气流粉碎基础理论.docx

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气流粉碎基础理论

1.2.1气流粉碎原理

压缩空气或过热蒸汽通过喷嘴后，产生高速气流且在喷嘴附近形成很高的速度梯度，通过喷嘴产生的超音速高湍流作为颗粒载体[1刘智勇，潘永亮，曾文碧.超细气流粉碎技术在轻工业中的应用[J].皮革科学与工程，2007，17（3）：

35-38]。

物料经负压的引射作用进入喷管，高压气流带着颗粒在粉碎室中作回转运动并形成强大旋转气流，物料颗粒之间不仅要发生撞击，而且气流对物料颗粒也要产生冲击剪切作用，同时物料还要与粉碎室发生冲击、摩擦、剪切作用。

如果碰撞的能量超过颗粒内部需要的能量，颗粒就将被粉碎。

粉碎合格的细小颗粒被气流推到旋风分离室中，较粗的颗粒则继续在粉碎室中进行粉碎，从而达到粉碎目的[2王莉.气流粉碎技术及应用[J].1997，2（3）：

204-208][3蔡艳华，马冬梅，彭汝芳.超音速气流粉碎技术应用研究新进展[J].化工进展，2008，27（5）：

671-675]。

研究证明：

80%以上的颗粒是依靠颗粒间的相互冲击碰撞被粉碎的，只有不到20%的颗粒是通过颗粒与粉碎室内壁的碰撞和摩擦被粉碎。

经气流粉碎后的物料平均粒度细，粒度分布较窄，颗粒表面光滑，颗粒形状规整，纯度高，活性大，分散性好；可粉碎低熔点和热敏性材料及生物活性制品[4李珣，陈文梅，褚良银.超细气流粉碎设备的现状及发展趋势[J].化工装备技术，2005，26

（1）：

27-32]。

气流粉碎技术具有如下重要特征[5杨裴，夏俊玲，石硕年，等.气流粉碎技术在尼莫地平微粉生产中的应用研究[J].无机盐工业，2005，37

（1）：

50-52；6盛勇，刘彩兵，涂铭旌.超微粉碎技术在中药生产现代化中的应用优势及展望[J].中国粉体技术，2003，9（3）：

28-31]：

（1）由于压缩空气在喷嘴处绝热膨胀会使系统温度降低，颗粒的粉碎是在低温瞬间完成的，从而避免了某些物质在粉碎过程中产生热量而破坏其化学成分的现象发生，尤其适用于热敏性物料的粉碎。

