1.2 粉體及其特殊性能（2）——高分散性和易流動性

1.2.1 粉體的流動化

在水中吹氣會產(chǎn)生氣泡。那么，在沙層中吹入氣體會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？

將沙子盛放在一個隔板上布置有大量微孔的容器中，微孔的直徑小到不致使沙子掉落的程度，在隔板的下方流入氣體。當(dāng)氣體速度小時，沙層多少有些膨脹，但沙子幾乎不動。但是，當(dāng)速度超過某一確定值時，便產(chǎn)生氣泡，此時沙子開始激烈運動，恰似水沸騰那樣。因此，剛放入容器的沙子如同海岸沙灘那樣，人可以在上面閑庭信步，但流動化的沙層（流動層）會變?yōu)橐后w那樣的狀態(tài)，其上的步行者就會沉沒于沙層中。

如圖中曲線所示，由沙層所引起的氣體壓力損失，直到沙層流動前與氣體速度呈直線關(guān)系增加，但流動開始后幾乎不再變化，這說明粒子的運動幾乎與液體處于相同的狀態(tài)。

粉體流動化的好處是，如同液體那樣的粒子可以被均勻地混合，粒子與氣體間的接觸效率很高。這樣，流動層內(nèi)的固-氣反應(yīng)特性及傳熱特性變得極好。

具有這種特性的流動層，作為固-氣接觸反應(yīng)裝置已經(jīng)在各種化學(xué)反應(yīng)中成功應(yīng)用。例如，在重質(zhì)油的流動接觸分解制取汽油，藥品及食品制造，煤炭氣化，以及火力發(fā)電站應(yīng)用為主的煤燃燒等領(lǐng)域都已成功應(yīng)用。特別是最近，作為垃圾及廢棄物的燃燒裝置，上述流動層的利用已引起廣泛關(guān)注。

1.2.2 粉體的流動模式

粉體的流動性主要與重力、空氣阻力、顆粒間的相互作用力有關(guān)。顆粒間的相互作用力主要包括范德瓦耳斯力，毛細(xì)管引力，靜電力等。粉體流動性的影響主要取決于粉體本身的特性，如粒度及粒度分布，粒子的形態(tài)，比表面積，空隙率與密度，流動性與充填性，吸濕性等。其次也與環(huán)境的溫度，壓力，濕度有關(guān)。

一般，用休止角評價粉體的流動性。一定量的粉體堆層，其自由斜面與水平面間形成的最大夾角稱為休止角θ，tanθ= h / r。θ越小，粉體的流動性越好；θ≤40°，流動性滿足生產(chǎn)的需要；θ＞40°，流動性不好。如淀粉θ＞45°，流動性差。粉體吸濕后，θ提高。細(xì)粉率高，θ便大。將粉體加入漏斗中，測定粉體全部流出所用的時間可以確定流出速度。粒子間的黏著力、范德瓦耳斯力等作用阻礙粒子的自由流動，影響粉體的流動性。

改善粉體流動性的措施有：①通過制粒，減少粒子間的接觸，降低粒子之間的吸著力；②加入粗粉、改進粒子形狀可改善粉體的流動性；③改進粒子的表面及形狀；④在粉體中加入助流劑可改善粉體的流動性；⑤適當(dāng)干燥可改善粉體的流動性。

如果倉內(nèi)整個粉體層能大致均勻流出，則稱為整體流；如果只有料倉中央部分流動，整體呈漏斗狀，使料流順序紊亂，甚至部分停滯不前，則稱為漏斗流。

整體流導(dǎo)致“先進先出”，把裝料時發(fā)生粒度分離的物料重新混合。整體流情況下不會發(fā)生管狀穿孔；整體流均勻而平穩(wěn)，倉內(nèi)沒有死角。但是需要陡峭的倉壁而增加了谷倉的高度，具有磨損性的物料沿著倉壁滑動，增加了對料倉的磨損。

漏斗流對倉壁磨損較小，但導(dǎo)致“先進后出”，使物料分離。大量死角的存在使料倉有效容積減少，有些物料在倉內(nèi)停留，這對儲存期內(nèi)易發(fā)生變質(zhì)的物料使極為不利的。而且，卸料速度極不穩(wěn)定，易發(fā)生沖擊流動。

