材料科学粉体工程总复习

粉体——固体颗粒的集合体。数量极多尺寸微小比表面积巨大粉体必处于某种介质（气体或液体）中（除非在真空中）对粉体性状及行为的研究需要考虑固体颗粒与流体介质之间的相互作用第一章绪论根据实际需要确定研究问题的角度偏重固体属性偏重流体属性本课程以固体颗粒为研究对象，对其几何结构、力学性质和物理特性与粉体表面物理化学性质，以及粉体过程工程中的工艺与设备问题，进行系统研究。第一章绪论固体流体颗粒的集合状态：颗粒密集态颗粒离散态颗粒密集态：粉体在流体介质中以颗粒之间相互接触的方式形成聚集集合体。颗粒是主相颗粒与其它颗粒相接触颗粒自身的重力或承受的外力经由接触点在颗粒间平衡和传递1.1关于颗粒的集合状态超微粉体的表面效应：随尺寸的减小，表面原子数量占颗粒总原子数量的比例增加；表面原子一侧失去最近邻原子的成键力，产生“再构”现象；这种“再构”影响表面所有对结构敏感的性质，如原子振动、化学、光学和电子学等行为；颗粒比表面积和表面能增加，使得颗粒表面活性大大提高。1.3关于表面效应和量子尺寸效应对于形状不规则的颗粒，如何度量其尺寸?对尺寸不同且相对数量不等的颗粒群，如何从整体上度量其特征平均尺寸?颗粒不规则的程度如何量化？形状和尺寸对颗粒表面状态的影响如何量化？第二章颗粒的几何特性与表征颗粒几何特征包括：大小（尺寸）形状比表面积孔径……表征颗粒尺寸的主要参数：粒径、粒度及粒度分布值。2.1颗粒的大小与分布（最重要）粒径：以单个颗粒为对象，表征单颗粒几何尺寸的大小。粒度：以颗粒群为对象，表征所有颗粒在总体上几何尺寸大小的概念。实际颗粒大多并非球形，如何解决因形状不规则带来的尺寸度量问题？2.1颗粒的大小与分布任一粉体中颗粒大小都相等？两个平均粒径相同的颗粒群具有相同的粒径分布和组成？平均粒径提供的颗粒群特征信息十分有限！粒度分布：表征颗粒群中各颗粒的大小及对应的数量比率。粒度分布的表示方法：列表法、作图法、矩阵法、函数法2.1颗粒的大小与分布1）列表法：包含粒径及相对百分比含量；小于（或大于）某以粒径的筛下（或筛上）积累百分比含量；平均粒径。2.1颗粒的大小与分布粒径范围间隔平均粒径颗粒数相对频率筛下积累筛上积累1.4~2.00.61.710.10.199.92.0~2.80.82.440.40.599.5…...…...…...…...…...…...…...合计n=1000100Da=13.612页表2-6通常在粒级的划分中，几何级数较算数级数优先。因为大多数粉体的粒度分布的峰值偏向于小粒级方向，因此，在小粒级范围的分割区间可密集一些。2.1颗粒的大小与分布2.1颗粒的大小与分布粒度累积分布图用粒度分布方程（粒度特性方程）描述粒度分布规律有限、离散→无限、连续便于定量分析若函数选择或拟合不当会引起较大的分析误差可推出各种平均粒径、比表面积、单位质量颗粒数等参数粒度分布方程是以实验分析为基础的经验式正态分布Rosin-Rammler分布Gates-Gaudin-Schumann分布……4）函数法（1）正态分布钟形对称曲线（高斯曲线）某些气溶胶和沉淀法制备的粉体近似复合这种分布4）函数法频度分布函数：筛下累积分布函数：σ为标准偏差（2）对数正态分布大多数粉体（尤其是粉碎法制备的粉体）近似符合对数正态分布频度曲线不对称，曲线峰值偏向小粒径一侧4）函数法粒度的对数正态分布（3）Rosin-Rammler分布对于粉体产品或粉尘，如煤粉、水泥等粉碎产品符合的较好有Rosin，Rammler,Sperling和Bennett建立的，所以称为RRS方程或RRSB方程4）函数法筛上累积分布函数：若取D：粒径；De：特征粒径（4）Gates-Gaudin-Schumann分布对于某些粉碎产品，如颚式破碎机、辊式破碎机和棒磨机等粉碎产品，其粒度分布符合较好4）函数法颚式破碎机颚式破碎机工作原理2.2颗粒的形状颗粒形状影响粉体的一些重要性质比表面积流动性堆积性附着性流体透过阻力化学反应活性填充材料的增强和增韧性某些工业产品对粉体材料颗粒形状的要求产品种类对性质的要求对颗粒形状的要求涂料哦、墨水、化妆品固着力、反光效果好片状颗粒橡胶填充料增强、增韧和耐磨性非长形颗粒、球形颗粒塑料填充料搞冲击强度针状、长形颗粒炸药、爆燃材料（固体推进剂）稳定性光滑球形颗粒洗涤剂和食品添加剂流动性球形颗粒磨粒研磨性棱角状抛光剂抛光性球形颗粒颗粒形状的表述定性：球形、立方形、柱状、片状、鳞片状、棒状、针状、纤维状、树枝状、毛绒状、海绵状，以及粗糙、光滑、尖角状、圆角状等如何定量表征颗粒形状？形状因子形状的数学分析形状系数形状指数Fourier级数分数维表征定量表征2.2.3颗粒形状的数学分析法形状系数和形状指数简单实用，能获得与标准体（如球体和圆形）偏离程度的联想。但两个形状因子相同的颗粒可能实际形状明显不同。计算机数字图像处理技术为用数学分析法进行颗粒形状的表征提供了技术支撑。Fourier级数法和分数维法1.Fourier级数分析分析法1）极坐标法[(R，θ)法]将颗粒投影图的边界线数值化处理求出颗粒边界线所包围图形的面积质心以该质心为极坐标点，将边界线上的点的坐标(xi,yi)转化为极坐标(Ri,θi)若在个方向上取足够多的颗粒投影轮廓线，可得到颗粒三维数值图像1）极坐标法[(R,θ)法]显然{an}={bn}=0时，图形是一半径为A0的圆当n较小，对颗粒形状表征较为粗糙，反映了颗粒的主要特征n足够大，较精确地表征颗粒的实际形状颗粒轮廓的极半径R与极角θ的关系面积质心坐标规定投影轮廓最大长度方向为极半径的θ=0的位置d不是整数的几何图形不是欧式几何图形，称之为分形。