Waar gaat het over?

Het begrijpen van de eigenschappen van het poeder is de eerste stap naar een goed ontwerp of efficiënte probleemoplossing van een industriële installatie. Helaas zijn niet altijd alle relevante gegevens beschikbaar voor de ingenieur. Deze sectie richt zich op de belangrijkste gegevens. Ze worden opgesomd en beschreven in onderstaande tabel.

Wat zijn de eigenschappen van poeders?

Tabel 1: Poedereigenschappen

Eigenschap	Eenheid	Belang	Hoe te meten
Bulkdichtheid	kg/l	Dimensionering van tanks, mengers, zakken, doseerinrichtingen... alle apparaten die poeder bevatten of doseren Opmerking: bulkdichtheid kan worden uitgedrukt als aangestampt of niet-aangestampt (ook wel losse dichtheid genoemd). Niet-aangestampt moet worden overwogen zolang het poeder belucht is (bijv. in een ontvanger na pneumatisch transport).	Bulkdichtheid kan worden gemeten door een bepaald volume bulkvastestoffen te wegen. Het monster kan al dan niet worden aangestampt.
Schijnbare deeltjesdichtheid	kg/l	Deeltjesdichtheid is relevant wanneer de beweging van de vaste stof niet langer als een massa, maar als individuele deeltjes moet worden beschouwd. Dit is het geval bij bepaalde technologieën voor pneumatisch transport.	Schijnbare deeltjesdichtheid kan worden berekend uit de skeletdichtheid en de porositeit van de deeltjes.
Skeletdichtheid	kg/l	Gebruikt om de schijnbare deeltjesdichtheid te berekenen	Skeletdichtheid kan worden gemeten met gaspycnometer (bijv. helium).
Cohesiekracht		Cohesiekracht wordt gebruikt bij het ontwerp van silo’s / trechters om de juiste uitlaatgrootte te berekenen	Schuifcellen (zie uitleg hieronder)
Wandwrijving	Graden	Wandwrijving wordt gebruikt om de hoek van trechterconussen te berekenen, evenals de parameter voor inwendige wrijving	Schuifcellen (zie uitleg hieronder)
Permeabiliteit		Permeabiliteit geeft een indicatie van het vermogen van de vaste stoffen om lucht vast te houden. Het is een parameter die wordt gebruikt bij het berekenen van ontlaadsnelheden en bezinkingstijden	Geavanceerde poederrheometer, fluidisatie
Segregatie neiging		Geeft interessante informatie over de risico’s van segregatie die kunnen optreden bij het hanteren van een poeder (segregatie bij ontlading, moeilijkheden bij mengen...)	Homogeniteitstesten
Glijden op impactpunten		Helpt bij het bepalen van de hoek van leidingen na een trechter, om het poeder te laten glijden (naar een menger, zakvuller, etc.)
Deeltjesbrosheid		Is het deeltje bros? Moeten we speciale maatregelen nemen voor transport of mengen?
Deeltjesgrootteverdeling (PSD)		Controle van de PSD kan vereist zijn voor een specifieke eindtoepassing of voor het regelen van de input voor verdere processtappen. Het meten van PSD is bijzonder belangrijk voor verkleinings-/vermalingsprocessen.	Meetmethoden kunnen meer of minder complex en precies zijn. Een eenvoudige methode is zeefanalyse, maar dit is vrij grof. Geautomatiseerde methoden leveren een nauwkeurigere deeltjesgrootteverdeling snel op; een populaire methode is laserlichtdiffractie.
Vorm van deeltjes		Controle van de vorm van deeltjes kan vereist zijn voor specifieke eindtoepassingen. Kennis van de vorm van deeltjes kan ook helpen bij het voorspellen van mengproblemen (vergrendelde vormen die een goede mix belemmeren).	Microscoop, beeldanalyse
Hardheid	Mohs-index	Helpt bij het evalueren hoe abrasief de verwerking van de vaste stoffen zal zijn.	Materiaal wordt geclassificeerd op basis van de capaciteit om gekrast te worden door bepaalde referentiematerialen.

