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多组分粉体混合过程的理论分析与实验研究

叶涛  
【摘要】:粉体混合是使被加工物料在混合设备中达到均匀分散、相互渗透,从而改善混合物料的各种性质的方法和手段。粉体混合在食品、医药、材料、塑料、化肥、冶金等许多领域都有非常广泛的应用。对粉体进行高效的混合是产品质量的保障,也是节约资源以及大量固体废弃物再资源化的重要途径。但是由于粉体组成相和颗粒尺寸的多变性以及粉体运动的复杂性,人们对实际混合时颗粒的运动规律及机理还不能做出完善的解释。目前国内外关于粉体混合的研究取得了巨大的进展,特别是数值模拟技术的逐步完善和应用,极大地丰富了粉体混合领域的知识和技术。以计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)为理论基础的数值模拟技术能对流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等问题进行准确的预测,并在许多工程领域中得到验证和推广。计算流体力学的迅速发展及其在工业领域中的成功应用,为描述气力均化混合过程以及均化库结构的优化设计和参数优选提供了良好的研究手段。但是,现代水泥的生产及合成工艺过程是一典型多组分、并且颗粒尺寸分布很宽(微米——毫米)的粉状物料混合过程。它不仅是由不同化学成分的单元组成,而且各组成成分又包括了不同的粒径的颗粒状物料,因此它是具有多相分散的材料体系,是由无数个形状、大小和性质各异的颗粒随机组成的集合体,在毫米级的尺寸度量下的一个颗粒,实际上是由无数个不同尺寸的微细颗粒组成的聚集体。因此,粉体具有特有的“两重性”,即宏观上的连续性和微观上的离散性。正因为粉体的这种“两重性”,在水泥合成制造中,气力混合内部流场非常复杂,难以确切知道组成水泥的各组分粉体在混合过程中的作用和状态,使得以计算流体力学为理论基础的数值模拟技术在现代水泥的生产及合成工艺中,难以得到正确的验证。因此,目前人们还未能设计实现其粉体物料混合的最佳工艺,而且在生产实际中,由于缺乏合理的研究方法和手段,还不能对于水泥粉体混合均匀性作出正确的评价。本文以现代水泥合成中的粉体混合过程为研究对象,在分析研究了现有粉体混合的机理、特点及存在的问题基础上(包括多组分粉体混合的机理,混合设备的原理及相关结构、常用的混合均匀度的评价方法及其适用的范围等),针对粉粒体具有宏观上连续性的特点,运用多相流的相关理论分析与实验验证的方法,采用欧拉一欧拉模型,数值模拟并分析了水泥粉体在气力均化库中的混合过程及其宏观流动规律,计算结果给出了均化库内气相和颗粒相运动涡旋回流效应,描述了颗粒随流体作回流宏观运动的特点,得到了均化库内气体流动状态、颗粒混合运动规律等多项参数,全面、直观地反应了气力均化库内的颗粒的流动状态,为分析气力均化库混合机理提供了有效的颗粒混合的流动规律,亦为均化库的结构优化和实际操作参数的选取提供了重要的理论依据。随着科学的进步与发展,数字图像处理技术已经成为研究颗粒性质的一种新方法,这种方法使人们对粉体颗粒的微观结构和性质有了更深入的认识,已经成为了颗粒分析的必要手段之一。论文针对粉粒体具有微观上离散性的特点,对微观性能、形状各异的水泥熟料、矿渣组成的水泥粉体产品,进行了大量的相关实验研究(包括各组分物性测定、微观形貌分析、各组成成分的平均原子序数、混合物的显微图像分析等等),采用扫描电镜的背散射电子成像法对水泥成品的混合均匀度进行了分析,在实验研究的基础上提出了一种新的、基于图像分析的对混合料的混合均匀性进行定量分析研究的新方法。这种水泥粉体混合料均匀性评价的新方法,通过相关工业实践数据的对比分析,证实了它的有效性以及其具有的独特的优越性。


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