按计算出的d不是整数的维数称为分数维1）分形与分数维分形自仿射分形（魔鬼台阶、大气压强和股票、期货指数函数、Brown曲线分形等）自相似分形严格自相似分形（包括Kock雪花曲线，自相交分形曲线，Z字形分形曲线，分行树，Cantor集，Sierpinski图形和分形曲面等）近似自相似分形（包括海岸线、孤岛、颗粒轮廓线、河流、云、材料中的结晶、沉积、端口形貌等）分形树将直线分为3等份在1/3和2/3处各添一条长为原长1/3的分支，夹角为30度生成元由速效为1/3的5条小线段构成2.3.1颗粒的表面性状液体——表面光滑固体——表面粗糙、不规则原因：液体抗剪切形变能力远小于固体，实质是液体分子间作用力远小于固体液体表面张力>剪切强度光滑的液体表面固体表面张力<<剪切强度表面张力不能改变固体表面的状态，其形貌决定与其形成条件2.3粉体比表面积单位体积（或单位质量）粉体所具有的颗粒总表面积粉体颗粒的总表面积：颗粒轮廓所包络的表面积+开放状态的颗粒内部孔隙、裂缝表面积颗粒越小比表面积大颗粒越粗糙（形状系数越大）比表面积越大2.3.2粉体比表面积体积比表面积SV=粉体颗粒的总表面积粉体颗粒的总体积=S/V（m2/m3;m2/ml）质量比表面积SV=粉体颗粒的总表面积粉体颗粒的总质量=S/V（m2/kg;m2/g）颗粒堆积可相对分为（松散堆积、密实堆积、致密堆积）松散堆积——在自身重力作用下，通过自由流动形成的堆积。堆积体内接触点数量相对较少，空隙体积较大，数量较多。密实堆积——在外力作用下，通过受迫流动形成的堆积。堆积体内接触点相对较多，空隙体积较小，数量较少。致密堆积——具有最适宜的粒度、级配和形状的颗粒，通过受迫流动形成的堆积。堆积体内接触点相对最多，空隙体积相对最小，数量也最少。3.1颗粒堆积结构的基本参数1）空隙率ε：颗粒堆积体中空隙所占的容积率2）堆积率λ：颗粒堆积体中颗粒所占的容积率，也称填充率。3.1颗粒堆积结构的基本参数ε＝颗粒堆积体中空隙的体积颗粒堆积体中表现体积=1－ρaρpρp：颗粒真密度；ρa：颗粒堆积体表观密度（容积密度）3）表观密度ρa：单位颗粒堆积体的表观体积所具有的颗粒质量，也称容积密度4）配位数Nc：某个颗粒与其周围的其它颗粒相接触的接触点数目。3.1颗粒堆积结构的基本参数颗粒堆积体质量颗粒堆积体中表现体积3.4.1Horsfield致密堆积理论在均一球形颗粒产生的空隙中，连续填充矢量比例和尺寸的小球形颗粒，以获得致密堆积。“菱面体堆积”空隙的大小和形状：6个球围成的四角孔4个球围成的三角孔3.4颗粒致密堆积理论与经验（1）设基本的均以球体为1次球体，半径r1；填入四角孔的最大球体为2次球体，半径r2；填入三角孔的最大球体为3次球体，半径r3；再填入更小的4、5、6…次球体，半径r4、r5、r6…；最后以极微细的球形颗粒填入剩余的堆积空隙中得到Horsfield堆积（2）各次球体半径的计算3.4.1Horsfield致密堆积理论堆积状态球体半径球体相对个数空隙率/%堆积率/%1次球体r1125.9474.062次球体0.414r1120.7079.303次球体0.225r1219.0081.004次球体0.177r1815.8084.25次球体0.116r1814.9095.10…极小极多3.9096.103.4.1Horsfield致密堆积理论理论堆积率为96.10%实际情况：极小颗粒间的作用力会变得很强，流动性能变差。过多的微细颗粒堆积将形成空隙。因此，理论上的致密堆积率是难以实现的。3.4.2Fuller致密堆积曲线连续尺寸的颗粒致密堆积经验曲线（1）较粗颗粒的累积曲线呈直线；（2）较细颗粒的累积曲线近似为椭圆一部分；（3）曲线在筛下累积为7%时与纵坐标相切；（4）曲线在筛下为37.3%时，在最大粒径1/10处，直线与椭圆相切。符合Fuller曲线的颗粒堆积体，可在粒度和级配上满足形成致密堆积条件3.4颗粒致密堆积理论与经验3.4.5致密堆积经验实际颗粒的堆积比较复杂，影响的因素：大小、分布、形状、颗粒间作用力、堆积空间的形状与大小、堆积速度、外力施加的方式。颗粒级配很难通过分级装置得到致密堆积理论所描述的粒度分布形式。致密堆积经验：（1）不能之用单一粒径的颗粒（2）采用多组分且组分粒径尺寸相差较大（3）两组分时粗细颗粒数量比例7:3；三组分粗中细颗粒数量比例7:1:2（4）适当增大临界颗粒尺寸（粗颗粒）尺寸3.4颗粒致密堆积理论与经验4.1颗粒接触点上的作用力与粉体层应力接触点上的作用力：使密集态粉体形成一定强度的力，即能抵抗粉体变形、流动的力。粉体从静止到开始变形流动有一个过程——由于粉体具有一定的强度（在颗粒的接触点上存在内聚力和摩擦力）最基本、最常见的内聚力：范德华力、静电吸引力、液体桥联力，表面断键形成的活性点之间的作用力、表面活性基团之间的作用力、粗糙表面间凹凸部分的机械啮合力。第4章粉体力学与流变特性作用于固体表面分子之间的作用力距离的6次方成反比，～1nm随分子量增大而增强FV越大，熔点和沸点越高比化学键力弱得多，作用范围大于化学键力对固体范德华力是短程力，对颗粒分子间作用力有协同作用效果对颗粒作用距离～100nm（固体紧密接触距离0.4nm）1.范德华力FV荷正电q1和荷负电q2的两个等径球星颗粒Dp之间的静电作用力为2.静电吸引力Fe由于表面张力σ引起的毛细管力所造成的。假设液体表面张力恒定颗粒能完全被液体润湿则在液体桥联处最窄部分的液桥力：3.液体桥联力F1b由于化学反应、烧结、熔融、再结晶、析出等产生的固态物质，将颗粒之间直接桥联的力。相对于其他内聚力，固体桥联力的结合强度很大，形成和影响因素也很复杂。4.固体桥联力Fsbrn为固桥联结出固态物最窄部分的半径Crb为固桥联结处固态物的强度固体桥联力打散后不易再形成一个固体对抗与其接触的另一个固体相对运动或欲运动的阻力。方向正切与接触面，与运动方向相反大小与其正压力成正比比例系数成为摩擦系数静摩擦系数、动摩擦系数摩擦力的大小不取决于接触面的表观面积。