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四川大学硕士学位论文 淀粉超细粉碎机组的研究与设计 化工过程机械专业 研究生：刘智勇指导教师：潘永亮 传统的淀粉化学变性工艺由于在生产工艺、变性程度等方面存在一定的缺 陷，以致淀粉产品无法实现大规模工业生产。人们寄予的通过淀粉材料改善环 境的愿望无法实现，因而产生了淀粉的超细化技术。淀粉颗粒在超细粉碎下， 粒度减小，比表面积和表面能增大，导致淀粉的一些理化性质发生变化。广泛 应用在农业、食品、化妆品、医药、纺织、造纸、钻探等领域。 本文根据企业将原料为2 0 0 4 0 0 目( 3 8 7 5 9 m ) 的淀粉粉碎至粒径1 2 5 0 目( i 0 9 m ) ，产量为1 5 0 2 0 0 蛔h 的要求，提出以气流粉碎技术对淀粉进行 超细粉碎，设计了用清洁干燥空气为粉碎工质的超细气流粉碎工艺和装置。 粉碎主机选择具有自行分级性能的扁平式气流粉碎机；为提高粉碎机的粉 碎、分级效果，采用双截头圆锥腔型粉碎一分级室和缩放型喷嘴提供超音速工 质。对扁平式气流粉碎机、主要附属设备贮气罐、配气罐、旋风分离器进行了 设计，并对压缩机、袋式除尘器进行了选型。 机组开车试验结果显示，空气压力一定时，产品粒径随加料量的增加而变 大；在加料量一定时，产品粒径随空气压力的提高而变小。测试分析表明，机 组在空气压力为0 8 m p a ，加量料为1 5 1 k g h 时，产品粒径为8 2 9 m ，达到了 设计效果。 测试分析还表明，产品具有粒度细微、粒径分布较窄、颗粒形状规则、纯 度高、吸附性好等特点。 目前，本文研究成果已应用于淀粉生产中，为企业带来了良好的经济效益； 解决了淀粉超细化处理的技术难题，为企业带来了良好的经济效益；同时，为 淀粉深加工提供了一项新技术。 关键词：超细粉体气流粉碎机生产应用设计 四川大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e s i g no fu l t r a f i n eg r i n d i n gs e tf o r s t a r c h m a j o r ：c h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s sm e c h a n i s m g r a d u a t es t u d e n t ：l i uz h i - y o n g a d v i s o r ：p a ny o n g - l i o n g b e c a u s et h e r ew e r ec e r t a i nd r a w b a c k sa tt h ea s p e c t so f p r o d u c t i o np r o c e s sa n d t r a n s f e rd e g r e ef o rt r a d i t i o n a lc r a f to fc h e m i c a lm o d i f i c a t i o no fs t a r c h , t h es t a r c h p r o d u c t sh a v en o tb e e np r o d u c e d 越l a r g e - s c a l e h u m a n ，sd e s i r e t oi m p r o v e e n v i r o n m e n tb ys t a r c hm a t e r i a lc a n n o tr e a l i z e ，s os u p e r - r e f i n e m e n tt e c h n o l o g yo f s t a r c hh a sb e e nb r o u g h t v d h e ns t a r c h yp a r t i c l e sa r ei nu l t r a f i n eg r i n d i n g t h e i r g r a n u l a r i t yd e c r e a s ea n d $ x 1 1 f a c ee n e r g yi n g r e a s e , l e a d i n gt op h y s i e o e h e m i e a l p r o p e r t yo fs t a r c hc h a r t g i n g t h e ya r ew i d e l yu s e di nt h er e g i o no fa g r i c u l t u r e ，f o o d , c o s m e t i c ，m e d i c i n e ，t e x t i l e ，p a p e r m a k i n g , a n dd r i l l i n g a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n to fs t a r c h yp a r t i c l es i z ef r o m2 0 0 - 4 0 0 m e s h ( 3 8 7 5 t m ) t o1 2 5 0 m e s h ( _ 1 2 m m 细粒 2 0 0 目一3 m 不规则状 纤维状及绞索状 租粒 3 m - i o m 4 、物料颗粒尺寸的测量和表示方法 物料颗粒尺寸的测定指颗粒的粒度大小和粒度分布。