物料特性包括粒子特性和散料特性。
1 粒子特性
1. 1 粒子尺寸
粒子尺寸以“粒徑”表示是一項基本性能,它既同單個粒子有關(guān)也與散料特性有關(guān)。粒徑可分為代表單個粒子的單一粒徑和代表許多不同尺寸粒子組合成粒子群的平均粒徑。對球形粒子可直接按其直徑清楚定義,但對不規(guī)則粒子的粒徑則要按以下當(dāng)量來定義,故又稱為當(dāng)量直徑。
1、按二維當(dāng)量來定義,分為內(nèi)接圓直徑、外接圓直徑、具有相同圓周長度的圓的直徑。
2、按三維當(dāng)量來定義,分為具有相同表面積的球的直徑、具有相同體積或質(zhì)量的球的直徑、粒子剛好通過的孔(圓形或方形) 的尺寸。
3、按統(tǒng)計直徑定義，分為：①Feret 直徑(又稱Green 徑)，即在一固定方向測出的粒子兩個端點間的距離； ②Martin 直徑,即將三維粒子在固定方向分割成兩個相等面積的直線長度，或者沿固定方向?qū)⒘Ｗ油队懊娣e二等分線的長度。當(dāng)采用光學(xué)或電子顯微鏡時，都是從正上方觀察并投影在平面上的粒子，因此是依據(jù)粒子的投影圖形來確定粒徑。除了Feret 直徑、Martin 直徑外，還有所謂定向直徑、投影圓當(dāng)量直徑、等周長圓當(dāng)量直徑，等等。
在氣力輸送工程中多采用質(zhì)量平均直徑。粒子的尺寸影響散料的流動性能，通常粒子越小處理就越麻煩。散料粒子大小還影響到稀相氣力較小輸送的輸送速度，迄今將較小輸送速度作為粒子粒徑函數(shù)的關(guān)聯(lián)式至少已有12 種。
1. 2粒子密度
單個粒子的質(zhì)量除以該粒子體積的值即為粒子密度。由于測得的粒子體積可以包含或排除已存在粒子內(nèi)部的開 放形或封閉形孔洞的體積，后者定義為同粒子表面不連通的空穴,因此粒子密度就有三種不同表示方法。
1、真實密度，即粒子質(zhì)量除以排除開 放和封閉孔洞后的粒子體積。 2、表觀密度，即粒子質(zhì)量除以排除開 放孔洞但包含封閉孔洞的粒子體積。 3、有 效密度，即粒子質(zhì)量除以包含開 放和封閉孔洞的粒子體積。
顯然,真實密度實際上很難測出,因為存在于粒子內(nèi)部的孔洞無法去掉。同時也可看出, “真實密度> 表觀密度> 有 效密度”。工程應(yīng)用中主要采用表觀密度。
粒子密度的測量常以相對密度表述,即將要測量的粒子密度與用作比較液體的已知密度之比值。對細(xì)粉料和可溶性或脆性粒子則采用與空氣比較的比重計。粒子密度用于計算輸送的氣流速度,它影響氣力輸送的較小輸送速度和輸送要求的壓降。
1. 3粒子形狀
粒子形狀是一項難以定義的性能參數(shù),因為形狀有多種多樣，為了將粒子形狀引入分析模型中，就應(yīng)在定量基礎(chǔ)上定義形狀。對單個粒子已提出多種“形狀系數(shù)”,如球形度、圓形度、面積形狀系數(shù)、體系形狀系數(shù)和比表面積形狀系數(shù), 等等 。
如前所述,對粒徑不均勻的物料，通常將粒子視作球形而確定其當(dāng)量直徑。氣力輸送的基本理論也是將粒子假定為球形來分析,這是因為球形的表面積與體積之比較小,理論分析容易,且球形粒子無方向性,實驗結(jié)果也容易再現(xiàn)。
散料粒子的總體形狀和結(jié)構(gòu)對氣力輸送裝置的設(shè)計很重要。若粒子是多角形,即指出輸送時易于破碎；纖維狀意味著粒子可能糾結(jié)在一起，以致使進(jìn)、排料麻煩，管道易于堵塞；有銳角的硬質(zhì)晶體狀粒子會造成部件被擦傷和磨蝕的可能性。因此在粉體工程的裝置設(shè)計和設(shè)備、管道與管件選型時，對此須仔細(xì)考慮。
1. 4粒子脆性
粒子脆性還不能容易地用一項指標(biāo)或從試驗得出數(shù)值來定義。為了探討特定的粉碎機(jī)理,曾提出了如煤的可磨性指標(biāo),但并未成功引用到氣力輸送中有關(guān)粒子磨碎的問題上來。稀相氣力輸送的高速氣流和粒子對管壁的碰撞,會造成粒子破碎,低速密相氣力輸送雖然情況大為改 善,但如處理不當(dāng),對脆性粒子仍然或多或少會引起粒子被磨碎,從而改變物料性能和降低產(chǎn)品質(zhì)量。
