Conocimientos básicos de los polvos: tamaño de partícula, distribución del tamaño de partícula, densidad, fluidez, área de superficie específica

En la industria, una gran cantidad de materias primas son polvos. Comprender las propiedades y los parámetros de estos polvos es beneficioso para el buen funcionamiento de los procesos de producción. Las características de partícula de los polvos incluyen tamaño de partícula, distribución de tamaño de partícula, densidad, fluidez y área de superficie específica.

I. Propiedades básicas de los polvos

1. Tamaño de partículaEl tamaño de las partículas se conoce colectivamente como tamaño de partícula, también conocido como diámetro de partícula. Para las partículas esféricas, el tamaño de partícula se expresa directamente como diámetro; para las partículas no esféricas, el concepto de "tamaño de partícula equivalente" se utiliza para describirlo.

2. Distribución de tamaño de partícula (PSD), También conocida como dispersión, se refiere al porcentaje de partículas de diferentes tamaños en un polvo. Dependiendo del estándar de medición, se puede dividir en distribución de cantidad, distribución de área superficial y distribución de masa. Los métodos comunes de representación incluyen representaciones tabulares, gráficas y funcionales.

3. D10, D50, D90, D97Tamaños de partícula característicos correspondientes a la curva de distribución de tamaño de partícula acumulada. D50, también conocido como el diámetro medio, representa el valor del 50% de las partículas en la muestra que son más pequeñas que este valor; D90 y D97 se utilizan a menudo para caracterizar la distribución de partículas grandes y son cruciales para el control de calidad del producto.

4. Valor de SpanUna métrica para medir el ancho de la distribución del tamaño de partícula, calculada como(D90 - D10) / D50. Un valor más grande indica una distribución más amplia; un valor más pequeño indica una distribución más concentrada.

5. Densidad verdaderaDensidad que se obtiene al dividir la masa de un polvo por el volumen (el volumen real de la sustancia), excluyendo cualquier vacío dentro o fuera de las partículas.

6. Densidad del gránuloLa densidad que se obtiene dividiendo la masa del polvo por el volumen de las partículas, incluyendo tanto los poros abiertos como los cerrados.

7. Densidad a granelTambién conocida como densidad aparente suelta, se refiere a la densidad obtenida al dividir la masa de un polvo por el volumen del recipiente ocupado por el polvo (incluidos los poros dentro de las partículas y los huecos entre las partículas). Para el mismo polvo, densidad verdadera % 3E densidad de partículas % 3E densidad aparente.

8. Densidad golpeadaLa densidad aparente del polvo después de que ha sido golpeado y compactado varias veces bajo condiciones especificadas.

9. Porosidad: La relación de huecos en una capa de polvo, es decir, la relación del volumen ocupado por los huecos entre las partículas y los poros dentro de las partículas mismas al volumen total del polvo, expresado como un porcentaje.

10. EsfericidadIndica qué tan cerca se aproxima la forma de la partícula a una esfera. Una mayor esfericidad generalmente indica una mejor fluidez.

11. Relación de aspectoRelación entre el diámetro más largo y el diámetro más corto de una partícula. Este es un parámetro importante para las partículas fibrosas o en forma de aguja.

II. Mecánica del polvo y propiedades de flujo

1. FluidezLa facilidad con la que el polvo fluye bajo la acción de una fuerza externa, que está estrechamente relacionada con factores como la forma de las partículas, el tamaño, la condición de la superficie y la densidad.

2. Ángulo de reposoEl ángulo entre la generatriz del cono y el plano horizontal después de que el polvo fluye naturalmente desde el fondo del embudo y se acumula en un cono. Es el indicador más simple para evaluar la fluidez; cuanto menor sea el ángulo, mejor será la fluidez. Es comúnmente conocido como el ángulo de reposo.

3. Ángulo de caída/Ángulo de diferenciaDespués de medir el ángulo de reposo, se aplica un impacto específico a una pila de polvo, y el ángulo formado después de que la superficie de la pila colapsa. La diferencia entre el ángulo de caída y el ángulo de reposo refleja la tendencia del polvo a arquearse.

4. Ángulo de fricción internaEl ángulo correspondiente a la relación entre la tensión de corte y la tensión normal cuando se produce el deslizamiento entre las partículas dentro de un polvo, lo que refleja la capacidad del polvo para resistir la deformación por corte.

5. Ángulo de fricción de la pared: El ángulo de fricción cuando el polvo se desliza entre la pared del contactor (como la pared de la tolva), y es un parámetro clave para diseñar el ángulo del cono de la tolva.

6. Índice de compresibilidad/El índice de carrÍndice de fluidez calculado a partir de la densidad de empaquetamiento suelto y la densidad de extracción, utilizando la fórmula[(Densidad golpeada-densidad de embalaje suelta)/densidad golpeada] × 100%. Cuanto menor sea el valor, mejor será la fluidez.

7. Relación Hausner: La relación entre densidad de compactación y densidad de empaquetamiento suelto. Al igual que el índice de Carres, es un indicador importante de liquidez; cuanto mayor es la relación, peor es la liquidez.

8. Tasa de flujoLa masa de polvo que sale de un embudo con una apertura específica por unidad de tiempo, utilizada para cuantificar directamente la fluidez.