颗粒尺寸的测量要根 据颗粒形状及颗粒尺寸大小、物料的性质、颗粒大小的表现形式、测定结果的 用途及所需的测定精度选择合适的测定方法。科学技术的发展为颗粒尺寸的测 定提供了各种方法和仪器。常用的方法有光学显微镜法、电子显微镜法、重力 沉降法、离心沉降法、筛分法、激光光散射法、电子传感器法等。 离心沉降法在离心力场中，颗粒沉降服从斯托克斯定律，利用圆盘离心机使 颗粒沉降，测定分散体的浓度变化，或者使样品在空气介质离心力场中分级，从 而得到粒度大小和粒度分布，该方法测定速度快，是较先进的粒度和粒度分布测 定方法，测定范围0 0 1 - 3 0 a m 。光学显微镜或扫描和透射电子显微镜测定超细 粉体粒度的方法称为显微镜法，光学显微镜测定粒度的操作是将样品分散在一 定的分散液中制取样片，利用光学显微镜测颗粒影像，将所测颗粒按大小分级， 便可求出以颗粒个数为基准的粒度分布；该方法直观性好，但受主观因素影响较 大，测定范围为o 叭l o o g m 。电子传感器法又称库尔特计数器法，悬浮在电解 液中的颗粒，通过一小孔时，由于排出了一部分电解液而使液体电阻发生变化， 这种变化是粒度的函数，库尔特计数器自动记录下粒度的分布；该方法速度快， 精度高，统计性好，完全自动化，近年来应用广泛，可得到颗粒的粒度和粒度分布 测定范围为0 4 2 0 0 9 i n 嗍。 对粉碎物料的粒度和粒度特性的定性和定量的描述是超细粉碎工程研究的 基本内容之一，粒度大小和粒度分布是评价粉碎工艺和设备性能的重要参数，也 是选择工艺和设备的基本依据和超细粉体物料应用的重要性能指标1 9 j 。常用的 粉体粒度组成特性的表示方法有列表法、图解法、矩值法和函数法。表2 2 为 列表法分析某种粉体群的粒度。 四川大学硕士学位论文 表2 2 莱粉体群的粒度分析结果 曩级产率l 粒童u -重量g产率_ 正累积负累积 1 6 0 1 2 01 2661 0 0 1 2 0 8 04 0 2 02 69 4 8 0 4 08 04 0 6 6 7 4 4 0 2 0 5 02 59 13 4 2 0 0 1 891 0 09 5 、筛目与粒径的关系 工业生产中，一般细度粉体的粒度分析常用较为简单的筛分方法，为了能 够进行多级粒度的筛分测定，国际标准化组织已有系列标准筛。规格用“目” 表示，即每一英寸筛网长度上所具有的筛孔个数称为“且”。筛目数与颗粒粒径 的关系见表2 3 。 衰2 3筛目与粒径的关系 粒径a m 。耋s 蜀垤- 1 t - 7 0 , n ot y l e r 筛目 b s 4 1 0 筛耳 52 5 0 02 5 0 0 1 01 2 5 01 2 5 0 1 5 8 0 08 0 0 2 06 2 56 2 5 2 55 0 05 0 0 3 24 2 5 4 2 5 3 84 0 04 0 04 0 0 4 53 2 53 2 53 5 0 5 32 7 02 7 03 0 0 6 32 3 02 5 02 4 0 7 5 2 0 0 2 0 02 0 0 9 0 1 7 01 7 01 7 0 1 0 61 4 01 5 0 1 5 0 1 2 51 2 01 1 51 2 0 1 5 01 0 01 0 01 0 0 四川大学硕士学位论文 2 2 物料基本性能 1 、物料的性能描述 几何特性包括物料的颗粒尺寸、物料的颗粒形状、固体物料的比表面积、 孔隙度，即颗粒内部空间的大小、空隙度，即颗粒与颗粒之间空间的大小。物 料颗料形状如图2 1 所示。 固体物料的物理性能包括粉体的加工性能；粉体流动性能，即物料的流动、 喷流( 泻流) 及附着性；物料的摩擦性能，即物料的剥落、磨琢性及物料的内 摩擦角、壁面摩擦角等对物料加工的影响；固体物料的其他性能，强度、硬度、 易碎性、颗粒的离析、压缩性、架桥性、密度、安息角、下落角、分散性、团 聚性、结块及粘结性、临界湿度及湿含量等。 固体物料化学和电性能，化学性能指物料化学组成、固体物料的分解、吸 湿性、腐蚀性、，可燃性、毒性及爆炸性等；电性能指导电性、磁性及静电等。 田2 1 物料形状示意图 2 、物料的强度、硬度和易碎性 材料的强度是指其对外力的抵抗能力，通常以材料破坏时单位面积上所受 的力即n 时或p a 来表示。按受力破坏的方式不同，可分为压缩强度、拉伸强度、 扭曲强度和剪切强度等；按材料内部的均匀性和有否缺陷分为理论强度和实际 强度。强度的高低是材料内部价键结合能的体现，从某种意义上讲，粉碎过程 是通过外部作用力对物料施以能量，当该能量足以超过其结合能时，材料即发 生变形破坏直至粉碎。 白眵 一 。 舀 一 。 痧 字 四川大学硕士学位论文 硬度表示材料抵抗其他物体刻划或压入其表面的能力，也可理解为在固体 表面产生局部变形所需的能量。这一能量与材料内部化学键强度以及配位数有 关。硬度的测定方法有刻划法、压入法、强子回跳法及磨蚀法等，相应地有莫 氏硬度、布氏硬度、韦氏硬度和史氏硬度及肖氏硬度等。