第3-4章粉体填充与堆积特性粉体的湿润特性

1、第第3 3章粉体填充与堆积特性章粉体填充与堆积特性主要内容：1.粉体的填充指标2.粉体颗粒的填充与堆积（1）等径球体颗粒的规则填充（2）不同尺寸颗粒的最紧密堆积 3.13.1 粉体的填充指标粉体的填充指标 粉体的填充：粉体的填充：取决于颗粒空隙空间，而空隙又取决于(1) 填充类型；(2) 颗粒形状；(3) 粒度分布。粉体的填充决定了粉体的密实程度。根据工程的需要，分为密填充和疏填充： 密填充：特点，质量重，强度大，透气性差。用于结构材料。如建筑用樑、柱，道、桥材料。 疏填充：特点，质量轻，强度小，隔热透气性好。用于墙体、地板、内部装饰、吊顶材料。粉体的填充粉体的填充常用的几个参量 设某颗粒群，

2、真实体积为Vp，填充体积为VB，即VB=VP+V0，质量为MP ，密度为p。 1.真密度：粉体的质量除以它的真实体积。 公式：VpV0ppVM 2. 容积密度 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，以kg/m3。 式中 VB粉体填充体积，m3； p颗粒的密度，kg/m3； 空隙率。BBpBBBpBBpBPpBPBVVVVVVVVVVVVM)1 ()1 ()(003.填充率有一定填充状态下，颗粒体积占粉体体积的比率。式中M填充粉体的质量。pBBpMM粉体填充体积粉体填充体的颗粒体积14.空隙率空隙体积占粉体填充体积的比率。PBBVV1103.23.2 粉体颗粒的填充与堆积粉体颗

3、粒的填充与堆积 3.2.1. 等径球体颗粒的规则填充 (1) 规则填充 把互相接触的球体作为基本单元，组合成彼此平行的和相互接触的排列，构成变化无限不同的规则的二维球层。约束的形式有二种：正方形，如图所示；等边三角形（菱形、六边形）如图所示 排列方式： 第一层： (1)正方形排列，如(a)、(b)、(c) (2)三角形排列，如(d)、(e)、(f) 第二层： (1) 在下层球的正上面排列着上层球 (2)在下层球和球的切点上排列着上层球， (3)在下层球间隙的中心上排列着上层球。等径球体的堆积图等径球体颗粒的规则排列图单元体结构图表3-1 等径球规则填充的结构特性排排列列名称名称顺序顺序单元体单

4、元体空隙空隙率率接触接触点的点的数量数量填充填充组组体积体积空隙空隙体积体积(a)立方体填充，立方体填充，立方最密填充立方最密填充110.47640.47646正方正方系系(b)正斜方体填充正斜方体填充20.8660.3430.39548(c)菱面体填充或菱面体填充或面心立方体填面心立方体填充充30.7070.18340.259412(d)正斜方体填充正斜方体填充40.8660.34240.39548六方六方系系(e)楔形四面体填楔形四面体填充充50.7500.22640.301910(f)菱面体填充或菱面体填充或六方最密填充六方最密填充60.7070.18340.2595122 随机或不规则

5、填充随机填充可分成下列四种类型： 1) 随机密填充 把球倒入一个 容器中，当容器振动时或强烈的摇晃时得到的这类填充类型。可得到0.359到0.375的平均空隙率，该值大大超过了对应的六方密填充时的平均值0.26。 2) 随机倾倒填充 把球倒入一个容器内，相当于工业上常见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) 随机疏填充 把一堆松散的球放入到一个容器内，或用手一个个地随机把球填充进去，或让这些球一个个地滚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）随机极疏填充 最低流态化时流化床具有平均空隙率为0.46到 0.47。把流化床内流体的速度

6、缓慢地降到零，或通过球的沉降就可得到0.44的平均空隙率。 3 壁效应 壁效应：在接近固体表面的地方会使随机填充中存在局部有序,紧挨着固体表面的颗粒常常会形成一层与表面形状相同的料层。这种层是正方形和三角形单元聚合的混合体。3.2.2. 不同尺寸球形颗粒的填充 在规则填充的基础上，等尺寸球之间的空隙在理论上能够由更小的球填充，得到更高密度的集合体。3.2.3. 实际颗粒的堆积(自学) 颗粒并不总是球形的，也不都是规则堆积或完全随机堆积的。 总堆积程度。当仅有重力作用时，容器里实际颗粒的松装密度随容器直径的减小和颗粒层的高度的增加而减小。对于粗颗粒，较高的填充速度导致松密度较小。但是，对于像面粉

