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(xiàng)基本性能,它既同單個(gè)粒子有關(guān)也與散料特性有關(guān)。粒徑可分為代表單個(gè)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(duì)球形粒子可直接按其直徑清楚定義,但對(duì)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(jì)直徑定義，分為：①Feret 直徑(又稱Green 徑)，即在一固定方向測(cè)出的粒子兩個(gè)端點(diǎn)間的距離； ②Martin 直徑,即將三維粒子在固定方向分割成兩個(gè)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(shí)，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(dòng)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(gè)粒子的質(zhì)量除以該粒子體積的值即為粒子密度。由于測(cè)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(shí)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(shí)密度實(shí)際上很難測(cè)出,因?yàn)榇嬖谟诹Ｗ觾?nèi)部的孔洞無法去掉。同時(shí)也可看出, “真實(shí)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(cè)量常以相對(duì)密度表述,即將要測(cè)量的粒子密度與用作比較液體的已知密度之比值。對(duì)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(jì)。粒子密度用于計(jì)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(xiàng)難以定義的性能參數(shù),因?yàn)樾螤钣卸喾N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(duì)單個(gè)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(duì)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?yàn)榍蛐蔚谋砻娣e與體積之比較小,理論分析容易,且球形粒子無方向性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也容易再現(xiàn)。
散料粒子的總體形狀和結(jié)構(gòu)對(duì)氣力輸送裝置的設(shè)計(jì)很重要。若粒子是多角形,即指出輸送時(shí)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(huì)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(jì)和設(shè)備、管道與管件選型時(shí)，對(duì)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(xiàng)指標(biāo)或從試驗(yàn)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(duì)管壁的碰撞,會(huì)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(duì)脆性粒子仍然或多或少會(huì)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(gè)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(gè)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(shí),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(gè)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(duì)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(cè)量時(shí)，試驗(yàn)條件應(yīng)模擬或盡量接近實(shí)際情況。
設(shè)計(jì)氣力輸送系統(tǒng)時(shí)，堆積密度的數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)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(dòng)性能
散料有著寬范圍的體積強(qiáng)度，從自 由流動(dòng)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(dòng)性。設(shè)計(jì)氣力輸送裝置時(shí)，須一開始就應(yīng)對(duì)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(cè)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(jì)中。有關(guān)這方面的資料是對(duì)要處理的散料試料進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)得出。
對(duì)流動(dòng)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(dòng),就象是單個(gè)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(dòng)。這時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)不可能從單個(gè)分離的粒子而是以集 合體(團(tuán)塊) 來進(jìn)行。通常對(duì)流動(dòng)性很好的散料,氣力輸送裝置設(shè)計(jì)幾乎沒有多大問題,但對(duì)黏性散料,由于呈現(xiàn)流動(dòng)困難則須給予很大注意。遺憾的是從自 由流動(dòng)到黏性的行為該轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(dòng)特性。
總之根據(jù)對(duì)多種物料進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果指出：如要研究散料對(duì)密相氣力輸送的能力,則透氣性和存氣性是兩項(xiàng)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(dòng)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(shí),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(gè)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(duì)氣力輸送特別重要,是一項(xiàng)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(shí)) 的函數(shù),因而也是透氣性的函數(shù)。特別對(duì)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(dòng)料床或料栓的氣體怎樣對(duì)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(shí)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(shí)體的連結(jié),如散料粒子的結(jié)塊成團(tuán)。氣力輸送時(shí),散料與管壁間除有黏附力外,氣流還會(huì)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(shí),管壁上才會(huì)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(duì)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(duì)壁面壓力就增加,使黏附力增加, 只有氣速超過其臨界點(diǎn)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(shí)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(xiǎn)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(xiǎn)。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(duì)整套設(shè)備的作用。
對(duì)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(huì)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(huì)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(shí)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(huì)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(duì)某種散料在全尺度實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行 氣力輸送試驗(yàn),來判定該散料是否可以密相輸送和何種流動(dòng)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(duì)料性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來預(yù)測(cè)粉粒料是否可采用密相氣力輸送及其流動(dòng)模式。人們?cè)谠囼?yàn)桌上對(duì)物料進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)定,將得到的數(shù)值與實(shí)際全尺度試驗(yàn)結(jié)果關(guān)聯(lián)起來,或者根據(jù)已有的運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)來推斷。
總之,三河機(jī)械研究工作仍在深入,并逐步認(rèn)識(shí)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(dòng)能力、黏聚性。
