二氧化硅(SiO2)具有有机高分子材料无法比拟的优点，如化学惰性、 小尺寸效应、 物理刚性大、表面界面效应小和可忽略的溶胀性[1]等，在光子晶体[2]、 药物载体[3]、 精密陶瓷材料[4]、 色谱填料[5]和高分子复合材料[6]等众多技术领域中拥有广泛的应用前景，因此，通过粉体分级技术获得高品质的SiO2产品可产生明显的社会效益和经济效益。
目前，用于超细粉体湿法分级的设备主要有错流式分级机、圆锥水力分级机、离心分级机等[7-8]。虽然这些分级设备在粉体加工领域应用广泛，但存在设备复杂、分级精度浮动大和粒度调节困难等问题。传统液固流化床具有设备简单、操作容易、维修量少和分级精度高等优点，已大规模应用于实际生产中[9]，但在粉体分级过程中仍存在分级效率低、占地面积大和单位面积处理量低等不足。
斜板沉降技术运用“浅层沉降”原理，通过在沉降设备内添加若干组小间距平行的倾斜薄板，缩短固体颗粒沉降距离，从而增大处理量，减小沉降器体积和占地面积，提高处理效率[10-12]。本文中将斜板沉降技术和传统液固流化床相结合，研制一种新型的液固流化床分级装置；在液固流化床不同斜板倾角条件下，研究流化速度、物料质量浓度和进料流速这3种操作参数对SiO2粉末分级效率的影响规律，为实际生产中提高粉体分级装置的分级效率提供参考依据。
1 实验
1.1 仪器设备
仪器设备主要有：液固流化床分级装置(江南大学自制)；精密电子天平(奥豪斯国际贸易上海有限公司)；电磁强力自动搅拌机(上海标本模型厂)；智能蠕动泵(卡川尔流体上海有限公司)；恒温鼓风烘干干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)；Bettersize 2600激光粒度分析仪(丹东百特仪器有限公司)。
图1所示为液固流化床分级装置示意图，主要由流化水罐、智能蠕动泵(2个)、液固流化床和原料罐组成。为满足分级装置对粉体的分级需求，液固流化床分级装置主要由溢流口、倾斜板、进料喷头、流化水口、布水板和和底流口等构成；倾斜板材质为亚克力板，斜板倾角α设计为60 °、70 °和80 °；蠕动泵与流化水口、进料口均通过PVC软管连接，实现流化水和物料的自动进料功能；分级过程中，粒径大的颗粒从分级装置底部底流口流出，粒径小的颗粒从斜板上方溢流口溢出。
1—流化水罐；2—流化智能蠕动泵；3—液固流化床；301—溢流口；302—倾斜板；303—进料喷头；
304—布水板；305—流化水口；306—底流口；4—进料智能蠕动泵；5—原料罐。
图1 液固流化床分级装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of liquid-solid fluidized bed classification device
1.2 SiO2粉体浆料的制备
称取适量SiO2粉末分散至自来水中，将SiO2浆料置于转速为100 r/min的电磁强力自动搅拌机中充分搅拌。SiO2浆料的粒度分布如图2所示，粒径分布范围为0.43～67.55 μm，中值粒径约为10.1 μm。
图2 SiO2浆料的粒度分布
Fig.2 Particle size distribution of silica slurry
1.3 液固流化床分级性能评价指标
液固流化床分级装置需要确定评价指标的计算方法和测定参数。实验采用部分分级效率和综合分级效率[13-14]进行评价。
分级总效率γ为溢流级产品中颗粒质量与进料中颗粒总质量之比，其计算公式为
(1)
式中： ρ为原料颗粒的质量浓度，g/L；v0为物料进料流速，m/s；S为进料喷头横截面积，m2；t为溢流产品取样时间，s；mt为烘干后溢流产品和器皿总质量，g；m0为空器皿的质量，g。
部分分级效率η(x)定义为溢流级产品中某一粒径颗粒质量分数与进料中该粒径颗粒质量分数的比值，其计算公式为
(2)
式中： f0(x)为溢流级中颗粒粒径为x的质量分数，%； fi(x)为进料中颗粒粒径为x的质量分数，%。
本实验中以颗粒粒径尺寸区分产品是否合格，通过综合分级效率η评价合格产品和不合格产品的分离程度，合格颗粒粒径定义为≤6.41 μm。综合分级效率η的计算公式为
(3)
