Гранулометрический состав
Распределение частиц по размерам описывает, как доли совокупности частиц распределяются по различным размерным классам. Это один из основных показателей дисперсных систем — будь то порошки, суспензии или эмульсии — и иногда его также называют распределением по размеру зерен.
Узкое распределение частиц по размерам наблюдается, когда большинство частиц имеют одинаковый размер. Такие порошки, как правило, не пылятся и обладают хорошими сыпучестью и транспортируемостью — например, при быстрых процессах розлива (например, при производстве чайных пакетиков, саше или капсул) или при адаптивных производственных процессах. Также растворимые продукты, как правило, агломерированы и имеют узкое распределение, чтобы обеспечить быстрое оседание, диспергирование и растворение.
Широкий диапазон распределения частиц, напротив, характеризует сыпучие материалы с сильно различающимися размерами зерен. Такая гетерогенность является преимуществом, когда материалы должны уплотняться или агломерироваться — например, в порошковой металлургии, в производстве высокотехнологичной керамики или в процессах, требующих высокой насыпной плотности и сжимаемости.
Распределение частиц по размерам влияет на многие технологические свойства: текучесть и транспортируемость, удельную поверхность, реакционную способность, абразивность, поведение при сушке и осаждении, растворимость, вкусовые качества, склонность к агломерации и многое другое.
Методы измерения:
Классическим методом определения является анализ остатка на ситах. Современные методы, такие как лазерная дифракция, анализ изображений, динамическое светорассеяние или анализ осаждения, предоставляют подробную информацию о количественном, объемном или массовом распределении.
Современные датчики in-situ позволяют сегодня проводить измерения в реальном времени непосредственно в технологической зоне — в движущемся слое сыпучего материала смесителя, в процессах непрерывного измельчения или в агломераторах. Таким образом, можно целенаправленно настраивать и контролировать целевое распределение.
Формы представления:
Распределения размеров частиц часто представляются графически, с эквивалентным диаметром по оси x и мерой количества (доля по массе, объему или количеству) по оси y.
- Гистограммы (q-распределения) показывают относительные доли отдельных классов размеров.
- Кумулятивные кривые (Q-распределения) подходят для определения процентилей.
- Логарифмические шкалы облегчают представление больших диапазонов размеров.
В цементной и дробильной технике широко распространено представление по методу Розина-Раммлера или Розина-Раммлера-Сперлинга-Беннетта (RRSB). Благодаря своей линеаризованной форме она позволяет быстро сравнивать различные процессы измельчения.
Многие природные или полученные в технологическом процессе порошки демонстрируют статистическое сходство распределения размеров частиц с гауссовой колоколообразной кривой. Плотность вероятности нормального распределения описывается следующим образом:
f(x) = (1 / (x σ √(2π))) exp(- ((ln x - μ)² / (2σ²)))
- f(x): плотность вероятности (частота) при размере частиц x
- x: диаметр частиц [мкм, мм]
- μ: среднее значение логарифма диаметра (параметр положения)
- σ: стандартное отклонение логарифма диаметра (параметр рассеяния)
- ln: натуральный логарифм
- e: число Эйлера (≈ 2,718)
- π: число Пи (≈ 3,14159)
Практический пример:
При производстве детского питания, помимо распределения частиц по размеру, важную роль играют также пористость и прочность частиц. Метод распылительной сушки позволяет получить пористые агломераты, которые смачиваются подходящими эмульгаторами. При этом для обеспечения удобства упаковки и использования потребителем решающее значение имеет низкое содержание пыли в продукте.
Процесс распылительной сушки способствует прилипанию подходящих эмульгаторов к частицам. При обращении с продуктом следует учитывать, что пыль является нежелательной. Пыль не только мешает процессу приготовления у конечного потребителя. Пыль также представляет собой проблему для уплотнения упаковки. Высокоэффективные уплотнительные прокладки обеспечивают длительную герметичность только в том случае, если они наносятся без пыли. Для высококачественных сыпучих материалов распределение частиц по размеру, как правило, указывается в спецификации и в этом смысле является важным параметром качества.
Чем выше качество сыпучего материала, тем важнее его рецептура — при этом распределение частиц по размеру играет ключевую роль.