粉体力学与工程-03 粉体填充与堆积特性

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2017年4月10日星期一
机械与汽车工程学院
总结:非球形颗粒的随机填充(实际颗粒填充)
1) 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 2) 随着球形度的增加,空隙率减少
3) 颗粒表面粗糙度的增加使空隙率增大
4) 细颗粒的粘结作用将形成松填充
5) 粗细颗粒比例改变将影响空隙率
粒密度:ρS = M/VS
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堆积密度(松装密度)
ρB = M / V B
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。
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粒密度
ρp = M / Vp
不包括颗粒之间空 隙的体积
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真密度
ρs = M / V s
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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。 总之,球形颗粒相对易填充,棒状或针状等颗粒难以 填充。
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 B ):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:

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填充率 比率。
有一定填充状态下,颗粒体积占粉体体积的

M / P B M / B P
M------------ 填充粉体的质量
空隙率ε
空隙体积占粉体体积的比率。
B 1 1 P
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B
VB 1 P VB
式中
P ----------颗粒的密度,kg/m3
ε----------空隙率 真密度:ρp = M/Vp
VB----------粉体填充体积,m3
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3.2 粉体颗粒的填充与堆积
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
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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
和颗粒形状、大小级配、填充状态等有关系
改变填充状态的措施将会改变体积密度(如加压、 振动)
s p bt B
真 密 度
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粒 密 度
振 实 密 度
松 装 密 度
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6 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。堆
积混合物的单位体积内大小颗粒质量分别写 成下两式
W1 1 1 1 P1
W2 1 1 1 2 P 2
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一层最密堆积中 球数:三角形空隙数目=1:2
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2 layers
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
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单元体的堆积性质
排列号 单元体积 空隙体积 空隙率
1 2 3 4 5 6 1 0.866 0.707 0.866 0.750 0.707 0.4764 0.3424 0.1834 0.3424 0.2264 0.1834 0.4764 0.3954 0.2594 0.3019 0.3019 0.2595
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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
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1)一次堆积后的填充性质 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。
类别 立方体 空隙率 小球直径 0.4764 0.723dp 0.528dp 0.225dp 0.414dp 混合物空隙率 0.271 0.307 0.190 小球体积比 0.391 0.147 0.019 0.070
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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。
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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0.3750.391。
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-
不包括颗粒内外空隙 的体积
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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。
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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。
0.190
0.158 0.149 0.039
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E J E L
M
K E J
依次,
E J K L M
顺序填充
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3)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
正斜方体排列2
楔形四面体排列
菱面体排列
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正方排列层
正方体排列(最松)
正斜方体排列1 菱面体排列(最密)
三角形排列层
正斜方体排列2 楔形四面体排列 (立体排列)
(平面排列)
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等径球的最密堆积(菱面体排列)
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。
6) 振动的频率和振幅影响粉体层的空隙率
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小思考:
1. 粉体材料恒定的情况下,堆积密度是确定的吗? 2. 粉体堆积密度和哪些因素有关。 3. 采取一些堆积措施对粉体堆积密度有什么样的影 响?
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注意:
堆积密度不是固定值,随空隙率的变化而变化
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
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正方体排列
正斜方体排列1
菱面体排列
Байду номын сангаас
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5 实际颗粒的堆积
——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20m )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。
正斜方体 0.3954 菱面体* 0.2595
注:dp ——大球直径
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2)Horsfield填充(小球在四方空隙填充)
球序
1次球 2次球
球体半径
r1 0.414r1
球数
空隙率
0.260
1
0.207
3次球
4次球 5次球 最后填充球
0.225r1
0.177r1 0.116r1 极小
2
8 8 极多
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。
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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。
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3) 颗粒凝聚的影响 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。
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。
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最小空隙率:0.113
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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。
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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。
配位数
6 8 12 8 10 12
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2 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。
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