CN106076672A - 气流式多产品微细颗粒排序分级器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气流式多产品微细颗粒排序分级器，它包括：气相入口(1)、粉料仓(3)、自动加料器(4)、芯棒(5)、排序分级腔(6)、物料出口(7)和出口分格器(9)。所述气流式多产品微细颗粒排序分级器具有结构简单、能耗低、可获得多级产品等特点，适用于微细颗粒加工、分选以及分离等领域。

Description

气流式多产品微细颗粒排序分级器

技术领域

本发明属于粉体加工、分选以及微细颗粒分离与捕集领域，涉及一种气流式多产品微细颗粒排序分级器，具体地说，本发明涉及一种将粒径分布不均匀的颗粒群按粒径大小进行有序排列和多产品分级的装置。

背景技术

微细颗粒的排序与分级是粉体制备工艺的重要环节，高效精密的分级与筛分技术能获得不同粒径级别的具有较好单分散性的产品，提高我国粉体产品的使用价值及生产水平。现有的微细颗粒分级与排序一般依靠粉体颗粒固有的物理和化学属性，如粒度、形状、色泽、密度、摩擦系数、磁性、电性、表面润湿性、光化学性、固有频率，主要的技术有筛分、旋流分级、重力分选、磁选、电选和浮选等。工业上对微细颗粒的排序和分级主要依靠离心力场，如叶轮分级机，旋风分级机，其分级过程以切割粒径为界，将原料分成粗细两部分。大多数的颗粒分级设备都只能获得粗细两个产品，而要获得分散性好的多个产品，常用的方法是将多台分级设备进行串联操作，这会导致设备庞大，能耗增加。另外，微细颗粒的分级精度和分级效率不高仍是普遍存在的问题。

另一方面，微细颗粒的排序与分级对于实现粉体颗粒的逐级高效分离，控制对大气中固体粉尘的排放具有重要的意义。大气中悬浮的微细颗粒是污染大气环境和危害人体健康的主要介质，特别是粒径较小的PM₁₀和PM_2.5会对人类健康造成严重的直接危害。目前针对气体中颗粒物的分离方法主要有静电分离、沉降分离、袋式除尘、膜分离和旋转离心分离等。但气溶胶中往往是具有一定粒径分布的多分散颗粒，使用单一的设备和方法通常只能分离气溶胶中某一粒径或以上的颗粒，对于小粒径的颗粒，尤其是PM_2.5以下的颗粒难以实现高效分离，造成粉体颗粒的整体分离效率不高。要达到提高粉体颗粒的分离效率以使外排气中粉体颗粒零排放的目的，可对粉体颗粒先进行按粒径大小进行筛分或有序排列，然后辅以不同分离精度的分离方法与设备进行各粒径粉体颗粒的精确分离，这不仅能提高粉体颗粒的整体分离效率，而且能有效节约资源。

因此，许多学者对粉体颗粒的分级进行了研究。对于同种物料体系来说，粉体颗粒的密度相等，微细粉末分选和排序基本依靠场力。颗粒粒径不同，所受场力就不同，导致迁移速度也不同，由此实现颗粒的分级和排序。目前在流动过程中实现固体颗粒分级与排序主要基于电场、磁场和离心力场等。中国授权专利CN 201220188 Y通过将进料装置改成三维螺旋线型给料形式开发了一种高效分级旋流器，提高了旋流器的分级效率，但只能将进口物料分成粗细两种产品。中国授权专利CN 204122265 U通过两级旋流器串联，开发了一种四产品高效分选旋流器，但是结构复杂，产品级数固定，不能任意调节。上述专利还存在分级后产品粒径分布仍然较宽的问题。美国专利申请US 2012/0096924 A1发明了一种颗粒分级器，通过气流携带颗粒进入到特定流道中，在流道中对气流施以加速度，利用气流对颗粒的作用力使不同大小的颗粒具有不同的运动轨迹，从而实现颗粒的分选。该装置和方法提高了分级后产品的单分散性，能获得粒径范围很窄的产品，但同样存在产品级数不可控，操作复杂等问题。

