粉体工程 第一章

1、粉体工程粉体工程Powder Technology and Equipment Changzhou University, China0绪论绪论0.1学科命名学科命名从个体颗粒出发，则将该学科称之为颗粒学从集合体粉体和工程的观点出发，则将其称之为粉体工程学 0.2 应用范围应用范围农业、矿业、冶金、橡胶、药物、化工、食品、建材、环保、机械等 0.2.1 以粉体为主体的相关产业以粉体为主体的相关产业无机非金属材料工业冶金和金属工艺学颜料和感光剂工业电化学和部分无机化学工业0.2.2 在生产工艺的重要部分与粉体相关的产业在生产工艺的重要部分与粉体相关的产业原子能和能源工业石油化学、高分子化学、有机

2、精密化学工业电子学宇宙科学0.3 发展历史发展历史上世纪30年代 ：开展“颗粒学”的研究 1943年 ：Micromeritics，美国学者J.M.Dallavalle 20世纪6070年代 ：1960年，德国学者I.R.MeldauHandbuch der Staubtechnik；1966年OrrParticulate Technology；1979年，日本学者久保、水渡、中川、早川粉体理论与应用20世纪80年代 ：微米和超细颗粒材料制备与应用 20世纪90年代以来 ：纳米材料的制备与应用 0.4 研究目的研究目的提高工业产品的质量与控制水平 节能降耗，促进粉体加工技术的发展 新材料的研究

3、与开发0.4 本课程教学内容本课程教学内容 粉体的基本性质： 粉体的几何形态性质：颗粒大小、粒度分布、颗粒形状等 颗粒群的堆积特性 粉体力学性质：静力学性质和动力学性质 颗粒的流体力学 粉碎理论与设备 分级与分离及其设备 混合与造粒 粉尘爆炸 表面改性（补充） 超细粉体制备（补充）0.5 教材和参考书目教材和参考书目 教材 粉体工程与设备陶珍东等 编著，化学工业出版社，2003 参考书 粉体技术导论陆厚根 编著，同济大学出版社，1998 粉体工程张少明等 编著，中国建材工业出版社，1994 粉体加工技术卢寿慈 编著，中国轻工业出版社，1999 粉体力学与工程谢洪勇 编著，化学工业出版社，200

4、3 玻璃生产机械过程华东理工大学教材 超细粉碎设备及其应用张国旺 编著，冶金工业出版社，2005 超细粉碎郑水林 编著，中国建材工业出版社，1999 超细粉体技术李凤生等 编著，国防工业出版社，2000 工程流体与粉体力学基础王奎升 编著，中国计量出版社， 20021 颗粒几何形态特性颗粒几何形态特性1.1 粒度粒度 1.1.1 单个颗粒的粒度单个颗粒的粒度 粒度：颗粒在空间范围所占大小的线性尺度。 粒径的表示方式： 三轴径：将一个颗粒放在每边与其相切的长方体中，这个长方体是体积最小的颗粒外接长方体，长方体的三条边（长l、宽b和高h）表示该颗粒在笛卡尔坐标中的大小。 以颗粒的长度l、宽度b、高

5、度h定义的粒度平均值称为三轴平均径。利用测得的l、b、h按照不同的需要，可以取不同的平均值作为颗粒的粒径。 球当量径：把颗粒看成相当的球（1）与颗粒同体积的球的直径称为等体积球当量径（2）与颗粒等表面积的球的直径称为等表面积球当量径（3）与颗粒具有相同的表面积对体积之比，即具有相同的体积比表面SV的球的直径称为比表面积球当量径。36VdvSds66VdsvSSv 圆当量径：（1）投影圆当量径（Heywood径）：与颗粒投影面积相等的圆的直径。（2）等周长圆当量径：与颗粒投影图形周长相等的圆的直径4adaLLd 定向径（又称统计平均径）：平行于一定方向（用显微镜）测得的线度（1）定方向径（Fer