De onderstaande alinea's beschrijven het concept van **poederstroomeigenschappen**, dat eigenlijk verschillende bulkvaste-stof-eigenschappen omvat:

• Cohesieve sterkte
• Wandwrijvingshoek

Er wordt ook uitgelegd hoe deze eigenschappen praktisch kunnen worden bepaald.

Aan het einde van de pagina worden ook enkele snelle methoden gegeven om de stroomeigenschappen in te schatten.

De prestaties van een industrieel proces worden, naast andere parameters, beoordeeld op basis van het vermogen om een nominale snelheid te bereiken (uitgedrukt in doorvoer, cyclusduur of aantal batches/uur). Als een trechter die poeder met een bepaalde snelheid moet afgeven – of deze nu aan het begin, midden of einde van het proces staat – dit niet kan, zal de snelheid van de gehele **installatie** worden beïnvloed. Het vermogen om de stroomeigenschappen van vaste stoffen (bijv. uit een trechter) te voorspellen, is daarom van cruciaal belang voor bulkvaste-stof-handling.

Wat zijn poederstroomeigenschappen?

De volgende, voor het ontwerp van trechters en het bevorderen van de stroom van vaste stoffen belangrijke, concepten worden op deze pagina uitgelegd:

---

1. Jenike-methode [Schuifcel-Tester – Wat kunnen we hiermee bepalen?]

Schuifcellen

De schuiftester of schuifcel stelt ons in staat om zeer belangrijke poederrheologische eigenschappen te schatten, zoals de **cohesieve sterkte** en de **wandwrijving**, die op hun beurt kunnen worden gebruikt voor het berekenen van de uitlaatdiameters van trechters en de onttrekkingshoek.

Er moeten twee schuifproeven worden uitgevoerd om de eigenschappen te bepalen:

• Eén test meet de **interne wrijvingshoek**; hiervoor meet de testcel de kracht die nodig is om het poeder over ZICHZELF te laten glijden.
• Aan de andere kant wordt de **wandwrijvingshoek** bepaald met een cel die de kracht meet die nodig is om een poedermonster over een **materiaalplaat** te laten glijden, waarbij het materiaal meestal het metaal is waaruit de silo is opgebouwd.

Figuur 1: Jenike-cellen

De test wordt uitgevoerd na een voorafgaande voorbelastingsstap, die het poeder een bepaalde dichtheid geeft voordat de normale spanning en de schuifkracht worden toegepast. Deze voorbelasting kan worden gevarieerd, wat verschillende resultaten oplevert. Deze verschillende resultaten worden gebruikt om verschillende vloeigrenscurves te tekenen en vervolgens verschillende poedereigenschappen te berekenen (zie hieronder).

STAP 1 – Voer de test uit

Er worden twee krachten op een poedermonster toegepast: één normale kracht, die ingesteld en geleidelijk verhoogd wordt, en een tweede zijwaartse kracht (schuifkracht). Deze tweede kracht wordt gemeten en komt overeen met de kracht die nodig is om het monster te laten glijden.

Elk koppel (normale spanning; schuifspanning) wordt geregistreerd en vervolgens uitgezet. Uit deze curve kunnen verschillende poederrheologische kenmerken worden berekend. De verkregen grafiek, de zogenaamde **vloeigrenscurve ("Yield Locus")**, wordt hieronder weergegeven (voorbeeld – niet van een werkelijk poeder).