因此，本领域急需开发一种结构简单、操作方便、分级效率高、产品级数可控、产品单分散性好的多产品微细颗粒排序分级器。

发明内容

本发明提供了一种新颖的气流式多产品微细颗粒排序分级器，从而有效解决了现有技术中存在的难题。

本发明提供了一种气流式多产品微细颗粒排序分级器，它包括：气相入口、粉料仓、自动加料器、芯棒、排序分级腔、物料出口和出口分格器。

在一个优选的实施方式中，所述气相入口为矩形切向入口，宽度为排序分级腔直径的1/3～1/2，高度为排序分级腔直径的2/5～3/5。

在另一个优选的实施方式中，所述气流式多产品微细颗粒排序分级器还包括入口法兰以实现外部管道与排序分级腔的连接，所述入口法兰包括矩形法兰。

在另一个优选的实施方式中，所述粉料仓与排序分级腔的轴线距离大于0.5m。

在另一个优选的实施方式中，所述自动加料器包括星型卸料阀、震动加料器和螺旋加料器。

在另一个优选的实施方式中，所述芯棒将排序分级腔隔离成环形结构，芯棒的直径为排序分级腔直径的1/10～1/5。

在另一个优选的实施方式中，所述排序分级腔为环形结构，轴向高度为气相入口高度的3～8倍，气流携带粉体颗粒从气相入口进来后绕芯棒旋转，形成离心力场。

在另一个优选的实施方式中，所述物料出口为矩形切向出口，宽度为排序分级腔直径的1/3～1/2，高度为排序分级腔直径的2/5～3/5。

在另一个优选的实施方式中，所述气流式多产品微细颗粒排序分级器还包括出口法兰以连接物料出口与出口分格器，可根据产品级数需求更换不同出口数的出口分格器。

在另一个优选的实施方式中，所述出口分格器通过内部隔板将物料出口分割成等面积的不同轴向位置和径向位置的小矩形出口，可根据产品级数的需求调节小矩形出口数量，在不同的小矩形出口获得不同粒径级别的产品。

有益效果：

本发明的气流式多产品微细颗粒排序分级器具有以下有益效果：

(1)结构简单，无运动部件，操作维护方便，能耗低；

(2)能获得多级不同粒径产品，而且可根据需要调节产品级数；

(3)分级后产品具有优异的单分散性。

附图说明

附图是用以提供对本发明的进一步理解的，它只是构成本说明书的一部分以进一步解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1是本发明优选实施方式中气流式多产品微细颗粒排序分级器的三维结构示意图。

图2是本发明优选实施方式中气流式多产品微细颗粒排序分级器的标准三视图。

图3是本发明优选实施方式中气流式多产品微细颗粒排序分级器的剖面视图。

图4是本发明的优选实施方式中气流式多产品微细颗粒排序分级器的流量压降(能耗)曲线图。

图5是本发明的优选实施方式中气流式多产品微细颗粒排序分级器各小出口颗粒粒径分布规律示意图。

图6是本发明的优选实施方式中气流式多产品微细颗粒排序分级器各小出口颗粒平均粒径大小分布图。

具体实施方式

本申请的发明人经过广泛而深入的研究后发现，微细颗粒的排序分级对于粉体加工技术和微细颗粒分离与捕集有着重要的意义，而现有的颗粒排序分级器往往存在结构复杂、分级效率差、只能得到粗细两种产品，产品的单分散性不好等问题，因此在本领域开发一种新型的高效的多产品颗粒排序分级器势在必行；

高速旋转的三维流场中，气流携带颗粒绕轴线做旋转运动的过程中，粒径不同颗粒在径向和轴向的受力都不同；根据力与运动的关系，不同大小的颗粒具有不同的运动轨迹，从而实现不同大小颗粒在离心力场中的有序排列，即不同位置的颗粒具有不同的粒径大小，通过对出口不同位置的颗粒进行捕集，从而获得具有较好单分散性的多级产品。

基于上述研究及发现，本发明开发了一种气流式多产品微细颗粒排序分级器，具有结构简单，无运动部件，操作维护方便，能耗低，可调节多产品，产品单分散性好等优点，有效解决了现有技术中存在的问题。

本发明基于粒径不同的微细颗粒在离心力场中径向和轴向受力不同导致运动轨迹不同的理论基础，利用气流携带微细颗粒进入到高速旋转离心力场中实现不同大小颗粒的有序排列，通过对出口进行径向和轴向分区，对不同位置区域的颗粒进行收集，可获得具有较好单分散性的多级产品。

