基于不同氣源類型的圓盤式氣流粉碎機(jī)特性研究

介紹
本文隸屬于氣流粉碎機(jī)應(yīng)用專題，全文共 12000字，閱讀大約需要 20 分鐘。

摘要
本研究通過實驗探討了氦氣、蒸汽、空氣及二氧化碳四種不同分子量氣源對圓盤式氣流粉碎機(jī)細(xì)磨工藝的影響。研究結(jié)果表明，氣源類型對產(chǎn)物粒度分布形態(tài)無顯著影響，但分子量較小的輕質(zhì)氣源可顯著降低研磨極限。各氣源的研磨效能依分子量遞增呈遞減趨勢：氦氣最優(yōu)，蒸汽次之，空氣再次，二氧化碳最弱，這一現(xiàn)象與氣源聲速及動能特性密切相關(guān)。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉碎腔內(nèi)形成形成了一個穩(wěn)定、高速、對稱的旋轉(zhuǎn)氣流結(jié)構(gòu)（對應(yīng)臨界氣固質(zhì)量比約為2）時，內(nèi)置分級系統(tǒng)方可實現(xiàn)對產(chǎn)物上限粒度的有效控制。比能耗主要影響達(dá)到研磨極限的速率，而不改變極限值本身。本研究為優(yōu)化氣流粉碎機(jī)的能量效率與工藝參數(shù)提供了重要理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞
圓盤式氣流粉碎；氣源類型；粉碎；粉碎極限


引言
本研究旨在探討不同氣源類型對圓盤式氣流粉碎機(jī)粉碎性能的影響。圓盤式氣流粉碎機(jī)因具備內(nèi)置分級功能、結(jié)構(gòu)簡單及易清潔等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于制藥和精細(xì)化工行業(yè)中的微米級粉碎工藝。然而，其內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體動力學(xué)行為受設(shè)備幾何形態(tài)與操作參數(shù)的顯著影響，細(xì)微變化即可導(dǎo)致性能差異。本文基于前人對氣流粉碎機(jī)流體力學(xué)特性與分級機(jī)理的研究，重點(diǎn)分析氣源性質(zhì)對粉碎極限及能量效率的作用機(jī)制，以期為高性能粉碎設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計提供理論支撐。

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基本流程
聲速

如公式所示，聲速（Vs）是氣體分子量（MW）和氣體溫度（T）的函數(shù)。
$$\mathrm{Vs} = rt(kRT / \mathrm{MW})\tag{1} $$
式中，k 為氣體比熱容比，R 為氣體常數(shù)

在溫度較高的條件下，分子量更小的氣體能產(chǎn)生更高的聲速，進(jìn)而具有更高的動能。而氣體速度及其產(chǎn)生的動能，是決定粉碎性能的關(guān)鍵因素。本實驗通過選取不同分子量的氣體，以擴(kuò)大氣體速度的研究范圍，所選氣體包括氦氣、蒸汽、空氣和二氧化碳，其分子量范圍為 4-44 g/mol 。其中，過熱蒸汽的溫度控制在 200℃，其余三種氣體均處于環(huán)境溫度（35℃）下。實際操作條件及根據(jù)公式計算得出的相應(yīng)聲速如表 1 所示。

氣體動能（KE）被視為總能量輸入的衡量指標(biāo)，可通過氣體的比熱容比（k）、分子量（MW）、溫度（T）和壓力（P），由公式（2）和（3）計算得出。
$$\mathrm{KE} = 1 / 2(\mathrm{MgVs}2) \tag{2} $$ $$\mathrm{Mg} = PArt(\mathrm{MWk} / RT(2 / (k + 1))a) \tag{3} $$
式中，Mg 為氣體質(zhì)量流量，A 為流通面積，$a = (k + 1) / (k - 1)$

公式（1）可知，氣體聲速與壓力無關(guān)；而氣體質(zhì)量流量與壓力呈正比，因此總動能輸入也與氣體壓力呈正比。在實際操作中，提高氣體壓力并不會改變氣體速度，只會增加氣體流量和總能量輸入。較高的氣體壓力能使顆粒粉碎更細(xì)，但這一現(xiàn)象常被誤解為能量效率的提升，而能量效率應(yīng)通過比能耗來評估。比能耗（SEC）的定義為：將單位質(zhì)量物料的粒徑從進(jìn)料粒徑減小到產(chǎn)品粒徑所需消耗的能量。在實驗過程中，可通過保持氣體流量不變、改變固體進(jìn)料速率（F）來輕松調(diào)節(jié)比能耗，計算公式如下：
$$\mathrm{SEC} = \mathrm{KE} / F \tag{4} $$
通過繪制比能耗與產(chǎn)品粒徑的關(guān)系曲線，可為評估粉碎能量效率提供依據(jù).

