Wat is poederreologie?

LEES MEER OVER DE RHEOLOGIE VAN POWDERS

Problemen met poeder in verband met stromingsgedrag door zwaartekracht

Een typische industriële poederverwerkingslijn omvat verschillende opslagcontainers (bijv. bakken, hoppers, silo's, hoppers, tussenliggende bulkcontainers of IBC's, zakken, enz.), toevoerstappen of handling (bijv. bandtransporteur, schroeftransporteur, pneumatische transportband, zwaartekrachtgoten , enz.) en verwerkingsstappen (bijv. malen, mengen, drogen, in zakken doen, enz.). Een groot industrieel probleem is ervoor te zorgen dat het poeder op betrouwbare wijze van de opslag naar de volgende fase van het proces wordt afgevoerd. Om de toepassing van poederstroommetingen te begrijpen, is het daarom nuttig om basiskennis te hebben van de stroompatronen en stroomobstructies die kunnen optreden in opslagtanks op een verwerkingslijn.

Wat zijn de poederstroompatronen die kunnen optreden in een procesopslagtank?

Er zijn hoofdzakelijk twee verschillende stromingspatronen die kunnen optreden:

Centrale stroom (getoond in figuur 1a) kan worden gezien als het standaard stroompatroon en wordt gekenmerkt door poederafvoer via een preferentieel stroomkanaal boven het uitlaattappunt. Het poeder wordt vanaf het bovenste vrije oppervlak van de inventaris in het stroomkanaal gezogen. Dit resulteert in een first-in-last-out afvoerregime en, indien gebruikt in een continue modus (in plaats van een batchmodus), zal het poeder rond de wanden van het onderste gedeelte statisch in de container blijven totdat het is leeggemaakt.

Massastroom (getoond in figuur 1b) is het gewenste stroompatroon voor poeders die slecht vloeien of tijdgevoelig zijn, maar waarvoor specifiek ontworpen moeten worden. Hier is de volledige inhoud van de container "levend", wat resulteert in een first-in, first-out losregime. Hiervoor moeten de wanden van de trechter voldoende stijf en glad zijn. Voor een gegeven wandmateriaal / convergentiehoek moet de wrijving van de poederwand kleiner zijn dan een kritische waarde. Bovendien moet de productafvoer worden geregeld door een klep of feeder waarmee poeder door de gehele dwarsdoorsnede van de uitlaat kan stromen. (Het is dit laatste punt dat voorkomt dat veel schepen in massastroom werken.)

Een wandwrijvingstest zal een ruwe schatting kunnen geven of een bepaalde trechtergeometrie massastroom zal weerstaan (mits het uitlaatgebied volledig actief is). Voor een exacte berekening van de maximale halve hoek van de massastroomtrechter moeten wandwrijvings- en stromingsfunctietesten worden uitgevoerd.

Wat zijn de poederverstoppingen die kunnen optreden om de stroom te voorkomen:

Er zijn hoofdzakelijk twee stromingsbelemmeringen die kunnen optreden:

Het "rattenhol" (getoond in figuur 2a) is de belangrijkste obstructie van de stroom in een centraal stroomvat waar het poeder in het stroomkanaal boven de uitlaat uitstroomt en een stabiele interne structuur achterlaat.

boog (getoond in figuur 2b) is de obstructie van de stroming in een massastroomvat, waar zich een stabiele poederboog vormt door de uitlaat of convergerende wanden van de trechter, waardoor stroming wordt voorkomen.

Voor een bepaald poeder is er een kritische uitgangsdimensie die moet worden overschreden om een betrouwbare afvoer uit een centraal stroom- of massastroomvat te garanderen. Dit zijn de kritische diameter van het rattenhol D rh en de kritische boogdiameter DC of D p (afhankelijk van de geometrie van de trechter - zie figuur 3). De AMETEK Brookfield Powder Flow Tester (PFT) kan deze kritische afmetingen berekenen als resultaat van een flowfunctiemeting. Nauwkeurige dimensionering vereist ook een wandwrijvingstest. Merk op dat voor een bepaald poeder de diameter van het rattenhol aanzienlijk groter is dan de diameter van de kluis.