无机非金属材料的硬 度常用莫氏硬度表示，莫氏硬度分为1 0 个级别，值越大表示材料的硬度越高。 物料的强度一般表现为粉碎物料的难易程度，即物料的易碎性。同一粉碎 机械在相同的操作条件下粉碎不同的物料时，由于不同物料的易碎性不同，生 产能力也不同。物料的易碎性与物料的强度、硬度、密度、结构的均匀性、含 水量、粘性、表面状况等有关。而物料的强度与物料的粒度关系密切，小粒度 的物料宏观和微观裂缝比大粒度的少，因而强度较高。强度和硬度都表示物料 对外力的抵抗能力，强度与硬度对粉碎过程有决定性的影响。强度与硬度大的 物料比较难粉碎，易磨性差。在实际工作中，由于天然物料的性质不均匀，同 一物料测出的强度数据差异很大，而物料的硬度在一定程度上也能反映出物料 的粉碎难易程度，因此，常测定物料的硬度以表示物料的易碎性1 7 】。 3 、物料的脆性和韧性 脆性是与塑性相反的一种性质，从变形方面看，脆性物料受力破坏时直到 断裂前只出现极小的强性变形而不出现塑性变形，因此其极限强度一般不超过 弹性极限。脆性材料抵抗动载荷或冲击的能力较差，许多硅酸盐材料如水泥、 混凝土、玻璃、陶瓷、铸石等都属于脆性材料，它们的抗拉能力远低于抗压能 力。正由于脆性材料的抗冲击能力较弱，所以采用冲击粉碎的方法可以将它们 有效粉碎。 材料的韧性是指在外力的作用下，塑性变形过程中吸收能量的能力。吸收 的能量越大，韧性越好，反之亦然。韧性是介于柔性和脆性之间的一种材料性 能。一般材料的断裂韧性可从开始受到载荷作用直到完全断裂时外力所做的总 功。断裂韧性和抗冲击强度有密切关系，故其断裂韧性常用冲击试验来测定。 与脆性材料相反，韧性材料的抗拉和抗冲击性能较好，但抗压性能较差， 在复合材料工程中，韧性材料与脆性材料的有机复合，可使二者互相弥补，从 而得到其中任何一种材料单独存在时所不具有的良好的综合力学性能。在橡胶 和塑料中填充无机矿物粉体可明显改善其力学性能。 物料的脆性和韧性也是选择粉碎机的主要参数之一，在生产作业中，韧性 9 四川大学硕士学位论文 好的物料是难于粉碎的。 4 、物料性能对粉碎过程的影响 物料的性能对粉碎机的选型至关重要，直接影响到物料的粉碎效果、粉碎 机械的能耗，粉碎产品的粒度特性、粉碎机械主要粉碎零部件( 齿板、锤头、 衬板及磨矿介质) 的磨耗以及在粉碎时必须采取的特殊措施等。因此，在进行 物料粉碎设计前。必须取得物料的松散密度、硬度、处理物料的粒度组成及最 大粒度、确定物料是否含有毒性、其粉尘是否有爆炸危险、被处理物料对粉碎 机械的粉碎部件的磨琢及腐蚀程度、了解物料的粘结性能等。选择合适的粉碎 机械。 2 3 物料的粉碎方法 由于物料的性能各不相同，粉碎物料采用的粉碎方法也不同，按照对粉碎 物料施加外力的不同，可分为下述几种粉碎方法。 始意煎煮t ta )1 t b )f c )7 2 ( 盼 霉上翠( f )i g ) f e ) 图2 2 物料粉碎机理示意图 压碎置于两工作面间的物料，施压后因压应力达到物料抗压强度而破碎， 该方法适用于大块物料，其工作原理如图2 2 ( a ) 、( c ) 所示。 劈碎置于平面与带尖棱的工作面间的物料，在带尖棱的工作面对物料挤 压时，因劈裂平面上的拉应力达到或超过物料拉伸强度极限而沿压力作用线方 l o 丧 四川大学硕士学位论文 向劈裂的粉碎方法。工作原理如图2 2 ( b ) 所示。 折碎物料承受集中载荷作用的二支点简支梁或多点支梁，当物料的弯曲 应力达到物料的弯曲强度时，物料因弯曲应力而折断破碎。工作原理如图2 2 ( d ) 、( e ) 所示。 冲击破碎物料受瞬时作用的冲击力作用而破碎，此种破碎方法破碎效率 高、破碎比大、能量消耗小，工作原理如图2 2 ( f ) 所示。分为如下几种情况： ( 1 ) 、运动的工作体对物料的冲击； ( 2 ) 、高速运动的物料向固定的工作面冲击； ( 3 ) 、高速运动的物料互相冲击： ( 4 ) 、高速运动的工作体向悬空的物料冲击。 磨碎物料与运动的工作面因受压力和剪切力作用或物料间摩擦时的剪 切、磨削作用，剪应力达到物料的剪切强度极限时，物料被粉碎。工作原理如 图2 2 ( g ) 所示。 裹2 4粉碎作业的分类 粉碎作业粉碎段数给料粒度( m )产品粒度( m ) 粗碎 露天矿1 5 0 0 - - 1 0 0 0 2 5 0 1 2 5 破碎 井下开采6 0 0 - - 3 5 02 0 1 2 5 中碎2 5 0 1 2 55 0 2 5 细碎5 0 一2 51 0 2 5 粗磨l o 一2 52 一o 5 磨碎中磨 2 0 5 - - 2 0 0 目占7 0 8 0 细磨中磨产品 ( 2 0 0 - - 3 2 5 ) 目占9 0 - - 9 5 0 , 6 微粉碎细磨产品 5 u m 超细粉碎 细微 1 - - 0 1 p m 超微粉碎 微粉碎产品 5 u 超细 o 1 0 0 2 4 m 超微细 0 0 2 u i i 2 4 粉碎机械的类型 2 4 1 粉碎作业的分类 粉碎的目的是用外力使固体物料克服质点间的内聚力，使大块物料形成碎 散细小颗粒的总过程，根据物料粉碎前后粒度的大小分为破碎、磨碎和超细粉 l l 四川大学硬士学位论文 碎作业，各作业可分为许多阶段i l o j 。表2 4 是各个阶段的划分。 