Łóżko proszkowe
Łóżko proszkowe to spoczywająca lub ruchoma warstwa cząstek proszku w zbiorniku lub na powierzchni. Powstaje, gdy cząstki układają się w stos pod wpływem grawitacji. Łóżko proszkowe może być eksploatowane w warunkach otwartych lub w środowisku gazoszczelnym, na przykład w atmosferze obojętnej. Może pracować pod ciśnieniem otoczenia, nadciśnieniem lub w próżni.
Cząstki tworzą przy tym porowate medium o określonej porowatości. Przez puste przestrzenie mogą przepływać gazy. W ten sposób może następować przenoszenie ciepła. Ponadto może zachodzić wymiana substancji.
ε = Vpustej przestrzeni/ Vcałkowitej
- Vpustki to objętość między cząstkami
- Vcałkowita to całkowita objętość złoża proszkowego
- ε to porowatość (udział objętości pustej, bezwymiarowa)
W złożu proszkowym można przeprowadzać wiele operacji technologicznych. Należą do nich na przykład mieszanie, suszenie, ogrzewanie, chłodzenie, reakcje, aglomeracja lub kalcynacja. Decydujące znaczenie ma to, że cząstki można traktować jako sypki materiał o właściwościach płynnych.
Łóżka proszkowe występują w instalacjach technologicznych w bardzo różnych formach. Przykładami są aparaty ze złożem fluidalnym, piece obrotowe, silosy z mieszaniem pneumatycznym, mechaniczne mieszalniki proszkowe, próżniowe suszarnie mieszające oraz instalacje do powlekania. W przypadku procesów produkcji addytywnej (topienie w złożu proszkowym) złoże proszkowe musi być na przykład niezwykle jednorodne.
W złożu fluidalnym złoże proszkowe jest fluidyzowane od dołu strumieniem gazu. Cząstki unoszą się wówczas w stanie quasi-płynnym i ulegają bardzo intensywnym procesom wymiany ciepła i masy. W piecach obrotowych złoże proszkowe jest mieszane przez obrót i poddawane obróbce termicznej na całej długości pieca.
W ujęciu makroskopowym warstwę proszkową można opisać za pomocą bilansów materiałowych i energetycznych. Lokalny przebieg temperatury można na przykład modelować za pomocą bilansu energetycznego z konwekcyjnym i kondukcyjnym wymianą ciepła. Przepływ przez porowatą warstwę można w przybliżeniu opisać za pomocą równań strat ciśnienia, takich jak równanie Erguna.
Δp = L · [150·(1−ε)2/ ε3·μ·u/(dp)2+1,75 (1−ε)/ε3·ρf·u2/dp]
- Δp to strata ciśnienia w złożu proszkowym
- L to długość złoża lub wysokość nasypu w kierunku przepływu
- ε to porowatość złoża (patrz wyżej)
- μ to lepkość dynamiczna płynu
- u to powierzchniowa (pozorna) prędkość przepływu
- dp to średnia średnica cząstek
- ρf to gęstość przepływającego płynu
Ważnym celem procesu jest uzyskanie możliwie najbardziej jednorodnego rozkładu parametrów w złożu proszkowym. Temperatura, wilgotność, skład i struktura cząstek powinny ostatecznie mieścić się w wąskich tolerancjach. Tylko wtedy można mówić o jednorodnym produkcie końcowym. Obróbkę proszku uznaje się za zakończoną dopiero wtedy, gdy złoże proszkowe stanowi taki produkt końcowy.