静电强化作用下回流分级机流场分析与分级性能研究

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在食品、化工、医药和国防等领域,通过粉体湿法分级技术获得高品质的粉体颗粒成为了迫切的粉体加工需求。一般而言,微颗粒的湿法分级方法有水力溢流法、离心分级法和重力沉降法等,但这些方法存在分级耗时长、处理量小和分级力场难以调控等问题。因此探索一种高效、高处理量、分级力场可调的湿法分级方法值得研究。针对以上问题,本文首次尝试将静电场分级技术与回流分级机相结合,提出一种静电强化作用下的微颗粒精准分级实验方法,并分别从机理分析、数值模拟和实验分析三个方面进行微颗粒湿法分级的系统性研究。本文的主要研究内容和结论如下:(1)深入分析颗粒回流分级技术和静电湿法分级理论基础。首先,分析了斜板沉降分级原理,推导出单个颗粒的运动轨迹方程;其次,介绍了颗粒不同入料方式对分级粒径的影响,发现上向流的回流分级方式可获得最大效能;最后,研究了固体颗粒在液体中的荷电机理和双电层理论,分析了不同浓度体系下Zeta电位与固体颗粒表面荷电量的关系,阐明了微颗粒静电湿法分级机理,为静电场应用于湿法分级奠定了理论基础。(2)开展静电强化作用下的回流分级机结构设计与内部流场数值模拟。第一,根据颗粒回流分级和静电场分级的特点,设计了集成静电场分级技术的回流分级机整体结构;第二,利用水平集法,确定了两相流动的溢流面,并作为刚性平面用于稳态物理场模型中;第三,基于流场与电场耦合作用下,考察了斜板倾角、斜板长度和电场电压对回流分级机内部流场和电场分布特性的影响规律;第四,以有机玻璃和玻璃胶为材料,实现了回流分级机的制作,并成功搭建了回流分级实验系统。(3)开展以SiO2粉体为对象的水力作用下颗粒回流分级实验的研究。应用回流分级实验系统,对SiO2粉体进行单因素分级实验,在斜板倾角为60°、流水入口速度为0.054 m/s、物料的质量浓度为8 g/L、进料流速为0.027 m/s的条件下,获得溢流产品的中值粒径为3.06μm,综合分级效率为63.16%。(4)开展以SiO2粉体为对象的静电场作用下颗粒回流分级实验的研究。开展单因素实验,获得静电场作用下的最优参数组合为:物料中值粒径为10.01μm,流水入口速度为0.072 m/s,物料的质量浓度为7 g/L,进料流速为0.027 m/s,电场电压为200 V。在最优参数组合下,溢流产品的中值粒径为2.641μm,综合分级效率为61.87%,相比不施加电压的回流分级实验,综合分级效率提高了14.64%。实验结果发现:在静电场作用下,分级时间缩短了约7 min,分级产品的中值粒径减小约0.4μm。本文创新性提出一种将静电场分级技术和回流分级机相结合的粉体湿法分级方法,自行设计了一套静电强化作用下的回流分级实验系统。通过机理研究,深入分析静电场作用下颗粒在回流场中的湿法分级机理;通过数值模拟,研究结构参数和操作参数对回流分级机流场分布特性的影响,研制回流分级机并搭建分级实验系统;开展以SiO2粉体为对象静电强化作用下的回流分级实验研究。研究结果表明,该方法可缩短分级时间,提高粉体分级效率,减小分级粒径,有望在超细粉体分级领域得到推广应用。
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