粉体密度及流动性.pdf

公;第一节粉体的密度一、粉体密度的概念粉体的密度是指单位体积粉体的质量O粉体的密度根据所指的体积不同分为:真密度、颗粒密度、松密度21 v 真密度（true dens i ty）p t材料在绝对密实状态下，单位体积的质量4=w/Vt是指粉体质量（W）除以不包括颗粒内外空隙 的体积（真体积M）求得的密度。2、颗粒密度(granule density)pgPg=枚7Vg是指粉体质量除以包括开口细孔与封闭细孔在 内的颗粒体积V。所求得密度。43、松密度(bulk density)pbpb=w/V指粉体质量除以该粉体所占容器的体积V（堆积体 积：包括颗粒体积及颗粒之间空隙的体积）求得的密度，亦称堆积密度（表观密度、容积密度）。54、振实密度(tap density)pbtPbt=w/V填充粉体时，经一定规律振动或轻敲后测得 的密度称振实密度(tap density)pbto若颗粒致密，无细孔和孔洞，则d=Pg 一般：pt pg pbt pb6二、粉体密度的测定方法(-)真密度与颗粒粒度的测定：常用的方法是用液体或气体将粉体置换的方法。液浸法：采用加热或减压脱气法测定粉体所排开 的液体体积，即为粉体的真体积。7比重瓶法测量原理：将粉体置于加有液体介质的容器中，并让液 体介质充分浸透到粉体颗粒的开孔中。根据阿基米 德原理，测出粉体的颗粒体积，进而计算出单位颗粒 体积的质量。比重瓶法测定基本步骤1）比重瓶体积的标定（2）粉体质量的称量（3）粉体体积的测定8(-)松密度与振实密度的测定将粉体装入容器中所测得的体积包括粉体真体积、粒子内空隙、粒子间空隙等。测量容器的形状、大小、物料的装填速度及装填 方式等均影响粉体体积。不施加外力时所测得的密度为松密度施加外力而使粉体处于最紧充填状态下所测得的 密度是振实密度。9其余V656-桃8-T(a)装配图(b)流速漏斗(0量杯U*a-v*a/czxa%-U%、兑*WA烹松装密度测定装置一牌(3)(4)漏斗阻尼箱阻尼隔板量杯支架松装密度测定装置二11三、粉体的空隙率空隙率（porosity）是粉体中空隙所占有的比率。粒子内空隙率内=（Vg-Vt/Vg=l-pg/pt粒子间空隙率间二（V-Vg）/V=l-pb/pg总空隙率8总二（V-Vt）/V=1-pb/pt12四、粉体的填充率在一定填充状态下，颗粒体积占粉体体积的比率二粉体填充体的颗粒体积=Mg二pb”粉体填充体积 Mg:g13第二节粉体的流动性一、粉体的流动性粉体的流动性(flowability)与粒子的形状、大小、表面状态、密度、空隙率等有关。粉体的流动包括重力流动、压缩流动、流态化流 动等。14种类现象或操作流动性的评价方法重力流动瓶或加料斗中的流出 旋转容器型混合器，充填流出速度，壁面摩擦角 休止角，流出界限孔径振动流动振动加料，振动筛 充填，流出压缩流动压缩成形（压片）休止角，流出速度，压缩度，表观密度 压缩度，壁面摩擦角 内部摩擦角流态化流动流化层干燥，流化层造粒 颗粒或片剂的空气输送休止角，最小流化速度15二、粉体流动性的评价与测定方法粉体的摩擦角粉体流动即颗粒群从运动状态变为静止状态所形 成的角是表征粉体流动状况的重要参数。由于颗粒间的摩擦力和内聚力而形成的角统称为 摩擦角。161、休止角(安息角)(9 angle of repose)休止角是粉体堆积层的自由斜面在静止的平衡状态下，与水平面所形成的夹角。用。表示，9越小流动性越好 6可视为粉体的“粘度”常用的测定方法:注入法排出法倾斜角法注入法 40 f流动性差。20影响休止角的因素（1）颗粒的形状，粒子越接近于球形，其休止角 越小（2）颗粒的大小（3）粉体的填充状态对于不同粉体，空隙率越大，填充越困难，休止角越大对于同种粉体，空隙率越小，休止角越大（接触点增多）（4）振动（5）粉料中通入压缩空气时，休止角显著地减小2、流出速度(flow velocity)是将物料加入漏斗中，测量全部物料流出所需的时 间，即为流出速度。粉体流动性差时可加入100 Rm的玻璃球助流。流出速度越大，粉体流动性越好。22流出速度的测定,00”42So PbM：流出粉体的总质量S：粉体比表面积R：粗糙度系数s0：小孔面积23粉体流动性的影响因素与改善方法1.