挡板数量对多孔陶瓷干法制粉混合过程的影响

2019-01-02吴南星甘振华余冬玲方长福赵增怡廖达海

中国粉体技术 2018年6期

吴南星，甘振华，余冬玲，方长福，赵增怡，廖达海

（景德镇陶瓷大学机械电子工程学院，江西景德镇 333403）

多孔陶瓷干法制粉相比于传统的湿法制粉有诸多优点，例如工艺简单、节能节水和效率提高等[1],但多孔陶瓷干法制粉目前尚未得到推广主要原因是粉体级配不均[2]、堆积度高[3]及组分不匀[4]等。上述缺陷导致粉体在旋转流场中极易出现打漩现象[5]，各粉体组分旋转轨道与速度均相似，无法起到混合作用。加装挡板可以有效减少甚至消除粉体打漩运动[6-8]，使粉体粒径分散、合理分布体积分数及各组分均匀混合[9-10]。

在多孔陶瓷干法制粉室内，任何加装于搅拌装置之外的室内静止部件均作为挡板[11]，国内外学者对类似加装挡板的装置已进行深入的研究。Chung等[12]采用欧拉两相计算流体力学模型，对无折流挡板和折流挡板柱进行三维数值模拟，折流挡板能够减少柱内的轴向混合，提高浮选回收率；孟振亮等[13]利用数值仿真方法，分析颗粒在新型气固环流反应器中的流动特性，得出颗粒逆流和错流混合提高颗粒径向接触；钟天铖等[14]通过构建计算机流体力学（computational fluid dynamics，CFD）模型，指出在推进式搅拌器的固液混合过程中，底部挡板能够减少粉体聚沉并提高成形粉体的均匀度；吴嘉等[15]利用CFD模型对挡板轻微偏心度进行数值分析时，振荡流反应器（oscillatory flow reactor，OFR）的三维流场进行数值模拟，挡板偏心度能够改变OFR振荡流场对称性，雷诺数与流场非对称程度成正比。以上研究表明挡板的条件会影响流场形态，进而改变粉体的运动状态。

本文中分析上述文献中挡板对流场形态及粉体混合程度的影响，基于CFD方法建立4种多孔陶瓷干法制粉室粉体混合物理模型，设立边界条件参数，讨论挡板数量与流场形态的关联性，根据粉体轴向与径向体积分数云图、速度场云图，探究粉体混合程度与挡板数量的内在关联性，同时，通过测定粉体密度均齐度侧面验证数值分析正确性。

1 计算区域简化

以2个挡板为例，粉体混合过程计算区域简化后见图1，粉碎铰刀对团聚粉块起到二次破碎作用，各粉体组分在造粒立柱及制粉室共同作用下搅拌混合。制粉室直径为235 mm，高度为300 mm，挡板宽度为20 mm，造粒立柱长度为20 mm，直径为8 mm，初状态粉体沉积区域约占制粉室1/4。图2为挡板结构剖视图。

图1 2个挡板制粉室Fig.1 Diagram of two baffles granulation room

图2 挡板结构剖视图Fig.2 Section view of baffle structure

2 有限元模型

2.1 网格划分

以2个挡板制粉室为例，将计算区域分为动、静共2个部分。粉碎铰刀和造粒立柱周围区域作为动计算区域，划分单元设置为滑移网格，除动区域外均设置为静区域，静区域划分单元设为多重参考系。

动区域由于粉碎铰刀及造粒立柱的三维结构较为复杂，在使用ICEM-CFD软件对其进行划网分格时，采用非结构网格；静区域的结构相对简单，采用结构网格对其进行划分。计算区域划分后的网格总数约为1.6×105，图3为网格划分示意图。

图3 网格划分示意图Fig.3 Diagram of mesh generation

2.2 边界条件

将制粉室筒壁、搅拌主轴、挡板、粉碎铰刀及造粒立柱均设置为墙，动区域和静区域的交接处设为交界面，这样便于2个区域的流场混合，实现计算数据的交换。粉碎铰刀及搅拌主轴的转速为1 200 r/min，制粉室的转速为40 r/min。边界条件示意图见图4。

