粉体工程与设备第二章演示文稿

粉体工程与设备第二章演示文稿当前第1页\共有47页\编于星期一\9点（优选）粉体工程与设备第二章当前第2页\共有47页\编于星期一\9点2.1.1粉体填充指标容积密度ρb：在一定填充状态下，单位填充体积的粉体质量，亦称松装密度。式中:VB－粉体填充体积

ρP－颗粒密度，ε－空隙率当前第3页\共有47页\编于星期一\9点颗粒密度ρp：颗粒质量除以包括内外孔在内的颗粒体积V。真密度ρs：颗粒质量除以不包括内外孔在内的颗粒真体积Vp，即物质密度。表观密度ρa：颗粒质量除以不包括外孔在内的颗粒表观体积。振实密度ρbt：粉体质量除以振实后粉体的表观体积。真密度ρs≥表观密度ρa≥颗粒密度ρp≥振实密度ρbt≥松装密度ρbVpV当前第4页\共有47页\编于星期一\9点填充率ψ：在一定填充状态下，颗粒体积占粉体体积的比率。当前第5页\共有47页\编于星期一\9点空隙率ε：在一定填充状态下，空隙体积占粉体填充体积的比率。ε=1-ψ=1-ρb/ρp空隙率与孔隙率区别：空隙率中颗粒体积不包括外孔在内，而孔隙率中颗粒体积不包括内外孔在内。配位数k(n)：与观察颗粒接触的颗粒个数。用分布来表示具有某一配位数的颗粒比率时，该分布称为配位数分布。当前第6页\共有47页\编于星期一\9点2.1.2理想粉体颗粒的填充1.均一球体颗粒的规则填充以均一球粒在平面上的排列作为基本层，有2种基本排列方式，即正方形排列层和单斜方形或六方系排列层;当前第7页\共有47页\编于星期一\9点如将图中涂黑的4个球作为基本层的最小单位，将各层汇总可得6种排列；当前第8页\共有47页\编于星期一\9点表1均一球规则填充结构特性排列名称总体积空隙率配位数填充组(a)立方体填充，立方最疏填充10.47646正方系(b)正斜方体填充0.8660.39548(c)菱面体填充或面心立方体填充0.7070.259412(d)正斜方体填充0.8660.39548六方系(e)楔形四面体填充0.7500.301910(f)菱面体填充或六方最密填充0.7070.259512当前第9页\共有47页\编于星期一\9点2.均一颗粒的实际填充问题1：为什么将玻璃球或钢球小心地倒入容器时，其空隙率也比最密填充状态空隙率大0.35%~0.40%左右？问题2：如何用实验测试均一颗粒的实际填充结构？当前第10页\共有47页\编于星期一\9点Smith实验：Smith等人将半径3.78mm的铅弹子自然地填入直径80~120mm的烧杯中，注入含醋酸20％的水溶液后，十分小心地倒掉溶液。由于球的接触点上残留着环状溶液，如保持原先填充状况，则接触点上就残留有碱性醋酸铅的白色斑点。从与容器壁不接触的铅弹子中计数900~1600个球，可得到空隙率和配位数不同的结果：当前第11页\共有47页\编于星期一\9点表2-2空隙率平均配位数（Smith）

空隙率大时，配位数分布接近于正态分布。随着空隙率减小，配位数增加，接近于最密填充状态分布。

当前第12页\共有47页\编于星期一\9点当立方最疏排列和六方最密排列以某一比例混合时的填充情况，其平均空隙率(或总空隙率)用下式表示：平均空隙率x为六方最密填充的比例数。