（1）何謂整體流？何謂漏斗流？各有什么優(yōu)缺點？

（2）何謂休止角？其大小表示什么含義？

（3）改善粉體流動性的措施有哪些？

1.2.3 粉體的浮游性——靠空氣浮起來輸運

風(fēng)吹沙塵漫天飛舞，這便是粒子的浮游性。這是由于空氣存在黏性，受黏滯作用而處于靜止?fàn)顟B(tài)的粒子被風(fēng)吹動所致。風(fēng)對粒子所作用的，即是使其在空氣中飛舞的力。上述黏性，表現(xiàn)為對運動物體起制動作用的力，也作用于粒子上。人在強風(fēng)中步行困難就是這種力的作用。

空氣中自由存在的粒子受重力作用而沉降（落下）。這樣，由于粒子與空氣產(chǎn)生相對速度，因此粒子上會有力（黏性抵抗力）作用。對于小粒子的情況，這種力與速度（粒子與空氣的相對速度）成正比而逐漸加大，不久便與重力相等，由此時開始，粒子做等速運動。此時的速度稱為等速沉降速度。若受到風(fēng)速更大的風(fēng)的吹動，粒子就會飄舞起來。由于沉降速度與粒子直徑的二次方成正比，隨著粒子變小，浮游性增加。因此，由于微細(xì)化而產(chǎn)生的浮游性，在粉體工藝中幾乎無處不在地被加以利用。例如，在近代的粉體工廠中，氣流輸送器應(yīng)用十分普遍。以前只能靠帶式運輸機輸運的大塊礦石，只要磨成細(xì)粉，靠空氣浮起，也能在管道中與空氣一起，像液體那樣流動，稱為空氣輸送。

另外，圖中所示為稱作氣動滑板的粉體技術(shù)的一種。即使粒子從傾斜板的上方流下，但由于粒子與板之間的摩擦，往往不能順暢地流下。但是，若由粉體層下方向粉體層中吹入空氣，使粒子浮起，則粉體會像液體那樣流動。

1.2.4 地震中因低級液態(tài)化而引起的災(zāi)害

飽和狀態(tài)下的砂土或粉土受到振動時，孔隙水壓力上升，土中的有效應(yīng)力減小，土的抗剪強度降低。振動到一定程度時，土顆粒處于懸浮狀態(tài)，土中有效應(yīng)力完全消失，土的抗剪強度為零。土變成了可流動的水土混合物，此即為液化。這種振動多來自地震等因素。

地基的液化會造成冒水噴砂，地面下陷，使建筑物產(chǎn)生巨大沉降和嚴(yán)重傾斜，甚至失穩(wěn)。還會引起噴水冒砂、淹沒農(nóng)田、淤塞渠道、淘空路基，有的地段會產(chǎn)生很多陷坑，河堤裂縫和滑移，橋梁的破壞等其他一系列震害。

飽和砂土或粉土液化除了地震的振動特性外，還取決于土的自身狀態(tài)：①土達(dá)到飽和，即，要有水，且無良好的排水條件；②土要足夠松散，即砂土或粉土的密實度不好；③土承受的靜載大小，主要取決于可液化土層的埋深大小，埋深大，土層所受正壓力大，有利于提高抗液化能力。此外，土顆粒大小，土中黏粒含量的大小，級配情況等也影響土的抗液化能力。

液態(tài)化的地基（變得如同泥水）在建筑物等的作用下，承受很大壓力，因此會沿著地面的龜裂乘勢噴出。這便是所謂噴沙、噴水現(xiàn)象。而且液態(tài)化地基還會產(chǎn)生側(cè)向流動，有的甚至發(fā)生數(shù)米以上的橫滑，從而造成建筑物破壞。

最容易發(fā)生液態(tài)化現(xiàn)象的是那些由粒徑為0.1～1.0mm沙粒構(gòu)成的沙質(zhì)地基，而由小石子及礫石等大尺寸粒子、黏土等微細(xì)粒子構(gòu)成的地基相對而言不容易發(fā)生液態(tài)化，這可以供地基改良參考。另外，降低地下水位也是克服地基液態(tài)化的對策之一。