氣流式多產品微細顆粒排序分級器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及氣流式多產品微細顆粒排序分級器，它包括：氣相入口(1)、粉料倉(3)、自動加料器(4)、芯棒(5)、排序分級腔(6)、物料出口(7)和出口分格器(9)。所述氣流式多產品微細顆粒排序分級器具有結構簡單、能耗低、可獲得多級產品等特點，適用于微細顆粒加工、分選以及分離等領域。
【專利說明】
氣流式多產品微細顆粒排序分級器
技術領域
[0001] 本發明屬于粉體加工、分選以及微細顆粒分離與捕集領域，涉及一種氣流式多產 品微細顆粒排序分級器，具體地說，本發明涉及一種將粒徑分布不均勻的顆粒群按粒徑大 小進行有序排列和多產品分級的裝置。
【背景技術】
[0002] 微細顆粒的排序與分級是粉體制備工藝的重要環節，高效精密的分級與篩分技術 能獲得不同粒徑級別的具有較好單分散性的產品，提高我國粉體產品的使用價值及生產水 平。現有的微細顆粒分級與排序一般依靠粉體顆粒固有的物理和化學屬性，如粒度、形狀、 色澤、密度、摩擦系數、磁性、電性、表面潤濕性、光化學性、固有頻率，主要的技術有篩分、旋 流分級、重力分選、磁選、電選和浮選等。工業上對微細顆粒的排序和分級主要依靠離心力 場，如葉輪分級機，旋風分級機，其分級過程以切割粒徑為界，將原料分成粗細兩部分。大多 數的顆粒分級設備都只能獲得粗細兩個產品，而要獲得分散性好的多個產品，常用的方法 是將多臺分級設備進行串聯操作，這會導致設備龐大，能耗增加。另外，微細顆粒的分級精 度和分級效率不高仍是普遍存在的問題。
[0003] 另一方面，微細顆粒的排序與分級對于實現粉體顆粒的逐級高效分離，控制對大 氣中固體粉塵的排放具有重要的意義。大氣中懸浮的微細顆粒是污染大氣環境和危害人體 健康的主要介質，特別是粒徑較小的PM 1Q和PM2.5會對人類健康造成嚴重的直接危害。目前針 對氣體中顆粒物的分離方法主要有靜電分離、沉降分離、袋式除塵、膜分離和旋轉離心分離 等。但氣溶膠中往往是具有一定粒徑分布的多分散顆粒，使用單一的設備和方法通常只能 分離氣溶膠中某一粒徑或以上的顆粒，對于小粒徑的顆粒，尤其是PM 2.5以下的顆粒難以實 現高效分離，造成粉體顆粒的整體分離效率不高。要達到提高粉體顆粒的分離效率以使外 排氣中粉體顆粒零排放的目的，可對粉體顆粒先進行按粒徑大小進行篩分或有序排列，然 后輔以不同分離精度的分離方法與設備進行各粒徑粉體顆粒的精確分離，這不僅能提高粉 體顆粒的整體分離效率，而且能有效節約資源。
[0004] 因此，許多學者對粉體顆粒的分級進行了研究。對于同種物料體系來說，粉體顆粒 的密度相等，微細粉末分選和排序基本依靠場力。顆粒粒徑不同，所受場力就不同，導致迀 移速度也不同，由此實現顆粒的分級和排序。目前在流動過程中實現固體顆粒分級與排序 主要基于電場、磁場和離心力場等。中國授權專利CN 201220188 Y通過將進料裝置改成三 維螺旋線型給料形式開發了一種高效分級旋流器，提高了旋流器的分級效率，但只能將進 口物料分成粗細兩種產品。中國授權專利CN 204122265 U通過兩級旋流器串聯，開發了一 種四產品高效分選旋流器，但是結構復雜，產品級數固定，不能任意調節。上述專利還存在 分級后產品粒徑分布仍然較寬的問題。美國專利申請US 2012/0096924 A1發明了一種顆粒 分級器，通過氣流攜帶顆粒進入到特定流道中，在流道中對氣流施以加速度，利用氣流對顆 粒的作用力使不同大小的顆粒具有不同的運動軌跡，從而實現顆粒的分選。該裝置和方法 提高了分級后產品的單分散性，能獲得粒徑范圍很窄的產品，但同樣存在產品級數不可控， 操作復雜等問題。
[0005] 因此，本領域急需開發一種結構簡單、操作方便、分級效率高、產品級數可控、產品 單分散性好的多產品微細顆粒排序分級器。
