分子筛振动装填密度实验研究

1、文 章 编 号 !%$%>?!$%$"$#>$#"S>$&分子筛振动装填密度实验研究 "刘 应 书%!葛 铭 霞%!陈 启 东!张 辉%!李 永 玲%!刘 文 海%!%;北 京 科 技 大 学 机 械 工 程 学 院 #北 京 %$#$!;常 熟 理 工 学 院 #江 苏 !%""$"摘 要 !实 验 研 究 了 粒 径 分 布 范 围 在%;#MM!#;$MM 之间的分子筛在振动装 填 过程 中 !各 种 振 动参 数 包 括 振 动 频 率 #振 动 幅 度 和振动时 间 等对分 子筛装填密度的影响 !并

2、 得 到 最 佳 的 振 动 装 填工 艺 参 数 $ 结 果 表 明 !随 着 频 率 和 振 幅 增 大 !装 填 密 度 先 增 加 后 减 小 !存 在 最 佳 值 $ 在 本 文 实 验 条 件 下 !频 率 和 振 幅 的 最 佳 值 分 别 为 ""6和 $;&MM$ 装填密度随振 动 时间 的增大逐 渐 增 加 并 趋 于 定 值 $ 这 些可以作为确 定 该粒径范围内分子筛振动装填工艺参数的基础 $关 键 词 !振 动 装 填 %分 子 筛 %振 动 频 率 %振 动 幅 度 %装 填 时 间 %装 填 密 度中 图 分 类 号 !(#?"

3、;文 献 标 识 码 !,引 言在 小 型 变 压 吸 附 制 氧 工 艺 中 #分 子筛装填的装填密度 #往 往 直 接 影 响 产 品 氧 的 浓 度 %回 收 率 #甚 至 制 氧 机 的 使 用 寿 命 ( 以往 小型制 氧 机的分子筛装填均采用人工手动敲 击 的 方 法 #该 方 法 存 在 很 多 问 题 #比 如 装 填 时 间 长 %效 率 低 %装 填 不 均 匀 等 (振 动 装 填 是 分 子 筛 装 填 的 一 种 重 要 手 段 ( 由 于 实 际 分 子 筛 装 填 时 会 产 生 架 拱 现 象 #导 致 颗 粒 间 的 孔 隙 率 增 加 ( 振 动 可 以 使

4、 颗 粒 产 生 位 移 %重 排 #有 利 于 粉 料 的 装 填 #降 低 颗 粒 间 的 孔 隙 率&%I"( 尤 其 是将 分 子 筛 颗 粒 装 入 吸 附 塔 的 工 艺 中 #振 动 是 控 制 装填均匀性和 充 分填 充 吸 附 塔 的 有 效 措 施 ( 它 可 以 克 服 传 统 手 工 装 填 时 #分 子 筛 装 填 时 间 长 %效 率 低 %一致性差等缺点 ( 振 动 的 效 果 受 振 动 工 艺 参 数 #诸 如 振 幅 %频 率 %振 动 时 间 等 因 素 的 影 响 (振 动 稳 定 密 度 是 衡 量 装 填 效 果 的 重 要 概 念

5、 #定 义 为颗粒体在某 一强度 的动载荷连续 作 用下达 到体 积 不 变 时 所 对 应 的 密 度&&( 实 践 证 明 #一 定 的 振 动 稳 定 密 度 对 应 于 一 定 的 动 力 强 度 ( 确 定 合 理 的 振 动 强度以 得到 最大的分子 筛振动 稳 定密度是分子 筛装填研究中的重 要 课 题 ( 本 文 以 分 子 筛 颗 粒 为 对 象 # 对上述 振动 装填参数与 装填密 度 的关系进行实 验 研 究 #了 解 振 动 频 率 %振 动 时 间 %振 动 幅 度 等 因 素 对 分 子 筛 装 填 密 度 的 影 响 规 律 #旨在为合 理选择分子

