粉体混合技术的研究进展.doc

粉体混合技术的研究进展欧阳鸿武 3何世文陈海林刘 咏(中南大学粉末冶金国家重点实验室 ,湖南 ,长沙 410083)摘 要 : 总结了影响粉体混合过程和混合效果的几个主要因素 ,讨论了粉体混合的相容性和混合机制 ,并对近年来粉体 (颗粒) 混合过程的数值模拟研究和实验研究进展情况作了简要介绍 。关键词 : 粉体 ;混合 ;混合器 ;颗粒 ;佛雷德数The evol ut ion in po wder mixingOuyang Hong wu , He Shi wen , Chen Ha il in ,L iu Yong( State Key L aboratory for Powder Metallurgy ,Cent ral Sout h U niversity ,Changsha 410083 ,China)Abstract : The main factors t hat influence powder mixing are summarized , t he co mpatibility and mixing mechanismare discussed1 The numerical simulatio n and experimental research evolutio n are also int roduced1Key words : powder ; mixing ; blender ; granule ; Froude number前言混合是将不同物理性质和化学性质的颗粒在空 间上分布均匀的过程1 , 在食品 、医药 、材料 ( 尤指 粉末冶金) 、塑料 、化肥 、建筑等许多方面都有广泛的 应用 。对粉体进行高效混合至关重要 ,良好的混合 状况是产品质量的保障2 。尽管粉体混合技术的应用很广泛且由来已久 ,但对混合过程中粉体运动和混合机理的认识和研究 却是在 近 代 才 起 步 的 。1937 年 , 日 本 药 剂 师 小 山( Y1Oyama) 在试图通过转动来均匀混合不同大小 的 药 粒 时 , 却 发 现 转 动 使 大 小 不 同 的 颗 粒 分 离绍 。12影响混合效果的几个主要因素影响粉体混合的因素可归纳为四个方面 : 颗粒性质 、混合机性能 、工艺参数和混合环境 。经验表明 ,任一因素的变化 ,都可能对混合过程和混合效果 产生明显的影响5 ,6 。颗粒之间能否有效地混合 ,常用“相容性”来衡 量 ,良好的相容性是实现均匀混合的关键因素之一 。 若两种颗粒不相容 ,则相互混合并保持稳定空间分 布的能力小 , 分离的倾向性强 , 最终混合均匀度不 高 ,并波动很大 ; 若两者相容 ,即粉体的物性一致或相近 ,则能形成均相或相畴极小的微分体系 ,这种体 系有利于提高并保持混合均匀度 。粉体的混合是一个受多因素影响的复杂过程 。 以往 ,人们在研究粉体的混合问题时 ,常对混合过程 作适当简化 ,通过确定单一因素对混合效果的影响 ,来认识混合过程的主要特征 。以研究混合工艺参数 为例 ,通过分别研究填充率 、转速对混合效果的影响 及混合过程随时间的变化等 ,已得出了一系列具有了3。其它的一些研究也表明转动和振动会使容器中不同大小的颗粒分离开 ,而不是人们通常认为的愈混愈均匀 。几十年来 ,尽管人们掌握了丰富的 粉体混合知识和技术 ,但是 ,由于粉体混合过程的复 杂性和多样性 。至今 “, 颗粒物质的混合过程与其说 是一门科学 ,倒不如说是一门艺术”4 。本文总结了影响混合过程和混合效果的几个主 要因素 ,讨论了混合机制 ,并对颗粒物质混合过程的 数值模拟研究和实验研究的成果及进展作简要介段1重要实用价值的成果 。如球形颗粒在标准双锥 、V形 、圆桶形 、半锥形和 Y 形等混合器中的混合特性 已逐步被探明7 13 。为了使小规模实验研究结果与大规模生产过程具有可比性 ,并能综合考虑旋转速率 、混合机尺寸和 填充率对混合效果的影响 ,来评价不同条件下的混合效果 ,常用佛雷德数 ( Fr ) 作为相似准则 。Fr 等于 粉体运动时的惯性离心力除以重力 ,表示为 :Fr = 2 R / g: 对流混合阶段 ,混合进度很快 ; 对流与剪切共同作用阶段 ,与对流混合阶段相比 ,这一阶段混合速度有所减慢 ; 扩散混合阶段处于混合与分离 的平衡状况 ,混合均匀度 ( 成分标准偏差 ) 在某一 均值附近上下波动 。 - 容器旋转角速度 , rad/ sR - 容器最大回转半径 , mg - 重力加速度 , m/ s2若两个混合运动是相似的 ,则具有相等的佛雷 德数 。小规模实验研究混合问题时应注意选用与工程实际混合过程相同佛雷德数 ( Fr) 。通常 , 在低于式中临界转速 ( N c = 4213/d , N c 为临界转速 , d 为混图 2 粉体混合的三个阶段大量研究结果表明 ,粉末的装载状况对第一阶 段的混合影响很大 ,对于 V 形 、双锥形这些对称面 混合强度较弱的混合器应避免左右装粉 ,而要采用 上下装粉 ,这样能显著提高混合效率 。