研究生 颗粒学 5颗粒水力分级.ppt

颗粒分级分级是利用粒度不同的颗粒在复合力场中具 有不同运动轨迹的特性，实现按粒度分离的过程 常用的复合力包括重力、离心力、流体阻力， 这些力的大小与颗粒的粒度有关，这些力对颗粒 作用的结果是不同粒度的颗粒产生不同的运动轨 迹应该注意的是颗粒的其它物理、化学性质对 运动轨迹有不同程度的影响，粒度并不是影响轨 迹的唯一因素，这正是微细粒分级的困难所在 基本概念 1985年，Sivamohan和Forssberg提出粒级的分类， 对粗粒、细粒、微细粒等作出了粒度划分，划分情况列于 下表 颗粒粒级的划分 在分级研究中，有几个最基本的概念： 1、分级粒度分级粒度通常是衡量细产物粒度的一种指标，即指定 负累积含量T下对应的粒度dT不同行业、不同用途的粉 体指定负累积含量T不同，涂料行业采用d97、d95，选矿行 业采用d85（或-74μm的含量），磨料行业甚至采用d100 2、平衡粒度 平衡粒度是指在分级单元中，对某一特定的极窄级别的 颗粒，它进入粗产物和进入细产物的概率均等，各为50% ，那么，该极窄级别对应的粒度即为平衡粒度平衡粒 度又称为分离粒度，通常用d50表示它是分级设备的主 要性能参数之一。

3、分级效率衡量分级效果的指标，由于对效果的侧重点不一，有几 种物理意义不同的分级效率 （1）分级质效率：溢流中合格粒级的回收率与底流中合格 粒级的混入率之差计算公式为： （2）分级量效率：溢流中合格粒级的回收率计算公式为： 以上两式中α、β、θ分别代表给料、细产品、粗产品中 某一指定粒度的负累积含量 细粒分级原理分析 淘洗分级原理 传统的淘洗分级原理如下图所示在某一容器中装有固 液两相混合物，搅拌均匀后使容器静止，固体颗粒开始 沉降，一段时间后移去高度为H的上部固液两相体，如此 循环，直到上部介质中固体含量几乎为零，达到粗细分 离的目的 运动中的颗粒受到三种力的作用，即重力W、浮力Ff和流 体阻力FS，设颗粒为球形且质量为m，则有： 式中流体阻力FS的计算公式与流态有关，当颗粒粒度很 小，固体浓度很低时流体阻力可以用stokes公式计算 式中：μ—介质动力粘性系数，d—颗粒直径，vl—介 质流速，vp—颗粒运动速度 由于介质是静止的，vl=0，那么式（2）转化为： （1）（2）将式（3）带入式（1）有： 对微分方程（4）求解，有： 对上式积分得到颗粒运动距离与时间的关系： 实际上，颗粒粒度越小， 公式（5）、（6）可以分别近似转化为： 所需的时间越短，或 显然，对于需要分级的指定粒级，d是已知的，固定移液高 度h，可以求出分级时间，粒径大于d的颗粒，运动距离大 于移液高度，不会进入细粒级产物，实现颗粒的粗细分离 。

该原理可以实现精密分级，淘洗粒度分析方法就是利用此 原理但由于粒群的起始位置分散于容器的各个不同点， 因此即使是小于d的颗粒，经时间t后同样会从低于液面的任 意位置运动到移液位置以下，所以，为了保证粒径小于d的 颗粒被移走，淘洗必须反复进行直到移液线以上的介质澄 清为止 上升流分级原理 下图是上升流式水力分级原理图，颗粒从容器的上部的中 心位置给入，容器的下部由某种装置产生均匀的上升流， 在上升水流的作用下，细颗粒从上部周边溢出，粗颗粒从 下部排出 与陶洗分级原理类似，颗粒同样受到三种力的作用，即 重力、浮力和流体阻力，方程（1）同样成立： 如果假定某一颗粒在上升流中处于静止状态，即vp=0， 那么以上两式中有： 即： 满足关系式（11）的粒径称为平衡粒径，大于平衡粒径的 颗粒向下运动，小于平衡粒径的颗粒向上运动，从溢流中 溢出 利用上升水流，在相同的流量下，在不同直径的分级管 中，产生不同的上升水速，使粒度不同的矿粒按其不同的 沉降速度分成若干粒度级别错流式分级原理 下图是错流式分级原理示意图 给料方向与介质流的给入方向垂直且与重力场方向平行， 颗粒的受力在Y轴方向与介质静止的分级原理一致，公式 （8）同样成立，即： h：颗粒在Y轴方向运动的距离。