动摩擦系数不取决于其相对运动速度，且4.1.2固体表面的摩擦力接触面静止时，凹凸部分产生啮合作用，表面间距最小，相应的范德华力、表面断键的作用力、静电力都最大相对运动时，凹凸不平的表面会略为推开，接触面间距增大、相应的表面作用力减小，同时机械啮合作用减小。4.1.2固体表面的摩擦力粉体具有一定的强度受力较小时不会变形、破坏作用力达到极限时，粉体层产生突然的滑移或崩塌。粉体层极限应力状态——产生破坏时的应力状态压应力σ——剪应力τ的关系：Jenike剪切法实验三轴压缩法实验压应力与剪切力的变化关系反映了粉体层基本的力学性质4.1.3粉体层极限力状态将粉体装入上、下两个矩形（或环形）剪切盒施加不同大小的垂直压应力σ以相应的剪切应力τ使粉体层沿上、下剪切盒接触面产生滑移破坏得到极限应力状态下破坏粉体层的一组应力值(σi,τi)1.Jenike剪切法实验将粉体装入薄橡胶套（圆柱体，高度约为直径的2.5倍只有垂直压力不产生剪切应力半径方向通过液压施加压缩应力σ3i在轴线方向施加压应力σ1i使粉体层沿滑移面崩塌破坏等到一组(σ3i,σ1i)以σi=(σ1i+σ3i)/2为圆心，σi=(σ1i-σ3i)/2为半径作一组莫尔圆包络线的线性或非线性关系反映粉体层的力学性质2.三轴压缩法实验用一个圆来给出与θ相对应的σ和τ值2.莫尔圆将下式平方后相加得摩尔圆方程圆心半径引入最大主应力和最小主应力概念3.最大主应力和最小主应力最大主应力最小主应力角度相差粉体：尺寸微小、形状复杂、数量巨大不能用块体材料摩擦力的研究方式用摩擦角表征粉体的摩擦特性内摩擦角（密实堆积，颗粒间摩擦特性）休止角（安息角）（松散堆积，颗粒间摩擦特性）壁面摩擦角（密实堆积，颗粒与其它接触体之间的外摩擦特性）滑动摩擦角（松散堆积，颗粒与其他接触体之间的外摩擦特性）运动摩擦角（堆积状态（空隙率）在变化过程中的颗粒间摩擦特性）4.2粉体的摩擦角特性由Jenike剪切法实验或三轴压缩法实验获得压应力σ与剪应力τ的变化关系反应了粉体层内部由于内聚力和摩擦力所形成的抵抗变形、破坏的能力内摩擦系数μi：曲线的斜率内摩擦角φi：φi=arctanμi通常粉体的内摩擦角φi在25o～70o范围内4.2.1内摩擦角1.压应力与剪应力的三种变化关系1）理想库仑粉体过原点的直线直线与σ轴的夹角即粉体内摩擦角φiτ=(tanφi)σ=μiσ符合上式的称为理想库仑粉体μi理想库仑系数通常内聚力为0（或很小），且粒度较粗的粉体符合这一规律4.2.1内摩擦角1.压应力与剪应力的三种变化关系2）库仑粉体不通过原点的直线直线与σ轴的夹角即粉体内摩擦角φiσ=0时τs,τ=0时σsτs和σs是由于内聚力所形成的粉体抵抗剪切和压缩变形的能力σs为粉体的表观抗张强度，σs越大粉体抵抗变形、流动的能力越强μi=tanφi称为库仑系数内聚力较大，且粒度较细的粉体符合这一规律4.2.1内摩擦角1.压应力与剪应力的三种变化关系3）非库仑粉体不通过原点的曲线σ=0时τs,τ=0时σsτs和σs是由于内聚力所形成的粉体抵抗剪切和压缩变形的能力符合曲线方程的粉体称为非库仑粉体内摩擦系数为曲线全段斜率的平均值4.2.1内摩擦角曲线方程2.粉体主应力与内摩擦角关系（1）理想库仑粉体：（2）库仑粉体：库仑粉体的内摩擦角和表观抗张强度，决定着粉体层最大主应力和最小主应力的比值。4.2.1内摩擦角即Φr：堆积粉体在重力作用下流动所形成的自由表面与水平面的夹角也称安息角重力驱动自由流动尺寸微细的颗粒，内聚力~重力，重力不再是粉体流动的支配力堆积形状取决于内聚力休止角的意义不明确内聚力可忽略（理想库伦粉体）：休止角~内摩擦角通常休止角>内摩擦角4.2.2休止角测试方法：注入法、排出法、倾斜法1）注入法通过漏斗将粉体从上方排放堆积到水平面上，形成圆锥料堆（a）圆台直径D一定，测定料堆高度H获得休止角；这种方法很普遍。（b）将粉体连续堆积至漏斗底部为止。即H一定，测定D获得休止角；简单，但不适合易于滚动或流动性好的粉体。4.2.2休止角（a）（b）2）排除法将预先装入一圆柱形容器的粉体，通过底部圆孔排除，当排料流动停止后，容器内的粉体形成一个倒圆锥形漏斗空间测定H并由d获得休止角方法简单，但不适合黏附性强的粉体4.2.2休止角3）倾斜法将预先装入一圆柱形筒体内的粉体通过缓慢转动筒体，使粉体因倾斜而沿表面滑落下来测得休止角不适合黏附性强的粉体4.2.2休止角不同的测试方法得到的休止角略有差别。注入法通常比排除法或倾斜法的值小同一种方法，因测试装置结构和测试参数不同，结果也有差异通常按相应的测试标准进行，国标或JIS标准等。1）壁面摩擦角φw：在极限应力状态下，粉体与刚性壁面之间滑移形成的摩擦角。通过Jenike剪切法实验获得下剪切盒以被测壁面材料代替上剪切盒施加压力P，以响应的剪切力F使粉体沿壁面产生滑移。测得（σi,τi）,从而得到壁面摩擦角φw4.2.3壁面摩擦角与滑动摩擦角流动函数FF（也称开裂函数）：FF用以表示松散状态下的流动性能。在一定密实应力σ1作用下，fc小的粉体，FF值大，粉体的流动性好fc=0，FF→∞，粉体能完全自由流动4.3.4粉体的流动函数FF值粉体流动性FF值粉体流动性FF<1凝结（如过期水泥）1≤FF≤2强凝聚性，难流动（如潮湿粉体）4≤FF≤10易流动（如含一定水分砂）2≤FF≤4有凝聚性（如水泥）FF≤10自由流动（如干砂）h=0时，pv=0高度为h时的铅垂方向的压应力水平方向压应力ph=Kapv对棱柱筒形容器，以F/U置换式中的D/4（F为水平截面积，U为周长）h→∞时，即随粉体层高度增加到一定值后，铅垂方向的压应力趋于常数值（粉体压力饱和现象）4.4.1圆筒形容器粉体层压力分布在外力作用下，使粉体堆积体的体积减小，颗粒堆积结构趋于密实的过程。压缩方法：静态压缩、冲击压缩静态压缩：活塞缓慢运动方式加压的模具压缩以液体（油或水）等静压方式加压的液体压缩冲击压缩：振动锤击爆炸4.5粉体的压缩颗粒间相互推挤、移动，颗粒重新排列。