粉末床
粉末床是指容器内或表面上由粉末颗粒构成的静止或流动的松散堆积层。当颗粒在重力作用下排列成堆时,便形成了粉末床。粉床可在与环境开放或气密封闭(例如惰化)的条件下运行。其运行环境可为常压、正压或真空。
在此过程中,颗粒形成了一种具有特定孔隙率的多孔介质。气体可通过这些空隙流动,从而实现热量传递。此外,物质交换也可在此过程中发生。
ε = V空隙/ V总
- V空隙是颗粒之间的体积
- V总是粉末床的总体积
- ε是孔隙率(空隙体积比,无量纲)
在粉末床中可以进行多种工艺操作。例如混合、干燥、加热、冷却、反应、团聚或煅烧。关键在于,颗粒可被视为具有流动性的散装物料。
在工艺设备中,粉末床的形式多种多样。例如流化床装置、回转窑、带气动混合功能的料仓、机械式粉末混合机、真空混合干燥机以及涂层设备。在增材制造工艺(粉末床熔融)中,粉末床必须保持极高的均匀性。
在流化床中,粉末床通过自下而上的气流实现流化。颗粒随后处于类液态悬浮状态,并经历极其剧烈的热量和物质传递。在回转窑中,粉末床通过旋转进行混合,并在窑体全长范围内接受热处理。
从宏观角度看,粉末床可通过物质和能量平衡方程进行描述。例如,局部温度变化可通过包含对流和传导热传递的能量平衡方程进行建模。多孔床内的流体流动可近似地通过压力损失方程(如Ergun方程)来描述。
Δp = L · [150·(1−ε)2/ ε3·μ·u/(dp)2+1,75 (1−ε)/ε3·ρf·u2/dp]
- Δp 是粉末床的压降
- L 是床层长度或流向方向上的堆积高度
- ε 是床层的孔隙率(见上文)
- μ 是流体的动态粘度
- u 是表观流速
- dp 是平均颗粒直径
- ρf 是流动流体的密度
工艺的一个重要目标是使粉末床内的状态分布尽可能均匀。最终,温度、湿度、成分和颗粒结构都应处于较小的公差范围内。只有这样,才能称得上是均匀的最终产品。只有当粉末床呈现出这样的最终产品时,才算完成粉末处理。