Сегрегация

Под сегрегацией понимается расслоение сыпучих материалов, порошков или гранул, которое может происходить после процесса смешивания или во время транспортировки, хранения или подачи. При этом частицы отделяются друг от друга из-за своих различных свойств, таких как размер, плотность, форма или поверхностные характеристики. Типичными механизмами сегрегации являются перколяция (также называемая ситовая сегрегация), сегрегация по плотности, сегрегация по инерции, а также сегрегация из-за различий в угле сypания и текучести. Сегрегация часто возникает при заполнении силосов, при сypании, при пневматической транспортировке или под воздействием вибраций. Она может значительно ухудшить однородность продукта. Для описания сегрегации в порошках твердых веществ обычно используются кинетические модели, модели континуумной механики и эмпирические параметры. Часто используемым подходом является модель адвекции-диффузии-сегрегации. Эта модель описывает взаимодействие направленного расслоения и противоположного перемешивания.

∂c/∂t = − ∇· (v_s c) +∇·(D_(eff) ∇c)

Здесь c обозначает локальную концентрацию фракции частиц, v_s — скорость сегрегации, а D_(eff) — эффективный коэффициент дисперсии. Член −∇·(v_s c) описывает направленное расслоение, например, в результате перколяции или под действием силы тяжести. Член ∇·(D_(eff) ∇c) отражает уравновешивающее перемешивание в результате случайного движения частиц.

При сегрегации, обусловленной размером, когда более мелкие частицы просачиваются сквозь более крупные, часто предполагается пропорциональная зависимость.

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

При этом v_s обозначает скорость сегрегации, g — ускорение свободного падения, d_g — диаметр крупных частиц, d_k — диаметр мелких частиц, Δd — разность размеров зерен, d_(среднее) — характерный средний диаметр, а k — эмпирический коэффициент пропорциональности.

В случае сегрегации, обусловленной плотностью, формула может быть сформулирована аналогично:

v_s ∝ g ((ρ_s − ρ_L)/ρ_L)

Здесь ρ_s — плотность твердых частиц, а ρ_L — плотность окружающей фазы. Эта зависимость соответствует рассмотрению гранулярной плавучести. Для количественной оценки расслоения часто определяется индекс сегрегации.

S = σ / σ_(max)

Здесь σ — стандартное отклонение концентрации, σ_(max) — максимально возможное стандартное отклонение. При S = 0 имеем идеальную смесь, при S = 1 — полную сегрегацию. Для свободно текущих сыпучих материалов в наклонных слоях часто используется модель Грея-Торнтона.

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

Здесь u — средняя скорость потока, w_s — характерная скорость сегрегации, а D — коэффициент диффузии.

Член w_s c (1 − c) описывает нелинейный поток сегрегации, подобный тому, который возникает в гранулярных лавинных потоках.

На практике в промышленности сыпучих материалов сегрегация обычно возникает в результате взаимодействия нескольких механизмов.

• перколяция,
• различия в плотности,
• сепарация по траектории движения,
• воздухоиндуцированная флюидизация, а также
• потоки у стенок и в приграничных зонах.

В связи с этим практические испытания по смешиванию и розливу часто дают более надежные результаты, чем чисто теоретические модели, особенно в случае когезивных порошков, поведение которых при течении варьируется. Компания Amixon GmbH предлагает возможности для проведения испытаний в хорошо оборудованных технических центрах в Германии, Индии, Японии, Китае, Корее, Таиланде и США.