不同粉体间 物性的巨大差异将导致混合效果的不同 ,目前还没 有一种通用的混合器能用于混合各种粉末 。事实 上 ,往往要根据粉末的特性选取合适的混合器和相 应的工艺参数 。合器的旋转直径) 的 75 %的条件下 ,佛雷德数越大 ,混合运动越激烈 。3粉体的混合过程和混合机理目前 ,普遍认为粉体的混合机理主要有扩散 、对流和剪切三种 ,如图 1 所示 。扩散指单个颗粒进入粉团的过程 。连续旋转物面的粉体在边缘处不断分 散 、展开 ,互相掺和 、渗透而混合 ;对流指相邻的粉团 从物料中的一处移到另一处 ; 剪切指物料 ( 粉团) 不断被分割或粉末在滑移面上流动 。颗粒间的相对运 动 ,在物料面形成若干滑移面而相互混合 、掺和 。4混合过程的数值模拟和实验研究进展颗粒流的数值模拟依据模型的不同可分为三类 :连续型 、动能理论型和离散型14 。连续型忽略了颗粒物的离散属性 ,将其假设为 服从质量守恒和动量守恒定律的连续体 。因此 ,采用流体运动方程 ( 结合能量 、力学和传热方程) 描述颗粒的行为 。连续模型是从土壤塑性和流体力学中 变换来的 ,一些连续模型还引入微观结构参数 ,用这 些参数能描述颗粒物质的固体碎片分布状态和膨胀现象 。这些模型大多用于库仑摩擦或碰撞占主导作 用的高速流动 ,也有结合这两种行为的模型 。动能理论模型根据颗粒物中颗粒的接触与密气 体中分子碰撞的相似性而建立 。这些模型结合表征颗粒流特性的能量耗散方程 ,能用于描述某些特定 情况下颗粒物的运动 ,例如搅拌颗粒体的表面 ,速度 脉动近似于 Maxwellian 分布 。采用统计平均方式 , 建立颗粒物的质量 、动量和动能守恒方程 。图 1 粉体混合过程的三种混合模式实际的混合过程往往是几种混合机制的共同作 用 ,不同的粉体在不同的混合器中 ,在不同的旋转速 度下 ,粉体的混合运动形态不同 ,混合的效果也就不 同 。粉体的混合过程大致可分为图 2 所示的三个阶离散模型依据描述颗粒运动的规则不同而有多种形式 。离散型包括 : 依据概率统计规律的蒙特卡 罗法 ;采用确定性规律的单元自动操作法 ;以及由第一种定律推导的颗粒动力学 。分子动力学模型在气体和液体系统的成功应用 ,有力地支持了颗粒动力 学 。而且 ,随着计算机水平的提高 ,近几年来颗粒动 力学技术得到了极大的推广 。最常见的两种颗粒动力学模型 ,一是“硬颗粒” 模型 ,颗粒间的碰撞是瞬间的 ,两两相碰 ;二是“软颗 粒”模型 ,颗粒碰撞是持续的和多颗粒相互作用的 。 一般来说 ,硬颗粒模型主要应用于高速颗粒流 ,颗粒 碰撞是离散的 、不粘附的 。采用这一模型可以模拟每个颗粒的碰撞过程和碰撞后颗粒的运动轨迹 。每 次碰撞发生后 ,计算机重新读入各颗粒的状态参数 , 以模拟随后将发生的碰撞 。相反 ,软颗粒模型通常 用于颗粒接触是持续且有粘附的情况 。在这种情况 下 ,颗粒允许微小的变形 ,根据变形量的大小可以计算相应的弹性 、塑性和摩擦力 。采用离散颗粒模拟方法 ,跟踪混合过程中每个颗粒的运动轨迹 ,获取实验研究中无法得到的颗粒运动信息 ,因此 ,可以得到 混合过程中混合均匀度的定量数据 , 。近年来 ,国内外竞相开展了颗粒混合的数值模拟研究14 19。其中 , Maher Moakher 等14 已首次完成了混合过程的 3D 数值模拟 。孙其诚等15 通过建立颗粒混合的二维模型 ,对水平圆筒混合机中颗 粒的混合进行了数值模拟 ,分析了颗粒流动的变化规律和混合曲线 。图 3 为模拟得到的颗粒混合情况 ,图 4 为模拟得到的混合曲线 。从图 4 可以看出 ,当混合 器 旋 转 7 圈 时 某 区 域 成 分 标 准 偏 差 为01071 , 对应的 lo g2 为 - 212 。研究结果表明 ,粉体 的混合过程中混合度呈现非周期的波动 ,并随混合时间延续 ,波动有所减弱 ,但没有消失 。这种波动是粉体混沌运动的外在表现 ,相关的研究仍有待深入 开展 。尽管目前的模拟研究还不能采用真实粉体 , 但为混合机理的研究提供了新的途径 。图 3 数值模拟得到的颗粒混合情况合度不断提高 ,而在第 10 至 500 转时 ,轴向和径向 的混合度都没有明显提高 。Bro ne D 等采用粒径为 115 117 mm 、密度为2155g/ cm3 的玻璃球 , 研究了双锥混料器中的强化 混合机理11 。该实验比较了添加折流板前后的双锥混料机的混合效果 ,测验了旋转速率 、填充率和总 的转数等操作条件对混料的影响 。该研究表明 : 在对称平面加入折流板能增加对流运动 ,导致混合速图 4 模拟得到的混合曲线关于粉体混合的实际研究也得到了显著的进展 。Carley 和 Danald 对同粒度不同颜色的沙子体 系进行了 混 合 实 验20 。