第三章粉体聚集特性

第三章粉体聚集特性第一页，共三十四页，编辑于2023年，星期四粉体的填充指标容积密度ρB：在一定填充状态下，单位填充体积的粉体质量，亦称表观密度填充率Ψ：一定填充状态下，颗粒体积占粉体体积的比率空隙率ε：一定填充状态下，空隙体积占粉体填充体积的比率第二页，共三十四页，编辑于2023年，星期四粉体颗粒的填充与堆积等径球体的规则填充不同尺寸球形颗粒的填充实际颗粒的填充不同尺寸颗粒的最紧密堆积第三页，共三十四页，编辑于2023年，星期四等径球体颗粒的规则填充规则填充第四页，共三十四页，编辑于2023年，星期四60°第五页，共三十四页，编辑于2023年，星期四第六页，共三十四页，编辑于2023年，星期四（b）回转90°即可得（d）；（c）回转125°16′则得（f），其堆积性质相同，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；其中,（a）空隙率最大，属不稳定填充，而（c）（f）空隙率最小，为最稳定填充；规则填充是理想填充，实际不能达到，实际介于这些理想填充之间。第七页，共三十四页，编辑于2023年，星期四随机填充随机密填充：平均空隙率为0.359~0.375随机倾倒填充：平均空隙率为0.375~0.391随机疏填充：平均空隙率为0.4~0.41随机极疏填充：平均空隙率为0.44第八页，共三十四页，编辑于2023年，星期四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表面性质有关对于相当大的球体，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0.39，而配位数约为8。对直径为3mm的球体，在不同的密度和表面摩擦的情况下，其最松随机填充时的空隙率为0.393~0.409第九页，共三十四页，编辑于2023年，星期四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，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，使得在靠近壁表面的地方会使随机填充中存在局部有序紧挨着固体壁表面的颗粒常常会形成一层与表面形状相同的料层，即所谓的基本层，他是正方形和三角形单元聚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的空隙率。壁效应是颗粒直径与容器直径之比的函数第十页，共三十四页，编辑于2023年，星期四不同尺寸球形颗粒的填充在规则填充的基础上，等径球形颗粒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；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。第十一页，共三十四页，编辑于2023年，星期四第十二页，共三十四页，编辑于2023年，星期四Horsfield填充六方最密填充中，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；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；最终，所有剩余孔隙被相当小的等径球填充，得到最小孔隙率为0.039的填充；这种填充方式叫Horsfield填充。第十三页，共三十四页，编辑于2023年，星期四第十四页，共三十四页，编辑于2023年，星期四Hudson堆积第十五页，共三十四页，编辑于2023年，星期四二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组成；大颗粒间的间隙由小颗粒填充，得到最紧密的堆积(最大填充率)；混合物的单位体积内大小颗粒质量为：第十六页，共三十四页，编辑于2023年，星期四令大颗粒所占质量分数为：对同一种固体物料，密度相同，单组分空隙率相同，则大颗粒的质量分数(最大填充率)：第十七页，共三十四页，编辑于2023年，星期四单一组分空隙率为0.5时，二组元颗粒的堆积特性第十八页，共三十四页，编辑于2023年，星期四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，粒度大小对颗粒体堆积率的影响不存在；颗粒的形状：空隙率随颗粒圆形度的降低而增高；表面粗糙度越大，空隙率越大物料含水量：由于颗粒表面吸附水，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结构，故物料的堆积率下降，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对复杂的多组分体系，有理论和实际公式模拟第十九页，共三十四页，编辑于2023年，星期四粉体中颗粒间的附着力范德华力静电引力附着水分的毛细管力第二十页，共三十四页，编辑于2023年，星期四范德华力通常颗粒是没有极性的，但由于构成颗粒的分子或原子，特别颗粒表面分子或原子的电子运动，颗粒将有瞬时偶极，当两颗粒相互接近时，由于瞬时偶极的作用，两颗粒将产生相互吸收的作用力，这种作用力称为颗粒间的范德华力。可用London-Vanderwaals引力势能和能量叠加原理来计算得到。第二十一页，共三十四页，编辑于2023年，星期四经计算，两颗粒间的引力势能为：式中：A是Hamakar常数，由下式得到对等径颗粒，有：a:颗粒表面间距第二十二页，共三十四页，编辑于2023年，星期四故颗粒间的范德华力为：等径球体间的范德华力为：颗粒与平面间的范德华力：

第二十三页，共三十四页，编辑于2023年，星期四静电引力对带有异号静电荷各为Q1、Q2的两个直径均为d的颗粒间的引力为：a:颗粒表面间的距离第二十四页，共三十四页，编辑于2023年，星期四附着水分的毛细管力第二十五页，共三十四页，编辑于2023年，星期四液体架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65%，水蒸气开始在颗粒表面及颗粒间凝集，从而增加颗粒间的粘接第二十六页，共三十四页，编辑于2023年，星期四颗粒间液桥模型第二十七页，共三十四页，编辑于2023年，星期四第二十八页，共三十四页，编辑于2023年，星期四故，毛细管压力P为设毛细管压力作用在液面与球的接触部分的断面上，取表面张力平行于两颗粒连线的分量，得到在表面引力和毛细管压力的作用下，颗粒间的毛细力：第二十九页，共三十四页，编辑于2023年，星期四液桥的粘接力比分子间作用力大1~2个数量级，故湿空气中颗粒的粘结力以液桥附着力为主如颗粒表面亲水，则θ0；当颗粒与颗粒相接触（a=0)，且α=10°~40°时，则：颗粒-颗粒颗粒-平板第三十页，共三十四页，编辑于2023年，星期四团聚准数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C0式中：m——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

随着颗粒尺寸的减少，颗粒的团聚准数急剧增加。对于尺寸小于1μm的颗粒，颗粒的团聚准数大于106，可见，小颗粒在颗粒间力的作用下将形成团聚体

第三十一页，共三十四页，编辑于2023年，星期四液体在粉体层毛细管中的上升高度第三十二页，共三十四页，编辑于2023年，星期四液体在毛细管中的上升高度为：故，毛细管常数为对粉体层，以颗粒直径Dp代替毛细管管径2rc，用hc代替h，则粉体层的毛细管常数为