Literatura. Skladování sypkých látek. Režim spotřeby skladové zásoby. Tok prášku. Vliv vlastností prášku na jeho tok

Transkript

1 Literatura Sypké hmoty Doprava a skladování Skladování sypkých látek Režim spotřeby skladové zásoby V kontejnerech menší objemy zpracování a logistika na úrovni malých šarží dlouhodobější skladování V zásobnících (silech) velké objemy (např. sušené byliny) vstup do kontinuálních procesů rozhraní mezi kontinuální a vsádkovou částí procesu např. zásobník u tabletovačky Kontejnerové skladování na úrovni logistiky Zásobníky ovlivněné režimem toku režim vyprazdňování FIFO first in first out požadovaný režim pro farmaceutický průmysl režim vyprazdňování LIFO last in first out možnost degradace, expirace skladovaného materiálu Tok prášku Vliv vlastností prášku na jeho tok Podmínky toku práškového lože překonání mezičásticových sil zvýšení mezičásticových vzdáleností expanze práškového lože Režimy práškového toku tok plastické pevné látky setrvačný režim režim fluidní vrstvy suspenzní režim Charakter toku prášku určují adhezivní vlastnosti kohezní vlastnosti často měřené společně jako empirické kritérium tokovosti Adhezivnost a kohezivnost jsou ovlivněny velikostí a tvarem částic texturou povrchu částic elektrickými vlastnostmi vlhkostí 1

2 Měření soudržnosti prášku (v tahu) 1. přitlačení destičky s lepidlem. měření síly pro odtržení Tok prášku vs. velikost částic Počet kontaktů závisí na velikosti částic Pevnost v tahu závisí na počtu kontaktů mezi částicemi a jejich velikosti Pevnost lože prášku závisí na velikosti jeho částic Jemnější prášek hůře teče Záleží i na tvaru částic F nf nd nd Z H A t A A nd A n d 1 d F nf Z H t A A F H F H F H Tokovost Dobrá tokovost (dobře tekoucí materiál) nedochází k přílišné konsolidaci (lepení, sesedání) látky a dobře teče vlivem pouhé gravitace Špatná tokovost (špatně tekoucí materiál) výrazný sklon ke konsolidaci tlakem nebo v čase, tvoří se poruchy toku, který není plynulý Sypké hmoty jako kontinuum Neuvažují se silová působení mezi jednotlivými částicemi, ale na rozhraní jednotlivých obj. elementů Stav napjatosti Napětí ve 3D NAPĚTÍ = SÍLA / PLOCHA [N.m - ] [Pa] Normálové a smykové (tečné) napětí σ = N / A; τ = S / A 3D stav napjatosti Rozložení síly, působící v daném bodě, do tří směrů KSS lze definovat napětí na třech rovinách procházejících daným bodem Normálová napětí σ x, σ y, σ z, Smyková napětí τ xy, τ yz, τ zx, τ yx, τ zy, τ xz τ zy = -τ yz apod. Tenzor napětí

3 Smykové napětí Smykové napětí vzniká v důsledku tření Nerozhoduje, zda je hmota v klidu nebo pohybu Velikost napětí závisí na vlastnostech povrchu a působící síle Napětí v sypké hmotě Neplatí Newtonův zákon (rovnoměrné šíření tlaku všemi směry) laterální poměr napětí λ ~ H V Smyková napětí na horním a spodním povrchu elementu jsou nulová při bočních stěnách bez tření jsou také nulová Napětí v sypké hmotě Transformace napětí na rovinu skloněnou o α» lze odvodit z bilance svislých a vodorovných sil Mohrova kružnice grafická analýza stavu napjatosti cos sin cos sin Bonus: Mohrova kružnice napětí Konsolidace sypké hmoty prášku Dvojosý stav napjatosti lze graficky interpretovat pomocí tzv. Mohrovy kružnice. Kreslíme ji do grafu, na jehož vodorovnou osu vynášíme normálové napětí, na svislou osu smykové napětí. Střed Mohrovy kružnice leží na ose. yx xy Jeden bod Mohrovy kružnice představuje normálové napětí a smykové napětí, vztahující se k jedné určité rovině. σ c kosolidační (kompaktační) napětí jakou silou je sypká hmota stlačena ovlivňuje ρ B σ y mez kluzu mez pevnosti materiálu toková funkce (počáteční) y x Jeden průměr Mohrovy kružnice představuje stav napjatosti : dvě normálová napětí x a y (k sobě kolmá - = 180º) a dvě sdružená smyková napětí xy =- yx. 3

