散粒體

散粒體是指幾何尺寸基本屬於同一量級的顆粒的集合體，如各種穀粒、顆粒飼料、麵粉等都是散粒體。根據顆粒粒徑的大小，可分為粗粒體和粉粒體，稻穀、麥粒、玉米粒等屬於粗粒體，麵粉、奶粉屬於粉粒體。

基本介紹

• 中文名：散粒體
• 外文名：particle material

散粒體流動的意義

散粒體的流動在工業生產中具有重要的意義，它影響物料貯存、定量、零售、裝卸、控制以及整個加工運輸系統的設計。

散粒體食品流動特性

散粒體的流動特點

散粒體力學特性的研究起源於土壤力學。近幾十年來，散粒體力學得到了廣泛的重視和套用。為了預測粉體顆粒流動特性，人們試圖研究出一種分析模型，在微粒學中，是用有限的、不連續的粒子(理想的剛性或彈性球體)的特性來推導出代表整個物質性能的定律。而在連續介質方法中，物質的特性被假設是一個連續函式，並且物質可以無限被分割而不失去任何固有的特性。不連續的粒子特性不予考慮。

在大量研究工作基礎上，己發展一種建立在顆粒特性基礎上的流動理論。但是實際存在的粒狀顆粒和粉狀顆粒都是不均勻的，可以是無限多種粒度、形狀和空隙的組合。而連續介質方法，由於不太複雜，己為工程設計提供大量極為有用的資料。土壤力學的研究推動了散粒體力學領域的加速發展，但土壤力學和散粒體力學之間存在著很大的區別。如勤附性在土壤力學中常常是不重要的，但在散粒體力學中卻是重要的;貯存在料倉中的散粒體受到的應力僅為土壤正常受到的應力的1/1000,用土壤力學試驗的方法是不能測定的;因為散粒體常常是貯存在料倉中，所以散粒體力學的邊界條件通常與土壤力學的邊界條件不相同;一般情況下，粉體變形量遠大於土壤力學中的變形量。

散粒體的流動模型

在存倉排料過程中，最麻煩的問題之一是落粒拱現象。落粒拱是散粒體堵塞在排料口處，在排料口上方形成拱橋或洞穴。前者稱為結拱，後者稱為結管。

根據經驗，物料的粒徑越小，粒子形狀越複雜，摩擦阻力越大，體積質量越小，越潮濕，落粒拱現象也越嚴重。從容器方面觀察，壁面傾角越小，表面越粗糙，排料口越小，落粒拱現象也越嚴重。

根據散粒體的流動特點，分為自由流動物料和非自由流動物料兩種。對於非自由流動物料，顆粒料層內的內力作用〔由勤聚性、潮濕性和靜電力等造成)大於重力作用。這種內力在物料流動開始後，會逐漸擾亂原有的層面而導致形成落粒拱。由於顆粒粒子處於非平衡狀態，落粒拱會周期性地坍塌，之後再重新形成。

觀察散粒體流動過程的常用方法，是將物料塗上各種顏色，然後分層填滿料倉，用高速攝影觀察排料過程。

散粒體的流動過程理論

布朗一理察理論

如圖6一14所示，布朗一理察理論認為，排料口附近自由流動的物料可分成五個流動帶。D帶為自由降落帶;C帶為顆粒垂直運動帶;B帶是擦過E帶向料倉中心方向緩慢滑動的帶;A帶是擦過B帶向料倉中心方向迅速滑動的帶;E帶是沒有運動的靜止帶。A層在B層上滑動，A層上的顆粒迅速滾動。B

層在E層上慢慢滑動，E層處於靜止狀態。C層迅速向下方運動，從A、B層以大於休止角的角度補充粒子。C層的粒子供給n層排出。這一理論與物料從小孔排出的實驗結果相符合。

和克瓦畢爾理論

克瓦畢爾理論認為〔圖6一15)，EN帶和EG帶以幾乎恆定的比率(1:15)連續發展，直到EN達到表面為止。EN帶產生兩種運動，第一位的垂直運動和第二位的滾動運動。凡帶稱為邊界橢圓帶，在它以外沒有運動。這種流動稱為漏斗流動或中心流動。如果料倉的傾角大於物料與料倉壁面的摩擦角，就可把物料卸空。在凡橢圓體邊界線以內，產生的是整體流動。這個理論適用於流動性好的粉料從小孔中排出的情況。