6、et径）dF：沿一定方向测颗粒投影像的两平行线间的距离。对于单个颗粒，可以取所有方向的平均值，颗粒群可沿一定方向取所有颗粒的粒径平均值。（2）定方向等分径（Martin径）dM：沿一定方向将颗粒投影像面积等分的线段长度。（3）定向最大径：沿一定方向测定颗粒投影像，所得最大宽度的线段长度。Feret径投影圆直径Martin径 1.1.2 颗粒群平均粒径颗粒群平均粒径设di至dj的粒级内的颗粒个数为n，取di至dj的平均值d代表该n个颗粒的粒度，fn为该粒级内粒度为d的颗粒个数占体系颗粒个数的分数，fw为粒度d的颗粒质量（体积）分数。 d的测量可以是dF、dM或da等。以个数为基准的平均径表达式：

7、以质量（体积）为基准的平均径表达式：11nnndf dDndf d 133WWf dDf d 最常用的平均粒径是DnL和DSV，前者主要用光学显微镜和电子显微镜测得，后者主要用比表面积测定仪测得。 注意：指明所标出的平均粒径是哪一种平均粒径 ；当几个粉体样品的粒径进行比较时，一定要用同一平均粒径 1.2 粒度粒度 分布分布1.2.1 粒度分布的概念粒度分布的概念粒度分布是指某一粒径或某一粒径范围的颗粒在整个粉体中占多大的比例。也就是说粉体中不同粒度区间的颗粒含量。个数基准的粒度分布是指某一粒径或某一粒径范围的颗粒的个数在粉体颗粒总数中所占的比例。质量基准的粒度分布是指某一粒径或某一粒径范围的颗

8、粒的质量在粉体总的质量中所占的比例。 1.2.2 粒度分布的表示方式粒度分布的表示方式（1）频率分布：当用个数基准表示粉体的粒度分布时，将被测粉体样品中某一粒径或某一粒径范围的颗粒的数目称为频数n，而将n与样品的颗粒总数N之比称为该粒径范围的频率f，则频数n或频率f随粒径变化的关系，称为频数分布或频率分布。（2）累积分布表示小于（或大于）某一粒径的颗粒在全部颗粒中所占的比例。按照频数或频率累积方式的不同，累积分布可分为两类：100%nfNa）负累积：将频率或频数按粒径从小到大进行累积，所得到的累积分布表示小于某一粒径的颗粒的数量或百分数。这相当于在用筛分法测粒度时，通过某一筛孔的筛下部分的百分

9、数，这样得到的曲线又称为累积筛下分布曲线，常用D（Dp）表示。b）正累积：将频率或频数按粒径从大到小进行累积，所得到的累积分布表示大于某一粒径的颗粒的数量或百分数。相当于用筛分法测粒度时，通过某一筛孔之后的筛余部分的百分数，这样得到的曲线又称为累积筛上分布曲线，常用R（Dp）表示。较之频率分布，累积分布更有用。特别适用于确定中位粒径（D50：在粉体物料样品中，把样品个数（或质量）分成相等两部分的颗粒粒径）等。 1.2.2 粒度的频率分布和积累分布粒度的频率分布和积累分布1.2.3 粒度分布的表达形式粒度分布的表达形式（1）列表法将粉体粒度分析数据列成表格，分别计算各粒级的产率和累积产率。（2）

10、图解法图解法是常用的粒度分布图示法，有直方图（矩形图）、扇形图、分布曲线等。（3）函数法正态分布(Normal or Gaussian distribution)在自然现象或社会现象中，“随机事件”出现的频率总是有统计规律地在某一常数附近摆动，这种分布规律就是正态分布。某些气溶胶和沉淀法制备的粉体，其个数分布近似符合正态分布，即式中： 平均径 分布的标准偏差，即粒径Di对于平均径的二次矩的平方根221()exp22DDF DD21niiifDD,对正态分布的影响对正态分布的影响对数正态分布在粉体工程学中，真正服从正态分布函数的粉体极少。大多数情况下的粉体和分散系，尤其是粉碎法制备的粉体、气溶胶

