第3-4章粉體填充與堆積特性粉體濕潤特性

1、第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 第第3 3章粉體填充與堆積特性章粉體填充與堆積特性 主要內容： 1.粉體的填充指標 2.粉體顆粒的填充與堆積 （1）等徑球體顆粒的規(guī)則填充 （2）不同尺寸顆粒的最緊密堆積 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 3.13.1 粉體的填充指標粉體的填充指標 粉體的填充：粉體的填充：取決于顆?？障犊臻g，而空隙又 取決于(1) 填充類型；(2) 顆粒形狀；(3) 粒 度分布。粉體的填充決定了粉體的密實程度。 根據(jù)工程的需要，分為密填充和疏填充： 密填充：特點，質量重，強度大，透氣性差。 用于結構材料。如建筑用樑、柱，道、橋材料。 疏填充：特點，質量輕，

2、強度小，隔熱透氣性 好。用于墻體、地板、內部裝飾、吊頂材料。 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 粉體的填充粉體的填充常用的幾個參量 設某顆粒群，真實體積為Vp，填充體積為VB， 即VB=VP+V0，質量為MP ，密度為p。 1.真密度：粉體的質量除以它的真實體積。 公式： Vp V0 p p V M 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 2. 容積密度 在一定填充狀態(tài)下，單位填充體積的粉體質量， 亦稱表觀密度，以kg/m3。 式中 VB粉體填充體積，m3； p顆粒的密度，kg/m3； 空隙率。 B Bp B B Bp B Bp B Pp B P B V V V V V V V

3、VV V V V M )1 ( )1 ( )( 0 0 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 3.填充率 有一定填充狀態(tài)下，顆粒體積占粉體體積的 比率。 式中M填充粉體的質量。 p B B p M M 粉體填充體積 粉體填充體的顆粒體積 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 14.空隙率 空隙體積占粉體填充體積的比率。 P B B V V 11 0 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 3.23.2 粉體顆粒的填充與堆積粉體顆粒的填充與堆積 3.2.1. 等徑球體顆粒的規(guī)則填充 (1) 規(guī)則填充 把互相接觸的球體作為基本單元，組合 成彼此平行的和相互接觸的排列，構成 變化無限

4、不同的規(guī)則的二維球層。約束 的形式有二種：正方形，如圖所示；等 邊三角形（菱形、六邊形）如圖所示 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 排列方式： 第一層： (1)正方形排列，如(a)、(b)、(c) (2)三角形排列，如(d)、(e)、(f) 第二層： (1) 在下層球的正上面排列著上層球 (2)在下層球和球的切點上排列著上層球， (3)在下層球間隙的中心上排列著上層球。 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 等徑球體的堆積圖 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 等徑球體顆粒的規(guī)則排列圖 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 單元體結構圖 第3-4章粉體填充與堆積特

5、性粉體 濕潤特性 表3-1 等徑球規(guī)則填充的結構特性 排排 列列 名稱名稱順序順序 單元體單元體 空隙空隙 率率 接觸接觸 點的點的 數(shù)量數(shù)量 填充填充 組組 體積體積 空隙空隙 體積體積 (a) 立方體填充，立方體填充， 立方最密填充立方最密填充 11 0.476 4 0.476 4 6 正方正方 系系 (b)正斜方體填充正斜方體填充20.8660.343 0.395 4 8 (c) 菱面體填充或菱面體填充或 面心立方體填面心立方體填 充充 30.707 0.183 4 0.259 4 12 (d)正斜方體填充正斜方體填充4 0.8660.342 4 0.395 4 8 六方六方 系系 (e

6、) 楔形四面體填楔形四面體填 充充 50.750 0.226 4 0.301 9 10 (f) 菱面體填充或菱面體填充或 六方最密填充六方最密填充 60.707 0.183 4 0.259 5 12 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 2 隨機或不規(guī)則填充 隨機填充可分成下列四種類型： 1) 隨機密填充 把球倒入一個 容器中， 當容器振動時或強烈的搖晃時得到的這 類填充類型。可得到0.359到0.375的平 均空隙率，該值大大超過了對應的六方 密填充時的平均值0.26。 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 2) 隨機傾倒填充 把球倒入一個容器 內，相當于工業(yè)上常見的卸出粉料和散