結(jié)果與討論
粒度分布
采用激光散射法測量粉碎產(chǎn)品的粒度分布，圖 2 - 圖 5 分別為使用氦氣、二氧化碳、蒸汽和空氣作為驅(qū)動氣體時的粒度分布曲線族，變量為比能耗。

實驗觀察到，不同氣體類型的粒度減小過程具有相似性：在較低比能耗（或較低氣固比）條件下，會產(chǎn)生細(xì)顆粒，但進(jìn)料中部分原始粗顆粒仍會保留，這是氣流粉碎過程中的典型現(xiàn)象。提高比能耗（或氣固比）不僅能使產(chǎn)品更細(xì)，還能通過減少粗顆粒含量來縮窄粒度分布，這表明在氣固比較低時，粒度減小是主導(dǎo)過程，而分級作用對產(chǎn)品粒度分布的影響較小。 當(dāng)比能耗達(dá)到約 1000kWh/t（對應(yīng)二氧化碳、空氣、蒸汽和氦氣的氣固比范圍為 8-100）時，會達(dá)到一個臨界比能耗水平，此時產(chǎn)品粒度分布開始變窄，切割粒徑約為 30 微米。若用每種氣體對應(yīng)的分子量對臨界氣固比進(jìn)行歸一化處理，可得到一個代表臨界氣固比指數(shù)的通用數(shù)值，所有測試氣體的該指數(shù)均為 2。這一臨界氣固比指數(shù)表明，粉碎腔內(nèi)已形成充分發(fā)展的流動狀態(tài)，該狀態(tài)是分級作用有效發(fā)揮的前提。

粉碎極限
粉碎極限定義為：當(dāng)比能耗繼續(xù)增加時，產(chǎn)品粒度分布不再發(fā)生變化的最細(xì)狀態(tài)。可通過兩種不同的實驗方法研究氣流粉碎機(jī)的粉碎極限：一種是在保持氣體能量不變的情況下，不斷降低固體進(jìn)料速率，直至達(dá)到粉碎極限；另一種是在固定氣固比的條件下，將粉碎產(chǎn)品反復(fù)送入粉碎機(jī)進(jìn)行多次粉碎，直至達(dá)到粉碎極限。前一種方法實施難度較大，因為降低進(jìn)料速率不僅需要精確的進(jìn)料控制，還會使操作條件迅速超出實際應(yīng)用范圍，因此本研究采用后一種方法（反復(fù)粉碎）來確定粉碎極限。

圖 6 展示了以空氣為氣源類型時的實驗結(jié)果。在選定的固體進(jìn)料速率下進(jìn)行了三組實驗，通過將粉碎產(chǎn)品重復(fù)粉碎（增加通過次數(shù)）來提高比能耗。有趣的是，三組實驗最終均達(dá)到了相同的粉碎極限，唯一的差異在于氣固比越高，達(dá)到粉碎極限的速度越快。在本實驗中，該批次硅砂的粉碎極限為平均粒徑 4 微米，不同材料的粉碎極限會有所不同。

另一種觀察粉碎極限的方式是：當(dāng)粒徑接近粉碎極限時，比能耗曲線的斜率會變得異常陡峭（如圖 7 所示）。此時，比能耗呈指數(shù)級增長，能量效率極低，因此實際操作中不應(yīng)將粉碎機(jī)運(yùn)行在接近粉碎極限的工況下。

值得注意的是，氣源類型會對粉碎極限產(chǎn)生影響：分子量越小的氣體，能實現(xiàn)的粉碎極限越細(xì)，其順序為氦氣＞蒸汽＞空氣＞二氧化碳。在平均粒徑 5-80 微米的常規(guī)粉碎區(qū)間內(nèi)，無論采用何種氣源或操作條件，獲得特定產(chǎn)品粒徑所需的比能耗大致相同，即粉碎能量效率相近。

結(jié)論

• 氣源類型對產(chǎn)品粒度分布的形態(tài)影響不顯著，相同比能耗輸入下，產(chǎn)品細(xì)度大致相當(dāng)；
• 分子量更小的氣源類型具有產(chǎn)生更細(xì)產(chǎn)品的能力，即粉碎效果：氦氣＞蒸汽＞空氣＞二氧化碳；
• 只有當(dāng)粉碎腔內(nèi)形成充分發(fā)展的流動狀態(tài)時，內(nèi)置氣流分級功能才能有效控制產(chǎn)品的最大粒徑；

研究結(jié)果表明，形成了一個穩(wěn)定、高速、對稱的旋轉(zhuǎn)氣流結(jié)構(gòu)所需的臨界氣固比約為 2，即每 1 kg/h的固體進(jìn)料需搭配2kg/h的氣體流量，該氣固比對應(yīng)的比能耗水平約為 1000kWh/t；

吸入顆粒制備整體解決方案
參考文獻(xiàn)
[1] Zhao Q Q , Schurr G .Effect of motive gases on fine grinding in a fluid energy mill[J].Powder Technology, 2002, 122(2):129-135.DOI:10.1016/S0032-5910(01)00408-9.