实 验 结 果 表 明 , 转 速 20r/ min 的混合效果比转速 10r/ min 或 50r/ min 时要好些 。Ramanujam 等 用 双 锥 混 合 器 研 究 了 不 同 质 量 和粒度配比的沙子 - 盐颗粒体系的混合效果 。当小颗粒 (252 353m 的盐) 的质量分数较高 ( 60 %80 %) 时 ,由于分离的作用 ,混合受到限制 。在最初 的 10 圈里 ,含 20 %盐和 80 %沙子的混合体系的混率大大增加 ;转速的变化对混合的影响很小 ,在达到临界转速之前 ,混合仅仅与转数有关 (这一点与其它 研究的结果不同) ;当填充量减少时 ,混合速率增加 , 混 合 时 间 减 少 , 最 佳 的 填 充 量 约 为 容 器 体 积 的60 % 。在该试验中 ,颗粒在强化双锥中旋转 5 分钟(80 转 ) 后 , 已 混 合 均 匀 , 样 品 成 分 的 标 准 偏 差 在01027 至 01032 之间 。 尽管实验中不是采用实际粉体 ,其结果与生产实际中常用的细小粉体的混合情况可能存在一定的偏差 ,但其采样方式却很独特 。采样时 ,用数码相机获得混合物表层的数字图像 , 然后吸走 25cm 厚的 表层颗粒 ,再用数码相机拍照 ,如此反复几次以获得剩余混合物的数据 。每次实验获得 46 幅图像 (根据填充率而定) ,在计算机中将图像分割成 10 10 象素格作为样品 。用这种方法分析颗粒的混合度 , 可以避免取样时带来的问题 。近年来 ,粉体混合效果的采样分析技术和评价 方法也 得 到 不 断 发 展 , 新 的 方 法 不 断 涌 现21 24 。 作者在对圆筒形混合器铁粉 - 钛铁粉 、铁粉 - 氧化 铝粉体系的混合过程进行研究时 ,采用了新的混合 均匀度分析技术 。实验中 ,取样方法为在规定的时刻暂停混合器 ,插入吸管从四个不同位置摄取适量 的混合粉 ,然后继续实验 。将样品在天平上称重后 , 用磁铁将混合粉中的铁粉吸出 ,再次用天平称重 ,获 取成分含量 ,每次取样的成分由四个数据平均求得 。 铁粉 - 钛铁粉 、铁粉 - 氧化铝粉体系混合过程成分的均方差值的变化情况如图 5 所示 。实验结果表 明 :在圆筒形混合器中 ,不同粉末体系的混合进展不 同 ,但总的趋势基本一致 ;混合度随着时间增加而提 高 ,但达到最佳混合度后 ,混合度稍微降低 ,并呈现 非周期 、不规则的波动 。5结语近年来 ,关于粉体混合的研究取得了巨大的进展 ,特别是数值模拟技术的逐步完善和应用 ,极大地丰富了粉体混合领域的知识和技术 。混合均匀度的 采样和分析技术不断推陈出新 ,几种常用的混合器 的混合机理被逐步探明 。由于粉体的特殊物性及粉 体运动的复杂性 ,以及描述颗粒物质的基本理论尚 未建立 ,人们对实际混合时颗粒的运动规律还不能作出完善的解释 。期待在不久的将来 ,在静力学方 面建立一个描述离散固体物质的模型 ; 在动力学方 面建立能描述颗粒流动的流体动力学 。随着计算机 技术的进步 ,将数值模拟与实验研究相结合 ,可更深 刻地揭示混合过程中粉体的运动机理 ,达到更好的 混合效果和更高的混合效率 。参考文献Ger man1 Powder Metallurgy Science1 New Yo r k : Chemical Pub2lishing Co1 Inc ,1995胡荣泽 1 中国粉体工业发展战略 1 中国粉体技术 ,2001 ,7 ( 3) : 15厚美英 ,陈坤权 1 奇异的颗粒物质 1 科学 ,53 ( 1) :2831Bro ne D , Muzzio F J 1 Enhanced mixing in do uble - co ne blenders1Powder Technology , 2000 ( 110) :179189陆厚根 1 粉体技术导论 1 上海 : 上海同济大学出版社 ,1998 : 198200Lioya K1 Powder Technology Handboo k1 New Yo r k : MarcelDekker , Inc , 1990 , 595Bro ne D , Wight man C ,Co nno r K , et al1U sing flow pert urbatio ns to enhance mixing of dry powders in V - blenders1 Powder Technol ,1997 ( 91) :165172Osama S , Coffin - Beach D , Muzzio F J 1 Quantitative characteriza2 tio n of mixing of f ree2flowing granular material in tote ( bin ) 2 blenders1 Powder Technology ,2002 ( 126) :191200Hogg R , Fuerstenau