低温粉碎破碎体系的探讨剖析

　　1低温粉碎的作用

　　材料的超细粉碎技术是高科技发展的必然产物，现代工业要求许多物料成粉末状作为工业物料，它们具有极细的粒径，严格的粒度分布，极低的杂质含量，超细粉体广泛地应用于各行各业。但有许多物料在常温下是难以粉碎的或难以保证品质的粉碎，必须利用物料在低温下冲击韧性和延伸率降低，即变得硬和脆进行粉碎。低温粉碎适用于： （1）粉碎在常温下不能或极难粉碎的热塑性、热敏性、粘性物质，如塑料、聚酰胺（尼龙）、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、环氧树脂、酚醛树脂等高分子材料，以及化妆品原料、有机和无机染料、铁合金、粉末冶金原料等。低温粉碎产品粒度分布窄，立方体颗粒多，粉末的流动性好。并减少了粉碎时产生的异味、高温破坏和发生爆炸的危险。（2）粉碎易发热、变质及柔软的动植物，并可保持其营养成份及色、香、味。

　　利用医药、食品在低温状态下的冷脆特性予以粉碎，可以粉碎成极细小的微粒，对医药、食物能最大程度地保存原有物质的分子结构和药物成份或营养成分。保全医药、食品的活性物质，使其易被人体吸收，提高人体对多种药物成分或营养成分及微量元素的吸收率。（3）粉碎废物。如废旧橡胶的处理。橡胶是高聚物，即使采用深埋它亦能长达数十年难以腐烂；橡胶具有高弹性和高储能性，常温下难以粉碎；并且破碎时产生大量热量，使橡胶老化，品质变差。而利用橡胶在低温下脆化的物性，将回收后的废旧轮胎置于低温下粉碎，可获得极细颗粒的冷冻胶粉以便回收再利用。目前西方发达国家己实现了工业化。

　　2低温粉碎的发展状况及发展趋势

　　国外低温粉碎在50年代便已发展成熟，特别是在美、日等发达国家，已经有多家工厂利用液氮冷却粉碎废轮胎等来回收橡胶。在国内，低温粉碎在中草药和龟鳖的加工方面已有应用，例如福寿仙保健品就是利用了低温粉碎来加工龟鳖制成龟鳖丸。另外，一些药品如名贵中草药等也必须采用低温粉碎。低温粉碎能够粉碎常温下难以粉碎的物料，可广泛应用于各个领域。

　　目前的低温粉碎方法有： （1）先使原材料在低温下冷却，达到低温脆化状态，再投入常温态的粉碎机进行粉碎。（2）原材料为常温，粉碎机内部温度为低温进行粉碎。（3）将原材料冷冻至液氮温度（ - 196℃） ，同时将粉碎机内部温度也保持在合适的低温状态而进行粉碎。此工艺的核心是粉碎，关键工序是冷冻，因物料只有在足够低的温度下，经充分换热大幅度降低弹性后，才能进行有效地细碎。

　　低温粉碎的冷却多采用液氮喷淋冷冻法低温粉碎。如本世纪70年代，西方发达国家开始采用液氮生产胶粉，即利用液氮在常压下汽化温度低达- 196℃的特点冷冻胶粒，使其达脆化温度，再输入撞击式粉碎机中细碎。日本很早就采用液氮冻结药品、抗生素、中药材、海藻、甲壳素、蔬菜、调味品等，随后投入粉碎机粉碎，并用液氮冷源保持固定的温度，微细粒度可高达100μm以下。但在国内应用液氮冷源存在一个大问题，就是成本高。不是很纯的液氮市场售价也为3元/ Kg ，将l Kg低密度聚乙烯粉粉碎到D50 = 200μm左右约需消耗1～1. 2 Kg液氮，粉碎1 Kg聚乙烯粉仅液氮消耗需花费3～3. 6元。这对附加值较低的产品很难接受。

　　同时，当液氮用于粉碎医药及生物制品超细化时，由于液氮含有其它成份，因此对产品有一些污染；若要提高液氮的纯度则成本非常高，使应用受到更大程度的限制。

　　低温粉碎设备大多采用锤式粉碎机、销棒粉碎机，粉碎粒度受到限制。机械锤式粉碎机的产品粒度一般不超过80目，还存在粉碎过程中局部的过热，影响被粉碎物料（尤其是医药食品）质量问题。如采用机械锤式粉碎机加工聚乙烯酸胺，其达到的细度在60μm以上，60μm的含量极低。粉碎环氧树脂达到的细度在30μm以上，粉碎橡胶达到的细度在150μm.而实际市场所需要的粒度远远低于以上所能达到的细度。同时锤式粉碎机、销棒粉碎机会产生大量粉碎热和极高的局部冲击、磨擦发热，需要通过极低的温度来消除。

