什么是粉体流动性分析?

日期:2022-08-31
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了解什么是粉体流动性?

重力流动特性相关粉体问题

一般工业粉体生产线会包含几个贮存容器(例如:料箱、料仓、筒仓、料斗、中等集装袋、塑料袋等)、进料或运送工序(例如:带式输送机、螺旋输送机、气动输送机、重力溜槽等)和生产工序(例如:碾磨、混合、烘干、装袋等)。主要工业问题是让粉体从储存处平稳地排卸到下一道生产工序。因此,要了解粉体流动测量应用,了解粉体在生产线储存容器内部可出现的流动形式和流动阻力相关背景知识是很有用的。

 

粉体在在线储存容器内部可出现的流动形式是什么?

主要有两种不同可出现的流动形式:

核心流

(如图1a所示)可被视为默认流动形式,其特点是粉体通过出口降落点上方优先流动通道流出。粉体从储存处顶部自由面流入流动通道。这是一种粉体先进后出的流动模式,如果以连续(而不是成批)模式运行,较低部分容器壁周围的粉体会在容器中一直保持停滞状态,直到排空。

 

 

整体流

对于流动性差或对时间敏感的流体,整体流(如图1b所示)是合适的流动形式,但是必须特别设计。容器内部全部物料都是“活动”的,形成一种先进先出的流出模式。要实现这一模式,料斗壁须足够陡峭和光滑。对于既定壁面物料/收敛角,粉体壁面摩擦须低于临界值。同时,须用阀门或进料器控制产品排出,阀门或进料器需确保粉体可流经出口的整个横截面。(这是防止容器在整体流中运转的终点。)

壁面摩擦测试能够大致评估出既定料斗几何结构是否支持整体流(附带条件是出口面是完全活动的)。如要精确计算最大整体流的料斗半角,须进行壁面摩擦和流动函数测试。

 

会出现哪些妨碍流动的粉体障碍?

一般来说,可能会产生两种流动障碍:

 

 

 “鼠孔”’(如图2a所示)是核心流容器内部主要的流动障碍,其中出口上方流动通道中的粉体流出并留下稳定的内部结构。

拱架(如图2b所示)是整体流容器内的流动障碍,在料斗出口或汇流壁上形成一个稳定的粉体拱架,进而阻止流动。

要确保既定粉体从核心流或整体流容器稳定排出,必须超过临界出口尺寸。这是临界鼠孔直径Drh和临界拱架直径DC或Dp(取决于料斗几何结构-参见图3)。流动函数测试之后,AMETEK Brookfield粉体流动测试仪可计算出此类临界尺寸。要得出精确尺寸,也需进行壁面摩擦测试。请注意,对于既定粉体,鼠孔直径明显比拱架直径大很多。

 

粉体和流体的主要区别是什么?

对于牛顿流体,剪切阻力(粘度)与法向压力无关,而是取决于剪切率。在粉体中,此类因素的作用是相反的,粉体的剪切应力与法向应力紧密相关,但与剪切率无关。因此,确定粉体特点时,在法向应力范围内以单一速度进行测试。其他主要区别是粉体为非均质,因此应力各向异性,有摩擦,这样才能在壁面边界产生剪切应力(参见壁面摩擦部分)。

 

 

流动函数测试

粉体流动性主要测量方式是流动函数-可提供物料固结到既定应力水平之后,在无应力表面所保持的强度大小的衡量标准。解释流动函数较简单的方式是采用如图4所示的单轴无侧限破坏试验,此试验可测定无支撑粉体柱的强度。这种情况类似于如图2b所示料斗出口处的粉体拱架。

 

 

1)样品固结

将粉体放置在圆柱形挤压容器中并在法向应力s1下对粉体进行压缩。

2) 无限侧样品。

小心翼翼地去掉模具,出现一个压实的粉体柱。

3) 无侧限样品破坏。

作用在粉体柱上的法向应力逐渐增加,直到出现破坏,记录下峰值法向应力。

单轴无侧限破坏试验在一定的固结应力范围内进行,通过绘制如图5所示的无侧限破坏强度与固结应力关系图创建流体函数。流动因子值越大,粉体流动越自由(表1)。

 

表 1:粉体流动性标准分类

 

Brookfield粉体流动测试仪预期用途

基准 - 测量所有原料粉体和混合物流动特性以确定其流动性是否有区别,是否符合车间操作经验。

新物料 - 测试新成分/混合物与已有成分/混合物以确定替代物料更容易还是更难处理。做购买决定时,可把潜在物料处理成本作为一个考虑因素。

逆向工程 - 就既定生产线粉体而言,如果您具备车间操作经验,您可使用粉体流动测试仪来测定每种流体的流动特性,并将此作为测定后续批次粉体流动性的参考。

设计 - 为确保流动的稳定性,需为料斗/筒仓设计几何结构(会聚角和出口尺寸)。 

 