【發明內容】
[0006] 本發明提供了一種新穎的氣流式多產品微細顆粒排序分級器，從而有效解決了現 有技術中存在的難題。
[0007] 本發明提供了一種氣流式多產品微細顆粒排序分級器，它包括：氣相入口、粉料 倉、自動加料器、芯棒、排序分級腔、物料出口和出口分格器。
[0008] 在一個優選的實施方式中，所述氣相入口為矩形切向入口，寬度為排序分級腔直 徑的1/3~1/2,高度為排序分級腔直徑的2/5~3/5。
[0009] 在另一個優選的實施方式中，所述氣流式多產品微細顆粒排序分級器還包括入口 法蘭以實現外部管道與排序分級腔的連接，所述入口法蘭包括矩形法蘭。
[0010]在另一個優選的實施方式中，所述粉料倉與排序分級腔的軸線距離大于〇.5m。
[0011] 在另一個優選的實施方式中，所述自動加料器包括星型卸料閥、震動加料器和螺 旋加料器。
[0012] 在另一個優選的實施方式中，所述芯棒將排序分級腔隔離成環形結構，芯棒的直 徑為排序分級腔直徑的1/10~1/5。
[0013] 在另一個優選的實施方式中，所述排序分級腔為環形結構，軸向高度為氣相入口 高度的3~8倍，氣流攜帶粉體顆粒從氣相入口進來后繞芯棒旋轉，形成離心力場。
[0014] 在另一個優選的實施方式中，所述物料出口為矩形切向出口，寬度為排序分級腔 直徑的1/3~1/2,高度為排序分級腔直徑的2/5~3/5。
[0015] 在另一個優選的實施方式中，所述氣流式多產品微細顆粒排序分級器還包括出口 法蘭以連接物料出口與出口分格器，可根據產品級數需求更換不同出口數的出口分格器。
[0016] 在另一個優選的實施方式中，所述出口分格器通過內部隔板將物料出口分割成等 面積的不同軸向位置和徑向位置的小矩形出口，可根據產品級數的需求調節小矩形出口數 量，在不同的小矩形出口獲得不同粒徑級別的產品。
[0017] 有益效果：
[0018] 本發明的氣流式多產品微細顆粒排序分級器具有以下有益效果：
[0019] (1)結構簡單，無運動部件，操作維護方便，能耗低；
[0020] (2)能獲得多級不同粒徑產品，而且可根據需要調節產品級數；
[0021] (3)分級后產品具有優異的單分散性。
【附圖說明】
[0022] 附圖是用以提供對本發明的進一步理解的，它只是構成本說明書的一部分以進一 步解釋本發明，并不構成對本發明的限制。
[0023] 圖1是本發明優選實施方式中氣流式多產品微細顆粒排序分級器的三維結構示意 圖。
[0024] 圖2是本發明優選實施方式中氣流式多產品微細顆粒排序分級器的標準三視圖。
[0025] 圖3是本發明優選實施方式中氣流式多產品微細顆粒排序分級器的剖面視圖。
[0026] 圖4是本發明的優選實施方式中氣流式多產品微細顆粒排序分級器的流量壓降 (能耗）曲線圖。
[0027] 圖5是本發明的優選實施方式中氣流式多產品微細顆粒排序分級器各小出口顆粒 粒徑分布規律示意圖。
[0028] 圖6是本發明的優選實施方式中氣流式多產品微細顆粒排序分級器各小出口顆粒 平均粒徑大小分布圖。
【具體實施方式】
[0029] 本申請的發明人經過廣泛而深入的研究后發現，微細顆粒的排序分級對于粉體加 工技術和微細顆粒分離與捕集有著重要的意義，而現有的顆粒排序分級器往往存在結構復 雜、分級效率差、只能得到粗細兩種產品，產品的單分散性不好等問題，因此在本領域開發 一種新型的高效的多產品顆粒排序分級器勢在必行；
[0030] 高速旋轉的三維流場中，氣流攜帶顆粒繞軸線做旋轉運動的過程中，粒徑不同顆 粒在徑向和軸向的受力都不同；根據力與運動的關系，不同大小的顆粒具有不同的運動軌 跡，從而實現不同大小顆粒在離心力場中的有序排列，即不同位置的顆粒具有不同的粒徑 大小，通過對出口不同位置的顆粒進行捕集，從而獲得具有較好單分散性的多級產品。
