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，则该颗粒所具有的动能为：E=0.5m2。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：

)1(5.022imE （7-1） 式中，i——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：

EmW22

 （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： WE 便可以求出使颗粒发生粉碎所必需的冲击速度i：

)1(12Ei （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、Arnaud Picot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；Arnaud Picot，Christophe Lacroix. Effect of Micronization on Viability and Thermotolerance of Probiotic Freeze-dried Cultures[J]. International Dairy Journal，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[18Rudinger G.. Fundamentals of gas-particle flow[J].Handbook of Powder Technology,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；20Tuunila R，Nystrstrom L. Technical Note Effect of Grinding Parameter on Product Fineness in Jet Mill Grinding[J]. Minerals Engineering，1998，11(11) ：1089-1094；21Laurence Godet-Morand，Alain Chamayou， John Dodds. Talc Grinding in an Opposed Air Jet Mill：Start-up，Product Quality and Production Rote Optimization[J]. Powder Technology，2002，128(2-3) ：306-313；Gommeren H J C, Heitzmann D A, Moolenaar A C, et al. Modelling and control of a jet mill plant[J]. Powder Technology, 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 [23 Midoux N， Hosek P. Micronization of Pharmaceutical Substances in a Spiral Jet Mill[J]. Powder Technology，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[Laurence Godet-Morand，Alain Chamayou，John Dodds.Talcgrinding in an opposed air jet mill：start-up，product quality and production rate optimization. Power Technology 2002.]。 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。Siti Masrinda Tasirin[22 Siti Masrinda Tasirin，Derek Geldart. Experimental Investigation on Fluidized Bed Jet Grinding. Powder Technology，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. Fluidised bed jet milling of pharmaceutical powders. Power Technology，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.Research into the acceleration of materials in Laval jet nozzles[J].Chemie ingenieur Technik，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]。