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工業(yè)中氣體與固體兩相作用時(shí)的表現(xiàn)

在工業(yè)領(lǐng)域中，氣體與固體顆粒的相互作用呈現(xiàn)復(fù)雜多樣的特性。固體顆粒在常規(guī)堆積狀態(tài)下通常表現(xiàn)為松散結(jié)構(gòu)，其整體行為不僅受固體顆粒自身性質(zhì)的影響，還與顆粒間夾帶的液體以及填充于顆粒間隙中的氣體密切相關(guān)。氣體與顆粒之間的交互作用，以及氣體在顆粒間隙中的流動(dòng)能力，對顆粒的相互滑動(dòng)以及粉體整體的流動(dòng)特性起著至關(guān)重要的作用。因此，深入研究氣流對粉體流動(dòng)行為的影響機(jī)制，并開發(fā)有效的測量方法，對于眾多工業(yè)加工過程，如干燥、粉末噴涂、氣動(dòng)傳輸、流化床操作以及粉霧劑霧化等，具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

從理論層面來看，粉體的內(nèi)聚作用（Cohesion）是決定氣體在顆粒間隙流動(dòng)以及氣體透過粉層能力的關(guān)鍵因素。在實(shí)踐測試過程中，需要選取合適的測試方法，以準(zhǔn)確評估粉體對充氣流量的響應(yīng)特性，從而深入探究顆粒間內(nèi)聚力的大小及其對氣固兩相流行為的影響。

粉體流變儀的三類測試方法

FT4 粉體流變儀配備充氣控制單元（ACU），能夠精確調(diào)節(jié)氣流的流速，并實(shí)時(shí)檢測相應(yīng)的壓降變化。儀器通過含細(xì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的透氣底座，將氣流均勻地引入含有粉體樣品的容器中。基于此配置，可開展三類標(biāo)準(zhǔn)測試方法：流化測試，充氣測試和透氣性測試。這三種測試方法從不同角度全面表征氣體自下而上流經(jīng)樣品時(shí)氣固兩相的相互作用特性，為深入理解粉體的流動(dòng)行為提供了有力的技術(shù)支持。

流化測試：內(nèi)聚力、拖拽力和重力的平衡關(guān)系

在流化測試過程中，通過逐步增加流經(jīng)樣品的氣流流速，直至粉體完全達(dá)到流化狀態(tài)，隨后再逐步降低流速以實(shí)現(xiàn)脫氣（de-aeration）過程。對于每個(gè)特定的氣流速度，精確測量粉床上下兩端的壓力差（即壓降），以此量化顆粒所受到的向上拖拽力。

當(dāng)氣流沿著垂直方向自下而上流動(dòng)時(shí)，會(huì)在粉體床層內(nèi)形成顯著的壓力梯度，導(dǎo)致粉床底部的壓力高于頂部（頂部為環(huán)境壓力）。這一壓降值實(shí)際上量化了氣流對顆粒的拖拽力，其計(jì)算方法為氣流流經(jīng)粉床時(shí)所施加的向上拖拽力的總力除以氣流流經(jīng)的橫截面積。

對于內(nèi)聚作用相對較弱、能夠?qū)崿F(xiàn)流化的粉體（如 Geldart A 組和 B 組粉體，具體分類可參考 ASTM D7743 標(biāo)準(zhǔn)*），氣相能夠在顆粒周圍實(shí)現(xiàn)較為均勻的流動(dòng)。隨著氣流流速的逐漸增加，顆粒所受到的向上拖拽力也隨之增大，因此測量得到的壓降值呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)氣流流速達(dá)到某一臨界值時(shí)，顆粒所受的拖拽力足以克服顆粒自身的重力和內(nèi)聚力：此時(shí)氣流能夠有效分離顆粒，并使粉床的高度顯著膨脹。對于所有超過這一臨界速度的氣流流速，總拖拽力與粉床的總重達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，因?yàn)榱黧w動(dòng)力完全平衡了顆粒的重量。

