第3-4章 粉體填充與堆積特性粉體濕潤特性

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 3.13.1 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(shí)程度。根據(jù)工程的需要，分為密填充和疏填充： 密填充：特點(diǎn)，質(zhì)量重，強(qiáng)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(diǎn)，質(zhì)量輕，強(qiáng)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的幾個(gè)參量 設(shè)某顆粒群，

2、真實(shí)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(shí)體積。 公式：VpV0ppVM 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。BBpBBBpBBpBPpBPBVVVVVVVVVVVVM)1 ()1 ()(003.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。pBBpMM粉體填充體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。PBBVV1103.23.2 粉體顆粒的填充與堆積粉體顆

3、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(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(diǎn)上排列著上層球， (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

4、元體空隙空隙率率接觸接觸點(diǎn)的點(diǎn)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110.47640.47646正方正方系系(b)正斜方體填充正斜方體填充20.8660.3430.39548(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30.7070.18340.259412(d)正斜方體填充正斜方體填充40.8660.34240.39548六方六方系系(e)楔形四面體填楔形四面體填充充50.7500.22640.301910(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60.7070.18340.2595122 隨機(jī)或不規(guī)則

5、填充隨機(jī)填充可分成下列四種類型： 1) 隨機(jī)密填充 把球倒入一個(gè) 容器中，當(dāng)容器振動(dòng)時(shí)或強(qiáng)烈的搖晃時(shí)得到的這類填充類型?？傻玫?.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(shí)的平均值0.26。 2) 隨機(jī)傾倒填充 把球倒入一個(gè)容器內(nèi)，相當(dāng)于工業(yè)上常見的卸出粉料和散袋物料的操作，可得到0.375到0.391的平均空隙率。 3) 隨機(jī)疏填充 把一堆松散的球放入到一個(gè)容器內(nèi)，或用手一個(gè)個(gè)地隨機(jī)把球填充進(jìn)去，或讓這些球一個(gè)個(gè)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(jī)極疏填充 最低流態(tài)化時(shí)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

6、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(huì)使隨機(jī)填充中存在局部有序,緊挨著固體表面的顆粒常常會(huì)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 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(shí)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(jī)堆積的。 總堆積程度。當(dāng)僅有重力作用時(shí)，容器里實(shí)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

7、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(shí)，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(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。11111

8、pW2212)1 (1pW2121,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22111112111)1 ()1 ()1 (pppWWWf 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(shí)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(shí)，空隙率與尺寸組成之間的關(guān)系?？障堵首钚r(shí)粗顆粒的重量分?jǐn)?shù)為0.67。由圖可知，空隙率隨大小顆?；旌媳榷兓☆w粒粒度越小

9、，空隙率越小 111f 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D1D2D3的三級顆?；旌隙逊e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

10、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 液楔 形 液浸 沒 液粘 附 液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(dāng)固液表面相接觸時(shí)，在界面處形成一個(gè)夾角，即接觸角。用它來衡量液體（如水）對固體（如無機(jī)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。cosLgSLSg公式：說明：接觸角小則

11、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(kuò)展?jié)櫇瘢?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(shí)所要做的功為： 如圖4-3所示LSgSLgLSW 此時(shí)，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(shí)，將（4-1）式代入（4-2）式，即得)cos1 (cosLgLSSLLgSLLgLSSgLgLSWW 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

12、大，液滴越容易粘附在固體表面上。相反，WLS為負(fù)值時(shí)，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cosLgLSSg 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(kuò)展?jié)櫇竦墓?圖4-5 浸漬潤濕 )(LSLgSgLSSLLSSSL SLSSLSS 為使液體在固體表面上擴(kuò)展，則應(yīng)有SLS0。將SLS稱為擴(kuò)展系數(shù)，像這樣的潤濕稱為擴(kuò)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 coscosLgLSLgLSLSSgLSA4.14.1 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(shí)，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