6、筛装填工艺参数提 供 理 论依 据 ($试 验试 验 装 置分 子 筛 振 动 装 填 实 验 系 统 由 信 号 源 部 分 %振 动 部 分 和 分 子 筛 部 分 等 三 部 分 构 成 !如 图 %"( 信 号 源%;%部 分 包 括 一 台 信 号 发 生 器 以 及 一 台 功 率 放 大 器 #信号发生器发出的 正 弦 波信 号 #经功率放大器放大后向 振 动 部 分 输 入 (振 动 部 分 是 一 台 永 磁 式 激 振 器 !如 图 !"#它由带有线圈的电磁 铁动力阀和激振杆组成 #在 铁 芯 与 衔" 收 稿 日 期 !$S>%$>

7、;!#修 订 日 期 !$S>%!>%&实 验 力 学!$%$ 年 "第 !" 卷#&$图 % 分子筛振动装填实验系统图 .FU;% /ZQHFMQ=LO:KKLQMK9LJQM9:QV<:OHeFGHOLF9=:9ORF=U铁 之 间 装 有 弹 簧 ( 激振 器由信 号 发生器和功率放大器驱动 #信 号 发 生 器 发 出 的 激 励 信 号 #经 功 率 放 大 器放 大 后 输 入 到 激 振 器 #当 向 电 磁 铁 线 圈 输 入 周 期 变 化 的 电 流 #如 交 流 电 %交 流电加直流电 或 半波整 流后 的 脉 动 电

8、 流 时 #在永磁 体 与 电磁铁之 间便产生周期变化的激励力 #本文 实 验 中 使用的激振器产生竖直正 弦 机 械 振 动 ( 激 振器的 振动平 台 上可安装各式各样的容器 #容 器 底 是 用 铝 合 金 做 的 用 以 减 少 静 电 效 应 (将 激 振 器 的 激 振 杆 直 接 与 分 子 筛 容 器 底 连 接 #分子筛容器为 一 内 径 为 ?S;"MM 的 有 机 玻 璃 圆 筒 #筒 底 水平固定在激振器上 #圆 筒 的 高 径 比!筒 高 ; 和 筒 内 径 E 之 比 ",_S( 试 验 装 填 的 分 子 筛 粒 径 范 围 是 %;#MM!#

9、;$MM#堆 积 密 度 为$;&!NU.MI# (将信号发生器 调 节 到 需 要 的 频 率 #打 开 功 放预 热 ! 分 钟 后 #调 节 控 制 板 上 的 增 益 旋 钮 #固 定 在激振器上的 圆 筒 就 会 产 生 竖 直 方 向 的 振 动 #振 动能量由筒底 和 筒 壁 传 入 分 子 筛 颗 粒 体 中 #在 其 中 产 生 位移和重排实现密实 ( 竖 直 方 向 上 的 简 谐 振 动 可 以 描 述 为 *! _L KF=!2+"#2_!()#L 和2 分 别 为 激 振 器 的振幅和角频率 #) 为 激 振 器 的 振 动 频 率 ( 永磁激振器提

10、供的 不 是 严 格 的 纵%I 永 磁 体 $!I 簧 片 $#I 动 阀 $?I 激 振 杆 $"I 线 圈图 ! 激 振 器 结 构 图.FU;! 4JQKLH<VL<HQ9LJQeFGHOLF9=QVFLQH向 的 简 谐 振 动 #有微弱的横向振动 #横 向 的 振 动加 速 度 不 到 纵 向 振 动 加 速 度 的 &b #所 以 横 向 简 谐振动的影响可忽略不计 (每 次 试 验 中 #保 持 频 率 不 变 #振幅迅速由零增 加 到 给 定 值 ( 每 次 施 加 振 动 之 前 #将 分 子 筛 尽 量 混 合均 匀 #以 保 证 每 次 试

11、 验 的 初 始 情 况 相 同 (试 验 内 容本文考 虑影 响振动 装填密 度 的因素主要有振 动 频 率 %振 动 幅 度 %振 动 时 间 以 及 装 填 分 子 筛 的 重 量 (考 察 的 频 率 范 围 为 %$6!%$"6#振 幅 为 $;#MM!%;!MM#振 动 时 间 为 %!$K!#&$K#装 填 质 量 为 %$U!?$U#各 因 素 水 平 如 表 % 所 示 (%;!第 # 期刘 应 书 等 *分子筛振动装填密度实验研究 #&%表 % 振动密实试验的因素水平表 /ZQHFMQ=LO:OVL9HKO=R:QeQ:K9M9:QV<:OH