（2）气流粉碎纯粹是物理行为，既没有其它物质掺入其中，也没有高温下的化学反应，因而保持物料的原有天然性质。

（3）因为气流粉碎技术是根据物料的自磨原理而实现对物料的粉碎，粉碎的动力是空气。

粉碎腔体对产品污染极少，粉碎是在负压状态下进行的，颗粒在粉碎过程中不发生任何泄漏。

只要空气经过净化，就不会造成新的污染源。

1.2.2气流粉碎工艺参数的研究

气流粉碎机的参数研究包括几何参数和工艺参数。

几何参数包括喷嘴直径、喷嘴与喷嘴（或靶）间的轴向距离、粉碎室直径等，工艺参数主要包括：

原料初始粒度、分级轮频率、工质压力（气流速度）、引射压力（进料速度）等。

1.2.2.1气流速度效应分析

气流速度即为空压机所输送的气体通过喷嘴进入粉碎室时的速度。

设在高速气流中运动的颗粒，其质量为m，高速气流赋予它的运动速度为ω，则该颗粒所具有的动能为：

E=0.5mω2。

动能E只有一部分用于物料颗粒的粉碎上，这部分的动能记为△E。

当物料颗粒对着冲击板或对着正在运动的其它颗粒发生冲击碰撞时，这部分能量用下式表示：

（7-1）

式中，ωi——发生冲击碰撞时颗粒所具有的速度；

ε——冲击碰撞后颗粒速度的恢复系数，ε<1。

假设脆硬性的物料颗粒是绝对弹性体，则颗粒冲击破坏所需的功，可以表示为：

（7-2）

式中，σ——物料的强度极限；

E——物料的弹性模量；

ρ——物料的密度；

m——颗粒的质量。

显然，为了使物料颗粒发生粉碎，必要的条是：

便可以求出使颗粒发生粉碎所必需的冲击速度ωi：

（7-3）

由此可知，为了达到超微粉碎的目的，气流粉碎的气流必须具有很高的速度，才能产生很大的能量[7言仿雷.超微气流粉碎技术[J].材料科学与工程，2000，18（4）：

145-149]。

因此提高喷嘴的气流速度，对提高物料粉碎效果、粉碎效率是有利的[杨云川，李国康.超细粉体气流粉碎技术探析[J].化工矿物与加工，2002（6）:

23-25][王工，汪英.气流粉碎装置粉碎效能分析[J].沈阳工业大学学报，2005，27

（2）：

238-240]。

但是，如果过高地追求高速度，则要增加能耗。

同时，根据陆厚根、李凤生[陆厚根.粉体技术导论[M].上海：

同济大学出版社，1998；李凤生.特种超细粉体制备技术及应用[M].北京：

国防工业出版社，2002]的研究，当气流速度高到某一值时，粉碎效率不但不再上升反而呈下降趋势。

因此，单纯提高气流速度对能源消耗、粉碎效率等也是不利的。

陈海焱、ArnaudPicot等的研究表明：

工质压力提高使颗粒获得的动能增加，碰撞能量增加，产品粒度更细。

但是工质压力增加到某一值时，粒度减少的趋势变缓。

这是因为喷嘴气流速度与工质压力并非线性关系，当工质压力超过一定值时，打破了喷嘴前后的压力比，在粉碎室产生激波，气相穿过激波时速度下降而固相速度几乎不变，气固相的速度差导致固相撞击速度下降而影响了粉碎效果[陈海焱，王成端.超音速流化床气流磨系统参数的研究[J].化工矿物与矿工，2001（4）：

4-7；ArnaudPicot，ChristopheLacroix.EffectofMicronizationonViabilityandThermotoleranceofProbioticFreeze-driedCultures[J].InternationalDairyJournal，2003，13（6）：

455-462]。

因此，工质压力应有一个最优值。

Rudinger认为，气流粉碎过程中，颗粒浓度越高，加速过程中能量损失会更少。

要使颗粒有效地粉碎，碰撞时的速度必须足够高，即使在高颗粒浓度下，也可以通过提高喷嘴的压力而使颗粒加速，但是，压力不能无限地增大，因为随着压力的增加，压缩机的能耗将以非线性的方式快速地增加[18RudingerG..Fundamentalsofgas-particleflow[J].HandbookofPowderTechnology,1980:

1-75]。

1.2.2.2进料速度（进料量）

进料速度是影响粉碎效果的重要参数之一[17王永强，王成端.气流粉碎机动态参数对粉碎效果影响的研究[J].中国粉体技术，2003，9

（2）：

20-28；20TuunilaR，NystrstromL.TechnicalNoteEffectofGrindingParameteronProductFinenessinJetMillGrinding[J].MineralsEngineering，1998，11（11）：

1089-1094；21LaurenceGodet-Morand，AlainChamayou，JohnDodds.TalcGrindinginanOpposedAirJetMill：

Start-up，ProductQualityandProductionRoteOptimization[J].PowderTechnology，2002，128（2-3）：

306-313；GommerenHJC,HeitzmannDA,MoolenaarAC,etal.Modellingandcontrolofajetmillplant[J].PowderTechnology,2000,108:

147-154]，进料速度主要由粉碎区的持料量决定。

进料速度的大小决定粉碎室每个颗粒受到的能量的大小。

当加料速度过小，粉碎室内颗粒数目不多时，颗粒碰撞机会下降，颗粒粒径变大；当进料速度过大时，粉碎室内的颗粒浓度增加，每个颗粒所获得的动能减少，导致由碰撞转变成颗粒粉碎的应变能变小，颗粒粒径增加，颗粒粒度分布大，因此寻找最佳进料速度是很重要的。