Smith关系式：当前第13页\共有47页\编于星期一\9点上述两种单元体的体积比为1比，每单位体积的粒子数比为1比，配位数分别为6和12，则平均配位数为当前第14页\共有47页\编于星期一\9点实测空隙率和平均配位数与计算值相比：当前第15页\共有47页\编于星期一\9点2.均一颗粒的实际填充随机密填充：相当于振实填充，平均空隙率0.359~0.375；随机倾倒填充：相当于卸料或装袋，平均空隙率0.375~0.391；随机疏填充：缓慢填充，平均空隙率0.4~0.41；随机极疏填充：极缓慢填充，类似于流化床物料缓慢速度降为0，平均空隙率0.46~0.47；当前第16页\共有47页\编于星期一\9点2.1.3非均一球形颗粒的填充1.Horsfield填充定义：在六方最密排列中，在六个等径球之间形成的空隙大小和形状是有规则的，其中有两种孔型：6个球围成的四角孔和4个球围成的三角孔，设最基本的均一球为一次球，填入四角孔的最大球为二次球，填入三角孔中的最大球为三次球，其后在填入四次球、五次球，最后以微小的均一球填入残留的空隙中，这样就构成了六方最紧密堆积。这种最小空隙率为0.039作为排列特征的堆积又称为Horsfield最紧密堆积。当前第17页\共有47页\编于星期一\9点当前第18页\共有47页\编于星期一\9点当前第19页\共有47页\编于星期一\9点当前第20页\共有47页\编于星期一\9点球序球体半径球数空隙率1次球ER10.2602次球J0.414R110.2073次球K0.225R120.1904次球L0.177R180.1585次球M0.116R180.149最后填充球极小极多0.039当前第21页\共有47页\编于星期一\9点2.Hudson堆积定义：当一种以上的等尺寸球被填充到最紧密六方排列的空隙中时，空隙率随较小球与最初大球的的尺寸比值变化，空隙率随着四方空隙中较小球的数目增加而减小。但实际上，因为在三角孔隙中，球的数目不连续，当三角空隙中球的尺寸比为0.1716时，最小空隙率为0.113，这样的排列叫做Hudson堆积。当前第22页\共有47页\编于星期一\9点当前第23页\共有47页\编于星期一\9点堆积特性：二次球与一次球比值，当r2/r1＜0.414时，二次球可填充四角孔；当r2/r1＜0.225时，二次球可填充三角孔；当r2/r1=0.1716时，三角孔基准填充最为紧密；当前第24页\共有47页\编于星期一\9点3二组元颗粒体系的最紧密堆积在二组元的颗粒体系中，大颗粒间的空隙由小颗粒填充，混合物中的单位体积内大小颗粒重量分别为：大颗粒所占质量分数用f1来表示：当前第25页\共有47页\编于星期一\9点对同一种物料，单一组分的空隙率相同，即ρp1=ρp2，ε1=ε2=ε，当前第26页\共有47页\编于星期一\9点空隙率最小时大颗粒的质量分数为0.67，空隙率随大小颗粒尺寸比而变化，小颗粒粒度越小，空隙率越小。当前第27页\共有47页\编于星期一\9点在同一固体物料所组成的多组元n级颗粒填充体系中，填充后单位体积粉体的总松体积为：当前第28页\共有47页\编于星期一\9点4实际颗粒堆积影响因素（1）壁效应#定义：当颗粒填充容器时，在容器壁附近形成特殊的排列结构，即形成局部有序。当前第29页\共有47页\编于星期一\9点特点：在接近固体表面的地方会使随机填充中存在局部有序，基本层是正方形与三角形单元聚合的混合体；由壁和颗粒相异的曲率半径，使得紧挨壁的位置存在着相对高的空隙率区域。当前第30页\共有47页\编于星期一\9点McGeary实验：容器直径和球径之比超过50时，空隙率几乎为常数，为37.5%。Ridgway和Tarbuck实验：沿容器半径方向，空隙率逐渐减小，当离器壁之距离与球径之比为5时，空隙率基本不变。当前第31页\共有47页\编于星期一\9点（2）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增加而减小。当前第32页\共有47页\编于星期一\9点（3）物料的含水量当前第33页\共有47页\编于星期一\9点（4）颗粒形状当前第34页\共有47页\编于星期一\9点（5）粒度大小当前第35页\共有47页\编于星期一\9点（6）物料堆积的填充速度对于粗颗粒，较高的填充速度导致松装密度较小；对于细颗粒，减慢供料速度可得松散堆积。当前第36页\共有47页\编于星期一\9点堆积理论的应用：1.指导流程和设备选择。水煤浆制备的关键技术之一是如何使煤粉具有紧密堆积，达到代油的目的。而磨料工艺与设备的选择对粒度分布特性有直接关系。2.指导研究和生产。当前第37页\共有47页\编于星期一\9点当前第38页\共有47页\编于星期一\9点2.2粉体中颗粒间的附着力分子间引力－范德华引力；颗粒间的静电作用；颗粒间的毛细管力；颗粒间的磁性力；颗粒表面不平滑引起的机械咬合力。当前第39页\共有47页\编于星期一\9点2.2.1分子间范德华力导致的颗粒间引力附着的根本原因是粉体粒子之间的分子作用力，即范德华力。范德华力是吸力，并与分子间距离的7次方成反比，作用距离极短（约1nm），是典型的短程力。但对于颗粒而言，存在多个分子的综合作用，分子间作用力衰减程度明显变缓。颗粒间分子作用力的有效距离可达50nm，因此，是长程力。当前第40页\共有47页\编于星期一\9点对于半径分别为R1和R2的两个球形颗粒（R1=R2=D/2)，分子间作用力为：对于半径为R的球与平板：式中：a－为颗粒间距，A－为哈马克常数／J，A=π2N2λ，在真空中，A的波动范围为10-20J之间当前第41页\共有47页\编于星期一\9点2.2.2颗粒间的静电作用摩擦带电、接触荷电、气态离子扩散

Rumpf对两球形颗粒之间的静电引力提出了下式：当前第42页\共有47页\编于星期一\9点2.2.3附着水分的毛细管力附着水分是指两个颗粒接触点附近的毛细管水分。水的表面张力的收缩作用将引起对两个颗粒之间的牵引力，称为毛细管力。当前第43页\共有47页\编于星期一\9点2.2.4磁性力铁磁性物质例如铁以及亚铁磁性物质，当其颗粒小到单踌临界尺寸以下时，颗粒只含有一个磁畴，这称为单畴颗粒。单畴颗粒是自发磁化的粒子，其内部所有原子的自旋方向都己平行，勿须外加磁场来磁化就具有磁性。粉末的单畴颗粒之间存在着磁性吸引力，很难分散。此时在液体介质中的分散常需结合使用高频磁场，例如对磁性矿浆，可使用场强为800Oe、频率为200kHz的磁场。

当前第44页\共有47页\编于星期一\9点2.2.5颗粒表面不平滑引起的机械咬合力两个颗粒间的引力或颗粒与固体平面的引力可以用高灵敏度的弹簧秤或天平测量。测量颗粒与平面向的引力还可以用离心法。颗粒间的引力还可以借测量粉末层的破断力，根据其