工科开题报告

粉体流动性研究热能与动力工程081班(10084594)张志凯摘要：粉体与人类的生活息息相关，广泛应用于能源、化工、医药、电力、食品、农业及涂料等行业，在粉体的粉碎、分级、混合、制粒、干燥、包装、输送、贮存等多个单元操作中都需要科学准确的描述粉体的流动性，以便更好地提高生产效率和产品品质。本文同过对不同粉体及同物质不同粒度的粉体进行物性测量，对各个参数比较并分析其对粉体流动性的影响。因此，对粉体流动性的研究具有重要的意义。关键词：粉体、流动性、颗粒、助剂1研究背景随着时代的发展、科技的进步，人类对能源的需求也越来越大，化石能源是主要的利用能源。对于中国的能源结构，煤炭所占能源利用比重最大，2010统计占总能源利用的76.5%[1]。煤炭主要用于电力和部分的化学工业，在这些利用过程中，大多数是采用煤粉的形式加以利用，尤其是在电力行业里，煤炭的利用在储备、输送、气化及燃烧过程都涉及到了煤粉流动。在医药制药行业中的口服固体制剂、农业中粮食的机械输送、化学工业中涂料、化肥、水泥及其他固体产品的生产与输送都与粉体有着紧密联系。在能源短缺的当代，粉体技术的一个主要宗旨便是提高粉体加工过程的能量利用率。因此，粉体的研究对工业发展有着极其重要的作用。由于人类对粉体的需求提高到了一个新的高度，促使分散在各科学领域中的有关于粉体方面的知识独立出来，得以重视、发展并逐渐完善，从而形成了独立的科学体系一粉体技术，它是研究粉体的基本性质及其应用的科学。粉体是很多单个小于一定粒径的颗粒集合，是固体的特殊形态，通俗来说粉体比颗粒具有更细微的粒径尺寸，不能忽略分子间的作用力。少量的粉体主要体现粒子的微观特性，大量时共同体现出宏观特性。粉体对于人类并不陌生，人类无时无刻不在接触粉体、制造并使用粉体。虽然人类对粉体的加工和利用有着悠久的历史，但是对粉体科学系统的研究始于上世纪30年代，最先从事这一研究的是美国学者J.M.Dallavlle，他于1943年出版了世界上第一部颗粒学专著《Micromeritics》，这标志着粉体工程的问世。日本于1957年成立了日本粉体工学会，并于1971年成立了日本粉体工业技术协会。1960年德国学者I.R.Meldau编写了《HandbuchderStaubtechntics》。1962年，英国Bradford大学设立了粉体技术学院。1966年，J.M.Dallavlle的学生Orr在继续前人的研究基础上出版了《Particulatetechology》。其后，20世纪70年代，美国也先后成立了粉体研究所(PSRI)和国际细颗粒研究所(IFPRI)。1979年日本学者久保、水渡、中川、早川合编了《粉体-理论及应用》、1981年三轮茂雄编着了《粉体工学通论》。我国于1986年成立了中国颗粒学会，并逐渐开展了对粉体的研究。国内的粉体工业随着粉体技术的发展与普及逐渐形成规模，在粉体研究的领域内也取得一定的成果⑵。粉体技术研究大概包括以下几个方面：粉体性质的研究；粉体制备技术方法及设备研究；制备粉体主要方法；粉碎工程学科分支；粉体工程技术及其优化。其中在粉体性质研究方面主要有三方面的内容：(1)粉体几何性能的测量，粉体颗粒的大小、形状及其分布对粉体各种现象的影响至关重要，如：粉体黏附性与粉体的流动性和粉体的形状相关联，粉末颗粒的尺寸、形状及分布对粉体的性能有着十分重要的影响。(2)粉体力学，是粉体工程技术中工艺设备及装置设计的理论基础。它研究单颗粒和颗粒堆积体的力学性质，如粉体的填充性、摩擦性、黏附性、流动性、偏析、结拱、透过性、强度、硬度、腐蚀性等。粉体力学在料仓设计中的成功应用，可以认为是粉体力学实用的典范。(3)其它粉末性质研究，如光、电、比热等物理性质，还有粉末颗粒表面特性，如吸附、湿润、活化、催化等。粉体力学的研究主要是从两方面研究：（1）研究处于极限平衡状态的粉体。实质上就是研究粉体的屈服破坏阶段，而不去研究它的变形和位移。（2）研究处于正常平衡状态下的粉体。实质上是研究处于稳态或弹性平衡状态下的粉体，这时要研究它的变形和位移[3]。粉体技术的主要任务是研究粉体的制备及其有效利用。从科学及应用划分，粉体技术可划分为粉体科学和粉体工程。粉体科学是对各个粉体作基础共性的研究，例如粉体粒度、粒度分布、粉体间的作用、粉体与介质的作用及其系统内热质量迁移等。