颗粒学-颗粒的堆积.ppt

4 颗粒的堆积 4 颗粒的堆积 颗粒体由大量颗粒堆积而成。颗粒的堆积性质是指粒体内部、颗粒在空间的排列状态或粒体的结构特性。它和诸如团粒、滤饼、粒层、流态化床、料堆等颗粒集合体的物理性质有直接关系。 它不仅影响许多工艺过程的效率，如矿浆的输送、湿产物的喷雾干燥、矿仓内物料的流出状态等，而且对最终产品质量，如制品强度、密度、透气性、热值等也起着重要作用。 4.1 典型的堆积参数 由颗粒堆积而成的颗粒层称为颗粒床层，颗粒床层具有以下特性。 床层空隙率ε 床层堆积的疏密程度用空隙率表示，指单位体积床层所具有的空隙体积(m3/m3)。即： ε=(床层体积-颗粒体积)/床层体积 ε的大小与颗粒的大小、形状、粒度分布、填充方式等有关，其值由实验测定。 [说明] 非球形颗粒的球形度愈小，床层的空隙率愈大； 大小愈不均匀的颗粒，空隙率愈小； 颗粒愈光滑，空隙率愈小； 愈靠近壁面，空隙率愈大。 4.1 典型的堆积参数 表征颗粒堆积状态的基本参数有空隙度(空隙率)、堆积率、配位数、比表面积、空隙分布等，其中空隙率应用最为普遍。 (1) 空隙率ε：为颗粒体中空隙所占的容积率(容积分数)，定义式为 式中：ρS — 颗粒的真密度； ρB — 颗粒体的表观密度。 讨论：粒度分布对颗粒堆积的影响 制备高浓度水煤浆要求大小颗粒要相互充填，以达到较高的堆积密实度，这样就可少用水。 只有大颗粒 充填了细颗粒 再充填了更细颗粒 4.1 典型的堆积参数 (2) 堆积率λ：表征颗粒体中固体颗粒所占的容积率，即 (3) 配位数NC：每个颗粒和周围其它颗粒接触点的数目。 NC与颗粒体的流变性有关。 (4)比表面积：几种比表面积概念之间的关系为 式中 SW — 单位质量颗粒所具有的表面积； φS — 比表面形状系数； SV — 固体颗粒单位净体积的表面积； ds.aw — 以比表面积为基准的颗粒平均直径。 SaV — 颗粒体单位表观体积的表面积； 4.2 球体的堆积 1、等径球体的有规则排列 常见等径球体有规则的充填有 5 种排列方式，见下表： 排列方式 配位数 NC 堆积率 (1－ε)（%） 空隙率 ε(%) 立方体 6 47.64 六方型（斜方体） 8 39.55 复六方型 10 30.19 角锥型 12 25.95 四面体型 12 25.95 4.2 球体的堆积 2、等径球体的随意堆积 Smith 等人通过实验，获得 5 种空隙率不同的等径球堆积配位数分布规律与平均空隙率及平均配位数的关系。假定堆积模型为立方堆积和四面体堆积的混合，可得到平均配位数和空隙率的关系式为： 平均空隙率 平均配位数 式中 x 是由四面体堆积的比例数。 4.2 球体的堆积 由前面式子可求得空隙率和平均配位数的关系式为： Ridgway 等人以最小二乘法求得配位数和空隙率的关系式为： 实验证明，球体堆积率随容器直径和球径之比的增大而增加，直到 10 以前都符合此规律，超过比值 10 时，ε接近常数0.62 。 4.2 球体的堆积 3、异径球体的堆积 在大球组成中加入一定数量直径较小的球，使其充填于大球的间隙中，则堆积物的空隙率可以进一步降低。例如，以六方型方式堆积，则混合物的空隙率下降为 14.4%。 多组份球体的堆积特征见下表： 球体组份 球体体积 (%) 空隙率 (%) 空隙率下降 (%) 1 62 38 — 2 85.6 14.4 23.6 3 94.6 5.4 9.0 4 98.0 2.0 3.4 5 99.2 0.8 1.2 4.3 颗粒的堆积 实际颗粒的粒度分布有连续分布和不连续分布。 连续分布的颗粒体是由某一粒度范围内所有尺寸的颗粒所组成；而不连续分布则是由代表该范围的有限尺寸的颗粒所组成。 4.3.1 不连续尺寸颗粒的堆积 研究该理论的代表有Furnas,Westman,Hugill,Suzuki等人，其中Westman-Hugill的理论及计算多尺寸颗粒最大堆积率的方法在国内常见。 1单位实际体积颗粒的表观体积Va和空隙分数ε’、颗粒的体积分数λ’ 有以下关系： 4.3.2 连续尺寸颗粒的堆积 经典连续堆