重力式均化料仓内细粉料流动与防粉料架桥的研究

重力式均化料仓内细粉料流动与防粉料架桥的研究

1细粉料的均化在工业生产中，由于原料的物理性质和工艺参数的变化，不同类别产品的指标也会发生变化。为了稳定产品质量,一般在包装出厂前,必须对不同批次的产品进行掺混(即均化),使得最终成品的各项指标均匀、稳定。以往,细粉料的均化多采用机械混合,即物料在旋转滚筒内,利用旋转过程中物料之间的相对运动进行混合。但这种均化方式能耗较大、处理量小,不便于产品大批量、连续生产,而且由于旋转滚筒的转动部件多,若用于混合磨蚀性较强的矿粉等,则其零部件极易损坏、更换频繁,既耽误生产,又产生昂贵的维修费用。也有一些细粉料的均化是利用压缩空气进行流态化混合的,该方式虽可大批量生产,但能耗巨大。笔者介绍一种非常节能的均化装置——重力式均化料仓。其工作原理是在料仓内部放置多个下料通道并在不同高度布置多个取料点,利用散料自身的重力让不同层次的物料沿着均化结构中预先设计的通道下落,在下料过程中即可实现产品均化。2.1料仓内散料流动散料在料仓内的流动形态有整体流(层流)和漏斗流(中心流)两种。在卸料过程中,若料仓中心部位的散料先向卸料口流动,即后进先出、先进后出,成为漏斗流[见图1(a)],这种散料流动形态很不稳定;若料仓内的散料一起向下平移,即先进先出、后进后出,形成整体流[见图1(b)],无不流动区,流动均匀、平稳。整体流料仓是实现重力式均化的必要条件,其形成取决于散料与料仓壁面间的壁摩擦角φ、漏斗半角α和有效内摩擦角δ。2.2均化材料场的结构类型和均匀化机1、贴壁管型料仓均化效果好常见的均化料仓有以下几种型式:中心管型、掺混树型、贴壁管型和中心锥型,如图2所示。其中以掺混树型和贴壁管型均化料仓的均化效果较好。贴壁管型料仓更具有管道易布置、结构稳定、造价低等优点。在目前的工业设计中,流动性好的塑料粒子的均化基本上采用掺混树型和贴壁管型均化料仓。若采用一定的助流手段,这两种均化料仓也可用于细粉料的均化。2、均化料仓的设计均化料仓的结构是在整体流料仓的基础上,在其内部增加一些竖向布置的管道或导锥,每根内置管道的不同部位开有下料孔(即均化孔),均化孔分布在料仓内的不同方位、不同高度,料仓底部设有集料斗。开始卸料时,等量的物料从料仓内各个部位的均化孔进入均化通道,在各自的通道内向下流动,到达底部的出料口。物料从各个均化通道出料口流出,汇集在集料斗内,从集料斗流出的物料,即完成均化后的均匀物料。均化料仓的设计关键在于均化管的开孔大小、开孔规律及集料斗结构等。而细粉料重力式均化料仓的设计,除了要考虑以上因素外,还要考虑细粉料能够顺利流入均化管内不产生架桥。3细粉末化试验为了更好地研究均化机理,我们针对细粉料均化进行了试验,并对试验数据进行科学地整理、分析和处理。3.1均化料仓设备根据均化料仓设计理论,我们建立了容积为3m3的重力式均化料仓试验台,该设备是改良过的掺混树型均化料仓,如图3所示。为了便于观察,均化料仓的外壳材质选用透明的有机玻璃。试验装置与工业装置几何相似,内部设置四根均化管,均化管开孔按照工业尺寸1∶1的比例进行模拟。3.2均化管开孔大小对开孔量的影响均化管开孔形状常见的有两种,圆形孔和契形孔(见图4)。均化管开孔大小影响管内物料流量及流动形态,也决定了各个均化管内流出物料的掺混比例。为了能准确地设计均化管开孔大小,满足下料量及取料分布的要求,要对均化管所承载散料的单孔下料量进行模拟测试。试验采用ϕ108mm×4mm不锈钢管,管侧壁分别开15～80mm圆形孔和契形孔。对粒度为74μm(200目)的三聚磷酸钠粉料进行单孔下料量的测试,结果见图5。试验发现,同样孔距的开孔,契形孔下料量大于圆形孔。在试验中还观察到,均化孔的下料量会随着上部散料堆积高度的增加而增大,但散料堆积高度超过一定值时,下料量保持恒定。3.3均化管路散料单孔下料量试验是在出料口无阻碍情况下测量的,实际工作时,均化孔进料量受到底部出料限制。当各个流动通道的出料量小于自由进料时的进料量时,均化管内散料应为满管流。在满管流状态下,同一根管子上的多个开孔只有在料面以下距其最近的一个开孔在进料,如图6所示。料仓内料面高于开孔A时,只有开孔A进料,开孔B不进料;当料仓内料面降低到开孔A以下,且均化管内料面低于开孔B时,开孔B才开始进料。满管流状态下,下料速度取决于出料速度,而不是进料口的进料速度。3.4均化管的开孔均化管开孔位置从理论上讲应该将整个料仓均匀地分割成若干个区域,这里的均匀分割指的是在同一时间内,可以等量地拾取到各个层次的物料,而不是简单的几何分割。由于增加了均化管的取料通道,散料在料仓内部依靠重力下落时,沿轴向的下落速度是不一样的。自下至上,依次递增。靠近仓底的下料速度最慢,越接近仓顶速度越快。开孔要保证每个相邻的两个进料孔之间物料流过的时间相同,因而上下开孔的疏密程度(开孔间距)不相同,应该是上疏下密。周密的设计还要考虑到适应工厂工况的变化,比如要兼顾在满仓操作和半仓操作等情况下,都应满足均化指标要求。