1第三章 粉体密度及流动性2第一节 粉体的密度粉体的密度是指单位体积粉体的质量。粉体的密度根据所指的体积不同分为： 真密度、颗粒密度、松密度一、粉体密度的概念31、真密度（true density) t 材料在绝对密实状态下，单位体积的质量是指粉体质量（w）除以不包括颗粒内外空隙的体积（真体积Vt）求得的密度。t = w/Vt42、颗粒密度（granule density) g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Vg所求得密度。g = w/Vg5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)。3、松密度（bulk density) bb= w/V6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） bt。4、振实密度（tap density） btbt= w/V若颗粒致密，无细孔和孔洞，则t = g 一般： t g bt b7（一）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。二、粉体密度的测定方法8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9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。（二）松密度与振实密度的测定10松装密度测定装置一(a) 装配图 (b) 流速漏斗 (c) 量杯 11松装密度测定装置二(1) 漏斗(2) 阻尼箱(3) 阻尼隔板(4) 量杯(5) 支架12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 =1-g / t 粒子间空隙率 间= （ V-Vg ） / V = 1- b/g 总空隙率 总= （ V -Vt ） / V =1- b/t三、粉体的空隙率13在一定填充状态下，颗粒体积占粉体体积的比率 四、粉体的填充率 14第二节 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。一、粉体的流动性15种类种类现象或操作现象或操作流动性的评价方法流动性的评价方法重力流动重力流动瓶或加料斗中的流出瓶或加料斗中的流出旋转容器型混合器，充旋转容器型混合器，充填填流出速度，壁面摩擦流出速度，壁面摩擦角角休止角，流出界限孔休止角，流出界限孔径径振动流动振动流动振动加料，振动筛振动加料，振动筛充填，流出充填，流出休止角，流出速度，休止角，流出速度，压缩度，表观密度压缩度，表观密度压缩流动压缩流动压缩成形（压片）压缩成形（压片）压缩度，壁面摩擦角压缩度，壁面摩擦角内部摩擦角内部摩擦角流态化流流态化流动动流化层干燥，流化层造流化层干燥，流化层造粒粒颗粒或片剂的空气输送颗粒或片剂的空气输送休止角，最小流化速休止角，最小流化速度度16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。 二、粉体流动性的评价与测定方法17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， 越小流动性越好可视为粉体的“粘度” 常用的测定方法：注入法排出法倾斜角法1、休止角（安息角）( angle of repose) 18休止角的测定方法rh将粉体注入到某一有限直径的圆盘中心上，直到粉体堆积层斜边的物料沿圆盘边缘自动流出为止，停止注入，测定休止角。tan=h/r19崩塌角：测定休止角后，将重物至某定高处自由 落下，使料堆产生振动，此时形成的锥角。差角：休止角崩塌角对于细颗粒，安息角与粉体从容器流出的速度、容器的提升速度、转筒的旋转速度有关。安息角不是细颗粒的基本物性几点讨论：球形颗粒： a =2328，流动性好。规则颗粒： a30， 流动性较好。不规则颗粒： a 35， 流动性一般。极不规则颗粒：a 40， 流动性差。2021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22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 m的玻璃球助流。流出速度越大，粉体流动性越好。 2、 流出速度(flow velocity) 23流出速度的测定M：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241.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。粉体流动性的影响因素与改善方法253、内摩擦角l粉体层受力小，粉体层外观上不产生变化l作用力达到极限应力，粉体层突然崩坏l极限应力状态，由一对正压力和剪应力组成l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。26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27库仑定律实验表明，粉体开始滑移时，滑移面上的切应力 是正应力的函数当粉体开始滑移时，若滑移面上的切应力与正应 力成正比28C：初抗剪强度，与颗粒间附着力有关C=0，可忽视粉体颗粒间的附着力，因此流动性好C0，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。 29内摩擦角：粉体层上任意一点的应力关系 NFNGF物体在平面或斜面运动示意图30莫尔圆：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，剪应力，可用最大主应力1 、最小主应力3 ，以及 、 的作用面和1的作用面之间的夹角来表示，粉体层相对应力的莫尔圆 31库仑粉体：符合库仑定律的粉体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。IYF-线为直线a：处于静止状态-线为直线b：临界流动状态/流动状态-线为直线c：不会出现的状态粉体处于静止粉体沿该平面滑移不会发生34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 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砝码砝码 2上盒上盒 3中盒中盒 4下盒下盒图图 直剪试验直剪试验35垂直应力垂直应力 /9.8104Pa0.2530.5050.7551.01剪切应力剪切应力/ / 9.8104Pa0.4500.5370.6290.71836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，由得到的和作图，得粉体屈服轨迹。