粉体物理过程及设备

1、2.粉体物理过程及设备,主讲人：陈建国 过程装备与控制工程 2009年9月,本 张 内 容,一、固体颗粒种类、分级、表征特性,二 、粉体的力学特性 ： 颗粒的附着力 ；安息角与摩擦角；流动性,三、粉碎过程及设备 ； 粉碎机理与方法；粉碎设备,四、 粉体分离及设备,五、 粉体的混合,六、 粉体的输送,2.1 固体颗粒种类、分级、表征特性,以粒径大于总体划分： 粒体（颗粒体）、粉体 再小：纳米材料,固体颗粒区分：,粒体（颗粒体）：粒径 50m,粉体：粒径 50m,纳米材料：粒径 10010nm,粒体： 力学行为主要受重力所控制，重力是影响粒体运动的重要原因。 粉体： 力学行为，粒子之间的附着力作用增大， 当粉体颗粒为10m左右，附着力与重力平衡。 当粒径小至10m以下，重力作用可以忽略。 粒径较小的粉体附着力较大，进一步粉碎不容易，即所谓的逆粉碎现象。,固体颗粒的物理特性： 颗粒粒径； 聚集状态； 易碎性； 堆积密度； 流动性； 泛溢性（Floodability）； 流化性等。,颗粒粒径描述颗粒的几何参数之一,聚集状态涉及到颗粒是否有粘附到另一个颗粒上形成团 簇的趋势 ，颗粒表面所带电荷有

2、关，影响颗粒 的流动性、混合与分离特性。,易碎性体现固体颗粒再次分离为更小颗粒的难易程度。,堆积密度是指单位体积下所含固体颗粒的质量,流动性是描述颗粒在自身重力作用下是否自由滚落流动， 由“安息角、休止角”来表示,泛溢性是描述粉体易于产生粉尘飞扬的性质，粒径小、质 量轻的粉体容易形成粉尘,流化性反映粉体是否容易产生流态化的行为，如煤粉气化,2.1.1 颗粒的粒度,固体颗粒的尺寸，通常称为颗粒的粒度，又称为粒径,常见有5种粒径尺寸：,筛分粒径dP ： 定义为筛分所测量的颗粒尺寸,体积粒径dV ： 定义为颗粒折成同等体积的球的直径,粒径公式：,V颗粒的体积,表面积粒径dS ：定义为颗粒折成同等表面积球的直径,粒径公式：,S颗粒的表面积,表面积与体积比粒径dSV ：颗粒折成同等表面积与折成的同等体积之比的直径，又称：比表面积球当量径,粒径公式：,圆当量粒径dA ：颗粒投影面积折成同等圆面积的圆的直 径。,粒径公式：,A颗粒的投影面积,平均表面积： 平均体积： 投影面积：,球形粒子：,单位体积比表面积Ssv ：,2.1.2 颗粒群的平均粒径,颗粒群的平均粒径：算术平均粒径,颗粒群实际粒径累加总

3、长度：颗粒按粒径排列总长,颗粒按粒径排列总长除以总个数,颗粒群实际粒径累加总长度：颗粒按粒径排列总长L,表2-1 平均粒径计算公式,粒径大小规律 ：,2.1.3 粒径分布规律,颗粒百分数分布曲线,计算公式：,正态分布函数 高斯曲线,2.1.4 颗粒的形状,颗粒的形状多种多样 ： 球状、卵石状、粒状、柱状、多棱体状、板状、片状、针状、角状、树枝状、纤维状等。不规则形有：雪花状等,常见颗粒的形状,石灰石-碳酸钙颗粒状； 重晶石，重质硫酸钒粒状； 滑石粉、天然石墨片状； 高岭土六角板状； 聚氯乙烯、聚苯乙烯球状粒子； 氧化铁棒状或树枝状颗粒； 高分子结晶体纤维状或球状,2.1.5 颗粒的测量方法,颗粒的粒度、形状和比表面积的测量方法有400多种 。,常用测量粒径方法,1）筛分法： 标准筛对粉体进行分级筛选。 常规筛可适用于大约100mm至40m颗粒的分离。 采用微孔筛可分离到5m颗粒。,ISO标准筛（沿用美国系列）：每英寸长度上的筛孔个数 ， 60目筛孔宽尺寸0.250，漏空面积A=0.250.25=0.0625mm2,2）显微镜法 测量颗粒的最基本方法。并且经常用显微镜法来标定其他方法，分

4、析其他方法测量结果的差异。 （1）光学显微镜测量粒度范围：0.3200m之间； （2）透射电子显微镜测量范围在1nm5m之间； （3）扫描电子显微镜测量的最小粒度为10nm。,（1）光学显微镜： 采用定向径方法测量,（3）扫描电子显微镜,放大倍数：几万倍,血液中红细胞 1000倍,头发端部800倍,肺癌细胞：900倍,高校软控芯片：1000倍放大,3）激光测量法 光散射法：通过测量颗粒的散射光强度、散射光通量或透过光的强度来确定颗粒的粒度。 消光法：通过测量由颗粒群散射和吸收后的光强度在入射方向上的衰减来确定颗粒粒径。 粒度测量范围：2nm2mm 例如：云雾水滴、蒸汽中水滴、燃料喷雾中的液滴、粉尘、煤尘、大气中尘粒等。 例如检测净化水、乳化燃料中的颗粒等。 液中分散粉粒，液体或气体为介质的分散体系。,装控实验中心激光衍射光谱仪,2.2 粉体的力学特性,粉体颗粒的力学特性包括： 颗粒的附着力：范德华力；水合作用力；静电力。 粉体摩擦特性：堆积密度；安息角与滑动角； 内部压力等。 粉体的流动性； 颗粒沉降与悬浮； 影响粉体流动特性，在储存、给料、输送、粉碎、分离、混合中必须考虑。,附着力定

