GLS销棒粉碎机湿式与干式粉碎机理研究_

第 21卷 第 5 期 南　京　理　工　大　学　学　报 Vo l. 21 No. 5 1997 年 10 月　Journal of Nanj ing University of Science and Technology　　Oct . 1997 GLS 销棒粉碎机湿式与干式粉碎 机理研究(Ⅱ) � � 刘东升��　李凤生　宋洪昌　李春俊　刘宏英 (南京理工大学化工学院, 南京 210094) 摘要　了 GLS销棒磨的粉碎机理, 认为在湿式和干式状态下粉碎机对物料的 超细粉碎结果不同,湿式粉碎的颗粒粒径远小于干式粉碎的。分析表明,液流对细 小颗粒具有良好的解团聚作用,除此以外,认为粉碎腔内液固、气固两相所形成的 流场对颗粒的超细粉碎有较大的影响。在此基础上, 建立了粉碎腔内流体的运动模 型,并对粉碎腔内液流及气流的流场进行了数值模拟,比较了2种方式下流场的运 动机理。 关键词　磨碎处理,粒子;粉碎机,流场 分类号　TQ 0291, TD 448, T V 131. 4 本文所研究的高速冲击式 GLS 销棒磨是一种能用于干、湿粉碎的超细粉碎机,因其独 特的内部结构可使粉碎腔内的流体形成复杂的流场。这种复杂的流场将对物料的粉碎产生 极大影响,而且干、湿式粉碎时, GLS 销棒磨磨腔内气流和液流流场状况的不同, 对物料粉 碎的影响不同。对这种不同粉碎方式粉碎的机理进行研究相当重要,这既可用于指导粉碎机 的优化设计,同时又可以在实际应用中根据不同的需要合理地利用粉碎机, 本文研究了2种 粉碎方式下粉碎腔内流体介质的运动, 分析了物料的粉碎状况和粉碎机理以及引起粉碎效 果不同的原因。 1　干法、湿法粉碎时物料的实际粉碎结果对比 本研究所用 GLS-1型销棒磨分别采用干法和湿法对白云石进行了粉碎实验,图1为这2 种状况下物料被粉碎后的粒度分布。为了比较在干、湿状态下粉碎机对较小颗粒的粉碎作 用,所用白云石的给料粒度较小,经过粉碎机的粉碎后, 即可比较小颗粒物料在不同的流体 介质状况下粉碎效果的差异。 从图1可见,在 GLS销棒磨中,采用干法粉碎时,白云石的粉碎粒径随着粉碎时间的延 � � �� 刘东升　男　30岁　博士生 国防科技预研行业基金项目 本文于1997年7月1日收到 图1　物料粒径与时间的关系 Fig. 1　Par ticle size of material vs grinding time 图2　动、定销棒交错啮合区示意图 Fig . 2　Jogg le region of pins 长在不断地下降,但当达到一定的时间以后,由于细小颗粒的团聚等逆粉碎作用,白云石粉 碎产品的粒径变化不大。而采用湿法粉碎时,物料的平均粉碎粒径比干法粉碎要小得多,而 且还可见, 随着粉碎时间的延长,被粉碎物料的粒径下降很快, 最终产品的粒径远低于干法 的。分析其原因, 除了液相流体对细小颗粒的良好的分散作用外[ 1] [ 2] ,流体中微小射流及不 规则的湍流亦对细小颗粒具有极好的粉碎作用,下文就这一点对 GLS 销棒磨的粉碎腔内的 气流、液流流场作详细的分析。 2　干、湿法粉碎方式下粉碎腔内流体的运动 在 GLS 粉碎机的粉碎腔内,流体的运动虽然复杂, 但在粉碎机工作稳定以后, 若以高速 转动的转子作为参照系,粉碎腔内的流体运动状况可视为稳定的流场,且气流及液流可看作 不可压缩流。为此,采用流函数涡量法对粉碎腔内销棒间的流场进行模拟。 2. 1　模型及计算 GLS 销棒磨定、动销棒交错啮合如图2所示。粉碎机工作时, 某圈中的流体介质及粉碎 物料将从A、B 处进入由动销棒和定销棒形成的粉碎腔,粉碎后在离心力及压差力的作用下 从 C、D 处流出,进入下一圈的粉碎腔。此时,流体介质在粉碎腔内形成特定的流场。由于定 销棒和动销棒交接处间隙很小,粉碎腔可近似看作只有 A、B、C、D 4处开口的空腔,该区域 流场可视为二维平面流场 　　 v→= v→�+ v→r ( 1) 式中, v→�、v→r 分别表示切向与径向速度,对于不可压缩流, 其连续方程满足 　　div v→= 0 ( 2) 在二维平面极坐标系下, 不可压流体的粘性系数 �为常数, 并且转子以匀角速度 �旋 转,以转动的转子作为参照系,对流体的运动方程取旋度,根据流体力学理论[ 3] ,在极坐标系 ( r , �) 下,速度 v r、v�与流函数 �及涡量 �有如下关系 [ 3] 　　 v r = 1 r ����　　v�= - ���r　　�= �v ��r - r �v r�� ( 3) 　　 � 2�= - � ( 4) 　　 D� → D t = ( �→�� ) v→+ ��� 2� → - � × ( 2�→× v→+ �2�→ ) ( 5) 429总第 95 期 刘东升　李凤生　宋洪昌　李春俊　刘宏英　GL S销棒粉碎机湿式与干式粉碎机理研究(Ⅱ) 对于平面极坐标问题, ( 5)式可表示为 　　 D� → D t = ��� 2� → + ur r �→+ u� r �→ ( 6) 由于只有垂直于二维平面的涡量, ( 6)式可写为如下的标量形式 　　 D� Dt = ��� 2�+ u rr �+ u�r � ( 7) ( 7)式无量纲化后 　　 D�′D t = 1Re� 2�′+ u r′r �′+ u�′r �′ ( 8) 式中, R e为雷诺数,其它各量均为无量纲化后的形式,对( 4)式采用利布曼迭代公式,求泊桑 方程的数值解 　　 �i, j = 14 (�i- 1, j + �i+ 1, j + �i, j- 1 + �i, j+ 1 ) - 14 h2�i, j ( 9) 式中, h为时间和空间的步长比,对于方程( 8)可采用 FT CS 差分格式进行计算。 