第八章 分级与分离

• 化学分散法：采用合适的表面活性剂，可 以有效地降低微细颗粒的表面能，提高粉 体的分散性。但表面活性剂有两个问题： 其一是尽管活性剂的加入量很少，但却会 引起粉体性能的变化，所以要选用对粉体 性能无影响的分散剂；其二是分散剂一般 以液体形式加入，为达到均匀分散的效果， 需增加机械搅拌装臵，因而增加了整个系 统的复杂程度。
• 惯性分级原理：如图所示，主气流通过喷射 器随带颗粒高速喷射至分级室，辅助控制气 流使气流及颗粒的运动方向发生偏转，粗颗 粒由于惯性大，故运动方向偏转较小，而进 入粗粉收集装臵；细颗粒及微细颗粒则发生 不同程度的偏转，随气流沿不同的运动轨迹 进入相应的出口被分别收集。主气流的喷射 速度、控制气流的入射初速度和入射角几个 出口支路的位臵和引分量对分级粒径和分级 精度有重要影响。
• 筛面 • 棒条筛面：固定筛或重型振动筛，筛孔 25~150mm • 板状筛面：5~8钢板，筛孔尺寸10~50mm • 编织筛面：弹簧钢或不锈钢制。 中细粒级 物料分级。 • 条缝筛面：不锈钢条，缝宽0.25、0.5、0.75、 2mm等。 • 非金属筛面：天然（合成）橡胶、尼龙等。 不适于细物料。
• 板状筛面的筛孔开口率可按下式计算：

ka 2
a s
2
100%
式中，a-筛孔的直径，s-孔壁之间的最小距离。对于平 行排列的圆形筛孔，k=0.785；对于三角形排列的圆形 筛孔，k=0.905;对于平行排列的方形筛孔，k=1。对于 边长为a、b的长方形筛孔，有：

ab
a+s b s
超细分级原理
• 离心分级：设颗粒在离心场中的圆周运动速 度为ut,角速度为，回转半径为r，在Stokes 沉降状态下，颗粒所受离心力Fc和介质阻力 Fd分别为：
Fc

6 2 2 Fd K D p ur
D p r
3 p 2
D3 p ut2 p
• 摇动筛：物料主要作平行于筛面的滑动。 • 回转筛：由筛网或筛板制成的回转筒体、支 架和转动装臵组成。按筒形筛面的形状有圆 筒筛、圆锥筛、多角筒筛和多角锥筛四种。 物料在回转筒内由于摩擦作用而被提升到一 定高度，然后因重力作用沿筛面向下滚动， 随之又被提升，因此物料在筒内的运动轨迹 成螺旋形。在不断的下滑翻滚转动过程中， 细颗粒通过筛孔落入筛下，大于筛孔尺寸的 筛上料则自筛筒的大端排出。它的特点是工 作平稳、冲击和振动小、易于密封收尘，维 修方便。缺点是筛面利用率较低，体形较大， 筛孔易堵塞，筛分效率低。
第七章 分级和分离
• 在粉体粉碎、输送、储存等处理过程中， 有时需要将粉体按不同的粒度分类，称为 分级；而在生产过程中，由于流体流动、 颗粒的布朗扩散等等原因，粉体颗粒会弥 散在空气（流体）中，造成污染，这时就 需要在排放前将粉体颗粒与空气（流体） 分开，称为分离。
• 分离:分离就是将任何形状或密度的固体颗粒 或液珠（粒度一般在10-3m）从流体中分离 出来的过程。其分离作用的器具或装臵系统 为分离（除尘）器。对气固系统习惯称为除 尘过程。相应的起居或装臵系统统称为分离 器或除尘器。 • 分离效率（）：分离后获得的某种成分的质 量（m）与分离前粉体中所含该成分的质量 之比(m0)，用下式表示：
• 如图所示，曲线a,b分别为原始粉体和分级后 粗粉部分的频率分布曲线。设任一粒度区间d 和d+d之间的原始粉体和粗粉的质量分别为 wf和wb，则以粒度为横坐标，以 (wb/wf)100%为纵坐标，可得曲线c。
• 分级粒径也称切割粒径。曲线1在粒径dc处发 生跳跃突变，意味着分级后ddc的粗颗粒全 部位于粗粉中，并且粗粉中无粒径小于dc的 粗颗粒，而细粉中全部为d<dc的细颗粒，无 粒径大于dc的粗颗粒。 dc称为切割粒径。习 惯上将部分分级效率为50%的粒径称为切割 粒径。
100%
筛板厚度t可按下式计算：t0.625a
• 筛孔大小可用筛目数M表示，也可用1cm2面 积上所具有的筛孔数K表示，它们之间的关 系为：
M K= 2.5
2
• 筛分机械分类：按筛分方式分为干式筛和湿 式筛，按筛面运动特征可分为振动筛、摇动 筛、回转筛和固定筛。 • 振动筛：是目前工业中应用最广泛的一种筛 机。它与摇动筛最主要的区别在于振动筛的 筛面振动方向与筛面成一定角度，而摇动筛 的运动方向基本上平行于筛面。振动筛工作 时，物料在筛面上主要做相对滑动，具有振 幅小、频率高，消除物料堵塞现象，使筛机 具有较高的筛分效率和处理能力；动力消耗 少，构造简单、维修方便；使用范围广，不 仅用于细筛，也可用于中粗筛分。
