)48第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2

37、 顆粒的分級(jí) particle grading 流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)一般分成三種形式，即自由渦運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)制渦運(yùn)動(dòng)和組合渦運(yùn)動(dòng)： 1)自由渦運(yùn)動(dòng)free vortex movement 流體沒有從外部獲得能量補(bǔ)充的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱為自由渦運(yùn)動(dòng)，例如在容器底部開孔放水時(shí)上部流體會(huì)產(chǎn)生一種漏斗形的旋渦。自由渦運(yùn)動(dòng)流體的總能頭H保持為常數(shù)，即dH=0。由基本方程(9-24)積分得自由渦運(yùn)動(dòng)的速度分布 說明，自由渦運(yùn)動(dòng)速度與半徑成反比，或者說流體質(zhì)點(diǎn)的速度與半徑按雙曲線規(guī)律變化。 (9-25)49第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) parti

38、cle grading 2)強(qiáng)制渦運(yùn)動(dòng)force vortex movement 旋轉(zhuǎn)容器中流體與容器以相同角速度運(yùn)動(dòng)被稱為強(qiáng)制渦運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)與剛體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相似，其圓周線速度等于旋轉(zhuǎn)角速度與旋轉(zhuǎn)半徑的乘積。強(qiáng)制渦運(yùn)動(dòng)的速度分布可表示為 代入方程(9-24)積分得 根據(jù)邊界條件確定積分常數(shù)C就可得到強(qiáng)制渦的能量變化規(guī)律。 (9-26)(9-27)50第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 3)組合渦運(yùn)動(dòng)assemble vortex movement 旋流器中的流體運(yùn)動(dòng)介于自由渦和強(qiáng)制

39、渦之間，其外圍部分切線速度與半徑成反比例變化，接近于自由渦運(yùn)動(dòng)的情況。而其中心部分的速度下降很快，接近于強(qiáng)制渦運(yùn)動(dòng)。旋流器中流體的切線速度一般可以用下式表示 指數(shù) n=0.50.9(一般取n=0.64)。若指數(shù)n=1，則為完全的自由渦運(yùn)動(dòng)；若n=-1，則是完全的強(qiáng)制渦運(yùn)動(dòng)。 (9-28)51第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 對(duì)于組合渦運(yùn)動(dòng)，將接近于強(qiáng)制渦運(yùn)動(dòng)的中心部分稱為渦核vortex core。在任意一個(gè)旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的渦核半徑為r0，對(duì)應(yīng)的切線速度為v0。由伯努利方程可得旋渦內(nèi)任

40、意點(diǎn)處的壓力分布 速度分布式(9-28)和壓力分布式(9-29)是研究旋流器中流體流動(dòng)的基礎(chǔ)。 流體在旋流器中的流動(dòng)形態(tài)是三維的螺旋運(yùn)動(dòng)，其中任意一點(diǎn)的速度都可以分解成切向速度、徑向速度和軸向速度。 (9-29)52第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 1)切向速度 Tangential velocity 切向速度分布如圖9-13。溢流管以下切向速度與半徑之間的關(guān)系如式（9-28） 圖9-1353第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of partic

41、le9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 水力旋流器中的切向速度的DSDrise式 由(9-30)式可以看出，旋流器中的切速度與軸向位置無關(guān)，因此，等切向速度的包絡(luò)面就是旋流器共軸的圓柱面。 靠近中心線的液體切向速度及相應(yīng)離心力是很大的，曾在350 mm 旋流器中測(cè)得的最大轉(zhuǎn)速為7000rpm。由于離心力大，使液流沿著中心線撕裂而形成空氣柱核心。(9-30)54第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 空氣柱直徑的經(jīng)驗(yàn)公式 式中 d0空氣柱直徑，mm； d 溢流管直徑，mm

