第三章 粉体聚集特性.ppt

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1、第三章第三章 粉体聚集特性粉体聚集特性12021/2/22第三章第三章 粉体聚集特性粉体聚集特性 粉体的填充指标粉体的填充指标粉体颗粒的填充与堆积粉体颗粒的填充与堆积粉体中颗粒间的附着力粉体中颗粒间的附着力湿颗粒群特性湿颗粒群特性22021/2/22粉体的填充指标粉体的填充指标容积密度B：在一定填充状态下，单位填充体积的粉体质量，亦称表观密度填充率：一定填充状态下，颗粒体积占粉体体积的比率空隙率：一定填充状态下，空隙体积占粉体填充体积的比率32021/2/22粉体颗粒的填充与堆积粉体颗粒的填充与堆积等径球体的规那么填充等径球体的规那么填充不同尺寸球形颗粒的填充不同尺寸球形颗粒的填充实际颗粒的填

2、充实际颗粒的填充不同尺寸颗粒的最严密堆积不同尺寸颗粒的最严密堆积42021/2/22等径球体颗粒的规那么填充等径球体颗粒的规那么填充规那么填充52021/2/226062021/2/2272021/2/22b回转回转90即可得即可得d；c回转回转12516那么那么得得f，其堆积性质一样，故得到四种填充方式，其堆积性质一样，故得到四种填充方式;填充变形程度的增加，配位数增加，空隙率减小；填充变形程度的增加，配位数增加，空隙率减小；其中其中,a空隙率最大，属不稳定填充，而空隙率最大，属不稳定填充，而cf空隙率最小，为最稳定填充；空隙率最小，为最稳定填充；规那么填充是理想填充，实际不能到达，实际介于

3、规那么填充是理想填充，实际不能到达，实际介于这些理想填充之间。这些理想填充之间。82021/2/22随机填充随机密填充随机密填充：平均空隙率为：平均空隙率为0.3590.375 随机倾倒填充随机倾倒填充：平均空隙率为：平均空隙率为0.3750.391 随机疏填充随机疏填充：平均空隙率为：平均空隙率为0.40.41 随机极疏填充随机极疏填充：平均空隙率为：平均空隙率为0.44 92021/2/22等径球体的随机填充与颗粒的特性、填充方式、容器等径球体的随机填充与颗粒的特性、填充方式、容器的尺寸和器壁的外表性质有关的尺寸和器壁的外表性质有关对于相当大的球体，如铁珠、圆砂粒和玻璃球等，在对于相当大的

4、球体，如铁珠、圆砂粒和玻璃球等，在重力作用下填充时，其总的空隙率一般接近于，而配位重力作用下填充时，其总的空隙率一般接近于，而配位数约为数约为8。对直径为对直径为3mm的球体，在不同的密度和外表摩擦的情的球体，在不同的密度和外表摩擦的情况下，其最松随机填充时的空隙率为况下，其最松随机填充时的空隙率为0.3930.409 102021/2/22壁效应在实际操作中，一般粉体总是装在某种形状的容器中，在实际操作中，一般粉体总是装在某种形状的容器中，也即存在一定的壁，这就会带来所谓的壁效应。由于壁的也即存在一定的壁，这就会带来所谓的壁效应。由于壁的存在，使得在靠近壁外表的地方会使随机填充中存在部分存在

5、，使得在靠近壁外表的地方会使随机填充中存在部分有序有序 紧挨着固体壁外表的颗粒常常会形成一层与外表形状一紧挨着固体壁外表的颗粒常常会形成一层与外表形状一样的料层，即所谓的根本层，他是正方形和三角形单元聚样的料层，即所谓的根本层，他是正方形和三角形单元聚合的混合体合的混合体 壁效应的另一重要方面是紧挨着壁的位置存在着相对高壁效应的另一重要方面是紧挨着壁的位置存在着相对高的空隙率。壁效应是颗粒直径与容器直径之比的函数的空隙率。壁效应是颗粒直径与容器直径之比的函数 112021/2/22不同尺寸球形颗粒的填充在规那么填充的根底上，等径球形颗粒在规那么填充的根底上，等径球形颗粒之间的空隙可由更小尺寸的

