粉体力学与工程-03-粉体填充与堆积特性

第3章粉体填充与堆积特性基本要求：掌握粉体的填充指标、填充与堆积物性，了解填充与堆积的应用。重点：堆密度、填充率、孔隙率的计算。3.1粉体的填充指标

粉体的填充特性是指粉体层内部粒子在空间的排列状态。粉体的填充特性取决于颗粒空隙空间的几何形状，与空隙所含流体的特性无关。

空隙部分：

指粉体粒子以外的介质所占有的部分。这种空隙量的表示方法有：容积密度（表观密度）：在一定填充状态下，单位填充体积的粉体质量，kg/m3。

填充率Ψ：

空隙率ε：

？空隙率ε

空隙体积占粉体体积的比率。填充率有一定填充状态下，颗粒体积占粉体体积的比率。M------------填充粉体的质量式中

VB----------粉体填充体积，m3

----------颗粒的密度，kg/m3ε----------空隙率

真密度：ρp=M/Vp

粒密度：ρS=M/VS

ρB=M/VB堆积密度(松装密度）粉体所占容器的体积

以一定的方法将粉体填充在已知体积的容器中，该容器的体积也包括颗粒间空隙的体积。

ρp=M/Vp粒密度不包括颗粒之间空隙的体积真密度ρs=M/Vs不包括颗粒内外空隙的体积可推知：

由于实际粉体颗粒的几何性质，粉体本身的刚性或弹性，表面的物理化学性质等有所不同而使堆积密度不同，而且填充方法对堆积密度也有较大的影响。其测定也分为低密度（松动的）和高密度（紧密的）两种。习题沙的真密度2650kg/m3,

2立方米的铲车装沙子重量4000kg,求沙子的表观密度、填充率和孔隙率。配位数的概念：粉体堆积中与某一个颗粒相接触的颗粒数称为配位数随着排列变形程度增加，空隙率将减少，配位数将增加3.2粉体颗粒的填充与堆积1等径球形颗粒的填充以相互接触的球体作为基本单元，它们可以组合成彼此平行的和相互接触的排列，并构成变化无限不同的规则的二维球层。约束的形式有两种：正方形：90°角是其特征等边三角形：60°角是其特征仅仅考虑重力作用时有三种稳定的构成方式：一层叠在另一层的上面在下层球和球的切点上排列着上层球在下层球间隙的中心上排列着上层球正方体排列正斜方体排列1菱面体排列正斜方体排列2楔形四面体排列菱面体排列正方排列层

三角形排列层

正方体排列（最松）正斜方体排列1菱面体排列（最密）正斜方体排列2楔形四面体排列（平面排列）（立体排列）3个球构成一个三角形空隙，每个球有1/3个，每个球周围有6个三角形空隙，因此每个球就有61/3=2个空隙。一层最密堆积中球数：三角形空隙数目=1：2等径球的最密堆积（菱面体排列）2layers半数的三角形空隙上方放了球四面体空隙另一半的三角形空隙上方是第二层的空隙八面体空隙单元体的堆积性质排列号单元体积空隙体积空隙率配位数110.47640.4764620.8660.34240.3954830.7070.18340.25941240.8660.34240.3019850.7500.22640.30191060.7070.18340.25951210一月20252等大球的不规则填充

要想将球填充成为上述的规则排列，在实际填充操作中是根本不可能的。斯考特用直径1/8英寸的钢球十分谨慎地进行填充实验，结果证实，在可能获得的最紧密填充中，空隙率为36.3%，并且还求得这种填充方式下球的配位数。后来人们把这种填充称为等大球的不规则填充。①随机密填充该种填充的空隙率为0.359-0.375,大大超过了六方密填充的0.26。当容器振动时或强烈摇晃时可得到这类填充。②随机倾倒填充把球倒入到一个容器内，相当于工业上常见的卸出粉料和散袋物料的操作，平均空隙率为0.375-0.391。③随机疏填充把一堆球松散的放入到一个容器内；用手把球一个一个地随机填充进去；让球一个个地滚入到如此填充的球的上方。④随机极疏填充最低流态化时流化床具有平均空隙率为0.46-0.47。把流化床内流体的速度缓慢地降到零，通过球的沉降就得到0.44空隙率。3壁效应随机填充时存在着一种所谓的壁效应，因为在接近固体表面的地方会使随机填充中存在局部有序。紧挨着壁的位置存在着相对高的空隙率区域，这是由于壁和颗粒的曲率半径之间的差异而引起的。若加入一些3-4种直径的颗粒到填充物中，会测得：局部的空隙率随颗粒到容器圆柱壁的距离而作周期性变化。壁效应[举例]如填料塔中，填料与塔壁之间不能十分密贴，靠近壁面处的空隙率常较大，顶部的液体，在填料层中往下流动的过程中便逐渐趋向于塔壁，并有部分顺着壁面流下而不经过填料层。壁流的产生不利于塔内两相的密切接触，使传递系数降低。这称为壁效应。为了减小壁效应，填料直径与塔径之比要小于1/10，填料层高度与直径之比要小于5。

