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第五章料仓

第五章料仓

料仓是粉体工艺过程中各种单元操作之间必不可少的设备,是各种松散物料的贮存设备。

料仓及其关联的加料,卸料及控制设备,在生产过程中起着贮存,输送物料的作用。

可以消除生产过程中各工序之间的不平衡及因设备的检修而造成的生产间断;和因生产管理,工作班制的差异所造成的干扰而保证生产的连续性。

除此之外,料仓在生产过程中还具有以下特殊功能:

(1)在许多化工过程中,料仓常兼作反应器,使粒状物料在料仓中完成反应过程;

(2)为了使生产过程获得稳定的来料条件,常需要对原料料流的质量偏差进行校正,或者将各种物料相互混合以取得波动较小的混合原料,料仓起到对贮存物料均化的作用;(3)在料仓中安装脱水装置,可以在贮存物料的周期内,对含水原料同时进行脱水,料仓起到对物料的脱水作用。

在耐火材料生产中料仓产主要用作于破碎和磨碎的供料,配料和成型的贮料。

料仓只是贮存物料的容器的一种,按贮存物料的容积及目的,贮存物料的容器一般分为以下三种:

筒仓较长时间贮存为目的的大型容器,多数距地面较近。

料仓较短的临时贮存为目的,是兼有象料斗那样可调节供料量的容器,其形状、大小任意,一般由钢筋混凝土或钢板制成。

料斗(下料斗)贮存不是其目的,而是按照出料口直径使物料的流量控制一定,并改变物料的流向,使物料能顺利地进入下道工序为其目的,一般由钢板制成。

第一节料仓中粉体的重力流动模式

长期以来,料仓研究的内容一直都是容量和结构强度两个方面,而对于料仓中松散物料的流动特征乃至如何确定这些特征都了解甚微。

但在料仓中经常碰到的问题却是仓内粉体流动不稳定,时快时慢甚至结块堵塞;有时中央穿孔而周围物料停滞不动;有时料仓中物料一下子全部卸出,很快流出,产生冲击流动;以及出现物料分离,这些无疑都将会给生产带来危害。

近年来,随着对粉体力学研究的深入,为料仓中粉体的流动的研究提供了基础,因而,在现在的料仓研究中将料仓中物料的流动作为主要的内容。

一、粉体在料仓中的流动状态

粉体在料仓排料口正上方的部分首先流出,然后逐步扩大流动范围,流动范围之外的部分静止不动。

在排料口附近的料流状态如图5-1所示。

D为颗粒自由降落区;C为颗粒垂直运动区;B为颗粒擦过E区向出料口中心方向缓慢滑动区;A为颗粒擦过B区向出口中心迅速滑动区;E区为颗粒不动区。

显然,凡处在大于休止角的颗粒均产生流向出口中心的运动。

C区的形状象一个椭圆体;B、E的交界面也象一个椭圆体。

图5-2所示的流动椭圆体EN和EG分别代表上述两个椭圆体。

流动椭圆体EN内的颗粒产生两种运动:

第一位的(垂直)运动和第二位的(滚动)运动。

边界椭圆体EG以外颗粒不产生运动。

EN的顶部为流动锥体。

经实验证明。

椭圆体EN和EG之比为1/15。

图5-3为粒度对流动椭圆体大小的影响。

图5-1出料口料流状态图5-2流动椭圆体

二、流动型式

从上述对椭圆体流动区域的分析可以看出,料仓中粉体流动应该按照椭圆体流动才是理想的情况。

如果仓内整个粉体层能够大致上均匀流出,如果5-4(a)所示,这种流动型式称为整体流;如果只有料仓中央部分产生流动,流动区域呈漏斗状,使料流顺序紊乱,甚至有部分粉体停滞不动,如图5-4(b)所示,这种流动型称为漏斗流。

整体流是指当料仓内任何一部分运动时,整个仓内的全体物料也在运动。

虽然,收缩区的颗粒要比其它部位的颗粒流动得快些,但是它们终归都处于运动中,在物料与仓壁之间也产生相对的运动。

 