式中： β为溢流产品中合格细颗粒的质量分数，%； α为进料中合格细颗粒的质量分数，%。
2 结果与讨论
2.1 流化速度对分级性能的影响
设置流化智能蠕动泵的转速分别为0、 10、 20、 30、 40、 50 r/min，在不同的转速下多次测量每分钟的流量并取平均值得到流化流量，计算得相应的流化速度分别为0、 0.02、 0.03、 0.05、 0.07、 0.09 m/s。为了研究流化速度对液固流化床装置分级性能的影响，设定斜板倾角为70°， 物料质量浓度为8 g/L， 进料流速为0.023 m/s，考察流化速度对液固流化床分级装置SiO2粉末分级效率的影响。不同流化速度下溢流级的部分分级效率曲线如图3所示。
由图3可以看出， 当流化速度增大时， 分级粒径增大， 不同粒径颗粒的溢流级部分分级效率均呈现增大趋势。 其中， 流化速度在0～0.05 m/s增加时， 不同粒径部分分级效率显著增加； 当流化速度从0.05 m/s增加到0.09 m/s时，细颗粒的部分分级效率变化不大，而较粗颗粒分级效率增加较明显，主要原因是随着流化速度的增大，各粒级颗粒受到上升水流曳力也不断增大。从溢流级部分分级效率曲线可看出，粉体分级过程中出现鱼钩效应[15]，即部分细颗粒被粗颗粒携带至底流口，降低了细颗粒的部分分级效率，主要原因在于细颗粒间范德华力、粒子碰撞和粒子-流体的相互作用而发生严重的团聚，从而降低了较细颗粒溢流级部分分级效率。
图3 不同流化速度下溢流级的部分分级效率曲线
Fig.3 Partial classification efficiency curves of overflow stages under different fluidization flow rates
在不同斜板倾角条件下，流化速度对综合分级效率的影响如图4所示。由图4可知，当流化速度增加时，粗、细颗粒在流化床层(重力、流虚拟质量力、流体阻力、颗粒间相互作用力等)和上升水流曳力共同作用下进入溢流级的概率均增大。当流化速度过大时，粗颗粒将大量进入溢流级产品，导致综合分级效率降低。在流化速度较小时，斜板倾角越大，综合分级效率越大；在流化速度较大时，斜板倾角越大，综合分级效率越小，其主要原因在于倾斜板可使流化水上升速度数倍于特定粒径颗粒的沉降末速，且斜板倾角越小，流化水流速越大，分级装置单位面积的处理量越大；当流化速度一定时，斜板倾角越大，进入溢流级的颗粒粒径越大，体现为斜板倾角越大，综合分级效率最先达到最大值。
图4 不同斜板倾角条件下流化速度对综合分级效率的影响
Fig.4 Influence of fluidization flow rates on comprehensive classification efficiency under different inclined plate angles
2.2 物料质量浓度对分级性能的影响
为了研究物料质量浓度对液固流化床装置分级性能的影响，设定SiO2粉末在流化速度为0.05 m/s、 进料流速为0.023 m/s的条件下，物料质量浓度分别取为6、 7、 8、 9、 10、 11 g/L，不同物料质量浓度下溢流级的部分分级效率曲线如图5所示。
由图5可知，物料质量浓度较小时，不同粒度的部分分级效率变化不明显；而当物料质量浓度过大时，细颗粒的部分分级效率明显降低，这是因为物料质量浓度的增加增大了细微颗粒间的团聚概率和范德华力[16]，促使细颗粒进入到底流口，导致溢流级的部分分级效率降低。
图5 不同物料质量浓度下溢流级的部分分级效率曲线
Fig.5 Partial classification efficiency curves of overflow stage under different mass of concentrationmaterial
图6为不同斜板倾角条件下，物料质量浓度对综合分级效率的影响。由图6可知，随着物料质量浓度的增大，综合分级效率呈现先增大后减小的趋势，这是因为小范围增大物料质量浓度时，溢流级细颗粒的分级效率增加幅度较大；继续增大物料质量浓度，溢流级粗颗粒的分级效率增加幅度超过细颗粒的，综合分级效率呈现下降趋势，即达到分级装置的分离能力；相同物料质量浓度下，斜板倾角为70°时综合分级效率较高。