加压能量主要用于克服颗粒间摩擦力颗粒间架桥崩溃，小颗粒进入大颗粒间空隙中；部分颗粒开始出现变形趋势，加压能量主要用于克服颗粒间摩擦和器壁的摩擦颗粒表面凸凹部分被破坏，并产生紧密啮合，颗粒间形成一定强度的结合。加压能量主要用于产生颗粒变形和残余应力储存。少量颗粒产生破坏，堆积体的压缩硬化趋于极限。加压能量主要用于颗粒变形、硬化和破坏。4.5.1压缩机理实际压缩过程不可能顺序连续发生。压缩应力的设计、控制十分重要：压缩应力过低，成型体强度或密度达不到设计要求压缩应力过大，成型体强度或密度的提高不明显，却过多的消耗了能量4.5.1压缩机理受重力作用：形成重力沉降运动受离心力作用：形成离心沉降运动颗粒与流体间的运动时相对的颗粒的沉降速度是指颗粒与流体之间的相对运动速度，或称滑动速度5.1颗粒在流体中的沉降运动沉降运动状态分为两个阶段：1）剩余重力Gr大于运动阻力R加速沉降沉降速度逐渐增加运动阻力R快速增加2）运动阻力增大到与剩余重力Gr相等时匀速沉降此时的沉降速度被称为颗粒临界沉降速度uc或终端沉降速度。颗粒粒度小，加速时间短，第一阶段在整个过程中可以忽略1.颗粒的自由沉降现象1.颗粒的自由沉降现象颗粒沉降速度当运动阻力系数C确定时，颗粒的自由沉降速度u取决于：颗粒的直径Dp颗粒的真密度ρp流体的动力黏度μ流体的密度ρ粉体工程中的两类常见的作业：利用不同粒径的颗粒沉降速度的差异，将同种粉体按尺寸大小分级或分离处理利用不同密度的颗粒沉降速度的差异，将不同粉体按密度的大小进行分选处理流体对颗粒的阻力分两部分：流体相对颗粒作层流绕流时的黏性阻力流体相对颗粒作湍流绕流时产生的涡流惯性阻力颗粒的运动阻力与流体的流态有关。雷诺数Rep判定流体的流态（1）Rep<1，层流，颗粒的运动阻力：黏性阻力（2）Rep>1000，湍流，惯性阻力（3）1<Rep<1000，过渡流，黏性阻力+惯性阻力5.1.2颗粒的运动阻力系数5.1.2颗粒的运动阻力系数球形颗粒的颗粒雷诺数Rep与运动阻力系数C的实验关系层流区（Stokes区），Rep-C线性关系Stokes阻力式过渡流区（Allen区）湍流区（Newton区）C=0.44高速湍流区，Rep-C曲线陡降再略增，最后维持在C=0.1左右。颗粒流体中很少见。以上自由沉降、离心沉降都是理想的沉降状态实际颗粒受许多因素的影响：尺寸形状器壁浓度沉降速度可能与理想状态产生偏离需要进行相应的修正5.1.4颗粒沉降速度修正1.颗粒尺寸的影响尺寸非常小→沉降距离~分子平均自由程沉降速度uc<Stokes公式usCunningham修正：λ分子平均自由程；β与流体性质有关的常数（液体1.63，气体0.9）如：在20oC，一大气压，λ≈0.1μmDp=10，1，0.1μm5.1.4颗粒沉降速度修正颗粒形状对沉降速度有明显影响。对形状规整的颗粒如立方体、正方体、八面体等uc可通过球形度ψs修正层流区（Reρ<0.5）：湍流区（2×103<Rep<2×105）：2.颗粒形状修正如果与容器直径Dc相比粒径Dp较大时沉降速度受壁效应的影响变慢3.器壁修正悬浮液浓度较低时颗粒间距>>粒径忽略颗粒间的干扰，视为自由沉降浓度较大时颗粒间相互碰撞发生干扰颗粒所占的空间位置不断被流体置换，且被置换流体的速度和体积足以引起流体产生向上的运动时，颗粒沉降速度受到干扰Robinson修正4.浓度修正1.固定床基本特性（1）流体在空隙中流动类似流体在许多不规则、相互交错、连通的孔道内流动（2）孔道结构与颗粒尺寸及分布、形状和空隙率有关（3）压降有流体与颗粒表面之间的摩擦所产生5.2.1固定床及流动特性2.流化床利用流态化原理是颗粒似流体化的装置（1）床体容器：通常圆筒形、结构尺寸对流态化有直接影响（2）固体颗粒：粒度、形状和密度直接影响流态化均匀性和稳定性，及操作参数（3）布风板：承载颗粒，使气流均匀进入颗粒床层内，结构影响流态化均匀性和稳定性（4）空气室：锥筒形，使气流得到缓冲，并均匀稳定通过布风板（5）测压器：测量床层的压降5.3颗粒在流体中的悬浮运动流化床示意图3.流化床的似流体性质（1）表面在重力作用下保持水平（2）具有连通器效应（3）具有开孔喷射作用（4）符合等静压原理（5）流化床中的物体受浮力作用5.3颗粒在流体中的悬浮运动4.流态化过程及特性流体速度较低时，颗粒不动（颗粒固定床）流体速度足够使黏性力和惯性力克服颗粒剩余重量时，颗粒处于悬浮状态，但流体速度由不足以将颗粒带出床外。（1）净空速度较低，且uf<umf时，床层处于静止状态孔道内流体速度uf’和床层压降Δp，随净空速度uf的增加而增加，空隙率不变5.3颗粒在流体中的悬浮运动（2）净空速度uf=umf时，床层压降与颗粒剩余重量相等固定床流化床umf临界流化速度（或最小流化速度）在umf≤uf<ut范围，随净空速度uf的增大，床层松动膨胀加大，空隙率增加床层孔道内的流体速度uf’和床层压降Δp不变床层有一个清晰的表面4.流态化过程及特性（3）净空速度提高到uf=ut时，颗粒沉降速度与净空速度相等流化床连续输送床床层呈现连续流态化ut极限流化速度（最大流化速度）uf≥ut，颗粒浓度迅速降低。压降Δp明显减小，表面消失，空隙率ε趋于1，孔道内流体速度u’f趋于床层净空速度uf4.流态化过程及特性4.流态化过程及特性流态化过程及其特性流化床的速度操作范围应在umf~ut之间按流化介质分：气－固流化床、液－固流化床、气－液－固流化床按流动特性分：散式流态化、聚式流态化1）散式流态化床层连续膨胀，颗粒均匀分布、流体与固体均匀混合、压降基本不变，床面稳定，流化过程接近理想状态用Froude准数判断：Fr越小，流化床越稳定5.流化床的分类与判断2）聚式流态化颗粒不是均匀分布，床层和床面不稳定、波动剧烈，颗粒成团湍动，有气泡形成判断条件：5.流化床的分类与判断随着颗粒尺寸的减小，能量分布状态的变化：（1）单个颗粒的质量以103快速递减；

