擋板數(shù)量對多孔陶瓷干法制粉混合過程的影響

吳南星，甘振華，余冬玲，方長福，趙增怡，廖達海

（景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機械電子工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn) 333403）

多孔陶瓷干法制粉相比于傳統(tǒng)的濕法制粉有諸多優(yōu)點，例如工藝簡單、節(jié)能節(jié)水和效率提高等[1],但多孔陶瓷干法制粉目前尚未得到推廣主要原因是粉體級配不均[2]、堆積度高[3]及組分不勻[4]等。上述缺陷導(dǎo)致粉體在旋轉(zhuǎn)流場中極易出現(xiàn)打漩現(xiàn)象[5]，各粉體組分旋轉(zhuǎn)軌道與速度均相似，無法起到混合作用。加裝擋板可以有效減少甚至消除粉體打漩運動[6-8]，使粉體粒徑分散、合理分布體積分?jǐn)?shù)及各組分均勻混合[9-10]。

在多孔陶瓷干法制粉室內(nèi)，任何加裝于攪拌裝置之外的室內(nèi)靜止部件均作為擋板[11]，國內(nèi)外學(xué)者對類似加裝擋板的裝置已進行深入的研究。Chung等[12]采用歐拉兩相計算流體力學(xué)模型，對無折流擋板和折流擋板柱進行三維數(shù)值模擬，折流擋板能夠減少柱內(nèi)的軸向混合，提高浮選回收率；孟振亮等[13]利用數(shù)值仿真方法，分析顆粒在新型氣固環(huán)流反應(yīng)器中的流動特性，得出顆粒逆流和錯流混合提高顆粒徑向接觸；鐘天鋮等[14]通過構(gòu)建計算機流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）模型，指出在推進式攪拌器的固液混合過程中，底部擋板能夠減少粉體聚沉并提高成形粉體的均勻度；吳嘉等[15]利用CFD模型對擋板輕微偏心度進行數(shù)值分析時，振蕩流反應(yīng)器（oscillatory flow reactor，OFR）的三維流場進行數(shù)值模擬，擋板偏心度能夠改變OFR振蕩流場對稱性，雷諾數(shù)與流場非對稱程度成正比。以上研究表明擋板的條件會影響流場形態(tài)，進而改變粉體的運動狀態(tài)。

本文中分析上述文獻中擋板對流場形態(tài)及粉體混合程度的影響，基于CFD方法建立4種多孔陶瓷干法制粉室粉體混合物理模型，設(shè)立邊界條件參數(shù)，討論擋板數(shù)量與流場形態(tài)的關(guān)聯(lián)性，根據(jù)粉體軸向與徑向體積分?jǐn)?shù)云圖、速度場云圖，探究粉體混合程度與擋板數(shù)量的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，同時，通過測定粉體密度均齊度側(cè)面驗證數(shù)值分析正確性。

1 計算區(qū)域簡化

以2個擋板為例，粉體混合過程計算區(qū)域簡化后見圖1，粉碎鉸刀對團聚粉塊起到二次破碎作用，各粉體組分在造粒立柱及制粉室共同作用下攪拌混合。制粉室直徑為235 mm，高度為300 mm，擋板寬度為20 mm，造粒立柱長度為20 mm，直徑為8 mm，初狀態(tài)粉體沉積區(qū)域約占制粉室1/4。圖2為擋板結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖1 2個擋板制粉室Fig.1 Diagram of two baffles granulation room

圖2 擋板結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.2 Section view of baffle structure

2 有限元模型

2.1 網(wǎng)格劃分

以2個擋板制粉室為例，將計算區(qū)域分為動、靜共2個部分。粉碎鉸刀和造粒立柱周圍區(qū)域作為動計算區(qū)域，劃分單元設(shè)置為滑移網(wǎng)格，除動區(qū)域外均設(shè)置為靜區(qū)域，靜區(qū)域劃分單元設(shè)為多重參考系。

動區(qū)域由于粉碎鉸刀及造粒立柱的三維結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在使用ICEM-CFD軟件對其進行劃網(wǎng)分格時，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；靜區(qū)域的結(jié)構(gòu)相對簡單，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對其進行劃分。計算區(qū)域劃分后的網(wǎng)格總數(shù)約為1.6×105，圖3為網(wǎng)格劃分示意圖。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Diagram of mesh generation

