一文认识粉体混合均匀度评价方法

2018年11月05日 反应釜技术 379 views

粉体物料混合是工业生产中常见的工艺过程, 目前在化工、制药、食品、 建筑等领域都有非常广泛的应用。粉体物料混合是指多种不同成分的粉体颗粒,在混料器中产生运动速度或方向的变化,最终使不同成分的颗粒在混料器中达到随机均匀分布的操作过程。

混合效果的好坏直接决定着产品的质量,所以对粉体物料进行高效混合非常重要。由于混合过程中粉体的运动十分复杂,因此如何正确评价物料的混合效果成为研究的热点和难点。

一、混合原理

在粉体混合的过程中,通常按照粉体颗粒在混料器中的运动状态,其混合原理可以分为三种:对流混合;剪切混合;扩散混合。

▲粉体混合示意图

1、对流混合

对流混合是指在搅拌器的作用下,不同组分的固体颗粒进行大幅度的位置移动,在来回流动过程中进行混合。

2、剪切混合

剪切混合是指由于不同组分的固体颗粒的运动速度不同,在粉体中会形成很多滑移面,各个滑移面之间发生相对滑动,像薄层状的流体一样进行混合。

3、扩散混合

扩散混合是指在微观状态下,两个相邻的颗粒之间的局部混合,由于相邻颗粒问相互改变位置的改变,会引起粉体颗粒之间相互渗透、 掺和,扩散混合过程可以使物料达到完全均匀的混合程度。

▲粉体混合机内部结构

在整个粉体混合过程中,初期是以对流混合为主,这一阶段特点是混合速度较大;中期以扩散混合为主;剪切混合在全部混合过程中都起着作用。

二、粉体混合效果评价方法

粉体物料混合效果的评价要用科学的方法对混合效果进行定量分析,准确判 断混合均匀度。但是由于混合过程的复杂性,目前研究人员对粉体物料混合时颗粒的实际运动规律还不能完全掌握,如何正确的评价物料的混合效果一直是研究 的热点和难点。

目前,粉体混合效果评价方法主要包括:化学分析法、示踪法和仪器分析法,其中仪器分析方法越来越多的被使用,仪器分析法主要包括数字图像分析法、近红外光谱法、x射线光谱法等。

1、化学分析法

化学分析法是指混合结束后首先取样,然后使用合适的化学试剂处理样品, 产生化学反应后,通过仪器或滴定的方式,定量某种物质含量,从而计算出粉体混合均匀度。

优点是:所需仪器相对简单,测定成本低,定量准确,数据可靠。

缺点是:相对耗时费力,其所需时间较长,有一定的滞后性,无法做到实时在线监测。

2、示踪法

示踪法测定粉体料混合均的原理是将少量的示踪剂颗粒(如磁性铁粉或有 特殊颜色的惰性颗粒等)加入到要混合的物料中,然后用相应的检测手段观察或记录示踪颗粒的踪迹,最后计算出样本中示踪剂的数量,从而计算出混合均匀 度。

优点是:能够对混合均匀度进行分析,还可以对粉体混合的整个过程进行直观的研究。

缺点是:对示踪剂的选择性要求较高,如示踪剂即不能对最终混合物的功能和用途造成影响,又不能与混合物中任一组份发生反应。因此,示踪剂的选择较为困难,导致示踪法的使用也有一定的限制。

3、数字图像分析法

数字图像处理技术是指通过图像采集设备,如扫描仪将连续的图像,通过图像分析软件处理为计算机可以采集的信息。利用数字图像技术可以得到粉体物料混合截面图像中颗粒的很多信息,如:粉体颗粒的粒径、圆形度、棱角系数等。通过建立模型,确定计算方法,以某一计算机采集到的信息作为评价指标,能够定量评价粉体颗粒混合的均匀性 。

▲数字图像分析示意图

优点是:在于直观,不破坏样品,可多次重复分析,简便快捷。

缺点是:需要根据不同种类的物料混合建立不同的数学模型和统计方法, 需要找到合适的评价指标,这一过程较为繁琐,无法建立统一标准,影响其广泛应用。

4、近红外光谱法

近红外光谱是指介于中红外与可见光之间的电磁波,其波长780—2500nm。 近红外光谱区与有机分子中含氢基 团(OH、NH、CH)振动的合频和各级倍频 的吸收区一致,通过扫描样品的近红外光谱,可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息。通过样品的近红外光谱与准(参考)样品光谱集的对比,可以分析出样品中某一组分的含量,从而计算出混合均匀度。

优点是:具有快速、高效、准确,不破坏样品等优点,并且近红外光谱具有在线监测的优势,可以实了解粉体物料的混合情况,因此该技术受 到越来越多人的重视。

缺点是:其只能检测含氢基团的分子,只适用于有机物混料的分析,不适用于无机粉体物料混合效果的判定。

▲近红外光谱仪

5、X射线光谱法

X射线荧光光谱分析也是一种快速准确的分析方法。X射线光谱法的工作原理是通过专用的X射线管产生某一特定波长的X射线,当这种X射线照射粉体颗粒,会使颗粒中的各种元素被激发,从而产生具有不同波长和强度的特征X射线。

应用X射线晶体分光光谱仪,能检测出各组成元素的特征X射线的波长及强度,通过与标准图谱进行对比即可得元素的类型与含量值,从而对元素进行 定量和定性分析,最终计算出粉体混合的均匀度。

▲X射线光谱法分析粉体混合的均匀度

优点是:具有分析速度快、可用于在线测定等优点,并且其测得的数据稳定可靠,人为因素对其准确性影响小。

缺点是:应用范围有限,只可以对无机粉体进行定量和定性分析,用来检测无机粉体的混料均匀度,受其原理限制无法对有机物混料过程进行分析测定,且仪器结构相对复杂,价格高,对检测人员的能力要求较高。

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