该划分法是相对和近似的，上述的超细粉碎属于粒度的深加工。破碎、磨碎 属于入选物料的准备阶段，使用范围非常广泛。 2 4 2 粉碎机的类型 根据作业阶段的不同，作业工艺和粉碎设备选用也不同。按照作业阶段的 划分，粉碎机械大体可分为破碎机、磨机和超细粉碎机。 破碎机广泛应用于工业生产中，按照产品粒度要求，又可分为粗碎机、中 碎机和细碎机。粗碎机主要有颚式破碎机和旋回破碎机，中碎机主要有圆锥式 破碎机，细碎机主要有反击式破碎机或辊式破碎机。 图2 3 是颚式破碎机破碎示意图。其工作原理为依靠活动颚板作周期性往 复运动，把进入两颚板的物料压碎。颚式破碎机俗称老虎口，是始于1 9 世纪5 0 年代的历史悠久的破碎设备，由于构造简单、工作稳定可靠、生产容易、维修 方便，至今在非金属矿山，冶金矿山、建筑材料、化工和相关行业中广泛应用。 骼龋 田2 3 颚式破碎机破碎示意田圈2 4 旋回破碎机破碎示意田 1 一定锥；2 一动锥 旋回破碎机又称粗碎圆锥破碎机，于1 9 世纪7 0 年代应用于生产实践。按 产品排料方式的不同，可分为侧面排料型和中心排料型。目前应用于工业生产 的是中心排料型旋回破碎机。工作原理如图2 4 所示。通过内锥体的偏心回转， 处于两锥体间的物料受到弯曲和挤压发生粉碎。 圆锥破碎机被称为菌形破碎机或圆磨，于1 9 世纪8 0 年代开始应用于矿业 四川大学硕士学位论文 生产，工作原理与旋回破碎机大体相同。按动锥的形状的不同，可分为标准圆 锥、中间圆锥和短头圆锥，规格以动锥底部的直径表示。该机具有破碎比大、 效率高、功耗少、产品粒度较均匀及适合破碎硬矿石等特点，是目前选矿厂最 主要的粉碎设备。 反击式破碎机自2 0 世纪4 0 年代闯世以来，由于体积小、重量轻、结构简 单，且具有破碎比大、效率高、能耗低、产品粒度均匀、过粉碎少适应性强和 有利于有用矿物单体解离和选择性粉碎的优点，得到迅速发展；目前广泛应用 于非金属矿、煤碳、建筑材料，化工及选矿等工业部门。其工作原理如图2 5 所示，物料受到高速运动的板锤的打击和受到向反击板的高速撞击，以及物料 之间相互冲撞作用，使物料发生粉碎。 辊式破碎机是1 9 世纪初应用于生产，按照辊数的不同，分为单辊、双辊及 四辊式破碎机，规格用辊子直径及长度d x l 表示。图2 6 为双辊式破碎机工作 原理示意图，破碎辊作相向旋转，物料与辊子间产生摩擦作用将物料卷入破碎 腔内进行粉碎，产品在重力作用下从两辊间的间隙排出，该间隙决定产品最大 粒度。由于该机结构简单，目前仍在非金属矿山、水泥、硅酸盐等工业部门获 得应用。但由于占地面积大、生产能力低的缺点，在金属矿山已很少采用。 田2 5 反击破碎机破碎示意图2 6 辊式破碎机破碎示意图 圈 工业中应用的磨机种类很多，有球磨机、棒磨机、自磨机、砾磨机及挤压 磨等。球磨机和棒磨机主要根据磨矿机中的介质特征、磨矿机的筒体形状和筒 体直径与长度之比及磨矿机的排矿方式进行分类，主要应用在非金属矿、稀有 金属矿及有色金属矿选矿作业中。球磨机和棒磨机在工作时，物料在回转并填 四川大学硕士学位论文 装有研磨体的简体内。简体在回转过程中将研磨体和物料提升到一定高度后抛 落下来，研磨体对物料有较大冲击与研磨，致使物料粉碎。此两种磨机虽然可 靠适用，但由于粉碎比小、能量大、成本高及钢材消耗大，自2 0 世纪6 0 年代 以来，无介质自磨技术由于粉碎比可达3 0 0 0 4 0 0 0 、流程短可减少操作维修人 员和费用、钢材消耗量同比低、可减轻产品泥化和铁质污染等特点得到了很大 的发展，开发了干式自磨机、湿式自磨机及砾磨机( 砾磨机属自磨机) 等应用 于工业生产，其中以湿式自磨机应用最为广泛。工作时，物料进入磨机后，由 提升板把物料提升到一定高度，然后自由下落产生冲击作用，物料闻相互摩擦 产生磨削作用。同时，虽物料粒、块大小不同，大块物料与楔形衬板撞击并在 楔形衬板反击作用下，避免了物料产生轴向大小块的偏析，从而使大块物料也 能得到均匀分布。从排料端返回的粗料，同新加进磨机的料块一样，均匀地落 到筒体底部中心后向两边扩散。大块物料和细粒物料在筒体底部沿轴向运动的 方向相反，产生粉磨作用，使物料粉碎磨细1 7 j 。 超细粉碎机，包括微粉碎机和超微粉碎机，主要有机械式和气流冲击式粉 碎机。机械式粉碎机有振动磨机、悬辊式粉碎机、搅拌磨机、塔式粉碎机、胶 体磨机、离心磨机、挤压磨机、高速粉碎机等，属微粉碎设备，在某些情况下， 对硬度较低的脆性物料也能超到一定程度的超微粉碎。 利用研磨介质在作高频振动的简体内对物料进行冲击、摩擦、剪切等作用 而使物料粉碎的机械称为振动磨。工作时，传动轴带动筒体做圆振动。装在筒 内的研磨介质受到经常性冲击，随着振动频率的变化，研磨介质形成强烈抛射、 高速同向自转和慢速公转运动，分别对物料起冲击粉碎、研磨和均化的作用。 物料从供料系统进入筒体后不断被冲击和研磨，以螺旋状运动轨迹运动至排料 端排出。该设备按振动特点可分为惯性式、偏旋式；按筒体数目可分为单筒式 和多筒式；按操作方式的不同可分为间隙式或连续式等。与转筒式球磨机相比， 振动磨具有结构简单、操作灵活方便且筒体内研磨介质填充率高、研磨强度大、 相同容积的处理能强、粉碎效率高的特点。通过调节振动的相关参数( 振幅、 频率、配比等) 加工不同物料，包括高硬度物料和各种细度的产品。 