Rozkład wielkości cząstek

Rozkład wielkości cząstek opisuje, w jaki sposób cząstki w zbiorze rozkładają się na różne klasy wielkości. Jest to kluczowa charakterystyka układów dyspersyjnych – czy to proszków, zawiesin czy emulsji – i czasami określa się ją również jako rozkład wielkości ziaren.

Wąski rozkład wielkości cząstek występuje wtedy, gdy większość cząstek ma podobną wielkość. Takie proszki zazwyczaj charakteryzują się niską pyłowością i przekonują dobrymi właściwościami sypkości i transportu – na przykład w szybkich procesach napełniania (np. produkcja torebek herbaty, saszetek lub kapsułek) lub w adaptacyjnych procesach produkcyjnych. Również produkty instant są zazwyczaj aglomerowane i charakteryzują się wąskim rozkładem, aby zapewnić szybkie opadanie, dyspergowanie i rozpuszczanie.

Natomiast szeroki rozkład wielkości cząstek charakteryzuje materiał sypki o bardzo zróżnicowanej wielkości ziaren. Ta heterogeniczność jest korzystna, gdy materiały mają być zagęszczane lub aglomerowane – na przykład w metalurgii proszkowej, ceramice wysokowydajnej lub w procesach wymagających dużej gęstości nasypowej i ściśliwości.

Rozkład wielkości cząstek wpływa na wiele właściwości przetwórczych: właściwości płynięcia i transportu, powierzchnię właściwą, reaktywność, ścieralność, właściwości suszenia i sedymentacji, rozpuszczalność, wrażenie smakowe, zdolność do aglomeracji i wiele innych.

Metody pomiarowe:

Klasyczną metodą oznaczania jest analiza pozostałości po przesiewaniu. Nowoczesne metody, takie jak dyfrakcja laserowa, analiza obrazu, dynamiczne rozpraszanie światła lub analiza sedymentacji, dostarczają szczegółowych informacji na temat rozkładu liczby, objętości lub masy cząstek.

Zaawansowana technologia czujników in situ umożliwia obecnie pomiary w czasie rzeczywistym bezpośrednio w przestrzeni procesowej – w ruchomym złożu materiału sypkiego mieszalnika, w ciągłych procesach mielenia lub w aglomeratorach. W ten sposób można precyzyjnie ustawić i monitorować docelowy rozkład.

Formy przedstawienia:

Rozkłady wielkości cząstek są często przedstawiane graficznie, z średnicą ekwiwalentną na osi x i miarą ilościową (udział masowy, objętościowy lub liczbowy) na osi y.

• Histogramy (rozkłady q) pokazują względne udziały poszczególnych klas wielkości.
• Krzywe sumaryczne (rozkłady Q) nadają się do określania percentyli.
• Skale logarytmiczne ułatwiają przedstawianie dużych zakresów wielkości.

W technologii cementowej i rozdrabniania powszechne jest przedstawianie według Rosina-Rammlera lub Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta (RRSB). Dzięki swojej zlinearyzowanej formie umożliwia ona szybkie porównanie różnych procesów rozdrabniania.

Wiele proszków naturalnych lub wytworzonych w procesach technologicznych wykazuje statystyczne podobieństwo wielkości cząstek do krzywej dzwonowej Gaussa. Gęstość prawdopodobieństwa rozkładu normalnego opisuje się wzorem:

f(x) = (1 / (x σ √(2π))) exp(- ((ln x - μ)² / (2σ²)))

• f(x): gęstość prawdopodobieństwa (częstotliwość) dla wielkości cząstek x
• x: średnica cząstek [µm, mm]
• μ: średnia logarytmu średnicy (parametr położenia)
• σ: odchylenie standardowe logarytmu średnicy (parametr rozproszenia)
• ln: logarytm naturalny
• e: liczba Eulera (≈ 2,718)
• π: liczba pi (≈ 3,14159)

Przykład praktyczny:

W produkcji żywności dla niemowląt oprócz rozkładu wielkości cząstek ważną rolę odgrywają również porowatość i twardość cząstek. Proces suszenia rozpyłowego tworzy porowate aglomeraty, które są zwilżane odpowiednimi emulgatorami. W tym przypadku kluczowa jest jakość produktu o niskiej zawartości pyłu, aby zapewnić łatwość pakowania i przyjazność dla konsumenta.

Proces suszenia rozpyłowego sprzyja osadzaniu się odpowiednich emulgatorów na cząstkach. Podczas obsługi należy pamiętać, że pył jest niepożądany. Pył nie tylko utrudnia proces przygotowywania posiłku u konsumenta końcowego. Pył stanowi również problem dla zamknięcia opakowań. Wysokowydajne uszczelnienia zamknięć są trwale szczelne tylko wtedy, gdy są nakładane bez pyłu. W przypadku wysokiej jakości materiałów sypkich rozkłady wielkości cząstek są zazwyczaj określone i stanowią w tym zakresie ważne parametry jakościowe.

Im wyższa jakość materiału sypkiego, tym ważniejsza jest jego receptura – rozkład wielkości cząstek odgrywa tu kluczową rolę.