Belangrijkste verschillen tussen poeders en vloeistoffen

Voor Newtoniaanse vloeistoffen is de afschuifsterkte (viscositeit) onafhankelijk van de normale druk, maar hangt af van de afschuifsnelheid. In poeders is het effect van deze factoren omgekeerd, zodat de schuifspanning van een poeder sterk afhankelijk is van de normale spanning, maar onafhankelijk van de schuifsnelheid. Tijdens de karakterisering van de poeders worden de tests dus uitgevoerd met een enkele snelheid maar over een bereik van normale spanningen. Het andere belangrijke verschil is dat poeders anisotroop zijn, zodat de spanningen niet in alle richtingen gelijk zijn en wrijving veroorzaken, zodat ze schuifspanningen kunnen genereren aan de grenzen van de wanden (zie sectie Wandwrijving ).

Stroomfunctietest

De primaire maatstaf voor poedervloeibaarheid is de poederstroomfunctie - die een maat geeft voor hoeveel weerstand het materiaal behoudt op een onbelast oppervlak na consolidatie tot een bepaald spanningsniveau. De eenvoudigste manier om de stroomfunctie uit te leggen, is door de uniaxiale onbegrensde faaltest te gebruiken die wordt getoond in figuur 4, die de weerstand van een vrijstaande poederkolom meet. Deze toestand is analoog aan de toestand van de poederboog door een trechteruitlaat getoond in figuur 2b.

1) Consolidatie van het monster.

Het poeder wordt in een cilindrische cel geplaatst en onder een normale spanning s1 verdicht.

2) Onbeperkt monster.

De mal wordt nu voorzichtig verwijderd om een kolom van samengeperst poeder te onthullen.

3) Onbeperkt falen van het monster.

De normale spanning die op de poederkolom werkt, wordt geleidelijk verhoogd totdat een storing optreedt, en de maximale normale spanning sc wordt geregistreerd.

De onbeperkte eenassige bezwijktest wordt uitgevoerd over een reeks consoliderende spanningen en de stroomfunctie wordt geconstrueerd door de onbeperkte breeksterkte uit te zetten tegen de consoliderende spanning, zoals weergegeven in figuur 5. Meer is de waarde van de stroomfactor (ff) hoog, plus de stroom van het poeder (tabel 1).

Beoogd gebruik van de Brookfield PFT Powder Rheometer

- Meet de stroomeigenschappen van alle onbewerkte poeders en mengsels om te bepalen of er verschillen zijn in hun stroombaarheid en of deze consistent zijn met de ervaring van de plant.

- Nieuwe materialen - Test nieuwe ingrediënten / mengsels met bestaande ingrediënten / mengsels om te bepalen of het alternatieve materiaal waarschijnlijk gemakkelijker of moeilijker te hanteren is. Deze potentiële verwerkingskosten kunnen worden meegewogen in de aankoopbeslissing.

- Reverse Engineering - Als u fabriekservaring hebt met poeders op een bepaalde proceslijn, kunt u de PFT gebruiken om de stroomeigenschappen van elk poeder te bepalen en deze te gebruiken als stroombenchmark voor toekomstige batches.

- Ontwerp- Ontwerp de geometrie (convergentiehoek en uitlaatgrootte) van nieuwe hoppers / silo's voor een betrouwbare doorstroming.