搅拌磨机主要由研磨筒和搅拌器构成，研磨筒内填一静置小直径研磨介质， 为控制研磨时的温度，研磨筒一般做成带冷却夹套，粉碎物料时在冷却套内通 入不同温度的冷却介质；根据粉碎物料的不同要求，研磨筒内衬不同的材料。 1 4 四川大学硕士学位论文 搅拌器是此磨机最重要的部件，有不同的结构型式。工作时，通过搅拌器搅动 研磨介质作不规则运动，对物料施加冲击力、摩擦和剪切力及撞击力，在冲击、 剪切和摩擦等作用下物料被粉碎。研磨介质粒径的大小、密度、硬度与产品的 产量、粒径大小、研磨效率及研磨强度密切相关。由于该机可批量或连续生产， 产品粒径可达1 , u m 以下，广泛应用于颜料、高级陶瓷原料及碳酸钙、浩砂等非 金属矿物的超细粉碎。 胶体磨利用一对固定磨体和高速旋转磨体的相对运动，使被处理的浆料通 过磨体间的间隙时，颗粒在剪切力场中作沿流体运动方向的平移运动、垂直于 流体方向的升举运动及自转，旋转的颗粒相互接触时，出现能量交换和摩擦研 磨作用，同时在旋转磨体产生的高频振动下，使颗粒受到强烈的剪切、摩擦、 冲击等作用力，物料被有效的研磨、粉碎和分散。该设备具有结构简单、操作 维护方便、占地面积小、加工精度高、产品粒度可调的特点，并可以在较短时 间内对颗粒、聚合体或悬浮液进行粉碎、分散、均匀混合、乳化处理【6 j 。 以上超细粉碎设备在产品细度上或粒度分布上或在产品的纯度上难以满足 某些行业对粉体的要求。目前应用于工业生产中的超微粉碎设备主要是指气流 粉碎机。 2 。5 气流粉碎机 气流粉碎机是随着国防尖端、高新技术及新材料的发展，利用高速气流使 物料互相受到冲击( 碰撞) 、摩擦及剪切作用而达到粉碎目的，适应粉碎产品的 细度、粒度分布、产品纯度等要求的是一种广泛、高效的超微粉碎设备。气流 粉碎机的一般原理是：将干燥无油的压缩空气通过拉伐尔喷管加速成超音速气 流，喷出的射流带动物料作高速运动，使物料碰撞、摩擦而粉碎。被粉碎的物 料随气流到达分级区，达到细度要求的物料，最终由收集器收集，没有达到要 求的物料，再返回粉碎室继续粉碎，直至达到所需细度并被捕集为止。 气流粉碎机给料粒度通常小于0 1 5 m ，最大不得大于l o m ，给料粒度要求 尽量均匀。如果给料粒度不均匀( 粒度组成宽) ，产品的粒度将较粗。产品粒度 上限取决于混合气体中的固体含量，与单位能耗成反比。在固体含量较低时， d 骺可保持5 - - 1 0 i l i n ；但当固体含量较高时，增大到2 0 一3 0 | i m 。经过预先粉碎， 1 5 四川大学硕士学位论文 降低进料粒度，可得到平均粒径ium 的产品。气流粉碎机产品除粒度细之外， 还具有粒度分布较窄、颗粒表面光滑、颗粒形状规整、污染少纯度高、活性大、 分散性好及温升小等特点。粉碎过程中压缩气体绝热膨胀产生焦耳一汤姆逊降 温效应，因而适用于低融点、热敏性物料的超细粉碎。当用不锈钢或有衬里的 低碳钢制成的设备时，其磨损很少且易于维修，气流粉碎机的生产量同流体流 量或压力成正比。 气流粉碎机自2 0 世纪4 0 年代在工业生产中应用以来，经过若干发展阶段， 结构不断改进更新，机型由最初的扁平式或水平圆盘式发展为循环式、对喷式、 靶式和流化床式等五大类，规格达数十种，技术趋于成熟，应用于化工、材料、 冶金、食品、生物、医药、军工及航天等领域。但气流粉碎机最大的缺点是能 量利用率低，生产成本高，各国科研人员和生产厂家以提高能量利用率为目标 进行研发，以使该机型更加完美并得到更为广泛的应用。目前工业上应用的气 流粉碎机主要有扁平式气流粉碎机、循环式气流粉碎机、对喷式气流粉碎机、 撞击式气流粉碎机、流化床对喷式气流粉碎机等【6 】。 2 5 1 扁平式气流粉碎机 扁平式气流粉碎机又称为水平圆盘气流磨，其结构如图2 7 所示。物料由 文丘里喷嘴加速后导入粉碎室，高压气流经入口进入气流分配室，分配室与粉 碎室相通，气流在自身压力下，强行通过研磨喷嘴时，产生高达每秒几百米至 上千米的气流速度，由于研磨喷嘴与粉碎室的相应半径成一锐角，故物料颗粒 由研磨喷嘴喷射的高速旋流带动下作循环运动，颗粒间、颗粒与机体间产生相 互冲击、碰撞、摩擦而粉碎。粗粉在离心力作用下甩向粉碎室周壁作循环粉碎， 而微粉在离心气流作用下被导入粉碎机中心出口管进入捕集系统被捕集。 这种气流磨是以粉碎室内径尺寸为其规格大小。其规格从巾5 0 r a m 到由 1 0 6 6 m m 不等；压缩空气耗量分布从0 5 6 6 m 3 m i n 到9 4 一m i n ；过热蒸气耗量从 1 4 7 k g h 到3 6 3 0 k g h ( 过热蒸气入口压强1 0 5 k g c m = ，温度2 8 8 0 c ) 。相应的生产 能力，从小于0 2 k g h 到大于2 5 0 0 k g h 。产品细度从4 5 l i m 到0 ，5 u m 。这种气 流磨具有内( 自行) 分级功能，可以加工各种物料，特别适宜于由各种聚集体 或凝聚体构成的物料，广泛用于中等硬度以下非金属矿物及化工原料、药品、 四川大学硕士学位论文 颜料、滑石、碳酸钙等的超细粉碎【1 1 1 。 