Стратификация, сегрегация и смешивание гранулированных материалов в квази-2D ограниченных сыпучих массах

Исследование посвящено трем наблюдаемым в промышленности состояниям частиц би-дисперсных смесей – стратифицированному (слоистому), сегрегированному и смешанному – при заполнении квази-двухмерных бункеров. Посчитано больше контрольных параметров, чем в предыдущих исследованиях.Если граница слоистого и неслоистого состояния зависит от скорости двухмерного потока, то переход от сегрегации в смешанное состояние – от скорости возрастания сыпучей массы, и критическая скорость перехода сильно зависит от соотношения частиц.

Движение потока сыпучей массы происходит разными способами, например, когда материал верхнего слоя падает вниз через слой толщиной в несколько диаметров частиц. Смеси частиц различной формы и распространяются неоднородно. Более крупные частицы обычно текут вниз в результате сегрегации. В других случаях, большие и малые частицы образуют чередующиеся слои, или крупные и мелкие частицы остаются смешиваться.

Для понимания физических механизмов сегрегации Вильямсом и Драгуном, которые в результате эксперимента предложили механизм перколяции, в котором мелкие частицы преимущественно проваливаются через пустоты и накапливаются в центре сыпучей кучи, а большие частицы поднимаются к свободной поверхности. Шинохара разработал модель скрининга слоя на основе уравнения, включающего механизм перколяции. Исследование, выполненное для проверки модели экранирующего слоя, отражает особенности сегрегации сыпучей массы. Некоторые переменные в модели могут быть найдены путем подгонки экспериментальных данных, что ограничивает применимость этой модели.

Экспериментируя с расслоением в потоке сыпучей массы, Максе обнаружил, что, компоненты, отличающиеся по размеру и форме, образуют чередующиеся слои крупных грубых и мелких гладких частиц. Образование слоев связали с конкуренцией между размером сегрегации и формой сегрегации, и происходит только для смесей больших и маленьких частиц. Адаптирована модель континуума и клеточного автомата для проведения успешного расслоения. Согласно Бакстеру, расслоение может быть для различных гладких сферических частиц и существует смешанное состояние при отсутствии сегрегации, например, при высокой скорости потока подачи.

Конечные состояния сыпучей массы изучались ранее, не было представлено ни одно исследования, изучающее зависимость конечного распределения частиц в широком диапазоне параметров, таких как скорость подачи и полный размер частиц. В настоящем исследовании системно исследуется влияние этих параметров на переходы между состояниями.

Рисунок 1.

На рисунке 1 слева - вид сверху трехмерного бункера, здесь гранулированный материал падает вертикально вдоль его оси и проходит в радиальном направлении во всех направлениях к его наружной стенке. Здесь используется квази-двухмерная емкость, которая показана на рис.1 (справа). Она позволяет наблюдать распределения частиц. В квази-2D емкости, скорость потока является 2D скоростью потока q. Емкость заполняется в три этапа. I – неправильная начальная форма сыпучей массы. II – сыпучая масса под углом и растет в боковом направлении, пока она не достигнет торцевой стенки. Рассмотрим стадию III, где поперечно ограниченная сыпучая масса неуклонно растет с постоянной скоростью и длина проточного слоя L постоянна.

В статье представлено экспериментальное исследование сегрегации частиц, отличающихся размерами в квази-2D емкости с более широкими диапазонами параметров, чем в предыдущей работе. При постоянном соотношении диаметров частиц R переход из слоистого состояния в неслоистое и переход от сегрегации в смешанное состояние находятся под контролем. Представлены фазовые диаграммы для иллюстрации влияния параметров на эти переходы. Для нового понимание стратифицированного состояния в качестве ключевого параметра контроля сегрегации предложено безразмерное отношение скоростей - отношение скорости возрастания сыпучей массы к скорости перколяции частиц.

Далее описана экспериментальная установка и экспериментальные результаты, их обсуждение и выводы авторов.

Квази-2D емкость состоит из двух прямоугольных пластин 91×69×1,27см - стеклянной для наблюдения и алюминиевой для уменьшения электростатического заряда. Вертикальными стержнями между параллельными пластинами регулируют толщину зазора T и ширину W емкости. Сыпучие смеси подавались либо с края бункера, либо в середине. Для получения результатов использовались значения для W =22, 46, 69 и 91 см (последнее значение сравнимо для промышленных емкостей). Эффект Т на переход от сегрегации к перемешиванию пренебрегается при Т равном более четырем диаметрам частиц. Стратификация значительно зависит от Т, для всех экспериментов Т = 1,27 см.