　　因此开发一种可以迅速消除物料粉碎过程的发热，避免冷却粉碎过程对物料的污染，能够将粒度控制在44μm以细的新型低温粉碎机是工业发展的必然要求。

　　3低温粉碎的冷却

　　低温粉碎需要较低的温度条件，用蒸汽压缩制冷方式，单级压缩受压缩比（一般不超过8～10）的限制，多级压缩又受到蒸发压力过低（系统密封性能减弱）和制冷剂凝固点的限制；而采用多制冷剂复叠式蒸汽压缩制冷循环，系统又非常复杂，维护、维修困难，且使用的制冷剂较昂贵。因此，较低温度和较快的冻结速度的获得需要用低温制冷剂来实现，现在唯一的选择就是液氮。目前，国外的传统观点是“柔弹性材料只有深冷到脆化程度才能有效地细碎”，因而采用液氮喷淋冷冻法低温粉碎。近些年来，有的研究单位采用空气涡轮制冷替代液氮冷冻物料，这是一种很好的想法，但结果并不理想。低温粉碎采用空气制冷循环方式，冷空气可直接进入需要冷却的环境，直接去冷却粉碎物料，不但省去了换热器或风机设备以及与这些设备的运转维护有关的元器件，而且还提高了整个制冷系统的性能。同时空气涡轮制冷温度范围宽，空气制冷循环可以满足空调温度到- 100℃以下的温度要求，而且温度越低，与其它制冷方式相比COP值越高。但低温粉碎的冷冻温度如果要控制在物料的脆化温度以下，如聚乙烯在- 100℃以下，轮胎橡胶- 70℃；由于空气涡轮的制冷温度远不及液氮低，如果要将物料控制在脆化温度以下，必须大幅度增大冷气量，增设辅助制冷设备以加大制冷深度。这总的成本虽比液氮低了，仍难工业化应用。

　　而且橡胶塑料类的物质被冷却到极低温之下，并不会象玻璃一样脆化而易于粉碎。脆化的粉碎与常温状态下的粉碎相比，虽然粉碎品质和形状有明显差异，但未必易于粉碎；其效果将取决于低温引起脆化程度与强度增大之比值。

　　低温冷冻目的： （1）可抵消粉碎时产生的局部热与温升，保持低温状态； （2）可降低物料的冲击韧性和扯断伸长率，使其易于被粉碎； （3）大幅度减少粉碎热，提高粉碎产量。物料是否一定要冷冻到脆化温度才能得到有效粉碎经过实验研究答案是否定的。那么冷冻到什么温度最为合适昵实验证明，将其冷冻到弹性明显减弱、粉碎时局部发热造成温升不影响粉碎效果与完全硬化这两个温度间的某一温度便可。这一方法实现的关键必须极大地消除粉碎时的局部冲击、磨擦发热。

　　4低温粉碎机

　　利用空气涡轮制冷机代替液氮，与流态化气流粉碎机组合成新型的低温超细粉碎系统。该系统不仅可以有机地将空气涡轮制冷机中具有一定背压的冷气用为动力，而且省去了机械转动部件，解决了多项零部件在高速冲击和低温下机械性能和工作可靠性问题。而且利用气流通过喷嘴的致冷效应以及物料相互碰撞实现瞬时粉碎，易于解决粉碎过程中的局部发热问题，并极大地消除粉碎热量，控制粉碎温升。

　　流化床气流粉碎机的原理：净化干燥的压缩空气导入特殊设计的几个相向放置的喷管，形成超音速气流进入粉碎室。物料由料斗送至粉碎室，在喷射气流中加速相互碰撞实现粉碎。经粉碎的物料随气流进入涡轮分级腔，按粒径大小分级，合格粒径的物料被分选出来，不合格的粗物料，再返回粉碎室、继续粉碎。