围2 7 气流粉碎机示意图 1 一工质分配室； 3 一工质喷嘴； 5 - - 高压工质入口 7 一成品收集器； 9 一排污口 2 粉碎一分级室； 4 一喷射式加料器； 6 一废工质排出管； 8 一成品贮斗； 2 5 2 循环管式气流粉碎机 循环管式气流粉碎机又称为立式环形喷射式气流粉碎机，它也具有分级的 特点。图2 8 是目前应用最广的j o m 型( 变截面) 循环管式气流粉碎机结构示 意图，它由粉碎区、分级区、百叶窗式惯性分级装置组成，其中粉碎区的喷嘴 安装位置正好使喷气流的轴线与粉碎室中心线相切。 其工作过程是：物料经加料器由文丘里喷嘴送入粉碎区，气流经一组研磨 喷嘴喷入不等径、变曲率的跑道形循环管式粉碎室，并加速颗粒使之相互冲击、 碰撞、摩擦而粉碎。气流旋流携带被粉碎的颗粒，沿上行管向上运动进入分级 区，在分级区，由于离心力场的作用与分级区轮廓的配合，使密集的颗粒流分 流，细粒在内层经分级器分级后排出，作为成品捕集；粗粒在外层沿下行管返 回继续循环粉碎。 由于循环管的这种特殊形状设计，使其具有加速颗粒运动和加大离心力场 的功能，提高了粉碎和分级效果；由于分级区的弯曲管壁设计成减磨曲线状， 大大减轻了循环管内壁的磨损。 1 7 四川大学硕士学位论文 圈2 8j 皤垂气流嘲章f 惶构与工 作原理示意图 1 一气流管；2 一喷嘴：3 一粉碎室 4 - 上行管；5 、6 - 分级区： 7 一惯性分级装置；8 一产品出品； 9 一加料器；1 0 一料斗； 1 1 一喷射式加料器 j o i i 型气流粉碎机的粉碎粒度可达3 0 2 “m ，广泛应用于颜料、填料、 金属、化妆品、食品、医药品、磨料及具有热敏性和爆炸性的化学品等的超细 粉碎。 2 5 3 对喷式气流粉碎机 对喷式气流粉碎机是利用一对或若干对喷嘴相对喷射时产生的超音速气 流，使物料彼此从两个或多个方向相互进行冲击和碰撞而粉碎的设备。由于物 料的高速直接对撞，冲击强度大，能量利用率高，可用于粉碎莫氏硬度9 5 级 以下、脆性、韧性的各种物料，产品粒度可达- - 2 0 0 目至亚微米级。同时克服 了靶式靶板和循环式磨体易磨损的弱点，减少了对产品的污染，延长了使用寿 命，是一种比较理想和先进的气流粉碎设备。 早期的代表机型为布劳一诺克斯型，由粉碎室、四个喷嘴、分级机和机壳 组成。物料进入粉碎室后经喷嘴气流加速后相互作用发生冲击碰撞而粉碎。粉 碎后的物料在一次分级室中惯性分级后粗粒返回粉碎室，细粒经风力分级机分 级后作为产品排出。产品的细度可通过调节粉碎喷嘴的混合管尺寸、气流压强、 温度以及分级机的转速和二次进风进行调节。 四川大学硕士学位论文 图2 9 是t j m 的结构示意图。该气流粉碎机的粉碎部分采用对喷式气流粉 碎机结构，分级部分采用扁平式气流粉碎机的结构。因而兼有对喷式和扁平式 气流粉碎机的特点被粉碎的物料随气流上升到分级室2 ，在这里气流形成主 旋流，使颗粒发生分级。粗颗粒处于分级室外围，在气流带动下，返回粉碎室 6 进一步粉碎。细颗粒经由产品出口1 到粉碎机外进行气一固分离，成为产品。 一次分级大约有3 0 - - 5 0 细颗粒成为合格产品。 t r o s tj e tm i l l 对喷式气流粉碎机有许多规格。最小型的粉碎能力仅为 5 0 - - 2 0 0 9 h ，使用于工业生产中的粉碎能力可达1 6 0 0 k g h 。该种粉碎机具有易 于更换衬里和喷嘴的特点，物料与气流接触的部件，可以选用尼龙、聚氨脂、 碳化钨、各种不锈钢、钛和钽制造【1 2 1 。 围2 9t r o l r tj e th ii i 对喷式气流粉碎机结构示意图 1 一产品出口；2 一分级室；3 一衬里；4 一给料斗； 5 一加料喷嘴；6 一粉碎室；7 一粉碎喷嘴 2 5 4 靶式气流粉碎机 靶式气流粉碎机又称为单喷式气流粉碎机，是利用高速气流挟带物料冲击 在各种形状的靶板上进行粉碎的设备。除了物料与靶板发生强烈冲击碰撞外， 还发生物料与粉碎室壁多次的反弹粉碎，因此，粉碎力特别大，尤其适用于粉 碎高分子聚合物、低熔点热敏性物料，以及纤维状物料。根据原料性质和产品 粒度的要求选择不同形状的靶板。靶板作为易损件，需采用耐磨材质制作，如 刚玉、碳化物等。 靶的结构有固定式与活动式两种。图2 1 0 为固定靶式气流粉碎机结构示意 图。工作时，物料从加料斗被高压气体吸入，与气体混合后共同加速，当冲击 1 9 錾 四川大学硕士学位论文 到前方的靶板上时被撞击粉碎；已粉碎的物料随气流从被粉碎物料与气流出口 排出后进入后继分级器进行分级，粗颗粒返回加料斗后被再次粉碎。由于靶板 经常受到高速气流的冲击而被磨蚀，所以要易于拆卸、更换。 活动靶式结构中，靶是圆锥形的，且倾斜安装，工作时该靶缓慢旋转，使 得靶板受到的磨损较为均匀；同时，电动空气分级器分离出的粗颗粒将下落至 粉碎区而被再次粉碎。 早期的靶式气流粉碎机，粉碎产品粒度粗、动力消耗大，所以应用有限。 经过改进的现代靶式气流粉碎机可以粉碎多种物料，产品粒度可以达到微米级。 如果气流速度达到超音速，对各种延展性材料、金属材料、纤维材料等都具有 很好的粉碎效果。 图2 1 0固定靶式气流粉碎机结构示意圈 l 一加料斗；2 一高压气体；3 一靶板；4 一被粉碎物料与气流出口 图2 1 1 为我国合肥华光粉体工程研究所制造的q d 4 0 0 型塔靶式气流粉碎机 结构。