Исследованы семь комбинаций размеров частиц натриево-кальциевого стекла с соотношением частиц R от 1,3 до 6,0. При превышении R=6,464 происходит спонтанная перколяция. Использовались разные цвета для выделения разных частиц. Для обеспечения поверхностных свойств цветных частиц, последние были приобретены у Зигмунда Линднера. Смеси в экспериментах состоят либо из металла красным или синим покрытием, либо из частиц с черной поверхностью. Испытания показали, что конечные состояния частиц нечувствительны к поверхности покрытия компонентов. Плотность частиц 2,59 г / см3.

Небольшой шнековый питатель подает равномерно перемешанную смесь крупных и мелких частиц в бункер, обеспечивая в широком диапазоне объемного расхода устойчивую скорость потока, которая регулируется частотой вращения двигателя и диаметром шнека. Выяснено, массовая доля двух компонентов разного размера частиц при выходе из питателя остается в 50:50. Для снижения электростатического эффекта на стеклянную стенку наносилась антистатическая аэрозоль. Проведены 400 опытов c варьированием параметров Q,W,T и R и со съемкой на камеру заполняющего и конечного состояния сыпучей массы.

Рисунок 2

Три конечных состояния наблюдали в опытах. В конце заполнения емкости остается тонкий поверхностный слой, который следует игнорировать. Для малых скоростей потока имеет место более выраженное расслоение [рис.2 (а)]. Расслоение состоит из параллельных слоев мелких и крупных частиц, сосуществуя с сегрегацией, где внизу по течению сыпучей массы содержатся в основном крупные частицы, а вверху - мелкие частицы. Расслоение слабеет и исчезает при q критической, после чего наблюдается полная сегрегация [рис. 2 (б)]. В этом состоянии 2 области: крупные частицы внизу по течению, вверху - несколько крупных частиц, рассеянных в море мелких. Граница между этими областями узкая. Т.к. q дополнительно увеличивается, область больших частиц сжимается и более крупные частицы остаются в восходящей части сыпучей массы. Ожидалось, что участок крупными частицами исчезнет и будет совершенное смешанное состояние в емкости, но оно не достижимо из-за ограничений экспериментальной установки в виде не полной ее заполняемости при высокой q. Вместо этого, в большинстве экспериментов получается узкая область больших частиц внизу потока сыпучей массы, а остальная ее часть хорошо смешана [рис.2 (с)].

По результатам экспериментов переход от расслоения, происходящего при низких q, к нестратифицированному состоянию зависит от q, а переход от сегрегации к смешанному состоянию зависит от скорости v_r нарастания сыпучей массы.

Выводы. Три различных состояния могут быть получены путем регулирования свойств текучести, q или v_r. Расслоение связано с периодическими обвалами при низких q при соотношениях размеров частиц (R> 1.4). Ширина емкости W или длина слоя L должны большими, чтобы искривление потока могло образовываться по склону во время обвала. Переход к нестратифицированному состоянию определяется q. При q переходному значению, осуществляется переход потока из периодического лавинного к непрерывному режиму с сегрегацией, без искривлений и расслоений. Степень сегрегации определяется взаимодействием адвекции основного потока и перколяции через текущий слой, характеризуется отношением v_r/v_p. При увеличении v_p осуществляется переход в смешанное состояние.

Три основных момента, которые исследование подчеркивает: (I) Расслоение частиц разных размеров наблюдается в широком диапазоне параметров, но ее динамика отличается от исследования Маске; (II) Другие механизмы играют важную роль в сегрегации: а) при малых R <1,5 при обычной диффузии; б) Для R ≈ 6.5 могут произойти спонтанные перколяции; (III) Когда частицы имеют достаточную скорость в момент удара или емкость не широкая, происходит сегрегация, отличная от обычной.

Исследовались только 2D конфигурации потока сыпучей массы. Необходима дальнейшая работа, чтобы подтвердить результаты и в 3D сыпучих массах. Автором было рассмотрено только конечное состояние и, но не переходное (образование сыпучей массы).