图6 不同斜板倾角下物料的质量浓度对综合分级效率的影响
Fig.6 Influence of mass concentrationof material on comprehensive classification efficiency under different inclined angle of inclined plate
2.3 进料流速对分级性能的影响
设置进料智能蠕动泵的转速分别为20、 25、 30、 35、 40、 45 r/min， 在不同的转速下多次测量每分钟的流量并取平均值得到进料流量， 计算得相应的进料流速分别取为0.015、 0.019、 0.023、 0.027、 0.031、 0.039 m/s，为了研究进料流速对液固流化床装置分级性能的影响，设定流化速度为0.05 m/s、物料质量浓度为8 g/L的条件下，考察进料流速对液固流化床分级装置SiO2粉末分级效率的影响。不同进料流速下溢流级的部分分级效率曲线如图7所示。
图7 不同进料流速下溢流级的部分分级效率曲线
Fig.7 Partial classification efficiency curves of overflow stage at different feed flow rates
从图7可知，进料流速从0.015 m/s增加到0.023 m/s时，细颗粒和粗颗粒的溢流级部分分级效率均在不断增大；当进料流速从0.027 m/s增加到0.039 m/s时，细颗粒的溢流级部分分级效率呈现稳定趋势，这是由于增加进料流速相当于同时增加液固流化床分级装置内部的上升水流和SiO2粉末的浓度，小范围增加流化速度可增加细颗粒的溢流级分级效率[17]，而进料流速过大时，SiO2颗粒间的团聚作用会降低细颗粒溢流级的部分分级效率。
图8揭示了不同斜板倾角下进料流速对综合分级效率的影响。由图8可知，在进料流速较小时，随着斜板倾角的增大综合分级效率增大；在进料流速较大时，随着斜板倾角的增大，综合分级效率减小。主要原因在于低进料流速下合格产品颗粒更容易从大倾角斜板中溢出；在高进料流速下，不合格产品颗粒会在小倾角斜板滑落，从底流口流出。同一斜板倾角下，当进料流速增大时，综合分级效率均先增大后减小，且斜板倾角较大时综合分级效率先达到最大值，这表明适当减小斜板倾角，可增大沉降面积，增加处理量，但如果斜板倾角过小，会导致装置重心不稳，同时会发生颗粒的堵塞现象。
图8 不同斜板倾角下进料流速对综合分级效率的影响
Fig.8 Influence of feed flow rates on comprehensive classification efficiency under different inclined plate angles
3 结论
将斜板沉降技术与传统液固流化床结合，研制出一种新型液固流化床分级装置；通过实验研究分析了流化速度、物料质量浓度和进料流速3个操作参数对分级性能的影响。主要结论如下：
1)随着流化速度的增大， 溢流级各粒级的部分分级效率增大， 综合分级效率先增大、 后减小。 在较低流化速度下， 斜板倾角越大， 综合分级效率越大； 在较高流化速度下， 斜板倾角越大， 综合分级效率越小。
2)随着物料质量浓度的增大，溢流级细颗粒的部分分级效率先增大、 后减小，综合分级效率先增大、 后减小。在相同物料质量浓度下，综合分级效率在斜板倾角为70 °时最大，斜板倾角为80 °时最小。
3)随着进料流速的增大，溢流级细颗粒的部分分级效率先增大、 后趋于稳定，综合分级效率先增大、 后减小。在较低进料流速下，斜板倾角越大，综合分级效率越大；在较高进料流速下，斜板倾角越大，综合分级效率越低。
4)当斜板倾角为60 °、流化速度为0.07 m/s、物料质量浓度为8 g/L、进料流速为0.023 m/s时，综合分级效率可达63.16%。
5)适当减小斜板倾角，增大流化水速度，可增大处理量，但斜板倾角过小会造成颗粒堵塞的现象。
[1]王维, 张可, 房冉冉, 等. KH570原位改性纳米SiO2球状颗粒的制备及疏水效果评价[J]. 中国粉体技术, 2019, 25(3): 42-47.