2散料特性
散料是由大量單個粒子組成,這些粒子常常是大小不同、形狀各異的,甚至可能是不同的化學(xué)成分。每個粒子又為自 由空間或間隙包圍,因而可以將散料看成是粒子與空間的無規(guī)律組合。在氣力輸送時,空間為輸送氣流(多數(shù)是空氣) 所占據(jù),于是這些粒子同包圍它們的氣流之間的關(guān)系,就決定了散料的行為和它的“氣力輸送特性”。散料的有些性能與單個粒子有關(guān),但更多的則是與物料的散裝(堆積) 狀態(tài)有關(guān),在堆積狀態(tài)下的整體物料性能稱之為“散料特性”。
2. 1 堆積密度
堆積密度是散料質(zhì)量除以該散料所占體積的值。既然散料是由許多無規(guī)律集 合的物料粒子組成，包含粒子的體積和粒子間的空隙，因此它具有的是表觀堆積密度,取決于粒子密度、形狀、粒子裝填方法和粒子彼此的配位。對于一特定散料、堆積密度并不具有單一數(shù)值。它隨物料的密集程度有很大變化，也與粒子裝填于容器的方法有關(guān)系，通常更為恰當(dāng)?shù)氖翘峁┒逊e密度的范圍而不是單一值。在作任何散料堆積密度測量時，試驗條件應(yīng)模擬或盡量接近實際情況。
設(shè)計氣力輸送系統(tǒng)時，堆積密度的數(shù)據(jù)對確定以下一些重要參數(shù)是必不可少的,這包括：①從給料機(jī)得到的大致排料量；②已知容積的供料或下料倉中大致的散料質(zhì)量；③要求貯存一定質(zhì)量散料的料斗或料倉的大致容積。
2. 2 空隙度
對任何給定的散料,粒子密度與堆積密度之間有差值。一般來講,倒出狀態(tài)的堆積密度大約是粒子密度值的一半。由于堆積密度值取決于粒子密度、形狀及散料粒子的堆積(裝填) 狀態(tài)，關(guān)聯(lián)這些因素的方法是按以下表達(dá)式：
空隙度=散料中的空隙空間/總的散料所占容積
2. 3流動性能
散料有著寬范圍的體積強(qiáng)度，從自 由流動的到很黏的，一種特定散料在這兩種情況之間所處的位置即表示它的流動性。設(shè)計氣力輸送裝置時，須一開始就應(yīng)對其有了解，為它影響到處理散料的裝置和系統(tǒng)部件的型式。這方面已進(jìn)行了相當(dāng)多的研究并提出各種測量技術(shù)，體積強(qiáng)度的數(shù)據(jù)應(yīng)用到散料處理裝置的設(shè)計中。有關(guān)這方面的資料是對要處理的散料試料進(jìn)行直接剪切試驗得出。
對流動性好的散料,粒子間的力可以忽略,這類散料在重力作用下即很容易流動,就象是單個分離的粒子一樣。當(dāng)粒子尺寸減小,粒子間力的作用就增加,這樣再單憑重力已不足產(chǎn)生粒子間剪力使其流動。這時產(chǎn)生的流動不可能從單個分離的粒子而是以集 合體(團(tuán)塊) 來進(jìn)行。通常對流動性很好的散料,氣力輸送裝置設(shè)計幾乎沒有多大問題,但對黏性散料,由于呈現(xiàn)流動困難則須給予很大注意。遺憾的是從自 由流動到黏性的行為該轉(zhuǎn)折點很難確定,有些散料只要稍微改變一下操作條件,就可能有 效改變它們的流動特性。
總之根據(jù)對多種物料進(jìn)行試驗的結(jié)果指出：如要研究散料對密相氣力輸送的能力,則透氣性和存氣性是兩項重要的散料特性。當(dāng)散料具有足夠的透氣性,就可能以密相栓流形式輸送；當(dāng)散料具有良好的存氣性,就可能以密相移動床形式輸送；而當(dāng)散料既無足夠的透氣性且存氣性也差時,不可能由常規(guī)充氣罐裝置作密相氣力輸送,只能采用稀相氣力輸送。
2. 4 粒徑分布
由于散料包含大量單個粒子而大多數(shù)情況有寬的粒徑范圍,因而采用粒徑分布曲線來描繪散料的粒徑特征。所謂粒徑分布(也有稱粒度分布) 就是散料中各種尺寸粒子的質(zhì)量分別占散料總質(zhì)量的比例,它對氣力輸送特別重要,是一項能較好定義散料本質(zhì)的參數(shù)。