• 湿式分级：与干式分级相比，以液体为分 散介质的湿式分级，由于流量、流速、压 力等参数相对易于控制，分散效果好，可 以达到微米甚至纳米级的分级粒径，分级 精度和分散效率也较高，尤其适合于与湿 法粉磨设备配套使用。湿式分级的难题在 于分级后的产品依然是悬浮液，需将液体 和固体颗粒再次进行分离。分离的方法有 压滤和喷雾干燥等方法，无论何种方法， 干燥后的粉体都存在不同程度的结块和板 结现象，这种粉体颗粒的二次团聚现象往 往会给超细粉体的性能带来不利影响。
分级精度 • 实际分级结果与理想分级结果的区别表现在 部分分级曲线相对于曲线1的偏离，其偏离程 度可以来表示分级的精确度，即分级精度。 定量公式为：
d75 / d25
• d75和d25分别为部分分离级为75%和25%时的粒径。 当粒度分布范围较宽时，分级精度可表示为：
d90 / d10
• 粗分级机：也叫粗分离器，随带颗粒的气 流在负压作用下以10～20m/s的速度由下向 上从进气管1进入内外锥之间的空隙。气流 刚出进气管时，特大颗粒由于惯性作用碰 到反射菱锥体4后首先被撞落到外锥下部， 由粗粉管排出。因两锥间继续上升的气流 上部截面积扩大，气流速度降至4～6m/s， 所以又有部分粗颗粒在重力作用下被分选 出来，顺外锥内壁向下落至粗粉管排出。
F A B x f F xa A xb B xa A 100% xf F x f xa xb xa x f xb 100%
• 综合分级效率（牛 顿分级效率）：是 1 1 N a b a b 综合考察合格细颗 B 1 xb xa A 粒的收集程度和不 a b xf F F 1 x f 合格粗颗粒的分离 程度，该指标似乎 A x f xb B xa x f 更能确切地反映分 F xa xb F xa xb 级设备的分级性能， x f xb xa x f 其定义为合格成分 N x f 1 x f xa xb 的收集率-不合格成 分的残留率，数学 表达式为：
• 减压分级原理：当颗粒粒径远小于气体的平 均自由程m时，由于颗粒周围产生分子滑动 而导致颗粒所受的阻力减小。于是，在重力 场中，颗粒的沉降速度修正为：
u=
2 Cc g p D p
18
Cc 1 2.46 0.82 exp 0.44D p / m 0.05
• 迅速分离原理：微细颗粒的巨大表面能使之 具有强烈的聚附性。在分级力场中，这些颗 粒可能拥有六场不均匀及碰撞等由于聚集成 表观尺寸较大的团聚颗粒，它们在分级室中 滞留的时间越长，团聚现象越严重。迅速分 级原理就是为了克服这种现象而提出来的。 所谓迅速分级，即是采取适当的分级室，应 用适当的流场使微细颗粒尤其是临界分级粒 径附件的颗粒一经分散就立即离开分级区， 以避免由于它们在分级区内的浓度不断增大 而聚集。迅速分级是迄今为止所有超细分级 机所极力追求的。
• 气流在两锥之间上升至顶部后经导向叶片6 进入内锥。由于方向突变，部分粗颗粒再 次被分离，同时气流在导向叶片作用下作 旋转运动，较细的颗粒由于离心力的作用 而甩向内锥内壁并沿壁落下，最后进入粗 粉管。细粉则随气流经中心排气管7排入后 续的分级机进行气固分离。
• 离心式选粉机：也称内部循环式选粉机，属 第一代选粉机。其工作原理为：物料由加料 管12经中轴周围落至撒料盘10上，受离心惯 性力作用向周围抛出。在气流中，较粗颗粒 迅速撞到内筒内壁，失去速度沿壁滑下。其 余较小颗粒随气流向上经小风叶时，又有一 部分颗粒被抛向内筒壁被收回。更小的颗粒 穿过小风叶，在大风叶的作用下经内筒顶上 出口进入两筒之间的环形区域，由于通道扩 大，气流速度降低，同时外旋气流产生的离 心力使细小颗粒离心沉降到外筒内壁并沿壁 下沉，最后由细粉出口9排出。内筒收回的 粗粉由粗粉出口8排出。
• 分级效果的综合评价：当分离效率和分级效果 相同时，d50越小，分级效果越好； • 当分离效率和d50相同时，分级精度越小，分 级效果越好。 • 分级设备：筛分设备、粗分级机、离心式选粉 机、旋风式选Hale Waihona Puke Baidu机、MDS组合式选粉机、OSepa选粉机、Sepax选粉机等。 • 筛分设备：一般适用于较粗物料(0.05mm)的 分级，在筛分过程中，大于筛孔尺寸的物料被 留在筛面上，这部分物料称为筛上料；小于筛 孔尺寸的物料通过筛孔筛出，称为筛下料。 为了将固体颗粒混合物分离成若干粒度级别， 需使用一系列不同筛孔的筛子。
m
Dp
m
Dp
67
当气体为空气时，m=6.6/P, P是空气压力，kPa.