图5-3流动椭圆体的大小

漏斗流表示发生在料仓中心的流动状态,只有料仓中心的物料在运动着。

如果料仓顶部的物料不能落入中心孔而作漏斗流卸出,则整个流动就会终止,这种情况被称之为管状穿孔。

以整个过程来看,两种流动形态造成了两种不同的结果,整体流导致了“先进先出”,它还能把在装料时发生过粒度分离的物料重新混合。

在整体流的情况下不会发生管状穿孔;而且整体流的流动均匀而平稳,仓内没有死角。

但是需要陡峭的仓壁而增加了料仓的高度;具有磨损性的物料由于沿着仓壁滑动而增加了对仓壁的磨损。

 

图5-4料仓流动型式

(a)整体流(b)漏斗流

虽然漏斗流对仓壁的磨损较小,但造成先加进的物料后流出即“先进后出”的后果,引起物料分离;大量死角的存在减少料仓的有效容积,有些物料在仓内一停就是好几年,这对贮存期间会发生变质的物料是极为不利的;而且卸料速度极为不稳定,易产生冲击流动。

漏斗流是一种有碍生产的仓内流动形态,而整体流才是料仓中理想的流动形式。

因此,料仓设计必须满足整体流的要求才是理想的。

第二节料仓中粉体的流动特征

料仓中的粉体由于粉体压力和颗粒间的附着、凝聚力等的作用,往往造成卸料口结拱、堵塞现象,使粉体处理过程过程的连续化和自动化出现故障。

六十年代,詹尼克(Jenike)以粉体力学为基础,对粉体在料仓中的流动进行了理论研究,并提出了整体流料仓的定量设计方法。

一、摩尔圆

为用二元应力系分析粉体层中某一点的应力状态,如图5-5(a)所示,在粉体层中取坐标轴X,Y,并设有一小直角三角形包围着这一点,该三角形的厚度为单位长度,两直角边与钭边上的应力平衡。

 

图5-5包含粉体层中某一点的直角三角形上的应力平衡

图(b)表示该直角三角形的受力状态,垂直应力X、、Y的注脚X,Y表示力的方向为X轴向、Y轴向。

剪应力XY,YX注脚的前一个字母表示受力面的垂直方向,后一个字母表示剪应力方向。

,X,Y分别垂直于受力面,朝三角形内侧的取下值,即为压缩应力。

设钭边长度为l,压应力和X轴的夹角为,力的平衡如下(式中消l)

X方向X.cos+YX.sin=.cos+.sin

(1)

Y方向Y.sin+XY.cos=.sin+.cos

(2)

由上两式分别消去和,则得

=X.cos2+Y.sin2+(YX+XY).sin.cos

=

(X+Y)+

(X-Y).cos2+

(YX+XY).sin2(3)

=

(X-Y).sin2+

(YX-XY)-

(YX+XY).cos2(4)

其次,对图(b)所表示的角取力矩,整理后可得下式

=Y.sin2+X.cos2+2XY.sin.cos

=

(X+Y)+

(X-Y).cos2+XY.sin2(5)

根据式(3)与式(5)相等,则下面的关系成立

YX=XY(6)

因此,式(3)和式(4)可写成如下形式

=

(X+Y)+

(X-Y).cos2+XY.sin2(7)

=

(X-Y).sin2-XY.cos2(8)

莫尔圆:

将上两式分别平方后相加,经整理得

+2=

+XY2

如将,分别取为横坐标和纵坐标,则一式可用圆表示之。

半径

r=

圆心坐标

,0

因此,由此圆可给出对应于任意的和值,该圆就称为莫尔圆。

最大主应力和最小主应力:

值随着和X轴的夹角(见图5-5(a))而变化的,故其最大值和最小值可由式(7)的微分求得。

=-(X-Y).sin2+2XY.cos2=0

令此时的为,则

tg2=

将此式代入式(8)时,=0,即表示无剪力时的垂直应力即主应力。

将其代入式(7),求得最大主应力1和最小主应力3如下

1或3=

(X+Y)+

(X-Y).cos2+

.tg2.sin2

=

(X+Y)+

(X-Y).