在X轴方向，颗粒速度 被看成与介质流体速度一致，那么有关系式： 式中V：介质流速；L：颗粒在X轴方向运动距离；由以 上两式可以推导出XOY平面上颗粒粒度分布函数： 式中H：平板流道的高度由式（13）可以得出结论，分 级粒度与介质流速有关，与几何结构有关，当高差h、介质 流速V一定，那么在X轴方向，随着L值的增加，粒度越来 越细，因此如果在轴的不同位置截取流体，从理论上说， 颗粒得到多个粒度不同的产物 离心力场分级原理 在上述分级原理中，力场均为重力场，分级下限与处理能 力之间的矛盾不能很好解决，因此，离心力场的引入是新 一代微细分级机最显著的特点这里着重分析旋流器和叠 式分级机的分级原理 （1）水力旋流器 水力旋流器是一种常用的细粒分级设备 如上图所示，介质和颗粒流从切线方向给入旋流器， 产生外旋流和内旋流，颗粒在离心力、流体阻力、重 力、浮力的综合作用下，粗颗粒向边壁运动从底流口 排出，细颗粒向中心运动，从溢流口排出考虑离心 力和流体阻力为主要作用力，忽略其它力的作用，颗 粒运动的微分方程是： 式中ρs、ρl分别为颗粒和介质密度；、分别为颗粒和介 质的速度；K1、K2与颗粒物性及运动状态有关的系数； 假设： 1、颗粒运动是匀速的； 2、颗粒在轴向、切向与流体相对运动颗粒忽略不计； 3、径向压力梯度满足理想流体平衡条件 在上述假设下，公式（8）依然成立，所不同的是vr(流体 径向速度)、ω2r（流体旋转产生的离心加速度）分别取代 了公式中的vl、g。

即： 公式（15）是旋流器中粒度分布的理论通用式，由于d 与vr、r、ω密切相关，而vr、ω的理论计算十分困难 ，因此分级粒度的计算公式常为半经验公式或经验公 式常用的公式有：1、Kelsall公式 2、Bradley公式 3、Lilge公式 4、姚书典-隋志宇公式5、Krebs经验公式 (2)、叠式分级机分级原理下图是叠式分级机分级原理图 物料、介质流 从中空轴给入 ，部分物料和 介质流穿过碟 片组成的分级 空间，在离心 力、流体阻力 的作用下，细 颗粒穿越分级 区从中空轴排 出 X轴方向颗粒受到的离心力： 颗粒受到的流体阻力： 忽略重力的影响，那么有下式成立： 若颗粒在分级区的某一轨道上静止，即则上式变为： 此时的粒度d为平衡粒度 影响分级粒度的各种因素 上面分析了几种典型分级设备的分级原理和平衡粒径，不 同分级原理导致不同的参数影响分级粒度，实际上，影响 分级粒度的因素越多，控制分级粒度的难度越大，要做到 精密分级，就应避免变量过多的设计下面分析各种分级 机的影响因素 各种分级机的平衡粒度公式汇总如下： 1、淘洗分级机 2、上升流分级机 3、错流式分级机 4、水力旋流器 理论公式： 半经验公式： 经验公式： 5、叠式分级机影响平衡粒度的因素可以划分为颗粒物理性质、流场特 性、力场特性、几何特性四种，颗粒物理特性是指颗粒 密度、形状特性；流场特性是指流体密度、运动粘度、 流速分布、流态（层流、紊流）、压力分布等特性；力 场特性是指重力场、离心力场等促使颗粒分离的力场特 性；几何特性是指分级设备的几何尺寸、形状，尤其是 分级腔体的尺寸、形状；以上四种特性中几何特性与流 场特性有一定的联系。

以上平衡粒度的计算公式（经验公式27除外）共有的 因素是颗粒密度、流体运动粘度，且对平衡粒度的影 响一样： 除淘洗分级机之外，平衡粒度与分级方向流速有关，如上 升流分级机的上升流速Vl，错流式分级机的介质流速V， 水力旋流器的径向流速Vr，叠式分级机流道流速Vl，介质 静止分级机、上升流分级机、错流式分级机的平衡粒度与 重力加速度g相关，旋流器、碟式分级机的平衡粒度与流 体角速度ω相关此外，错流式分级机的平衡粒度与流道 高度、截取位置相关，旋流器、叠式分级机平衡粒度还与 径向位置r相关 事实上，对平衡粒度直接影响且又难以准确描述的是 流态、流速，流场越简单，预测、计算、控制平衡粒 度的可能性就越大图3.6、3.7、3.8、3.9分别是淘洗 分级机、上升流分级机、错流式分级机、旋流器分级 区域的流速分布叠式分级机的分级流道中的流速分 布与上升流分级机类似 淘洗分级机的流场最为 简单，任意点的流速为 零，在理想流体的条件 下，对球形颗粒而言公 式（3.11）可以准确地 描述颗粒的运动规律， 分级过程中，只要准确 控制好时间t和移液高 度h(t)，就可以控制分 级产物的最大粒度在 生产过程中最大粒度是 目标值，是已知的，固 定高度值h(t)，按公式 (3.12)求出相应的时间t ，即可以进行分级操作 。

