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Apr 02, 2023

Verbesserung des linearen Flusses feiner Körnchen durch Zugabe länglicher Partikel

Wissenschaftliche Berichte Band 5,

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 16071 (2015) Diesen Artikel zitieren

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Sanduhren werden aufgrund ihrer konstanten Strömungsgeschwindigkeit seit Tausenden von Jahren zur Zeitmessung verwendet. Mittlerweile erregen sie jedoch aufgrund ihrer erheblichen wissenschaftlichen Bedeutung und umfangreichen industriellen Anwendung Aufmerksamkeit. Es wird angenommen, dass das Vorhandensein länglicher Partikel in einem binären Granulatsystem zu einer unerwünschten Strömung führt, da ihre Form einen größeren Strömungswiderstand impliziert. Unsere Experimente zeigen jedoch, dass die Zugabe von länglichen Partikeln die Flussschwankungen von Feinkörnern erheblich reduzieren und einen stabilen linearen Fluss ähnlich dem in einer Sanduhr erzeugen kann. Auf der Grundlage experimenteller Daten und früherer Berichte zur Strömungsdynamik haben wir beobachtet, dass die lineare Strömung durch den „Nadelpartikeleffekt“ angetrieben wird, einschließlich Strömungsorientierung, reduzierter Agglomeration und lokaler Störung. Dieses Phänomen wird in mehreren binären Granulatsystemen beobachtet, darunter feine Granulatkörner und sekundäre längliche Partikel, was zeigt, dass unsere einfache Methode in großem Umfang zur genauen Messung von Granulatströmen in der Industrie eingesetzt werden kann.

Eine Sanduhr ist ein Zeitmessgerät, das auf einem konstanten Sandfluss1 beruht. Diese Geräte werden seit Tausenden von Jahren erforscht und stellen ein praktisches System dar, um spezifische Einblicke in grundlegende wissenschaftliche Fragen des Verhaltens von Granulatströmungen zu gewinnen. In Übereinstimmung mit dem Gedicht, in dem es heißt: „Eine Welt in einem Sandkorn sehen…“2 sind körnige Materialien in verschiedenen Prozessen wichtig und weisen viele eigenartige intrinsische Phänomene auf3,4,5,6. Im Prozess der granularen Untersuchungen der letzten zwei Jahrhunderte wurden die klassischen Phänomene7,8 und typische experimentelle Arbeiten9,10 hauptsächlich mit groben und kohäsionslosen Partikeln in Verbindung gebracht, deren Durchmesser mehr als mehrere hundert Mikrometer betragen. Es gibt jedoch immer mehr Hinweise darauf, dass der weitverbreiteten Anwendung feiner Körnchen in fast allen Bereichen unseres Lebens mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden sollte. Beispielsweise werden feinkörnige lineare Strömungen wie die einer Sanduhr in der Lebensmittelproduktion, der Chemietechnik und der pharmazeutischen Herstellung verwendet, um die Qualität des resultierenden Produkts direkt zu steuern.

Dennoch bleibt die Granulatströmung ein kompliziertes wissenschaftliches Problem. Zahlreiche ungelöste Strömungsmechanismen erfordern umfangreiche Untersuchungen12,13,14. Die in der Sanduhr beobachteten Schwingungsphänomene wurden durch Experimente und numerische Simulationen bestätigt15,16 und werden auf Luft-Feststoff-Wechselwirkungen und spontane Sandorganisation zurückgeführt. Die Strömungsschwankungen im Zusammenhang mit Strömungsparametern wie Porosität, Koordinationszahl, Geschwindigkeitsgröße und Spannung17 wurden mithilfe eines diskreten 2D-Modells quantitativ untersucht und drei Regime in der Sanduhr18 wurden aus Untersuchungen zum Einfluss einer interstitiellen Flüssigkeit auf den Granulatausfluss ermittelt. Vivanco et al.19 haben Geschwindigkeitsschwankungen einem intermittierenden Netzwerk aus Bögen und starken Kraftketten zugeschrieben. Starke Kräfte zwischen den Teilchen bilden auf natürliche Weise eine inhomogene Verteilung fadenförmiger Kraftketten20,21. Darüber hinaus bilden Kraftketten, die sich entlang einer Partikelkette ausbreiten, wahrscheinlich einen Bogen, der einem bestimmten Druck standhalten und eine feste Bewegung verhindern kann22,23. In Bezug auf die Blockierungsübergänge eines körnigen Systems haben Majmudar24 und Valverde25 ein Potenzgesetzverhalten zwischen der Spannung und dem Volumenanteil beobachtet und berichtet, dass die Wahrscheinlichkeit einer körnigen Blockierung mit zunehmendem Verhältnis zwischen Auslassdurchmesser und Partikelgröße abnimmt26.