4异直径球的填充在等径球形颗粒规则排列的空隙中，填充进较小的球形颗粒，将获得填充率更高的堆积：一次堆积后的填充性质Horsfield填充Hudson填充1）一次堆积后的填充性质类别空隙率小球直径混合物空隙率小球体积比立方体0.47640.723dp0.2710.391正斜方体0.39540.528dp0.3070.147菱面体*0.25950.225dp0.414dp0.1900.0190.070注：dp——大球直径当每一个空隙只有一个小球填充时，填充球的直径是填充空隙空间的最大球径。10一月20252）Horsfield填充(小球在四方空隙填充）球序球体半径球数空隙率1次球r10.2602次球0.414r1

10.2073次球0.225r1

20.1904次球0.177r1

80.1585次球0.116r1

80.149最后填充球极小极多0.03910一月2025EEEJJKML依次，顺序填充10一月20253）小球在三角形孔中添充的ＨＵＤＳＯＮ堆积当在最紧密的六方排列的空隙中填充一种以上的等尺寸球时，空隙率是随着较小球与最初大球的尺寸比值而变化的，如表所示，空隙率随着四方空隙中较小球数目的增加而减小。实际上并不是完全都是这样的，因为在三角形孔隙中，球的数目是不连续的。当三角形空隙中球的尺寸比为0.1716时，最小空隙率是0.1130。10一月2025最小空隙率:0.11310一月2025——影响填充的因素1）颗粒大小的影响

Roller的实验结果表明，当颗粒的粒径不大时，粒径越小，填充越疏松；如果粒径变大，大到超过临界粒径DC（大约20

m）时，则粒径对于填充率的影响不大，因为，颗粒间接触处的凝聚力受到粒径影响已不大，即粒子自重力增大，颗粒的凝聚力的影响可以忽略不计。因此，一般粉体粒子的粒径是大于还是小于临界粒径，对于粉体的填充性能影响极大。5实际颗粒的堆积10一月2025总之，球形颗粒相对易填充，棒状或针状等颗粒难以填充。2）

颗粒形状的影响若颗粒的形状逐渐偏离球体，并且直到板状、棒状等不规则形状，那么，填充越来越困难，填充结构越来越疏松，空隙率变得越来越大。颗粒表面粗糙，则由于填充时摩擦阻力大，就难以达到紧密填充当颗粒越小，颗粒间相互作用力越强时，颗粒形状的影响表现得更明显。10一月2025

由于吸附水份，导致颗粒间凝聚力的强烈作用。由于这种凝聚力妨碍填充过程中颗粒的运动，所以得不到紧密填充。凝聚力不仅构成对填充的直接阻力，而且当凝聚力存在时，多数情况下颗粒通过凝聚会形成凝聚颗粒（也称二次颗粒）。二次颗粒的形状很不规则，致密填充很困难。另外，由于二次颗粒是原来颗粒的集合体，它自身的内部还保持有空隙，所以二次颗粒的填充层是空隙率很大的粗填充。3）

颗粒凝聚的影响10一月2025总结：非球形颗粒的随机填充(实际颗粒填充)在重力下，容器中颗粒填充的空隙率随容器直径减少和颗粒层高度增加而变大随着球形度的增加，空隙率减少颗粒表面粗糙度的增加使空隙率增大细颗粒的粘结作用将形成松填充粗细颗粒比例改变将影响空隙率振动的频率和振幅影响粉体层的空隙率10一月2025小思考：粉体材料恒定的情况下，堆积密度是确定的吗？粉体堆积密度和哪些因素有关。采取一些堆积措施对粉体堆积密度有什么样的影响？10一月2025