Was ist Pulverrheologie?

ERFAHREN SIE MEHR ÜBER DIE RHEOLOGIE VON PULVER

Probleme mit Pulver im Zusammenhang mit dem Schwerkraftströmungsverhalten

Eine typische industrielle Pulververarbeitungslinie umfasst mehrere Lagerbehälter (z. B. Behälter, Trichter, Silos, Trichter, Zwischenbehälter oder IBCs, Säcke usw.), Zuführschritte oder Handhabung (z. B. Bandförderer, Schneckenförderer, pneumatische Förderer, Fallrutschen usw.) und Verarbeitungsschritte (z. B. Mahlen, Mischen, Trocknen, Absacken usw.). Ein großes industrielles Problem besteht darin, sicherzustellen, dass das Pulver zuverlässig aus dem Lager in die nächste Stufe des Prozesses ausgetragen wird. Um die Anwendung von Pulverflussmessungen zu verstehen, ist es daher hilfreich, grundlegende Kenntnisse über die Strömungsmuster und Strömungshindernisse zu haben, die in Lagertanks einer Verarbeitungslinie auftreten können.

Welche Pulverströmungsmuster können in einem Prozessspeichertank auftreten?

Es können hauptsächlich zwei verschiedene Strömungsmuster auftreten:

Zentraler Fluss (in Abbildung 1a gezeigt) kann als Standardströmungsmuster angesehen werden und ist gekennzeichnet durch Pulveraustrag durch einen bevorzugten Strömungskanal über dem Auslassabsenkpunkt. Das Pulver wird von der oberen freien Oberfläche des Inventars in den Strömungskanal gezogen. Dies führt zu einem First-in-Last-out-Entleerungsregime und, wenn im kontinuierlichen Modus (anstatt im Batch-Modus) betrieben wird, bleibt das Pulver um die Wände des unteren Abschnitts im Behälter statisch, bis es entleert. zu leeren.

Massenstrom (in Abbildung 1b gezeigt) ist das gewünschte Fließmuster für Pulver, die schlecht fließen oder zeitempfindlich sind, aber speziell dafür entwickelt werden müssen. Hier ist der gesamte Inhalt des Containers „lebendig“, was zu einem First-In-First-Out-Entladeregime führt. Dazu müssen die Wände des Trichters ausreichend steif und glatt sein. Bei gegebenem Wandmaterial / Konvergenzwinkel muss die Reibung der Pulverwand unter einem kritischen Wert liegen. Darüber hinaus sollte der Produktaustrag durch ein Ventil oder einen Dosierer gesteuert werden, der es dem Pulver ermöglicht, durch den gesamten Querschnitt des Auslasses zu fließen. (Es ist dieser letzte Punkt, der viele Schiffe daran hindert, im Massenfluss zu arbeiten.)

Ein Wandreibungstest kann grob abschätzen, ob eine gegebene Trichtergeometrie dem Massenstrom standhält (vorausgesetzt, der Auslaufbereich ist voll aktiv). Für eine genaue Berechnung des maximalen Halbwinkels des Massendurchflusstrichters müssen Wandreibungs- und Fließfunktionsprüfungen durchgeführt werden.

Welche Pulverblockaden können auftreten, um den Fluss zu verhindern:

Im Wesentlichen können zwei Strömungshindernisse auftreten:

Das "Rattenloch" (in Abbildung 2a gezeigt) ist das Haupthindernis der Strömung in einem zentralen Durchflussbehälter, wo das Pulver im Strömungskanal über dem Auslass austritt und eine stabile innere Struktur hinterlässt.

Wölbung (in Abbildung 2b gezeigt) ist die Strömungsbehinderung in einem Massendurchflussbehälter, wo sich ein stabiler Pulverbogen durch den Auslass oder die konvergierenden Wände des Trichters bildet und dadurch den Fluss verhindert.

Für ein gegebenes Pulver gibt es eine kritische Ausstoßdimension, die überschritten werden muss, um einen zuverlässigen Austrag aus einem zentralen Durchfluss- oder Massendurchflussbehälter zu gewährleisten. Dies sind der kritische Durchmesser des Rattenlochs D rh und der kritische Bogendurchmesser DC oder D p (je nach Geometrie des Trichters - siehe Abbildung 3). Der AMETEK Brookfield Powder Flow Tester (PFT) kann diese kritischen Maße als Ergebnis einer Durchflussfunktionsmessung berechnen. Eine genaue Dimensionierung erfordert auch einen Wandreibungstest. Beachten Sie, dass für ein gegebenes Pulver der Durchmesser des Rattenlochs deutlich größer ist als der Durchmesser des Gewölbes.