Es hat sich gezeigt, dass Belüftung und Vibration27 den feinkörnigen Fluss verbessern. Es wird allgemein angenommen, dass das Vorhandensein nadelartiger Partikel in einer binären Granulatmischung die Fließfähigkeit negativ beeinflussen könnte, da nadelartige Formen einen hohen Mobilitätswiderstandsfaktor aufweisen. In diesem Brief berichten wir, dass die Zugabe nadelförmiger Partikel zu einem feinen Pulver zu einem linearen Fluss führt, der dem einer Sanduhr ähnelt; Außerdem klären wir systematisch den Übergangsmechanismus auf. Dieses kontraintuitive Ergebnis bietet uns die Möglichkeit, Pionierarbeit auf diesem Gebiet zu leisten.

Für verschiedene binäre Granulatsysteme sind die Gewichtsverlustkurven als Funktion des Massenanteils der länglichen Partikel (w) in Abb. 1a, c, e dargestellt. Die Form der Kurven geht mit zunehmendem W allmählich von terrassenartig zu linear über, und der beste lineare Fluss wird bei etwa 10–15 Gew.-% beobachtet. Das Auftreten einer diskontinuierlichen Strömung weist darauf hin, dass es während der Strömung eine periodische Zeit gibt. In vielen Fällen gibt es Geschwindigkeitsnullpunkte, die dem Wölbungszustand1 entsprechen. Im Gegensatz zu einer Flüssigkeit ist die Fließgeschwindigkeit bis auf die letzten Zentimeter unabhängig von der Betthöhe. Die Zugabe von Nadelpartikeln verbessert die Linearität der Gewichtsverlustkurve während des gesamten Entladevorgangs. Mit zunehmendem w nehmen die Schwingungsamplitude und die sequentielle Periodizität ab (Abb. 1b). Die Zeitreihe der schwankenden Durchflussrate in Abb. 1 zeigt, dass mit der Zunahme von w eine geringe Schwankungsgeschwindigkeit und eine lineare Schwerelosigkeitskurve erhalten werden. In Abb. 2a nimmt der Grad der Linearität der körnigen Strömung (δ) bei Zugabe von Reisstroh schnell ab, was dem Übergang der Strömung von Instabilität zu Kontinuität entspricht, entsprechend ihrer Schwerelosigkeitskurve. Darüber hinaus ähnelt der Trend der Schwankungsintensität (I) dem von δ, dessen Minimalwerte jeweils etwa im Bereich von 10 bis 15 % liegen. Dieses Ergebnis bedeutet, dass der Granulatfluss unter der optimierten Zugabemenge dem in einer Sanduhr ähnelt, die häufig als Methode zur Messung des Zeitablaufs verwendet wird. Die verringerte Fluktuation weist auch auf einen stetigen Granulatfluss hin.

Die Fließverhaltenskurven verschiedener binärer Granulatsysteme aus einer Apertur von D0 = 32 mm.

(a) Die Verlustgewichtskurven der Mischung aus Glasperlen und säulenförmigen Partikeln, (b) Die Fluktuationsgeschwindigkeit der Mischung aus Glasperlen und säulenförmigen Partikeln, (c) Die Verlustgewichtskurven der Mischung aus Kohle und säulenförmigen Partikeln, (d) Die Fluktuationsgeschwindigkeit von Mischung aus Kohle und säulenförmigen Partikeln, (e) Die Verlustgewichtskurven von Mischungen aus Kohle und Reisstroh, (f) Die Fluktuationsgeschwindigkeit der Mischung aus Kohle und Reisstroh.

Die Fluktuationsparameter als Funktion des Massenanteils der Nadelpartikel.

(a) δ vs. w, (b) I vs. w.

Interessanterweise stellen wir fest, dass das Phänomen für mehrere binäre Granulatsysteme beobachtet wird, was es uns ermöglicht, konstitutive Beziehungen zu extrahieren. Ein detaillierter Vergleich zeigt, dass die Zugabe von Nadelpartikeln zu einem kohäsiven Pulver die lineare Strömungsdynamik verbessert. Diese Beobachtung könnte ein universelles Phänomen sein.