布拉道爾雅科諾夫理論

布拉道爾雅科諾夫認為，排料是由動態落粒拱的形成和塌方反覆進行的。

動態落粒拱的角度h與內摩擦因數fi有關

式中，d——排料口直徑。

卡爾賓科理論

卡爾賓科發現，流動分三個區域:①中心運動粒柱的主流區，它位於孔口上方;②位於主流區周圍的隨流區，散粒體周期地流向主流區;③隨流區的外圍的惰動區。他對種子流動得出了下面的結論。

(1)主流區內的種子按長軸平行於圓筒排列，流動速度小於孔口平面處的速度;
(2)種子的流出量與種子層的高度無關;
(3)增加種子層上的壓力和增加筒底厚度，流出減少或停止流出;
(4)在混有其他粒子時，首先流出的是小粒種子和光粒種子。

捷敏諾夫理論

捷敏諾夫認為，種子流出分五個階段。

第一階段是整個種子層表面均勻下降。此時，許多種子都力圖以長軸順著運動的方向。種子流的排隊從出口處向種子上層擴展，當達到動態落粒拱高度時，開始形成動態落粒拱。

第二階段是種子流不斷地從拱橋高度下落。

第三階段135是種子的排隊擴展到上層表面時，馬上形成漏斗。

第四階段是動態落粒拱崩潰，流出過程減慢。

第五階段是種子沿容器底面滑動。

食品工業中散粒體力學特性的套用

散粒體的自動分級

由粒度和相對密度不同的顆粒組成的散粒體所構造的均勻分布狀態是不穩定的。在受到振動或其他擾動時，散粒體中各顆粒會按其相對密度、粒度、形狀及表面狀態的不同而重排。重排後從上層到下層依次為:相對密度小的大顆粒，相對密度小的小顆粒，相對密度大的大顆粒，相對密度大的小顆粒；此外，按表面狀態及形狀不同，表面粗糙或片狀顆粒在上層，而表面光滑或接近球形的顆粒在下層。這種現象稱為散粒體的自動分級。

產生自動分級的原因主要有:
①散粒體具有液體的性質，對分散在散粒體中的顆粒有浮力作用，促使相對密度小的顆粒上浮;
②散粒體在受擾時較鬆散，使小顆粒能往下運動以填補空隙；
③表面光滑的球形顆粒，在散粒體中所受阻力較小，容易向下運動，而粗糙顆粒或片狀粒受阻大而留於上層。

在食品物料的篩分或風選、水選中，實際都是在利用自動分級現象。關於自動分級的力學解釋，部分的可以用兩相介質中分散相顆粒在連續介質中的沉浮運動機制來說明。

粉塵爆炸

粉塵爆炸是安全工程中的重要內容。

粉塵爆炸是指在空氣中懸浮的粉塵顆粒急劇地氧化燃燒，同時產生大量的熱和高壓的現象。爆炸的機理非常複雜，通常認為首先是一部分粉塵被加熱、產生可燃性氣體，它與空氣混合後，當存在一定溫度的火源或一定能量的電火花時，就會引起燃燒。由此產生的熱量又將周圍的粉塵加熱，產生新的可燃性氣體。這樣，就產生連鎖反應而爆炸。

粉塵爆炸要求粉塵有一定的濃度。這一濃度極限，稱為爆炸的下限。它與火源強度、粒子種類、粒徑、含水率、通風情況和氧氣濃度等因素有關。

粉塵發火所需的最低溫度稱為發火點。粒徑越小，發火點越低。麵粉廠里，當麵粉在每立方米的空氣中懸浮0.15～0.20mol時，最容易爆炸。特別是10μm左右的散粒物料，濃度在0.20mol/m3時，危險性最大。這一濃度相當於能見度為2m。

麵粉、奶粉、澱粉等不良導電物料，由於與機器或空氣的摩擦產生的靜電會積聚起來，當達到一定數量時就會放電，產生電火花，構成爆炸的火源，應當密切注意。