2. 5 可壓縮性
堆積密度可以看作是散料堆積狀態(tài)(即從松散到壓實) 的函數(shù),因而也是透氣性的函數(shù)。特別對高濃度低速度的氣力輸送,散料的可壓縮性和透氣性決定了散料存氣的難易程度,以及流過移動料床或料栓的氣體怎樣對散料起作用。
2. 6黏性
黏性有兩種形式,即黏附性和黏聚性,前者是指不同實體的連結(jié),如粉料粒子黏附在處理裝置、管道或倉壁表面上,后者是指相同實體的連結(jié),如散料粒子的結(jié)塊成團(tuán)。氣力輸送時,散料與管壁間除有黏附力外,氣流還會產(chǎn)生使黏附層脫離壁面的分離力。僅當(dāng)黏附力大于分離力時,管壁上才會出現(xiàn)黏附層,這種情況與散料特性、管材和管壁特征以及氣速等有關(guān)。通常,對于微細(xì)粉料,因表面水分而產(chǎn)生黏性或帶電荷的散料,輸送氣速越大,對壁面壓力就增加,使黏附力增加, 只有氣速超過其臨界點后，才不再產(chǎn)生黏附。
2. 7爆 炸性
許多粉料懸浮于空氣中時形成粉塵云,一旦出現(xiàn)著火源即可能發(fā)生爆 炸,稱之為“粉塵爆 炸” 。
由于氣力輸送系統(tǒng)的基本要素是物料與空氣的混合體,不可能沒有粉塵產(chǎn)生。即使所輸送的散料是由比產(chǎn)生爆 炸危險要大一些的顆粒組成,也要考慮到在輸送過程有細(xì)粉產(chǎn)生,也就可能導(dǎo)致在下料斗中出現(xiàn)爆 炸危險。當(dāng)粉塵云在受到約束的狀態(tài)下,如供料裝置或貯倉中,塵云的著火產(chǎn)生壓力積累,此壓力的強(qiáng)弱取決于懸浮物的體積、料性和排向大氣的泄壓率。任何氣力輸送系統(tǒng),總有物料在某處分散成懸浮狀。因此,須考慮使這種爆 炸可能性降低到細(xì)小的辦法以及一旦出現(xiàn)著火源,爆 炸對整套設(shè)備的作用。
對于高壓密相氣力輸送系統(tǒng),由于固氣比(即濃度) 較高,一般已超過爆 炸上限濃度,又由于氣力輸送具有自凈性,管道中不會堆積粉塵,因此未必可能發(fā)生爆 炸。
2. 8 吸濕性、潮解性和含水量
散料具有吸濕性就容易吸水結(jié)塊、黏附管壁甚至引起堵塞,有 機(jī)物料則更因吸水多而變質(zhì)腐 敗。如塑料粉末、化肥、水泥、粉煤灰等都能從空氣中吸收大量濕氣。如果散料不僅容易吸濕并且還會潮解則情況就更嚴(yán)重。因此須采用充分干燥的空氣作為輸送介質(zhì),同時還要注意散料本身的含水量。散料可以采用氣力輸送的較高含水量,隨物料種類和輸送方法不同而異。通常,由真空吸送的散料可以比采用壓送的含水量高一些。當(dāng)然,散料因含濕也會帶來一定的好處,即揚(yáng)塵少,可抑 制靜電積累和粉塵爆 炸。
3 結(jié)束語
雖然氣力輸送在工業(yè)中已廣泛應(yīng)用了數(shù)十年,尤其在應(yīng)用密相氣力輸送技術(shù)后有了更長足的發(fā)展。但是,人們迄今不得不主要依靠對某種散料在全尺度實驗臺上進(jìn)行 氣力輸送試驗,來判定該散料是否可以密相輸送和何種流動模式。因此,研究散料處理較有前途的課題之一是,要求能夠通過對料性試驗數(shù)據(jù)分析來預(yù)測粉粒料是否可采用密相氣力輸送及其流動模式。人們在試驗桌上對物料進(jìn)行各項參數(shù)的測定,將得到的數(shù)值與實際全尺度試驗結(jié)果關(guān)聯(lián)起來,或者根據(jù)已有的運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗來推斷。
總之,三河機(jī)械研究工作仍在深入,并逐步認(rèn)識到確定散料密相氣力輸送的可輸送性取決于物料性能, 主要參數(shù)包括:粒徑和粒徑分布、形狀、粒子和堆積密度、透氣性系數(shù)、、流動能力、黏聚性。