本发明的技术原理如下：

在高速的三维旋转流场中，分散相颗粒主要受到重力、离心力、流体对颗粒运动的阻力以及由于连续相的速度梯度和压力梯度引起的作用在颗粒上的附加力。分散相颗粒在径向受力主要有绕轴线高速旋转产生的离心力F_C，由于连续相介质旋转过程中存在径向压力梯度造成颗粒在径向上两端压力不相等而产生的向心浮力F_B，以及颗粒与连续相介质之间存在相对运动产生的径向流体阻力F_D，径向方向各力计算公式为：

$F_C=\frac{{\mathrm{\πd}}^3}{6}{\mathrm{\ρ}}_s\frac{u_t^2}{r}---\left(1\right)$

$F_B=\frac{{\mathrm{\πd}}^3}{6}\mathrm{\ρ}\frac{u_t^2}{r}---\left(2\right)$

$F_D=\mathrm{\ζ}\frac{{\mathrm{A\ρ\υ}}^2}{2}=\mathrm{\ζ}\frac{{\mathrm{\πd}}^2{\mathrm{\ρ\υ}}^2}{8}---\left(3\right)$

式中d为颗粒粒径，ρ_s为颗粒密度，ρ为气体密度，r为颗粒运动回转半径，u_t为颗粒运动速度，ζ为阻力系数，A为颗粒投影面积，ν为颗粒与流体之间的相对径向速度。当颗粒以相对于连续相流体径向速度为u_r做平衡旋转运动时，颗粒在径向方向的受力平衡：

$\frac{{\mathrm{\πd}}^3}{6}{\mathrm{\ρ}}_s\frac{u_t^2}{r}-\frac{{\mathrm{\πd}}^3}{6}\mathrm{\ρ}\frac{u_t^2}{r}-\mathrm{\ζ}\frac{{\mathrm{\πd}}^2{\mathrm{\ρu}}_r^2}{8}=0---\left(4\right)$

通过公式(4)能够得到粉体颗粒做平衡运动的回转半径r与粉体颗粒粒径d的关系：

$r=\frac{4({\mathrm{\ρ}}_s-\mathrm{\ρ})}{3\mathrm{\ζ}\mathrm{\ρ}}{\left(\frac{u_t}{u_r}\right)}^{2}d---\left(5\right)$

公式(5)说明不管阻力系数ζ的取值如何，粉体颗粒的粒径越大，其做平衡旋转的回转半径越大，所以粉体颗粒在离心力场中可实现从旋流场轴心到边壁由小到大的有序排列。

粉体颗粒在旋流场中轴向受力主要有重力F_g，由于连续相轴向方向的压力梯度造成的轴向浮力F_b以及由于粉体颗粒与连续相流体轴向的相对运动造成的轴向流体阻力F_d，具体计算方法如下：

$F_g=\frac{{\mathrm{\πd}}^3}{6}{\mathrm{\ρ}}_{s}g---\left(6\right)$

$F_b=\frac{{\mathrm{\πd}}^3}{6}\mathrm{\ρ}g---\left(7\right)$

$F_d=\mathrm{\ζ}\frac{{\mathrm{A\ρ\υ}}^2}{2}=\mathrm{\ζ}\frac{{\mathrm{\πd}}^2{\mathrm{\ρu}}_z^2}{8}---\left(8\right)$

当颗粒以相对于连续相流体轴向速度为u_z做平衡运动时，颗粒在轴向方向的受力平衡：

$\frac{{\mathrm{\πd}}^3}{6}{\mathrm{\ρ}}_{s}g-\frac{{\mathrm{\πd}}^3}{6}\mathrm{\ρ}g-\mathrm{\ζ}\frac{{\mathrm{\πd}}^2{\mathrm{\ρu}}_z^2}{8}=0---\left(9\right)$

根据公式(9)可以得到粉体颗粒在旋流场中运动时相对于连续相的轴向相对速度u_z与粉体颗粒粒径d的关系：

$u_z=\sqrt{\frac{4d({\mathrm{\ρ}}_s-\mathrm{\ρ})g}{3\mathrm{\ζ}\mathrm{\ρ}}}---\left(10\right)$