7、那样的有粘聚力的细粉末，减慢供料速度可得到松散的堆积。 图3-4空隙率与球形度之间的关系图3-5颗粒表面粗糙度对空隙率的影响 一般地，空隙率随球形度的降低而增加，如图3-4所示。在松散堆积时，有棱角的颗粒空隙率较大，与紧密堆积的情况正好相反。表面粗糙度越高的颗粒，空隙率越大，颗粒越小，由于颗粒间的粘聚作用，使空隙率越高，这与理想状态下颗粒尺寸与空隙率无关的说法相矛盾。因此，潮湿粉末的表观体积随水含量的增加而变得更大。 3.2.4 不同尺寸颗粒的最紧密堆积 在二组元的颗粒体系中，大颗粒间的间隙由小颗粒填充，以得到最紧密的堆积，混合物的单位体积内大小颗粒重量分别写成下两式的空隙率和密度。11111

8、pW2212)1 (1pW2121,pp式中分别为大颗粒和小颗粒设大颗粒所占质量分数用f1来表示，则对于同一种固体物料，由于单一组份的空隙率相同，即，因此大颗粒的体积分数为22111112111)1 ()1 ()1 (pppWWWf 对于同一种固体物料，由于单一组份的空隙率相同，即p1=p2=p3和1=2=3，因此大颗粒的体积分数为 式中，小颗粒完全被包含在大颗粒的母体中，此时尺寸比小于0.2。图3-6所示为被破碎的同种物质粉末的固体二组元系中，当单一组分空隙率为0.5时，空隙率与尺寸组成之间的关系。空隙率最小时粗颗粒的重量分数为0.67。由图可知，空隙率随大小颗粒混合比而变化，小颗粒粒度越小

9、，空隙率越小 111f 对同一固体物料所组成的多组元n级颗粒填充体系中的填充情况 ，有兴趣的同学可自学。作业题 将粒度尺寸分别为D1D2D3的三级颗粒混合堆积在一起，假定颗粒的间隙恰被次级颗粒所充满，各级颗粒的空隙率分别为1=0.42，2=0.40，3=0.36，密度均为=2780kg/m3。试求（1）混合料的空隙率 ，（2）混合料的容积密度B，（3）各粒级的质量比1:2:3第第4 4章粉体的湿润章粉体的湿润 1. 1. 粉体层的液体粉体层的液体 2.2.粉体表面的湿润性粉体表面的湿润性 3.3.液体架桥液体架桥 4.4.液体在粉体增毛细管中的上升高度液体在粉体增毛细管中的上升高度 粉体的湿润

10、对粉体在液体中的分散性、混合性以及液体对多孔物质的渗透性等物理化学问题等起着重要的作用。毛 细 管 上 升 液楔 形 液浸 没 液粘 附 液4.24.2 粉体表面的湿润性粉体表面的湿润性 （1）粉体表面所受的力 粉体表面的润湿性可用杨氏方程来表示。如图4-2所示，当固液表面相接触时，在界面处形成一个夹角，即接触角。用它来衡量液体（如水）对固体（如无机材料）表面润湿的程度，各种表面张力的作用关系可用杨氏方程表示为： 图4-2 固体表面的润湿接触角 式中sg固体、气体之间的表面张力sl固体、液体之间的表面张lg液体、气体之间的表面张力液、固之间的湿润接触角。cosLgSLSg公式：说明：接触角小则

11、液体容易润湿固体表面，而接触角大则不易润湿，即接触角可作为润湿性的直观判断。=00为扩展润湿； 00 900为浸渍润湿； 900 1800为粘附润湿。（2）粉体表面能（所做的功） a.将固体单位表面上的液滴去掉时所要做的功为： 如图4-3所示LSgSLgLSW 此时，固液、液气、固气的接触面积相等。功WLS被叫做粘附功，将这样的湿润称为粘附润湿。如图4-2所示，把液滴置于光滑的固体面上，当液滴为平衡状态时，将（4-1）式代入（4-2）式，即得)cos1 (cosLgLSSLLgSLLgLSSgLgLSWW 说明：为了使液滴能粘附在固体表面上，则应使WLS0。因Lg0，所以cos1才行。WLS越

12、大，液滴越容易粘附在固体表面上。相反，WLS为负值时，固体表面则排斥液滴。 为了使粘附于固体表面上的液滴在固体表面广泛分布，则应满足下式cosLgLSSg 如图4-4所示，将在固体表面上的液滴薄膜还原单位面积需要的功为图4-4 扩展润湿的功 图4-5 浸渍润湿 )(LSLgSgLSSLLSSSL SLSSLSS 为使液体在固体表面上扩展，则应有SLS0。将SLS称为扩展系数，像这样的润湿称为扩展润湿。 如图4-5所示，将浸渍在固体毛细管中的液体还原单位面积，使暴露出新的固体表面所需要的功ALS为： 将ALS称为粘附张力，这种润湿称为浸渍润湿 coscosLgLSLgLSLSSgLSA4.14.1 液体架桥液体架桥 液桥：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。粉体处理中的液体大多是水。液桥除了可在过滤、离心分离、造粒能及其它的单元操作过程中形成外，当空气的相对湿度超过65