增大粒子大小对于粘附性的粉状粒子进行造粒，以减少粒子间的接触点数，降低 粒子间的附着力、凝聚力。2.粒子形态及表面粗糙度球形粒子的光滑表面，能减少接触点数，减少摩擦力。3.含湿量适当干燥有利于减弱粒子间的作用力。4.加入助流剂的影响加入0.5%2%滑石粉、微粉硅胶等助流剂可大大改善粉体的流动性。但过多使用反而增加阻力。243、内摩擦角粉体层受力小，粉体层外观上不产生变化作用力达到极限应力，粉体层突然崩坏极限应力状态，由一对正压力和剪应力组成在粉体层任意面上加一垂直应力，并逐渐增加该层面的剪应力，当剪应力达到某一值时,粉体层将沿此面滑移。库仑定律：在粉体层中，压应力和剪应力之间有 一个引起破坏的极限。即在粉体层的任意面上加一定的垂直应力，若沿这一面的剪应力逐渐增加，当剪应力达到某一值时，粉体沿此面产生滑移。微元体在力作用下的变 形与运动库仑定律实验表明，粉体开始滑移时，滑移面上的切应力工是正应力。的函数、c=/(b)当粉体开始滑移时，若滑移面上的切应力工与正应 力。成正比t=NO+C（库仑粉体）破坏包络线方程27T=/(b)t 4 b+Cc：初抗剪强度，与颗粒间附着力有关c=o,可忽视粉体颗粒间的附着力，因此流动性好C#,属于粘性粉体。影响初抗剪强度的因素：温度，粒度及粒度分布，存放时间和填充程度等。长期存放时间，c急剧增 加；振动，c急剧增加。28内摩擦角:NF=MN物体在平面或斜面运动示意图6bciT=（对无付着性粉体）M=tan Ga 内摩擦角粉体层上任意一点的应力关系a29莫尔:用二元应力系分析粉体层中某一点的应力状态，根据莫尔理论，在粉体层内任意一点上的压应力5剪应力T,可用最大主应力力、最小主应 力6，以及O、T的作用面和丐的作用面之间的 夹角e来表示，粉体层相对应力的莫尔30库仑粉体：符合库仑定律的粉体 在粉体流动和临界流动的充要条件 莫尔-库仑定律：粉体内任一点的莫尔应力圆在IYF的下方时，粉体将处于静止状态;粉体内某一点的莫尔应力圆与IYF相切时，粉体处于临界 流动或流动状态。Ttw线为直线a：处于静止状态工R线为直线b：临界流动状态/流动状 态TR线为直线C：不会出现的状态r LIQ+C不会发生内摩擦角的确定直剪试验把圆形盒或方形盒重叠起来，将粉体填充其 中，在铅垂压力CT的作用下，再由一盒或中盒施加剪 切力，逐渐加大剪切力，当达到极限应力状态时，重叠 的盒子错动。测定错动瞬时的剪切力，记录数据1通码2上盒3中盒4下盒图直剪试验34垂直应力n/9.8X104Pa0.2530.5050.7551.01剪切应力T/9.8X104Pa0.71800.450 0.537 0.6298 6 4 2 o o o O131x6七长囹戳.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2垂直应力。/9.8xl04pa35有效内摩擦角以比压实荷重小的不同垂直作用力进行剪切实验，由得到的T和b作图，得粉体屈服轨迹。rEU*回扬金B盘氐援同一 m/粉体屈服轨迹有效屈服轨迹和有效内摩擦角364、壁摩擦角和滑动摩擦角壁面摩擦角：粉体与壁面之间的摩擦角。滑动角：在某材料的斜面上放上粉体，再慢慢地 使其倾斜，当粉体滑动时，板面和水平面所形成 的夹角。研究旋风分离收集料斗中颗粒沿锥壁下降时用此 角375、压缩度(compressibility)压缩度表示物质压缩的程度，是粉体流动性的重 要指标，其大小反映粉体的凝聚性、松软状态。C=(pbt-pb)/pbtX100%C为压缩度；Pb为最松密度；Pbt为振实密度。压缩度20%以下流动性较好。压缩度增大时流动 性下降。38压缩机理(1)压缩方式：静压缩：对整个表面均匀的压缩冲击压缩：撞击压缩、锤击压缩、爆炸压缩39（2）压缩过程压缩使粉体粒子之间和粒子内部发生的变化：（1）粉体粒子间相互推挤，加压的能量消耗在粒子 间的摩擦上（2）粉体内的架桥崩溃，加压能消耗在粉体和器壁 的摩擦上（3）粉体粒子间的物理啮合，加压能消耗在粒子变 形上及作为残余应力（4）粉体粒子的破坏，加压能消耗在粒子的变形和破坏 40拱桥效应：实际上颗粒不 是球形，加上表面粗糙，其互相交错咬合，形成拱 桥空间当粉体颗粒B落在A上，粉体B 受到的重力为G,则在接触处 产生反作用力，其合力为P,大小与G相等，但方向相反。