2. 2　理论计算结果及分析讨论 在干法粉碎和湿法粉碎的过程中,所用流体分别为空气和水, 对上述过程编制了 GLS- SIMU LA TION-2程序进行计算。图3、图4分别为空气和水在粉碎腔内的运动状况, 图中的 曲线均为流体的流线。从图可见,在颗粒与销棒相互发生碰撞的粉碎面附近,流体将形成规 则或不规则的涡流。比较气流和液流在粉碎腔内流场的运动可见,由于液流的粘性作用,壁 面涡量向流体内扩散, 同时,流体处于高速旋转的非惯性系中,惯性力将形成较强的哥氏涡, 相互作用的结果使得流体形成许多无规则的小涡(见图4)。而气流在边壁的粘性作用较弱, 其流场中主要因惯性形成哥氏涡,且其形式主要为大涡(见图3)。从图可见,液流流场的湍流 程度较气流流场要高。由此,当粉碎机以湿法进行粉碎时, 不规则的湍流将使得粉碎腔内被 粉碎的颗粒运动亦处于无规则状态,这种状态利于颗粒的粉碎。同时,不规则的湍流将破坏 细小的颗粒间的团聚, 从而使得细小的颗粒在连续的粉碎过程中不断得到粉碎,而不因团聚 发生逆粉碎现象。因此,颗粒的湿法粉碎所达到的超细程度高。 图3　粉碎腔内气流所形成的流场 Fig . 3　Fluid field of g as in g rinding chamber 图4　粉碎腔内液流所形成的流场 Fig. 4　Fluid f ield of l iquid in gr inding chamber 采用干法粉碎时, 由于气流所形成的是有规则的大涡,流体和颗粒的运动相对较为规 则。一般地希望颗粒在粉碎区的运动不是一种规则的运动 [ 4] , 尤其是颗粒的运动方向与销棒 的运动方向一致时更是如此。这样, 粉碎机销棒将不能对颗粒施以有效的粉碎, 同时也不能 有效地破坏细小颗粒间的团聚,这两者对于粉碎机而言都是不利的因素。因此, 其粉碎效果 430 南　京　理　工　大　学　学　报　　　　　　　　　第 21 卷第 5 期 较湿法粉碎要差。 3　结论 GLS-1型销棒磨在干法和湿法粉碎时, 2种对颗粒的粉碎作用差别较大, 在对颗粒 长时间的粉碎以后,采用湿法粉碎所获得的颗粒粒径较干法粉碎小得多。本研究对粉碎腔内 的流场进行模拟的结果表明, 液流流场出现不规则的小涡,而气流流场则形成较规则的大 涡,亦即,液流所形成的流场紊度高于气流流场的。分析表明, 这种紊流利于颗粒在粉碎 区间的粉碎,同时, 流场的紊乱状态能有效地破坏细小颗粒的团聚作用, 利于粉碎机的超细 粉碎。 参 考 文 献 1　李凤生, 刘东升,宋洪昌等. GLS 高速冲击粉碎机实验及原理研究.第27届美国颗粒年会, 芝 加哥:美国细颗粒学会, 1996. 8 2　袁领群.论物料的湿法超细粉碎. 武汉工业大学学报, 1991, 13( 3) : 67～71 3　吴望一.流体力学. 北京:北京大学出版社, 1982. 121～138 4　小野宪次.超细粉碎机. 化学装置, 1986( 3) : 51～57 Study of Grinding Mechanism for GLS Mill with Wet Grinding and Dry Grinding Liu Dong sheng　Li Fengsheng　Song Hongchang Li Chunjun　Liu Hongying ( Schoo l o f Chemical Eng ineering , NUST , Nanjing 210094) ABSTRACT　Grinding mechanism o f GLS pulver izer is analysed. It is considered that there is differ ent g rinding act ion fo r material w ith dry g rinding o r w et g rinding . The size of paricles gringed by w et g rinding is mor e f ine than that of part icles grinded by dry g rind- ing . It is shown that the liquid dispel is good for r eunion f ine part icles. Meanwhile, the flow f ield o f liquid and gas has a great influence on par ticle size reduct ion. Based on this, the flow mot ion model in grinding chamber is presented, and f luid field is simulated by nu- merical method. F inally , the mechanisms of flow field for g as and liquid are compared in this paper. KEYWORDS　grinding t reatment , part icles; mill, f luid field 431总第 95 期 刘东升　李凤生　宋洪昌　李春俊　刘宏英　GL S销棒粉碎机湿式与干式粉碎机理研究(Ⅱ)