Beluchting, Wervelbedtechnologie, Permeabiliteit van poeders

De interactie van poeders met lucht verandert hun eigenschappen aanzienlijk en moet daarom goed begrepen worden door procesoperators. Deze pagina legt uit waarom verschillende typen poeders zich anders gedragen bij beluchting en koppelt beluchting en permeabiliteit aan procesobservaties (bijv. in pneumatische transport, wervelbedsystemen, poederdosering...)

1. Beluchting van poeders

De doorgang van een gas door een poederwervelbed kan de bulkdichtheid sterk beïnvloeden, evenals de vloeibaarheid. De luchtstroom "belucht" het poeder namelijk, waardoor het losser wordt.

Niet alle poeders vertonen echter hetzelfde gedrag bij blootstelling aan een luchtstroom. Sommige poeders zullen homogeen uitzetten, terwijl andere compacter blijven met lucht die zich verzamelt in "kanalen".

Hoe classificeert men poeders op basis van hun beluchtingsgedrag?

De wervelbedvorming van poeders is bestudeerd door Geldart, die 4 groepen producten heeft gedefinieerd en een grafiek heeft ontwikkeld waarmee, op basis van materiaaleigenschappen, bepaald kan worden tot welke groep een poeder behoort [Rhodes]. De experimenten werden uitgevoerd in een wervelbed.

De deeltjesdichtheid ρ_p van de deeltjes die in de bovenstaande grafiek wordt gebruikt, is gedefinieerd als de massa van een deeltje gedeeld door het volume, inclusief open en gesloten poriën.

De volgende groepen zijn gedefinieerd:

• Groep A: beluchtbare poeders. Deze poeders houden lucht zeer goed en homogeen vast. Ze hebben een lage permeabiliteit (zie volgende alinea), waardoor ze lucht gedurende langere tijd vasthouden en in wervelbedtoestand blijven. Ze kunnen worden getransporteerd via pneumatische systemen, met name in dichte fase.
• Groep B: zandachtige poeders, waarbij de interactie tussen deeltjes laag is, met een lage permeabiliteit (zie alinea hieronder). Dit betekent dat de deeltjes direct stoppen met wervelen zodra de luchtstroom wordt stopgezet. Belletjes kunnen groeien en de diameter van het wervelbed bereiken, waardoor "pluggen" ontstaan.
• Groep C: cohesieve poeders, waarbij het gas zich niet gelijkmatig in belletjes door het deeltjesbed kan verspreiden, maar eerder kanalen vormt (vandaar de term "kanaalvorming"). Het is mogelijk om te voorspellen of een poeder tot groep C behoort door de losse bulkdichtheid en aangedrukte bulkdichtheidte vergelijken. Als de verhouding aangedrukt/los > 1,4, dan kan het poeder tot groep C behoren.
• Groep D: spuitbare poeders, met een gedrag vergelijkbaar met groep B, hoewel de "spuittoestand" kan worden bereikt waarbij een gaskolom zich in het midden van het wervelbed bevindt (dit vereist echter dat de lucht via één punt wordt ingevoerd in plaats van over de gehele bodem van het deeltjesbed te worden verdeeld).

Relatie tussen beluchting en vloeibaarheid van poeders

Wervelbedvorming van poeder vermindert de interacties tussen deeltjes, die verder van elkaar komen te liggen, gescheiden door lucht ("belucht"). Hierdoor worden poeders vloeibaarder. Dit wervelbedprincipe wordt daadwerkelijk toegepast in ontladingshulpmiddelen die lucht in trechters blazen om bulkvastestoffen te fluidiseren. Het wordt ook toegepast in wervelbedden, waar lucht aan de onderzijde van een poederbed wordt verdeeld om het te fluidiseren.Aan de andere kant kunnen sommige poeders te sterk fluidiseren en oncontroleerbaar uit silo’s stromen ("flooding"), vooral bij poeders uit groep A zoals hierboven vermeld.

2. Permeabiliteit van poeders

De permeabiliteit van een poeder is een maat voor hoe gemakkelijk een luchtstroom erdoorheen kan gaan. Als het poeder niet erg permeabel is, is een hoge drukval vereist om een luchtstroom tot stand te brengen. Aan de andere kant, als het zeer permeabel is, stroomt lucht er gemakkelijk doorheen met minimale drukval.

De permeabiliteit kan worden gemeten door een monster van het product voor te bereiden, een belasting op het monster aan te brengen om uitzetting te voorkomen (anders zou het neerkomen op het meten van beluchting of wervelbedvorming van het poeder) en het systeem bloot te stellen aan een luchtstroom vanaf de onderzijde van het monster. De drukval wordt vervolgens gemeten. Door de drukval van verschillende materialen te vergelijken, kan worden bepaald hoe permeabel ze zijn.

Permeabiliteit is ook gerelateerd aan het luchtvasthoudend vermogen. Een poeder met lage permeabiliteit zal, eenmaal gewerveld, de lucht gedurende enige tijd vasthouden en blijven stromen, zelfs als de luchtstroom wordt stopgezet. Dit kan interessant zijn voor dicht-fase transport, omdat het poeder minder gevoelig is voor processtoringen.

Bronnen

[Rhodes] Principles of Powder Technology, pagina 123, Rhodes, Wiley, 1990