Alternatieve methoden om de resultaten van de stromingsfunctietest weer te geven

Om de vloeibaarheid van het poeder aan te tonen, kan de stroomfunctie grafisch worden weergegeven (zoals in figuur 5) om het gedrag te beschrijven over het spanningsbereik van ongeveer 0,3 kPa tot 13 kPa. Dit spanningsbereik is representatief voor de spanning die het poeder ervaart in kleine tot middelgrote silo's. Het beschrijven van vloeibaarheid met een functie kan de analyse echter bemoeilijken omdat soms wordt vastgesteld dat de stroomfuncties van twee verschillende materialen elkaar kruisen, zodat hun relatieve ordening verandert met de stressniveaus. Als alternatief kunnen de vloeibaarheidsclassificaties voor specifieke stressniveaus worden bepaald door de volgende parameters te berekenen:

Geschatte kritische kluisdiameter [m]: De minimale silo-uitlaatmaat voor betrouwbare zwaartekrachtafvoer in massastroom, berekend met behulp van de boogvergelijking in figuur 2b. De spanningswaarde is het snijpunt van de stroomfunctie met een lijn ff = 1.4. Dit zijn de standaard instellingen voor de doorvoerfactor, maar kunnen door de gebruiker worden aangepast binnen een bereik van 1,0 tot 1,8 voor silo-ontwerptoepassingen.

Geschatte kritische diameter van het "rattengat" " in [m] : De minimale uitlaatdiameter om de vorming van een stabiel "rattengat" in een middenstroomvat te voorkomen. De uitlaatdiameter wordt berekend met behulp van de rattengatvergelijking in figuur 2a. De spanningswaarde is het snijpunt van de stroomfunctie met een lijn ff = 2,5 en kan door de gebruiker worden gedefinieerd op elk spanningsniveau.

Stroomindex: De helling van een lijn van de oorsprong naar het laatste punt van de stroomfunctie, meestal tussen 0,1 en 1,0. Deze index geeft een vergelijking van het gedrag van materialen bij tussenliggende verdichtingsspanningen van meer dan een meter poederdiepte.

Stroomonderschepping : Het onderscheppen van de best passende lineaire faalfunctie waarbij de as van de onbegrensde breuksterkte een getal in kPa geeft. Dit geeft een getal dat de vloeibaarheid van het poeder weergeeft bij verdichtingsspanningen die over het algemeen minder dan 0,15 m poederdiepte zijn.

Merk op dat een geconsolideerde stroomfunctietest in de loop van de tijd de gebruiker in staat stelt te bepalen of het materiaal sterker wordt tijdens langdurige opslag.

Muurwrijvingstest

De wrijving die werkt op het grensvlak wand/poeder heeft een significante invloed op de verdeling van spanningen in behandelingstanks, silo's en trechters.

Hoe hoger de wandwrijving, hoe meer poedergewicht naar beneden wordt overgebracht door de silo-/tank-/containerwanden, in plaats van het stortgoed eronder te verdichten. Hoe lager de wrijving, hoe meer het eigen gewicht van het poeder door het stortgoed wordt overgebracht. Dit 'Janssen-effect' wordt geïllustreerd in figuur 6, die laat zien hoe de verticale drukken in het verticale gedeelte van een silo zouden variëren als de wandwrijving zou worden verhoogd van nul tot een hoge waarde van 400. De aanwezigheid van de wrijving van de wand heeft een negatief terugkoppelingseffect op de druktoename met diepte, zodat de spanningen in het algemeen constante waarden benaderen op een diepte van ongeveer 4 containerdiameters.

Software kan worden gebruikt om de drukken in een container te schatten op basis van metingen van bulkdichtheid ρ, wandwrijving, wrijvingssymbool binnenwand δj en containerdiameter D. De belangrijkste consolidatiedruk 1 op diepte Z wordt gegeven door de vergelijking:

Het muurwrijvingshoeksymbool van muurwrijving vertegenwoordigt de hoek waaronder een muuroppervlak moet worden gekanteld zoals weergegeven in figuur 7 om het poeder te schuiven. De wandwrijvingshoek is typisch in de orde van 10 tot 45 graden. De wandwrijvingshoek wordt ook wel de hellingshoek genoemd.