或将

=+

=+

代入得

1或3=

(X+Y)

莫尔圆与粉体层的对应关系:

图5-6(a)反映了上述关系。

为了研究莫尔圆与粉体层的对应关系,试同图(b)作一比较,在X,Y轴上,X,XY相当于作用在=0的面上,Y,YX相当于作用在=/2的面上,而在相应的莫尔圆中,它们是处在圆心的对称位置上即仅相差。

一般地说,X,Y坐标中的,相当于莫尔圆中的当2。

角为粉体层的X轴与最大主应罚作用方向的夹角。

 

图5-6摩尔圆和粉体层坐标轴的对应关系

因此,可以写出如下关系式

X=

.cos2

Y=

.cos2

XY=

.2sin2

如果将X,Y取在主应力面上,则可写出下式

=

.cos2

=

.2sin2

变形后成为

=1.cos2+3sin2

=3+(1-3).cos2

=1(

)+3(

=(1-3).sin.cos

莫尔圆的图解法:

已知最大主应力1和最小主应力3,最小主应力面X轴的夹角为时,可由作图求得任意方向面A—B上所作用的应力。

在图5-7(b)中,由已知的3,即c点,作与轴成角的直线和莫尔圆相交,交叉点为P(极点)。

由P点作A—B的平行线和莫尔圆相交于Q,Q点的坐标即为作用于A—B的应力,。

为什么可以这样绘图呢?

其理由是:

QPC和QFC分别为弧QC的圆周角和中心角,2QPC=QFC。

而且,QPC=BAO=(/2)-,QFC=-2,因此,QFD=-QFC=2。

在上述求极点P时,如通过D点作最大主应力面的平行线亦得到相同的结果。

 

图5-7莫尔圆的图解法

二、剪切仪试验

在整体流动的情况下,流动(卸料)开始后松散物料的整个体积全部处于运动中。

为了保证流动不间断地进行,必须使松散物料整体的强度不超过在发生阻塞的任何一点上的物料中的应力。

料仓中松散物料处在一定的压力,温度和湿度条件下,为了测定和料仓中相同条件下结实了的松散物料的强度,詹尼克制成了如图5-8所示的流动因素试验仪。

为了模拟料仓内粉体受上层自重而密实的状态,剪切用试样先经密实处理,即先以一定大小的密实荷重恒定垂直施加于试样上,经过一定的时间以后,将密实荷重解除,此时试样已具备一定的密实强度。

在比密实荷重较小的垂直荷重N的作用下进行剪切试样,并测得其剪切力S。

在不同的荷重N下(每次荷重均小于密实荷重)对其它试样进行重复测定,对求得的N和S除以剪切环体的内截面积A就得到垂直应力N和剪切应力,于是得到屈服轨迹,如图5-9(a)所示。

屈服轨迹经常是一条接近直线的曲线,并以轴上的截距C(表示物料的凝聚力)和它的钭率角(内摩擦角)来表示,即=tg.N+C,屈服轨迹的虚线部分表示张力I,系由粉体的张力仪测得。

 

图5-8剪切试验仪

如果改变密实荷重,就可得到另一个不同的屈服轨迹。

用不同的密实荷重可得到许多条屈服轨迹YL,如图5-9(b)所示。

将这些屈服轨迹的终点连结起来为一直线,其钭率角‘,表示在不同预密切实条件下的破坏条件。

 

图5-9屈服轨迹

三、开放屈服强度和粉体的流动函数

(1)开放屈服强度

料仓中的粉体处在一定的压力作用下,因此,具有一定的固结强度。

当然,固结强度除取决于压力之外,还与温度,湿度以及压力的作用时间有关。

如果卸料口形成了稳定的料拱,该料拱的固结强度,即物料在自由表面的强度就称为开放屈服强度。

如图5-10(a)所示,在一个筒壁无摩擦的,理想的圆柱形圆筒内,使粉体在一定的预加压应力1(称为固结主应力)作用下压实,然后,取去圆筒,在不加任何侧向支承的情况下,如果预压实的粉体不倒塌(图5-10(b)),则说明其具有一定的密实强度,这一密实强度就是开放屈服强度fc。

倘若粉体试件倒塌了(图5-10(C)),则说明这种粉体的开放屈服强度fc=0。

显然,开放屈服强度fc小的粉体,流动性好,不易结拱。

图5-10开放屈服强度

fc的确定方法:

由于自由表面上的止应力和剪应力均为零,这就相当于圆上的最小主应力3=0,剪应力=0;而最大主应力1=fc的应力状态。

因此,通过坐标原点,并与屈服轨迹YL相切的莫尔圆中的1即为fc,如图5-11所示。

相应的固结主应力1值可通过屈服轨迹YL终点相切的莫尔圆来确定。

(2)流动函数

固结主应力1与开放屈服强度fc之间存在着一定的函数关系,Jenike将其定义为流动函数,即:

FF=

FF表征仓内粉体的流动性,当fc=0时,FF=,即粉体完全自由流动。

也就是说,在一定的固结应力1作用下,所得开放屈服强度fc小的粉体,即FF值大者,粉体流动性好。

流动函数FF与粉体流动性的关系见表5-1

 

图5-11由莫尔圆确定fc和1

流动函数FF与粉体流动性表5-1

FF值

流动性

FF<2

强附着性,流不动

2

有附着性

4

易流动

FF>10

自由流动

四、有效屈服轨迹和内摩擦角

为便于数学处理,将与通过屈服轨迹终点的各莫尔圆相切的直线称为有效屈服轨迹EYL(见图5-11)。

EYL的钭率角就称为有效内摩擦角。

它与屈服轨迹终点的钭率角,之差约定5。

也就是说,可以采用EYL来表示不同预压状态下的破坏条件,其误差不大。

根据图5-11的几何关系,可得出

sin=

化简为

=

同时,可得出预压应力和固结主应力1之间的关系式

1=(1+sin)

五、料斗流动因数

料斗形状,仓壁摩擦系数等因素决定着料仓的流动性质,Jenike以料斗流动因数ff来表示,并定义为料斗内粉体固结主应力1与作用于料拱脚的最大主应力

之比,即

ff=

作用于料拱脚的最大主应力

可由下式确定

=

式中—容积密度

B—卸料口宽度

H(‘)—料斗半顶角

的函数,图5-12所示

也可由下式近似计算:

H(‘)=(1+m)+0.01(0.5+m)‘

式中m—料斗形状系数,轴线对称的圆锥料斗,m=1;

平面对称的楔形料斗,m=0

 

图5-12函数H(‘)

已经证明稳定料拱的料脚上作用着主应力1,它与料拱的跨距B成正比,其变化如图5-13所示。

对于一定形状的料仓,因1及

均同料斗直径呈线性关系,根据应力分布的理论分析,可得

式中S(’)为应力函数

 

 

图5-13整体流料仓中流动单元体的应力

流动函数(FF)和流动因素(ff)可以画在一起,如图5-14所示,位于FF线之上的ff那部分(FF>ff),处于料拱上的应力超过颗粒强度则发生流动。

位于FF线下面的ff线那部分,应力不足引起破坏,将发生结拱。

两条线的交叉点代表了临界值,在此交叉点以上可以满足整体流动条件。

 

图5-14流动因素—流动函数的关系

第三节料仓计算

一、料仓的容积及贮存量

按形状分类,料仓分圆柱形和棱柱形两大类。

实际贮存物料时,因为物料进入料仓的进料点总是固定的,料堆上必然要形成一个圆锥形,因此,物料不能占满整个容积,产生容积损失。

如图5-15所示,料仓的实际容积(V,)为料仓的几何容积(V)扣除损失容积(VL)后的容积,即

V,=V-VL

1、料仓的容积损失

(1)圆筒形料仓的VL按下式确定:

VL=

式中损失系数fl为积分项,

F=(1-

)2

相应于a/R的fL值示于图5-16

 

图5-15圆筒形和棱柱形料仓的容积

(2)棱柱形料仓如图5-15所示,可看作通过堆积中心铅垂地分为四部分,四个棱柱之角各有堆积中心,按下式计算VL。

设长边为L,短边为b,令=b/L,则

根据b/L值可计算fL值,见图5-16

图5-16确定损失系数图

2、料仓的几何容积

(1)圆筒形料仓(如图5-17),其几何容积V为圆柱体的容积与平截圆锥体的容积之和,可按下式计算:

V=

D2h1+

h(D2+Dd+d2)

(2)棱柱形料仓(如图5-18),其几何容积为正平行六面体的容积与平截四棱锥体的容积之和,可按下式求出:

V=abh1+

(2a1b1+ab1+2ab)

 

图5-17棱柱形料仓图5-18圆筒形料仓

3、料仓的贮存量

料仓的有效容积和几何容积两者的比值称为有效系数(或称充填系数)