6、球填充，从而之间的空隙可由更小尺寸的球填充，从而得更高密度的集合体；得更高密度的集合体；当每一个空隙中只有一个小球填充时，当每一个空隙中只有一个小球填充时，该球的直径是填充空隙空间的最大球径。该球的直径是填充空隙空间的最大球径。122021/2/22132021/2/22Horsfield填充六方最密填充中，存在着由六个等径球组六方最密填充中，存在着由六个等径球组成的四方孔及由四个等径球形成的三角孔；成的四方孔及由四个等径球形成的三角孔；在四方孔中填充第二大球，在三角孔中填在四方孔中填充第二大球，在三角孔中填充第三大球，依次类推；充第三大球，依次类推；最终，所有剩余孔隙被相当小的等径球填最终，

7、所有剩余孔隙被相当小的等径球填充，得到最小孔隙率为的填充；充，得到最小孔隙率为的填充；这种填充方式叫这种填充方式叫Horsfield填充。填充。142021/2/22152021/2/22Hudson堆积堆积162021/2/22二元体系填充性质二元体系填充性质对二组元颗粒体系中，由二种粒径不同的颗粒对二组元颗粒体系中，由二种粒径不同的颗粒组成；组成；大颗粒间的间隙由小颗粒填充，得到最严密的大颗粒间的间隙由小颗粒填充，得到最严密的堆积堆积(最大填充率最大填充率)；混合物的单位体积内大小颗粒质量为：混合物的单位体积内大小颗粒质量为：172021/2/22令大颗粒所占质量分数为：令大颗粒所占质量分

8、数为：对同一种固体物料，密度一样，单组分空对同一种固体物料，密度一样，单组分空隙率一样，那么大颗粒的质量分数隙率一样，那么大颗粒的质量分数(最大填最大填充率充率)：182021/2/22单一组分空隙率为时，二组元颗粒的堆积特性单一组分空隙率为时，二组元颗粒的堆积特性192021/2/22实际颗粒的填充实际颗粒的填充仅在重力作用下，空隙率随容器直径减少和颗粒层高度的增加而变大仅在重力作用下，空隙率随容器直径减少和颗粒层高度的增加而变大空隙率与大小颗粒尺寸比有关，粒度愈小，由于粒间的团聚作用，空空隙率与大小颗粒尺寸比有关，粒度愈小，由于粒间的团聚作用，空隙率愈大，当粒度超过一临界值时，粒度大小对颗

9、粒体堆积率的影响不隙率愈大，当粒度超过一临界值时，粒度大小对颗粒体堆积率的影响不存在；存在；颗粒的形状：空隙率随颗粒圆形度的降低而增高；外表粗糙度越大，颗粒的形状：空隙率随颗粒圆形度的降低而增高；外表粗糙度越大，空隙率越大空隙率越大物料含水量：由于颗粒外表吸附水，颗粒间形成液桥力而导致颗粒间物料含水量：由于颗粒外表吸附水，颗粒间形成液桥力而导致颗粒间附着力增大，形成的团粒尺寸较大且内部呈现松散构造，故物料的堆积附着力增大，形成的团粒尺寸较大且内部呈现松散构造，故物料的堆积率下降，率下降，也存在临界水含量，在此点最低。也存在临界水含量，在此点最低。振动频率与振幅对粉体层的空隙率有较大影响振动频率

10、与振幅对粉体层的空隙率有较大影响对复杂的多组分体系，有理论和实际公式模拟对复杂的多组分体系，有理论和实际公式模拟202021/2/22粉体中颗粒间的附着力粉体中颗粒间的附着力范德华力范德华力静电引力静电引力附着水分的毛细管力附着水分的毛细管力212021/2/22范德华力范德华力通常颗粒是没有极性的，但由于构成颗粒的通常颗粒是没有极性的，但由于构成颗粒的分子或原子，特别颗粒外表分子或原子的电子分子或原子，特别颗粒外表分子或原子的电子运动，颗粒将有瞬时偶极，当两颗粒互相接近运动，颗粒将有瞬时偶极，当两颗粒互相接近时，由于瞬时偶极的作用，两颗粒将产生互相时，由于瞬时偶极的作用，两颗粒将产生互相吸收