公式(10)说明在离心力场中，粉体颗粒的粒径越大，其相对于连续相流场的轴向速度u_z越大，也就是粉体颗粒的轴向速度越大，在相同的时间内，粒径越大的颗粒的轴向位移越大，从而实现粉体颗粒在轴向的有序排列。

根据公式(5)和(10)可知，微细粉末以无序状态经过排序分级器后，在出口截面上的分布和排序分级规律为：从轴向进口端到出口端、径向内测到外侧，微细粉体粒径呈逐渐增大的规律。

基于上述理论研究与发现，本发明提供了一种气流式多产品微细颗粒排序分级器，它包括：气相入口1、入口法兰2、粉料仓3、自动加料器4、芯棒5、排序分级腔6、物料出口7、出口法兰8和出口分格器9。

在本发明中，所述气相入口1为矩形切向入口，宽度为排序分级腔6直径的1/3～1/2，高度为排序分级腔6直径的2/5～3/5，气流将粉体颗粒以一定的速率输送进排序分级器。

在本发明中，所述入口法兰2为矩形法兰，以实现外部管道与排序分级器的连接。

在本发明中，所述粉料仓3与排序分级腔6的轴线距离大于0.5m，以保证粉体颗粒以均匀分散状态进入排序分级腔6。

在本发明中，所述自动加料器4为星型卸料阀、震动加料器、螺旋加料器等，以实现粉体颗粒以一定的固含量加入到排序分级器并隔绝气流。

在本发明中，所述芯棒5将排序分级腔6隔离成环形结构，芯棒5的直径为排序分级腔6直径的1/10～1/5。

在本发明中，所述排序分级腔6为环形结构，轴向高度为矩形进口高度的3～8倍，气流携带粉体颗粒从切向入口进来后绕芯棒5高速旋转，形成离心力场。

在本发明中，所述物料出口7为矩形切向出口，宽度为排序分级腔6直径的1/3～1/2，高度为排序分级腔6直径的2/5～3/5。

在本发明中，所述物料出口7与出口分格器9通过出口法兰8相连，可根据产品级数需求更换不同出口数的出口分格器9。

在本发明中，所述出口分格器9通过内部隔板将物料出口7分割成等面积的不同轴向位置和径向位置的小矩形出口，可根据产品级数的需求调节小出口数量，在不同的小出口可获得不同粒径级别的产品。

以下参看附图。

图1是本发明优选实施方式中气流式多产品微细颗粒排序分级器的三维结构示意图，图2是本发明优选实施方式中气流式多产品微细颗粒排序分级器的标准三视图，图3是本发明优选实施方式中气流式多产品微细颗粒排序分级器的剖面视图。如图1-3所示，所述气流式多产品微细颗粒排序分级器包括：气相入口1、入口法兰2、粉料仓3、自动加料器4、芯棒5、排序分级腔6、物料出口7、出口法兰8和出口分格器9；

其工作方式和原理为：气相(空气)从气相入口1进入排序分级器，并调节气量到设定值；同时，粉体颗粒在粉料仓3中通过自动加料器4进入排序分级器，调节自动加料器4使粉体颗粒加料速度维持在设定值；气相和粉体颗粒在管道中均匀混合后，气相携带粉体颗粒以固定浓度的气溶胶状态进入到排序分级腔6中；在排序分级腔6中，粉体颗粒随气相绕芯棒5做高速旋转运动，由于不同大小的颗粒做回转运动的半径和轴向速度不一样，也就是运动轨迹不一样，从而实现不同大小颗粒的有序排列；最终的效果体现为在排序分级器的物料出口7处，不同大小的颗粒所处的位置不一样，通过出口分格器9将物料出口7分成不同轴向位置和径向位置的小出口，并对每个小出口的颗粒进行捕集，即可获得分级后的多级粒径产品。

实施例

下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明，所有的百分比和份数按重量计。

实施例1：

按照本发明的一种公称直径为75mm的微型气流式多产品微细颗粒排序分级器进行粉体颗粒的排序分级处理，其具体运作过程和效果描述如下：

1.原始进口物料性质

本实施例中气相为经过过滤净化的空气，连续相为粒径多分散的二氧化硅球形粉末，气固混合和维持固含量为2000mg/m³。其中进口二氧化硅粉体颗粒的平均粒径为15.7μm，其中小于1.0μm的占6.5％，小于2.5μm的占16.6％，小于10μm的占41.4％。