颗粒数以103快速递增；

总面积以101递增；

总表面积以101递增（2）表面能/结合能以101递增：表面能增加更快，但仍比结合能低（3）1mol单位的颗粒总动能不变（4）总热能以103快速递增：总热能比总表面能增加更快（5）动能/热能以103递减：热能比动能增加快，颗粒<1μm热能>动能1.颗粒尺寸与能量的分布状态晶体颗粒尺寸越小，熔点越低例如：萤石(GaF2)颗粒：粒径1μm的颗粒比10μm的颗粒的熔点约低30oC1）基于晶体饱和蒸汽压的解释饱和蒸汽压：温度一定时，使液体不转化成气体所需的最低压力温度一定时，当外界压力低于某一临界值时，液体就会转化成蒸汽液体的饱和蒸汽压越高，液体就越容易蒸发1.颗粒的熔点溶质饱和蒸汽压溶解度小颗粒的饱和蒸汽压高溶解度高对大颗粒而言的饱和溶液对小颗粒而言并不饱和应用：利用小颗粒较高的溶解度，持续在大颗粒表面结晶，获得大的晶体颗粒。实际情况更复杂：可溶性与晶体的暴露面、表面粗糙度等有关。球形颗粒溶解度：2.颗粒的溶解度颗粒尺寸减小表面原子相对数量增加表面原子失去最近邻原子表面原子扰动表面原子和次表面的距离增大表面质点的振幅加大（振动弛豫）振动频率降低德拜温度降低由于比热容与德拜温度的三次方成反比颗粒尺寸越小德拜温度越低晶格比热容越大总之，颗粒尺寸越小，比热容越大3.颗粒尺寸对德拜温度和比热容的影响2.颗粒荷电机理荷电方式：接触荷电、碰撞荷电、电场荷电和粉碎荷电1）接触荷电两个不带电且功函数不同的导体颗粒