显示流动函数测试结果的替代方法

如要显示粉体流动性,流动函数可以图表形式呈现(如图5所示)来表示0.3kPa~13kPa应力范围内的特性。应力范围表示中小型筒仓中的粉体所流经的范围。然而,用函数表示流动性可能会使分析复杂化,因为有时可找出在彼此间流动的两种不同物料的流动函数,以便相应排名随应力水平而变化。另外,特定应力水平流动性排名可通过计算下列参数来确定。

预估临界拱架直径[米]:采用图2b中的拱架方程式计算可实现整体流稳定流出的最小筒仓出口尺寸。应力值是an ff =1.4线流动函数的截距。这是默认流动因子设置,但用户可在1.0~1.8范围内调整,用于筒仓设计应用。

预估临界“鼠孔”直径[米]:最小出口直径,以防止在核心流容器中形成一个稳定的“鼠孔”。采用图2a中的鼠孔方程式计算出口直径。应力值是ff =2.5线流动函数的截距,可由用户设置为任何应力水平。

流动指数:从流动函数的起点至终点的线条斜率,一般在0.1~1.0范围内。该指标可对大于一米厚度的粉体施加中等压缩应力时所测得的物料特性进行比较。

流动截距:匹配线性破坏函数的截距,无侧限破坏强度轴显示以kPa为单位的数值。它给出一个数字,反应在某种压缩应力下的粉体流动性,通常小于0.15米粉体深度。

请注意时间固结流动函数测试可使用户检查物料的韧性是否在长期贮存期间得以增加。

 

壁面摩擦测试

壁面/粉体界面摩擦动作对在容器、筒仓、料斗中的应力分散影响显著。

壁面摩擦越大,向下流经筒仓/容器/容器壁的粉体重量越重,而不是压缩下方的散体。摩擦越小,通过散体传送的粉体自重越大。“Janssen效应”如图6所示,显示了壁面摩擦从零增加较大数值400时筒仓垂直部分内的垂直压力是如何变化的。存在壁面摩擦对随深度而增加的压力有一种负反馈影响,因此,一般情况下,深度约为4倍容器直径时,应力达到恒定值。

 

 

根据容积密度ρ、壁面摩擦wall friction symbol、内部摩擦和容器直径 D,用软件估算容器中的压力。方程式给出了深度为Z时的主要固结压力&标准差1:

壁面摩擦角wall friction symbol表示为使粉体滑动、因倾斜而与壁表面形成的角。壁面摩擦角一般在10~45度之间。壁面摩擦角也称为斜槽角。

 

 

壁面摩擦角也称为斜槽角。

壁面摩擦测试结果可以壁面破坏轨迹图表形式显示,如图8a所示(表示粉体在壁面可支撑的有限剪切应力),或者以壁面摩擦角函数形式显示,如图8b所示(表示壁面摩擦角如何随应力减小而改变),使用下列四个流动指数(源自壁面摩擦轨迹)其一一般就足够。壁面破坏特性是:

 

 

对于圆锥或平面料斗,θcθp =  =最大整体流料斗半角(测量垂直)。

wall friction symbol=最大壁面摩擦角,以确定重力流最小斜槽角(参见表8b)。

梯度=显示为系数的最大壁面摩擦角。

cw = 在零法向应力下,可在壁面支撑的以kPa为单位的壁面内聚剪切应力(参见图8a)。这决定了“粘性”,即在接近于零的应力下,粉体可能会粘附到壁面,即粉体会在排出点/转运点周围的斜槽壁面上累积。

扩展壁面摩擦测试可使壁面样品经受较大程度的剪切位移(近似30米),以确定粉体长期在壁面累积是否可预料。

 

容积密度测试

这是粉体自重,当流动时或生产线/筒仓等处于静态时,其容积密度对作用于粉体上的应力进行控制。流动函数测试和壁面摩擦测试可测得容积密度(需计算临界出口尺寸),而在独立单点测试也可测得容积密度。

容积密度通常显示为容积密度曲线(图9)。一般情况下,自由流动的物料不能压缩-因此会显示应力密度稍有增加。通过比较,非常粘着且流动性较差的散体会显示容积密度随着应力升高而显著增加。

 

 

ρ填充 = 粉体倒入容器时可预计的填充容积密度

ρ压缩 = 如果物料被倾倒和压缩至高应力,压缩容积密度指示容积密度可预计

 

总结

Brookfield粉体流动测试仪可进行四种标准测试:

流动函数测试 - 测定内部强度、流动函数、内部摩擦函数和容积密度函数-用于定性流动强度和粉体拱架/鼠孔可能性。

时间固结流动函数测试 - 同上,但是沿用静态存储器,用户可自定义时间段。

壁面摩擦测试 - 测定粉体和既定壁面之间的摩擦以及容积密度函数-用于评估整体流料斗半角和重力流动斜槽角。

容积密度测试- 测定粉体容积密度曲线。

请注意,如要进行满筒仓设计,需要用户运行并结合测试1、2、3的结果。


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