42、； D 旋流器直徑，mm。 根據(jù)試驗(yàn)，溢流管直徑和排砂嘴直徑以及進(jìn)口壓力的變化，對(duì)氣柱直徑影響不大。 空氣柱表面可看作離心力內(nèi)液體的自由表面。由空氣柱表面的溢流，可看作相當(dāng)于由沉淀池溢出來的液流，只是離心力場(chǎng)代替重力場(chǎng)。 （9-31）55第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 2)軸向速度 Axial velocity 由旋流器殼壁越向空氣柱接近，其軸向速度越大。速度方向則由錐壁處的負(fù)(向下)逐漸變正(向上)，因而旋流器半徑的中部有一速度零點(diǎn)存在(圖9-14)。 圖9-1456第九章 顆

43、粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 通過沿軸向的各零點(diǎn)，可繪出一個(gè)圓錐面。在此圓錐面內(nèi)部，液體向上運(yùn)動(dòng)，在圓錐面的外部，液體向排砂孔方向流動(dòng)。就軸向速度的絕對(duì)值而言，內(nèi)旋流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外旋流速。 零速圓錐面在排砂孔水平面處與空氣柱表面重合，在溢流管末端水平面上，其錐底直徑等于空氣柱直徑與旋流器直徑的平均值。 值得注意: 沿著溢流管再次出現(xiàn)一股向下的速度，是由于有一股液流沿著器壁頂部向內(nèi)運(yùn)動(dòng)而引起的壁流效應(yīng)wall flow effect，其結(jié)果是使部分未經(jīng)分離的混合液形成短路而由溢流管直接流出。

44、 57第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 3)徑向速度 Radial velocity 徑向速度分量較小，它隨著半徑的減小而降低。如果認(rèn)為外旋流主要是在圓錐下部進(jìn)入內(nèi)旋流，且只有少部分經(jīng)蓋下流進(jìn)入內(nèi)旋流，那么徑向流速分布的定性圖應(yīng)如圖9-15所示。 58第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (三)旋流器內(nèi)的壓力分布pressure distribution in cyclon

45、e 圖9-16是水力旋流器內(nèi)靜水壓力試驗(yàn)曲線?？煽闯?，靜壓力由周邊向中心減小。在任意半徑上，靜水壓頭+速度頭=常數(shù)。當(dāng)靜水壓力隨半徑減小而下降時(shí)，速度頭則隨半徑減小而增加，旋流器中液體切向速度越接近中心時(shí)越大。 圖9-1659第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 實(shí)驗(yàn)測(cè)定，旋流器內(nèi)流體壓力分布規(guī)律: 靜壓頭隨著旋流器半徑r的減小而降低，特別是從溢流管開始，靜壓急劇下降，在旋流器中心部靜壓為零或甚至為負(fù)壓。 動(dòng)壓頭的分布在自由渦區(qū)域和強(qiáng)制渦區(qū)域有所不同。在自由渦區(qū)，隨半徑減小而增大；在強(qiáng)

46、制渦區(qū)，隨半徑減小而減小。 旋流器中流體壓力分布規(guī)律，直接影響其分級(jí)效率，而壓力損失的大小直接影響著旋流器能量消耗。研究旋流器的壓力分布規(guī)律，是有關(guān)旋流器分離效率和能耗優(yōu)劣的基本課題。60第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 如圖9-17，在旋流器橫截面內(nèi)取一個(gè)流體微元來分析其受力情況。微元縱斷面積為dA，厚度為dr，微元所受的離心力為 圖9-1761第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle gr

47、ading 微元體所受表面力在徑向的總力為 結(jié)合式(9-32)和式(9-33)并積分得 流體切向速度可以表示為 (9-32)(9-33)(9-34)(9-35)62第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (9-35)代入式(9-34)并積分得 旋流器自由渦范圍內(nèi)任意半徑r處的靜壓力分布 (9-38)(9-36) 另一種形式 (9-39)63第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 由