[0031] 基于上述研究及發現，本發明開發了一種氣流式多產品微細顆粒排序分級器，具 有結構簡單，無運動部件，操作維護方便，能耗低，可調節多產品，產品單分散性好等優點， 有效解決了現有技術中存在的問題。
[0032]本發明基于粒徑不同的微細顆粒在離心力場中徑向和軸向受力不同導致運動軌 跡不同的理論基礎，利用氣流攜帶微細顆粒進入到高速旋轉離心力場中實現不同大小顆粒 的有序排列，通過對出口進行徑向和軸向分區，對不同位置區域的顆粒進行收集，可獲得具 有較好單分散性的多級產品。
[0033]本發明的技術原理如下：
[0034]在高速的三維旋轉流場中，分散相顆粒主要受到重力、離心力、流體對顆粒運動的 阻力以及由于連續相的速度梯度和壓力梯度引起的作用在顆粒上的附加力。分散相顆粒在 徑向受力主要有繞軸線高速旋轉產生的離心力Fc，由于連續相介質旋轉過程中存在徑向壓 力梯度造成顆粒在徑向上兩端壓力不相等而產生的向心浮力Fb，以及顆粒與連續相介質之 間存在相對運動產生的徑向流體阻力Fd，徑向方向各力計算公式為：
[0038]式中d為顆粒粒徑，ps為顆粒密度，P為氣體密度，r為顆粒運動回轉半徑，ut為顆粒 運動速度，ζ為阻力系數，A為顆粒投影面積，v為顆粒與流體之間的相對徑向速度。當顆粒以 相對于連續相流體徑向速度為ur做平衡旋轉運動時，顆粒在徑向方向的受力平衡：
[0040]通過公式(4)能夠得到粉體顆粒做平衡運動的回轉半徑r與粉體顆粒粒徑d的關 系：
[0042]公式(5)說明不管阻力系數ζ的取值如何，粉體顆粒的粒徑越大，其做平衡旋轉的 回轉半徑越大，所以粉體顆粒在離心力場中可實現從旋流場軸心到邊壁由小到大的有序排 列。
[0043]粉體顆粒在旋流場中軸向受力主要有重力Fg，由于連續相軸向方向的壓力梯度造 成的軸向浮力Fb以及由于粉體顆粒與連續相流體軸向的相對運動造成的軸向流體阻力Fd， 具體計算方法如下：
[0047]當顆粒以相對于連續相流體軸向速度為uz做平衡運動時，顆粒在軸向方向的受力 平衡：
[0049]根據公式(9)可以得到粉體顆粒在旋流場中運動時相對于連續相的軸向相對速度 uz與粉體顆粒粒徑d的關系：
[0051 ]公式（10)說明在離心力場中，粉體顆粒的粒徑越大，其相對于連續相流場的軸向 速度uz越大，也就是粉體顆粒的軸向速度越大，在相同的時間內，粒徑越大的顆粒的軸向位 移越大，從而實現粉體顆粒在軸向的有序排列。
[0052]根據公式(5)和（10)可知，微細粉末以無序狀態經過排序分級器后，在出口截面上 的分布和排序分級規律為:從軸向進口端到出口端、徑向內測到外側，微細粉體粒徑呈逐漸 增大的規律。
[0053]基于上述理論研究與發現，本發明提供了一種氣流式多產品微細顆粒排序分級 器，它包括:氣相入口 1、入口法蘭2、粉料倉3、自動加料器4、芯棒5、排序分級腔6、物料出口 7、出口法蘭8和出口分格器9。
[0054] 在本發明中，所述氣相入口 1為矩形切向入口，寬度為排序分級腔6直徑的1/3~1/ 2,高度為排序分級腔6直徑的2/5~3/5,氣流將粉體顆粒以一定的速率輸送進排序分級器。
[0055] 在本發明中，所述入口法蘭2為矩形法蘭，以實現外部管道與排序分級器的連接。 [0056]在本發明中，所述粉料倉3與排序分級腔6的軸線距離大于0.5m，以保證粉體顆粒 以均勻分散狀態進入排序分級腔6。
[0057]在本發明中，所述自動加料器4為星型卸料閥、震動加料器、螺旋加料器等，以實現 粉體顆粒以一定的固含量加入到排序分級器并隔絕氣流。
[0058] 在本發明中，所述芯棒5將排序分級腔6隔離成環形結構，芯棒5的直徑為排序分級 腔6直徑的1/10~1/5。
[0059] 在本發明中，所述排序分級腔6為環形結構，軸向高度為矩形進口高度的3~8倍， 氣流攜帶粉體顆粒從切向入口進來后繞芯棒5高速旋轉，形成離心力場。