11、的作用力，这种作用力称为颗粒间的范德吸收的作用力，这种作用力称为颗粒间的范德华力。华力。可用可用London-Van der waals引力势能和能量引力势能和能量叠加原理来计算得到。叠加原理来计算得到。222021/2/22经计算，两颗粒间的引力势能为：经计算，两颗粒间的引力势能为：式中：式中：A是是Hamakar常数，由下式得到常数，由下式得到对等径颗粒，有：对等径颗粒，有：a:颗粒外表间距颗粒外表间距232021/2/22故颗粒间的范德华力为：故颗粒间的范德华力为：等径球体间的范德华力为：等径球体间的范德华力为：颗粒与平面间的范德华力：颗粒与平面间的范德华力：242021/2/22静电引

12、力对带有异号静电荷各为对带有异号静电荷各为Q1、Q2的两个直的两个直径均为径均为d的颗粒间的引力为：的颗粒间的引力为：a:颗粒外表间的间隔颗粒外表间的间隔 252021/2/22附着水分的毛细管力262021/2/22液体架桥液体架桥粉体与固体或粉体颗粒之间的间隙部分存在液粉体与固体或粉体颗粒之间的间隙部分存在液体时，称为液桥体时，称为液桥液桥除能在各种单元操作中形成外，当空气的液桥除能在各种单元操作中形成外，当空气的相对湿度超过相对湿度超过65%，水蒸气开场在颗粒外表及，水蒸气开场在颗粒外表及颗粒间凝集，从而增加颗粒间的粘接颗粒间凝集，从而增加颗粒间的粘接272021/2/22颗粒间液桥模型

13、颗粒间液桥模型282021/2/22292021/2/22故，毛细管压力故，毛细管压力P为为 设毛细管压力作用在液面与球的接触部分的断面设毛细管压力作用在液面与球的接触部分的断面 上，取外表张力平行于两颗粒连线的分量，得到在外表上，取外表张力平行于两颗粒连线的分量，得到在外表引力和毛细管压力的作用下，颗粒间的毛细力：引力和毛细管压力的作用下，颗粒间的毛细力：302021/2/22液桥的粘接力比分子间作用力大液桥的粘接力比分子间作用力大12个数量级，个数量级，故湿空气中颗粒的粘结力以故湿空气中颗粒的粘结力以液桥附着力液桥附着力为主为主如颗粒外表亲水，那么如颗粒外表亲水，那么 0；当颗粒与颗粒相接

14、触；当颗粒与颗粒相接触a=0)，且，且=1040时，那么：时，那么：颗粒颗粒-颗粒颗粒颗粒颗粒-平板平板312021/2/22团聚准数团聚准数C0 当颗粒间的作用力远大于颗粒的重力时，颗粒的行为当颗粒间的作用力远大于颗粒的重力时，颗粒的行为很大程度上已不再受重力的约束，颗粒有团聚的倾向。很大程度上已不再受重力的约束，颗粒有团聚的倾向。定义团聚准数定义团聚准数C0式中：式中：m颗粒的质量；颗粒的质量；颗粒间的作用力，如颗粒间的范德华力、毛细力、静电力、烧结效应等颗粒间的作用力，如颗粒间的范德华力、毛细力、静电力、烧结效应等 随着颗粒尺寸的减少，颗粒的团聚准数急剧增加。对于随着颗粒尺寸的减少，颗粒

15、的团聚准数急剧增加。对于尺寸小于尺寸小于1m的颗粒，颗粒的团聚准数大于的颗粒，颗粒的团聚准数大于106，可见，可见，小颗粒在颗粒间力的作用下将形成团聚体小颗粒在颗粒间力的作用下将形成团聚体 322021/2/22液体在粉体层毛细管中的上升高度液体在粉体层毛细管中的上升高度332021/2/22液体在毛细管中的上升高度为：液体在毛细管中的上升高度为：故，毛细管常数为故，毛细管常数为对粉体层，以颗粒直径对粉体层，以颗粒直径Dp代替毛细管管径代替毛细管管径2rc，用，用hc代替代替h，那么粉体层的毛细管常数为，那么粉体层的毛细管常数为求得毛细管常数求得毛细管常数Kc，即可计算毛细管上升高度，即可计算毛细管上升高度，Kc由下式求得由下式求得342021/2/22本章小结本章小结容积密度、填充率、空隙率容积密度、填充率、空隙率等径球体的规那么堆积、四种堆积方式的根本特等径球体的规那么堆积、四种堆积方式的根本特性性不等径球的规那么堆积、不等径球的规那么堆积、Hosfield填充和填充和Hudson填充填充颗粒间的作用力颗粒间的作用力352021/2/22