粉体工程则是研究粉体在工程实践操作中具体的单元操作和优化组合，及其在过程中的监测与控制。在粉体工程中，粉体物性是表征粉体特性的基本数据。但是，关于表征粉体流动性、喷流性、流化性等操作特性还没有定量的或统一的方法⑵。粉体特性在工程设计中有着重要的参考依据，在能源、化工、医药、环境工程和农业等许多行业中生产原料使用的都是粉体。因此，对粉体特性的研究是许多工程设计的理论指导基础。粉体流动性研究是粉体工程的重要研究内容之一。在许多的粉体单元操作过程中都涉及到粉体的流动性，例如在粉体的生产工艺、输送、储存、装填以及混合等等。粉体的流动性因产地、生产工艺、粒度、颗粒形状、水分含量、物料混合量、压实力大小及等因素的变化有明显的不同。粉体流动性的测量方法很多，包括静态法和动态法。静态法有休止角法、内摩擦角法、壁摩擦角法和滑角法等；动态法有小孔流出速度法、旋转圆筒法、记录式粉末流速计法、旋转式粘度计法等。通过研究粉体各个参数对流动性的影响，可提高对粉体在工业过程、制药过程等领域中的监测与控制，并在一定条件下可以预测各项单元操作中流动状态。通过改变相应参数，可以提高粉体的流动性。在生产设备的设计过程中，科学的设计和适宜的选择也是降低生产成本，提高生产效率的重要因素。所以，粉体流动性的研究对于粉体工程、生产、安全与高效节能等都具有重要的意义。本文以多种粉体作为研究对象，分别测量这些粉体的基本物性参数，在不同粉体间进行比较，要就其流行性的影响。再对同物性不同粒度的粉体进行比较，并添加助剂，寻找可能提高粉体流动性的方法。2文献综述2.1粉体定义及分类粉体是一种干燥、分散的固体颗粒及颗粒间的空隙所构成的一种分散体系，和颗粒不完全相同，通俗来说粉体比颗粒具有更细微的粒径尺寸。从宏观角度看，组成粉体的最小单位或个体称为颗粒，其大小一般小于1000pm。工程上常把在常态下以较细的粉粒状态存在的物料称为粉体物料，简称粉体⑸。粉体从颗粒的构成来看，可以分成四大类型：原级颗粒型、聚集体颗粒型、凝聚体颗粒型和絮凝体颗粒型。最先形成粉体物料的颗粒，称为原级颗粒，它是构成粉体的最小单元，能够真正反映出粉体物料的固有性能；聚集体颗粒是由许多原级颗粒靠着某种化学力与其表面相连而堆积起来所形成；凝聚体颗粒是在聚集体颗粒之后形成的，故又称三次颗粒；絮凝体颗粒是粉体在液相介质中构成一定的分散体系，松散的粒子因各种物理力结合所形成［6］。上世纪70年代初，Geldart提出了气一固接触的四种流态化模式（即固定床、移动床、流化床、气流床/气力输送），并按照颗粒粒度和密度及流态化的四种模式将颗粒分为A、B、C、D四类。A类粉体：其尺寸较小，通常为几十微米，具有很好的流态化特征，气泡尺寸较小，气一固接触效率高；B类粉体：其尺寸较大，通常为几百微米，气固尺寸接触效率低，颗粒不易循环；C类粉体：其尺寸小，通常小于20微米。由于颗粒间的作用力远大于颗粒的重力，颗粒表现为一定的团聚性而不易流态化；D类粉体：尺寸大或密度高的颗粒，如谷物、铅粒等。Molerus按粉体的摩擦行为把粉体分为三类。分别为MolerusI类粉体、MolerusII类粉体和MolerusII!类粉体。MolerusI类粉体，即简单库仑粉体，其初抗剪强度为零，具有不团聚、不可压缩、流动性与粉体预压缩应力无关的特点。MolerusII类粉的体初抗剪强度不为零，具有一定的团聚性、可压缩性和流动性，且流动性与预压缩应力无关。MolerusII!类粉体的初抗剪强度不为零且与预压缩应力有关。2.2粉体流动性的影响因素粉体流动性主要与重力、空气阻力、颗粒间的相互作用力相关，颗粒间的相互作用力包括范德华力、毛细管引力和静电力冏。粉体流动性的影响主要决定于粉体物质本身的特性，如粒度及粒度分布、粒子的形态、比表面积、空隙率与密度、流动性与充填性、吸湿性等。其次也与环境的温度、压力、湿度等有关。密度包括松装密度、振实密度和真密度。2.2.1粒度颗粒的粒度是粉体诸物性中最基本的特性值，可决定粉体其他的性质。一般情况下，粉体的流动性与粒度大小成正相关，粉体粒度越大流动性越好。当粉体的粒度越小时，则比表面积越大，其微观特性就越显现出来。