　　流化床气流磨粉碎是由压缩空气通过超音速喷嘴后，形成超音速气流带动物料加速，在交叉区相互碰撞实现粉碎。因此超音速喷嘴出口速度是至关重要的参数之一。在设计工况下，压缩气体通过超音速喷嘴后应能充分膨胀到与喷腔背压相同的工况。按理想流体绝热稳定流动且忽略空气入口速度不计，压缩空气通过超音速喷嘴后的出口的速度。

　　C = 2 K K - 1 R T 1（1 - P b P 1）K- 1 K其中： P―喷嘴入口侧的气体绝对压力， M pa； p b―喷腔内的背压， M pa； K―空气的热比，对双子分子，取K =1.4； T1―喷嘴入口侧气流的温度， K； R―气体常数， J/ Kg K.

　　4.1涡轮分级

　　涡轮分级主要依据不同粒径大小的颗粒，在旋转流中受到的离心力不同的原理进行的。

　　根据以往的研究结果，微细颗粒在分级流场中运动时，其受到的径向粘滞阻力符合斯托克斯曳力定律，假定（1）颗粒圆周运动方向无滑移， （2）在分级室径向运动上颗粒只受离心力与粘滞阻力的作用， （3）分级机内颗粒流动符合单颗粒动力学模型，那么当分级机结构一定时，分级的切割粒径：d c = k n Qρs在其中： K―与空气粘度，转子，叶片形状等有关的常数； n―分级轮的转速； Q―气体流量； Ps―颗粒物料的密度。

　　涡轮分级与其它类型的分级设备相比不会大量生热，粉碎后的合格物料与冷气流形成气溶胶通过分级叶片避免了温升，是低温高粘弹性、热塑性、热敏性、粘性物料分级的理想的设备。并且结构简洁、单位功耗的处理量大。

　　5试验研究

　　本研究中由于无空气涡轮制冷机，设计了如图所示实验系统。螺杆空压机1排出的高压空气（0. 8Mpa）经储气罐2、低温冷冻干燥3后，节流进入冷冻室4冷却物料。冷却合格的物料经加料口进入流化床粉碎腔5.冷冻室的背压空气（0. 2Mpa左右）导入粉碎喷管形成高速气流进入粉碎腔5 ，带动物料相互碰撞实现瞬时粉碎。经粉碎的物料随气流进入涡轮分级腔6 ，按粒径大小分级，合格粒径的物料被分选出来，在高效脉冲袋式收集器7中收集；不合格的粗物料，再返回粉碎室、继续粉碎。冷冻室采用流化床结构，均匀度好、物气接触充分、气流平稳易控制，获得了良好了的良好冷热交换。

　　通过该系统粉碎聚四氟乙烯，聚歌肢，环氧树脂，橡胶，聚乙烯粉，分别得到D97 = 10μm、D97 = 74μm、D97 = 25μm、D97 = 85μm的细碎产品。也可粉碎花粉、可可、葡萄糖、熟地黄、枸杞子等。实验证明该系统：

　　（1）可以避免常规的液氮致冷，亦匆需将物料冷却到脆化程度，只需冷却至硬化状态，就能有效地将物料进行细碎。（2）以将却到硬化状态的物料超细加工至100μm～5μm之间。（3）较之液氮深冷大大降低了能耗，并且保证避免对制品的污染问题。

　　6结论

　　6. 1低温粉碎，可粉碎常温下难以粉碎的物料、热敏性及受热易变质，易分解物质。具有广阔的应用前景，巨大的潜在市场。

　　6. 2采用空气涡轮制冷可以避免常规的液氮致冷，亦匆需将物料冷却到脆化程度，只需冷却至硬化状态，就能有效地将物料进行细碎。

　　6. 3利用空气涡轮制冷与流态化气流粉碎机组合成新型的低温超细粉碎系统。利用气流通过喷嘴的致冷效应，易于解决粉碎过程中的局部发热问题。物料相互碰撞实现瞬时粉碎，可极大地消除粉碎热量，控制粉碎温升。

　　6. 4理论分析与实验验证，该新低温粉碎系统热交换效率高、温度要求低、粉碎效率高。可以较经济地将冷却到硬化状态以下某一温度的物料超细加工至100μm～5μm之间。

　　6. 5由于冷冻成本是影响低温研磨系统的主要成本，所以研磨温度的最佳选取至关重要。通过对比研究优化选择适宜的低温粉碎温度，即保证冷脆性又能降低成本的最佳冷冻温度。