Superficie específica de permeabilidad al aire

La permeabilidad superficial específica de un material en polvo es una medida de un solo parámetro que indica la finura del polvo. Esta superficie específica se deriva de la resistencia al flujo de aire (u otro gas) a través de un lecho poroso del polvo. Las unidades del SI son m² ^· kg⁻¹ ⁽ "superficie específica másica") o m² ^· m⁻³ ⁽ "superficie específica volumétrica").

Significado

El tamaño de partícula, o finura, de los materiales en polvo suele ser fundamental para su rendimiento.

La medición de la permeabilidad al aire se puede realizar con gran rapidez y no requiere que el polvo se exponga al vacío , a gases o a vapores, como sí es necesario para el método BET de determinación de la superficie específica . Esto lo convierte en un método muy rentable y, además, permite su uso con materiales que pueden ser inestables al vacío.

Cuando un polvo reacciona químicamente con un líquido o gas en la superficie de sus partículas, la superficie específica está directamente relacionada con su velocidad de reacción. Por lo tanto, su medición es importante en la fabricación de muchos materiales procesados.

En particular, la permeabilidad al aire se utiliza de forma casi universal en la industria del cemento como indicador de la finura del producto, que está directamente relacionada con propiedades como la velocidad de fraguado y la tasa de desarrollo de la resistencia.

Otros campos en los que se ha utilizado la permeabilidad al aire para determinar la superficie específica incluyen:

Pinturas y pigmentos
Productos farmacéuticos
Polvos metalúrgicos, incluidos los filtros de metal sinterizado.

En algunos campos, especialmente en la metalurgia de polvos , el número de Fisher es el parámetro de interés. Este representa el diámetro promedio equivalente de las partículas, suponiendo que estas son esféricas y de tamaño uniforme. Históricamente, el número de Fisher se obtenía mediante la medición con el analizador de tamaño de partículas Fisher , un instrumento comercial que incluye una bomba de aire y un regulador de presión para mantener un flujo de aire constante, el cual se mide con un caudalímetro. Existen varios fabricantes que producen instrumentos equivalentes, y el número de Fisher puede calcularse a partir de los valores de la superficie específica de permeabilidad al aire.

Métodos

La medición consiste en compactar el polvo en un "lecho" cilíndrico con una porosidad conocida (es decir, el volumen del espacio de aire entre las partículas dividido por el volumen total del lecho). Se establece una caída de presión a lo largo del cilindro del lecho. El caudal de aire resultante a través del lecho proporciona la superficie específica mediante la ecuación de Kozeny-Carman : ^{[ 1 ]}

S={\cfrac {7d}{\rho \,(1-\epsilon \,)}}{\sqrt {\dfrac {\epsilon \,^{3}\pi \,\delta \,P}{l\eta \,Q}}}

dónde:

S es la superficie específica, ^m² · ^kg⁻¹

d es el diámetro del cilindro, m

ρ es la densidad de partículas de la muestra, kg·m ⁻³

ε es la porosidad volumétrica del lecho (adimensional).

δP es la caída de presión a través del lecho, Pa

l es la longitud del cilindro, m

η es la viscosidad dinámica del aire, Pa·s

Q es el caudal, ^m³ · ^s⁻¹

Se puede observar que la superficie específica es proporcional a la raíz cuadrada de la relación entre la presión y el caudal. Se han propuesto varios métodos estándar:

Mantenga un caudal constante y mida la caída de presión.
Mantenga una caída de presión constante y mida el caudal.
Permitir que ambos varíen, derivando la proporción a partir de las características del aparato.

Método Lea y Nurse

El segundo de estos métodos fue desarrollado por Lea y Nurse. ^{[ 2 ]} El lecho tiene 25 mm de diámetro y 10 mm de espesor. La porosidad deseada (que puede variar entre 0,4 y 0,6) se obtiene utilizando un peso calculado de la muestra, prensada con precisión a estas dimensiones. El peso requerido viene dado por:

M={\tfrac {\pi }{4}}\,d^{2}l\rho \,(1-\epsilon \,)

Un caudalímetro compuesto por un capilar largo está conectado en serie con el lecho de polvo. La caída de presión a través del caudalímetro (medida con un manómetro ) es proporcional al caudal, y la constante de proporcionalidad se puede determinar mediante calibración directa. La caída de presión a través del lecho se mide con un manómetro similar. De este modo, la relación presión/caudal requerida se obtiene a partir de la relación de las lecturas de ambos manómetros, y al introducirla en la ecuación de Carman, se obtiene un valor absoluto de la superficie de permeabilidad al aire. El aparato se mantiene a temperatura constante y se utiliza aire seco, de modo que la viscosidad del aire se puede obtener de tablas.

Método Rigden

Este método se desarrolló ^{[ 3 ]} con el fin de simplificarlo. El lecho está conectado a un tubo en U de gran diámetro que contiene un líquido, como queroseno . Al presurizar el espacio entre el tubo en U y el lecho, el líquido desciende. El nivel del líquido sirve entonces como medida tanto de la presión como del caudal. El nivel del líquido sube a medida que el aire se escapa a través del lecho. El tiempo que tarda el nivel del líquido en pasar entre dos marcas preestablecidas en el tubo se mide con un cronómetro. La presión media y el caudal medio se pueden obtener a partir de las dimensiones del tubo y la densidad del líquido.

Un desarrollo posterior utilizó mercurio en el tubo en U: debido a la mayor densidad del mercurio, el aparato podía ser más compacto, y los contactos eléctricos en el tubo que tocaban el mercurio conductor podían iniciar y detener automáticamente un temporizador.

Método Blaine

Este método fue desarrollado ^{[ 4 ]} independientemente por RL Blaine del American National Bureau of Standards y utiliza un pequeño manómetro de queroseno de vidrio para aplicar succión al lecho de polvo. Se diferencia de otros métodos en que, debido a la incertidumbre de las dimensiones del tubo del manómetro, no se pueden calcular resultados absolutos a partir de la ecuación de Carman. En cambio, el aparato debe calibrarse utilizando un material estándar conocido. Los estándares originales, suministrados por NBS, fueron certificados mediante el método de Lea y Nurse. A pesar de esta limitación, el método de Blaine se ha convertido, con mucho, en el más utilizado para materiales cementantes , principalmente debido a la facilidad de mantenimiento del aparato y la simplicidad del procedimiento. ^{[ 5 ]}

Véase también

Corrección de Klinkenberg

Referencias

↑ Carman PC, J.Soc.Chem.Ind. , 57 , p 225 (1938)
↑ Lea FM, Nurse RW, J.Soc.Chem.Ind. , 58 , p 227 (1939)
^ Rigden PJ, J.Soc.Chem.Ind. , 62 , pág. 1 (1943)
↑ Blaine RL, Bull.Am.Soc.Test.Mater. , 123 , p 51 (1943)
↑ p. ej. Método de prueba estándar ASTM C 204

[1] Carman PC, J.Soc.Chem.Ind. , 57 , p 225 (1938)

[2] Lea FM, Nurse RW, J.Soc.Chem.Ind. , 58 , p 227 (1939)

[3] Rigden PJ, J.Soc.Chem.Ind. , 62 , pág. 1 (1943)

[4] Blaine RL, Bull.Am.Soc.Test.Mater. , 123 , p 51 (1943)

[5] . ej. Método de prueba estándar ASTM C 204

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