第五章料仓

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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。 126

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。

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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

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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） 129

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

=12（X＋ Y）＋12（X－ Y）.cos2＋12（YX＋ XY）.sin2 （3）

=12（X－ Y）.sin2＋12（YX－ XY）－12（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＋ 2XY .sin.cos

=12（X＋ Y）＋12（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

=12（X＋Y）＋12（X－Y）.cos2＋XY .sin2 (7)

=12（X－Y）.sin2－XY.cos2 (8)

莫尔圆：将上两式分别平方后相加，经整理得

XY22＋2=XY22＋XY 2

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=XYXY22212

圆心坐标 XY2，0

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。

dd=－（X－Y）.sin2＋2XY .cos2=0

令此时的为，则 130

tg2=XYXY2

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=12（X＋Y）＋12（X－Y）．cos2＋XY2.tg2.sin2

=12（X＋Y）＋12（X－Y）．cossincos22222

或将 12cos=＋122tg

=＋1422XYXY

代入得

1或3=12（X＋Y）1422XYXY

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 131

因此，可以写出如下关系式

X=132＋132．cos2

Y=132－132．cos2

XY =132．2sin2

如果将X，Y取在主应力面上，则可写出下式

=132＋132．cos2

 =132．2sin2

变形后成为

=1．cos2＋3sin2

=3＋(1－3)．cos2

=1（122cos）＋3（122cos）

=（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，2QPC=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。