48、式可見，旋流器中壓力差隨入口速度的平方成正比例變化，同時(shí)還決定于旋流器半徑與任意半徑之比的2n次方，n無論為負(fù)還是正，h恒為正。隨半徑r的減小，壓力差增大。當(dāng)半徑r減小到某個(gè)值時(shí)，h=0，該半徑處的壓力為零；r再繼續(xù)減小時(shí)，壓力就將成為負(fù)值。說明在旋流器中心附近的壓力可以為負(fù)值。64第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (四)水力旋流器的處理量handling capacity of cyclone 旋流器可以當(dāng)作液路上一個(gè)特殊的阻力器，其通過能力取決于壓頭損失，而壓頭損失首先決定于旋

49、流器的進(jìn)液管和溢流管尺寸。 旋流器生產(chǎn)能力的Chaston公式 較復(fù)雜但更準(zhǔn)確的波瓦羅夫（oBapoB）公式 (9-41)(9-42)65第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 式中 Q旋流器生產(chǎn)能力，Ls； dn進(jìn)液管直徑，cm； p 進(jìn)液壓力,kPa。 d溢流管直徑,cm； g重力加速度m/s2； D旋流器直徑，cm； 錐殼頂角，度 。 66第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle gradin

50、g 國(guó)標(biāo)GB/T11647-89推薦在不同工作壓力下旋流器的最低處理量公式 式中 Q200工作壓力為200kPa時(shí)的處理量, m3/h，可由表9-3查到； px工作壓力，kPa。 (9-43)67第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (五)水力旋流器中邊界粒度和分離粒徑的確定determination of boundary size and separation size 邊界粒子粒度是指小于邊界粒子粒度的大部分粒子進(jìn)入溢流，而大于邊界粒子粒度的粒子全部或大部分進(jìn)入底流排砂口。 目前

51、計(jì)算邊界粒子粒度較準(zhǔn)確的公式 式中 D，d，du分別為水力旋流器的公稱直徑、溢流和排砂嘴直徑,cm；(9-44)68第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 邊界粒子粒度，m； p旋流器進(jìn)口壓力，kPa； a給進(jìn)的混合液中的固體含量，%； T,混合液中固相及液相密度，g/cm3； KD系數(shù)，可由前面式子求出。 水力旋流器分離固相顆粒的大小，是水力旋流器幾何尺寸、進(jìn)液壓力、進(jìn)液粘度、進(jìn)液中固相粒度分布等因素的函數(shù)。它與臨界粒度（又稱中分點(diǎn)）一樣是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的隨機(jī)值。 69第九章 顆粒的

52、分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (六)水力旋流器的固相清除效率計(jì)算 水力旋流器的固相清除效率，應(yīng)用體積百分比來表示。根據(jù)質(zhì)量平衡原理，進(jìn)入旋流器中的固相質(zhì)量等于旋流器中排除的固相質(zhì)量，有 式中 Mi進(jìn)入旋流器中的固相質(zhì)量，g； M0溢流排出的固相質(zhì)量，g； Mu底流排出的固相質(zhì)量，g。(9-45)70第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (9-46)式中 i 進(jìn)液密度，g/cm3； 0

53、溢流密度，g/cm3； u底流密度，g/cm3； L固相密度，g/cm3； qi 進(jìn)液流量，L/s； q0溢流流量，L/s； qu底流流量，L/s。 將(9-45)式換算成下式： 71第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 從流量平衡原理，可得 將(9-47)式代入（9-45）式，化簡(jiǎn)得到旋流器溢流密度計(jì)算式 再求得進(jìn)液和溢流中固相體積含量百分?jǐn)?shù) (9-47)(9-48)72第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí)

54、particle grading 二式相減得到水力旋流器的固相清除效率solid phase clear efficiency(9-49)73第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading (七)影響水力旋流器性能的主要因素 影響水力旋流器的工作有三類因素： 結(jié)構(gòu)參數(shù)：包括圓柱蝸殼筒的直徑及高度，進(jìn)口管直徑，溢流管直徑，以及錐殼的頂角，排砂孔直徑和溢流管的安裝方式等。 工藝操作參數(shù)：進(jìn)口壓力，溢流管回壓。 混合液的性能：固相顆粒組成，固相含量，粘度，固液相密度等。 74第九章 顆粒的分級(jí)與分離