12、eFGHOLF9=:9ORF=U4OG;%因 素水 平振 动 频 率 !6"振 动 幅 度 !MM"振 动 时 间 !K"%$;#%!$!%"$;?%"$#!$;"%$?!"$;&!%$"#$;A!?$&#"$;!A$A?$;S#$?"%;$#$S"$%;%#&$%$""%;!%!$%&$;#%"$%!&"$;?%$%#A$;"!%$%?A"$;&!?$%"$;A!A$

13、%&"$;#$%AS$;S#$%S"%;$#&$%S%$%;%!$!$%$"%;!%"$试 验 用 的 分 子 筛 为 5O>+O离 子 , 型 结 构 #本身具有较大的比 表 面积和较小的密度 ( 大 部 分 颗 粒 为近 似 的 球 体 #球 体 表 面 有 凹 凸 ( 分子 筛的物理性质如表 ! 所 示 #级 配 情 况 如 表 # 所 示 (表 ! 分子筛的物理性质表 1JKFVO:ZOHOMQLQHK9M9:QV<:OH表 # 分子筛级配情况 4OG;# 39:QV<:OHKFQRFKLHFG<LF9=4

14、OG;!将 分 子 筛 颗 粒 装 入 容 器 中 #在 激 振 器 上 分 别 以 不同的参数振动 #振动的强度由振动 加 速 度 8 表 示 #8 的 数 学 表 达 式 为 *!8 & ?( L)!%"H式 中 #8 为 振 动 加 速 度 #M)K! $L 为 振 幅 #M$H 为 重 力 加 速 度 #M)K! $) 为 振 动 频 率 #6(每 次 振 动 后 #测 量 分 子 筛 颗 粒 的 装 填 高 度 #用下式计算出装填密度 *分子筛粒径范 围体积百分比 !b "%;#MM!%;"MM&%;"MM!%;MM!%;MM!

15、;$MM%A!;$MM!;&MM!;&MM!#;$MM#指 标分 子 筛结 构5O>+O离 子 , 型 结 构标 称 孔 径 !k""堆 积 密 度 !NU)M#"$;&!$颗 粒 形 状球 形抗 碎 强 度 !NU"!;"实 验 力 学!$%$ 年 "第 !" 卷#&!8!"& &(?!R?式 中 #& 为 装 填 密 度 #NU.MI# $8 为 分 子 筛 质 量 #NU$? 为 容 器 内 径 #MM$R 为 装 填 高 度 #MM(每 种 振

16、动 参 数 下 至 少 做 二 组 试 验 #取各组结果的平均值绘制出 曲 线 (结 果 和 讨 论振 动 频 率 的 影 响试 验 条 件 取 频 率 %$6!%$"6#振 幅 分 别 取 $;&MM 和 $;MM#装 填 分 子 筛 质 量 为 !$U#连 续 振 动!;%!?$K( 通 过 测 量 装 填 高 度 #计 算 出 分 子 筛 的 装 填 密 度 #由此 绘制 出振动频率 与装填 密度的关系曲线 #其中 横 坐 标 表 示 频 率 #纵 坐 标 表 示 装 填 密 度 #方 块 点 代 表 $;&MM 振 幅 下 的 实 验 结 果 #圆 点 代 表

17、 $;MM#如图 # 所 示 (图 # 振动频率与装填密度的关系 .FU;# *Q:OLF9=KJFZGQLPQQ=eFGHOLF9=HQc<Q=VO=RZOVNQRRQ=KFL从 图# 可 看 出 #装 填 密 度 随 频 率 增 大 先 增 加 后 减 小 ($;&MM 振 幅 下 )#"" 6时 #装填密度随振动 频 率 增 加 而 增 加 #到 ""6时 为 $;SANU.MI# #达 到 最 大 #在 )$""6时 #振 动 频 率 增 加 #装 填 密 度 呈 减 小 趋 势 ( 当 振 幅 为 $;MM 时