Hauptunterschiede zwischen Pulvern und Flüssigkeiten

Bei Newtonschen Flüssigkeiten ist die Scherfestigkeit (Viskosität) unabhängig vom Normaldruck, aber abhängig von der Schergeschwindigkeit. Bei Pulvern kehrt sich die Wirkung dieser Faktoren um, so dass die Schubspannung eines Pulvers stark von der Normalspannung, aber unabhängig von der Schergeschwindigkeit abhängt. Während der Charakterisierung der Pulver werden die Tests daher mit einer einzigen Geschwindigkeit, aber über einen Bereich von Normalspannungen durchgeführt. Der andere wesentliche Unterschied besteht darin, dass Pulver anisotrop sind, also die Spannungen nicht in alle Richtungen gleich sind und reibungsbedingt sind, sodass sie an den Grenzen der Wände Schubspannungen erzeugen können (siehe Abschnitt Wandreibung ).

Durchflussfunktionstest

Das primäre Maß für die Pulverfließfähigkeit ist die Pulverfließfunktion – die ein Maß dafür ist, wie viel Widerstand das Material auf einer unbelasteten Oberfläche behält, nachdem es sich auf ein bestimmtes Spannungsniveau verfestigt hat. Die Fließfunktion lässt sich am einfachsten mit dem in Bild 4 gezeigten einachsigen uneingeschränkten Versagenstest erklären, der den Widerstand einer freistehenden Pulversäule misst. Dieser Zustand ist analog zu dem Zustand des Pulverbogens durch einen Trichterauslass, der in 2b gezeigt ist.

1) Konsolidierung der Probe.

Das Pulver wird in eine zylindrische Zelle gegeben und unter Normalspannung s1 verdichtet.

2) Uneingeschränkte Probe.

Die Form wird nun vorsichtig entfernt, um eine Säule aus verdichtetem Pulver freizulegen.

3) Unbegrenztes Versagen der Probe.

Die auf die Pulversäule wirkende Normalspannung wird bis zum Versagen allmählich erhöht und die maximale Normalspannung sc wird aufgezeichnet.

Der einachsige Versagenstest wird über einen Bereich von konsolidierenden Spannungen durchgeführt und die Fließfunktion wird durch Auftragen der freien Bruchfestigkeit gegen die konsolidierende Spannung konstruiert, wie in Abbildung 5 gezeigt. Außerdem ist der Wert des Fließfaktors (ff) hoch, plus das Fließen des Pulvers (Tabelle 1).

Verwendungszweck des Brookfield PFT Pulverrheometers

- Messen Sie die Fließeigenschaften aller Rohpulver und Mischungen, um festzustellen, ob es Unterschiede in ihrer Fließfähigkeit gibt und diese mit den Erfahrungen der Anlagen übereinstimmen.

- Neue Materialien - Testen Sie neue Inhaltsstoffe / Mischungen mit bestehenden Inhaltsstoffen / Mischungen, um festzustellen, ob das alternative Material wahrscheinlich einfacher oder schwieriger zu handhaben ist. Diese potenziellen Bearbeitungskosten können bei der Kaufentscheidung berücksichtigt werden.

- Reverse Engineering - Wenn Sie über Fabrikerfahrung mit Pulvern auf einer bestimmten Prozesslinie verfügen, können Sie die PFT verwenden, um die Fließeigenschaften jedes Pulvers zu bestimmen und es als Fließ-Benchmark für zukünftige Chargen zu verwenden.

- Design- Gestalten Sie die Geometrie (Konvergenzwinkel und Auslaufgröße) neuer Trichter / Silos für einen zuverlässigen Durchfluss.