2.排序分级器能耗

排序分级器的能耗主要指气流流经排序分级器过程中的能量损失，也就是排序分级器进出口处的流体压降。图4为该实施例中优选的排序分级器在不同进口气流量下的压降曲线，从图4中可以看出，该排序分级的压降很小，在进口气流量小于60m³/h时，压降不超过80Pa，说明该优选的排序分级器具有低能耗的特点。

3.排序分级后产品粒径分布

在本实施例中，通过出口分格器9将排序分级器物料出口7分成了3×4的12个不同轴向和径向位置的小出口，可将进口物料分成了12级不同粒径的产品。如图5所示，应用本发明的气流式多产品颗粒排序分级器对粉体颗粒进行排序分级后，不同粒径产品在排序分级器物料出口7的分布规律为：从轴向进口端到出口端(上侧到下侧)、径向内侧到外侧，各小出口粉体颗粒的平均粒径逐渐增大，有效实现了进口粉体颗粒的多级分级。在本实施例中，用ij表示各小出口位置，i表示出口轴向位置，从进口端到出口端分别为i＝1,2,3,4，j表示出口径向位置，从径向内侧到径向外侧分别为j＝1,2,3。图6为排序分级器各小出口粉体产品的具体平均粒径，由图6可知，进口微细粉末平均粒径为15.7μm时，排序分级器出口得到了从8.41μm(11出口)到26.16μm(43出口)的12种不同粒径级别的微细粉末，而且进口颗粒的分散因数为90.1％，得到的12种产品的颗粒分散因数均小于40％，说明分级后的产品具有较好的单分散性。

上述所列的实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依据本发明申请专利范围的内容所作的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种气流式多产品微细颗粒排序分级器，它包括：气相入口(1)、粉料仓(3)、自动加料器(4)、芯棒(5)、排序分级腔(6)、物料出口(7)和出口分格器(9)。

2.如权利要求1所述的气流式多产品微细颗粒排序分级器，其特征在于，所述气相入口(1)为矩形切向入口，宽度为排序分级腔(6)直径的1/3～1/2，高度为排序分级腔(6)直径的2/5～3/5。

3.如权利要求1所述的气流式多产品微细颗粒排序分级器，其特征在于，还包括入口法兰(2)以实现外部管道与排序分级腔(6)的连接，所述入口法兰(2)包括矩形法兰。

4.如权利要求1所述的气流式多产品微细颗粒排序分级器，其特征在于，所述粉料仓(3)与排序分级腔(6)的轴线距离大于0.5m。

5.如权利要求1所述的气流式多产品微细颗粒排序分级器，其特征在于，所述自动加料器(4)包括星型卸料阀、震动加料器和螺旋加料器。

6.如权利要求1所述的气流式多产品微细颗粒排序分级器，其特征在于，所述芯棒(5)将排序分级腔(6)隔离成环形结构，芯棒(5)的直径为排序分级腔(6)直径的1/10～1/5。

7.如权利要求1或2所述的气流式多产品微细颗粒排序分级器，其特征在于，所述排序分级腔(6)为环形结构，轴向高度为气相入口(1)高度的3～8倍，气流携带粉体颗粒从气相入口(1)进来后绕芯棒(5)旋转，形成离心力场。

8.如权利要求1所述的气流式多产品微细颗粒排序分级器，其特征在于，所述物料出口(7)为矩形切向出口，宽度为排序分级腔(6)直径的1/3～1/2，高度为排序分级腔(6)直径的2/5～3/5。

9.如权利要求1所述的气流式多产品微细颗粒排序分级器，其特征在于，还包括出口法兰(8)以连接物料出口(7)与出口分格器(9)，可根据产品级数需求更换不同出口数的出口分格器(9)。

10.如权利要求1或9所述的气流式多产品微细颗粒排序分级器，其特征在于，所述出口分格器(9)通过内部隔板将物料出口(7)分割成等面积的不同轴向位置和径向位置的小矩形出口，可根据产品级数的需求调节小矩形出口数量，在不同的小矩形出口获得不同粒径级别的产品。