7、袋 物料的操作，可得到0.375到0.391的平均 空隙率。 3) 隨機疏填充 把一堆松散的球放入 到一個容器內，或用手一個個地隨機把球 填充進去，或讓這些球一個個地滾入到如 此填充的球的上方，可得到0.4到0.41的平 均空隙率。 4）隨機極疏填充 最低流態(tài)化時流化床具 有平均空隙率為0.46到 0.47。把流化床內 流體的速度緩慢地降到零，或通過球的沉 降就可得到0.44的平均空隙率。 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 3 壁效應 壁效應：在接近固體表面的地方會使隨 機填充中存在局部有序,緊挨著固體表面 的顆粒常常會形成一層與表面形狀相同 的料層。這種層是正方形和三角形單元 聚合

8、的混合體。 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 3.2.2. 不同尺寸球形顆粒的填充 在規(guī)則填充的基礎上，等尺寸球之間的 空隙在理論上能夠由更小的球填充，得 到更高密度的集合體。 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 3.2.3. 實際顆粒的堆積 (自學) 顆粒并不總是球形的，也不都是規(guī)則堆積或完 全隨機堆積的。 總堆積程度。當僅有重力作用時，容器里實際 顆粒的松裝密度隨容器直徑的減小和顆粒層的 高度的增加而減小。對于粗顆粒，較高的填充 速度導致松密度較小。但是，對于像面粉那樣 的有粘聚力的細粉末，減慢供料速度可得到松 散的堆積。 第3

9、-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 圖3-4空隙率與球形度之間的關系 圖3-5顆粒表面粗糙度對空隙率的影響 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 一般地，空隙率隨球形度的降低而增加， 如圖3-4所示。在松散堆積時，有棱角的 顆?？障堵瘦^大，與緊密堆積的情況正 好相反。表面粗糙度越高的顆粒，空隙 率越大，顆粒越小，由于顆粒間的粘聚 作用，使空隙率越高，這與理想狀態(tài)下 顆粒尺寸與空隙率無關的說法相矛盾。 因此，潮濕粉末的表觀體積隨水含量的 增加而變得更大。 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 3.2.4 不同尺寸顆粒的最 緊密堆積 在二組元的顆粒體系中，大顆粒間的間 隙由小顆粒填

10、充，以得到最緊密的堆積， 混合物的單位體積內大小顆粒重量分別 寫成下兩式 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 的空隙率和密度。 111 11 p W 2212 )1 (1 p W 2121 , pp 式中分別為大顆粒和小顆粒 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 設大顆粒所占質量分數(shù)用f1來表示，則 對于同一種固體物料，由于單一組份的空隙率相同， 即，因此大顆粒的體積分數(shù)為 22111 11 21 1 1 )1 ()1 ( )1 ( pp p WW W f 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 對于同一種固體物料，由于單一組份的空隙率 相同，即p1=p2=p3和1=2=3，

11、因此大 顆粒的體積分數(shù)為 式中，小顆粒完全被包含在大顆粒的母體中， 此時尺寸比小于0.2。圖3-6所示為被破碎的同 種物質粉末的固體二組元系中，當單一組分空 隙率為0.5時，空隙率與尺寸組成之間的關系。 空隙率最小時粗顆粒的重量分數(shù)為0.67。由圖 可知，空隙率隨大小顆?；旌媳榷兓?，小顆 粒粒度越小，空隙率越小 1 1 1 f 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 對同一固體物料所組成的多組元n級顆粒 填充體系中的填充情況 ，有興趣的同學 可自學。 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 作業(yè)題 將粒度尺寸分別為D1D2D3的三級顆粒 混