Die Zugabe von länglichen Partikeln zu einem feinen Pulver wirkt sich positiv auf den linearen Fluss der feinen Partikel aus und der beste lineare Fluss wird bei einem Gehalt an länglichen Partikeln von etwa 10–15 Gew.-% beobachtet. Dieses Phänomen wird aufgrund der Beobachtung und der nadelartigen Form der Sekundärpartikel als „Nadelpartikeleffekt“ bezeichnet. Von mikroskopischen bis hin zu makroskopischen Granulatsystemen analysieren wir theoretisch und experimentell den Mechanismus des Nadelpartikeleffekts auf der Grundlage der verringerten Agglomeration, der Nadelpartikelorientierung und des makroskopischen Strömungsmusters.

Mit zunehmendem w haften die feinen Partikel aufgrund der Kräfte zwischen den Partikeln an den Nadelpartikeln (Abb. 3). Bei der Bildung großer Partikel verringert sich der interpartikuläre Zusammenhalt, was wiederum zu einer Verringerung der Kontaktkräfte führt. Währenddessen strömen die Nadelpartikel in einer gleichmäßigen vertikalen Ausrichtung, in Übereinstimmung mit der Strömungsrichtung in der Nähe des Trichterauslasses, und vermeiden so den Bogen aufgrund mechanischer Wechselwirkungen (Abb. 4). Auf mikroskopischer Ebene werden die Flussschwankungen des kohäsiven Pulvers hauptsächlich durch ein intermittierendes Netzwerk aus Bögen und komplexen Kraftketten gesteuert28. Aufgrund ihres großen Seitenverhältnisses und ihrer Ausrichtung besitzen Nadelpartikel eine Störungslänge und ihre Hin- und Herschwingung könnte die Spannungsübertragung gleichmäßiger machen21. Wir argumentieren, dass die Spannungsübertragung durch eine Kombination aus gleichmäßiger Ausrichtung und effektiver Packung entsteht. Aufgrund ihrer nadelartigen Form verhalten sich die Partikel wie Fasern, die weit über das binäre Granulatsystem verteilt sind. Jedes Nadelpartikel ist analog zu einem Spannungsmagneten, der aufgrund seiner ähnlichen Spannungsrichtung mehr feine Partikel anzieht. Daher ist die Rolle von Nadelpartikeln in einem Feinpulversystem vergleichbar mit der Rolle eines Polizisten bei der Bewältigung eines Verkehrsstaus.

Bilder von Agglomerations- und Adhäsionszuständen.

(a) pulverisierte Kohle, (b) feine Kohle haftet auf der Reisstrohoberfläche, (c) Glasperlen, (d) feine Glasperlen haften auf dem säulenförmigen Partikel.

Die Ausrichtung der Nadelpartikel bei der Entwicklung des körnigen Strömungsmusters.

(a) im stationären Zustand, (b) Fließzustand nach 0,5 Sekunden.

Unsere Arbeit enthüllt eine weitere überraschende Beobachtung: Die Strömung wird im Bereich verstärkt, wobei b die Breite der Nadelpartikel und d der Durchmesser der Wirtspartikel ist. Wenn der Nadelpartikeldurchmesser abnimmt, verringert sich die Störungsoberfläche und die Komplexitätskraftkette wird intensiviert, wodurch die Strömungswiderstandskraft zunimmt. Bei großen Nadelpartikeln sollte das Fließgranulatsystem aufgrund des Dimensionseffekts das Kriterium erfüllen (wobei D der Innendurchmesser des Trichters und D0 der Auslassdurchmesser ist).

Um den Übergang des Strömungsmusters quantitativ zu charakterisieren, wird die Agglomerationsstärke (σp) eingeführt, um den Grad der Clusterbildung anzuzeigen; σp ist definiert als , wobei ε die Porosität des Granulatsystems, F die Kraft zwischen den Partikeln und d der Kohlepartikeldurchmesser ist. Bemerkenswerterweise ist d der Korndurchmesser nach der Adhäsion aufgrund der vertikalen Ausrichtung und der geringen Anzahl von Nadelpartikeln. In unserer vorherigen Arbeit haben wir die folgende Gleichung abgeleitet: wobei c die Kohäsionsfestigkeit ist, die mit einem FT-4-Pulverrheometer gemessen werden kann, und A die Querschnittsfläche eines horizontalen Abschnitts ist. Somit kann σp ausgedrückt werden als . Hier wird die Abnahme von σp hauptsächlich auf das Eindringen und Anhaften länglicher Partikel zurückgeführt. Wenn der Massenanteil einen bestimmten Wert überschreitet, nehmen aufgrund der erhöhten mechanischen Wechselwirkungen sowohl die Kohäsion als auch der Durchmesser zu. Somit führt der kombinierte Effekt zu einer kleinen Änderung von σp. Die quantitativen Ergebnisse in Abb. 5 stimmen mit der vorherigen Diskussion des Strömungsverhaltens überein.

σp als Funktion von w.

