CN112237972A - 卧式机械化学球磨装置及其成形工艺参数解析方法 - Google Patents

Abstract

卧式机械化学球磨装置及其成形工艺参数解析方法，包括筒体、主轴、叶片组、球磨盖和出料盖，所述筒体和主轴同轴设置，且相互独立转动，筒体上设有进出液口，所述叶片组由叶片组成，所述叶片为曲线型，且等间距交错分布于筒体内侧和主轴上，筒体上设有出料口，所述出料盖设于出料口上，所述球磨盖设于出料盖的上方。本发明克服了国内外原有设备在球磨过程中碰撞理论模型过于简化、体系碰撞能量低下、连续运行产生高温及设备运行噪音过大等缺点，采用筒体与轴双向旋转搅拌的方式和筒体中空的结构，在不同球磨工艺参数下，均能够增加体系的有效碰撞能量以提高机械化学反应效率。

Description

卧式机械化学球磨装置及其成形工艺参数解析方法

技术领域

本发明属于POPs污染物非焚烧法处理领域，具体涉及到一种卧式机械化学球磨装置及 其成形工艺参数解析方法。

背景技术

机械化学球磨法处理POPs因其简易性、高效性而逐渐引起人们的关注，其实验室研究 也在近年来飞速发展。有学者对不同有机污染物筛选出了不同的球磨药剂，例如Cagnetta等 人使用CaO球磨降解PFOS、HCB和HBCDD，宋静等人使用Fe-Zn球磨降解DDT，陈志良 等人使用CaO-Al球磨处理PCDD，他们也对常见球磨药剂(CaO,Fe,Fe-SiO2等)处理POPs的 降解机理和路径开展了研究，甚至有学者已经对球磨POPs后的产物进行资源化利用，例如 使用La₂O₃处理全氟化合物后的球磨产物制备发光材料等。这些研究成果都表明，机械化学 球磨法的实验室理论研究已经非常成熟，国外甚至已经有相关设备投入实际修复工程应用， 例如德国Tribochem公司利用DMCR技术成功处理了多氯联苯污染土壤和变压器油等多种污 染物；新西兰EDL公司开发的MCD技术更是在新西兰、美国、日本等多个国家开展修复工 程。然而，国内对投入实际应用的大型设备研究仍然较少，且国外设备仅依靠筒体内主轴驱 动叶片运动，这使得大量磨球紧贴筒壁随主轴运动而大幅降低了球磨体系的碰撞能量。此外， 机械化学球磨技术也普遍存在连续运行产生高温以及较大噪音等缺点。因此，如何改进球磨 设备内部结构提高体系碰撞能量，以及降低该技术产生的高温和噪音，使其能够更高效、绿 色、安全地开展商业化应用是亟待攻破的关键技术。

机械化学球磨法的本质是通过机械碰撞产生的能量诱发化学键的断裂，从而引发化学反 应。因此，研究球磨体系碰撞能量是至关重要的环节。常见的研究机械化学球磨碰撞能量模 型主要有两种，一是将磨球看作整体，考察平均碰撞速度以及碰撞频率，计算碰撞能量；二 是研究单位时间内磨球传递到物料上的能量，即比能量剂量。在这两种模型中，球磨参数对 碰撞能量的影响都有很好的预测，然而这两种模型都只考虑了球与球的碰撞，忽略了球与其 他接触面的碰撞。根据经典Hertzain接触碰撞理论，我们能够通过磨球材料性质、碰撞接触 面半径等参数，分别计算球与球的碰撞、球与叶片、球与筒体内壁的碰撞，使得球磨体系有 效碰撞能量的计算更加符合实际情况。同时，本团队前期研究发现法相碰撞能才是诱发化学 反应的有效能量。因此本研究对现有的碰撞能量模型进行优化，从而更真实、全面地预测机 械化学球磨过程中产生的碰撞能量。然而，介于球磨体系运动的复杂性，我们难以直接观察 并测量磨球的运动参数，而离散元颗粒软件(DEM)可以通过仿真模拟的方式得到磨球的运 动参数且该方法已经得到广泛、成熟的应用。因此，本研究主要通过机械设计软件(Solidworks) 自主构建任意模型，并将模型导入离散元软件(DEM)开展仿真模拟，输出磨球与不同碰撞 接触面的各项运动参数，计算体系的总有效碰撞能量。