D W1 Transverse mixing in rotating cylinders1Powder Technol ,1972 ( 6) :139Zhang Y ,Camp bell C S1 The interface bet ween fluid2like and solid2like behavio ur in t wo2dimensio nal granular flows1 J Fluid Mech ,1992 ( 237) :541Broadbent C J , Bridgwater J , Par ker D J 1 The effect of fill level o n t he mixer perfo r mance using a po sit ro n camera1 The Chemical En2 gineering Jo urnal , 1995 ( 56) :119Bro ne D , Alexamder A , Muzzio F J 1 Quantitative characterizatio n of mixing of dry powders in V - blenders1 A ICh E J , 1998 ( 44) :271278Shinbrot T , Alexander A , Muzzio F J 1 Spo ntaneo us chaotic granu2lar mixing 1Nat ure ,1999 ( 397) :67567812345678图 5 铁粉 - 钛铁粉 、铁粉 - 氧化铝粉体系的混合过程9人们依据大量的颗粒或粉体混合的实验研究结果 ,认为混合物混合均匀度随混合器旋转次数变化10过程可用经验公式表示8:+2= 2W 2 e - k n( 1)011R式中 , 2 是实验混合物浓度方差 ,2 是某组元的方R差 , W 0 是某组元的质量分数 , n 是旋转次数 , k 是混合速率常数 。式 ( 1) 表明 , 粉体混合过程中组元成分 变化的方差随混合时间呈指数下降 。几种常用的混合器的混合结果都较好地符合公式 ( 1) , 只是初始条件和 k 值不同 。121314Maher Moakher , Troy Shinbrot , Muzzio F J 1 Experimentally vali2dated co mp utatio ns of flow , mixing and segregatio n of no n - co he282Carley - Macauly K W ,Do nald M B1 The mixing of solids in t um2bling mixers - I1Chem Eng Sci ,1962 ( 17) :493506Muzzio F J , Ro binso n P , Wight man C , et al1 Sampling p ractices in powder blending1 Internatio nal Jo urnal of Phar maceutics , 1997 ( 155) :153178Bernt sso n O , Danielsso n L G , L ager holm B1 Quantitative in - line mo nito ring of powder blending by near inf rared reflectio n spec2 t ro scopy1 Powder Technology , 2002 ( 123) :185Bernt sso n O , Danielsso n L G , Jo hansso n M O1 Quantitative deter2 minatio n of co ntent in binary powder mixt ures using diff use re2 flectance near inf rared spect ro met ry and multivariate analysis1 Ana2 lytics Chimaca Acta , 2000 ( 419) :45欧阳鸿武 ,刘咏 ,陈海林 ,等 1 粉体混合过程的实验和数值模拟研究 1 材料导报 ,2003 ,17 ( 8) :5720sive grains in 3D t umbling blenders1 Powder( 109) :5871孙其诚 ,王光谦 ,杨宁 1 水平圆筒型混合机中颗粒混合的离散模 型 1 中国粉体技术 ,2002 ,8 ( 1) :69Venugopal R , Rajamani P K1 3D simulatio n of charge motio n in t umbling mills by t he discrete element met hed1 Powder