首先，粉体分子间的引力、静电力作用增大，这将影响粉体流动，使得粉体的流动性减小；其次，粒度越小的粉体越容易吸附、团结且黏结性增大，导致休止角增大，流动性减小；再次，粉体的粒度越小越容易形成紧密堆积，导致了透气率的下降和压缩率的上升，使得粉体的流动性下降。对粉体粒径的表征方式有很多种，如等体积球当量径、等表面积球当量径、比表面积球当量径、等周长圆当量径、投影圆当量径(也称Heywood径)。一般采用统计平均径表示，其是平行于一定方向测得的线度，故又称定向径。定向径又可分为定方向径(Feret径)、定方向等分径(Martin径)、定向最大径。通常以下关系：Feret径〉定向最大径＞投影圆当量径＞Martin径⑵。常用来测量粒径的方法有筛分法、显微镜法、电传感法、气体吸附法、消光法、激光衍射法、激光散射法等冏，其中最为简单直接的测量方法是光学显微镜法和电子显微镜法(SEM)。电子显微镜法(SEM)测量粒径简单直观，还可用于观测粉体形态及内部结构。国外的研究学者在粉体技术研究的过程中，通常使用电子显微镜法(SEM)对粒子进行研究。由于组成粉体的粒子形态不同且不规则，定向径不同。在测量粒径时，由于所用的测量原理不同，不同方法所测得的结果不可比较。即使采用同仪器测量，如果采用不同的方法计算，结果也不可作比较。故在实验测量和研究过程中，应先将数据进行统一化，所得的结果作比较时才有意义网。2.2.2粒度分布颗粒群是指含有许多颗粒的粉体或分散体系中的分散相。相等或近似相等的的颗粒粒度称为单粒度的颗粒群。实际颗粒所含颗粒的粒度大都有一个分布范围，常称之为多粒度的颗粒群。实际颗粒群的粒度分布严格地说都是不连续的，但大多数颗粒群的粒度分布可以认为是连续的。粒度分布的范围越窄，其分布的分散程度就越小，集中度也就越高。粒度分布对粉体流动性的测量和预测有着一定的指示作用，在一定条件下能表征粉体的其他特性。粒度分布的表示通常有三种方法：特性函数法、列表法和图示法询。图示法常有矩形图、扇形图及分布曲线等，列表法虽然量化特征突出，但变化趋势规律不直观。对粉体的粒度分布最精确的描述是用数学函数，即用概率理论或近似函数的经验法来寻找数学函数。分布函数不仅可以表示粒度的分布状态，还可以求各种平均径、比表面积、单位质量的颗粒数等粉体特性。此外，在实验过程中测量时，还能减少决定分布所需的测定次数。粒度分布函数有许多种，常见的粒度分布有正态分布、对数正态分布以及罗辛-拉姆勒(Rsin-Rammler)分布。正态分布使用于自然界中的植物花粉粒度分布；该分布的局限性为分布曲线延伸至负粒度；工程技术上大多数颗粒的粒度分布曲线都是偏斜的，很少符合正态分布。对数正态分布的适用范围很广，例如岩石、石灰石、燃煤等粉碎场合；通过对数正态分布由解析法可求得个数基准的平均粒径计算式，也可进行比表面积的计算；对数正态分布也同样存在一定的局限性，对于粉碎产物、粉尘之类粒度分布范围广的颗粒群来讲，在对数正态分布图上所得的直线偏差很大。罗辛-拉姆勒（Rsin-Rammler）分布引入了均匀性系数n，表示粉体粒度分布范围的宽窄程度，n值越小，粒度分布就越宽；反之亦然。对粉碎性产物n值通常小于1。当n值大于1是可近似于对数正态分布。罗辛-拉姆勒分布也可用于求平均粒径、比表面积及确定分布特征值。从事粉体的研究工作，必须深入了解测定粉体粒度的方法，并能够用所测定的数据来描述粉体粒度的分布，以便合理地控制粉体的粒度和粒度的分布，从而获得满足科研需要的粉体性质和生产工艺。2.2.3形态粉体颗粒的形态与其物性间存在着紧密的联系，粉体形态会对颗粒群的许多性质产生影响。例如，粉体的比表面、填充性、化学活性、流动性、粉体层对流体的透过阻力，及颗粒在流体中的运动阻力等⑵。粉体的粒子形态是指一个粒子的轮廓或表面上各点构成的图像。当粉体的粒径大小相等时，形状不同的粉体具有不同的流动性。粉体粒子具有多种形态，例如球形、立方形、多面体状、柱状、棒状、粒状、针状、片状、鳞状、枝状、海绵状等。球形粒子的相互间的接触面积最小因而具有最好的流动性，立方体的流动性次之，其他不规则形状粒子的流动性一般，片状、枝状和针状的粒子其表面有大量的平面接触点和不规则粒子间的剪切力，故流动性差。形态不规则的粉体粒子，粒度仅代表颗粒的某一线性尺寸，不能表达颗粒大小的全部信息。为此，人们采取了形状因子来表征颗粒的形状。形状因子是一种无量纲量，其数值与颗粒的形状有关，在一定程度上表征颗粒形状对于标准形状（通常取球形）的偏离。