发明内容

解决的技术问题：本发明针对传统卧式机械化学球磨装置存在的不足，提出一种卧式机 械化学球磨装置及其成形工艺参数解析方法，优化现有碰撞理论模型，优化筒体内叶片的组 数和填充率，采用筒体静止或与主轴旋转方向相反的运行方式大幅提高球磨体系的碰撞能量。 此外，采用具有中空夹层的筒体结构，存放冷却液降低设备温度的同时减少噪音。

技术方案：一种卧式机械化学球磨装置，包括筒体、主轴、叶片组、球磨盖和出料盖， 所述筒体和主轴同轴设置，且相互独立转动，筒体上设有进出液口，所述叶片组由叶片组成， 所述叶片为曲线型，且等间距交错分布于筒体内侧和主轴上，筒体上设有出料口，所述出料 盖设于出料口上，所述球磨盖设于出料盖的上方。

上述主轴上设有铣槽和垫片，叶片和垫片的中心均设有与铣槽结构配合的孔结构，叶片 之间通过垫片调节间距。

上述筒体为中空夹层结构，夹层内设有冷凝液体。

上述主轴上的叶片末端与筒壁内侧间距小于磨球直径，曲线型叶片自筒壁往主轴方向由 窄变宽；筒体内侧叶片长度不小于筒体半径的二分之一，曲线型叶片自筒壁往主轴方向由宽 变窄。

上述球磨盖和出料盖均为可拆卸连接，所述出料盖呈网格或栅栏状，孔隙小于磨球直径。

优选的，上述叶片的扇环角度为30°。

基于叶片搅拌的卧式高能机械化学球磨装置的成形工艺参数解析方法，步骤包括：

第一步，利用经典Hertzain接触模型将体系碰撞能量分解到磨球与磨球、磨球与叶片、 磨球与筒壁等不同碰撞接触面；所述经典Hertzain接触碰撞理论分别设撞击半径为r_h，磨球 压缩形变为δ_max，垂直撞击压强为P_n，均由下式可以求得：

其中，g_r、g_p为几何系数，由磨球及球磨罐体的几何尺寸决定；v_N为法相相对速度；E_eff为 碰撞介质的弹性模量；r_b为磨球半径；ρ_B为磨球密度；

再利用

和

分别能够计算单位体积形变产生的弹性能量以及单次撞 击产生的形变体积；此外，E_e为磨球与其他接触面单次碰撞产生的弹性碰撞能，P_e为磨球与 不同接触面碰撞后产生的有效碰撞功率，计算公式如下：

P_e＝f×E_eff

将磨球与磨球、磨球与叶片、磨球与筒体碰撞的有效碰撞功率分别记作P_e1、P_e2、P_e3， 计算球磨装置运行过程中的总有效碰撞功率P_e0；

第二步，改变叶片扇环角度，在10°-50°呈梯度变换，综合工作强度、叶片材料使用量 和工作体积，选择角度合适的扇环叶片；

第三步，改变叶片组数和填充率呈梯度变换，研究叶片组数和填充率对体系碰撞能量的 影响，选择合适的叶片组数和填充率；设置叶片填充率为2.5％，5％，10％，15％，所述叶片 填充率为叶片占筒体内部体积百分比；在每一组填充率下分别设置叶片组数为16,24,32,48； 分别计算有效碰撞功率(Pe)对叶片组数(Z)、叶片填充率(T)的一阶导数

和

并利 用该一阶导数分别对叶片组数(Z)、叶片填充率(T)交互求二阶偏导数

和

最终 将一阶偏导数和二阶偏导数都带入二元二次方程，建立有效碰撞功率对叶片组数和填充率的 非线性回归模型P_e＝a+b×Z+c×T+d×Z×T，其中a为常数，可带入某一组具体工艺 参数(Z，T，Pe)计算得到，Pe对叶片组数Z的一阶导数为b，Pe对叶片填充率T的一阶 导数为c，二阶导数值为d；

第四步，改变叶片的运行方式，包括叶片全部安装于主轴，仅主轴旋转；部分叶片安装 于筒壁，仅主轴旋转；部分叶片安装于筒壁，主轴与筒体均旋转，且转速相同方向相反，比 较三种运行方式在同种工艺参数下的体系碰撞能量大小，选择合适的运行方式；