5、义：固体颗粒相互聚集在一起的力 附着力的重要作用： “附着力”大小影响粉体的摩擦特性、流动性、分散性、压制性等。 附着力由三种形式： 范德华力 水合力 静电力,2.2.1粉体颗粒的附着力,（1）范德华力 定义：两分子间的相互作用力称为范德华引力。 颗粒间的范德华力： 式中： A为Hamaker常数，（查表） d1，d2两颗粒的直径。 Z0为颗粒间距离，通常取为4 （埃）=0.1nm=,a、当颗粒与平面接触时，此时d2,范德华力：,b. 当等直径两颗粒相互接触，d1=d2=d,范德华力：,(2)水合力,颗粒表面： 连接附着水分 （也称毛细管水分） 化合水分（结晶水、水质吸附膜 ） 颗粒之间水合力： “液桥” 结合力（毛细管力）； 吸附层结合力,液桥结合力 ： r液桥横截面的近似半径。 液桥表面张力系数。 表面张力作用线与体系对称轴间的夹角。 p液桥液面两侧的压力差。,吸附层结合力：,F 吸附层结合力； 吸附层厚度，； y两颗粒表面相邻之间的距离，； R1，R2两大小颗粒的半径，m； 被吸附液体的密度，g/cm3； mg小颗粒的重量。,（3）静电力,颗粒由于移动和相互之间摩擦将产生电子转移

6、，造成颗粒之间带电现象，即静电。 静电的作用使颗粒间出现作用力，即静电力。,颗粒之间的静电力目前还属于定性研究，无法准确定量计算。,一般情况下，小于1m的颗粒间范德华力起重要作用； 对于粗颗粒，特别是粒径在80m500m时，吸附层力占主导地位，范德华力甚至可以忽略。,2.2.2 粉体摩擦特性,粉体的堆放时的静止状态以及流动现象出现颗粒间： 安息角、滑动角、内摩擦角、壁面摩擦角 内摩擦力、内压力,（1）粉体堆积密度：,粉体在自然堆积时，粉体堆积密度 ：,自然堆积质量M与体积VB,堆积密度取决于颗粒的性质、形状、尺寸、尺寸分布及堆积方式 。,颗粒物在储存和运输中 ，仓储的总容积V的计算式：,V仓储总容积，m3； 仓储物料的有效容积，m3； M颗粒物质量，kg； K料仓的有效容积系数，一般取0.80.9,（2）粉体的安息角与滑动角,安息角： 自然堆积成圆锥形，圆锥体的母线与水平面的夹角称安息角。,滑动角： 散装颗粒放在平板上，当平板倾斜到颗粒物开始滑 动时，此时平板与水平面的夹角称为滑动角，用表示。,安息角与滑动角的影响因素有粒径、湿度、颗粒形状、颗粒表面光滑度和黏性,（3）内摩擦力,粉体的

7、内摩擦力 ：,式中 粉体的摩擦系数，也称内摩擦系数 N 粉体流动面上的正压力,内摩擦系数：,粉体的内摩擦角：,常规颗粒物安息角、内摩擦角和壁面摩擦角,（4）粉体堆积内部压力,垂直压力：,水平压力：,假设条件： 粉体层处于极限应力状态； 同一水平面上的垂直压力恒定； 内摩擦系数为常数。,詹森（Janssen）公式 ：,式中： 粉体均匀填充时的容积密度； 圆筒容器内径； 粉体与器壁间的摩擦系数；,主动粉体侧压力系数， 计算式：,2.2.3 粉体的流动性,流动形式分： 质量流动：所有粉体都流动，呈柱塞型整体向下流动。 中心流动：中心区域流动，在边缘或壁面附近静止不动 。 偏析流动：呈现颗粒分层及不均匀流动的偏析现象。 压力流动：粉体在一定外力作用下移动或流动。,2.2.4 颗粒沉降与悬浮现象,颗粒在自身重量作用下的沉降现象 。,斯托克斯沉降速度 ：层流状态颗粒,为流体的密度； 为颗粒的密度 为颗粒直径 ； 为阻力系数,颗粒悬浮运动 ：,颗粒的悬浮主要由气流的流速u与通过粉体时所造成的压降决定。,颗粒悬浮流动应用：管道粉体输送；工业中的沸浮床或流化床；风携带尘沙流动等。,可计算最小流化速度,六、课后作业,1、查阅某一种粉体特性资料； 2、水煤粉或其它粉体的制备 3、纳米材料粉碎方法,结 束,

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