第三章 粉体的物性与流变学.ppt

1,第三章粉体物性与流变学,粉体的密度粉体的填充与堆积特性粉体的流变学粉体间的润湿性能,2,第一节粉体的密度,粉体的密度是指单位体积粉体的质量。粉体的密度根据所指的体积不同分为：真密度、颗粒密度、松密度、振实密度,一、粉体密度的概念,3,1、真密度（truedensity)t材料在绝对密实状态下，单位体积的质量,是指粉体质量（w）除以不包括颗粒内外空隙的体积（真体积Vt）求得的密度。,t=w/Vt,4,2、颗粒密度（granuledensity)g,是指粉体质量除以颗粒体积Vg所求得密度。颗粒体积（Vg）：包括封闭细孔在内的体积，而颗粒表面的凹下、裂缝、开口的孔洞不包括在内,g=w/Vg,或p,5,粉体质量除以该粉体所占容器的体积V（堆积体积）堆积体积（Vb）：包括颗粒体积及颗粒之间空隙的体积。,3、松密度（bulkdensity)b亦称表观密度、容积密度、填充体积,b=w/Vb,6,填充粉体时，经一定规律振动或轻敲后测得的密度称振实密度（tapdensity）bt。,4、振实密度（tapdensity）bt,bt=w/V,若颗粒致密，无细孔和孔洞，则t=g一般：tgbtb,7,（一）真密度与颗粒粒度的测定：常用的方法是用液体或气体将粉体置换的方法。液浸法：采用加热或减压脱气法测定粉体所排开的液体体积，即为粉体的真体积。,二、粉体密度的测定方法,8,比重瓶法,测量原理：将粉体置于加有液体介质的容器中，并让液体介质充分浸透到粉体颗粒的开孔中。根据阿基米德原理，测出粉体的颗粒体积，进而计算出单位颗粒体积的质量。,比重瓶法测定基本步骤：,（1）比重瓶体积的标定（2）粉体质量的称量（3）粉体体积的测定,9,将粉体装入容器中所测得的体积包括粉体真体积、粒子内空隙、粒子间空隙等。测量容器的形状、大小、物料的装填速度及装填方式等均影响粉体体积。不施加外力时所测得的密度为松密度施加外力而使粉体处于最紧充填状态下所测得的密度是振实密度。,（二）松密度与振实密度的测定,10,松装密度测定装置一,(a)装配图,(b)流速漏斗,(c)量杯,11,松装密度测定装置二,(1)漏斗,(2)阻尼箱,(3)阻尼隔板,(4)量杯,(5)支架,12,空隙率（porosity）是粉体中空隙所占有的比率。粒子内空隙率内=（Vg-Vt）/Vg=1-g/t粒子间空隙率间=（V-Vg）/V=1-b/g总空隙率总=（V-Vt）/V=1-b/t,一、粉体的空隙率,第二节粉体的填充与堆积,13,在一定填充状态下，颗粒体积占粉体填充体积的比率,二、粉体的填充率,三、粉体颗粒的填充与堆积3.1等径球形颗粒群的规则堆积,排列层：正方形排列层和单斜方形排列层或六方形排列层。将各个基本排列层汇总起来，可得到六种排列形式。,立方最密填充,立方体,正斜方体,面心立方体,正斜方体,楔形四面体,六方最密,15,单元体：连接相邻的8个球的球心所得到的一个平行六面体。,16,最松,最密,等径球形颗粒群的规则堆积示意图,配位数：粉体填充体现中，平均一个颗粒和相邻颗粒接触的点数,等径球规则填充的结构特性,空隙率的推导（立方最密填充）设单元体的棱长为a，球半径为R,18,相当于把一个半径为R的球放入到边长为2R的立方体中,19,最松,最密,等径球形颗粒群的规则堆积示意图,从等径球的六种填充的性质表明：a：等径球规则填充的填充率随着配位数增加而增加；b：等径球规则填充时最疏松的填充是配位数为6的填充，其填充率仅为52.36%，最紧密的填充为配位数12的填充，其填充率为74.06%。,20,21,3.2随机或不规则填充,1）随机密填充：=0.3590.3752）随机倾倒填充：=0.3750.3913）随机疏填充：=0.40.414）随机极疏填充：=0.460.47,四、影响颗粒堆积的因素,（1）壁效应当颗粒填充容器时，在容器壁附近形成特殊的排列结构，称为壁效应。（2）局部填充结构排列结构的局部变化（如空隙率分布、填充数密度分布和接触点角度分布等）对粉体现象有很大影响。,23,（3）物料的含水量形成团聚体，使整个物料堆积率下降。潮湿物料颗粒表面吸水，颗粒间形成液桥力，导致粒间附着力增大，形成二次、三次粒子，即团粒。由于团粒尺寸较一次粒子大，并且团粒内部保持松散的结构。颗粒间凝聚力妨碍填充过程中颗粒的运动,（4）颗粒形状空隙率随颗粒球形度的降低而增高。,26,（5）粗糙度系数空隙率随粗糙度系数的增大而增高。,（6）粒度大小对颗粒群而言，粒度越小，由于粒间团聚作用，空隙率越大。当粒度为某一定值时，粒度大小对颗粒堆积率的影响已不复存在，比值为临界值。随粒径增大，与粒子自重力相比，凝聚力的作用可以忽略不计。粒径变化对堆积率的影响大大减小。因此，通常在细粒体系中，粒径大于或小于临界粒径的物料对颗粒体行为有举足轻重的作用。（7）物料堆积的填充速度对粗颗粒，较高的填充速度会导致物料比较松散，但对于像面粉那样具有粘聚力的细粉，较高的供料速度可得到较致密的堆积。