第五步，改变叶片的形状，包括矩形，扇形，曲线形，研究不同形状叶片与轴连接处应 力强度的大小，选择合适的形状。

有益效果：相比于传统的碰撞理论模型，优化后的碰撞理论模型能够将体系碰撞能量精 确到球与球、球与叶片、球与筒体等不同碰撞接触面，更加真实地计算球磨体系碰撞能量； 相比于传统的由主轴驱动叶片搅拌磨球运动的卧式球磨装置，此新型高能卧式球磨装置将部 分叶片安装于筒体，实现筒体与主轴的相互独立运动，无论是筒体静止或是筒体与主轴反向 运动，均能在不同工艺参数条件下大幅提高球磨体系的碰撞能量；另外，采用筒体中空夹层 结构能够存放冷却液，降低装置运行产生的高温并减少部分噪音；采用曲线型叶片，增大叶 片与主轴及筒壁内侧的接触面积，提高结构强度。

附图说明

图1为卧式球磨设备结构示意图；1筒体、2主轴、3叶片、4球磨盖、5出料盖、6进 出液口；

图2为主轴上叶片与垫片的结构示意图，7铣槽、8垫片；

图3为不同扇形叶片角度对球磨体系碰撞能量的影响；

图4为不同工艺参数下有效碰撞功率的响应面和等高线图；

图5为不同运行方式下球磨工艺参数对有效碰撞功率的影响；

图6为不同形状叶片在相同载荷下的应力变化情况。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应该理解为对本发明的限制。若未特别指出， 实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

利用机械设计软件(Solidworks)构建物理模型，设置筒体内部长度1600mm，内部直径 1000mm，外部长度1700mm，外部直径1100mm；主轴长度1700mm，直径150mm；叶片扇 环外环直径980mm，扇环内环直径150mm，叶片全部安装于主轴。

其中，叶片组数为48组，总填充率为5％，叶片宽度10mm。梯度变换叶片扇环角度10° -50°，分别将建好的模型导入离散元软件(DEM)生成不锈钢磨球3000个，磨球直径30mm， 主轴转速250mm，设置运行时间0-6s，完成仿真过程后输出球与球、球与叶片、球与筒体内 壁的法相相对速度v_N和碰撞频率N，从而计算单位时间内球磨体系的总有效碰撞能量P_e，记 作有效碰撞功率。

结果发现：在相同转速、叶片组数和宽度的情况下，随着叶片扇环角度的增大，有效碰 撞功率值仅呈现轻微下降，从1174.03w降低到1085.96w，如图3。由此可见，扇环叶片的 角度对球磨体系有效碰撞功率的影响较小。因此，从叶片工作强度和体积考虑，选用30°的 扇环叶片更为合理，既保证了叶片的工作强度，又减少叶片材料的使用，以增加单次处理的 物料量。

实施例2

利用机械设计软件(Solidworks)构建物理模型，设置筒体内部长度1600mm，内部直径 1000mm，外部长度1700mm，外部直径1100mm；主轴长度1700mm，直径150mm；叶片扇 环外环直径980mm，扇环内环直径150mm，叶片全部安装于主轴。

其中，叶片扇环角度为30°，叶片填充率分别设置为2.5％、5％、10％、15％，在每一组 填充率下分别设置叶片组数为16、24、32、48，将建好的模型导入离散元软件(DEM)生成不锈钢球3000个，磨球直径30mm，主轴转速250rpm，设置运行时间0-6s，完成仿真过程后 输出球与球、球与叶片、球与筒体内壁的法相相对速度v_N和碰撞频率N，从而计算单位时间 内球磨体系的总有效碰撞能量P_e，记作有效碰撞功率。

结果发现：在相同叶片组数下，随着叶片填充率的增加，球磨体系的有效碰撞功率Pe呈 线性增长；在相同叶片填充率下，随着叶片组数的增加，球磨体系有效碰撞功率Pe也呈线性 增长。因此，按下式的基本微分方程分别计算有效碰撞功率对叶片组数、叶片填充率的一阶 偏导数，结果如表1。

表1有效碰撞功率对叶片组数和填充率的一阶偏导数

将表中S_T对叶片组数(Z)求偏导数，将表中S_Z对叶片填充率(T)求偏导数，得到两者二阶偏导数的值为0.3。因此，假设Pe对叶片组数Z的一阶导数为b，Pe对叶片填充率T 的一阶导数为c，二阶导数值为d，可以得到以下方程：a为常数，可带入某一组具体工艺参 数(Z，T，Pe)计算得到：