18、 #振 动 频 率 )#"" 6时 #装填密度随振动频 率 增加 而 增 加 #到 ""6时 为 $;S"NU.MI# #达 到 最 大 #在 )$""6时 #振 动 频 率 增 加 #装填密度呈减小趋势 ($;&MM 和$;MM 的 装 填 密 度 值 相 当 #$;&MM 振 幅 下 装 填 密 度 达 到 最 大 值 后 随 频 率 增 加 而 减 小 的 速 度 较 $;MM 振 幅 下 减 小 的 速 度 快 (由 于 振 动 稳 定 密 度 的 存 在 #当 )_""6时 #处

19、于振动密实阶段 的 分 子 筛能够达到 较 大 的 稳 定 密 度 ( 当 )#"" 6时 #随 着 振 动 强 度 8 逐 渐 增 大 #颗粒产生的惯性力逐渐增大 #振 动 速 度 随 之 加 快 #颗 粒 在 每 次 振 动 中 发 生 位 移 #小 颗粒进入大颗 粒 间 隙进行 重 排 #装填密度随频率增加而增加 $在 振 动 频 率 )$""6时 #8 的增大 使得输入颗粒体的能量超过分子筛内能增加和 颗 粒 重新 排列至最密 所 需 要 机 械 能 之和 #富 余 出 来 的 能 量 转 化 为 分 子 筛 的 机 械 能 #表 现 为 分子筛

20、运动加剧 #从中 心升起沿筒壁 向 下的对 流循 环 加 强 #颗 粒 体 按 粒 径 出 现 明 显 的 分 层 现 象 #破坏了原先较好的级配 #装 填 密 度 开 始 逐 渐 减 小 ( 因 此 #装 填 密 度 随 频 率 增 大 先 增 加 后 减 小 #存 在 最 佳 频 率 值 (振 动 幅 度 的 影 响根 据 !;% 的 试 验 结 果 #选择能够 达到最大装填密度的条件 #开展振 动 幅 度 对装填密度的影响试验 (试 验 条 件 取 振 幅 $;#MM!%;!MM#频 率 ""6#装填分子筛重量为 !$U#连 续 振 动 !?$K( 通 过 测 量!;

21、!装 填 高 度 #计 算 出 分 子 筛 的 装 填 密 度 #由 此 绘 制 出 振 动幅度与装填密 度 的 关 系 曲 线 #其 中 横 坐 标 表 示 振第 # 期刘 应 书 等 *分子筛振动装填密度实验研究 #&#动 幅 度 #纵 坐 标 表 示 装 填 密 度 #如 图 ? 所 示 (图 ? 振动幅度与装填密度的关系 .FU;? *Q:OLF9=KJFZGQLPQQ=eFGHOLF9=OMZ:FL<RQO=RZOVNQRRQ=KFL从 图 ? 可 以 看 出 #装 填 密 度 随 振 幅 增 大 先 增 加 后 减 小 (L#$;&MM 时 #装填密度随振动频

22、率增加 而 增 加 #到 $;&MM 时 为 $;S&!NU.MI# 达 到 最 大 值 #当 L$;&MM 时 #振 动 幅 度 增 加 #装 填 密 度 呈 减 小趋 势 ( 而""6对 应 的 最 佳 振 幅 为$;&MM#此 结 果 与!;% 的 试 验 结 果 吻 合 #这 证实了试验的一致性 ( 由此 可 以 看 出 #装 填 密 度 随 振 幅 增 大 先 增 加 后 减 小 #存在最佳振幅值 (振 动 时 间 的 影 响根 据 !;% 和 !;! 的 试 验 结 果 #选 择能够达到最大装填密度的条件 #开 展 振 动时间对装

23、填密度的影响 试 验 (在 振 幅 为$;&MM#振 动 频 率 为""6时 #用!$U分 子 筛 振 动 #时 间 从%$K到#&$K#通过测量装填高 度 #计 算 出 分 子 筛 的 装 填 密 度 #由 此绘制出振动时间与装填密度的关 系 曲 线 #其 中 横 坐 标 表 示 振 动 时 间 # 纵 坐 标 表 示 装 填 密 度 #如 图 " 所 示 (!;#图 " 振动时间与装填密度的关系 .FU;" *Q:OLF9=KJFZGQLPQQ=eFGHOLF9=LFMQO=RZOVNQRRQ=KFL从 图 " 可