2.2 邊界條件

將制粉室筒壁、攪拌主軸、擋板、粉碎鉸刀及造粒立柱均設(shè)置為墻，動區(qū)域和靜區(qū)域的交接處設(shè)為交界面，這樣便于2個區(qū)域的流場混合，實現(xiàn)計算數(shù)據(jù)的交換。粉碎鉸刀及攪拌主軸的轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，制粉室的轉(zhuǎn)速為40 r/min。邊界條件示意圖見圖4。

圖4 邊界條件示意圖Fig.4 Diagram of boundary conditions

2.3 求解方法

對歐拉-歐拉兩相流模型進行了修正，使之符合空氣-粉體兩相流混合過程。采用壓力隱式算法求解非穩(wěn)態(tài)流場，湍流狀態(tài)選用RNG k-ε模型分析，通過非穩(wěn)態(tài)模型求時間解，離散相為保證精度，采用二階迎風(fēng)格式，壓力-速度耦合相采用Simple算法計算，全部變量收斂殘差值小于1×10-4。

3 數(shù)值結(jié)果討論

3.1 粉體體積分布軸向云圖

取軸向平面分析粉體體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖5所示。粉制粉室僅有1個擋板時，粉體體積占制粉室70%，平均體積分?jǐn)?shù)約為0.25，其中制粉室底部及壁面靠近液面處的粉體體積分?jǐn)?shù)超過0.27，液面處的粉體體積分?jǐn)?shù)分布區(qū)間在0.06～0.15，攪拌主軸兩側(cè)的粉體體積分?jǐn)?shù)略高于液面處，含擋板一側(cè)的制粉室內(nèi)平均粉體體積分?jǐn)?shù)高于無擋板一側(cè)；制粉室有2個擋板時，攪拌主軸兩側(cè)粉體體積分?jǐn)?shù)基本對稱，粉體體積占制粉室的75%，平均體積分?jǐn)?shù)約為0.22，鉸刀下方的粉體體積分?jǐn)?shù)大于0.27，粉體在壁面靠近液面處的體積分?jǐn)?shù)為0.24～0.27，其余部分均低于0.24；制粉室有3個擋板時，攪拌主軸兩側(cè)粉體體積分?jǐn)?shù)極不對稱，粉體體積約占制粉室的80%，平均體積分?jǐn)?shù)約為0.24，攪拌軸左側(cè)粉體堆積區(qū)域略高于右側(cè)，但左側(cè)下半部分的粉體體積分?jǐn)?shù)低于右側(cè)相同位置；制粉室有4個擋板時，攪拌主軸兩側(cè)體積分?jǐn)?shù)對稱，平均體積分?jǐn)?shù)約為0.26，制粉室底部及壁面處粉體體積分?jǐn)?shù)均高于0.27，存在大量堆積。對比可知，2個擋板制粉室內(nèi)粉體平均體積分?jǐn)?shù)最低。

圖5 粉體體積分布軸向云圖Fig.5 Axial cloud of particles volume distribution

3.2 粉體體積分布徑向云圖

取徑向平面分析粉體體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖6所示。當(dāng)制粉室有1個擋板時，云圖下方存在粉體低聚集區(qū)，體積分?jǐn)?shù)在0.23以下的區(qū)域占總面積約15%，體積分?jǐn)?shù)在0.31以上的區(qū)域主要在擋板與攪拌主軸之間，約占總面積的22%；當(dāng)制粉室有2個擋板時，擋板兩側(cè)有粉體低聚集區(qū)，體積分?jǐn)?shù)在0.23以下的區(qū)域約占16%，云圖中心處可見粉體堆積不高，體積分?jǐn)?shù)高于0.31的區(qū)域約占總面積的5%，粉體體積分?jǐn)?shù)沿著筒壁呈逆時針梯形分布逐漸降低，且體積分?jǐn)?shù)關(guān)于云圖圓心中心對稱；當(dāng)制粉室有3個擋板時，云圖中心處粉體有較大堆積，體積分?jǐn)?shù)在0.31以上的區(qū)域約占總面積的18%，3塊擋板旁均有粉體低聚集區(qū)，體積分?jǐn)?shù)在0.23以下的區(qū)域約占總面積的10%；當(dāng)制粉室有4個擋板時，云圖中心處的粉體堆積較前圖嚴(yán)重，體積分?jǐn)?shù)在0.31以上的區(qū)域約占總面積的25%，擋板周圍均有粉體低聚集區(qū)域，體積分?jǐn)?shù)在0.23以下的區(qū)域約占總面積的10%。對比可知，2個擋板制粉室內(nèi)粉體體積分?jǐn)?shù)在0.31以上的區(qū)域面積最小，粉體堆積度最少。