相互接触而后分离两个颗粒分别荷上极性相反的等量电荷功函数：从导体中迁移一个电子到导体外自由空间所需的最低功。6.2.1颗粒的荷电现象与电荷量(a)两独立颗粒A、B各自功函数和化学电势分别是φA、μA和φB、μB(b)A、B接触时功函数低的B颗粒失去电子，A颗粒获得电子(c)经过一段时间A、B达到电平衡(d)A、B分开后，A带负电荷，B带正电荷6.2.1颗粒的荷电现象与电荷量用电阻率和电导率表示。对静电除尘、分选、分级作业有显著影响。1.粉体堆积体的电阻率导电性粉体：ρ<104Ωcm绝缘性粉体：ρ>105Ωcm（与温度、湿度有关，100~200oC最大，随温度升高而降低）电阻率与颗粒的化学成分有关。电阻率测定方法：平行板电极法、圆筒形电极法和针-板电极法原理：将粉体填充在电极间，测量V和I，求出ρd6.2.3粉体的导电性（1）平行板电极法6.2.3粉体的导电性（2）圆筒形电极法6.2.3粉体的导电性（3）针-板电极法6.2.3粉体的导电性测试中需注意的问题：保持粉体有已知的堆积密度，或标注粉体的堆积密度，因为ρd随空隙率变化；电压需加载足够的时间，是电流达到恒定，因为颗粒吸收部分电荷；控制温度和湿度。光在不均匀介质中颗粒产生的偶极子与周围均匀介质的不相等使各自产生的散射光不能完全抵消产生了散射现象散射光的强度和方向与颗粒的尺寸有关2.光的反射、折射和衍射6.3.1光传播的基本属性1.颗粒分散体系中的光散射现象光通过颗粒分散体系时部分光未遇到颗粒，自由通过分散体系部分光遇到颗粒，产生不同的散射现象部分光遇到尺寸微小的颗粒或吸光性好的颗粒，产生吸收分散体系中颗粒尺寸>>光波长时，主要是反射和折射团聚体中空隙或缝隙尺寸~光波长时，主要是衍射尺寸大于光波长的颗粒，因表面凹凸部分产生衍射颗粒尺寸<光波长时，散射表现为乳光现象6.3.2颗粒分散体系中的光散射丁铎尔效应光波环绕微小颗粒而向四周散射光，是颗粒看似一个发光体，无数发光体的散射形成了光的通路。通过对光散射的测量，可获得颗粒大小及分布，悬浊体的浓度，及质点的分子量、扩散系数等6.3.2颗粒分散体系中的光散射1.粉体层表面光的反射现象粉体层表面的反射和折射特点：（1）结构方面：有极多的颗粒与气体间的气－固界面，有不同程度的空隙率（2）光散射方式方面：部分光在颗粒表面漫反射；部分产生折射。反复在气－固界面上形成反射和折射。这种散射由表及里逐层进行指导完全衰减。因此，粉体层表面的散射光是表面的漫反射和所有单个颗粒反射及折射会表面外光的叠加总和。6.3.3粉体层表面光的反射1.光吸收现象光的强度随着光在介质中的传播距离增加而减小除了真空，介质都会对光产生吸收吸收现象分为真吸收和散射：真吸收：光能转化为其他形式的能量散射：光背散射到其他方向，原传播方向减弱介质对光的吸收与波长有关：普遍吸收：吸收系数与波长无关（不存在）选择吸收：对某些波长的光吸收很强烈6.3.4颗粒的光吸收通常金属具有光泽，随颗粒尺寸减小，逐渐失去光泽，暗淡无光，直至变成金属黑。如10nm的金属颗粒对波长0.3~0.25μm的光波反射率低于1%6.3.4颗粒的光吸收2.颗粒的光吸收机理光在介质中传播，使电子跃迁至导带或使电子受迫振动，光能变成热能，光能衰减颗粒的光吸收机理：交变电磁场与颗粒分子相互作用颗粒分子中的电子出现受迫振动，维持电子振动所消耗的能量变为其他能量耗散掉。颗粒对光的选择吸收：通常介质中电子的固有频率与入射光波频率不相等两者相等时，发生共振辐射介质对入射光谱中这部分光几乎全部吸收6.3.4颗粒的光吸收3.颗粒光吸收现象的应用光照吸收材料用于电镜、核磁共振、波谱仪和太阳能利用等防红外线、防雷达的隐身材料等金的超微颗粒光吸收率高，在可见光～红外线区域，吸收率不随波长变化，可作红外传感材料。颗粒吸收材料：金属或合金粉体、铁氧体等超微颗粒：微波吸收材料SiC、Si3N4、Al2O3、Si等超微颗粒：红外线吸收材料黑色金属或金属氧化物等超微颗粒：可见光吸收材料ZnO、NiO、TiO2、硫化物等超微材料：紫外吸收材料6.3.4颗粒的光吸收2.颗粒尺寸与磁性的一般规律比磁化系数随颗粒尺寸的减小而减小矫顽力随颗粒尺寸的减小而增大粒度<40μm，比磁化系数急剧减小，矫顽力急剧增加尺寸大的颗粒：磁畴壁移动（为主）+磁畴转动粒径减小：颗粒包含的磁畴和磁畴壁数量减小，磁化时，磁畴壁移动也相应减小粒径～单磁畴体：没有磁畴壁了，完全靠磁畴转动显示磁性，磁转动所需的能量比磁畴壁移动大得多。6.4.2颗粒的磁性物相的表面：接触的两相间约几个分子厚度的过渡区所形成的界面粉体的表面：粉体中所有集合的固体颗粒的表面表面物理化学性质：由于表面现象引起粉体，即颗粒表面发生的一切物理化学现象7.1表面现象与表面能7.1.1表面现象粉体具有巨大的比表面积和表面能，且颗粒尺寸越小，比表面积和表面能越高。第七章粉体的表面物理化学性质1.直接测量法晶体劈裂功法：直接测量晶体表面能例：云母通过解理技术几个微米的薄片T：撕下厚度为x的云母薄片所需的拉力E：云母的弹性模量云母的表面能为2.4J/m27.1.3固体表面能的测量2.间接测量法1）溶解热法可溶固体：尺寸越小，比表面积越大，溶解热越高NaCl：1μm与0.1cm颗粒的溶解热差值1.14J/g，比表面积差值2.8×104cm2/g表面能：7.1.3固体表面能的测量2）接触角法（1）低能固体表面能测量固体润湿三相平衡接触角和液体的表面张力，再求固体表面能：θ：接触角；σSd：低能固体表面能；σL：液体表面张力；

σLd：液体表面张力的色散力部分令：在x-y坐标下，上式成线性关系，斜率为7.1.3固体表面能的测量颗粒尺寸完整晶面所占比例键力不饱和的比例表面活性质点不饱和程度与所处物质有关