通常由形状系数和形状指数来表示。此外，许多研究者还利用计算机对粉体颗粒进行定量图像分析，构建测算颗粒投影轮廓分维、粒度分布分维、表面分维的数学模型，采用超声波分散颗粒样品，数字显微系统获取样品图像。经过处理所得的结果更能反映粉体粒子的实际情况。2.2.4湿含量粉体中湿含量对粉体的流动性会有一定的影响，尤其是在矿物粉体的加工及应用过程中，测定粉体中的含水量对粉体研究与工程应用都有重要作用。在一定条件下，为提高粉体物料的流动性提供某些定量的数据和依据。矿物含有内水、外水和结品水，对矿物粉体流动性影响较大的通常为外水，在一定条件下（如较高温度）时内水与结品水会转化为外水。当湿含量很少时，最初水分都被吸附在粉体表面，这种吸附水对粉体的流动性影响较小。随着湿含量的增加，在吸附水的周围形成了薄膜水，分体颗粒间就不容易发生相对移动，从而限制了粉体颗粒整体的流动性。当湿含量增加到超过最大分子结合水时，粉体的黏度增加，整个粉体颗粒的流动性变差，严重时甚至整体会失去流动性。王树传，高文元［11］等人定量研究了不同含水量不同粒度的硅酸盐、纯碱和石灰石对其粉体流动的影响。结果表明，水分、粒度对粉体的流动性都有明显的影响，且水分对流动性的影响是主要的。湿含量越高是，粉体的流动性指数越低，粉体流动性越差。而粉体干燥状态时，流动性一般较好，但是当粉体太过于干燥时，由于静电引力作用相互吸引黏结也会导致流动性变差。2.2.5温度粉体工业的制备、输送、储存、装填及混合的过程中，温度的变化同样会给粉体的自身的物性及操作控制带来一定的影响。曾富、黄立焕及蒋显亮［12］等研究人员在热喷涂用纳米结构Al2O3/TiO2/SiO2团聚体粉末的研究指出：经过热处理的粉体，其松装密度和振实密度有着随热处理温度的升高而增大的趋势，其原因可能是随着温度的升高，粉体颗粒的密度有所提高所引起。如果温度不断地升高，粉体的流动性会下降，这是因为高温容器内（如气化室），粉体受高温作用后黏附性有明显的增加，这一现象在粉体间以及粉体与器壁间都易发生黏附。如果温度更高时，粉体会发生化学反应而少量液化，这会使得黏附作用进一步增强。2.2.6振动在粉体流动工程控制中，通常振动可用来提高黏性较大的粉体的在操作中的流动性，尤其是装在容器内的松散物料。通过振动作用使粘性粉体形成聚团来改善其流动性和应用效果的新思路，对改善粉体造粒工艺，控制成颗粒的特性有着实际的科学意义。正确的使用振动可以明显地减少松散料强度，因而提高了物料的流动性。在一些情况下振动对粉体的流动性是不利的，尤其是含有细微粒子的粉体，在振动时很快地趋于密实，使得流动性降低，严重时甚至可能发生流动中断。贾妍、侯书军13］在振动作用下黏性颗粒动力学行为的实验研究中通过实验得出：通过振动作用提高粉体形成聚团的百分比能有效地改善粉体的流动性。2.2.7颗粒间的相互作用粉体间的摩擦性质和内聚性质对粉体的流动性同样用着很大的影响。粒度和形态不同的粉体，其摩擦性和内聚性对粉体流动性的影响程度是不同的，当粉体粒度较大时，体积力远大于粉粒间的内聚力，粉体的流动性主要取决于粉体的形态和粒度，通常表面粗糙的粉体颗粒或是形态不均匀的粉体颗粒的流动性都较差。当粉体颗粒很小，达到体积力远小于颗粒间的内聚力，此时粉体的流动性主要取决于粉体颗粒间的内聚力。粉体间的内聚力主要包括：范德华力、静电力、固桥力和液桥力等。其中范德华力可在100nm甚至更大的距离内起作用；颗粒间的静电力及颗粒与平面间的静电力，源于电位差、库仑力和镜像力；固桥力是颗粒经烧结、熔融，或化学反应和再结品时所产生的桥联力；液桥力源于颗粒表面吸附或凝结的水膜。叶菁、李洪斌与王飞尧14］等人在沉淀硫酸钡粉体流动性及影响因素分析的研究中利用了范德华力计算式测量了三种不同粉体的松装密度和振实密度，从而获得了振实状态下与松装状态下的范德华力之比与压缩率之间的关系：振实状态下与松装状态下的范德华力变化随压缩力的增大而增大，粉体的流动性也随之下降，这会导致粉体颗粒容易团聚、结拱和板结。2.3粉体流动性的表征方法在粉体的工程设计与应用中，粉粒体物性是必不可少的数据。常用来表征粉粒体操作的特性有流动性、流化性能和喷流性等。其中粉体的流动性在工程设计中应用范围最为广泛，其测量方法大致可分为两类：剪切类和流动类。