Der vorherrschende Mechanismus, der zum instabilen Ausstoß von kohäsivem Pulver führt, ist eine multi-alternative Bogenbildungsstufe und eine Bruch-Bogenbildungsstufe; Das heißt, das Vorhandensein einer oszillierenden Strömung wird durch Instabilitätsbögen erzeugt. Abbildung 6 gibt einen Überblick über dieses Phänomen. Aufgrund seiner starken Bindungen zwischen den Partikeln neigt das feine Pulver dazu, in der Nähe des Trichterauslasses einen Bogen zu bilden, der einer gewissen Belastung standhalten kann. Dieser Bogen kann aufgrund seines Gewichts und aufgrund der Belastung durch die darüber liegenden Partikel brechen. Der Oszillationsprozess ist die direkte Ursache für die instabile Strömungsgeschwindigkeit, die den Ergebnissen in Abb. 6a17,19 entspricht. Die Zugabe von Nadelpartikeln könnte die Kraftintensität effektiv verringern und dadurch den Bogen zertrümmern, um einen kontinuierlichen Fluss zu erzeugen. Wenn die Konzentration an Nadelpartikeln hoch ist, können mechanische Wechselwirkungen eine wesentliche Rolle beim Widerstand gegen den Granulatfluss spielen.

Der Vergleich zwischen Bogen- und Kontinuumsströmung für verschiedene Proben.

(a) Pulverisierte Kohle, (b) Kohle-Reisstroh-Mischung (15 Gew.-% Reisstroh).

Die Ergebnisse dieser Studie widersprechen der herkömmlichen Annahme, dass Nadelpartikel ein unerwünschtes Strömungsverhalten erzeugen, da ihr großes Seitenverhältnis zu mechanischen Effekten führt. Interessanterweise kann durch die optimierte Zugabe von Nadelpartikeln das Fließverhalten feiner Pulver effektiv verbessert werden, was zu einer linearen Strömung im Trichter führt. Wie in Lit. beschrieben. Dreiminütige Druckschwankungen können in einer Sanduhr vorübergehend zum Stillstand des Flusses führen. Wir gehen davon aus, dass in einem unbeschränkten Trichter die verminderte Agglomerationsstärke und Strömungsorientierung durch den linearen Fluss feiner Körnchen reguliert werden könnte. Die Adhäsion feiner Partikel und die vertikale Ausrichtung der Nadelpartikel erzeugen eine geringe Kohäsionskraft, die die Wahrscheinlichkeit von Wölbungs- und Verklemmungserscheinungen verringert. Das Eindringen von Nadelpartikeln in das dichte kohäsive Pulver könnte den Instabilitätsbogen weiter aufbrechen und zu einem stabilen Fluss führen. Die verringerte Agglomerationsstärke liefert einen intuitiven Beweis für den Übergang vom intermittierenden Fluss zum kontinuierlichen Fluss. Aufgrund unserer Ergebnisse und der in der Literatur27 dargelegten Beweise kommen wir daher zu dem Schluss, dass die Zugabe von Nadelpartikeln die Fließlinearität feiner Körnchen wirksam verbessern kann. Basierend auf unseren bisherigen Untersuchungen verschlechtern sich die Strömungseigenschaften aufgrund starker mechanischer Effekte, wenn der Wert w der sekundären Nadelpartikel einen angemessenen Bereich überschreitet. Um das erforderliche Fließverhalten zu erreichen, sollte daher eine moderate Zugabe von Sekundärpartikeln erfolgen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Zugabe einer kleinen Menge Nadelpartikel zu einem kohäsiven Pulver den linearen Fluss ähnlich wie in einer Sanduhr verbessert. Aus praktischer Sicht könnte diese Arbeit aufgrund der weit verbreiteten Verwendung von Granulatströmen und der Bedeutung der Fließfähigkeit in Produktionsanwendungen weit verbreitet sein. Für den Übergang vom intermittierenden Fluss zum kontinuierlichen Fluss haben wir den dominanten Mechanismus aufgedeckt. Anstelle von Belüftung und mechanischen Methoden verbessert die Zugabe von Sekundärpartikeln den stabilen Fluss aufgrund ihrer Inertheit gegenüber chemischer Umwandlung. Am wichtigsten ist, dass dieser Ansatz bei der Herstellung von Arzneimitteln angewendet werden könnte, die genaue Messungen erfordern, was einen neuen Ansatz zur Vervollständigung des granularen theoretischen Rahmens eröffnet.

