關于螺旋攪拌過程中物料結塊問題

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結塊在許多過程中都會損害原材料和產品的價值。Tim Freeman展示了如何使用粉末流變儀可以幫助克服這個問題。

結塊，從離散的顆粒或顆粒形成聚集的材料是粉末加工中的普遍問題。許多飼料以及由食品，化學和制藥行業使用或制造的產品作為自由流動的易加工粉末出售。結塊會損害其價值，不利地影響過程中或最終用途。

隨著時間的推移，聚集可以通過一些機械或化學途徑發生：一個特別常見的機制是水的遷移或吸收。對于化學和工藝工程師來說，其控制的關鍵在于管理環境條件，使得飼料或產品保持在最佳狀態。這里描述并通過實驗研究說明的是粉末流變儀可以通過測量結塊過程中粉末性質的變化（例如濕度和固結的函數）來輔助的方式。

固體加工的基本要素是能夠以制造特定應用所需特性的粉末來控制制造變量。這些粉末包裝成袋子，小桶，散裝容器或油罐，離開制造現場處于相對明確的狀態。然而，使用前的粉末狀況可能通過運輸和儲存的結果而顯著變化。

結塊是儲存時粉末劣化的主要機理之一，濕度，溫度和固結都是影響因素。水可導致材料的有限溶解和隨后的晶體橋的形成，其將初級顆粒結合在一起成為較大的附聚物。另一方面，長時間的固結可以通過物理地迫使顆粒靠近在一起來促進機械聚集。不同粉末對這些效應的敏感性差異很大，因此適合一種材料的儲存條件可能不適合另一種。

粉末流變學

粉末流變儀測量樣品的動態特性，以非常直接的方式表征流動性。基本流能（BFE）是一個關鍵的基準測量，被定義為“以受控旋轉速度將螺旋葉片向下旋轉通過樣品所需的能量。它來自精確測量作用在葉片上的軸向和旋轉力，當它穿過粉末（圖1）時。使用精確設計的自動化測試方法的精密工程儀器可以重復測量BFE，使其成為整個粘度范圍內粉末的高度差異參數。

結塊期間的聚集形成改變了樣品的BFE，一些機制陰謀增加BFE。首先，結塊會增加在發生流動之前必須克服的顆粒間粘結的強度。其次，結塊體積更硬，顆粒的包裝具有更大的阻力。精細粉末往往具有相對的粘性，具有捕獲顆粒間袋中的空氣的能力，因此通常具有高度可壓縮性，具有幾乎“海綿”的質量。使用這些材料，流變儀葉片的運動僅影響樣品的一小部分; 可壓縮粉末容易吸收誘發的位移，因此BFE較低。相比之下，較大的附聚物更緊密地包裝，留下很少的夾帶空氣的空間，

最后，如果結塊與水分含量的變化相關聯，則可以通過改變樣品的體積密度來增加BFE，因為更高的體積密度通常與更高的BFE相結合。這些變化使得監測BFE成為檢測結塊和評估其受環境條件影響的敏感而有效的方法，如下列研究所示。

鞏固結塊行為

將不同條件下樣品的BFE曲線作為時間的函數進行比較，幫助工程師確定給定粉末的最佳儲存條件。一個這樣的調查的結果顯示在圖2中。這里顯示了兩組數據：一個用于在沒有施加的合并載荷下保持的樣品，另一組用施加的壓力9kPa固結。

對于這種粉末混合物，在未固結和固化的粉末的初始四天期間可以看到BFE略微增加。然而，在隨后的幾天中，BFE以更明顯的方式迅速上漲，使得固體粉末成為可能。五年半后，固結粉末在裝載到儲存容器中時的流動阻力是兩倍，而未固化的粉末直到第八天才能達到類似的狀態。在這兩種情況下，BFE繼續快速上漲，沒有高原跡象。

在垃圾桶和料斗中，粉末處于其自身重量的壓實壓力下。這種粉末的性質表明，最小化這種壓力在結塊方面將是有益的，那么如何才能實現？

一個選擇是以相對較低的填充水平運行箱體，以較低的體積以正常的頻率增加。這有可能通過兩種方式賦予優勢。首先，它減少作用在料斗中的材料上的粉末的頭部，其中材料處于最大的整合壓力。其次，它減少了粉末在料倉中的停留時間，從而限制了結塊的程度。然而，第二點值得仔細審查，因為事實上，如果垃圾箱以質量流量運行，而不是漏斗流動狀態，停留時間將只能均勻地減少。

隨著質量流動，垃圾桶中的所有粉末都在運動中：當材料從料斗中取出時，粉末以先進先出的方式穿過該單元。具有比基于粉末的剪切特性限定的極限值更陡的壁的漏斗將提供這種性能。如果不符合這些標準，則可以開發漏斗流。料斗角度不夠陡，以確保粉末沿壁平滑流動，因此材料積聚（圖3），粉末在料斗內的停留時間變得不均勻。一些粉末只能短暫地留在容器中，進入“漏斗”的中心并幾乎立即離開。更重要的是，從結塊的觀點來看，粉末群體的其他部分仍然朝向船舶的基部相當長的時間，在上述材料的壓力下。這些條件對于結塊是理想的，應該避免。

雖然上述示例說明了在適用于進料倉的動態環境中考慮結塊的重要性，但是許多技術將這種現象與在一段時間內儲存的粉末的“靜態”狀態更接近，例如在一個封閉的桶。在這里，諸如前面詳述的研究量化了結塊問題的可能程度，并且通知關于材料需要多少次被碾壓或激動以保持其處于適合狀態用于后續處理的決定