第三章粉體聚集特性

第三章粉體聚集特性第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四粉體的填充指標容積密度ρB：在一定填充狀態(tài)下，單位填充體積的粉體質量，亦稱表觀密度填充率Ψ：一定填充狀態(tài)下，顆粒體積占粉體體積的比率空隙率ε：一定填充狀態(tài)下，空隙體積占粉體填充體積的比率第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四粉體顆粒的填充與堆積等徑球體的規(guī)則填充不同尺寸球形顆粒的填充實際顆粒的填充不同尺寸顆粒的最緊密堆積第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四等徑球體顆粒的規(guī)則填充規(guī)則填充第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四60°第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四（b）回轉90°即可得（d）；（c）回轉125°16′則得（f），其堆積性質相同，故得到四種填充方式;填充變形程度的增加，配位數增加，空隙率減??；其中,（a）空隙率最大，屬不穩(wěn)定填充，而（c）（f）空隙率最小，為最穩(wěn)定填充；規(guī)則填充是理想填充，實際不能達到，實際介于這些理想填充之間。第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四隨機填充隨機密填充：平均空隙率為0.359~0.375隨機傾倒填充：平均空隙率為0.375~0.391隨機疏填充：平均空隙率為0.4~0.41隨機極疏填充：平均空隙率為0.44第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四等徑球體的隨機填充與顆粒的特性、填充方式、容器的尺寸和器壁的表面性質有關對于相當大的球體，如鐵珠、圓砂粒和玻璃球等，在重力作用下填充時，其總的空隙率一般接近于0.39，而配位數約為8。對直徑為3mm的球體，在不同的密度和表面摩擦的情況下，其最松隨機填充時的空隙率為0.393~0.409第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四壁效應在實際操作中，一般粉體總是裝在某種形狀的容器中，也即存在一定的壁，這就會帶來所謂的壁效應。由于壁的存在，使得在靠近壁表面的地方會使隨機填充中存在局部有序緊挨著固體壁表面的顆粒常常會形成一層與表面形狀相同的料層，即所謂的基本層，他是正方形和三角形單元聚合的混合體壁效應的另一重要方面是緊挨著壁的位置存在著相對高的空隙率。壁效應是顆粒直徑與容器直徑之比的函數第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四不同尺寸球形顆粒的填充在規(guī)則填充的基礎上，等徑球形顆粒之間的空隙可由更小尺寸的球填充，從而得更高密度的集合體；當每一個空隙中只有一個小球填充時，該球的直徑是填充空隙空間的最大球徑。第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四Horsfield填充六方最密填充中，存在著由六個等徑球組成的四方孔及由四個等徑球形成的三角孔；在四方孔中填充第二大球，在三角孔中填充第三大球，依次類推；最終，所有剩余孔隙被相當小的等徑球填充，得到最小孔隙率為0.039的填充；這種填充方式叫Horsfield填充。第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四Hudson堆積第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四二元體系填充性質對二組元顆粒體系中，由二種粒徑不同的顆粒組成；大顆粒間的間隙由小顆粒填充，得到最緊密的堆積(最大填充率)；混合物的單位體積內大小顆粒質量為：第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四令大顆粒所占質量分數為：對同一種固體物料，密度相同，單組分空隙率相同，則大顆粒的質量分數(最大填充率)：第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四單一組分空隙率為0.5時，二組元顆粒的堆積特性第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四實際顆粒的填充僅在重力作用下，空隙率隨容器直徑減少和顆粒層高度的增加而變大空隙率與大小顆粒尺寸比有關，粒度愈小，由于粒間的團聚作用，空隙率愈大，當粒度超過一臨界值時，粒度大小對顆粒體堆積率的影響不存在；顆粒的形狀：空隙率隨顆粒圓形度的降低而增高；表面粗糙度越大，空隙率越大物料含水量：由于顆粒表面吸附水，顆粒間形成液橋力而導致顆粒間附著力增大，形成的團粒尺寸較大且內部呈現(xiàn)松散結構，故物料的堆積率下降，也存在臨界水含量，在此點最低。振動頻率與振幅對粉體層的空隙率有較大影響對復雜的多組分體系，有理論和實際公式模擬第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四粉體中顆粒間的附著力范德華力靜電引力附著水分的毛細管力第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四范德華力通常顆粒是沒有極性的，但由于構成顆粒的分子或原子，特別顆粒表面分子或原子的電子運動，顆粒將有瞬時偶極，當兩顆粒相互接近時，由于瞬時偶極的作用，兩顆粒將產生相互吸收的作用力，這種作用力稱為顆粒間的范德華力。可用London-Vanderwaals引力勢能和能量疊加原理來計算得到。第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四經計算，兩顆粒間的引力勢能為：式中：A是Hamakar常數，由下式得到對等徑顆粒，有：a:顆粒表面間距第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四故顆粒間的范德華力為：等徑球體間的范德華力為：顆粒與平面間的范德華力：

第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四靜電引力對帶有異號靜電荷各為Q1、Q2的兩個直徑均為d的顆粒間的引力為：a:顆粒表面間的距離第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四附著水分的毛細管力第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四液體架橋粉體與固體或粉體顆粒之間的間隙部分存在液體時，稱為液橋液橋除能在各種單元操作中形成外，當空氣的相對濕度超過65%，水蒸氣開始在顆粒表面及顆粒間凝集，從而增加顆粒間的粘接第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四顆粒間液橋模型第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四故，毛細管壓力P為設毛細管壓力作用在液面與球的接觸部分的斷面上，取表面張力平行于兩顆粒連線的分量，得到在表面引力和毛細管壓力的作用下，顆粒間的毛細力：第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四液橋的粘接力比分子間作用力大1~2個數量級，故濕空氣中顆粒的粘結力以液橋附著力為主如顆粒表面親水，則θ0；當顆粒與顆粒相接觸（a=0)，且α=10°~40°時，則：顆粒-顆粒顆粒-平板第三十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四團聚準數C0

當顆粒間的作用力遠大于顆粒的重力時，顆粒的行為很大程度上已不再受重力的約束，顆粒有團聚的傾向。定義團聚準數C0式中：m——顆粒的質量；

——顆粒間的作用力，如顆粒間的范德華力、毛細力、靜電力、燒結效應等

隨著顆粒尺寸的減少，顆粒的團聚準數急劇增加。對于尺寸小于1μm的顆粒，顆粒的團聚準數大于106，可見，小顆粒在顆粒間力的作用下將形成團聚體

第三十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四液體在粉體層毛細管中的上升高度第三十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期四液體在毛細管中的上升高度為：故，毛細管常數為對粉體層，以顆粒直徑Dp代替毛細管管徑2rc，用hc代替h，則粉體層的毛細管常數為