1. Классификационные схемы сыпучих продуктов

Практика показывает, что сыпучесть продукта в основном определяют объёмный вес, размер и форма частиц продукта (гранулометрический состав продукта). Как правило, наименее сыпучими всегда являются порошкообразные и пылевидные лёгкие продукты. Кусковые и тяжёлые продукты, наоборот, более подвижны.

Также именно эти характеристики определяют в основном конструкцию дозатора.

Учитывая объёмный вес продукта и его гранулометрический состав, можно выделить пять групп сыпучих продуктов, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1

Классификация сыпучих продуктов по гранулометрическому составу

Номер группы	Группа продуктов	Размер частиц, мм	Объёмный вес, кг/м³	Сыпучесть
1	Мелкокусковые	10-50	400-1500	достаточная; хорошая
2	Зернистые	0,5-10	300-1500	хорошая
3	Порошкообразные	0,05-0,5	200-1000	затруднённая
4	Пылевидные	< 0,05	100-500	весьма затруднённая
5	Хлопьевидные	волокна, чешуйки, хлопья	50-300	весьма затруднённая

Таким образом, тип дозатора может быть определён по гранулометрическому составу сыпучего продукта (что чаще всего и используется), но это не всегда оптимально, так как гранулометрический состав продукта не учитывает всех характеристик продукта, влияющих на его сыпучесть.

Большинство исследователей считает, что сыпучие продукты с учётом всех их характеристик могут быть разделены на 2 группы:

1) идеально сыпучие, не имеющие сил связанности между частицами (несвязные),

2) связные, являющиеся как бы промежуточной ступенью между идеально сыпучим и твердым телом.

Однако это разделение сыпучих продуктов довольно условно. Один и тот же продукт в зависимости от напряженного состояния может быть отнесен как к одной, так и к другой группе.

Сыпучая среда является сложной физико-механической си­стемой, изменяющей свои свойства в зависимости от напряжен­ного состояния, плотности укладки частиц, влажности и т. д. Поэтому следует предположить, что наиболее полное описание свойств продукта может быть получено с помощью комплекс­ного показателя, отражающего тот или иной технологический процесс.

В ка­честве такого комплексного показателя рассматривается высота устойчивого откоса продукта, уплотненного заданной нагрузкой:

, (2.1)

где τ0 − начальное сопротивление сдвигу;

Ф − угол внутреннего трения;

ρ− объемная (насыпная) плотность продукта;

g − ускорение свободного падения.

В приведенную зависимость входят все основные физико-механические характеристики (ФМХ), описывающие свойства связного сыпучего продукта. По этому показателю классифи­кация предусматривает сравнительную оценку предельного со­стояния продукта в условиях переработки. Заметим, что не­связные продукты не образуют устойчивых вертикальных откосов, так как начальное сопротивление сдвигу для них равно нулю. Следовательно, комплексный показатель устанавливает границу области существования несвязных и связных сыпучих продуктов [1].

Из уравнения (2.1) видно, что hc зависит от начального сопротивления сдвигу, угла внутреннего трения и объемной плотности, определяемой плотностью частиц и их взаимным расположенном.

В табл. 2.3 представлена инженерно-технологическая классификация сыпучих продуктов химической промышленности с указанием размера выпускного отверстия, при котором про­исходит образование устойчивого свода:

. (2.2)

В табл. 2.2 представлено описание внешних признаков групп сыпучих продуктов.

При составлении классификации принято разделение продуктов на классы и группы.

Различие между классами состоит в следующем.

К классу несвязных отнесены продукты, силы сцепления между части­цами которых меньше их веса. В этом случае частицы, если они обладают свободной потенциальной энергией и находятся в состоянии неустойчивого равновесия, способны перемещаться относительно друг друга под действием гравитационных сил. Несвязные продукты обладают сыпучестью, образуют насыпь под углом естественного откоса, способны к истечению через небольшие отверстия. Для несвязных продуктов τ0 = 0 и hc = 0. Прекращение выпуска таких продуктов из емкости зависит от вероятности случайной укладки частиц в виде свода. Вероятный размер сводообразующего отверстия в этом случае может быть рассчитан по формуле:

, (2.3)

где dэ – эквивалентный диаметр частиц.

