2粉體工程-粉體流變學(xué)

1、粉體工程與設(shè)備,煙臺大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院,學(xué)習(xí)重點(diǎn)1、休止角及內(nèi)摩擦系數(shù)2、 Janssen（詹森）公式3、流動與不流動的判據(jù),對數(shù)正態(tài)分布應(yīng)用示例,(1)可計(jì)算出平均粒徑,(2)可計(jì)算出每千克樣品中含有的顆粒個數(shù)n,(3)可計(jì)算出比表面積Sw當(dāng)顆粒為球形時,=6,(4)個數(shù)與質(zhì)量兩種基準(zhǔn)分布的變換關(guān)系,第二章 粉體的密度與填充率,粉體的密度系指單位體積粉體的質(zhì)量。 由于粉體的顆粒內(nèi)部和顆粒間

2、存在空隙，粉體的體積具有不同的含義。,一、粉體的密度,粉體的密度根據(jù)所指的體積不同分為：真密度(true density)、顆粒密度(granule density)、松密度(bulk density)三種。,1 真密度（true density) ρt,是指粉體質(zhì)量（W）除以不包括顆粒內(nèi)外空隙的體積（真體積Vt）求得的密度。,ρt = w/Vt,2 顆粒密度（granule density) ρg,是指粉體質(zhì)量除以包括開口細(xì)孔與封閉細(xì)

3、孔在內(nèi)的顆粒體積Vg所求得密度。,ρg = w/Vg,是指粉體質(zhì)量除以該粉體所占容器的體積V求得的密度，亦稱堆密度。,3 松密度（bulk density) ρb,ρb= w/V,填充粉體時，經(jīng)一定規(guī)律振動或輕敲后測得的密度稱振實(shí)密度（tap density） ρbt。若顆粒致密，無細(xì)孔和空洞，則ρt = ρg 一般： ρt ≥ ρg ＞ ρbt ≥ ρb,1 填充率ψ：在一定填充狀態(tài)下，顆粒體積占粉體體積的比率

4、。,二、粉體的填充率,2 空隙率ε：空隙體積占粉體填充體積的比率。,第三章 粉體的潤濕性,潤濕性 (wetting) 是指固體界面由固-氣界面變?yōu)楣?液界面現(xiàn)象。,,固體的潤濕性用接觸角θ表示。 液滴在固體表面上所受的力達(dá)平衡時符合Yong’s公式： γsg= γsl+ γlgcosθ 式中， γsg、 γsl、 γlg分別固-氣、固-液、氣-液間的界面張力。,θ=0º，完全潤濕； θ=180º

5、;，完全不潤濕； θ=0-90º，能被潤濕；θ=90-180º，不被潤濕。,第四章 粉體流變性,,判斷哪堆粉末流動性好？,一、粉體流動性的表示方法1、休止角2、流速3、內(nèi)摩擦系數(shù),休止角是粉體粒度較粗狀態(tài)下由自重運(yùn)動所形成的角，又稱作安息角。,1、休止角,休止角,≤ 30° 流動性好≤ 40° 基本滿足≥ 40°

6、 流動性差,粘性粉體或粒徑小于100~200μm的粉體粒子間相互作用力較大而流動性差，相應(yīng)地所測休止角較大。,2、流速,流速:單位時間內(nèi)粉體由一定孔徑的孔或管中流出的速度。,粉體流動性差時可加入100 μm的玻璃球助流。流出速度越大，粉體流動性越好。,3、內(nèi)摩擦系數(shù),（1）莫爾圓,用二元應(yīng)力系分析粉體層中某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)莫爾理論，在粉體層內(nèi)任意一點(diǎn)上的壓應(yīng)力σ，剪應(yīng)力τ，可用最大主應(yīng)力σ1、最小主應(yīng)力σ3，以及σ、τ的作

7、用面和σ1的作用面之間的夾角θ來表示，如下圖所示。,從以上兩式可知， σ的最大值為σ1，最小值為σ3； τ的最大值為(σ1- σ3)/2，最小值為0。,以σ1、σ3的方向?yàn)樽鴺?biāo)，畫出如圖5-2所示的粉體層對應(yīng)的任意點(diǎn)處的受力的莫爾圓。 畫法為：取on= σ1，ok= σ3，以om= (σ1+σ3)/2為圓心、km= (σ1- σ3)/2為半徑作圓即成。,（2）內(nèi)摩擦角的確定 a.三軸壓縮試驗(yàn),,這些圓的共

8、切線稱為該粉體的破壞包絡(luò)線。這條包絡(luò)線與σ軸的夾角即為該粉體的內(nèi)摩擦角φi。,b.直剪試驗(yàn),c.破壞包絡(luò)線方程 用直線表示破壞包絡(luò)線時，可寫成如下形式,此式稱為Coulomb(庫侖)公式，式中內(nèi)摩擦系數(shù)為μi=tanφi，呈直線性的粉體稱為庫侖粉體。 對于庫侖粉體，有如下關(guān)系式,變形后得下式,(3) 壁面摩擦角和滑動摩擦角 壁面摩擦角是粉體與壁面之間的摩擦角。