该机主要由给料机、喷射泵、塔靶及反射靶、气包、分级室( 沉降室) 、 离心分级机，二次风机、电机、变频调速器和激振控制仪、压力表等构成。该 气流粉碎机粉碎室中有一“塔”形靶，位于多对喷嘴的中心位置，与塔靶相对 还有一反射靶，气流在粉碎室内处于“沸腾”状态，物料在高速气流的对喷及 反射靶形成的冲击作用下被粉碎。通过沉降室的惯性重力分离和上部离心分级 机的分级处理共同实现对粉碎颗粒粒径的控制【1 u 。 四川大学硕士学位论文 豳2 q 明4 o 堑塔靶式气流粉碎机结构 1 一辩斗；2 一给斟机；3 一喷射泵：4 一激振控制仪；5 一机座；6 一底树； 7 一气包；8 - - 塔靶：9 - - 反射靶：i o 一出料管：l l 一分级转子； 1 2 - - 电机；1 3 一内隔筒；1 4 一沉降室；1 5 一二次风口；1 6 一压力表 2 。5 5 流化床对喷式气流粉碎机 流化床对喷式气流粉碎机( f l u i d i s e db e do p o s e dj e tm i l l ) ，由料仓、 螺杆或重力加料装置、粉碎室、高压进气喷嘴、分级机和出料口等组成。 其工作原理是喂入磨内的物料利用二维或三维设置的数个喷嘴( 3 7 个) 喷汇的气流冲击能，以及其气流膨胀呈流态化床悬浮翻腾而产生的碰撞、摩擦 进行粉碎，并在负压气流带动下通过顶部设置的涡轮式分级装置，细粉排出机 外由旋风分离器及袋式收尘器捕集，粗粉受重力沉降返回粉碎区继续粉碎。由 此可见，流化床对喷式气流磨是在对喷式气流磨的基础上开发的产品。 图2 1 2 为螺杆加料式流化床对喷式气流粉碎机( a f g ) 结构原理图。粉碎时， 物料通过翻板阀进入料箱，再由螺杆输送器将其送入粉碎室，同时，空气通过 对喷式喷嘴进入粉碎室使物料呈流态化。被加速的流态化物料在多向喷射气流 的交汇点处受到气流冲击，颗粒之间相互碰撞、摩擦而被粉碎。高速喷射气流 的交汇点处正是流化床的中心，当物料在此区域内被粉碎时，对腔壁影响很小， 磨损大大减弱。粉碎后的物料由上升气流送至涡轮式超细分级器，微细粒子由 产品出口排出，而较租的颗粒沿腔壁返回粉碎室被继续粉碎。 2 1 四川大学硕士学位论文 该机型具有结构紧凑、磨损小、能耗低、产品粒度均匀，粒径分布窄、对 产品污染小，拆洗、清理较方便，生产过程自动化程度高，工作噪音小的优点。 同时具有对被粉碎物料要求有足够的细度，对密度大的物料要求更为苛刻，否 则影响流态化效果，甚至无法粉碎。 流态化对喷式气流粉碎机具有产品细度高，可达d r = 3 1 01 1m ，粒度分布 窄且无过大颗粒，粉磨效率高，生产能力大，适合于大规模工业化生产。在合 成树脂、染料、涂料、药品、化妆品、食品、香料、脂肪和农药等生产中得到 广泛应用，尤其适用于高纯、超硬材料的超细化【l l 】。 圈2 1 2 流化床对喷式气流粉碎机( 舶) 结构及工作原理 1 一阀门：2 一料箱；3 一给料螺旋；4 一粉碎室；5 一对喷式喷嘴 6 一物料流态化室；7 一涡轮式超细分级器：8 - 产品出口；9 - 水平探测器 2 6 粉碎机的选型 选择粉碎机时，需要考虑原料的性质、原料的状态、原料的大小、产品的 粒度及产量、粉碎方式等。 原料的性质包括易碎性、硬度、密度、胶质性、表面的摩擦等。原料的易 碎性与所需的动力和处理能力相关。通常参照其他生产中处理同类原料的实际 情况选择用何种粉碎机，并用实验所得的结果或考察原料的功指数确定所需粉 四川大学硕士学位论文 碎能力的功耗及选择所需粉碎机械的机型。原料的状态主要指原料的湿度和温 度，对处理能力影响很大；原料的大小对粉碎量影响较大，是表示粉碎处理能 力的要素之一。选择粉碎机时，根据所需的处理能力，确定合适的粉碎机械、 规格、粉碎方式等【。 四川大学硕士学位论文 3 扁平式气流粉碎机组设计 3 1 淀粉深加工的粉碎工艺 3 1 1 淀粉的性质 淀粉是多糖类的一种，分子式为( c 6 蜀。g ) 。，是白色颗粒状的固体，密度 为1 4 9 9 1 5 1 3 。其颗粒大小，形状及水溶性因其来源和结构不同而异；有吸 湿性，由直链淀粉和支链淀粉组成，直链淀粉与支链淀粉的比率因淀粉种类的 不同而异。直链淀粉分子量较小，可溶于热水形成胶体，与碘作用形成深蓝色 配合物；支链淀粉分子量较大，不溶于热水，但在热水中溶胀而有粘性，与碘 作用形成紫色的配合物；一般淀粉因两种结构兼而有之，故遇碘呈蓝紫色。淀 粉没有还原性，不能被银氨溶液与新制氢氧代铜氧化，属于非还原性糖。淀粉 在酸性溶液中加热可以水解，先水解为分子量较小的糊精，再水解成麦芽糖， 最后水解为葡萄糖： 吒煳。) 0 譬畋灿 吉各c - 脚- - 苫馨啵a 潲 姆睛“n ) 宽* 镏葡萄糖 因而淀粉可视为葡萄糖的高聚体，原淀粉颗粒直径可达1 0 0 微米，在一定 温度下产生糊化( 糊化温度约为6 6o c ) 作用。 3 1 2 淀粉深加工技术的选择 淀粉深加工主要是利用物理、化学或酶的手段来改变天然淀粉的性质，通 过分子切断、重排、氧化或在淀粉分子中引入取代基，可制得性质发生变化、 加强或具有新性质的淀粉衍生物。 目前淀粉化学变性工艺虽然基本上能改变淀粉的任何性质，满足任何应用 的要求。但国内外所开发的各类以变性淀粉为原料的材料，在产品使用性能方 面，其性能指标无法达到传统产品的标准。