图4 边界条件示意图Fig.4 Diagram of boundary conditions

2.3 求解方法

对欧拉-欧拉两相流模型进行了修正，使之符合空气-粉体两相流混合过程。采用压力隐式算法求解非稳态流场，湍流状态选用RNG k-ε模型分析，通过非稳态模型求时间解，离散相为保证精度，采用二阶迎风格式，压力-速度耦合相采用Simple算法计算，全部变量收敛残差值小于1×10-4。

3 数值结果讨论

3.1 粉体体积分布轴向云图

取轴向平面分析粉体体积分数分布云图如图5所示。粉制粉室仅有1个挡板时，粉体体积占制粉室70%，平均体积分数约为0.25，其中制粉室底部及壁面靠近液面处的粉体体积分数超过0.27，液面处的粉体体积分数分布区间在0.06～0.15，搅拌主轴两侧的粉体体积分数略高于液面处，含挡板一侧的制粉室内平均粉体体积分数高于无挡板一侧；制粉室有2个挡板时，搅拌主轴两侧粉体体积分数基本对称，粉体体积占制粉室的75%，平均体积分数约为0.22，铰刀下方的粉体体积分数大于0.27，粉体在壁面靠近液面处的体积分数为0.24～0.27，其余部分均低于0.24；制粉室有3个挡板时，搅拌主轴两侧粉体体积分数极不对称，粉体体积约占制粉室的80%，平均体积分数约为0.24，搅拌轴左侧粉体堆积区域略高于右侧，但左侧下半部分的粉体体积分数低于右侧相同位置；制粉室有4个挡板时，搅拌主轴两侧体积分数对称，平均体积分数约为0.26，制粉室底部及壁面处粉体体积分数均高于0.27，存在大量堆积。对比可知，2个挡板制粉室内粉体平均体积分数最低。

图5 粉体体积分布轴向云图Fig.5 Axial cloud of particles volume distribution

3.2 粉体体积分布径向云图

取径向平面分析粉体体积分数分布云图如图6所示。当制粉室有1个挡板时，云图下方存在粉体低聚集区，体积分数在0.23以下的区域占总面积约15%，体积分数在0.31以上的区域主要在挡板与搅拌主轴之间，约占总面积的22%；当制粉室有2个挡板时，挡板两侧有粉体低聚集区，体积分数在0.23以下的区域约占16%，云图中心处可见粉体堆积不高，体积分数高于0.31的区域约占总面积的5%，粉体体积分数沿着筒壁呈逆时针梯形分布逐渐降低，且体积分数关于云图圆心中心对称；当制粉室有3个挡板时，云图中心处粉体有较大堆积，体积分数在0.31以上的区域约占总面积的18%，3块挡板旁均有粉体低聚集区，体积分数在0.23以下的区域约占总面积的10%；当制粉室有4个挡板时，云图中心处的粉体堆积较前图严重，体积分数在0.31以上的区域约占总面积的25%，挡板周围均有粉体低聚集区域，体积分数在0.23以下的区域约占总面积的10%。对比可知，2个挡板制粉室内粉体体积分数在0.31以上的区域面积最小，粉体堆积度最少。

图6 粉体体积分布径向云图Fig.6 Radial cloud of particles volume distribution

3.3 粉体轴向速度

截取轴向平面分析粉体轴向速度云图和速度矢量图分别如图7、8所示。当制粉室内有1个挡板时，粉体平均速度约为0.7 m/s，从速度云图可以看出，搅拌主轴两侧粉体速度不对称，右侧挡板处平均速度高于左侧，且在速度矢量图中可以发现，右侧粉体有明显先上而下的轴向运动，左侧粉体径向速度居多，轴向速度不显著；当制粉室内有2个挡板时，粉体平均速度为0.6 m/s，搅拌主轴两侧粉体速度基本对称，并且从矢量图可以看出，当两侧粉体运动至搅拌主轴附近时，均沿着主轴方向向下产生轴向运动。

图7 粉体轴向速度云图Fig.7 Axial cloud of particles velocity

图8 粉体轴向速度矢量图Fig.8 Axial velocity vector diagram of particles

当制粉室内有3个挡板时，粉体平均速度约为0.5 m/s，速度矢量图显示搅拌主轴左侧的粉体大多为径向运动，并且该侧粉体有效运动区域低于右侧；当制粉室内有4个挡板时，从云图可知，粉体的平均速度约为0.4 m/s，从速度矢量图可看出，搅拌主轴两侧的粉体均有轴向运动，粉体沿筒壁向上后再朝向造粒装置运动。对比可知，挡板增多会降低粉体运动速度。