11、中的灰尘颗粒以及海滨砂粒等都近似符合对数正态分布。对数正态分布函数：即 式中 Dg几何平均径 几何标准偏差，22lglglglg1(lg)exp22DDDDFD22lglg1()exp2lg2lggggDDF DlglglggiDfDDifgiDDg2lglglglggiiDfDD罗辛拉姆勒（RosinRammler）分布1933年，Rosin和Rammler等人通过对煤粉、水泥等物料粉碎实验的概率和统计理论的研究，提出了下面的粒度分布函数式：式中 R(D)累计筛余质量百分数 De特征粒径，表示颗粒群的粗细程度 n均匀性系数，表示粒度分布范围的宽窄程度。n值越小，粒度分布范围越广，对于粉尘及粉

12、碎产物，往往n1。( )100exp/neR DD D1.3 颗粒形状颗粒形状颗粒形状是指一个颗粒的轮廓或表面上各点所构成的图像。 1.3.1 形状系数（形状系数（Shape Factor ）立体几何各变量的关系。（1）表面积形状系数：与某种粒度dj相联系的表面积形状系数S,j（2）体积形状系数：与某种粒度dj相联系的体积形状系数V,j（3）比表面积形状系数,2V jjSd,3V jjVd,S jSV jV j1.3.2 形状指数（形状指数（Shape Index ）颗粒大小的各种无因次组合。形状指数与形状系数不同，它与具体物理现象无关。（1）均齐度：颗粒两个外形尺寸的比值。扁平度m短径/厚度

13、b/h伸长度n=长径/短径l/b（2）Church形状因子（3）充满度体积充满度（容积系数）MFddVp颗粒外接长方体体积颗粒体积VplbhfV面积充满度（外形放大系数）（4）圆形度（又称轮廓比）：定义了颗粒的投影与圆接近的程度（5）球形度：表示颗粒接近球体的程度Wadell球形度实用球形度：bAflb颗粒投影面积最小外接矩形面积c与颗粒投影面积相等的圆的周长颗粒投影的周长W与颗粒体积相等的球的表面积颗粒的表面积W，与颗粒投影面积相等的圆的直径颗粒投影的最小外接圆的直径1.3.3 粗糙度系数粗糙度系数R 粒子微观的实际表面积表观视为光滑粒子的宏观表面积1.4 粒度的测量方法及选择粒度的测量方法

14、及选择1.4.1 测量方法测量方法（1）显微镜法用光学或电子（SEM、TEM）显微镜直接对粉体颗粒的形状和大小进行观测。特点：测试结果可靠、操作比较简单、可以拍照观测颗粒的形状。测量范围：光学0.3200m；TEM1nm5m；SEM10nm(a) Outmost layer200 nm100 nmHigher magnification 200 nm(b)（2）激光法由激光源射出的平行光束照射到比光的波长大的多的颗粒上，产生衍射。照射大颗粒的光衍射角较小，而照射小颗粒的光衍射角较大，这些光线通过透镜在衍射屏上得到衍射像，其光强与颗粒大小有关，利用环形排列的检测仪，经过计算就可测得颗粒的直径。特

15、点：适用范围广、测试时间短、再现性好、自动化程度高、测试精度高。（3）筛分法将粉体试样通过一系列不同孔的标准筛，将其分离成若干粒级，分别称重，求得以质量百分数表示的粒度分布。适用于约100mm至20m之间的粒度分布测量。常用“目”来表示较粗颗粒的大小，所谓“目”是指每英寸长的标准试验筛筛网上的筛孔数量。例如，“325目0.5”表示有0.5（占样品的质量分数）的粗大颗粒通不过325目筛；“270325目30”表示有30的物料颗粒能通过270目而通不过325目筛子，也就是说270325目的颗粒在样品中所占的质量为30。（4）气体吸附法是测量和研究固体表面结构的重要方法之一。氮吸附BET法是测量颗粒物质比表面的标准方法。（5）沉降法