De volgende poedereigenschappen kunnen worden bepaald uit de verkregen grafiek (genaamd **"Yield Locus"**):

Tabel 2: Uitvoer van schuifcelmetingen

Schuiftester	Directe bepaling	Berekening
Schuifcel voor meting van materiaal/poeder-interactie	Wandwrijvingshoek Φ'	-
Schuifcel voor meting van poeder/poeder-interactie	Effectieve interne wrijvingshoek δ Statische interne wrijvingshoek Φ Hoofdconsolidatiespanning (of verdichtingsspanning) σ₁ Cohesieve sterkte f_c (ook wel **Onbeperkte Vloeigrensspanning, UYS** genoemd)	Stroomfunctie van het poeder (of materiaal) (door het uitzetten van de UYS- en σ₁-waarden verkregen bij verschillende voorbelastingen)

STAP 2 – Teken de vloeigrenscurve ("Yield Locus")

Poeder-poeder-interactie

Voor een gegeven voorbelasting wordt de vloeigrenscurve getekend op basis van de gegevens verkregen uit de cel die de poeder/poeder-interacties test.

Figuur 2: Gegevens verkregen uit de vloeigrenscurve van de poeder-poeder-schuifcel

Poeder-materiaal-interactie

Teken de vloeigrenscurve op basis van de gegevens verkregen uit de cel die de poeder/materiaal-interacties test.

Figuur 3: Gegevens verkregen uit de vloeigrenscurve van de poeder-materiaal-schuifcel

STAP 3 – Bereken de stroomfunctie

De vloeigrenscurve wordt bepaald volgens een initiële consolidatietoestand. Het is mogelijk om de initiële consolidatietoestand te variëren. Door verschillende vloeigrenscurves te tekenen bij verschillende initiële consolidatie, ontstaat de basis voor het bepalen van de stroomfunctie van het poeder. Een illustratief voorbeeld met 3 vloeigrenscurves wordt hieronder gegeven.

Figuur 4: Grafische bepaling van de poederstroomfunctie

Uit de 3 verschillende vloeigrenscurves kunnen 3 koppels (hoofdconsolidatiespanning σ₁; cohesieve sterkte f_c) worden berekend.

Een grafiek die f_c = f(σ₁) weergeeft, kan vervolgens worden getekend. Dit is de **materiaalstroomfunctie** van het geteste poeder (niet te verwarren met de stroomfactor ff). De stroomfunctie geeft essentiële informatie over het gedrag van het poeder, op een betrouwbaardere manier dan snelle methoden zoals de rusthoek of bepaalde indexen.

In het voorbeeld worden slechts 3 koppels overwogen, maar in de praktijk worden er meer gebruikt om de daadwerkelijke stroomfunctie te tekenen. De grafiek kan worden onderverdeeld in verschillende gebieden door rechte lijnen die door de oorsprong gaan met een helling i = (σ₁)/f_c. De verschillende waarden van i geven informatie over de stroomeigenschappen. Afhankelijk van de positie van de stroomfunctie in de grafiek kan de stroombaarheid worden bepaald.

Figuur 5: Poederstroomfunctie en stroombaarheid van poeder

Afhankelijk van de vorm van de grafiek kan worden bepaald of het poeder cohesief is of niet.

Figuur 6: Typische Materiaalstroomfuncties (MFF)

Aan het einde van de tests met Jenike-schuifcellen (of equivalente testapparatuur) zullen de volgende poederrheologische eigenschappen zijn bepaald:

• Interne wrijvingshoek
• Poeder- (materiaal)stroomfunctie (MFF)
• Wandwrijvingshoek

Opmerking: Vervolgens is het mogelijk om te bepalen hoe het poeder uit een gegeven trechter zal stromen (of om een trechter te ontwerpen) door de stroomfactor ff, gekoppeld aan een trechterontwerp, te bepalen en een lijn met helling 1/ff op de Materiaalstroomfunctie (MFF) te plotten. Het poeder zal stromen als de lijn met helling 1/ff boven de MFF ligt; liggen deze onder de MFF, dan kunnen zich bogen vormen en zal de stroom moeilijk verlopen. Meer informatie over trechterontwerp is hier te vinden.