在氣流流速與壓降的關(guān)系圖中，壓降的峰值清晰地標(biāo)志著為打破顆粒間的內(nèi)聚作用、實(shí)現(xiàn)顆粒分離時(shí)必須施加的額外拖拽力。一旦粉床發(fā)生膨脹，氣流向上流經(jīng)粉床時(shí)遇到的阻力相應(yīng)減小，因此粉床兩端的壓降會(huì)降低至粉床總重與橫截面積的比值。當(dāng)通過流化粉床的氣流流速進(jìn)一步增加時(shí)，盡管粉床可能繼續(xù)膨脹，但壓降將保持恒定。

在脫氣過程中，粉床兩端的壓降在初始階段也會(huì)保持恒定，隨著氣流流速的逐步降低，氣流作用不再能夠完全支撐粉床的總重，測量得到的壓降也逐漸降低。當(dāng)氣流流速低于最小流化速度時(shí)，拖拽力小于顆粒單位重量，即氣流流速越慢，對顆粒的拖拽力越小，因此氣流支撐的粉床總重的比例也越低。

壓降曲線中的回滯環(huán)現(xiàn)象是因?yàn)闅饬髟诜蛛x顆粒、使得粉床膨脹時(shí)需要施加更大的力，而在粉床失去流化狀態(tài)并塌落時(shí)，支撐顆粒總重所需的力則更小，此時(shí)也不再需要克服顆粒間的內(nèi)聚作用。比較不同材料之間的差異時(shí)，可以比較曲線中峰值的大小，更高的峰值表明顆粒間存在更強(qiáng)的內(nèi)聚作用，也預(yù)示著流化時(shí)更粘性的流動(dòng)行為。

充氣測試

充氣測試通過逐步遞增的流速將氣流引入粉床的底部，同時(shí)利用螺旋槳葉驅(qū)動(dòng)粉體流動(dòng)，精確測量槳葉自上而下通過粉體時(shí)感受到的流動(dòng)阻力。在這一精確流動(dòng)的流動(dòng)模式下，累積所做的總功被稱為流動(dòng)能。

隨著引入的氣流速度遞增，顆粒受到自重的影響逐漸減少，顆粒間的相互作用也隨之減弱，因此測得的流動(dòng)阻力也相應(yīng)減小。對于粘性非常弱的粉體，在均勻的流化狀態(tài)下，顆粒整體在容器內(nèi)幾乎能夠自由移動(dòng)，此時(shí)充氣后的流動(dòng)能近乎降至零。

然而，有些粉體的粘性作用較強(qiáng)，難以實(shí)現(xiàn)均勻的流化，因此在粉床中形成了較大的空氣通道，并且很大一部分的顆粒并不能受到氣相的有效作用。這些停滯區(qū)域中的粉體將持續(xù)限制槳葉的攪動(dòng)，因此對于粘性較大的粉體，未流化的部分越多，驅(qū)動(dòng)這部分粉體流動(dòng)所需的能量越大，從而形成了較高的充氣能平臺(tái)。

透氣性測試

透氣性測試旨在精確測量流體（包括氣相）穿透材料整體的難易程度。當(dāng)流體沿著壓力梯度流經(jīng)粉床時(shí)，較大的流速會(huì)導(dǎo)致粉床產(chǎn)生較大的壓降。透氣性的定義依據(jù)達(dá)西定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中：

Q: 單位時(shí)間的氣相流量 (cm3/s)

k: 透氣性 (cm2)

A: 粉床橫截面積 (cm2)

ΔP = Pa – Pb = 粉床壓降 (Pa)

Μ: 氣相黏度 (Pa.s)

L: 流經(jīng)粉床的距離 (cm)

由上式可知，在特定的氣流流速下，透氣性較差的粉體將產(chǎn)生較大的壓降。

粉體顆粒間隙的大小、顆粒的自組裝方式以及堆積效率等因素均對透氣性產(chǎn)生了顯著的影響。因此，透氣性測試不僅能夠研究粉體本身的透氣特性，還能夠深入探究所施加法向應(yīng)力對粉體固結(jié)狀態(tài)的影響，從而為實(shí)際加工條件的優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)。

*ASTM D7743-12. Standard Test Method for Measuring the Minimum Fluidization Velocities of Free Flowing Powders. ASTM International.