粉体自由堆积的孔隙率往往比理论计算值大很多41压缩度的测定42测定压缩度仪器轻敲测定仪436、开放屈服强度fc粉体结拱现象开放屈服强度：与自由表面相垂直的表面上只有 正应力而无切应力。此正应力是使拱破环的最大正应力，该值是粉体 的物性。441 fOA+-fc=-2 c 2sinOAc=-tan G二 2cos0c 1-C sin45开放屈服强度测定在一个筒壁无摩擦的、理想的圆柱形圆筒内，使粉体在一定的密实最大主应力作用下压实。然后，取去筒,在不加任何侧向支承的情况下，观测变化情况。46如果被密实的粉体试样不倒塌，（b）所示，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。倘若粉体试样倒塌了，（C）所示，则说明这种粉体的开 放屈服强度=0。开放屈服强度值小的粉体，流动性好，不易结拱。aFF=7、流动函数流动函数 粉体的流 动性粉体的团 聚性fc6预密实应力力：开放屈服强度FF2 2FF4 4FF10强粘附性 有粘附性 易流动 自由流动流不动 不易流出强团聚性团聚性 轻微团聚不团聚性48影响粉体流动的因素1、温度和化学变化2、湿度3、粒度4、振动4、冲击作用5、49第三节粉体间的作用力一、粘附与凝聚粘附性：指不同分子间产生的引力，如粉体的粒 子与器壁间的粘附；凝聚性（粘着性）：指同分子间产生的引力，如粒 子与粒子间发生的粘附而形成聚集体。50产生粘附性与凝聚性的主要原因:干燥状态下：范德华力、静电力;润湿状态下：主要由粒子表面存在的水分形成液体桥或由于水分的减少而产生的固体桥发挥作用。在液体桥中溶解的溶质干燥而析出结晶时形成体桥，这正是吸湿性粉末容易固结的原因。51二、分子间作用力作用于粉体粒子分子间的范德华力对于半径分别为&及&的两个 尸二A&球形颗粒，分子间作用力为：乂=谛R+R?对于球与平板:AR 12/?h-颗粒间距，nmA哈马克(Hamaker)常数，J52同种物质的直径为l|im的球形颗粒，其密度为10X103kg/m3,当两者表面相距0.01 nm时，设A=10-20j,试判断这两个聚集的颗粒能否因重 力作用而分离？53三、静电作用荷电的途径:（1）颗粒在其生产过程中颗粒靠表面摩擦面带电（2）与荷电表面接触可使颗粒接触荷电（3）气态离子的扩散作用是颗粒带电的主要途径Qi、Qi-两颗粒表面带电量，ca两颗粒的表面间距Dp颗粒直径54k颗粒间的毛细管力液桥:粉体与固体或粉体颗粒之间的间隙部分存在液体时，称为液桥单元操作：过滤、离心分离、造粒 空气湿度：6080%55水平面:马=Po 凸液面:尸。0 凹液面：PiOPs=PLPoVO杨拉普拉斯（Young-Laplace）公式1 1一般式（对不规则曲面）：区（即）=7（.+）Ki K2特殊式（对球面）：PsSp)=苓&、R2是某一曲面上最大和最小曲率半径57毛细管作用力：毛细管插入液体中，管中液面呈凹 形，曲面受到向上的附加压力，曲 面下的液体受到的pv Po，则管外 液体被压入管中而使管内液面上升。凹液面上升h高度后，液柱静压力与 凹面附加压力Ps相等而达平衡27Ps=3Pg)ghK58曲率半径R，与毛细管半径R的关系Rcos 9一般的RR2/rPs=-=PiSh K毛细上升公式:27 cos e a 7 Ps=-=NpghK59当 a w 0,。w 0,2 w 0 时r(l-cos a)+(a/2)&=-C0S(6f+0)R2=rsin a+7?x sin(a+8)-161设毛细管压力作用在液面和球的接触部分的断面乃&sina)2 上，而表面张力平行于两颗粒连线的分量Z(sin(a+6作用在周2(rsin a),则液桥附着力由下式表示:rr 1Fk=2加/sin sin(a+6*)+sin a-j_Y氏2九262如颗粒表面亲水，当颗粒与颗粒相接触（a=0）,且a=10。40。