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通過粉體流變學優(yōu)化單元操作

美國麥克儀器 2021-01-08 | 閱讀：2013

生產(chǎn)過程中涉及多種單元操作處理粉體。這些材料總是受到各種條件的影響，從料斗下料過程中涉及的靜態(tài)高應力、流化過程到動態(tài)低應力等。因此，全面理解材料整體在各種條件或流動階段（無論靜止、運動還是運動初始）的行為，對于設計并監(jiān)控單元操作和特定輸送系統(tǒng)至關重要。

盡管不同操作之間存在較大差異，需要運用明確的參數(shù)來表征粉體的變化趨勢。單一參數(shù)的表征（例如“內(nèi)聚力”、“流動性”）不足以全面評估和預測材料在一系列加工工藝中的性質(zhì)。

關鍵是要確保加工設備和粉體特征之間的兼容性。這種方法需要全面理解材料的整體行為，以便初期就將相關信息納入到工藝設計和開發(fā)中。

FT4粉體流變儀?

FT4粉體流變儀?作為通用粉體測試儀，提供自動、可靠、全面的粉體性質(zhì)表征。該信息可與加工經(jīng)驗進行關聯(lián)，提高生產(chǎn)效率并有助于質(zhì)量控制。FT4專注于測量粉體的動態(tài)流動特性，還可提供剪切盒測試，具有密度、可壓性和透氣性等整體特性的測試能力，全面表征與工藝相關的粉體性能。

氣動輸送（←點擊標題查看深入研究）

在稀相氣動輸送過程中，使用氣流或真空以流化狀態(tài)輸送粉體。在此過程中，可能會遇到許多問題，例如阻塞、粘附或者溢流。因此，粉體的透氣性以及對空氣的響應都可能是關鍵特性。通過適合的測試，可以確定材料能否達到流化狀態(tài)，以及達到該狀態(tài)時所需的氣流速度。此類測試可以得到最佳操作參數(shù)。

FT4的充氣性測試可以量化粉體對空氣的敏感性。在此測試中，測量以遞增的氣流流速穿過粉床時的流動能。這樣可以簡單、準確地識別何時發(fā)生流化，如圖1中兩條曲線結果所示。

圖1：典型的充氣性測試結果

當流動能接近零時，視為發(fā)生流化。圖1中兩種粉體都到達流化的狀態(tài)，其中一種粉體在4mm/s氣流速度時發(fā)生，而另一種需要較高的氣流速度8mm/s。

透氣性測試直接測量粉層的壓降值，量化空氣穿過粉層時的阻力。較低的壓降（圖2中的灰色曲線）代表較高的透氣性。這可能不利于稀相氣動輸送過程，因為空氣更容易通過粉層而非有效地遞送。

圖2：典型的透氣性測試結果

這一信息可用于優(yōu)化工藝條件并確定氣動傳輸系統(tǒng)中的工藝參數(shù)。

粒度減小（←點擊標題查看深入研究）

在某些應用中，進一步加工之前減小顆粒粒度可能是有益的。例如，粒度減小可以增加藥物混合物中活性成分的溶解度，或者在混合之前幫助改善混合物的均勻性。但是，不同的粒度減小方法（如粉碎、研磨或者磨削）會對得到的顆粒物理屬性（如粒度和粒形）產(chǎn)生不同的影響，進而影響相關的流動屬性。

盡管減小粒度可以帶來好處，但是顆粒較小的粉體通常表現(xiàn)出更高的內(nèi)聚力。對于更小更輕的顆粒，顆粒間的力可能比引發(fā)和維持流動所需的重力相對要強。測量粉體的壓縮性（圖3）可以提供材料對施加負載進行固結反應的信息，并得到粉床的填充效率，確定夾帶空氣的水平。較小的顆粒通常會導致效率較低的堆積結構，這通常與材料粘性更高有關。

圖3：典型的可壓性測試結果

粒度減小還會影響粉體的流動阻力，具有相同形貌的較小顆粒通常會產(chǎn)生較低的流動能，這是因為它們更容易被旋轉的葉片移動。但是，粒度減小后形貌和表面性質(zhì)的變化也會影響顆粒之間的摩擦和互鎖，如圖4所示。

圖4：流動能隨粒度減小過程的變化

分配（←點擊標題查看深入研究）

粉體分配是許多行業(yè)的關鍵操作環(huán)節(jié)，以確保將正確質(zhì)量或體積的材料傳遞到工藝的下一個階段。了解此操作中的粉體行為可以顯著提高效率和生產(chǎn)率。在典型的分配操作中，粉體將通過料斗填充到下面的容器、模具或者沖模中。粉體流過孔口的難易程度和效率，對于建立高效的工藝流程和實現(xiàn)一致的灌裝性能至關重要。

顆粒的內(nèi)聚力和機械咬合決定其在通過下料口時是否會堆積并形成架橋。這些性質(zhì)的影響可以通過測量比流動能進行量化。比流動能是通過FT4葉片向上抬升粉體且顆粒在不受限制的狀態(tài)下進行測量的。比流動能高的粉體在此類工藝中更容易產(chǎn)生堵塞并且流動受到限制。