粉体屈服轨迹 有效屈服轨迹和有效内摩擦角374、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38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=(bt - b)/ bt 100% C为压缩度；b为最松密度；bt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。5、压缩度( compressibility) 39（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、爆炸压缩压缩机理40 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（2）压缩过程拱桥效应：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41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42物料固定螺丝V0V1btb压缩度的测定43测定压缩度仪器轻敲测定仪446、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。4546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，取去圆筒，在不加任何侧向支承的情况下，观测变化情况。 47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。 487、流动函数流动函数流动函数FF22FF44FF10粉体的流粉体的流动性动性强粘附性强粘附性流不动流不动有粘附性有粘附性不易流出不易流出易流动易流动自由流动自由流动粉体的团粉体的团聚性聚性强团聚性强团聚性团聚性团聚性轻微团聚轻微团聚性性不团聚不团聚49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、50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。51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固体桥，这正是吸湿性粉末容易固结的原因。52二、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R1及R2的两个球形颗粒，分子间作用力FM为： 对于球与平板：h颗粒间距，nmA哈马克（Hamaker）常数，J53【例】 同种物质的直径为1m的球形颗粒，其密度为10103kg/m3，当两者表面相距0.01 m时，设 A1020 J，试判断这两个聚集的颗粒能否因重力作用而分离？54三、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Q1、Q2两颗粒表面带电量，Ca 两颗粒的表面间距Dp颗粒直径55四、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：608056ABpsp0凸面ABpsp0凹面ABABp0平面水平面: pl = p0 凸液面: pl p0 凹液面: pl 0 ps = plp0 g：一般的曲率半径R与毛细管半径R的关系毛细上升公式：60颗粒间液桥模型图 6162设毛细管压力作用在液面和球的接触部分的断面上，而表面张力平行于两颗粒连线的分量作用在圆周 上，则液桥附着力由下式表示：63如颗粒表面亲水，当颗粒与颗粒相接触（a0），且100400时，则 Fk（1.41.8） (颗粒颗粒) （颗粒平板）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；（2）同一水平的垂直压力恒定；（3）粉体的基本物性和填充状态均一，故内摩擦系数 为常数 第四节 粉体压力计算一、Janssen公式6465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根据极限莫尔圆原理及假定1，对非粘性粉体，有 将上式整理后得 66积分后得： 67 根据边界条件可知，当时 时， ，得： 即：深度为 时，粉体铅垂压力 与高度 的关系为： 代入得： 68水平压力若粉体层的上表层有外载荷 p0 存在，则： 时， ，此时：69二、料斗（锥体）的压力分布*70以料斗的圆锥顶角为坐标原点，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 沿壁面长度方向上的摩擦力为： 71单元体部分粉体沿垂直方向的力平衡： 整理后得： 式中： （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： 时， ，有： 73 （2）若外压不为0，即： 74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。三、粉体的重力流动75整体流 漏斗流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 76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。1、 整体流77（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）仓壁磨损整体流的特点782、漏斗流79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细颗粒的渗漏作用振动颗粒的下落轨迹料堆上的冲撞安息角的影响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。83卸料时，通过改变流动模式以减少偏析的装置84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？