时，贝IJFk=4乃建（颗粒一颗粒）（颗粒一平板）63第四节粉体压力计算一、Janssen公式对液体而言，满足如下定律：，(1)压力与深度成正比即帕斯卡定律(2)同一液面上压力相等，即连通器定律对粉体，Jassen作如下假设:/(1)容器内的粉体层处于极限应力状态;同一水平的垂直压力恒定;粉体的基本物性和填充状态均一，故内摩擦系数为常数64取h深处的微元层作为 研究对象，当其受力 平衡时，在铅垂方向 作受力分析为p-A+pB-g-A-dh)=(2+dp)-A+pfp产心Ph=%(kp)归黑(兰肯系数)-p+D2-pB-g-dh=D2p+dp)+7i-D-ph-Liw-dh取h深处的微元层作为研究对象，当其受力平衡时，在铅 垂方向作受力分析为d?.P 吟D?.pB，gdh=D2(p+dp)+kD.phM-dh根据极限莫尔圆原理及假定1,对非粘性粉体，有Ph _ l sin。,.fvp cr1 1+sin。将上式整理后得(DpBg-kp)dh=Dd66积分后得:h dh=odph 4w-kpB.g-方一夕D1，夕5 S-p J+C67根据边界条件可知，当时h=0时,得:代入得:D,C=-npBg44wk=0p=Pbd4 从w，k1 ex4 从w，k D即：深度为历时，粉体铅垂压力E1与高度E1的关系为:.g一丁”尸D4%*In4 g水平压力Ph=k P若粉体层的上表层有外载荷Po存在,此时:p=PBg,D44左+63)expj%臼I D J69二、料斗（锥体）的压力分布*70以料斗的锥顶角为坐标原点，建立如图所示的直角坐标系。取料斗中的微元，对该微元作垂直方向上的力平衡。先求与壁面垂直方向上单位面积的压力kpco(p+psiri(p=(左-cos2 0+sin?0)沿壁面长度方向上的摩擦力为:pk cos 2 夕+sin2 夕)71单元体部分粉体沿垂直方向的力平衡:万(y tan)2(p+dp)+pBg-dy=刀(y-tan?)2 p+2 3 tan 0 (kcos2 cp+sirf)-pcos0整理后得:dp p=Pb g+a 一 dy y式中:a 2w k-cos2 0+sin?0)tan。（与料斗形状、壁材料、粉体性质有关）72边界条件:(1)若外压为0,即:y=H时,p=o有:a w IB P=、oc-Xa 1H)4gy 1_ y73(2)若外压不为0,即:y=Hp=Po74三、粉体的重力流动粉体之所以会流动，是由于平衡条件被破坏后,粉体层沿剪切面的滑动和平移。整体流 漏斗流 75仓内粉体重力流动状态和模式（一）流动状态D：颗粒自由降落区C：颗粒垂直运动区B：团块运动区A：为颗粒擦过B区向出口区中心方向迅速滚落区E：颗粒不流动区除了E区以外凡处于大于安息角位置的颗粒均 产生流向中心的运动761、整体流仓内整个粉体层能够大致 上均匀流出，这种流动型 式称为整体流。77整体流的特点（1）符合“先进先出”的运 动特点，减少贮存期物料的结 块、变质、偏析等问题，而且 不同批次、高度的物料层基本 无交叉；（2）减少不稳定流动，使粉 体的密度基本保持恒定，有利 于计量（3）仓壁陡峭（4）仓壁磨损782、漏斗流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(b)79漏斗流的特点特点：(1)先入后出；(2)引起偏析、突然涌动、物料容重发生变化，会造成因 贮存而结块等后果，但对那些不会结块或不会变质 的物料，且卸料口足够大，可防止搭桥或穿孔的许多 场合，漏斗流料仓可以满足要求；(3)是局部流动，减少了料仓的有效容积，易发生塌落、结拱等不稳定流动，操作控制较难。80四、颗粒贮存和流动时的偏析1.偏析：粉体颗粒在运动、成堆或从料仓中排料时，由于粒 径、颗粒密度、颗粒形状、表面性状等差异，粉体 层的组成呈不均质的现象。812.非粘性颗粒偏析的机理冲撞时反跳，预过滤和滚动 引起沿料堆表 面的偏析中心加料-W料斗中有如I 混合工作区细颗粒的渗漏作用板:净碇近似乎0.75J.0振动，细料与俎料海 合并沿著牛壁 彩动粗料+细料 的88合物一颗粒的下落轨迹料堆上的冲撞安息角的影响9.：，：；粗颗粒的春 集可以沿仓 堡建立流动 模式82五、防止偏析的方法加料时，采取某些能使输 入物料重新分布和能改变 内部流动模式的方法。卸料时，通过改变流动模 式以减少偏析的装置，进口涵槽摆动或/转动撒布进入的 I物料流固定的料谕分离管多头加料管作业：1、何为颗粒密度，松密度，两者有何关系？2、某粉体的真密度为1000kg/m3,当该粉体以空 隙率=0.4的状态堆积时，求其松密度3、粉体流动性的影响因素与改善方法有那些？4、休止角、内摩擦角的含义?84