P_e＝a+b×Z+c×T+d×Z×T

带入表中一组数据可以求得方程特解为：

P_e＝345.382+6.76×Z+38.67×T+0.3×Z×T

并依据该式子作响应面图和等高线图，如图4。可以看出，有效碰撞功率Pe受叶片组数 和叶片填充率的交互作用较小。当叶片组数和叶片填充率都增大时，Pe向右上角灰白色区域 呈现增大的趋势。按图例，纯黑色部分为Pe最小的区域，该区域包含的叶片组数和叶片填充 率下机械化学碰撞有效功率较小。因此，应该尽量增加叶片组数和填充率以提高球磨装置的 有效碰撞功率。

实施例3

传统的卧式球磨装置是将叶片全部安装于主轴，依靠主轴旋转带动叶片驱使磨球运动。 本实施例以传统卧式球磨装置的运行方式为对照组，将部分叶片安装于筒壁，实现筒壁与主 轴的独立运动。仿真模拟以下三种运行方式：①叶片全部安装于主轴，仅主轴旋转；②一半 叶片安装于筒体，筒体保持静止，仅主轴旋转；③一半叶片安装于筒体，筒体与主轴均旋转， 且转速相同方向相反。叶片的形状、组数和填充率均与实施例2中相同，将16组物理模型导 入离散元软件(DEM)设置工况。

为保证叶片运动(相对)速度相同，运行方式①的主轴转速设置为250rpm，运行方式② 的主轴转速设置为250rpm，运行方式③的筒体与主轴转速设置为125rpm。此外，生成不锈 钢磨球3000个，磨球直径为30mm，设置运行时间0-6s，完成仿真过程后输出球与球、球与 叶片、球与筒体内壁的法相相对速度v_N和碰撞频率N，从而计算单位时间内球磨体系的总有 效碰撞能量P_e，记作有效碰撞功率。

结果发现：在不同叶片工艺参数下，运行方式①的有效碰撞功率最高仅在1364.44w左 右，而运行方式②和③的有效碰撞能量最高达23634.19和25874.73w，且P_e的增速随着叶片 组数和填充率的增加而逐渐增大，结果如图5所示。由此可见，与传统的卧式设备相比，运 行方式②和③的有效碰撞能量呈几何式增长。

实施例4

目前叶片形状为扇环式，叶片与主轴、筒壁的连接处面积较小，易发生断裂。因此，在 不改变叶片体积的情况下，利用机械设计软件(Solidworks)设计并改进叶片形状，主要选用 扇环形，矩形，拱形，曲形等四种形状开展实验，通过Solidworks的静态应力分析模块(Simulation)添加同等大小和方向的载荷测试其工作强度。

结果分析：应力云图如图6所示。可见，叶片与轴连接处易发生断裂，应当在叶片体积 不变的情况下适当增大叶片与轴连接的接触面积，以增大结构强度，从图中可知曲形叶片所 能承受的应力最大且变形程度最小，因此在本发明中优选曲形叶片。

实施例5

一种卧式机械化学球磨装置，包括筒体1、主轴2、叶片组3、球磨盖4和出料盖5，所述筒体1和主轴2同轴设置，且相互独立转动，筒体1上设有进出液口6，所述叶片组3由 叶片组成，所述叶片为曲线型，且等间距交错分布于筒体内侧和主轴上，筒体1上设有出料 口，所述出料盖5设于出料口上，所述球磨盖4设于出料盖5的上方。所述主轴2上设有铣 槽7和垫片8，叶片和垫片的中心均设有与铣槽7结构配合的孔结构，叶片之间通过垫片8 调节间距。所述筒体1为中空夹层结构，夹层内设有冷凝液体。所述主轴2上的叶片末端与 筒壁内侧间距小于磨球直径，曲线型叶片自筒壁往主轴方向由窄变宽；筒体内侧叶片长度不 小于筒体半径的二分之一，曲线型叶片自筒壁往主轴方向由宽变窄。所述球磨盖4和出料盖 5均为可拆卸连接，所述出料盖4呈网格或栅栏状，孔隙小于磨球直径。所述叶片的扇环角 度为30°。

Claims (7)