剪切类测量装置主要是测量切向应力与法向应力之间的关系，可得到剪切方程：c=C0+btan8。该方程只给出了破坏粉体试样的起始应力，而没有考虑到剪切速率对剪切力的影响，在实际操作中，粒子运动速度或被剪切速度对分体流动性都有很大的影响。这类装置中具有代表性的有直剪仪、Jenike剪切仪等。流动类是通过测量一定条件下粉体流动速率或流出时间来表征粉体的流动性，这类测量方法也有着一定的局限性，所测出的值只是一定性的值，同样也不能用于工程计算。较具有代表性的测量方法有流出时间法、Carr指数法、狭缝流速测定仪等。2.3.1休止角法休止角是表示粉体颗粒间作用力的主要方法之一，也是最早用于表示粉体流动性的方法，测定休止角的方法可以归纳为固定漏斗法、固定圆锥槽法、倾斜箱法、转动圆柱体法4类。休止角是间接测量粉体的摩擦力，以休止角度数划分粉体流动性的等级：25°〜30°，流动性优；31°〜35°，流动性良；36°〜40°，流动性好；41°〜45°，流动性合格；46°〜90°，流动性差。休止角越小，颗粒间摩擦力越小，表示粉体的流动性越好，休止角与流动性的关系可有图1所示，其也只能粗略的表示粉体流动性⑼。一般根据经验或文献，休止角应保持在40°以下，以保证生产所需的流动性。Ma等［15］报道，休止角可与分子间作用力呈线性关系。休止角可提示粉粒之间的黏附性，从而反映粉未流动的难易程度，休止角大的表明粉体流动性差，并且重复性差；休止角小则流动性好，休止角法只能粗略地观察粉体流动性的大小，偏差也很大，具有很强的主观性。60°流动性比较差45'流动性比较好30°流动性良好图60°流动性比较差45'流动性比较好30°流动性良好图2-1休止角与流动性的关系流速法是测定粉体流动性的一种方法，该方法能够克服像休止角法过于简单且偏差较大的缺陷。流速发中流速是指粉体由一定孔径或管中流出来的速度，一般来说，粉体的流速快，其流动均匀性好，即流动性好。流速即是粉体的粒度以是其均匀的函数，但是流速法不能定量地表示流出的速度，对于流动性很接近的两种粉体，小孔流出速度发不能将之区分出来。2.3.3振实法振动可影响粉体的松装密度进而影响其流动性，因此，振实法可做为测定流动性大小的方法。粉末的黏附力系粉粒之间的相互作用力，它与粉末的流动性密切相关，其值越大，粉末的流动性越差。李忠全［16］测定了7种粉体的黏附力及流动性并做了其中两种粉体黏附力及流动性的重复性实验得出以下结论：粉末的黏附力和流动性与其松装密度有一定的关系，随着粉末松装密度的增大，其黏附力随之减小，而粉末的流动性随之变好，振实法测量粉末流动性的重复性较好，而黏附力稍差。同时，振实法也可以通过粉体的振实密度来表征粉体的流动性。将盛满粉体的容器于一定高度竖直下落，如此反复多次，将质量除以振实后体积得到的密度，又称振实密度。若未知测量紧密度的条件，则测量结果无比较意义，若条件已知，可用Carr指数比较粉体流动性。振实法把流动性和黏附力、松装密度联系起来考察，直观而有说服力，且重复性好，但依然没有个量化的确定值。HR(Hausnerratio)法［17］HR定义为粉体的振实密度与松装密度之比，该比值反应了粉体的压缩性和流动性。用HR值来表征粉体流动性大小的方法即为HR法，HR值越小，粉体压缩性越弱，流动性越好；反之亦然。与休止角法相同，HR法也被认为是一种描述粉体流动性最简便的方法，具有较大的主观性和经验性。HR指数、压缩度和流动性的关系如表1所示。

表2.1HR指数、压缩度和流动性的关系HR压缩度（%）流动性<1.2<15良好流动性1.2—1.415—30较好流动性1.4—2.030—50流动性差>2.0>50不流动Carr指数法Carr®过对2800种粉体试样的测定，归纳提出了一套比较全面表征粉体流动性的方法，以粒径非常均匀的细砂作为参照，把粉体的流动性指数（FlowabilityIndex）的最高值规定为100。采用粉体物性测试仪测量的休止角、平板角、压缩度和凝聚度（均匀度）等4个指标，来表征粉体的流动性。将测定结果换算成表示高低程度的点数，每项指标最高值均为25。然后采用点加法得出总点数作为流动性指数玫，即：流动性指数=休止角指数+压缩率指数+平板指数+凝聚指数（均匀指数）用流动性指数尸/来合评估粉体流动性。