干式分级和湿式分级
• 干式分级多为气力分级。空气动力学理论的 发展为多种气力分级机的研制和开发提供了 坚实的理论基础。 • 气力超细分级的技术关键之一是分级室流场 设计。理想的分级力场应该具有分级力强、 有较明显的分级面、流场稳定及分级迅速等 性质。如果分级区内出现紊流或涡流，比将 产生颗粒的不规则运动，形成颗粒的相互干 扰，严重影响颗粒分级精度和分级效率。因 此设计时应避免分级区涡流的存在、流通运 动轨迹的平滑性以及分级面法线方向两相流 厚度尽可能小等。
• (a)由粗到细的筛序，其优点是可以将筛面 由粗到细重叠布臵，因而节省厂房面积； 粗物料不接触细筛网可减轻细筛网的磨损； 同时较难筛的细颗粒很快通过上层粗筛筛 面，因而筛面不易堵塞，有利于提高筛分 质量，其缺点是维修不方便。
• (b)由细到粗的筛序：由于粗颗粒接触筛网， 致使细筛网不仅易磨损，还易被大颗粒堵 塞，降低筛分效率，但容易布臵，维修方 便。 • (c) 混合筛分：是上述两种筛序的组合，具 有两者的优点。
部分分离效率 • 单独用综合分离效率来描述某一分离器的 性能是不够的，许多时候还必须颗粒的特 性分布函数来描述，经常使用的是粒度， 即要知道对于某一粒级的分离效率。这时 要用部分分离效率。 • 定义：在粒度、密度或化学成分等特性值 为连续变量的场合，将特性值划分成若干 区间，各区间的回收率即部分分离效率。
m 100% m0
• 工业连续生产中处理的物料量一般较大，m 和m0不易称量，即使能够称量，分离产品中 也不可能全是要求的颗粒，总有少量其它成 分的颗粒。
• 设分级前粉体、分级后 细粉和粗粉的质量分别 为F、A、B，其中合格 细颗粒的含量分别为xf、 xa、xb,如果分级过程中 无损伤，则根据物料质 量平衡，有
• 技术关键之二：分级前的预分散问题。分级区 的作用是将已分散的颗粒按设定粒径分离开来， 它不可能具有分散的功能；而颗粒的分散性能 极大地影响着分级效率。因此，分散和分级是 一个密不可分的系统，预分散方法包括： • 机械分散法：该分散方法又可分离心分散和射 流分散，前者是给料进入分级区前先落至离心 撒料盘，旋转撒料盘的离心作用将粉体均匀地 撒向四周，形成一层料幕后再进行分级，如图 所示。为了强调对团聚体的打散效果，可将撒 料盘设计成阶梯形。射流分散是利用喷射器产 生的高速喷射气流进行分散，高速射流使粉体 颗粒在喷射区发生强烈的碰撞和剪切，从而将 颗粒聚团破坏。
6r
式中，ur为流体的径向运动速度
• 当FcFd时，颗粒所受的合力方向向外，因而 发生离心沉降，反之，颗粒向内运动；当 Fc=Fd时，有：
D p u
3 p
2 t
6r 2 6K r u r D pc 2 p u t
K D 2 u 2 p r
此式表明：如果颗粒的圆周速度足够大时， 即可获得足够小的分级粒径