,五、非均一球形颗粒的填充结构,粒度不同的两种球形颗粒，小颗粒的粒度越小，填充率越高，填充率随大小颗粒混合比而变化，大颗粒质量比率为70时，填充率最大。,28,设密度1的大颗粒单独填充时空隙率为1，将2、2的小颗粒填充到大颗粒的空隙中，则填充体单位体积大颗粒的质量W1为：W1（11）1小颗粒质量W21（12）2混合物中大颗粒的质量比率为对于同材质的球形颗粒，12，120.4时，得到最大填充率的大颗粒质量比率为0.71,30,第三节粉体的流变学,粉体的流动性（flowability）与粒子的形状、大小、表面状态、密度、空隙率等有关。粉体的流动形式：重力流动、振动流动、压缩流动、流态化流动,一、粉体的流动性,31,32,1.粉体的摩擦角由于颗粒间的摩擦力和内聚力而形成的角统称为摩擦角。类型：休止角、内摩擦角、壁面摩擦角、滑动角,二、粉体流动性的评价与测定方法,33,粉体堆积层的自由斜面在静止的平衡状态下，与水平面所形成的夹角。用表示，越小流动性越好可视为粉体的“粘度”常用的测定方法：注入法排出法倾斜角法,2、休止角（安息角）(angleofrepose),p0凹液面:pl0ps=plp00,(2)弯曲表面下的附加压力,86,特殊式（对球面）：,一般式（对不规则曲面）：,杨-拉普拉斯（Young-Laplace）公式,R1、R2是某一曲面上最大和最小曲率半径,87,(3)毛细管作用力：毛细管插入液体中，管中液面呈凹形，曲面受到向上的附加压力，曲面下的液体受到的pp0，则管外液体被压入管中而使管内液面上升。,凹液面上升h高度后，液柱静压力与凹面附加压力ps相等而达平衡,88,曲率半径R与毛细管半径R的关系,毛细管上升公式：,89,*颗粒间液桥模型图,90,91,设毛细管压力作用在液面和球的接触部分的断面上，而表面张力平行于两颗粒连线的分量作用在圆周上，则液桥附着力由下式表示：,92,如颗粒表面亲水，当颗粒与颗粒相接触（a0），且100400时，则(颗粒颗粒)（颗粒平板）,93,(4)粉体接触角测量方法透过测量法基本原理：固体粒子间的空隙相当于一束毛细管，毛细作用使液体透入粉末中，液面在毛细作用下沿管中粉末柱上升h。,94,液体在粉体层毛细管中的上升高度,95,只要测得粉末间孔隙的平均半径R和液体的表面张力可得到接触角R值无法直接测定，用一已知表面张力为、密度和对粉末接触角为0的液体来标定：,96,通过测定h、h0可求得。使用此方法应注意粒子的均匀性及装填情况,对于粉体在未知液体中的透过,1.1对液体而言，满足如下定律：（1）压力与深度成正比即帕斯卡定律（2）同一液面上压力相等，即连通器定律,第五节粉体(静)压力计算,一、Janssen公式,97,98,容器内的粉体层处于极限应力状态；同一水平面的垂直压力恒定；粉体的基本物性和填充状态均一，为常数,1.2静态粉体压力，Jassen（詹森）作如下假设：,99,圆筒形容器（截面积为A）；h深处的微元层（Adh）作为研究对象；铅垂方向作受力分析,100,上层静压力粉体层自重下层静压力摩擦力,水平压力,取h深处的微元层作为研究对象，当其受力平衡时，在铅垂方向作受力分析为,根据极限莫尔圆原理及假定1，对非粘性粉体，有,将上式整理后得,101,积分后得：,102,根据边界条件可知，当时时，得：,即：深度为h时，粉体铅垂压力p与高度h的关系为：,代入得：,103,104,筒仓内粉体压力分布,粉体压力饱和现象：当粉体填充高度达到一定值后。P趋于常数,水平压力,若粉体层的上表层有外载荷p0存在，则：时，此时：,105,二、料斗（锥体）的压力分布*,106,以料斗的圆锥顶角为坐标原点，建立如图所示的直角坐标系。取料斗中的微元，对该微元作垂直方向上的力平衡。先求与壁面垂直方向上单位面积的压力,沿壁面长度方向上的摩擦力为：,107,单元体部分粉体沿垂直方向的力平衡：,整理后得：,式中：（与料斗形状、壁材料、粉体性质有关）,108,边界条件：,（1）若外压为0，即：时，有：,109,（2）若外压不为0，即：,110,粉体之所以会流动，是由于平衡条件被破坏后，粉体层沿剪切面的滑动和平移。,三、粉体的重力流动,111,整体流漏斗流,3.1仓内粉体重力流动状态和模式,D：颗粒自由降落区,C：颗粒垂直运动区,B：团块运动区,A：颗粒擦过B区向出口区中心方向迅速滚落区,E：颗粒不流动区,除了E区以外，凡处于大于安息角位置的颗粒均产生流向中心的运动,112,仓内整个粉体层能够大致上均匀流出。,3.2整体流,113,整体流的特点“先进先出”减少不稳定流动仓壁陡峭仓壁磨损,3.3漏斗流,114,只有料仓中央部分产生流动，流动区域呈漏斗状，使料流顺序紊乱，甚至有部分粉体停滞不动,特点：先入后出引起偏析局部流动,四、颗粒贮存和流动时的偏析,1.偏析：粉体颗粒在运动、成堆或从料仓中排料时，由于粒径、颗粒密度、颗粒形状、表面性状等差异，粉体层的组成呈不均质的现象。,115,2.非粘性颗粒偏析的机理细颗粒的渗漏作用