流动性较大的粉体使用均匀度计算喷流性指数；流动性较小的粉体使用凝聚度计算流动性指数。对于待测粉体，将4项指标得分之和定义为流动性指数，划分为7档（见表2）。得分越高，流动性越好。表2.2Carr流动性指数表流动性指数FI流动性能90~100流动性极好，无需辅助设备，不会形成拱堆80〜89流动性良好，无需辅助设备，基本不形成拱堆70~79流动性中等，无需辅助设备。如果需要，要振动60~69流动性一般，物料附着挂料的边界线40〜59流动性不好，必须搅动或振动20〜39流动性非常不好，需更积极的搅动0~19流动性极不好，需特殊振动料斗其中各项指标的评价表征如下：①休止角大，即休止角指数小，表明粉体的流动性差且测定的重复性差，休止角小的粉体则相反；②平板角大，即平板指数小，表明粉体的流动性差，平板角小的粉体则相反；③压缩度是振实容重与松装容重差值与振实容重的比值。压缩度是与粉体流动性相关显著的一个指标，压缩度大，即压缩率指数小，表明粉体的流动性差，压缩度小的粉体则相反；④凝聚度体现粉体凝聚程度，凝聚度大，即凝聚指数小，表明粉体的流动性差，凝聚度小的粉体则相反。Carr指数法简单实用，既适用于流动性好的粉体，又适用于黏附性强且流动性差的粉体，适用范围广。其测量原理参照Carr指数表，通过测定样品的每一项流动性指数指数，并把其结果累加，即可得到卡尔指数，得出对流动性状的综合评价见表1U8］。Carr指数法综合了休止法、流速法和振实法，有所改进，但仍然脱离不了经验性，它实际上只能用以表示和比较粉体物料的相对流动性。Jenike测试法Jenike以粉体力学理论为基础进行了大量的实验和深入的理论研究，提出了粉体的连续介质塑料模型，并发展了流动一不流动的判据，创建了一套科学地表示散状物料流动性能的指标，归纳了一整套表示料仓内粉体流动性的参数和料仓定量设计的方法及理论，表3U9］是」enike提出的表示流动性的综合性能参数。Jenike剪切实验装置如图2所示［20］。表2.3粉体流动性能的基本表征参数指标名称符号说明湿度增大的变化压紧的变化有效内摩5(°)稳态流动时一般变大低压实下变小擦角的摩擦情况内摩擦角①(°)粉体起始滑移一般变小一般变大时的摩擦情况壁摩擦角①(°)67粉体和壁的变大或变小一般稍变小动摩擦系数容重y/g/cm3单位体积的重量低压实下变大变大无侧界屈F/kg/cm3粉体的黏性饱和前明显变大明显变大服强度度量方法可压缩性P容重和压实力的变大一般变化不大但系数双对数曲线斜率在高压时变零透气性K/m/s气体通过粉体床压饱和前一般变大明显变小降梯度等于容重时的界面流速Jenike测试粉体物料的仪器主要有流动性能测定仪、压缩性测定仪和透气性测定仪。但是，对于大多数粉体，主要用有效内摩擦角、内摩擦角、壁摩擦角、容重和无侧界屈服强度等5个性能指标来表示流动性能，它们可以用流动性能测定仪直接或间接测出。

对粉体在实际工程应用和实验研究中，重复性和可靠性高的测量数据更具有参考价值和指导作用。奚新国与张耀金［18］在粉体流动性测试研究的实验中指出在实际应用中Carr指数法所测数据的重复性和可靠性相对于Jenike测试法的较差，尤其是在指导工程应用方面，如进行粉体模型实验时，Carr指数法的准确性及有效性不够，显得更无能为力。图2-2Jenike剪切试验装置［20］(a)预压密和扭转(b)预剪切及剪切试验而Jenike法可以依据相似准数指导料仓模拟。如果出料速率可控，如果要想让粉体在缩小的实验模型中的流动在全尺寸的工业料仓中重现，只要使模型中粉体的有效内摩擦角8、内摩擦角中中、壁摩擦角O^、可压缩性系数。等Jenike流动性能参数与全尺寸的工业料仓一样就可以了，目前Jenike法在工业上已经有了较多的应用。2.4流动助剂对流动性的影响表2.4滑石粉对粉体流动性表征参数的影响表征参数粉料样品空白样滑石粉加入量(wt%)12345A52.144.142.341.141.441.3休止角/(°)B49.044.642.642.342.542.5C50.544.942.741.241.441.4D55.748.044.341.341.941.3E41.340.239.038.437.837.8A38.629.826.121.720.921.4崩溃角/(°)B34.725.922.321.822.222.1C36.633.331.626.626.626.5D42.936.734.231.230.029.6E21.620.519.218.918.818.6粉体的流动性是粉体力学性能中重要的性能参数，测定并进一步改善粉体的流动性，对粉体的生产工艺、传输、储存、装填等具有重要意义。