如立方晶体（配位数为6）：a处：配位数少3个b处：配位数少2个c处：配位数少1个晶体结合能：F：相邻原子结合力；Nc：质点配位数；k：晶体原子数7.1.4颗粒表面活性abc若晶体断裂，形成新的表面表面能为：a：相邻原子间距离显然σs(角)>σs(边)>σs(面)在尖角、弯折、棱边、台阶等几何突变处的表面能高于平面处的表面能颗粒表面活性取决于：比表面积断裂面的几何形状及质点所处的位置7.1.4颗粒表面活性7.2.1固体表面吸附现象固体表面吸附：在固体-气体或固体-液体两相界面上，气体或液体密度增加的现象。由表面能过剩引起的一个自发过程吸收：吸附质进入吸附剂内部的现象。吸附剂：有吸附能力的固体吸附质：被吸附的气体或液体吸附分为物理吸附与化学吸附（区别在于有无电子转移）7.2粉体表面的吸附特性1）Henry型等温吸附方程：V=kHpkH：吸附平衡常数；p：在T温度下吸附量为V是的平衡压力适用于小吸附量（低于饱和吸附量Vm的1%）和其他吸附型的早期阶段7.2.2颗粒对气体的吸附2）Langmuir型一种重要的单层吸附模型。基本假设：（1）单分子层吸附，固体表面不饱和立场作用范围为分子直径大小（2）固体表面均匀，各处的吸附能力相同，吸附热为常数（3）被吸附分子间无相互作用力（4）吸附平衡为动态平衡等温吸附方程：a：吸附平衡常数；Vm：饱和吸附量适用于无孔或孔径小于2.5nm的颗粒表面吸附7.2.2颗粒对气体的吸附BET型吸附适用于孔径大于20nm或孔径不均匀的颗粒表面吸附利用单层吸附现象，可测量粉体比表面积（128页）7.2.2颗粒对气体的吸附5）BDDT型I型：相当于Langmuir型II型：相当于BET型III型：一开始就是多层吸附（大孔颗粒的吸附）IV型：低压时单层吸附，p升高，颗粒表面空隙内产生毛细管凝结，吸附量急剧增加，直至饱和（吸附和脱附等温线不重合）V型：低压时就是多层吸附，其他与IV型类似（中等大小孔的颗粒表面吸附）7.2.2颗粒对气体的吸附颗粒对无极离子的吸附：物理吸附和特性吸附（1）无机离子的物理吸附在双电层外层的紧密层上，完全由库伦力控制与颗粒表面电性相反的离子作为配衡离子双电层：颗粒表面因电离或选择

性吸收而带电，吸引了电荷相反、

电量相等的离子。带电表面与反

离子共同构成双电层。7.2.3颗粒在溶液中的吸附斯特恩双电层模型：溶液一侧带

点层（紧密层、扩散层）斯特恩面：紧密层中反离子的电

性中心所连成的假象面。距固体

表面为水化离子半径滑动面：固-液两相发生相对移

动的界面吸附密度由斯特恩-格雷厄姆方程表示：7.2.3颗粒在溶液中的吸附（4）静电作用：通过静电作用吸附如：聚乙烯吡啶在石英表面的吸附等。P1342）高分子吸附形式吸附层结构：直接吸附在颗粒表面的链序+溶液中自由分布的链尾和环链（a）平躺吸附（b）多结点吸附（c）垂直吸附（d）末端可变的直立吸附（e）（f）与溶液加以相溶性的

AB型共聚物多端吸附7.2.3颗粒在溶液中的吸附吸附类型和吸附作用取决于：颗粒表面与高分子表面活性剂的性质和颗粒的表面状态及吸附环境。分子量大的高分子存在空间位阻，与小分子有明显差异：低浓度是吸附速度快，高分子亲和力强吸附能大，吸附膜厚，强烈的空间位阻效应高分子线性长度大，有多个活性点，有多种吸附类型分散体系浓度高时，添加高分子表面活性剂可有效改善流变性能7.2.3颗粒在溶液中的吸附润湿：对粉体在液体中的分散、多孔结构的渗流、过滤、固液分离和粉体表面改性起重要作用7.3.1固体表面的润湿与润湿性判别润湿：气－固界面被液－固界面置换的过程。原因：固体表面对液体分子的吸附作用，是固体表面能过剩引起的自发过程在固、液、气三相叫界面：固－气界面，界面张力σSG固－液界面，界面张力σSL气－液界面，界面张力σGL7.3粉体表面的润湿性三相界面平衡时：σSG-σSL=σGLcosθ

（杨氏方程）θ：三相平衡接触角（自固－液界面经液体到气－固表面的夹角）固体润湿的三种形式：沾湿（附着润湿）浸湿（浸着润湿）铺展（扩展润湿）7.3.1固体表面的润湿与润湿性判别1.沾湿附着润湿：将固－气界面和气－液界面转化为固－液界面的过程等温、等压条件下，体系单位面积自由能的变化：-ΔG=σSG+σGL-σSL=Wa

（沾湿功）Wa=σGL(1+cosθ)热力学第二定律：Wa≥0时，沾湿过程能自发进行必要条件：θ≤180o7.3.1固体表面的润湿与润湿性判别2.浸湿浸着润湿：固－气界面被固－液界面置换，而气－液界面不变的过程等温、等压条件下，体系单位面积自由能的变化：-ΔG=σSG-σSL=Wi

（浸湿功）Wi＝σGLcosθ自发进行的必要条件：Wi≥0即θ≤90o7.3.1固体表面的润湿与润湿性判别3.铺展扩展润湿：当固－液界面置换固－气界面时，液体表面对固体表面的扩展过程等温、等压条件下，体系单位面积自由能的变化：-ΔG=σSG-(σSL+σGL)=Ws

（铺展功）Ws＝σGL(cosθ-1)自发进行的必要条件：Ws≥0即θ=0o7.3.1固体表面的润湿与润湿性判别4.润湿性判别只要测出三相平衡接触角θ，就可判定固体表面的润湿程度习惯上：θ>90o：不润湿θ<90o：润湿θ=0o：铺展（完全润湿）显然，θ越小，固体的润湿性就越好7.3.1固体表面的润湿与润湿性判别2.颗粒在水-气表面的漂浮于润湿（1）θ=0：颗粒完全润湿（2）θ>90o：(a)颗粒不被润湿，漂浮在水-气表面上

(b)颗粒不被润湿，若颗粒的剩余重力不足以克服水-气表面的张力，颗粒将漂浮在水-气表面上7.3.3颗粒的润湿性（a）可忽略重力时（b）重力作用明显时（3）0<θ<90o：(a)在水-气表面张力的铅垂方向分离的作用下，颗粒有进入水中的趋势，大部分表面积被浸没在水中(b)在重力作用下，颗粒进入水中，产生的前进接触角θa大于θ甚至大于90o，颗粒的剩余重力被水-气表面张力在铅垂方向分离平衡，颗粒漂浮在水-气表面7.3.3颗粒的润湿性（a）可忽略重力时（b）重力作用明显时3.密集态粉体中的液体1）密集态粉体中的液体分布状态颗粒内液：颗粒结构液，颗粒内部