陈海焱[.陈海焱，张明星，颜翠平.流化床气流粉碎中持料量的控制[J].煤炭学报，2009,34（3）：

390-393]等根据理论分析和实验数据，建立了气流粉碎的持料量与粉碎区的颗粒体积浓度的关系为：

MH=V（1-ε）ρs+G

式中，MH——气流粉碎机的持料量，kg；

Ｖ——气流粉碎分级区中有效空间体积，m3；

（1-ε）——气流粉碎分级区颗粒所占体积与气流所占体积的比值，即Vs/V；

ρs——固体颗粒的密度，kg/m3；

Ｇ——流化床气流粉碎区底部填料量，与流化床底部结构有关，kg。

通过实验发现流化床气流粉碎机磨腔中的持料量对粉碎效果和出料粒度的稳定性有重要影响，持料量的大小与气流粉碎机的结构大小、底部形状，粉碎物料的密度和流动参数相关。

Midoux[23MidouxN，HosekP.MicronizationofPharmaceuticalSubstancesinaSpiralJetMill[J].PowderTechnology，1999，104

（2）：

113-120]给出了扁平式气流磨中加料速度与粉碎直径的关系式。

Laurence等人在对喷式气流磨的研究中发现，每一级分级轮转速都有一个最佳给料速度与之相对应，并通过实验予以验证[LaurenceGodet-Morand，AlainChamayou，JohnDodds.Talcgrindinginanopposedairjetmill：

start-up，productqualityandproductionrateoptimization.PowerTechnology2002.]。

1.2.2.3其它

两喷嘴末端的距离或喷嘴末端与靶的距离称为分离距离。

SitiMasrindaTasirin[22SitiMasrindaTasirin，DerekGeldart.ExperimentalInvestigationonFluidizedBedJetGrinding.PowderTechnology，1999，105（1-3）：

337-341]对分离距离对粉碎效果的影响作了分析，指出：

对喷嘴-靶式粉碎机，随着分离距离的减小，粉碎速度增大，颗粒粒径减小；对喷嘴-喷嘴式粉碎机，颗粒尺寸随分离距离的增加略有减小。

但是经喷嘴喷射出的流体速度的衰减很快，如果分离距离太大，粉碎室里颗粒所获得的动能将会减少，所得的产品粒径就会增加，影响了粉碎效果，所以这个结论的正确性还值得思考。

A.C.Bentham[A.C.Bentham，C.C.Kwan，R.Boerefijin，M.Ghadin.Fluidisedbedjetmillingofpharmaceuticalpowders.PowerTechnology，2004]对药粉进行流化床式气流粉碎，分析了单个粒子在喷射区受力破碎的过程，认为在一定参数条件下针对某几种产品的粉碎可达到最佳效果。

1.2.3气流粉碎理论的研究

根据气流粉碎原理，其基础理论研究主要包括了以下方面：

高速气流的形成，颗粒在高速气流中的加速规律，颗粒冲击粉碎规律，气流粉碎机参数的研究。

1.2.3.1高速气流的形成

1.2.3.1.1喷嘴

气流粉碎中物料粉碎的能量来源于高速气流，高速气流则是依靠喷嘴将气流的内能转化为动能而形成的。

气流粉碎的喷嘴可分为收缩型和缩扩型（Laval型），目前主要采用缩放型喷嘴。

在气流粉碎机研制之初，在计算方法的确定、型面曲线修正、起始扩散角控制等方面，研究人员依据气体动力学原理，在喷嘴的设计理论和基础实验研究方面作了一定的工作。

N.Rink将静止的颗粒和气流通过较长的Laval喷嘴加速获得了较大的颗粒速度，其理论与实验的结果证明这种喷嘴适合于颗粒粉碎[l1Rink.N.ResearchintotheaccelerationofmaterialsinLavaljetnozzles[J].ChemieingenieurTechnik，1975，47（7）:

311]。

叶菁等利用定常二维无旋超音速流的数值方法——特征线法，结合气流粉碎机的流动特征，分析了喷嘴管壁特征线的设计方法，提出了等流能喷嘴设计的方法与步骤[8叶菁，陈家炎，王启宏.超音速气流粉碎等流能喷嘴计算[J].武汉工业大学学报，1990