在改善粉体流动性的方法中，添加流动助剂是常用且有效的方法。马静、胡小芳与胡大为21］等人对此做了相关研究，他们质量分数为3%—5%的滑石粉作为助剂参入到不同粉体中，测量粉体的流动性，做出比较并得出了结论：助剂（滑石粉）对粉体的流动性的改善有明显效果。表征参数的影响如表4所示。2.5粉体流动性研究的应用人们对粉体的加工与利用有着悠久的历史。尤其是在当代，随着科技的发展、社会基础的建设和人类基本生活的不断需求，粉体对F人类来说已是息息相关。2008年，我国粉碎加工小麦1.1亿吨，玉米1.7亿吨，水泥13.9亿吨，煤炭27.2亿吨，铁矿石8.2亿吨，稀土矿石8.2亿吨，以及铝土矿石、铜矿石、金矿石等数亿吨［22］。人们的衣、食、住、行无不与粉体密切相关，新材料、新能源、新工艺等领域的高新技术也无不渗透着粉体的贡献㈣。以粉体特性为基础，掌握粉体现象和规律，对粉体的加工过程实施不同单元作业构成粉体工程的内涵。粉体单元操作涵盖了粉碎、分级、储存、充填、输送、造粒、过滤、沉降、浓缩、集尘、干燥、溶解、析品、分散、成型、烧成等工艺过程。根据各个作业中粉体加工对象的不同，粉体工程学已广泛应用到建材、机械、能源、塑料、橡胶、矿山、冶金、医药、食品、饲料、农药、化肥、造纸、资源、环保、信息、航空航天、交通等各个领域［24］。在如此广泛的领域中，对粉体流动性的研究可以提高生产效率，节约能源，改善人们的生活质量等等。所以粉体流动性研究是非常重要且具有广泛的应用价值和意义。2.5.1粉体流动，性研究在医药中的应用在医药产品中固体药物制剂约占70%〜80%，含有固体药物的剂型有散剂、颗粒剂、胶囊剂、片剂、粉针、混悬剂等；涉及到粉碎、分级、混合、制粒、干燥、压片、包装、输送、贮存等多个单元操作。多数固体制剂在制备过程中需要进行粒子加工以改善粉体性质，从而满足产品质量和粉体操作的需求。特别是在现今的中药制药中，整个中药制剂的过程都涉及到了粉体的研究与应用。在制药中以粉末直接混合的散剂或胶囊由于粉末流动性差，各成分很难混和均匀而影响药物的准确含量，若将粉末制成一定大小的颗粒可以使其流动性增加；在颗粒剂、片剂、胶囊剂等的成型或填充时，流动性差的粉粒往往表面粗糙或易黏结成块不易分散不便患者服用，影响工艺过程顺利进行，同时增加制剂的成本；在外用散剂的涂布中，粉体流动性差的散剂涂布不均匀，造成局部用药过多或过少，影响疗效；在制剂的贮藏和运输过程中，流动性差的粉料制成的制剂更容易受环境温度、湿度、压力、机械力等的影响而降低药物的稳定性和有效性囹。因此，粉体流动性的研究不仅在其他工程设计中的应用范围广泛，在整个医药制剂过程中同样有重要意义。2.5.2粉体流动性研究在涂料中的应用涂料属于化工一个门类［25］,其使用虽有着悠久的历史，但涂料研究及工业化生产才始于上世纪60年代［26］。涂料的分类方法很多，按涂料的形态可分为水性涂料、溶剂性涂料、粉末涂料、高固体分涂料等。粉末涂料是一种新型的不含溶剂的固体粉末状涂料。具有无溶剂、无污染、可回收、环保、节省能源和资源、减轻劳动强度和涂膜机械强度高等特点。用于涂料中的粉体材料可分为有机粉体粉体材料和无机粉体材料，包括颜填料、效应颜料、防锈材料、粉体助剂和纳米材料等。这些粉体材料是粉体涂料的组成部分，可使涂料具有遮盖、着色、保护、防水、绝缘、防腐、耐温、抗老化，美化环境和改善生活条件等基本功能［2刀。在粉体涂料的生产和使用过程中，需要对涂料的各个粉体原料和成品粉体涂料的基本特性加以研究，才能提高生产效率和产品质量，并在使用中充分发挥其最大性能。因此，粉体的流动性的研究在配料生产、混合及喷涂等过程中有着重要的指导作用。2.5.3粉体流动性研究在煤粉气力输送中的应用煤炭作为常见且用量很大化石能源，有着相当广泛的使用范围，在化工、食品、农业及电力等许多行业都有应用，煤粉是煤炭利用过程中一种常见的主要形式。流动性是煤粉力学性能中最主要的性能之一，在煤粉的制备、储存和输送等操作过程中有着重要的实际意义。