1基本性质

1粉体的基本性质教学内容：1.1粒径1.2粒度分布1.3颗粒形状1.4颗粒群堆积性质1.5粉体的摩擦性质22020/3/27粉体是粉体工程学研究的基本对象。工业生产单元操作过程中所处理的物料，因为物质种类千差万别，粒子的形成方式不同，所以其各种性质也不相同。而这些性质与有关的单元操作过程密切相关，直接影响这些过程的正常进行，且直接影响原料、半成品及成品的质量。物质种类不同各种性质不同粒子形成方式不同原料、成品与半成品的性质单元操作的效果与性能因此，在研究粉体工程学所涉及的各个单元操作过程前，必须对粉体的基本性质有所了解。32020/3/27粉体基本性质的三个方面：（1）粉体的几何形态性质。包括粉体粒子的大小、粒度分布、粒子形状以及堆积状态等。（2）粉体的力学性质。力学性质又分为静力学性质和其他力学性质。包括粉体的摩擦角、粉体压力、流动性以及在流体中的运动性质等。（3）粉体的其他物理化学性质包括粉体的电、磁、光、声、热学性质，以及粘附性、吸附性、凝聚性、湿润性、爆炸性等。本章仅就本书所涉及的有关单元操作过程，介绍主要的共性的粉体基本性质，其他的粉体性质，将结合具体的单元操作过程分别加以介绍。42020/3/271.1粒径表征颗粒大小的术语——粒径和粒度粒径：以单颗粒为对象表示颗粒的大小粒度：以颗粒群为对象表示所有颗粒的大小粒径分为：单一颗粒的单一粒径和颗粒群的平均粒径。粒径的定义与表达方式颗粒的形状、大小和组成颗粒的形成过程、测试方法和工业用途52020/3/271.1.1单一颗粒的单一粒径（单颗粒的粒径）1、对于单一规则形状的颗粒：球形其直径即为粒径。2、对于非球形颗粒：有两种表示方法。（2）当量球径：以在同一物理现象中与之有相同效果的球形颗粒直径来表示，即等效粒径，或叫当量径。（1）统计粒径：由该颗粒不同方向上的不同尺寸按照一定的计算方法加以平均，得到单颗粒的平均直径。图1-1颗粒的外接直方体62020/3/27表1-1单颗粒粒径的计算方法名称计算公式名称计算公式长轴径l表面平均径短轴径b体积平均径3lbh/(lb+bh+hl)二轴算术平均径(l+b)/2等体积立方体当量径V1/3三轴算术平均径(l+b+h)/3等体积球体当量径(6V/π)1/3二轴几何平均径(lb)1/2投影圆当量径(4A/π)0.5三轴几何平均径(lbh)1/3等表面积球当量径(s/π)0.5二轴调和平均径2/[(1/l)+(1/b)]等沉降速度球当量径三轴调和平均径3/(1/l)+(1/b)+(1/h)gup0186/)222(hlbhlb72020/3/271.1.2颗粒群的平均粒径实际生产过程中所处理的粉体是由许多粒径大小不一的颗粒组成的分散系统，具有一定的粒度分布，一般用平均粒径表示。若已知粒径为di的颗粒个数为ni，或质量比率为Wi，则颗粒群的平均粒径按这个数基准和质量基准的计算公式列于表1-2中。12ind1d2d3dnn1n2n3nnw1w2w3wn粒级区间各粒级个数基准各粒级平均径质量基准统计平均径和称量粒径82020/3/27表1-2平均粒径的计算方法名称计算公式个数基准质量基准加权径个数（算术平均粒径）d1(da)长度平均径d2面积平均径d3体积（质量）平均径d4(dm)nnd32//dWdWndnd22//dWdW23ndnddWW/34ndndWWd92020/3/27续上表平均表面积ds平均体积径dv几何平均径lndg调和平均径dh比表面积径dsφ/Svφ/ρp.SM中位径d50累积分布中累积值为50%时的粒径多数径dmod频率分布中含量最高的粒径nnd23//dWdW33nnd33/dWWndnln33/ln/dWddWdnn/4//3dWdW注:ds物理意义见“颗粒形状”一节;d50,dmod物理意义见“粒度分布”一节。