Segregacja

Segregacją nazywamy rozdzielanie się materiałów sypkich, proszków lub granulatów, które może wystąpić po procesie mieszania lub podczas transportu, przechowywania lub przenoszenia. Cząstki oddzielają się od siebie ze względu na różne właściwości, takie jak wielkość, gęstość, kształt lub struktura powierzchni. Typowe mechanizmy segregacji to perkolacja (zwana również segregacją sitową), segregacja gęstościowa, segregacja inercyjna, a także segregacja spowodowana różnicami w kącie wysypu i płynności. Segregacja występuje często podczas napełniania silosów, wysypywania, transportu pneumatycznego lub w wyniku wibracji. Może ona znacznie wpłynąć na jednorodność produktu. Do opisu segregacji w proszkach stałych stosuje się zazwyczaj modele kinetyczne, modele mechaniki ciągłej oraz parametry empiryczne. Często stosowanym podejściem jest model adwekcji-dyfuzji-segregacji. Model ten opisuje współdziałanie ukierunkowanego rozdzielania i przeciwbieżnego mieszania.

∂c/∂t = − ∇· (v_s c) +∇·(D_(eff) ∇c)

Gdzie c oznacza lokalne stężenie frakcji cząstek, v_s prędkość segregacji, a D_(eff) efektywny współczynnik dyspersji. Wyrażenie −∇·(v_s c) opisuje ukierunkowane rozdzielanie, na przykład w wyniku perkolacji lub działania siły grawitacji. Wyrażenie ∇·(D_(eff) ∇c) oznacza mieszanie wyrównawcze wynikające z losowego ruchu cząstek.

W przypadku segregacji opartej na wielkości, w której mniejsze cząstki przeciekają przez większe, często przyjmuje się zależność proporcjonalną.

v_s = k · g · (Δd/d_m) ; Δd = d_g−d_k)

Gdzie v_s oznacza prędkość segregacji, g przyspieszenie ziemskie, d_g średnicę dużych cząstek, d_k średnicę małych cząstek, Δd różnicę wielkości ziaren, d_(średnia) charakterystyczną średnią średnicę, a k empiryczny współczynnik proporcjonalności.

W przypadku segregacji gęstościowej można sformułować analogicznie:

v_s ∝ g ((ρ_s − ρ_L)/ρ_L)

Gdzie ρ_s to gęstość cząstek stałych, a ρ_L to gęstość otaczającej fazy. Zależność ta odpowiada analizie siły wyporu cząstek. Do ilościowej oceny rozdzielania często definiuje się wskaźnik segregacji.

S = σ / σ_(max)

Gdzie σ to odchylenie standardowe stężenia, a σ_(max) to maksymalne możliwe odchylenie standardowe. Gdy S = 0, mamy do czynienia z mieszaniną idealną, a gdy S = 1 – z całkowitą segregacją. W przypadku swobodnie płynących materiałów sypkich w warstwach nachylonych często stosuje się model Graya-Thorntona.

∂c/∂t +∇·(c · u) + ∂/∂z (w_s · c · (1 - c)) = ∇·(D · ∇c)

Gdzie u to średnia prędkość przepływu, w_s to charakterystyczna prędkość segregacji, a D to współczynnik dyfuzji.

Wyrażenie w_s c (1 − c) opisuje nieliniowy przepływ segregacyjny, jaki występuje w granulacyjnych przepływach lawinowych.

W praktyce przemysłu materiałów sypkich segregacja powstaje zazwyczaj w wyniku współdziałania kilku mechanizmów.

• perkolacja,
• różnice gęstości,
• separacja trajektorii,
• fluidyzacja wywołana powietrzem oraz
• przepływy przyścienne i brzegowe.

W związku z tym praktyczne próby mieszania i napełniania często dostarczają bardziej wiarygodnych wyników niż modele czysto teoretyczne, zwłaszcza w przypadku proszków kohezyjnych, których właściwości płynięcia są zmienne. Firma Amixon GmbH oferuje możliwości przeprowadzania testów w dobrze wyposażonych laboratoriach w Niemczech, Indiach, Japonii, Chinach, Korei, Tajlandii i Stanach Zjednoczonych.