Figuur 7: Stroomfunctie en Materiaalstroomfuncties voor de berekening van de Kritische Aangelegde Spanning

2. Tussentijdse methoden – Poedercohesie-index

Er zijn experimentele methoden ontwikkeld om de resultaten die met de methode van Jenike worden verkregen te benaderen, wat vrij tijdrovend is als geen gespecialiseerde apparatuur beschikbaar is.

Johanson heeft een reeks tests ontwikkeld waarmee verschillende indexen kunnen worden bepaald die gekoppeld kunnen worden aan de belangrijke ontwerpparameters zoals hierboven gedefinieerd.

Tabel 3: Lijst van vereenvoudigde methoden voor de evaluatie van stroomeigenschappen

Methode	Verkregen waarde
Ophangingsindicator	Bogingsindex AI (=kritische uitlaatdiameter) Ratgatindex RI (=ratgatdiameter)
Trechterindicator	Trechterindex HI (=conushhoek) Gootindex (=glijden bij impact)
Stroomsnelheidsindicator	Stroomsnelheidsindex FRI (=maximale ontladingscapaciteit onder zwaartekracht – zonder hulpmiddelen maar met een volledig **niet** geaerd poeder) Losse dichtheid FDI en aangedrukte dichtheid BDI (=losse en aangestampt dichtheid)

Om deze specifieke gegevens te verkrijgen, is het noodzakelijk om toegang te hebben tot machines die zijn gebouwd door bedrijven die actief zijn op het gebied van poederanalyse.

3. Snelle methoden – Rusthoek, Carr- en Hausner-index

Een schuiftester is mogelijk niet dagelijks beschikbaar in een **fabriek**, wanneer een nieuwe silo berekend moet worden of wanneer een proces moet worden geoptimaliseerd. Er zijn snellere methoden ontwikkeld om een indicatie te krijgen van het gedrag van poeder. Het gebruik van dergelijke snelle methoden moet met voorzichtigheid gebeuren, altijd rekening houdend met het feit dat ze een indicatie geven van het gedrag van het poeder, maar niet kunnen worden gebruikt voor directe berekeningen.

Tabel 4: Berekende indexen voor de beoordeling van stroomeigenschappen

Methode	Berekening	Interpretatie
Carr-index	I = (aangestampt dichtheid – losse dichtheid) / (aangestampt dichtheid) * 100	I < 15%: goede stroomeigenschappen I > 25%: slechte stroomeigenschappen
Hausner-index	H_r = (aangestampt dichtheid) / (losse dichtheid)	H_r > 1,4: cohesief poeder H_r < 1,2: vrije stroom Daartussenin: gematigd gedrag
Rusthoekenmethode – stromingshoek van poeder	Gestorte rusthoek	Hoek < 30°: goede stroomeigenschappen hoek van 30 tot 50° : moeilijke stroming hoek groter dan 50° : bijna onmogelijke stroming

Een mogelijke toepassing van deze verkorte methoden is het uitvoeren van een vergelijking tussen poeders. Als een trechter is ontworpen voor poeder A en een redelijk bevredigend ontwerp heeft, dan kunnen de Carr-index en de rusthoek van poeder B een indicatie geven of een dergelijk ontwerp ook geschikt zou zijn voor poeder B. Als de waarden van de Carr-index en de rusthoek sterk afwijken, kan dit erop duiden dat diepgaander onderzoek nodig is om de karakteristieken van poeder B te beoordelen en dat strenge ontwerpmethoden moeten worden toegepast.

4. Elektrostatica

Een verschijnsel dat vaak over het hoofd wordt gezien bij de analyse van poederstroming is de invloed van statische elektriciteit. Dit geldt met name voor zeer fijn verdeelde deeltjes, waarbij elektrische krachten significant worden in vergelijking met andere krachten (zoals zwaartekracht).

De parameters die statische elektriciteit beïnvloeden, zijn de volgende:

• Vochtgehalte
• Intensiteit van wrijving
• Grootte en aard van de deeltjes
• Oppervlakte-eigenschappen