9、 滑動摩擦角是在某材料的平面上放上粉體，再慢慢地使其傾斜，當(dāng)粉體滑動時，板面和水平面所形成的夾角。,(4) 運(yùn)動角 在測量內(nèi)摩擦角的直剪法中，隨著剪切盒的移動，剪切力逐漸增加，當(dāng)剪切力達(dá)到幾乎不變時的狀態(tài)即所謂動摩擦狀態(tài)，這時所測得的摩擦角即可歸類于運(yùn)動角，亦稱動內(nèi)摩擦角。,二、影響粉體流動性的因素,（1）粒度（2）粒子形狀、表面粗造性（3）吸濕性（4）加入潤滑劑,粒度：在臨界粒子徑以上，

10、隨粒子徑增加，粉體流動性增加。臨界粒子徑：當(dāng)粒子徑小于100微米，粒子容易發(fā)生聚集，內(nèi)聚力超過粒子重力，妨礙了粒子的重力行為，這時的粒子徑稱為臨界粒子徑。,粒子形狀和表面粗糙性：不規(guī)則、粗糙，流動性差。,吸濕性：吸濕性大，休止角大，流動性差。但當(dāng)吸濕量超過一定值后，水分起到潤滑作用，流動性增加。,三、改善流動性的方法,1、適當(dāng)增加粒子徑2、控制含濕量3、添加少量細(xì)粉：一般加量為1%~2%,,四、粉體壓力計(jì)算,Janssen（詹森）

11、公式 三個假定：（1）容器內(nèi)的粉體層處于極限應(yīng)力狀態(tài)；（2）同一水平面的鉛垂壓力相等；（3）粉體的物性和填充狀態(tài)均一。,式中，D為圓筒形容器的直徑；μw為粉體和圓筒內(nèi)壁的摩擦系數(shù)；ρB為粉體的填充密度；k是把垂直應(yīng)力σv變換為水平應(yīng)力σh的比例常數(shù)。,將式5-13進(jìn)行處理、積分后得即為Janssen（詹森）公式。,粉體壓力飽和現(xiàn)象 當(dāng)粉體填充高度達(dá)到一定值后，p趨于常數(shù)值，這一現(xiàn)象

12、稱為粉體壓力飽和現(xiàn)象。,五、粉體在料倉中的流動模式(1)粉體從直筒形料倉口流出,(2)漏斗流,漏斗流料倉的缺點(diǎn)：① 出料口的流速可能不穩(wěn)定。② 料拱或穿孔崩塌時，細(xì)粉料可能被充氣，并無法控制地傾斜而出。,③ 密實(shí)應(yīng)力下，不流動區(qū)留下的顆粒料可能變質(zhì)或結(jié)塊。④ 沿料倉壁長度安裝的料位指示器不能正確指示料倉下部的料位。,(3)整體流,整體流料倉的優(yōu)點(diǎn)：① 避免了粉料的不穩(wěn)定流動、溝流和溢流。② 消除了筒倉內(nèi)的不流動區(qū)。③ 形

13、成了先進(jìn)先出的流動，最大限度地減少了貯存期間的結(jié)塊問題、變質(zhì)問題和偏析問題。,④ 顆粒的偏析被大大地減少或杜絕。⑤ 顆粒料的密度在卸料時是常數(shù)，料位差對它沒有影響。⑥ 因?yàn)榱髁康玫胶芎玫目刂?，因此任意水平橫截面上的壓力將可以預(yù)測，并且相對均勻，物料的密實(shí)程度和透氣性能將是均勻的。,六、料倉中顆粒流動分析(1)開放屈服強(qiáng)度fc,（2）流動函數(shù)FF,（3）流動與不流動的判據(jù),fc：開放屈服強(qiáng)度σ1：密實(shí)主應(yīng)力 ：作用在料

14、拱支腳處的主應(yīng)力,Jenike已經(jīng)指出作用在料拱腳處的主應(yīng)力 (kPa)可以表示為 式中ρB—物料容積密度； B—卸料口寬度 H(θ)—料斗半頂角的函數(shù),流動與不流動判據(jù)：當(dāng)fc > 時，粉體物料可形成足夠的強(qiáng)度支撐料拱，使流動停止；而當(dāng)fc < 時，粉體物料的強(qiáng)度不夠，不能形成料拱，就發(fā)生重力流動。,定義流動因數(shù)ff=

15、 σ1/ 用來描述流動通道或料斗的流動性。流動函數(shù)FF和流動因數(shù)ff差異：前者數(shù)值越大，粉體流動性越好；而后者數(shù)值越大，粉體流動性則越差。,流動函數(shù)FF 和流動因數(shù)ff 的關(guān)系,問題： 對料倉中顆粒進(jìn)行流動分析的用途是什么?,七、整體流料倉的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)要求：料斗必須足夠陡峭，使粉體物料能沿斗壁流動，而且開口也要足夠大以防止形成料拱。,形成整體流的條件為FF > ff，即fc < ，取

16、fc crit為結(jié)拱時的臨界開放屈服強(qiáng)度，則有 fc crit < 整理可得,式中ρB—物料容積密度； B—卸料口寬度 H(θ)—料斗半頂角的函數(shù),八、顆粒貯存和流動時的偏析,（1）粉體偏析的機(jī)理 a. 細(xì)顆粒的滲漏作用 b. 振動 c. 顆粒的下落軌跡 d. 料堆上的沖撞 e. 安息角的