尤其是在煤粉输送中，粉煤密相气力输送是粉煤加压气化技术的核心技术之一。其要求煤粉在高压、密相条件下达到稳定、可控的输送状态。这些控制会直接影响气化炉安全稳定运行及气化工艺指标［28］。粉体在这些过程中的流动性进行科学的描述具有重要的意义，并可通过对煤粉流动的研究准确描述出操作单元中的流动形式和状态的］。了解影响粉体流动性内在的联系，可改善粉体输送过程中流动性能，对提高输送效率和稳定可靠性提供相关依据。故粉体的流动性研究在煤粉的气力输送的应用中有着重要的作用。3技术路线3.1流程图3.2实验样品羊场弯粉煤北宿煤石英砂面粉FCC助剂（滑石粉或石墨）3.3实验仪器测定粉体流动性的仪器分别是ShearTracH剪切仪和丹东百特BT-1000粉体综合测试仪。3.3.1BT-1000粉体综合特性测试仪BT-1000粉体综合特性测试仪是丹东市百特仪器有限公司于清华大学粉体技术开发部联合研制的一种主要用于评价粉体流动特性的仪器。其测试项目包括休止角、崩溃角、平板角、分散度、松装密度、振实密度等参数。通过上述数据可得到差角、压缩度、空隙率、均齐度等指标，还能通过卡尔指数得到流动性指数、喷流性指数等参数。该仪器操作简便、重复性好、测定条件灵活多样且适合多种标准。该仪器设备如图3所示。图3-1BT-1000粉体综合特性测试仪3.3.2ShearTracII剪切仪ShearTracII-DSS系统是一套通用的剪切实验系统，可以全自动完成简单直剪实验中的固结和剪切阶段。该系统是在60年代NGI系统的基础上发展起来的。DSS系统可以在试样中产生完全相同的剪切状态，可以模拟野外实际条件提供初始应力条件、应力路径和变形。该系统包括一个计算机控制单元，利用微步进马达施加垂直和水平荷载。该系统可以自动完成32级逐级增加的固结阶段。水平剪切可以按照一个特定的应变速率和加载速率施加。通过垂直位移传感器和计算机维持整个剪切过程的体积不变。并可以实时显示实验状态和图形。同时也可以在实验的过程中修改实验过程和条件。还可以按照ASTM规范D6528设置试验参数、计算实验结果、生成实验报告，并打印出来。该仪器设备如图4所示。ShearTracII剪切仪在测量粉体时是将正方形上、下两个剪切盒重叠起来，盒内填充被测粉体；通过传压板向粉体层施加铅垂压应力。，再通过下盒向盒内粉体层上、下盒分界面上施加剪应力T，并逐步加大剪应力；当达到极限应力状态时，剪切盒错动，粉体层发生破坏。测定错动瞬时的剪应力，即可得粉体在极限应力状态下的，压应力。与对应的剪应力T；因此，在不同的压应力。作用下，可获得粉体层在达到极限应力状态时所对应的不同剪应力T。以。对T建立坐标系，可得到极限应力状态下的压应力与剪应力的关系。图3-2ShearTracII剪切仪3.4实验方案在实验中有用到多种粉体，首先选取数种不同的材料，再把每种材料分别制成粒度不同的粉体以备实验。分别测出同物料不同粒度粉体的物性（粒径、粒径分布、湿含量、堆积密度、振实密度、HR、休止角、下料流率等物性），并做初步的比较；再把不同物料间的粉体物性对流动性的影响做横向比较。对不同粉体物料分别加入助剂后再测量，对同种粉体加入不同量的助剂后流动性进行纵向比较。整理实验数据，分析数据，标绘出关系图，进行各粉体的流动性对比，并得出结论。探索粉体流动可能的因素，寻找提高粉体流动性可能的方法。4进度安排2012年2月〜2012年3月：翻译文献，查阅相关文献，撰写开题报告，思考实验过程。2012年3月〜2012年4月：继续文献的阅读工作，掌握实验组织方法和实验数据处理方法，设计合适的实验设计方案。2012年4月〜2012年5月：进行实验，开始数据处理，分析处理实验数据，初步得出实验结论。2012年5月〜2012年6月：深度分析数据，确定实验的结论，撰写毕业论文。2012年6月〜最后：论文答辩5参考文献[1]国家统计局.中国统计年鉴2011.中国统计出版社.⑵陆厚根.粉体工程导论[M].同济大学出版社,1993.吴延枝，胡晓军.最小二乘法在直剪试验数据处理中的应用[J].长江职工大学学报2000,17(2):38-39.章波，冯怡，徐德生，刘怡.粉体流动性研究及其在中药制剂中的应用[J].中成药，2008,30(6)，904-907.陶珍东，郑少华