24、 以 看 出 #振 动 !?$K密 度 达 到 最 大 为 $;SA#NU.MI# #振 动 时 间 从 !?$K增 加 到 #&$K#装 填密 度 几 乎 不 变 ( 由此得 出分子 筛 的装填密度随装填时间的增大逐渐 增 加 趋 于 定值 #但 增 加 幅 度 不 大 (实 验 力 学!$%$ 年 "第 !" 卷#&?结 论!%"装 填 密 度 随 频 率 增 大 先 增 加 后 减 小 #存在最佳频率值 ( 在本文的试验 条 件 下 #最 佳 振 动 频 率 值 为 ""6#对 应 的 最 佳 装 填 密 度 为 $;SA

25、NU.MI# (!"装 填 密 度 随 振 幅 增 大 先 增 加 后 减 小 #存 在 最 佳 振 幅 值 ( 在 本 文 试 验 条 件 下 #最 佳 振 幅 值 为$;&MM#对 应 的 最 佳 装 填 密 度 为$;S&!NU.MI# (!#"装填 密度随 装填时间的 增 大逐渐增加趋于定值 #但增加幅度不大 ( 在 本 文 的 试 验 条 件 下 #认 为振 动 !?$K时 即 已 达 到 最 佳 装 填 密 度 (参 考 文 献 !#&% fJ9<4;/QVLK9,LLHOVL9HK9=LJQd=OMFVK9BHO=<:OH7

26、KLQM&1JK;*Qe;-QLL#%SS#$*#A""I#A"&!曾 凡 #胡 永 平 ;矿 物 加 工 颗 粒 学 &3 ;北 京 *中 国 矿 业 大 学 出 版 社 #!$%!fQ=U .O=#6< T9=UZF=U;1OHLFV:Q4QVJ=9:9U 9 3F=QHO: 1H9VQKKF=U &3 ; DQFF=U*1<G:FKJF=U 59MZO= 9 5JF=O )=FeQHKFL 9 3F=F=U O=R4QVJ=9:9U#!$%!F=5JF=QKQ""&# h=FUJLD#h

27、<ZQHMO=8 T#.:F=Lh#+OUQ:7*;/ZQHFMQ=LO:KL<R9UHO=<:OHV9=eQVLF9=&1JK;*Qe;/#%SS&#"#*!%!I!;&? 范 尚 武 ;振动频率和振动时间对粉料填充密 度 的 影 响 &耐 火 材 料 #!$"#S!"*%!#I%!" !.O=7JO=UP</QVLK9eFGHOLF9=HQc<Q=VO=RLFMQ9=ZOVNQRRQ=KFL9Z9PRQH&+OFJ<95OF:FO9#!$"#S!"*%!#

28、I%!" !F=5JF=QKQ""&" /RPOHRK7.#(ONQKJ9LL* D7;4JQLHO=KMFKKF9=9KLHQKKF=O=OUUHQUOLQ&1JKFVOd#!$"#*IS!;&& dOKD 3;.<=ROMQ=LO:K9K9F:R=OMFVK&3;+QP T9HN*/:KQeFQH#%S#;!"#$%&$()*+,)-./01M&<%*)&0(7*8L&(:?$(6&)/010+$8-+*%,&$J$-2) TF=U>KJ<% #B/ 3F=U>FO% #56/+ CF>R9=U! #f6,+B 6<F% #-2T9=U>:F=U% #-2) gQ=>JOF%!%;7VJ99:93QVJO=FVO:/=UF=QQHF=U#)=FeQHKFL97VFQ=VQO=R4QVJ=9:9UDQFWF=U#DQFWF=U%$#5JF=O!;2=KLFL<LQ94QVJ=9:9U5JO=UKJ<#FO=UK<!%""$#5JF=O"3<6)%*8)*8FGHOLF9=:9ORF=UZH9UHQKK9M9:QV&