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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.
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