Alternative Methoden zur Anzeige der Ergebnisse des Strömungsfunktionstests

Um die Fließfähigkeit des Pulvers zu demonstrieren, kann die Fließfunktion grafisch dargestellt werden (wie in Abbildung 5), um das Verhalten über den Spannungsbereich von etwa 0,3 kPa bis 13 kPa zu beschreiben. Dieser Spannungsbereich ist repräsentativ für den, den das Pulver in kleinen bis mittelgroßen Silos erfährt. Die Beschreibung der Fluidität mit einer Funktion kann die Analyse jedoch erschweren, da manchmal festgestellt wird, dass sich die Fließfunktionen zweier verschiedener Materialien überschneiden, sodass sich ihre relative Anordnung mit dem Spannungsniveau ändert. Alternativ können die Fließfähigkeitsbewertungen für bestimmte Belastungsniveaus durch Berechnung der folgenden Parameter bestimmt werden:

Geschätzter kritischer Gewölbedurchmesser [m]: Die minimale Siloauslaufgröße für einen zuverlässigen Schwerkraftaustrag im Massenstrom, berechnet mit der Bogengleichung in Abbildung 2b. Der Spannungswert ist der Achsenabschnitt der Fließfunktion mit einer Geraden ff = 1,4. Dies sind die Standardeinstellungen für den Durchsatzfaktor, können jedoch vom Benutzer in einem Bereich von 1,0 bis 1,8 für Silodesignanwendungen angepasst werden.

Geschätzter kritischer Durchmesser des "Rattenlochs" " In [m] : Der minimale Auslassdurchmesser, um die Bildung eines stabilen "Rattenlochs" in einem Zentraldurchflussgefäß zu verhindern. Der Austrittsdurchmesser wird mit der Rattenlochgleichung in Abbildung 2a berechnet. Der Spannungswert ist der Achsenabschnitt der Fließfunktion mit einer Linie ff = 2,5 und kann bei jedem Spannungsniveau vom Benutzer definiert werden.

Durchflussindex: Die Steigung einer Linie vom Ursprung bis zum letzten Punkt der Fließfunktion, normalerweise zwischen 0,1 und 1,0. Dieser Index gibt einen Vergleich des Verhaltens von Materialien bei mittleren Verdichtungsspannungen von mehr als einem Meter Pulvertiefe.

Strömungsunterbrechung : Der Schnittpunkt der am besten angepassten linearen Versagensfunktion, wobei die unbeschränkte Bruchfestigkeitsachse eine Zahl in kPa angibt. Dies ergibt eine Zahl, die die Fließfähigkeit des Pulvers bei Verdichtungsspannungen im Allgemeinen von weniger als 0,15 m Pulvertiefe widerspiegelt.

Beachten Sie, dass ein konsolidierter Fließfunktionstest im Laufe der Zeit dem Benutzer ermöglicht, festzustellen, ob das Material während der Langzeitlagerung an Festigkeit gewinnt.

Wandreibungstest

Die an der Grenzfläche Wand / Pulver wirkende Reibung hat einen wesentlichen Einfluss auf die Spannungsverteilung in Behandlungstanks, Silos und Trichtern.

Je höher die Wandreibung, desto mehr Pulvergewicht wird durch die Silo- / Tank- / Behälterwände nach unten geleitet, anstatt das darunter liegende Schüttgut zu verdichten. Je geringer die Reibung, desto mehr wird das Eigengewicht des Pulvers durch das Schüttgut übertragen. Dieser „Janssen-Effekt“ ist in Abbildung 6 dargestellt, die zeigt, wie sich die vertikalen Drücke im vertikalen Abschnitt eines Silos ändern würden, wenn die Wandreibung von Null auf einen hohen Wert von 400 erhöht würde. Das Vorhandensein der Wandreibung hat einen negativen Rückkopplungseffekt auf den Druckanstieg mit der Tiefe, so dass sich die Spannungen in der Regel bei einer Tiefe von etwa 4 Behälterdurchmessern konstanten Werten annähern.

Software kann verwendet werden, um die Drücke in einem Behälter basierend auf Messungen der Schüttdichte ρ, der Wandreibung, des Innenwandreibungssymbols δj und des Behälterdurchmessers D abzuschätzen. Der Hauptverfestigungsdruck 1 in der Tiefe Z ergibt sich aus der Gleichung:

Das Wandreibungswinkelsymbol der Wandreibung stellt den Winkel dar, um den eine Wandoberfläche geneigt werden muss, wie in Abbildung 7 gezeigt, um das Pulver zu gleiten. Der Wandreibungswinkel liegt typischerweise in der Größenordnung von 10 bis 45 Grad. Der Wandreibungswinkel wird auch als Steigungswinkel bezeichnet.