102020/3/27（1）若颗粒较粗（1～20mm），则平均粒径d可按下式计算:pdnm363324.16ppnmnmd式中：m为颗粒群总质量；n颗粒个数（≥200粒）;为颗粒密度。p（2）上表中个数基准和质量基准的平均粒径换算公式为：qpqqqpqpddndnd1331112020/3/27说明：（1）上述单一粒径和平均粒径的计算是为不同的实际单元操作过程或某一粉体研究需要服务的，对不同的物化过程，应选用合适的平均粒径计算方法。平均粒径所适用的有关物理化学过程见表1-3。（2）对于同一颗粒群因此，在进行平均粒径的具体计算时，首先要根据具体生产的单元操作过程、粒度范围和粒度应用目的等选择颗粒在过程中最有代表性的粒度测定方法和计算方法，否则会得到不正确或完全错误的结果。不同的测定方法不同的测定数据得到不同的平均粒径同一测定数据不同的计算方法122020/3/27表1-3不同物理化学过程所采用的平均粒径符号平均粒径名称适用的机械、物理、化学过程算术平均径蒸发、各种尺寸的比较（筛分析）体面积平均径传质、反应、粒子充填层的流体阻力质量平均径气力输送、质量效率、燃烧、物料平衡平均面积径吸收、粉磨平均体积径光的散射、喷射的质量分布比较、破碎比表面积径蒸发、分子扩散中位径分离、分级装置性能表示Stokes粒径气力输送、沉降分析3dvsdmdsdDdsd50dstd132020/3/27表1-4粒度测定的方法测定方法粒度范围测定方法粒度范围筛析法＞40吸附法（气相）10~0.001光学显微镜法500~0.5吸附法（液相）10~0.001电子显微镜法10~0.001湿润热法10~0.001通过细孔法500~0.5渗透法100~0.5沉降法（液相）500~0.5反应速度法50~0.1风筛法（气相）100~1散射法（光线）10~0.001离心力法5~0.01散射法（X光）0.05~0.001扩散法0.5~0.001mm142020/3/271.2粒度分布对于颗粒群，除了平均粒径指标外，我们通常更关心的是其中大小不同的颗粒所占的比例，或者说颗粒群的粒度组成情况，即粒度分布。粒度分布：是指将颗粒群以一定的粒度范围按大小顺序分为若干级别（粒级），各级别粒子占颗粒群总量的百分数。显然，若颗粒群总量分别用个数和质量表示的话，则粒度分布相应有个数基准和质量基准两种，同一颗粒群，不同基准的粒度分布差别甚大，工业上一般采用质量基准。粒度表格：多用于筛析法测定粒度分布的数据记录中，是表示粒度分布的最简单的形式，也是粒度分布其他两种形式的原始形式。粒度分布数据的三种表达形式粒度表格粒度分布曲线粒度分布方程152020/3/271.2.1粒度分布的种类按照粒度分布与粒度d的函数关系，通常将粒度分布分成频率与累积分布两种，后者又有筛上与筛下两种累积分布，即：筛上累积分布：筛下累积分布：频率分布：dfR1dfD2dff312ind1d2d3dnn1n2n3nnw1w2w3wn粒级区间各粒级个数基准各粒级平均径质量基准162020/3/271、频率分布定义：设粒级范围为△d（平均粒径为di可近似由算术平均径求得）内的颗粒质量Wi占颗粒群总质量W的百分数为△Wi，则（Wi/W）/△d为频率f（%/△d）。通常取各粒级的△d相等，频率分布能比较直观地表示颗粒的组成特性。但若改变△d，则会得到不同的频率分布。表1-5频率分布粒级（um）平均径（um）质量频率（%/△d）个数频率（%/△d）粒级（um）平均径（um）质量频率（%/△d）个数频率（%/△d）＜20~106.519.535~4037.514.37.620~2522.515.825.640~4542.58.83.625~3027.523.524.1＞457.52.430~3532.523.917.2172020/3/272、累积分布（筛余与筛下）定义：用大于或小于某一粒径di的颗粒质量∑Wi占颗粒群总质量W的百分数来表示筛余累积百分数（R%）或筛下累积百分数（D%）。