12、合堆積在一起，假定顆粒的間隙恰被 次級顆粒所充滿，各級顆粒的空隙率分 別為1=0.42，2=0.40，3=0.36，密 度均為=2780kg/m3。試求（1）混合料 的空隙率 ，（2）混合料的容積密度 B，（3）各粒級的質量比1:2:3 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 第第4 4章粉體的濕潤章粉體的濕潤 1. 1. 粉體層的液體粉體層的液體 2.2.粉體表面的濕潤性粉體表面的濕潤性 3.3.液體架橋液體架橋 4.4.液體在粉體增毛細管中的上升高度液體在粉體增毛細管中的上升高度 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 粉體的濕潤對粉體在液體中的分散性、 混合性以及液體對多孔物質的

13、滲透性等 物理化學問題等起著重要的作用。 毛細管上升液 楔形液 浸沒液 粘附液 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 4.24.2 粉體表面的濕潤性粉體表面的濕潤性 （1）粉體表面所受的力 粉體表面的潤濕性可用楊氏方程來表示。 如圖4-2所示，當固液表面相接觸時，在 界面處形成一個夾角，即接觸角。用它 來衡量液體（如水）對固體（如無機材 料）表面潤濕的程度，各種表面張力的 作用關系可用楊氏方程表示為： 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 圖4-2 固體表面的潤濕接觸角 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 式中sg固體、氣體之間的表面張力 sl固體、液體之間的表面張 lg液

14、體、氣體之間的表面張力 液、固之間的濕潤接觸角。 cos LgSLSg 公式： 說明：接觸角小則液體容易潤 濕固體表面，而接觸角大則不 易潤濕，即接觸角可作為潤濕 性的直觀判斷。=00為擴展?jié)?濕； 00 900為浸漬潤 濕； 900 1800為粘附 潤濕。 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 （2）粉體表面能（所做的功） a.將固體單位表面上的液滴去掉時所要 做的功為： 如圖4-3所示 LS g S L gLS W 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 此時，固液、液氣、固氣的接觸面積相 等。功WLS被叫做粘附功，將這樣的濕潤 稱為粘附潤濕。如圖4-2所示，把液滴置 于光滑的固

15、體面上，當液滴為平衡狀態(tài) 時，將（4-1）式代入（4-2）式，即得 )cos1 ( cos LgLS SLLgSLLg LSSgLgLS W W 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 說明：為了使液滴能粘附在固體表面上， 則應使WLS0。因Lg0，所以cos1 才行。WLS越大，液滴越容易粘附在固體 表面上。相反，WLS為負值時，固體表面 則排斥液滴。 為了使粘附于固體表面上的液滴在固體 表面廣泛分布，則應滿足下式 cos LgLSSg 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 如圖4-4所示，將在固體表面上的液滴薄膜還 原單位面積需要的功為 圖4-4 擴展?jié)櫇竦墓?圖4-5 浸漬潤濕

16、 )( LSLgSgLS S LL SS SLS L S S L S S 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 為使液體在固體表面上擴展，則應有 SLS0。將SLS稱為擴展系數(shù)，像這樣的潤 濕稱為擴展?jié)櫇瘛?如圖4-5所示，將浸漬在固體毛細管中的 液體還原單位面積，使暴露出新的固體 表面所需要的功ALS為： 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 將ALS稱為粘附張力，這種潤濕稱為浸漬 潤濕 cos cos Lg LSLgLS LSSgLS A 第3-4章粉體填充與堆積特性粉體 濕潤特性 4.14.1 液體架橋液體架橋 液橋：粉體與固體或粉體顆粒之間的間 隙部分存在液體時，稱為液橋。粉體處 理中的液體大多是水。液橋除了可在過 濾、離心分離、造粒能及其它的單元操 作過程中形成外，當空氣的相對濕度超 過65%時，水蒸氣開始在顆粒表面及顆粒 間凝集，顆粒間因形成液橋而大大增強 了粘結力。