圖6 粉體體積分布徑向云圖Fig.6 Radial cloud of particles volume distribution

3.3 粉體軸向速度

截取軸向平面分析粉體軸向速度云圖和速度矢量圖分別如圖7、8所示。當(dāng)制粉室內(nèi)有1個擋板時，粉體平均速度約為0.7 m/s，從速度云圖可以看出，攪拌主軸兩側(cè)粉體速度不對稱，右側(cè)擋板處平均速度高于左側(cè)，且在速度矢量圖中可以發(fā)現(xiàn)，右側(cè)粉體有明顯先上而下的軸向運動，左側(cè)粉體徑向速度居多，軸向速度不顯著；當(dāng)制粉室內(nèi)有2個擋板時，粉體平均速度為0.6 m/s，攪拌主軸兩側(cè)粉體速度基本對稱，并且從矢量圖可以看出，當(dāng)兩側(cè)粉體運動至攪拌主軸附近時，均沿著主軸方向向下產(chǎn)生軸向運動。

圖7 粉體軸向速度云圖Fig.7 Axial cloud of particles velocity

圖8 粉體軸向速度矢量圖Fig.8 Axial velocity vector diagram of particles

當(dāng)制粉室內(nèi)有3個擋板時，粉體平均速度約為0.5 m/s，速度矢量圖顯示攪拌主軸左側(cè)的粉體大多為徑向運動，并且該側(cè)粉體有效運動區(qū)域低于右側(cè)；當(dāng)制粉室內(nèi)有4個擋板時，從云圖可知，粉體的平均速度約為0.4 m/s，從速度矢量圖可看出，攪拌主軸兩側(cè)的粉體均有軸向運動，粉體沿筒壁向上后再朝向造粒裝置運動。對比可知，擋板增多會降低粉體運動速度。

3.4 粉體徑向速度

截取徑向平面分析粉體徑向速度云圖和速度矢量圖分別如圖9、10所示。制粉室有1個擋板時，粉體速度低于0.6 m/s的區(qū)域約占總面積的46%，主要在壁面附近，速度在0.6～0.9 m/s的區(qū)域約占總面積的23%，速度大于0.9 m/s區(qū)域集中在鉸刀葉片邊緣，約占總面積的31%，速度矢量圖顯示，固體回轉(zhuǎn)區(qū)雖被打斷一部分，但主體仍未受到顯著負(fù)面影響，粉體沒有出現(xiàn)粘結(jié)筒壁現(xiàn)象；制粉室有2個擋板時，粉體速度低于0.6 m/s的區(qū)域較1個擋板時增加，約占總面積的55%，速度在0.6～0.9 m/s的區(qū)域約占總面積的28%，速度大于0.9 m/s區(qū)域范圍在造粒立柱處，約占總面積的17%，由速度矢量圖可見，固體回轉(zhuǎn)區(qū)被打斷，但粉體在筒壁附近出現(xiàn)速度為0的區(qū)域，出現(xiàn)粉體粘結(jié)筒壁現(xiàn)象。制粉室有3個擋板時，粉體速度低于0.6 m/s區(qū)域繼續(xù)增加，約占60%，固體回轉(zhuǎn)區(qū)集中在速度0.6～0.9 m/s的區(qū)域，約占總面積的26%，從速度矢量圖可見，固體回轉(zhuǎn)區(qū)部分被擋板打斷，速度高于0.9 m/s的區(qū)域約占14%，粉體粘壁現(xiàn)象加重；制粉室有4個擋板時，粉體速度明顯降低，低于0.6 m/s的區(qū)域約占75%，0.6～0.9 m/s的區(qū)域約占17%，高于0.9 m/s的區(qū)域約占8%，筒壁處有大量粉體粘結(jié)。