Hoewel de resultaten van de wandwrijvingstest grafisch kunnen worden weergegeven als een locatie van wandbreuk zoals weergegeven in figuur 8a (die de beperkende schuifspanning weergeeft die het poeder aan een wand kan weerstaan), of als een functie van de wandwrijvingshoek zoals weergegeven in Figuur 8b (laat zien hoe de wandwrijvingshoek verandert met vermindering van spanning), een van de vier indices d De volgende stroming afgeleid van de plaats van maximale wandwrijving is over het algemeen voldoende. Deze muurbrekende eigenschappen zijn:

θ c θ p = Het maximale massadebiet van de trechter met halve hoek (verticaal gemeten) voor conische of platte trechters.

wandwrijvingssymbool = De maximale wandwrijvingshoek om de minimale valhoek voor zwaartekrachtstroming te bepalen (zie figuur 8b).

Grad = De maximale wandwrijvingshoek weergegeven als een coëfficiënt.

cw = De wandcohesieve schuifspanning in kPa die tegen de wand kan worden gedragen onder nul normale spanning (zie figuur 8a). Dit bepaalt de "plakkerigheid", dat wil zeggen of het poeder waarschijnlijk aan het wandoppervlak blijft kleven onder een spanning van bijna nul. dat wil zeggen, het poeder zal zich ophopen op de wanden van de stortkokers rond de los-/overdrachtspunten.

Met een uitgebreide wandwrijvingstest kan het wandmonster worden onderworpen aan grote afschuifverplaatsingen (in de orde van 30 meter) om vast te stellen of langdurige poederophoping op de wand te verwachten is.

Bulkdichtheidstest

Het is het eigen gewicht van het poeder, zijn bulkdichtheid, die de spanningen regelt die op het poeder inwerken tijdens stroming of wanneer het statisch is in verwerkingslijnen/silo's, enz. Bulkdichtheid wordt gemeten tijdens de stromingsfunctietest (en is nodig om kritische uitlaatafmetingen te berekenen) en de wandwrijvingstest, maar het kan ook worden gemeten in een enkele afzonderlijke test voor alleen bulkdichtheid.

Bulkdichtheid wordt meestal weergegeven als een bulkdichtheidscurve (Figuur 9). Over het algemeen zal een vrij stromend materiaal onsamendrukbaar zijn, dus het zal slechts een kleine toename in dichtheid vertonen bij spanning. Ter vergelijking: een zeer cohesief stortgoed met een lage stroomsnelheid zal een grote toename in stortdichtheid vertonen bij toenemende spanning.

ρ vulling = De schijnbare vuldichtheid die te verwachten is wanneer het poeder in een container wordt gegoten

ρ comp = Het gepakte stortgewicht geeft een indicatie van het te verwachten stortgewicht als het materiaal onder hoogspanning wordt gestort en verdicht

Overzicht

De Brookfield Powder Flow Tester biedt vier standaard tests:

Stroomfunctietest - Meet interne kracht, stroomfunctie, interne wrijvingsfunctie en bulkdichtheidsfunctie - gebruikt om de stroomkracht en het buig-/ratgatpotentieel van poeders te karakteriseren.

Time Consolidated Flow Function Test - Hetzelfde als hierboven, maar na statische opslag gedurende een door de gebruiker gedefinieerde periode.

Wandwrijvingstest - Meet de wrijving tussen het poeder en een bepaald wandoppervlak en de bulkdichtheidsfunctie - gebruikt om de halve hoeken van de massastroomtrechter en de hoeken van de zwaartekrachtstroomgoot te evalueren.

Bulkdichtheidstest - Meet de bulkdichtheidscurve van het poeder.

Merk op dat om een volledig silo-ontwerp uit te voeren, de gebruiker de resultaten van tests 1, 2 en 3 moet uitvoeren en combineren.