重力式均化料倉內(nèi)細(xì)粉料流動與防粉料架橋的研究

重力式均化料倉內(nèi)細(xì)粉料流動與防粉料架橋的研究

1細(xì)粉料的均化在工業(yè)生產(chǎn)中，由于原料的物理性質(zhì)和工藝參數(shù)的變化，不同類別產(chǎn)品的指標(biāo)也會發(fā)生變化。為了穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量,一般在包裝出廠前,必須對不同批次的產(chǎn)品進(jìn)行摻混(即均化),使得最終成品的各項(xiàng)指標(biāo)均勻、穩(wěn)定。以往,細(xì)粉料的均化多采用機(jī)械混合,即物料在旋轉(zhuǎn)滾筒內(nèi),利用旋轉(zhuǎn)過程中物料之間的相對運(yùn)動進(jìn)行混合。但這種均化方式能耗較大、處理量小,不便于產(chǎn)品大批量、連續(xù)生產(chǎn),而且由于旋轉(zhuǎn)滾筒的轉(zhuǎn)動部件多,若用于混合磨蝕性較強(qiáng)的礦粉等,則其零部件極易損壞、更換頻繁,既耽誤生產(chǎn),又產(chǎn)生昂貴的維修費(fèi)用。也有一些細(xì)粉料的均化是利用壓縮空氣進(jìn)行流態(tài)化混合的,該方式雖可大批量生產(chǎn),但能耗巨大。筆者介紹一種非常節(jié)能的均化裝置——重力式均化料倉。其工作原理是在料倉內(nèi)部放置多個(gè)下料通道并在不同高度布置多個(gè)取料點(diǎn),利用散料自身的重力讓不同層次的物料沿著均化結(jié)構(gòu)中預(yù)先設(shè)計(jì)的通道下落,在下料過程中即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品均化。2.1料倉內(nèi)散料流動散料在料倉內(nèi)的流動形態(tài)有整體流(層流)和漏斗流(中心流)兩種。在卸料過程中,若料倉中心部位的散料先向卸料口流動,即后進(jìn)先出、先進(jìn)后出,成為漏斗流[見圖1(a)],這種散料流動形態(tài)很不穩(wěn)定;若料倉內(nèi)的散料一起向下平移,即先進(jìn)先出、后進(jìn)后出,形成整體流[見圖1(b)],無不流動區(qū),流動均勻、平穩(wěn)。整體流料倉是實(shí)現(xiàn)重力式均化的必要條件,其形成取決于散料與料倉壁面間的壁摩擦角φ、漏斗半角α和有效內(nèi)摩擦角δ。2.2均化材料場的結(jié)構(gòu)類型和均勻化機(jī)1、貼壁管型料倉均化效果好常見的均化料倉有以下幾種型式:中心管型、摻混樹型、貼壁管型和中心錐型,如圖2所示。其中以摻混樹型和貼壁管型均化料倉的均化效果較好。貼壁管型料倉更具有管道易布置、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。在目前的工業(yè)設(shè)計(jì)中,流動性好的塑料粒子的均化基本上采用摻混樹型和貼壁管型均化料倉。若采用一定的助流手段,這兩種均化料倉也可用于細(xì)粉料的均化。2、均化料倉的設(shè)計(jì)均化料倉的結(jié)構(gòu)是在整體流料倉的基礎(chǔ)上,在其內(nèi)部增加一些豎向布置的管道或?qū)уF,每根內(nèi)置管道的不同部位開有下料孔(即均化孔),均化孔分布在料倉內(nèi)的不同方位、不同高度,料倉底部設(shè)有集料斗。開始卸料時(shí),等量的物料從料倉內(nèi)各個(gè)部位的均化孔進(jìn)入均化通道,在各自的通道內(nèi)向下流動,到達(dá)底部的出料口。物料從各個(gè)均化通道出料口流出,匯集在集料斗內(nèi),從集料斗流出的物料,即完成均化后的均勻物料。均化料倉的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于均化管的開孔大小、開孔規(guī)律及集料斗結(jié)構(gòu)等。而細(xì)粉料重力式均化料倉的設(shè)計(jì),除了要考慮以上因素外,還要考慮細(xì)粉料能夠順利流入均化管內(nèi)不產(chǎn)生架橋。3細(xì)粉末化試驗(yàn)為了更好地研究均化機(jī)理,我們針對細(xì)粉料均化進(jìn)行了試驗(yàn),并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)地整理、分析和處理。3.1均化料倉設(shè)備根據(jù)均化料倉設(shè)計(jì)理論,我們建立了容積為3m3的重力式均化料倉試驗(yàn)臺,該設(shè)備是改良過的摻混樹型均化料倉,如圖3所示。為了便于觀察,均化料倉的外殼材質(zhì)選用透明的有機(jī)玻璃。試驗(yàn)裝置與工業(yè)裝置幾何相似,內(nèi)部設(shè)置四根均化管,均化管開孔按照工業(yè)尺寸1∶1的比例進(jìn)行模擬。