0=

式中0-料仓的有效系数,0=0.75~0.85之间。

料仓的有效容积0随物料的自然休止角的大小和装料情况不同而有差别。

对于同一物料两点装料时的装料量比一点装入时多,通常装料有一点,两点和四点。

料仓的贮存量可按下式计算:

Q0=V,

或Q0=V0

式中Q0-料仓的贮存量,吨;

-物料容重,吨/米3

二、料仓底部角

物料从料仓中卸出是依靠重力作用,因此,料仓的仓壁倾角即底部角(仓壁母线与水平线的夹角),它至少要等于物料的休止角,必须大于物料与仓壁的摩擦角,才能使物料全部从料仓中卸出。

料仓的底部角应根据物料的性质和仓壁材料确定。

一般粒状物料的钢板料仓,底部角为50。

~55。

,不能小于45。

,混凝土料仓为55。

~60。

;粉末状物料料仓的底部角一般不应小于60。

含水量高的物料,底部角还应适当增大。

对于棱柱形料仓,料仓仓壁交界处的棱角(图5-19)同样也影响流动类型,料仓的两壁倾钭度看起来可能相当陡,然而料仓棱角却可能引起物料滞留于“沟谷”中并妨碍物料的流动。

 

 

图5-19料仓的棱角

矩形料仓棱角公式为:

=tan-1

方形料仓(a=b)时,

=tan-1

式中:

h-角锥垂直高度(包括切去部分)

a-短边长度

b-长边长度

三、卸料口

料仓卸料口的形状,大小及位置直接影响到料仓的操作。

对于棱形料仓来说,卸料口有圆锥截面的,矩形截面的及正方形截面的。

卸料口所在的位置如图5-20所示。

料仓卸料口最佳尺寸用实验方法确定,影响卸料口尺寸的主要因素有三个:

第一是物料的流动性质;第二是物料的粒度和均匀性系数;第三是要求的卸料速度。

根据詹尼克理论,整体流料仓的卸料口尺寸取决于粉体的流动函数和料仓的流动因素的比值,即整体流料仓的条件为:

FF>ff

fC<

显然,结拱的临界条件为:

FF=ff

如以fCCrit表示结拱时的开放屈服强度,则可写成:

=fccrit

料仓的最小卸料口尺寸为:

B=

用詹尼克方法确定料仓卸料口尺寸的方法原则上适用于细粒物料(粒径小于0.84毫米),因为粗颗粒物料不存在屈服强度。

料仓的卸料口尺寸,其一边长度(或直径)所允许的也可按下式进行计算:

A=k(D+80)tgr

式中A-方形卸料口的一边(或圆形卸料口的直径),毫米;

k-实验系数,筛分过的物料k=2.6,未筛分过的物料k=2.4;

D-物料的最大粒度,毫米;

r-物料的自然休止角。

此式适用于物料的自然休止角r=30。

~50。

,物料的最大粒度D300毫米。

由上式计算的卸料口尺寸还必须根据其卸料能力加以验算,卸料能力可由下式计算:

Q=3600Fv

式中Q-卸料口的卸料能力,米3/小时;

F-出料口面积,米2;

v-物料通过卸料口的卸出速度,一般0.2~2米/秒,对于难于松散物料取小值,结于容易松散物料取大值。

图20料仓卸料口的位置

第四节粉体贮存和流动时的偏析

在向料仓给料及卸料时,由于粉体粒径、颗粒密度、颗粒形状、表面性状等的差异,粉体层的组成呈现的不均质现象称为偏析。

在实际生产中,粉体的贮存一般是各种粉料分开贮存的,但同种粉料的粒度相差却是很大的,有的高达100倍。

所以在贮存过程中要考虑的偏析主要是由粒度的差异引起的偏析。

一、偏析机理

颗粒在贮存时发生粒度偏析的机理有如下三种:

1、附着偏析粉体进入料仓时,由于一定的落差,在沉降过程中粗粒和细粒就分开,细粒附在仓壁上。

当受外力振动时,该附着料层剥落下来,致使料仓卸出料的粒度分布发生前后波动的变化。

对粒度仅几个微米以下的(即沉降速度与布朗运动速度相等)或静电感应较好的细粉,附着偏析的倾向更甚。

2、填充偏析粉体按休止角堆积,由堆积钭面的上方供料时,沿静止粉体层的钭面将产生重力流动,倘若为慢慢堆积,则流动是时断时续地进行的。

如图5-21所示,慢慢堆积时,虽以静止休止角rs为条件,保持平衡,但一旦产生流动时,因rs>rd,故流动一直在进行至rs达到动态休止角rd时方可停止。

这种流动出现于堆积面大的局部部分。

图5-21渗透产生的粒度偏析及其测定法

由于静止粉体层之上的时断时续流动的表面颗粒层颗粒间有间隙,又处于运动状态,因此,大小颗粒混合物中的小颗粒将钻进大颗粒间间隙,到达流动颗粒层的下层,即到达静止粉体层中。

这一现象称为动态粉体层间的渗流。

这时,流动颗粒层具有筛分中筛网的作用,由粉体的供料点开始,沿流动方向的长度如为l,则沿l堆积钭面上颗粒的粒度变化和筛分中筛网上的粒度变化相似。

由于粉体的渗流过程,从而引起粉体的偏析。

3、滚落偏析起因于粒子的形状和摩擦状态的相异,一般粗颗粒的滚动摩擦系数小于细颗粒,因此,粗颗粒要比细颗粒滚落得快,粗颗粒分布在仓壁附近,而细粉集中在料仓的中央。

一般地讲,料仓中物料的偏析以滚落偏析为主。

二、偏析的后果

偏析带来的后果将是在料仓中呈现“内细外粗”的粒度分布状态,如图5-22a及5-23a所示。

料仓卸料时,再次发生颗粒的重新排布。

在整体流料仓中,重新混合发生在偏析物料离开垂直部分,并进入整体流料斗过程中(图5-22b),在料斗中会发生细颗粒部分与粗颗粒部分的混合,从而使偏析有所缓解。

 

图5-22整体流中典型的偏析和混合

(a)不排料料仓的加料;(b)卸料

图5-23漏斗流中典型的分离和卸料

(a)中心加料,不排料;(b)卸料开始;(c)继续卸料,料仓中的料位下降,(d)料位继续下降,卸出底

部物料;(e)底部物料完全卸出前开始加料;(f)料位上升;(g)与加料速度相同的卸料,料位保持不变

对于漏斗流料仓,出料斗的物料混合比可能发生变化,这取决于出料的速率,如图5-23b到图5-23g所示。

料斗卸空时,最后排出料斗的物料将是最粗的,料面低下来就开始加料,那么,在卸料时可以注意到,新进入的物料再次建立中央料芯式流动之前粗颗粒在短期内会增加。

如果卸料时以同样的速率不断补充物料,而且一条狭窄的流动通道也已形成,那么,出口处的分离就将减少,这种状态将会延续到料仓的料位发生变化,过一段时间后,如果料仓还没有卸空,细粉就可能渗透到不流动区的粗颗粒内,这时可能形成稳定的穿孔。

在耐火材料生产中,对物料的粒度级别的要求是很严格的,而料仓内物料的粒度偏析又是通常存在的,因此,应采取措施缓解料仓中的偏析。

三、防止偏析的方法

料仓操作中的颗粒偏析是生产中普遍存在的问题,因此必须根据产生偏析的原因采取有效措施加以解决。

根据对偏析机理的分析,滚落偏析是料仓中产生颗粒偏析的主要原因。

同时应当注意到有偏析倾向的物料是最自由流动的物料。

防止颗粒偏析的主要措施有:

1、从物料本身方面,应尽量缩小同粒级料中粗细颗粒的粒径差,也就是说要尽可能均匀的粒度。

因此,生产中可以采取多级筛分,尽量缩小粒级范围。

2、采用多点装料的方法,使装料过程中形成许多小料堆,如图5-24所示。

同样,增设进料口也可获得同样的效果。

3、增大料仓高度与直径的比值,即使料仓设计成细而高,使料堆的表面斜坡缩短,从而可以减小偏析的程度。

但这时须考虑厂房高度和建设投资等,用扩大卸料口的办法也可将偏析程度稍加降低。

4、采用垂直截址档板系统把料仓分成许多小的分格,以防止物料颗粒水平方向的运动,图5-25所示。

 

图5-24料仓加料时,减少偏析装置图5-25料仓中的挡板系统

另外,采用快速装料;装设嵌入体;增加卸料口以及侧边装料等方法也可以使料仓中的颗粒偏析得以降低。

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