（2）:

25-30]。

陈志敏等对超音速气流粉碎机的喷嘴流动状态及结构设计进行了分析，探讨了获得有效喷射速度的超音速喷嘴的设计方法[7陈志敏，徐敏.超音速气流粉碎机喷嘴的结构设计的研究[J].机械工程与科学，1995，53

（1）:

77-82]。

金铃采用Fluent软件对流化床气流粉碎机喷嘴位置进行了数字模拟，分析粉碎机腔体中的流场，分析结果表明，在喷嘴位置的设计上，存在最佳的安装位置，使得粉碎性能达到最佳[金铃.流化床粉碎机内部流场的数值模拟及对喷嘴位置的影响[J].矿山机械，2009，37（15）：

81-84]。

这与金振中的研究结果相一致[金振中，崔岩，金镛国，等.流化床式气流粉碎机中喷嘴径向位置对粉碎性能的影响[J].矿山机械，2008，36（3）：

80-83]。

MGrujicic等人通过对喷嘴流场分析，优化了喷嘴内型，使得气体的拖曳力增加，颗粒的加速度增大，在相同的距离速度进一步提高，这样增大了物料颗粒的速度，不但可以将颗粒更加细化，而且提高了系统的效率[MGrujicic，CTong，WSDeRosset，etal.Flowanalysisandnozzle-shapeoptimizationforthecold-gasdynamic-sprayprocess[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers，PartB：

EngineeringManufacture，2003，217（11）：

1603-1613]。

HiroshiKatanoda等对颗粒在超音速喷嘴内部和外部的流动流场做了数值模拟和分析，并对颗粒的速度和温度分布做了预测和分析[HiroshiKatanoda，MatsuoKazuyasu．Analysisofparticlebehaviorinhigh—velocityoxy—fuelthermalsprayingprocess[J]．JournalofThermalScience，2003，12（3）：

17-21]。

杨军瑞等为解决传统气流粉碎能量利用率不高、物料加速效果差、粉碎效果差等问题，通过对气流粉碎中喷嘴结构的改进，设计了一种新型环形复合喷嘴。

通过Fluent数值模拟，表明新型环形复合喷嘴比常规喷嘴具有射流速度快、射流相对集中和射程远等优点[杨军瑞，胥海伦，陈海焱.新型环形复合喷嘴的数值模拟分析与研究[J].中国粉体技术，2009，15（4）：

11-14]。

王利文等对气流粉碎装置的喷嘴结构和参数运用均匀设计法进行设计与优化，采用流体动力学软件对所设计喷嘴进行流场模拟，应用有限元分析软件对喷嘴内部结构受力情况进行分析，讨论了入口直径、入口稳定段长度、喉部临界截面和内腔造型对喷嘴性能的影响。

结果发现，入口压力3.5MPa，入口直径为6mm的喷嘴为设计的最佳喷嘴．内腔锥角在8°-12°之间变化时，对喷嘴的性能影响不大，内腔造型为光滑曲面时喷嘴性能最佳[王利文，潘家祯，王子刚，等.超音速气流粉碎喷嘴数值模拟[J].力学与实践，2009

（2）：

17-21][王子刚，潘家祯.超音速气流粉碎机喷嘴的模拟与实验研究[J].化工装备技术，2008，29（6）：

1-5，7]。

何枫、谢峻石等人根据可压缩流体轴对称n-s方程，利用RANκ-ε湍流模式和有限体积法，采用四边形非结构网格，对不同内部流道型线的喷嘴自由射流进行数值模拟。

结果表明：

轴对称等直径圆管喷嘴，进口处的流道型线对射流流道参数的分布影响较大；轴对称收缩喷嘴的收缩角大小主要影响射流出口附近的流动，对流动具有不同的阻滞效果，并据此提出收缩喷嘴内部流道型线采用维多辛斯基曲线可以获得优良的流动特性[谢峻石，何枫.喷嘴内部流道型线对射流流场的影响[J].机械开发，2001，18（4）:

42-47][何枫，谢峻石，杨京龙.喷嘴内部流道型线对射流流场的影响[J].应用力学学报，2001，18（4）:

114-119.]。

1.2.3.1.2研磨气体

气流粉碎最常用的工作介质有三种:

压缩空气、过热蒸汽和惰性气体，较多采用空气作介质。

陈海焱等的理论分析和实验验证表明，蒸汽气流磨的能量转换形式为：

燃料—过热蒸汽的势能和热能—过热蒸汽的动能—物料颗粒的动能。

相对于空气气流磨而言，能量转换少了两个损失较大的过程，即过热蒸汽的势能—电能，电能—压缩空气的势能，可见蒸汽气流磨的能耗远远低于空气气流磨。

粉碎过程中，以过热蒸汽作为介质，喷嘴出口处产生的气流速度高达3马赫，是压缩空气为介质时产生的气流速度的1.5倍左右，故粉碎能力更强[l3陈海焱，李显寅，张家达.应用过热蒸汽干法制备超细粉的研究[J].四川冶金，1997，19（3）:

53-55]。

金振中等通过对热压缩空气与过热蒸汽、冷压缩空气的比较，证明以热压缩空气为工质所产生的粉碎力大于以冷压缩空气为工质所产生的粉碎力，且更加经济[金振中，王洪斌，葛晓陵，等.热压缩空气在气流粉碎中的应用及其加料器喷嘴设计[J].化工矿物与加工，2006（9）：

18-22]

王雅萍等为探索采用过热蒸汽对气流粉碎分级机性能的影响，利用Fluent软件对流化床式气流粉碎机进行整体建模，并分别以空气和蒸汽两种介质作为工质，计算和分析气流粉碎腔内部流场和温度场状态。

结果表明：

采用过热蒸汽介质时的喷嘴出口处气流速度的最大值约为空气介质时的1.8倍；采用蒸汽介质在分级区形成稳定的径向、轴向流场速度要大于空气介质时的流场速度；在微负压条件下，采用过热蒸汽介质，由粉碎区至分级区粉碎腔内部有150-240℃的温度变化，腔内能够保持干燥运行[王雅萍，朱目成，陈海焱.过热蒸汽气流粉碎分级机的数值模拟[J].材料科学与技术，2009，28

（2）：

167-170]。

吉晓莉等分析了流化床中工质种类和状态对比能耗和效率的影响，实验表明，与空气相比，水蒸气具有成本低、临界速度高、气固比小、能量利用率高、粉碎强度大、物料在粉碎室中粘壁程度低、产品不带静电荷等优点[14吉小莉，崔亚伟，叶菁.流化床式气流磨工作介质和入料颗粒的选择[J].武汉工业大学学报，1999，21（4）:

40-43]。

舒朗等以电厂余热蒸汽为介质，对低等级粉煤灰进行气流超微粉碎，通过对设备工况的调节，能高效、廉价地制备各种微米尺度的粉煤灰超微粉体。

粒度分析和SEM图像显示，粉碎后粉煤灰平均粒度细，粒度分布较窄，能有效地保护粉煤灰颗粒的球状结构，细化后的Ⅲ级粉煤灰具有较高的火山灰活性，并具有一定的减水作用[舒朗，卢忠远，严云，等.电厂余热蒸汽粉碎Ⅲ级粉煤灰的研究[J].中国粉体技术，2008,14（3）：

32-35]。

余博等以低等级干排粉煤灰为原料，以蒸汽气流粉碎系统为手段，利用火电厂低品位过热蒸汽制备超细粉煤灰。

结果表明:

过热蒸汽气流粉碎可以低成本、规模化地对低等级粉煤灰进行超细粉碎，能有效保护粉煤灰的玻璃微珠结构，加剧物料的晶格畸变及无定形化，制备出的超细粉体具有良好的粒径分布和形貌特征，活性提高至125以上，达到混凝土和砂浆用一级粉煤灰的技术要求[余博，陈海焱，舒朗，等.用电厂低品位过热蒸汽制备超细粉煤灰[J].金属矿山，2008