3.2均化管開孔大小對開孔量的影響均化管開孔形狀常見的有兩種,圓形孔和契形孔(見圖4)。均化管開孔大小影響管內(nèi)物料流量及流動形態(tài),也決定了各個(gè)均化管內(nèi)流出物料的摻混比例。為了能準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)均化管開孔大小,滿足下料量及取料分布的要求,要對均化管所承載散料的單孔下料量進(jìn)行模擬測試。試驗(yàn)采用?108mm×4mm不銹鋼管,管側(cè)壁分別開15～80mm圓形孔和契形孔。對粒度為74μm(200目)的三聚磷酸鈉粉料進(jìn)行單孔下料量的測試,結(jié)果見圖5。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),同樣孔距的開孔,契形孔下料量大于圓形孔。在試驗(yàn)中還觀察到,均化孔的下料量會隨著上部散料堆積高度的增加而增大,但散料堆積高度超過一定值時(shí),下料量保持恒定。3.3均化管路散料單孔下料量試驗(yàn)是在出料口無阻礙情況下測量的,實(shí)際工作時(shí),均化孔進(jìn)料量受到底部出料限制。當(dāng)各個(gè)流動通道的出料量小于自由進(jìn)料時(shí)的進(jìn)料量時(shí),均化管內(nèi)散料應(yīng)為滿管流。在滿管流狀態(tài)下,同一根管子上的多個(gè)開孔只有在料面以下距其最近的一個(gè)開孔在進(jìn)料,如圖6所示。料倉內(nèi)料面高于開孔A時(shí),只有開孔A進(jìn)料,開孔B不進(jìn)料;當(dāng)料倉內(nèi)料面降低到開孔A以下,且均化管內(nèi)料面低于開孔B時(shí),開孔B才開始進(jìn)料。滿管流狀態(tài)下,下料速度取決于出料速度,而不是進(jìn)料口的進(jìn)料速度。3.4均化管的開孔均化管開孔位置從理論上講應(yīng)該將整個(gè)料倉均勻地分割成若干個(gè)區(qū)域,這里的均勻分割指的是在同一時(shí)間內(nèi),可以等量地拾取到各個(gè)層次的物料,而不是簡單的幾何分割。由于增加了均化管的取料通道,散料在料倉內(nèi)部依靠重力下落時(shí),沿軸向的下落速度是不一樣的。自下至上,依次遞增?？拷鼈}底的下料速度最慢,越接近倉頂速度越快。開孔要保證每個(gè)相鄰的兩個(gè)進(jìn)料孔之間物料流過的時(shí)間相同,因而上下開孔的疏密程度(開孔間距)不相同,應(yīng)該是上疏下密。周密的設(shè)計(jì)還要考慮到適應(yīng)工廠工況的變化,比如要兼顧在滿倉操作和半倉操作等情況下,都應(yīng)滿足均化指標(biāo)要求。由于在實(shí)際的工廠操作中,物料常在半倉甚至更少的情況下開始均化。如果均化管的開孔設(shè)計(jì)只滿足滿倉時(shí)的均化狀況,則均化管下半部分的開孔數(shù)量少,不能滿足滿管流的下料量,這樣每個(gè)均化孔的取料量也會發(fā)生變化。因此,均化管的開孔設(shè)計(jì)還要考慮料位的因素,使其在任何位置都能夠達(dá)到良好的均化效果。一般情況下,均化孔的方位對均化指標(biāo)影響不大,設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮沿軸向的取料位置。但有一些均化指標(biāo)還要考慮均化孔在水平徑向方位上的分布,如對產(chǎn)品的顆粒度均勻性有要求的散料。在倉頂中間位置進(jìn)料時(shí),大顆粒易流到兩邊,較細(xì)的粉料留在中間部位(見圖1),此時(shí)均化管的開孔就要考慮徑向的取料位置。3.5內(nèi)孔、料點(diǎn)出料口位于底部的集料斗也是均化料倉的一個(gè)重要組成部分,它的作用是限制均化通道上各個(gè)進(jìn)料點(diǎn)之間的進(jìn)料流量配比,穩(wěn)定各個(gè)通道的流量。內(nèi)孔是料倉錐的出料口,位于集料斗的最上方,各均化通道出料口呈徑向環(huán)形分布,匯集于套筒壁(見圖7)。如果集料斗設(shè)計(jì)得不合理,根據(jù)滿管流原理,就會出現(xiàn)下面的均化孔不進(jìn)料或少進(jìn)料現(xiàn)象,影響均化效果。3.6細(xì)粉料的流動性單純依靠散料自身重力下料的均化料倉在石化行業(yè)中塑料粒子的均化上應(yīng)用很廣泛,但若將它應(yīng)用在細(xì)粉料均化上,則必須根據(jù)細(xì)粉料的流動性對其結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)。這是因?yàn)榧?xì)粉料在多數(shù)情況下的流動性比塑料粒子差一些,下料時(shí)容易出現(xiàn)結(jié)拱、架橋等不順暢現(xiàn)象。1、重力式均化料料根據(jù)散料的Carrl流動性指數(shù),一般將其分為三類。