1.一种卧式机械化学球磨装置，其特征在于，包括筒体(1)、主轴(2)、叶片组(3)、球磨盖(4)和出料盖(5)，所述筒体(1)和主轴(2)同轴设置，且相互独立转动，筒体(1)上设有进出液口(6)，所述叶片组(3)由叶片组成，所述叶片为曲线型，且等间距交错分布于筒体内侧和主轴上，筒体(1)上设有出料口，所述出料盖(5)设于出料口上，所述球磨盖(4)设于出料盖(5)的上方。

2.根据权利要求1所述卧式机械化学球磨装置，其特征在于所述主轴(2)上设有铣槽(7)和垫片(8)，叶片和垫片的中心均设有与铣槽(7)结构配合的孔结构，叶片之间通过垫片(8)调节间距。

3.根据权利要求1所述卧式机械化学球磨装置，其特征在于所述筒体(1)为中空夹层结构，夹层内设有冷凝液体。

4.根据权利要求1所述卧式机械化学球磨装置，其特征在于所述主轴(2)上的叶片末端与筒壁内侧间距小于磨球直径，曲线型叶片自筒壁往主轴方向由窄变宽；筒体内侧叶片长度不小于筒体半径的二分之一，曲线型叶片自筒壁往主轴方向由宽变窄。

5.根据权利要求1所述卧式机械化学球磨装置，其特征在于所述球磨盖(4)和出料盖(5)均为可拆卸连接，所述出料盖(4)呈网格或栅栏状，孔隙小于磨球直径。

6.根据权利要求1所述卧式机械化学球磨装置，其特征在于所述叶片的扇环角度为30°。

7.权利要求1-6任一所述卧式机械化学球磨装置的成形工艺参数解析方法，其特征在于，步骤包括：

第一步，利用经典Hertzain接触模型将体系碰撞能量分解到磨球与磨球、磨球与叶片、磨球与筒壁等不同碰撞接触面；所述经典Hertzain接触碰撞理论分别设撞击半径为r_h，磨球压缩形变为δ_max，垂直撞击压强为P_n，均由下式可以求得：

其中，g_r、g_p为几何系数，由磨球及球磨罐体的几何尺寸决定；v_N为法相相对速度；E_eff为碰撞介质的弹性模量；r_b为磨球半径；ρ_B为磨球密度；

再利用

和

分别能够计算单位体积形变产生的弹性能量以及单次撞击产生的形变体积；此外，E_e为磨球与其他接触面单次碰撞产生的弹性碰撞能，P_e为磨球与不同接触面碰撞后产生的有效碰撞功率，计算公式如下：

P_e＝f×E_eff

将磨球与磨球、磨球与叶片、磨球与筒体碰撞的有效碰撞功率分别记作P_e1、P_e2、P_e3，计算球磨装置运行过程中的总有效碰撞功率P_e0；

第二步，改变叶片扇环角度，在10°-50°呈梯度变换，综合工作强度、叶片材料使用量和工作体积，选择角度合适的扇环叶片；

第三步，改变叶片组数和填充率呈梯度变换，研究叶片组数和填充率对体系碰撞能量的影响，选择合适的叶片组数和填充率；设置叶片填充率为2.5％，5％，10％，15％，所述叶片填充率为叶片占筒体内部体积百分比；在每一组填充率下分别设置叶片组数为16,24,32,48；分别计算有效碰撞功率(Pe)对叶片组数(Z)、叶片填充率(T)的一阶导数

和

并利用该一阶导数分别对叶片组数(Z)、叶片填充率(T)交互求二阶偏导数

和

最终将一阶偏导数和二阶偏导数都带入二元二次方程，建立有效碰撞功率对叶片组数和填充率的非线性回归模型P_e＝a+b×Z+c×T+d×Z×T，其中a为常数，可带入某一组具体工艺参数(Z，T，Pe)计算得到，Pe对叶片组数Z的一阶导数为b，Pe对叶片填充率T的一阶导数为c，二阶导数值为d；

第四步，改变叶片的运行方式，包括叶片全部安装于主轴，仅主轴旋转；部分叶片安装于筒壁，仅主轴旋转；部分叶片安装于筒壁，主轴与筒体均旋转，且转速相同方向相反，比较三种运行方式在同种工艺参数下的体系碰撞能量大小，选择合适的运行方式；

第五步，改变叶片的形状，包括矩形，扇形，曲线形，研究不同形状叶片与轴连接处应力强度的大小，选择合适的形状。

Images