雾化过程粒度分布的测定

一、实验目的

喷嘴气流雾化过程的研究是燃烧气化、干燥等过程的基础，而粒度分布的研究则是其中的关键之一。通过对雾化粒度分布的定量测量，初步掌握Malvern激光粒度仪的使用方法，观察雾化过程，对雾化过程有感性的认识。

二、基本原理

颗粒的测量方法很多，根据国外报道，用以测量颗粒的各种装置和仪器已经多达200种以上，它们各有特点和适用范围。激光粒度仪的优点在于:(1)可以实现非接触式测量，有利于生产过程自动化;(2)减少测量过程中可能带来的误差，从而显著提高测量精度，并有很好的可重复性;(3)可以测量的粒径范围宽广;(4)不仅可以用于固体颗粒的测量，还可以对液体颗粒进行测量，适用范围很广;(5)其测量的原理虽然复杂，但操作简单。由于光衍射法具有以上所述显著优点，自20世纪70年代末期开始，在国外，一代新颖的、基于光衍射原理的各种激光粒度仪得到了迅速发展和应用。我国也在20世纪80年代末期开始了激光粒度仪的研制和生产。

需要指出的是，基于衍射原理的激光粒度仪型号很多，但它们的基本工作原理都是相同的。本实验采用英国Malvern公司的Spraytec型衍射式激光粒度仪进行测量。

衍射式激光粒度仪装置的原理如图24- 1所示，由激光器发出的光束经针孔滤波及扩束器后变成一直径约为8mm的平行单色光。当该平行光照射到测量区中的颗粒群时便会产生光的衍射现象。衍射光的强度分布与测量区中被照射的颗粒直径和颗粒数有关。用接收透镜使由各个颗粒散射出来的相同方向的光聚焦到焦平面上，在这个平面放置一个多元光电探测器，用来接收衍射光的分布。光电探测器由30个半环组成，如图24-2所示，它将照射到每个环面上的衍射光能量转换成电信号输出，所有各环上输出的电信号经放大和模数转换后一起送入计算机，计算机根据测得的各环上的衍射光能量值按预先编好的计算程序可以很快地解出被测颗粒的尺寸分布、平均直径及颗粒浓度等。

Malvern激光粒度仪是应用光的衍射，测量衍射光的光能分布，计算出粒子的粒度分布。在粒度测量中，颗粒多呈圆形，主要用到夫琅禾费圆孔衍射原理(请参见有关的物理光学书籍)，计算的出发点是菲涅尔 基尔霍夫公式。圆孔的零级衍射斑称为爱里斑，其中心是几何光学像点，衍射光角分布的弥散程度可以用爱里斑的大小，即第一暗环的角半径Δθ来衡量:

其中，d=2a，是圆孔直径。

就Malvern激光粒度仪而言，被测对象不是圆孔而是颗粒，设颗粒直径为d，则由于圆孔和颗粒的迎光截面正好互补，由巴尔涅原理可知，除衍射场的中心(透镜的焦距)外，颗粒的衍射光强分布与圆孔的衍射光强分布完全相同，都可以用式(241)来表示。

当前，各种衍射式激光粒度仪所采用的数据处理方法大致上可以分为两类，即分布函数限定法(又称非独立模式)及自由分布法(又称独立模式)。本实验用第一类方法。

所谓分布函数限定法求解方法就是预先假设被测颗粒群的尺寸分布符合某个特定的函数。在Malvern公司以及其他公司生产的衍射式激光粒度仪中，通常给出的分布函数有正态分布、对数正态分布以及R-R(Rosin-Rammler)分布等。以R-R分布函数为例，来说明其求解的方法。R-R分布函数的形式为:

R=1-exp[-(d/x)n](242)

图24- 1 衍射式激光测粒仪原理图

图24- 2 光电探测器示意图

其中，R代表颗粒直径在d以上的累积重量分数;x称为尺寸参数，它表示大于这个尺寸的颗粒的累积重量占比，x值的大小反映了颗粒尺寸的大小;n称为分布参数，它反映了颗粒直径的分散程度，n越小，分散度越大，n增大时，颗粒趋向于单分散。由式(24 2)不难看出，对于符合R-R分布的颗粒系，当x和n的数值给定后，其分布规律也就完全确定了。

三、实验流程

本实验的流程十分简单，液相水由水泵送出，经过流量计后进入二通道气动式喷嘴的中心通道，气相空气由鼓风机送出，经过流量计后进入喷嘴的环隙通道，在喷嘴出口处混合进入反应器，激光器的测量工作在反应器内完成。

四、实验步骤

激光粒度仪的操作一般都采用人机对话方式，利用显示屏上显示的操作菜单，有选择地进行。实验的操作步骤如下:

1.接通激光发生器的电源，稳定半小时;

2.接通计算机的电源，启动计算机，按“F4”到“DOS”形式，运行“UCDOS”，执行“UCFAM”命令，进入“Malvern”测量窗口，选“F2”;

3.设定测量参数，用计算机键盘输入实验日期、样品名称、透镜焦距、测量区光程等;

4.盖上接收透镜的镜盖，测量暗值;

5.进行对中操作，手动调节光电探测器的位置，使光电探测器中心与接收透镜的主焦距重合;

6.测量背景光，调节三个方向的“微调”，使红色光能信号高于其他所有蓝色信号，信号通道为0～1较好;

7.雾化喷嘴启动稳定;

8.测量信号光，使遮光率处于理想位置;

9.用Rosin-Rammler模式处理数据，将结果保存在数据文件中;

10.关闭雾化装置;

11.处理数据;

12.关闭激光器和计算机电源。

五、实验报告要求

1.简要说明实验目的、原理、流程及操作要点。

2.记录必要的原始数据，并计算一组实验结果。

3.完成思考题。

4.对实验结果进行讨论。

六、思考题

1.列出几种常见的颗粒平均粒径表示方法。

2.索特平均直径(Sauter mean diameter，SMD)是如何定义的?

3.实验应注意哪些问题?