（2）：

146-149]。

氮气主要用于粉碎易于氧化、燃烧和爆炸的物料。

zhao等利用水平圆盘式气流磨实验研究了氦气、水蒸气、空气和二氧化碳作介质对气体动能的影响，结果表明:

小分子量的气体能研磨出更细的粉体，氦气、水蒸气比空气（或氮气）能研磨出更细的粉体，且都比CO2好[16ZhaoQ.Q.，SchurrG.A..Effectofmotivegasesonfinegrindinginafluidenergymill[J].Powdertechnology，2002，122:

129-135]。

1.2.3.2颗粒在高速气流中的加速规律研究

目前气流粉碎机的设计中，一直依据射流轴心速度衰减速度在10de~20de，确定喷嘴距粉碎中心点的距离。

没有考虑颗粒加入喷射气流后对气流速度的影响，也未考虑颗粒在气流中加速的距离要求。

对于不同的工质，喷嘴出口速度的表达式不同[5蔡相涌,王洪斌,束雯等.气流粉碎机用气力加料器设计参数研究.华东理工大学学报,2002,28（6）:

649-653；6蔡相涌,王洪斌,王元华等.气流粉碎机用蒸汽加料器设计参数研究.华东理工大学学报,2002,28（6）:

654-56]。

压缩空气工质喷嘴出口速度为：

式中，p0，pp1——喷嘴进口、出口处的压力；

　　　ν0——进口处的比容；

　　　k——定熵指数，空气的k=1.4。

而过热蒸汽工质喷嘴出口速度是：

式中，i———比焓，J/kg。

这两个公式对物料不通过喷嘴的情况进行计算是比较准确的，而对物料通过喷嘴的情况则需要进行修正，因为气流中的颗粒对气体的速度有影响。

Voropayev[7VoropayevS，EskinD.OptimalParticleAccelerationinaJetMillNozzle.MineralsEngineering，2002，15（6）：

47-49]指出，固体颗粒在气流磨中的加速过程包括两个阶段：

气固混合时的加速和气固流在喷嘴中的加速。

目前，对物料和压缩气体一起通过喷嘴的情况下颗粒的加速规律研究得比较多。

气体压入混合室与物料混合，由于混合室的压力稍低于喷射气流的压力，所以混合是在低速下进行的，能量损失较少。

经过动量传递和能量转换，混合物成为气固均质二相流。

物料以一定角度进入气流，致使运动为非一维流动。

令u为x方向的气流速度，υp为颗粒的速度，τV为速度松弛时间。

假设颗粒以x方向的速度分量up，0，y方向速度υp，0进入气流，拖曳力系数为标准的拖曳力系数，则：

（3）

（4）

式中，D——颗粒的粒径；

　　　ρ——气体密度。

此式中前一项参数代表与颗粒初速度相关的雷诺数。

令

，对公式（3）积分，得

（5）

所以当Z=0时，获得颗粒的最大渗透量ymax：

（6）

同理，可得

（7）

G.Rudinger[18RudingerG..Fundamentalsofgas-particleflow[J].HandbookofPowderTechnology,1980:

1-75]从单一颗粒出发，假定气流沿其行程的速度是时间的一次函数，即u（t）=ue+bt，从理论上推导出了单个颗粒运动速度与喷嘴气流出口速度之间的关系为：

（1-1）

式中，us——颗粒速度随时间变化的值；

ue、u（t）——气流出口速度和气流速度随时间变化的函数值；

τV——运动的速度松弛时间；

t——时间；

ρs——颗粒密度；

ds——颗粒直径；

ug——气流的粘性系数。

气流粉碎中喷嘴气流速度出口通常是减速的。

但是当气流速度为时间的二次函数时，求解颗粒的气流速度较为困难。

在实际工作中，求解颗粒在不同气流运动速度曲线下的空间位置的变化更为重要。

Rumpf曾根据斯托克斯阻力定律推导出颗粒在一定气流速度下所获得的运动速度与加速距离之间的关系为[19H.Rumpf.Principenderprallzerkleinerungundihreanvendungbeiderstrahlmahlung[J].Chemie-in