55、Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 1）水力旋流器直徑 diameter of cyclone 在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，單純?cè)黾有髌髦睆剑⒉荒茱@著增加處理能力。當(dāng)其它結(jié)構(gòu)參數(shù)隨直徑按比例增加時(shí)，旋流器的處理能力與其直徑的平方成正比。 旋流器直徑越大，離心力就越小。只有采用小直徑的旋流器，才能得到細(xì)的溢流。 不同直徑的旋流器，可得到相同的邊界粒子粒度，排孔比（排砂口直徑與溢流口直徑之比）的變化也能影響邊界粒子粒度。為得到相同的邊界粒子粒度，可用增大排孔比的方法來達(dá)到。75第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Gra

56、ding and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 2）進(jìn)口直徑 feed diameter 邊界粒子粒度與進(jìn)口管直徑的平方根成比例(因進(jìn)口管徑與D成正比)。實(shí)踐證明，進(jìn)口管直徑的變化對(duì)生產(chǎn)能力的影響較大，而對(duì)邊界粒子7粒度的影響不大。用減小進(jìn)口管尺寸的辦法，達(dá)不到減小溢流粒子直徑的目的。76第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 3）溢流管直徑 diameter of overflow pipe 溢流管直徑的變化將影響旋流

57、器的各個(gè)工作指標(biāo)。進(jìn)口壓力不變時(shí)，在一定范圍內(nèi)增加溢流管直徑，可使處理能力增加；在生產(chǎn)能力不變情況下，溢流直徑增大，進(jìn)口壓力將成平方降低。77第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 4）錐體角度 angle of cone 增加錐角會(huì)降低設(shè)備的高度，但增加了液體的平均徑向速度，因而使溢流粒度增大，得到排砂濃度較大。較小的錐角，可得到較細(xì)的溢流粒度。Rietema認(rèn)為，用于分離時(shí)，最佳長(zhǎng)度與旋流器直徑之比L/D=5，用于分級(jí)時(shí)，L/D=2.5，相應(yīng)的錐角為11.5和22.6。78第九章 顆

58、粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 5）排砂口直徑diameter of clearance hole 排砂孔的變化，對(duì)水力旋流器的處理能力影響甚微，但使分離質(zhì)量產(chǎn)生變化。減小排砂孔將會(huì)： 對(duì)于密度較大、顆粒較大的混合液分離時(shí)，可能堵塞排砂孔。 增加了溢流中固相顆粒的粒度。 增大溢流生產(chǎn)率，相應(yīng)減小了沉砂率。 一般地，du/d=0.150.8。 79第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading

59、 6）排口比 排口比的改變，對(duì)于水力旋流器所有的工作指標(biāo)均有極大的影響，首先影響到沉砂。相對(duì)沉砂量隨排口比的增大而增大，溢流變得更細(xì)。超過某一數(shù)值，將會(huì)得到相反的效果。 80第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.2 顆粒的分級(jí) particle grading 9.3.1 氣固分離gas-solid separation 氣固分離是分離捕集懸浮于氣體中的固體顆?；驘熿F的操作，以收塵為使用目的，稱為收塵裝置dust arrester installation。收塵系統(tǒng)(參照?qǐng)D9-18)，由裝設(shè)在揚(yáng)塵點(diǎn)的吸塵罩、管道、收塵裝置和風(fēng)機(jī)等組成

60、。吸塵罩必須根據(jù)揚(yáng)塵點(diǎn)的吸入特性選擇，與大氣相接處的風(fēng)速以0.5lm/s作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。管內(nèi)風(fēng)速必須保證管內(nèi)的粉塵不附著堆積，通常選取1025m/s左右。為減少管道的壓力損失，彎管曲率半徑應(yīng)比管道直徑大2倍以上，氣流的分布要適當(dāng)，而且應(yīng)注意分支管道的選取。 81第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.3 顆粒的分離 particle separation圖9-1882第九章 顆粒的分級(jí)與分離 Grading and separation of particle9.3 顆粒的分離 particle separation(1)旋風(fēng)收塵器cyc