В связных продуктах силы сцепления значительно превос­ходят вес частиц. Относительное взаимное перемещение отдельных частиц в поле гравитационных сил в таком продукте невозможно. Разрушение продукта при достижении состояния предельного равновесия происходит по плоскостям сдвига между агрегатами. Связная среда образует вертикальные откосы, имеет склонность к сводообразованию, комкуется, прояв­ляет адгезионные свойства. Для связных продуктов величина hc составляет 0,4 – 1,2 м, а размер сводообразующего отверстия В_с = 0,5 – 1,5 м.

Связно-текучие продукты относятся к переходному классу. В зависимости от плотности укладки частиц они могут проявлять как свойства хорошо сыпучего, так и связного продукта [2].

Особенности связнотекучих и связных продуктов

Связнотекучие и связные сыпучие продукты сочетают в себе свойства твердых так и жидких сред. Как следствие этого продукты обладают способностью как сохранять форму при относительно небольших нагрузках, так и принимать форму емкости в которой они содержатся. В механике сыпучих сред эти вопросы рассматриваются с использованием аппарата теории упругости. Эта сыпучая среда представляется как сплошная, а все специфические ее особенности отражаются задаваемыми в форме гипотез функциональными связями нормальных и касательных напряжений в среде.

Сыпучий продукт состоит из круглых или многогранных, механически не связанных частиц, перемещающихся и взаимодействующих друг с другом и с ограждениями под действием силы тяжести. Однако между частицами могут действовать адгезионные силы, придающие среде вязкость.

Особенности:

• Сыпучий продукт сочетают в себе свойства твердых и жидких сред. Он характеризуется некоторой упругостью и пластичностью, однако принимает форму емкости, в которую засыпан; при высыпании на плоскость образует угол естественного откоса.

• Распределяясь на больших площадях, давление от внешних сил существенно уменьшается и в достаточно крупных бункерах могут уравновешиваться адгезионными силами связи частиц. В этих условиях сыпучий продукт рассматривается как твердый гель, способный удерживать внутри себя металломагнитные частицы, извлекаемые из него магнитными силами.

• В высоких бункерах днище воспринимает часть веса сыпучего продукт; остальная часть передается на днище через стенки бункера. Это вызвано давлением продукта на боковые стенки бункера, которое вызывает появление на ней силы трения, направленной против действия силы тяжести. Вследствие этого сила трения частично уравновешивает силу тяжести и с увеличением высоты столба сыпучего продукта сила его давления на днище нарастает медленнее, чем описывается линейной зависимостью; все большая и большая ее часть воспринимается боковыми стенками.

• Особенности передачи усилий в сыпучих средах определяют явление образования сводов над отверстиями. Поверхность свода находится под напряжением от передаваемых усилий и под их воздействием становится весьма прочной. После образования свода истечение среды через отверстие прекращается. для продолжения истечения необходимо разрушить свод.

Мероприятия, предупреждающие образование сводов: увеличение размеров отверстий и уменьшение толщины насыпи над ним [2].

Причины этих отрицательных явлений, как правило, связаны с недостаточным углом конусности выходного отверстия и с уменьшением сыпучести во время хранения, вследствие более плотной упаковки частиц (их переориентации и оседания) под действием вибраций или других внешних воздействий, а также в результате деформаций.

С внутренним и внешним трением сыпучего продукта связаны такие специфические явления, как самосортирование при подаче продукта. Самосортирование продукта связано с тем, что угол естественного откоса у более крупных частиц (более сыпучих) и более мелких разный. Крупные частицы обладают меньшим угол естественного откоса, более мелкие − большим углом естественного откоса. И при высыпании продукта на свободную поверхность происходит естественное отделение мелких и крупных частиц [2].

Таблица 2