[2]崔涛, 王康妮, 高凯歌, 等. 带有多孔二氧化硅间隔层的导模共振光栅实现染料激光器发射增强[J]. 物理学报, 2021, 70(1): 292-300.
[3]SAHAR S, NASHWA A, EHAB E, et al. Application of either nano fibrillated cellulose methotrexate or nano silicon dioxide methotrexate composites against renal fibrosis in leukemia rat model[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2020, 157(15): 329-339.
[4]曾洪, 何建, 伍林, 等. 无定形二氧化硅在熔模精密铸造中的应用研究[J]. 东方汽轮机, 2019(1): 55-57.
[5]夏红军, 刘家玮, 白泉. 核壳型二氧化硅色谱填料的研究进展[J]. 色谱, 2020, 38(4): 372-382.
[6]CHEN Y F, LI J, TAN Y J, et al. Achieving highly electrical conductivity and piezoresistive sensitivity in polydimethylsiloxane/multi-walled carbon nanotube composites via the incorporation of silicon dioxide micro-particles[J]. Composites Science and Technology, 2019, 177: 41-48.
[7]李化建. 超细粉体的湿法精密分级研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2002.
[8]ZHENG S L. Industrial mineral powder production in China[J]. China Particuology, 2007, 5(6): 376-383.
[9]贺长营. 液固流化床中倾斜板的作用机理研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2016.
[10]GALVIN K P, IVESON S M, ZHOU J, et al. Influence of inclined channel spacing on dense mineral partition in aREFLUXTM classifier. part 1: continuous steady state[J]. Minerals Engineering, 2020, 155(15):106-112.
[11]侯海瑞, 孟辉波, 吴剑华. 斜板沉降器分离性能的研究[J]. 沈阳化工学院学报, 2006(3): 218-221.
[12]王喜良. 斜窄流沉降分离过程研究与设备研制[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2003.
[13]LAI W H, LU W F, CHEN C. The new expression of the effectiveness of powder classification[J]. Advanced Powder Technology, 2005, 16(6): 611-620.
[14]卢道铭, 范怡平, 卢春喜. 颗粒空气分级技术研究进展[J]. 中国粉体技术, 2020, 26(6): 11-24.
[15]ZHU G F, LIOW J L. Experimental study of particle separation and the fishhook effect in a mini-hydrocyclone[J]. Chemical Engineering Science, 2014, 111(24): 94-105.
[16]WANG C Z, CHEN J Z, SHEN L J, et al. Inclusion of screening to remove fish-hook effect in the three productshydro-cyclone screen (TPHS)[J]. Minerals Engineering, 2018, 122: 156-164.
[17]ABDOLLAHZADEH L, HABIBIAN M, ETEZAZIAN R, et al. Study of particle’s shape factor, inlet velocity andfeedconcentration on mini-hydrocyclone classification and fishhook effect[J]. Powder Technology,2015, 283: 294-301.