[0060] 在本發明中，所述物料出口7為矩形切向出口，寬度為排序分級腔6直徑的1/3~1/ 2,高度為排序分級腔6直徑的2/5~3/5。
[0061 ] 在本發明中，所述物料出口 7與出口分格器9通過出口法蘭8相連，可根據產品級數 需求更換不同出口數的出口分格器9。
[0062] 在本發明中，所述出口分格器9通過內部隔板將物料出口7分割成等面積的不同軸 向位置和徑向位置的小矩形出口，可根據產品級數的需求調節小出口數量，在不同的小出 口可獲得不同粒徑級別的產品。
[0063] 以下參看附圖。
[0064] 圖1是本發明優選實施方式中氣流式多產品微細顆粒排序分級器的三維結構示意 圖，圖2是本發明優選實施方式中氣流式多產品微細顆粒排序分級器的標準三視圖，圖3是 本發明優選實施方式中氣流式多產品微細顆粒排序分級器的剖面視圖。如圖1-3所示，所述 氣流式多產品微細顆粒排序分級器包括:氣相入口 1、入口法蘭2、粉料倉3、自動加料器4、芯 棒5、排序分級腔6、物料出口 7、出口法蘭8和出口分格器9;
[0065]其工作方式和原理為:氣相（空氣)從氣相入口 1進入排序分級器，并調節氣量到設 定值；同時，粉體顆粒在粉料倉3中通過自動加料器4進入排序分級器，調節自動加料器4使 粉體顆粒加料速度維持在設定值;氣相和粉體顆粒在管道中均勻混合后，氣相攜帶粉體顆 粒以固定濃度的氣溶膠狀態進入到排序分級腔6中；在排序分級腔6中，粉體顆粒隨氣相繞 芯棒5做高速旋轉運動，由于不同大小的顆粒做回轉運動的半徑和軸向速度不一樣，也就是 運動軌跡不一樣，從而實現不同大小顆粒的有序排列；最終的效果體現為在排序分級器的 物料出口 7處，不同大小的顆粒所處的位置不一樣，通過出口分格器9將物料出口 7分成不同 軸向位置和徑向位置的小出口，并對每個小出口的顆粒進行捕集，即可獲得分級后的多級 粒徑廣品。
[0066] 實施例
[0067] 下面結合具體的實施例進一步闡述本發明。但是，應該明白，這些實施例僅用于說 明本發明而不構成對本發明范圍的限制。下列實施例中未注明具體條件的試驗方法，通常 按照常規條件，或按照制造廠商所建議的條件。除非另有說明，所有的百分比和份數按重量 計。
[0068] 實施例1:
[0069]按照本發明的一種公稱直徑為75mm的微型氣流式多產品微細顆粒排序分級器進 行粉體顆粒的排序分級處理，其具體運作過程和效果描述如下：
[0070] 1.原始進口物料性質
[0071 ]本實施例中氣相為經過過濾凈化的空氣，連續相為粒徑多分散的二氧化硅球形粉 末，氣固混合和維持固含量為2000mg/m3。其中進口二氧化硅粉體顆粒的平均粒徑為15.7μ m，其中小于1.Ομπι的占6.5%，小于2.5μηι的占16.6%，小于ΙΟμπι的占41.4%。
[0072] 2.排序分級器能耗
[0073] 排序分級器的能耗主要指氣流流經排序分級器過程中的能量損失，也就是排序分 級器進出口處的流體壓降。圖4為該實施例中優選的排序分級器在不同進口氣流量下的壓 降曲線，從圖4中可以看出，該排序分級的壓降很小，在進□氣流量小于60m 3/h時，壓降不超 過80Pa，說明該優選的排序分級器具有低能耗的特點。
[0074] 3.排序分級后產品粒徑分布
[0075]在本實施例中，通過出口分格器9將排序分級器物料出口 7分成了 3 X 4的12個不同 軸向和徑向位置的小出口，可將進口物料分成了 12級不同粒徑的產品。如圖5所示，應用本 發明的氣流式多產品顆粒排序分級器對粉體顆粒進行排序分級后，不同粒徑產品在排序分 級器物料出口 7的分布規律為:從軸向進口端到出口端(上側到下側）、徑向內側到外側，各 小出口粉體顆粒的平均粒徑逐漸增大，有效實現了進口粉體顆粒的多級分級。在本實施例 中，用ij表示各小出口位置，i表示出口軸向位置，從進口端到出口端分別為i = l，2,3,4，j 表示出口徑向位置，從徑向內側到徑向外側分別為j = l，2,3。圖6為排序分級器各小出口粉 體產品的具體平均粒徑，由圖6可知，進口微細粉末平均粒徑為15.7μπι時，排序分級器出口 得到了從8.41μπι(11出口）到26.16μπι( 43出口）的12種不同粒徑級別的微細粉末，而且進口 顆粒的分散因數為90.1%，得到的12種產品的顆粒分散因數均小于40%，說明分級后的產 品具有較好的單分散性。