分级效率与移液次数 相关 上升流分级 机、叠片式 分级机、错 流式分级机 中介质的流 速分布与流 态有关，在 流场低雷若 数的条件下 ，流道断面 上的流速呈 线性分布， 在高雷若数 的条件下， 断面上的流 速分布呈抛 物线分布 旋流器的流场十分复杂，图示的流场分布中切线、轴向流速 由Kalsall提出，径向流速由激光测速测出，很明显，它的分 布十分复杂，难以用简单的数学公式描述 计算、预测平衡粒度的所有公式中均含有颗粒所在点的 介质流速，不同位置介质速度差异越大，平衡粒度的差 异越大，旋流器中的平衡粒度实际上并不存在，不论是 以轴向零速包洛面还是以径向零速包洛面为平衡轨道， 由于这两种包洛面的半径不是常数，因此不同高度的平 衡轨道上的平衡粒度不同 湿式微细粒分级设备发展动态与分析微细粒分级是现代制粉技术的关键,分级设备正向粒 度细、级别窄的方向发展,这里介绍湿式微细粒分级的几 种主要设备,并对各自的优缺点进行初步的分析,对窄级别 的微细粒分级提出新的观点用于微细粒湿式分级设备有两种类型,即重力沉降分 级类型、离心分级类型细粒分级设备重力沉降类型分级设备(1)重力-湿式分级机图1是这种分级机的实例,它是一 种十分简单的分级设备。

待分级 物料加入沉降池,溢流由虹吸管 排出,粗粒级由底部排出至第二 沉降池继续分级,沉降池内部有 循环分散系统该设备遵循逆流 式分级原理,颗粒所受上升流体 阻力与重力的平衡即决定平衡粒 度,小于该粒度的颗粒进入溢流, 它的优点是分级过程平稳,可以 全过程自动控制,溢流中粗粒混 入量少,可用于高级颜料、研磨 料的分级但缺点也是明显的, 由于在重力场中分级,当粒度在 微米级时,分级速度太慢,效率太 低2)错流式分级机图2是错流式分级机原理简图, 介质运动方向与分级物料的给 入方向呈夹角α(大多为90°),粘 滞阻力与重力方向相反,此两种 力确定颗粒下落的速度和时间, 水平方向颗粒的运动速度确定 颗粒的水平运动距离,粒径不同, 抛物线的轨迹不同从理论上 分析,错流式分级机可以一次实 现多粒级的分级离心式分级设备微细颗粒在重力场的条件下沉降速度很慢,分级微米级颗粒 所需沉降时间可能长达数十小时,显然生产效率太低因此 离心分级设备应运而生 (1)旋流器旋流器是一种简单但具有较高分级效率的分级设备,直径 Φ10～50ｍｍ的旋流器,其分离粒度一般小于10μｍ,它广泛 用于细颗粒的检查分级旋流器的结构十分简单,基本结构 见图3。

2)离心分级机由于微细粒分级需要很高的分离因素,使流体产生高速旋转形 成较强的离心力场,达到较高的分离因素,微米级的分级需要 的分离因素为103级近年来,湿式微细粒分级设备有了很大 的进展下面分别进行介绍卧式螺旋离心分级机ＷＬ型卧式离心分级机的结构和工作 原理如图7所示它主要由转鼓、螺旋 推料器、差速器、机壳、机座等部分 组成,转鼓和螺旋推料器安装在差速器 里,同向旋转只有微小的差速,待分级 物料由进料管进入料仓,与转鼓几乎同 步旋转,颗粒进入离心力场,迅速分层, 细颗粒由溢流环溢出,粗颗粒被抛出周 边,在推料器的作用下向前运动由排渣 口排出该类型的分级机,分离因素可高达2400ｇ,可用于1～10μｍ物料的分级, 固体含量可高达50%,它的进料和出料均是连续进行,但实际上它是由离心 。