第一類,Carrl流動指數(shù)為0～60。這類粉料流動性很差,完全依靠重力下料困難,即使加上助流裝置,仍會產(chǎn)生架橋、卡料現(xiàn)象,如水泥或含水量高的細(xì)粉料。這種粉料不適用于重力均化。第二類,Carrl流動指數(shù)為80～100。這類粉料如PP、PE粒子等,其流動性很好,僅靠重力可以順利下料,不架橋、不結(jié)拱。這類散料可以直接采用重力式均化料倉進(jìn)行均化。第三類,Carrl流動指數(shù)為60～80,這類粉料如PVC粉、PTA粉、礦粉、部分催化劑粉等,其流動性一般,單單依靠重力可以有效流動,但會偶爾“架橋”,若在料倉底部設(shè)置助流裝置可以順利排空。這種細(xì)粉料可以利用重力進(jìn)行均化,用于這類粉料的均化料倉,其設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于助流裝置,比如導(dǎo)流板、流化風(fēng)、振動促流等構(gòu)件,促使均化管與料倉內(nèi)的物料無阻礙、均勻、順利下料。2、多層套錐料倉均化轉(zhuǎn)料倉以往石化行業(yè)的粉料均化,如PTA粉料等常采用中心錐型均化料倉,見圖2(d),其特點(diǎn)是在料倉中增加一個(gè)多層套錐,每層錐體的錐頂角不同,用于控制倉內(nèi)各層粉料的下落速度。最內(nèi)層的錐頂角最小,錐內(nèi)的粉料流動速度也最快;外層錐體的錐頂角略大,該層的粉料下落速度稍慢些,依次類推。多層套錐的結(jié)構(gòu)使散料在下降過程中,沿料倉徑向產(chǎn)生速度梯度,以達(dá)到均化目的。這種料倉的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部構(gòu)件少,粉料流動順暢,對流動性略差的粉料可以減少“架橋”現(xiàn)象。它的缺點(diǎn)是,只能定性地改變出料速度,不能準(zhǔn)確地定量均化,均化效果較差。摻混樹型均化料倉的均化效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中心錐型,但對于細(xì)粉料,因其內(nèi)部構(gòu)件多,不利于粉料的順暢下料。尤其是均化管上的開孔部位,不易進(jìn)料,甚至?xí)凹軜颉薄Ｓ糜诩?xì)粉料均化試驗(yàn)的試驗(yàn)臺在摻混樹型均化料倉的基礎(chǔ)上,對均化管下料口和料倉底部的出料口處進(jìn)行了技術(shù)改造,設(shè)計(jì)、安裝了必要的助流構(gòu)件,使細(xì)粉料可以順利通過均化管進(jìn)行重力式均化,并達(dá)到較高的均化效果。4結(jié)果表明，二氧化鋁粉料均化的結(jié)果和結(jié)論4.1可能導(dǎo)致電解二氧化錳粉料ph離散值下降試驗(yàn)采用帶有助流構(gòu)件的摻混樹型均化料倉,對電解二氧化錳粉料進(jìn)行均化,取得非常好的混合效果。不同批次的電解二氧化錳粉料均化前后的pH值見圖8。從圖8可以看出,電解二氧化錳粉料均化前的pH離散值為3.5,自由下落均化后的為0.6。兩者比較,均化效果很明顯。如果采用外動力,將料倉內(nèi)流出的物料再次送回料倉,再進(jìn)行一次循環(huán),pH離散值可降至0.17。試驗(yàn)還證明,對于均化指標(biāo)要求更高的散料,可以配合使用增加散料循環(huán)次數(shù)的方式來提高均化效果。但是,循環(huán)次數(shù)超過3次后,效果增加緩慢,而能耗增加卻很大。4.2式均化料倉的開孔整體流是重力式均化料倉的前提條件;開孔規(guī)律是重力式均化料倉設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在,散料通過均化管相鄰兩孔之間的時(shí)間相等是布置開孔的原則;如果輔以適當(dāng)?shù)闹餮b置,可以將重力式均化料倉用于流動性一般的細(xì)粉料。5電解二氧化錳粉料均化前后ph值的變化電解二氧化錳粉料由于其下游用戶對pH值的離散度范圍要求很窄,產(chǎn)品的生產(chǎn)過程無法滿足這一要求,需要對產(chǎn)品進(jìn)行后處理,即均化后再包裝。我們將試驗(yàn)研究結(jié)果用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)電解二氧化錳粉料的均化料倉設(shè)計(jì),取得了很好的效果。首先,我們對電解二氧化錳粉料進(jìn)行了物性測試,其物性參數(shù)如下:粒度43μm(325目)篩余率為0.81%堆積密度1900kg/m3Carrl指數(shù)70莫氏硬度7內(nèi)摩擦角33.95°壁摩擦角31.53°根據(jù)電解二氧化錳粉料的Carrl指數(shù)判定,其流動性一般,粒度較細(xì),可以借助助流裝置進(jìn)行重力式均化。根據(jù)生產(chǎn)要求,重力式均