圖9 粉體徑向速度云圖Fig.9 Radial cloud of particles velocity

圖10 粉體徑向速度矢量圖Fig.10 Radial velocity vector diagram of particles

4 實驗分析

4.1 實驗原理

利用分子直徑較小的惰性氣體（氦氣）最大限度地標(biāo)定材料孔隙空間，能夠防止傳統(tǒng)排液法裝置對粉體的破壞，解決水分子不能進入較小孔隙引起的測試誤差。設(shè)立理想狀態(tài)方程計算材料真密度。

4.2 實驗裝置簡圖

實驗裝置簡圖如11所示。粉體由輸運管經(jīng)過加熱絲時，被加熱去除水分，進入氦氣室，氦氣由于粉體的進入，氣體被排入水箱，用量筒可測得同排出氦氣等體積水，量筒內(nèi)水體積與進入氦氣室的粉體體積相同，用天平可測得進入氦氣室粉體的質(zhì)量。系統(tǒng)恒溫在（35±0.01）℃。

4.3 粉體密度的測定

流場中無法測出粉體混合均齊度，采用氣體置換法測定真密度指標(biāo)，間接顯示粉體混合均勻性。篩分4種制粉室制得的粉體，當(dāng)制粉室含1擋板時：粉體粒徑＞0.83、＞0.38～0.83、＞0.25～0.38、0.18～0.25、＜0.18 mm的密度分別約為 2.5、2.3、2.4、2.0、1.8 g/cm3；當(dāng)制粉室有2個擋板時：粉體粒徑＞0.83、＞0.38～0.83、＞0.25～0.38、0.18～0.25、＜0.18 mm 的密度分別約為2.3、2.1、2.1、2.0、2.0 g/cm3；制粉室有 3個擋板時：粉體粒徑＞0.83、＞0.38～0.83、＞0.25～0.38、0.18～0.25、＜0.18 mm 的密度分別約為 2.6、2.4、2.2、2.1、1.7 g/cm3；制粉室含4擋板時：粉體粒徑＞0.83、＞0.38～0.83、＞0.25～0.38、0.18～0.25、＜0.18 mm 的密度分別約為2.6、2.4、2.1、2.0、1.6 g/cm3。粉體密度分布圖如圖 12 所示。由圖可知，加了1、3、4個擋板的制粉室內(nèi)粉體密度的曲線圖趨勢均為下降趨勢，2個擋板制粉室內(nèi)粉體密度曲線圖先下降，后趨于平緩。由云圖分析可知，當(dāng)制粉室有2個擋板時，固體回轉(zhuǎn)區(qū)主要區(qū)域被打斷，不同于1、3、4個擋板時，固體回轉(zhuǎn)區(qū)雖形狀及面積不同，但有接連部分，造成粉體混合均齊度類似，密度曲線相似。由曲線圖可知，2個擋板制粉室內(nèi)粉體混合均齊度最優(yōu)。

圖11 實驗裝置簡圖Fig.11 Diagram of the experiment device

圖12 粉體密度分布Fig.12 Density distribution of particles

5 結(jié)論

1）建立歐拉空氣-粉體兩相流模型分析粉體混合過程，對比制粉室含不同數(shù)量擋板時粉體軸向、徑向體積分?jǐn)?shù)與速度云圖、矢量圖。擋板能夠改變粉體在制粉室內(nèi)的運動狀態(tài)，阻礙粉體打漩現(xiàn)象出現(xiàn)，減少粉體堆積，但擋板也可使粉體運動速度降低。

2）多孔陶瓷干法制粉室內(nèi)含2個擋板時，數(shù)值計算結(jié)果顯示，粉體打漩程度與堆積度最低，實驗結(jié)果顯示粉體均齊度最高，實驗結(jié)論可為多孔陶瓷干法制粉室擋板優(yōu)化提供一定的理論參考價值。