9. Compresibilidad: Se refiere a la capacidad de un polvo para disminuir en volumen bajo presión.

10. CompactibilidadSe refiere a la capacidad de un material para ser comprimido y fuertemente unido en una forma predeterminada (bloque) con una cierta resistencia.

III. Superficie del polvo y propiedades químicas

1. Superficie específicaÁrea de superficie total por unidad de masa de material. Es un parámetro importante que caracteriza el tamaño de partícula del polvo y la capacidad de adsorción de los sólidos.

2. HigroscopicidadSe refiere al fenómeno de una superficie sólida que absorbe la humedad del medio ambiente. Esto puede conducir a disminución de la fluidez del polvo, aglomeración, humectación o incluso licuefacción.

3. Hmojarse: Se refiere al fenómeno de que una interfaz sólida cambia de una interfaz sólido-gas a una interfaz sólido-líquido.

4. Adherencia: Se refiere a la atracción entre diferentes moléculas que hace que las partículas de polvo se adhieran a la superficie de contacto (como la pared del recipiente).

5. Cohesión: También conocido como adhesión, se refiere al fenómeno en el que la atracción entre moléculas similares hace que las partículas de polvo se adhieran entre sí y formen agregados.

6. ElectrostáticaLa tendencia de los polvos a generar y acumular cargas durante el transporte, colisión y fricción, afectando la fluidez y la seguridad operativa.

7. Potencial ZetaPotencial de una partícula en su plano de deslizamiento en solución, es un indicador clave de la estabilidad de un sistema de dispersión coloidal. Cuanto mayor sea el valor absoluto, mayor será la repulsión electrostática entre las partículas y más estable será el sistema.

8. Energía superficialEl exceso de energía de las moléculas en la superficie de una partícula en comparación con las moléculas en su interior. Cuanto mayor es la energía superficial, menos estable es la partícula, y más fuerte es su adhesión y cohesión.

IV. Métodos de medición y análisis

1. Análisis de tamizaciónUn método tradicional para el análisis del tamaño de partícula utilizando un conjunto de tamices estándar. Los resultados se expresan como una fracción de masa y son adecuados para partículas más gruesas (3% a 38 μm).

2. Difracción láser: La tecnología actual de medición del tamaño de partícula, que calcula la distribución del tamaño de partícula analizando el patrón de dispersión de la luz láser por partículas. Tiene un amplio rango de medición y alta velocidad.

3. Análisis dinámico de imágenesEste método utiliza una cámara de alta velocidad para capturar imágenes de partículas en movimiento y analiza su tamaño y forma de partícula (como la esfericidad y la relación de aspecto) en tiempo real.

4. BET (método)Basado en la teoría de Brunaure-Emmett-Teller, es un método estándar para calcular el área de superficie específica utilizando datos de adsorción de nitrógeno a baja temperatura. También se puede utilizar para analizar la distribución del tamaño de los poros.

5. Porosimetría de intrusión de mercurio (MIP)Utiliza la propiedad no humectante del mercurio en los materiales. El mercurio se fuerza en los poros a alta presión, y la distribución del tamaño de poro se calcula en función de la relación entre la presión y el volumen de mercurio inyectado. Se utiliza principalmente para medir poros más grandes.

V. Operaciones de la unidad de procesamiento

1. Trituración/moliendaEl proceso de romper materiales sólidos grandes en polvo fino usando fuerza mecánica.

2. ClasificaciónProceso de separación de partículas según su tamaño, a menudo combinado con trituración para formar un sistema de circuito cerrado.

3. MezclaEl proceso de mezclar uniformemente dos o más polvos de diferentes componentes.

4. Granulación/aglomeraciónEl proceso de aglomeración de polvo fino en partículas más grandes y más fluidas, con el objetivo de mejorar la operabilidad y prevenir el polvo.

5. SecadoUna operación unitaria que elimina la humedad (agua o solvente) de los polvos o partículas.

6. Transporte neumático: Un método de transporte de materiales en polvo en tuberías utilizando energía de gas, que se divide en transporte de fase diluida y transporte de fase densa.

7. Almacenamiento y alimentaciónEsto implica el diseño de silos/tolvas y equipos de descarga estables y controlables (como válvulas rotativas y alimentadores de tornillo).

VI. Problemas y fenómenos comunes

1. SegregaciónLa separación se produce durante la vibración, el transporte y otros procesos debido a las diferencias en el tamaño, la densidad y la forma de las partículas, que pueden alterar la homogeneidad de la mezcla.

2. Polvo: El fenómeno de las partículas finas de polvo suspendidas en el aire por el flujo de aire, que está relacionado con la salud y la seguridad ocupacional.

3. Arqueando/RatholingCuando el polvo se alimenta a un silo, forma una estructura arqueada estable o canal central debido a la cohesión y la fricción, lo que hace que el flujo se interrumpa.

4. FluidizaciónCuando un gas o líquido pasa hacia arriba a través de una capa de polvo a una cierta velocidad, las partículas son levantadas por el fluido, y el conjunto exhibe un estado similar al fluido. Es ampliamente utilizado en el secado, reacción y otros procesos.

5. Explosión de polvoCuando el polvo combustible suspendido en el aire alcanza su límite de concentración explosiva, sufre una violenta reacción de oxidación al encontrarse con una fuente de ignición, que es extremadamente destructiva.