%1RD显然:表1-6累积分布粒级(um)质量累积（%）个数累积（%）R（%）D（%）R（%）D（%）＜20100.00100.002593.56.580.519.53077.722.354.945.13554.545.530.869.24030.669.413.686.44516.383.46.094.0507.592.52.497.6＞500100.00100.0182020/3/27为了更直观方便地反应和比较颗粒组成特性，通常更多地是采用作图法来绘制粒度分布曲线。作图法分为直方图法和曲线图法。对应前述的频率分布和累积分布，粒度分布曲线也分频率分布曲线与累积分布曲线。1.2.2粒度分布曲线图1-2粒度分布曲线筛余累积R/筛下累积D频率累积R/筛下累积D粒径d（um）RDf△d192020/3/27（1）中位径d50确定：为累积分布曲线中R=D=50%时所对应粒径。（2）多数径dmod：为频率分布曲线中曲线最高点所对应粒径；以及颗粒群个数平均径或质量平均径。说明：niiidfd1n：粒级数目di：某粒级平均直径fi：是对应立即频率平均径：maxmaxddddddddddRfdRddddddddddDfdDminmin%100minmaxmaxmindddddddddfdfdfdDR频率分布为累积分布的微分形式，f曲线为微分曲线；累积分布为频率分布的积分形式，R（D）曲线为积分曲线。（3）频率分布与累积分布的关系即：f曲线下所包含的全部面积显然：202020/3/27（4）由累积分布曲线画出频率分布曲线实际应用中，筛析法所使用的套筛（粒级不是等分的）并不能将颗粒群分成相等△d的粒级，使用中甚感不便，所以实用中常常是由累积分布曲线换算得到频率分布曲线。具体做法如下（作图法求频率分布曲线）：①根据套筛分析结果，绘制累积分布曲线（如R曲线）；②确定一合适的粒级区间△d，根据该区间对横坐标进行分度；③选择第i区间，由R曲线可确定该区间内的颗粒百分数为△Ri=Ri+1-Ri，则该区间的频率fi（％/△d）即为△Ri（％/△d）；④依此处理各区间，可得到相应的f1、f2、……、fn；⑤以△d为宽、fi为高分别作直方框图，用光滑曲线连接各直方框图的上中点，即得到其相应的频率分布。板书示意212020/3/27（5）粒度分布曲线的形式（半对数坐标）当粒度分布较宽，利用算术坐标绘制粒度分布曲线时，往往因为细粒级间隔很小而不易精确绘出，可采用半对数坐标表示，即横坐标为对数坐标绘制，纵坐标仍为算术坐标。粒度分布曲线0204060801001101001000粒径d（um）R(%)222020/3/271.2.3粒度分布方程曲线形式虽然直观，但是制作仍然较繁复，而且并不能很好地反应出具有相同或相似粒度分布特性的颗粒群的共性规律。对粒度分布最精确最简便的描述是用数学方程，即粒度分布方程。用它不仅可以表示粒度的分布规律，而且还可解析法求取各种平均粒径、比表面积等粉体特性参数，以及进行各种基准换算。另外，在实际测定时，还能减少决定分布所需的测定次数，即只需根据几个测定数据就可推断出整个粒度分布的规律。粒度分布方程有很多种，其适用粉体的种类和粒度范围均有一定限制，计算结果与实际也有一定误差。考虑到本专业的实用性，在课堂上主要介绍RRB分布方程，而对教材上介绍的正态分布及对数正态分布不作介绍，请同学们自学。232020/3/271、Rosin—Rammler分布方程Rosin、Rammler和Sperling等人通过对煤粉、水泥等物料粉碎实验的概率和统计理论的研究，归纳出用指数函数表示粒度分布的关系式，即RRS方程：)exp(100)(nbddR后经Bennet研究，将上式中指数