3.4 粉体径向速度

截取径向平面分析粉体径向速度云图和速度矢量图分别如图9、10所示。制粉室有1个挡板时，粉体速度低于0.6 m/s的区域约占总面积的46%，主要在壁面附近，速度在0.6～0.9 m/s的区域约占总面积的23%，速度大于0.9 m/s区域集中在铰刀叶片边缘，约占总面积的31%，速度矢量图显示，固体回转区虽被打断一部分，但主体仍未受到显著负面影响，粉体没有出现粘结筒壁现象；制粉室有2个挡板时，粉体速度低于0.6 m/s的区域较1个挡板时增加，约占总面积的55%，速度在0.6～0.9 m/s的区域约占总面积的28%，速度大于0.9 m/s区域范围在造粒立柱处，约占总面积的17%，由速度矢量图可见，固体回转区被打断，但粉体在筒壁附近出现速度为0的区域，出现粉体粘结筒壁现象。制粉室有3个挡板时，粉体速度低于0.6 m/s区域继续增加，约占60%，固体回转区集中在速度0.6～0.9 m/s的区域，约占总面积的26%，从速度矢量图可见，固体回转区部分被挡板打断，速度高于0.9 m/s的区域约占14%，粉体粘壁现象加重；制粉室有4个挡板时，粉体速度明显降低，低于0.6 m/s的区域约占75%，0.6～0.9 m/s的区域约占17%，高于0.9 m/s的区域约占8%，筒壁处有大量粉体粘结。

图9 粉体径向速度云图Fig.9 Radial cloud of particles velocity

图10 粉体径向速度矢量图Fig.10 Radial velocity vector diagram of particles

4 实验分析

4.1 实验原理

利用分子直径较小的惰性气体（氦气）最大限度地标定材料孔隙空间，能够防止传统排液法装置对粉体的破坏，解决水分子不能进入较小孔隙引起的测试误差。设立理想状态方程计算材料真密度。

4.2 实验装置简图

实验装置简图如11所示。粉体由输运管经过加热丝时，被加热去除水分，进入氦气室，氦气由于粉体的进入，气体被排入水箱，用量筒可测得同排出氦气等体积水，量筒内水体积与进入氦气室的粉体体积相同，用天平可测得进入氦气室粉体的质量。系统恒温在（35±0.01）℃。

4.3 粉体密度的测定

流场中无法测出粉体混合均齐度，采用气体置换法测定真密度指标，间接显示粉体混合均匀性。筛分4种制粉室制得的粉体，当制粉室含1挡板时：粉体粒径＞0.83、＞0.38～0.83、＞0.25～0.38、0.18～0.25、＜0.18 mm的密度分别约为 2.5、2.3、2.4、2.0、1.8 g/cm3；当制粉室有2个挡板时：粉体粒径＞0.83、＞0.38～0.83、＞0.25～0.38、0.18～0.25、＜0.18 mm 的密度分别约为2.3、2.1、2.1、2.0、2.0 g/cm3；制粉室有 3个挡板时：粉体粒径＞0.83、＞0.38～0.83、＞0.25～0.38、0.18～0.25、＜0.18 mm 的密度分别约为 2.6、2.4、2.2、2.1、1.7 g/cm3；制粉室含4挡板时：粉体粒径＞0.83、＞0.38～0.83、＞0.25～0.38、0.18～0.25、＜0.18 mm 的密度分别约为2.6、2.4、2.1、2.0、1.6 g/cm3。粉体密度分布图如图 12 所示。由图可知，加了1、3、4个挡板的制粉室内粉体密度的曲线图趋势均为下降趋势，2个挡板制粉室内粉体密度曲线图先下降，后趋于平缓。由云图分析可知，当制粉室有2个挡板时，固体回转区主要区域被打断，不同于1、3、4个挡板时，固体回转区虽形状及面积不同，但有接连部分，造成粉体混合均齐度类似，密度曲线相似。由曲线图可知，2个挡板制粉室内粉体混合均齐度最优。