Während die Ergebnisse des Wandreibungstests grafisch als Ort des Wandversagens dargestellt werden können, wie in Abbildung 8a gezeigt (was die Grenzschubspannung darstellt, der das Pulver an einer Wand standhalten kann), oder als Funktion des Wandreibungswinkels, wie in Bild 8b (zeigt, wie sich der Wandreibungswinkel bei Spannungsabbau ändert), einer der vier Indizes d Die folgende Strömung, die aus dem Ort der maximalen Wandreibung abgeleitet wird, ist im Allgemeinen ausreichend. Diese wandbrechenden Eigenschaften sind:

θ c θ p = Der maximale Massendurchsatz des Halbwinkeltrichters (senkrecht gemessen) bei konischen oder ebenen Trichtern.

Wandreibungssymbol = Der maximale Wandreibungswinkel zur Bestimmung des minimalen Fallwinkels für die Schwerkraftströmung (siehe Abbildung 8b).

Grad = Der als Koeffizient angezeigte maximale Wandreibungswinkel.

cw = Die kohäsive Wandschubspannung in kPa, die an der Wand unter Null-Normalspannung getragen werden kann (siehe Abbildung 8a). Dies bestimmt die "Klebrigkeit", d. h. ob das Pulver bei einer Belastung nahe Null wahrscheinlich an der Wandoberfläche kleben bleibt. das heißt, das Pulver sammelt sich an den Wänden der Rutschen um die Entlade- / Übergabepunkte herum an.

Ein erweiterter Wandreibungstest ermöglicht es, die Wandprobe großen Scherverschiebungen (in der Größenordnung von 30 Metern) auszusetzen, um festzustellen, ob eine langfristige Pulveransammlung an der Wand zu erwarten ist.

Schüttdichtetest

Es ist das Eigengewicht des Pulvers, seine Schüttdichte, das die Spannungen steuert, die auf das Pulver während des Fließens oder im statischen Zustand in Verarbeitungslinien / Silos usw. einwirken. Die Schüttdichte wird während des Fließfunktionstests (und wird benötigt, um kritische Auslassabmessungen zu berechnen) und des Wandreibungstests gemessen, sie kann jedoch auch in einem einzigen separaten Test für die Schüttdichte allein gemessen werden.

Die Schüttdichte wird normalerweise als Schüttdichtekurve angezeigt (Abbildung 9). Im Allgemeinen ist ein frei fließendes Material inkompressibel, sodass es bei Belastung nur eine geringe Dichtezunahme zeigt. Im Vergleich dazu zeigt ein sehr kohäsives, schwerfließendes Schüttgut mit zunehmender Belastung eine starke Zunahme der Schüttdichte.

ρ Füllung = Zu erwartende scheinbare Fülldichte beim Einfüllen des Pulvers in einen Behälter

ρ comp = Die gepackte Schüttdichte gibt einen Hinweis auf die zu erwartende Schüttdichte, wenn das Material unter Hochspannung gegossen und verdichtet wird

Zusammenfassung

Der Brookfield Powder Flow Tester bietet vier Standardtests:

Fließfunktionstest – Misst die innere Kraft, Fließfunktion, innere Reibungsfunktion und Schüttdichtefunktion – wird verwendet, um die Fließkraft und das Biege-/Rattenlochpotenzial von Pulvern zu charakterisieren.

Zeitkonsolidierter Flow-Funktionstest – Wie oben, jedoch nach statischer Speicherung für einen benutzerdefinierten Zeitraum.

Wandreibungstest – Misst die Reibung zwischen dem Pulver und einer gegebenen Wandoberfläche und die Schüttdichtefunktion – wird verwendet, um die Halbwinkel des Massenflusstrichters und die Winkel der Schwerkraftflussrinne zu bewerten.

Schüttdichtetest - Misst die Schüttdichtekurve des Pulvers.

Beachten Sie, dass der Benutzer für eine vollständige Silokonstruktion die Ergebnisse der Tests 1, 2 und 3 ausführen und kombinieren muss.