1.2 粉体及其特殊性能（2）——高分散性和易流动性

1.2.1 粉体的流动化

在水中吹气会产生气泡。那么，在沙层中吹入气体会发生什么现象呢？

将沙子盛放在一个隔板上布置有大量微孔的容器中，微孔的直径小到不致使沙子掉落的程度，在隔板的下方流入气体。当气体速度小时，沙层多少有些膨胀，但沙子几乎不动。但是，当速度超过某一确定值时，便产生气泡，此时沙子开始激烈运动，恰似水沸腾那样。因此，刚放入容器的沙子如同海岸沙滩那样，人可以在上面闲庭信步，但流动化的沙层（流动层）会变为液体那样的状态，其上的步行者就会沉没于沙层中。

如图中曲线所示，由沙层所引起的气体压力损失，直到沙层流动前与气体速度呈直线关系增加，但流动开始后几乎不再变化，这说明粒子的运动几乎与液体处于相同的状态。

粉体流动化的好处是，如同液体那样的粒子可以被均匀地混合，粒子与气体间的接触效率很高。这样，流动层内的固-气反应特性及传热特性变得极好。

具有这种特性的流动层，作为固-气接触反应装置已经在各种化学反应中成功应用。例如，在重质油的流动接触分解制取汽油，药品及食品制造，煤炭气化，以及火力发电站应用为主的煤燃烧等领域都已成功应用。特别是最近，作为垃圾及废弃物的燃烧装置，上述流动层的利用已引起广泛关注。

1.2.2 粉体的流动模式

粉体的流动性主要与重力、空气阻力、颗粒间的相互作用力有关。颗粒间的相互作用力主要包括范德瓦耳斯力，毛细管引力，静电力等。粉体流动性的影响主要取决于粉体本身的特性，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，湿度有关。

一般，用休止角评价粉体的流动性。一定量的粉体堆层，其自由斜面与水平面间形成的最大夹角称为休止角θ，tanθ= h / r。θ越小，粉体的流动性越好；θ≤40°，流动性满足生产的需要；θ＞40°，流动性不好。如淀粉θ＞45°，流动性差。粉体吸湿后，θ提高。细粉率高，θ便大。将粉体加入漏斗中，测定粉体全部流出所用的时间可以确定流出速度。粒子间的黏着力、范德瓦耳斯力等作用阻碍粒子的自由流动，影响粉体的流动性。

改善粉体流动性的措施有：①通过制粒，减少粒子间的接触，降低粒子之间的吸着力；②加入粗粉、改进粒子形状可改善粉体的流动性；③改进粒子的表面及形状；④在粉体中加入助流剂可改善粉体的流动性；⑤适当干燥可改善粉体的流动性。

如果仓内整个粉体层能大致均匀流出，则称为整体流；如果只有料仓中央部分流动，整体呈漏斗状，使料流顺序紊乱，甚至部分停滞不前，则称为漏斗流。

整体流导致“先进先出”，把装料时发生粒度分离的物料重新混合。整体流情况下不会发生管状穿孔；整体流均匀而平稳，仓内没有死角。但是需要陡峭的仓壁而增加了谷仓的高度，具有磨损性的物料沿着仓壁滑动，增加了对料仓的磨损。

漏斗流对仓壁磨损较小，但导致“先进后出”，使物料分离。大量死角的存在使料仓有效容积减少，有些物料在仓内停留，这对储存期内易发生变质的物料使极为不利的。而且，卸料速度极不稳定，易发生冲击流动。

（1）何谓整体流？何谓漏斗流？各有什么优缺点？

（2）何谓休止角？其大小表示什么含义？

（3）改善粉体流动性的措施有哪些？

1.2.3 粉体的浮游性——靠空气浮起来输运

风吹沙尘漫天飞舞，这便是粒子的浮游性。这是由于空气存在黏性，受黏滞作用而处于静止状态的粒子被风吹动所致。风对粒子所作用的，即是使其在空气中飞舞的力。上述黏性，表现为对运动物体起制动作用的力，也作用于粒子上。人在强风中步行困难就是这种力的作用。

空气中自由存在的粒子受重力作用而沉降（落下）。这样，由于粒子与空气产生相对速度，因此粒子上会有力（黏性抵抗力）作用。对于小粒子的情况，这种力与速度（粒子与空气的相对速度）成正比而逐渐加大，不久便与重力相等，由此时开始，粒子做等速运动。此时的速度称为等速沉降速度。若受到风速更大的风的吹动，粒子就会飘舞起来。由于沉降速度与粒子直径的二次方成正比，随着粒子变小，浮游性增加。因此，由于微细化而产生的浮游性，在粉体工艺中几乎无处不在地被加以利用。例如，在近代的粉体工厂中，气流输送器应用十分普遍。以前只能靠带式运输机输运的大块矿石，只要磨成细粉，靠空气浮起，也能在管道中与空气一起，像液体那样流动，称为空气输送。

另外，图中所示为称作气动滑板的粉体技术的一种。即使粒子从倾斜板的上方流下，但由于粒子与板之间的摩擦，往往不能顺畅地流下。但是，若由粉体层下方向粉体层中吹入空气，使粒子浮起，则粉体会像液体那样流动。

1.2.4 地震中因低级液态化而引起的灾害

饱和状态下的砂土或粉土受到振动时，孔隙水压力上升，土中的有效应力减小，土的抗剪强度降低。振动到一定程度时，土颗粒处于悬浮状态，土中有效应力完全消失，土的抗剪强度为零。土变成了可流动的水土混合物，此即为液化。这种振动多来自地震等因素。

地基的液化会造成冒水喷砂，地面下陷，使建筑物产生巨大沉降和严重倾斜，甚至失稳。还会引起喷水冒砂、淹没农田、淤塞渠道、淘空路基，有的地段会产生很多陷坑，河堤裂缝和滑移，桥梁的破坏等其他一系列震害。

饱和砂土或粉土液化除了地震的振动特性外，还取决于土的自身状态：①土达到饱和，即，要有水，且无良好的排水条件；②土要足够松散，即砂土或粉土的密实度不好；③土承受的静载大小，主要取决于可液化土层的埋深大小，埋深大，土层所受正压力大，有利于提高抗液化能力。此外，土颗粒大小，土中黏粒含量的大小，级配情况等也影响土的抗液化能力。

液态化的地基（变得如同泥水）在建筑物等的作用下，承受很大压力，因此会沿着地面的龟裂乘势喷出。这便是所谓喷沙、喷水现象。而且液态化地基还会产生侧向流动，有的甚至发生数米以上的横滑，从而造成建筑物破坏。

最容易发生液态化现象的是那些由粒径为0.1～1.0mm沙粒构成的沙质地基，而由小石子及砾石等大尺寸粒子、黏土等微细粒子构成的地基相对而言不容易发生液态化，这可以供地基改良参考。另外，降低地下水位也是克服地基液态化的对策之一。