[0076] 上述所列的實施例僅僅是本發明的較佳實施例，并非用來限定本發明的實施范 圍。即凡依據本發明申請專利范圍的內容所作的等效變化和修飾，都應為本發明的技術范 疇。
[0077] 在本發明提及的所有文獻都在本申請中引用作為參考，就如同每一篇文獻被單獨 引用作為參考那樣。此外應理解，在閱讀了本發明的上述講授內容之后，本領域技術人員可 以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范 圍。
【主權項】
1. 一種氣流式多產品微細顆粒排序分級器，它包括:氣相入口（1)、粉料倉(3)、自動加 料器(4)、芯棒(5)、排序分級腔(6)、物料出口（7)和出口分格器(9)。2. 如權利要求1所述的氣流式多產品微細顆粒排序分級器，其特征在于，所述氣相入口 (1)為矩形切向入口，寬度為排序分級腔(6)直徑的1/3~1/2,高度為排序分級腔(6)直徑的 2/5~3/5〇3. 如權利要求1所述的氣流式多產品微細顆粒排序分級器，其特征在于，還包括入口法 蘭(2)以實現外部管道與排序分級腔(6)的連接，所述入口法蘭(2)包括矩形法蘭。4. 如權利要求1所述的氣流式多產品微細顆粒排序分級器，其特征在于，所述粉料倉 (3)與排序分級腔(6)的軸線距離大于0.5m。5. 如權利要求1所述的氣流式多產品微細顆粒排序分級器，其特征在于，所述自動加料 器(4)包括星型卸料閥、震動加料器和螺旋加料器。6. 如權利要求1所述的氣流式多產品微細顆粒排序分級器，其特征在于，所述芯棒(5) 將排序分級腔(6)隔離成環形結構，芯棒(5)的直徑為排序分級腔(6)直徑的1/10~1/5。7. 如權利要求1或2所述的氣流式多產品微細顆粒排序分級器，其特征在于，所述排序 分級腔(6)為環形結構，軸向高度為氣相入口（1)高度的3~8倍，氣流攜帶粉體顆粒從氣相 入口（1)進來后繞芯棒(5)旋轉，形成離心力場。8. 如權利要求1所述的氣流式多產品微細顆粒排序分級器，其特征在于，所述物料出口 (7)為矩形切向出口，寬度為排序分級腔(6)直徑的1/3~1/2,高度為排序分級腔(6)直徑的 2/5~3/5 〇9. 如權利要求1所述的氣流式多產品微細顆粒排序分級器，其特征在于，還包括出口法 蘭(8)以連接物料出口（ 7)與出口分格器(9 )，可根據產品級數需求更換不同出口數的出口 分格器(9)。10. 如權利要求1或9所述的氣流式多產品微細顆粒排序分級器，其特征在于，所述出口 分格器(9)通過內部隔板將物料出口（7)分割成等面積的不同軸向位置和徑向位置的小矩 形出口，可根據產品級數的需求調節小矩形出口數量，在不同的小矩形出口獲得不同粒徑 級別的產品。
【文檔編號】B04C5/00GK106076672SQ201610664450
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月12日 公開號201610664450.X, CN 106076672 A, CN 106076672A, CN 201610664450, CN-A-106076672, CN106076672 A, CN106076672A, CN201610664450, CN201610664450.X
【發明人】付鵬波, 汪華林, 王飛, 馬良, 楊強
【申請人】華東理工大學