Um den Nadelpartikeleffekt zu bestätigen, wählten wir Kohlenstaub, feine Glasperlen, Reisstroh und eine Säule aus PVC. Die Sauter-Durchmesser der Kohle- und Glasperlen betrugen 22,1 μm bzw. 17,9 μm. Die Seitenverhältnisse des Reisstrohs und der Säule betrugen 4,31 und 5,39 und ihre Breiten betrugen 325 μm bzw. 395 μm. Da der Feuchtigkeitsgehalt ein Schlüsselfaktor für die Fließeigenschaften eines Pulvers ist, wurde der Feuchtigkeitsgehalt des Versuchsmaterials auf weniger als 2 % kontrolliert, gemessen mit einem MA150-Infrarot-Feuchtigkeitsmessgerät.

Das Versuchssystem (Abb. 7) bestand aus einem transparenten Trichter, einem Wiegesensorsystem und einer Hochgeschwindigkeitskamera. Die Experimente wurden unter der Voraussetzung durchgeführt, dass der Granulatfluss stetig und kontinuierlich war. In unserer vorherigen Studie wurde durch die Untersuchung der Schwerkraftentladung gezeigt, dass der Trichter den experimentellen Standard erfüllt. Seine Strukturparameter waren wie folgt: ein Säulendurchmesser von 150 mm, ein Kegel mit einem halben Öffnungswinkel von 15°, ein Auslassdurchmesser von 32 mm und eine Höhe von 220 mm. Um die klare Nadelpartikelorientierung zu erfassen, wurden ein zweidimensionaler Trichter (Breite 1,5 cm) und eine Hochgeschwindigkeitskamera verwendet. Die Breite des Trichters betrug das Fünffache der längsten Länge der Nadelpartikel, wodurch aufgrund des Dimensionseffekts eine vertikale Ausrichtung der Partikel vermieden wurde. Um die Stabilität der Austragsmenge zu analysieren, wurde ein dynamisches Online-Gewichtssystem verwendet, um die Gewichtsänderung des Trichters aufzuzeichnen. Die Daten können verwendet werden, um eine Massenschwankungskurve zu erstellen. Mikrobilder der Mischungen wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen, um das Auftreten von Adhäsion zu bestätigen.

Das schematische Diagramm des experimentellen Systems.

Um die Schwankungen des Granulatflusses genau zu quantifizieren, kann die durchschnittliche Flussrate geschrieben werden, wobei m das Gesamtgewicht der Proben und t die Flusszeit ist. Der Grad der Linearität (δ) ist definiert als , wobei Δmmax die maximale Abweichung zwischen der momentanen Masse und der linearen Masse ist. Die Momentangeschwindigkeit (Wt) ist definiert als , wobei mi und ti die momentane Masse bzw. Zeit sind. Die Fluktuationsgeschwindigkeit (W′) kann berechnet werden durch . Um die Strömungsstabilität zu quantifizieren, kann die Schwankungsintensität (I) ausgedrückt werden als .

Kohäsion (c) entspricht dem Schnittpunkt des Fließortes auf der Schubspannungsachse, der sich häufig aus dem Widerstand durch das gegenseitige Beißen von Körnchen und der kombinierten Wirkung von Kondensation und Kolloiden zusammensetzt. Es kann nach dem Schertest erhalten werden.

Zitierweise für diesen Artikel: Guo, Z. et al. Verbesserung des linearen Flusses feiner Körnchen durch Zugabe länglicher Partikel. Wissenschaft. Rep. 5, 16071; doi: 10.1038/srep16071 (2015).

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Die Autoren danken dem National Key Technologies R&D Program (2012BAA09B02) und dem Program for New Century Excellent Talents in University (NCET-12-0854).

Schlüssellabor für Kohlevergasung und Energiechemie des Bildungsministeriums, Ostchinesische Universität für Wissenschaft und Technologie, Postfach 272, Shanghai, 200237, VR China

Zhiguo Guo, Xueli Chen, Yang Xu und Haifeng Liu

Shanghai Engineering Research Center of Coal Gasification, East China University of Science and Technology, PO Box 272, Shanghai, 200237, VR China

Zhiguo Guo, Xueli Chen, Yang Xu und Haifeng Liu

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HFL und XLC konzipierten und gestalteten Experimente. ZGG und YX führten die meisten Experimente durch und analysierten die Daten. Alle Autoren trugen zur Diskussion der Ergebnisse und zum Verfassen des Manuskripts bei.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Guo, Z., Chen, X., Xu, Y. et al. Verbesserung des linearen Flusses feiner Körnchen durch Zugabe länglicher Partikel. Sci Rep 5, 16071 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16071

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Eingegangen: 19. November 2014

Angenommen: 06. Oktober 2015

Veröffentlicht: 09. November 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16071

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