第3-4章 粉體填充與堆積特性粉體的濕潤特性

1、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(nèi)容： 1.粉體的填充指標(biāo) 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 3.1 3.1 粉體的填充指標(biāo)粉體的填充指標(biāo) 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(zhì)量重，強度大，透氣性差。 用于結(jié)構(gòu)材料。如建筑用樑、柱，道、橋材料。 疏填充：特點，質(zhì)量輕，強度小，隔熱透氣性 好。用于墻體、地板、內(nèi)部裝飾、吊頂材料。 粉體的填充粉體的填充常用

2、的幾個參量 設(shè)某顆粒群，真實體積為Vp，填充體積為VB， 即VB=VP+V0，質(zhì)量為MP ，密度為p。 1.真密度：粉體的質(zhì)量除以它的真實體積。 公式： Vp V0 p p V M 2. 容積密度 在一定填充狀態(tài)下，單位填充體積的粉體質(zhì)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 VV V V V M )1 ( )1 ( )( 0 0 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(zhì)量。 p B B p M M 粉體填充體

3、積 粉體填充體的顆粒體積 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 3.2 3.2 粉體顆粒的填充與堆粉體顆粒的填充與堆 積積 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(gòu)成 變化無限不同的規(guī)則的二維球?qū)?。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 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， (

4、3)在下層球間隙的中心上排列著上層球。 等徑球體的堆積圖 等徑球體顆粒的規(guī)則排列圖 單元體結(jié)構(gòu)圖 表3-1 等徑球規(guī)則填充的結(jié)構(gòu)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

5、斜方體填充4 0.8660.342 4 0.395 4 8 六方六方 系系 (e) 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 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(dāng)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(yīng)的六方 密填充時的平均值0.26。 2) 隨機傾倒填充 把球倒入一個容 器內(nèi)，相當(dāng)于工業(yè)上常見的卸出粉料和散 袋物料

6、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(nèi)，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(nèi) 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。 3 壁效應(yīng) 壁效應(yīng)：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 聚合的混合體。 3.2.2. 不同尺寸球形顆粒的 填充

7、在規(guī)則填充的基礎(chǔ)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。 3.2.3. 實際顆粒的 堆積(自學(xué)) 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(dāng)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(dǎo)致松密度較小。但是，對于像面粉那樣 的有粘聚力的細(xì)粉末，減慢供料速度可得到松 散的堆積。 圖3-4空隙率與球形度之間的關(guān)系 圖3-5顆粒表面粗糙度對空隙率的影響 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

8、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(guān)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。 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 隙由小顆粒填充，以得到最緊密的堆積， 混合物的單位體積內(nèi)大小顆粒重量分別 寫成下兩式 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 設(shè)大顆粒所占質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)為 22111

9、 11 21 1 1 )1 ()1 ( )1 ( pp p WW W f 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，因此大 顆粒的體積分?jǐn)?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(zhì)粉末的固體二組元系中，當(dāng)單一組分空 隙率為0.5時，空隙率與尺寸組成之間的關(guān)系。 空隙率最小時粗顆粒的重量分?jǐn)?shù)為0.67。由圖 可知，空隙率隨大小顆粒混合比而變化，小顆 粒粒度越小，空隙率越小 1 1 1 f 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(xué) 可自學(xué)。 作業(yè)題 將粒度尺寸分別為D1

10、D2D3的三級顆粒 混合堆積在一起，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(zhì)量比1:2:3 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(xì)管中的上升高度液體在粉體增毛細(xì)管中的上升高度 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(zhì)的滲透性等 物理化學(xué)問題等起著重要的作用。 毛 細(xì) 管 上 升 液

11、楔 形 液 浸 沒 液 粘 附 液 4.2 4.2 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(dāng)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(guān)系可用楊氏方程表示為： 圖4-2 固體表面的潤濕接觸角 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

12、斷。=00為擴展?jié)?濕； 00 900為浸漬潤 濕； 900 1800為粘附 潤濕。 （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 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 于光滑的固體面上，當(dāng)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 說明：為了使液滴能粘附在固體表面上， 則應(yīng)使WLS0。因Lg0，所以cos1 才行。WLS越大，液滴越容易粘附在固體

13、 表面上。相反，WLS為負(fù)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(yīng)滿足下式 cos LgLSSg 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 )( LSLgSgLS S LL SS SL S L S S L S S 為使液體在固體表面上擴展，則應(yīng)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(xì)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： 將ALS稱為粘附張力，這種潤濕稱為浸漬 潤濕 cos cos Lg LSLgLS LSSgLS A 4.1 4.1 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(dāng)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，