由于在实际的工厂操作中,物料常在半仓甚至更少的情况下开始均化。如果均化管的开孔设计只满足满仓时的均化状况,则均化管下半部分的开孔数量少,不能满足满管流的下料量,这样每个均化孔的取料量也会发生变化。因此,均化管的开孔设计还要考虑料位的因素,使其在任何位置都能够达到良好的均化效果。一般情况下,均化孔的方位对均化指标影响不大,设计时只需考虑沿轴向的取料位置。但有一些均化指标还要考虑均化孔在水平径向方位上的分布,如对产品的颗粒度均匀性有要求的散料。在仓顶中间位置进料时,大颗粒易流到两边,较细的粉料留在中间部位(见图1),此时均化管的开孔就要考虑径向的取料位置。3.5内孔、料点出料口位于底部的集料斗也是均化料仓的一个重要组成部分,它的作用是限制均化通道上各个进料点之间的进料流量配比,稳定各个通道的流量。内孔是料仓锥的出料口,位于集料斗的最上方,各均化通道出料口呈径向环形分布,汇集于套筒壁(见图7)。如果集料斗设计得不合理,根据满管流原理,就会出现下面的均化孔不进料或少进料现象,影响均化效果。3.6细粉料的流动性单纯依靠散料自身重力下料的均化料仓在石化行业中塑料粒子的均化上应用很广泛,但若将它应用在细粉料均化上,则必须根据细粉料的流动性对其结构加以改进。这是因为细粉料在多数情况下的流动性比塑料粒子差一些,下料时容易出现结拱、架桥等不顺畅现象。1、重力式均化料料根据散料的Carrl流动性指数,一般将其分为三类。第一类,Carrl流动指数为0～60。这类粉料流动性很差,完全依靠重力下料困难,即使加上助流装置,仍会产生架桥、卡料现象,如水泥或含水量高的细粉料。这种粉料不适用于重力均化。第二类,Carrl流动指数为80～100。这类粉料如PP、PE粒子等,其流动性很好,仅靠重力可以顺利下料,不架桥、不结拱。这类散料可以直接采用重力式均化料仓进行均化。第三类,Carrl流动指数为60～80,这类粉料如PVC粉、PTA粉、矿粉、部分催化剂粉等,其流动性一般,单单依靠重力可以有效流动,但会偶尔“架桥”,若在料仓底部设置助流装置可以顺利排空。这种细粉料可以利用重力进行均化,用于这类粉料的均化料仓,其设计关键在于助流装置,比如导流板、流化风、振动促流等构件,促使均化管与料仓内的物料无阻碍、均匀、顺利下料。2、多层套锥料仓均化转料仓以往石化行业的粉料均化,如PTA粉料等常采用中心锥型均化料仓,见图2(d),其特点是在料仓中增加一个多层套锥,每层锥体的锥顶角不同,用于控制仓内各层粉料的下落速度。最内层的锥顶角最小,锥内的粉料流动速度也最快;外层锥体的锥顶角略大,该层的粉料下落速度稍慢些,依次类推。多层套锥的结构使散料在下降过程中,沿料仓径向产生速度梯度,以达到均化目的。这种料仓的优点是内部构件少,粉料流动顺畅,对流动性略差的粉料可以减少“架桥”现象。它的缺点是,只能定性地改变出料速度,不能准确地定量均化,均化效果较差。掺混树型均化料仓的均化效果远远高于中心锥型,但对于细粉料,因其内部构件多,不利于粉料的顺畅下料。尤其是均化管上的开孔部位,不易进料,甚至会“架桥”。用于细粉料均化试验的试验台在掺混树型均化料仓的基础上,对均化管下料口和料仓底部的出料口处进行了技术改造,设计、安装了必要的助流构件,使细粉料可以顺利通过均化管进行重力式均化,并达到较高的均化效果。4结果表明，二氧化铝粉料均化的结果和结论4.1可能导致电解二氧化锰粉料ph离散值下降试验采用带有助流构件的掺混树型均化料仓,对电解二氧化锰粉料进行均化,取得非常好的混合效果。不同批次的电解二氧化锰粉料均化前后的pH值见图8。从图8可以看出,电解二氧化锰粉料均化前的pH离散值为3.5,自由下落均化后的为0.6。两者比较,均化效果很明显。如果采用外动力,将料仓内流出的物料再次送回料仓,再进行一次循环,pH离散值可降至0.17。试验还证明,对于均化指标要求更高的散料,可以配合使用增加散料循环次数的方式来提高均化效果。但是,循环次数超过3次后,效果增加缓慢,而能耗增加却很大。4.2式均化料仓的开孔整体流是重力式均化料仓的前提条件;开孔规律是重力式均化料仓设计的关键所在,散料通过均化管相邻两孔之间的时间相等是布置开孔的原则;如果辅以适当的助流装置,可以将重力式均化料仓用于流动性一般的细粉料。5电解二氧化锰粉料均化前后ph值的变化电解二氧化锰粉料由于其下游用户对pH值的离散度范围要求很窄,产品的生产过程无法满足这一要求,需要对产品进行后处理,即均化后再包装。我们将试验研究结果用于指导工业生产电解二氧化锰粉料的均化料仓设计,取得了很好的效果。首先,我们对电解二氧化锰粉料进行了物性测试,其物性参数如下:粒度43μm(325目)筛余率为0.81%堆积密度1900kg/m3Carrl指数70莫氏硬度7内摩擦角33.95°壁摩擦角31.53°根据电解二氧化锰粉料的Carrl指数判定,其流动性一般,粒度较细,可以借助助流装置进行重力式均化。根据生产要求,重力式均