结构空隙内的液体，是一种物理

化学结合液颗粒外液：颗粒表面吸附液+微孔毛细管液（物理化学结合液）及巨孔毛细管液、空隙液和湿润液（机械结合液）密集态粉体的润湿是指颗粒外液形成的润湿。按液体含量分：吸附液、契形液、毛细管上升液7.3.3颗粒的润湿性采用实验测试：粉体表面亲油度=100-亲水度(%)氮气和水蒸气的等温吸附法测粉体的表面亲水度：吸附N2时，由于N2的偶极子能量的作用，N2基本覆盖粉体颗粒的全部表面吸附水蒸气时，只有亲水的部分才发生吸附7.3.4粉体表面的亲水性液体润湿性的判据：三相平衡接触角接触角测量方法：黏结压制成型，再测量简便，数据比较准确尺寸小的粉体，黏结剂的用量影响测量结果堆积结构对润湿接触角有影响其他测量方法：1.粉体浸透速度法垂直浸透法水平浸透法7.3.5粉体润湿性的测量测量过程(1)将粉体装入玻璃管，一端封口，振动或敲击密实(2)使玻璃管与润湿液体接触，并读取润湿时间(3)记录润湿时间与被润湿粉体的高度或长度计算接触角θ：l：润湿粉体的高度（长度）t：润湿时间；σGL：表面张力；η：液体动力黏度r：颗粒间孔道视为毛细管时的平均管径7.3.5粉体润湿性的测量可用对粉体完全润湿的液体标定r或用Kozeny方法处理或简单地取r=Dp/2，但误差较大测量原理：液体弯曲液面附加压力的毛细管现象装填密度对测量结果有一定影响注意样品装填的均匀性控制7.3.5粉体润湿性的测量2.气体吸附法以水蒸气和N2为吸附气体测出各自对粉体的吸附量以BET吸附法测量粉体表面积求出单位面积对H2O和N2的吸附量粉体润湿判断：亲水表面：疏水表面：7.3.5粉体润湿性的测量3.浸湿热法浸湿热：粉体被液体浸湿时放出的热量。浸湿前，S-G表面焓浸湿后，S-L表面焓浸湿热：将杨氏方程代入得：7.3.5粉体润湿性的测量测得浸湿热Q，可得三相平衡角θ粉体浸湿热测量过程：1.粉体放入安瓿瓶，固定搅拌器2.在恒热的液体容器中搅拌均匀加热3.温度恒定后，松开安瓿瓶，撞击撞针破碎4.散落粉体与液体接触并润湿5.释放的浸湿热，由精密量热计测量精度高，可获得微量浸湿热7.3.5粉体润湿性的测量凝聚：在气相、液相或其他粉体介质中，粉体形成不均匀的聚集状态（由粉体的性状和与介质的相互作用引起的）分散：在气相、液相或其他粉体介质中，粉体颗粒处于均匀、离散的分布状态（需要对粉体性状和介质人工调控实现）7.4.1粉体凝聚的类型（1）聚集范德华力、静电力、液桥力或固桥力聚集成团或附聚到器壁上7.4粉体的凝聚与分散（2）凝结悬浮体中含有电解质颗粒表面双电层的扩散层受到压缩颗粒表面电位降低而导致颗粒聚集（3）絮凝大分子表面活性剂或水溶性高分子的架桥作用颗粒链接成结构松散、似絮状聚集体（4）团聚非极性烃类油的桥连黏附作用或微小气泡的拱结使颗粒聚集成团7.4.1粉体凝聚的类型1.粉体在空气中的凝聚力1）范德华力（1）色散力电子云与原子核的瞬时相对位移瞬时偶极分子间始终存在吸引力因计算公式与光色散公式相似而称为色散力分子量越大，色散力越大7.4.2粉体在空气中的凝聚与分散（2）诱导力极性分接近非极性分子极性分子中的偶极诱导非极性分子的电子云与原子核发生相对位移诱导偶极诱导偶极（非极性分子）与固有偶极（极性分子）间的作用力称为诱导力其大小与分子的极性和变形有关7.4.2粉体在空气中的凝聚与分散（3）取向力极性分子相互接近偶极同极相斥、异极相吸分子相对转动，定向排列——“取向”由极性分子的取向产生的分子间作用力——取向力偶极矩越大，取向力越大温度越高，取向力越小7.4.2粉体在空气中的凝聚与分散2）静电力静电力来源：电位差、库仑力、镜像力（1）电位差引起的静电力两导体颗粒接触，电子转移，产生电位差接触电位差介于0~0.5eV有接触电位差U产生的吸引力：7.4.2粉体在空气中的凝聚与分散（2）库仑力两颗粒分别荷q1和q2电量，库仑力：（3）镜像力电量为q的颗粒接近介电常数ε的器壁电荷感应，在平面的镜像位置产生一个感生电荷颗粒与平面间的镜像力：3）液桥力弯曲表面，饱和蒸汽压升高空气中的水吸附或凝结在颗粒表面，形成水膜7.4.2粉体在空气中的凝聚与分散水膜厚度：取决于颗粒表面亲水程度和空气湿度亲水性越强，湿度越大=>水膜越厚水膜足够厚，颗粒接触点处形成透镜状或环状，开始形成液桥力液桥力简约计算式：（1）亲水性（θ≈0）颗粒间及与亲水性器壁间等径球形颗粒间：球形颗粒与器壁间：7.4.2粉体在空气中的凝聚与分散（2）非亲水颗粒及与非亲水器壁间等径球形颗粒间：球形颗粒与器壁间：4）空气中范德华力、静电力和液桥力的比较随颗粒尺寸增大，这些力都线性增大颗粒的凝聚力：一般空气中，主要是液桥力非常干燥的空气中，主要是范德华力对荷电性很强的颗粒，主要是静电力7.4.2粉体在空气中的凝聚与分散液桥力导体颗粒静电力绝缘体颗粒静电力范德华力（1）距离增大，范德华力迅速减小，超过1μm，就不起作用了（2）2~3μm范围，液桥力非常显著，随距离增大，突然消失（3）大于2~3μm，静电力促使颗粒凝聚，范德华力和液桥力都不起作用7.4.2粉体在空气中的凝聚与分散液桥力导体颗粒静电力绝缘体颗粒静电力范德华力2.粉体在空气中的分散

分散措施：干燥分散、机械分散、表面改性分散1）干燥分散（1）加热干燥潮湿气氛中，液桥力是凝集的主要原因粉体吸潮的水分比湿加工的水分低低温加热（105~200oC），适当的干燥时间即可（2）冷冻干燥水分冷冻后直接由