如淀粉包膜材料存在强度低、防水 性能不足、耐酸耐碱性能差等问题，采用淀粉生产的各种粘结剂，其稳定性和 四川大学硕士学位论文 耐热性差，产品易老化；在产品环保性能方面，因在生产过程中使用了石油化 工原料降低了产品的环保特性，如淀粉填充塑料中淀粉含量仅为7 3 0 。采用 接枝共聚工艺生产的淀粉质包装材料仍然含有聚乙烯塑料成分，这类产品在土 壤中并不能实现完全降解，其基料仍然会在土壤中长期存在，对环境造成污染。 所以本设计不选用化学变性工艺。 与传统的化学变性方法相比，淀粉超细化处理是一种物理改性手段，是淀 粉深加工的一种新思路、新方法。常用的淀粉物理改性方法主要包括机械法( 如 用球磨机对淀粉细化处理) 、微波处理法、以及热处理法等。微波处理和热处理 在实际生产中应用较少，其中热处理法是在中等水存在情况下，在一定温度范 围( 高于玻璃化转变温度但低于糊化温度) 内，且只有在无定型区的淀粉处于 流动的橡胶状态时才能进行【1 4 j 。利用机械法如球磨机对淀粉进行超细化处理 时，因为要考虑到淀粉的温升、工作噪声和粉尘浓度的影响，通常以乙醇或水 为介质进行湿式超细化处理。为了得到更好的细化效果，在用球队磨机对淀粉 颗粒超细化处理前需进行适宜的预处理，如a l k i n s 和g r e e n w o o d 的处理方法是 将淀粉颗粒浸入汞氯化物的醋酸钠缓冲液( p h 值为6 5 ) ，使其软化，然后再沉 降到醋酸钠溶液中，经隔膜进行过滤，重复几次这样的提取后，原淀粉颗粒靠 离心作用收集，最后彻底水洗以备超细化处理。j a n e 等人是将原淀粉颗粒悬浮 于酸性水溶液或酸性乙醇溶液中，用装有里比希冷凝器和强力搅拌器的三口圆 底烧瓶进行冷凝固流，反应的淀粉过滤分离、中和、水洗，然后用乙醇将淀粉 脱水并在鼓风干燥箱中干燥，最后将处理后的淀粉进行球磨处理邮，1 日。s h i n j i t a m a k i 等人利用球磨机处理不同的淀粉样品l i ”，发现不同淀粉颗粒的表面失去 平整性和光滑性，变得粗糙，直到8 0 小时几乎大部分颗粒保持它们最初的尺寸 和完整形状，在3 2 0 小时的扫描电子显微镜图片中也可以观察到一些丰富多彩 的颗粒。同时，因不同的球磨介质、淀粉浓度、作用时间等对淀粉颗粒的粒度 大小分布有直接的影响，但截止目前还没有建立起相关的超细化处理最佳球磨 条件和工艺参数。所以本设计不采用以上几种方法对淀粉进行超细化处理。 那么，有没有可以保证淀粉超细化处理后，不仅颗粒粒度减小，而且在颗 粒形状、均匀性、纯度、吸附性、化学活性性等方面具有良好效果的加工方法 呢? 对这个问题做出肯定的回答是困难的，作者在对各种粉碎技术的考察中发 四川大学硕士学位论文 现，许多行业采用气流粉碎技术对一些物料进行超细处理，处理过程中利用高 速气流使物料颗粒问发生相互冲击( 碰撞) 、摩擦和剪切作用而发生粉碎，产品 除粒度细之外，还具有粒度分布较窄、颗粒表面光滑、颗粒形状规则、污染少 纯度高等特点。鉴于以上情况，设计采用气流粉碎技术，并通过实验来验证该 技术对淀粉超细化处理结果。 3 i 3 淀粉气流超细粉碎工艺设计 设计的目的是将粒径为2 0 0 4 0 0 目( 3 8 9 m ) 的淀粉原料粉碎至粒径 1 2 5 0 目( e ，合力方向向外，指向 粉碎区，从而使大颗粒在墨、e 作用下，到粉碎区作进一步粉碎；对小粒径颗 粒，墨 e ，在互、e 作用下，合力指向成品收集区，变成产品被捕集。从上 述两式可以得出j 当互= e 时，颗粒处于平衡状态，加速度为零。此时物料颗 粒的直径为 d ：3 x d p o f u 2 , ( 3 - - 4 ) 4 户嘭 式中，分级圆半径，m 。 当颗粒直径为d 时，颗粒将在分级圆上随气流不停旋转。在粉碎作业中， 气流的速度不可能均一不变，物料颗粒在气流中的分布使之不断发生碰撞，这 样，气流速度的变化或颗粒间的相互作用将分级圆上的颗粒或推向粉碎区，或 推向成品收集区。只有小于上式中d 值的颗粒，才能摆脱离心力的影响，到达 四川大学硕士学位论文 收集区。在粉碎作业中，分级不只是在分级圆上进行，而是在一个狭的分级圆 环上进行，设分级圆环的外半径为，i ，内半径为吒，由上式可得颗粒直径分别 为 面4 警，i 4 = 一j 彳一无 1 1 搏3 4 警吒 明? 这样，大于盔的颗粒，在互、磊合力作用下到粉碎区被进一步粉碎，而小 于如的颗粒，在互、最合力作用下到收集区被当作产品捕集。吐 d 吐的颗 粒，或到粉碎区被粉碎，或到捕集区被捕集。在实际生产中，d l 、d 2 即是可以 得到的产品的粒径范围。( 4 一攻) 的值越小，则产品的粒度分布越好；但是由 于边界效应和细粒逸散现象，实际得到的产品粒度分布较( 吐一如) 大。 综合上述，扁平式气流粉碎机的高速空气流既是淀粉颗粒粉碎的动力，又 是物料粗细颗粒自行分级的动力。 3 2 4 淀粉粉碎过程中的受力与粉碎原理 淀粉的粉碎过程，就是在粉碎力的作用下，淀粉颗粒发生变形进而破裂的 过程，该过程的实现，只有粉碎作用力足够大，力的作用又很强，使淀粉颗粒 瞬间产生的应力大大超过淀粉聚集体颗粒问的结合力时才能发生。如2 3 所述， 物料被粉碎的方式有压碎、劈碎、折碎、冲击粉碎和磨碎，在实际生产中，粉 碎设备粉碎物料时是几种粉碎方式的结合，很难有单