4 Smykové napětí Numerické vyjádření tokovosti Časová konsolidace prášku Tokovost vyšší = lepší C ff Y Tokovost látky nelze popsat jednou hodnotou Většina látek má lepší tokovost za vyššího konsolidačního tlaku Y netekoucí velmi kohezní kohezní dobře tekoucí volně tekoucí Některé sypké hmoty se ponechány v klidu samy zhutňují dochází k samovolné konsolidaci v čase Změna tokové funkce v čase toková funkce v čase počáteční toková funkce Měření tokovosti Vliv konsolidačního tlaku na vztah napětí a deformace Měření smykového napětí normálový tlak na vrstvu kryt prstence Smykové napětí (úměrné síle nutné k tomu aby ke smyku docházelo) může záviset na celkové smykové deformaci (vzdálenosti již proběhlého smyku) několika způsoby. Závisí to na stupni zkonsolidování lože před zkouškou síla vynaložená na překonání smykového tření překonsolidovaný kritický vzorek sypké hmoty vzorek materiálu stěny zásobníku podkonsolidovaný Smyková deformace Měření ve smykové cele Stanovení mezní křivky Vrstva se zkonsoliduje tlakem, který je nižší než pro kritickou konsolidaci Provede se smykový test (předsmyk) pro σ pre průběh odpovídá podkonsolidovanému materiálu Provede se smykový test pro σ sh < σ pre Odečte se smykové napětí na úrovni bodu počínajícího toku 4

5 Mezní křivka a vnitřní úhel tření Mezní křivky kohezních a nekohezních látek Výsledky měření pro jedno σ c je možno vynést jako mezní křivku Kohezivita C určuje smykové napětí v prášku na který nepůsobí žádný normálový tlak C závisí na konsolidačním tlaku τ C φ Mezní křivka odpovídá určitému konsolidačnímu tlaku σ Bod izochorického smyku Mezní křivka (mez kluzu) a MK Určení bodu tokové funkce prášku Body na mezní křivce charakterizují stavy napjatosti, které vedou k poruše (toku) Mohrovy kružnice, k nimž je mezní křivka tangenciální jsou klíčové pro analýzu toku σ c kosolidační (kompaktační) napětí jakou silou je sypká hmota stlačena ovlivňuje ρ B Efektivní úhel vnitřního tření Stav napjatosti při konsolidaci Úhel vnitřního tření může záviset na normálovém a konsolidačním napětí (odpovídá počínajícímu toku) Efektivní úhel tření je měřítkem tření pro ustálený tok (konstantní) Volně tekoucí prášky mají jen jednu mezní křivku, totožnou s efektivní mezní křivka počátek toku počátek toku konsolidace 5

6 Určení kluzné roviny Adhezivita sypkého materiálu Měření smykového napětí napětí na kluzné rovině mezní křivka normálový tlak na vrstvu kryt prstenec síla vynaložená na překonání smykového tření kluzná rovina vzorek sypké hmoty vzorek materiálu stěny zásobníku Úhel stěnového tření Vnější úhel tření Úhel smykového tření (wall friction angle) úhel sevřený vodorovnou osou a spojnicí počátku s bodem na křivce překonání smykového tření zpravidla klesá s rostoucím kolmým zatížením ovlivňuje jej drsnost povrchu zásobníku (původní, abraze, koroze) teplota vlhkost doba klidového kontaktu Tok sypkých látek v zásobnících Jádrový tok mobilní Nálevkový (jádrový tok) θ původní klenba I tekoucí jádro II III nehybná část θ Objemový tok IV stagnantní Počátek jádrového toku (vlevo) a oblasti jádrového toku (vpravo) I - tvarově neměnná oblasts pístovým tokem, II - část vzniklá rychlým propadem vnitřního kužele (jádro), III - výtokové oblasti s vyprazdňováním do prostoru jádra, IV - nehybný prostor mrtvá zóna 6

7 Objemový tok Poruchy toku sypkých látek Zablokování výsypného otvoru (klenbování) Snížení využitelného prostoru zásobníku Nekontrolovaný tok (flooding) Konsolidace nehybného lože Segregace různě velikých částic složek směsí 10 0 ideální tvar používaný tvar postup vyprazdňování Příklady poruchy toku sypkých látek Volba režimu toku při návrhu Tvorba můstků, klenbování (bridging, arching) stagnantní Nálevkový tok = ekonomické řešení malé zkosení ve spodní části = prostorová úspornost pohyblivé částice mimo kontakt se stěnou = nízká abraze!!! nepůsobí problémy pouze pokud hmota obsahuje hrubé částice nelepivé částice nedochází k segregaci materiál se nekazí, nedegraduje, nemění vlastnosti Ve většině farmaceutických aplikací je třeba zajistit objemový tok klenba kohezivní můstek» Tvorba děr (ratholing) Zajištění objemového toku Podmínka toku vzpěrná klenba Překonání tření na výsypce Dostatečná velikost výsypného otvoru zamezení tvorby můstků překonání kohezní síly vrstvy Modifikace výsypky Modifikace tokových vlastností aditivy stearan hořečnatý koloidní oxid křemičitý Aerosil d0 =,5dp d0 = 3dp Vzhledem k malé velikosti farmaceutických částic vzpěrná klenba prakticky nehrozí 7

8 Podmínka toku kohezní klenba Tokový faktor (zásobníku) ff Charakterizuje schopnost zásobníku vyvolávat tok Prášek, je-li vystaven tlaku, si vytvoří určitou soudržnost Tato soudržnost (koheze) může působit zablokování / poruchy toku σ D vytvořené napětí v prášku závisí na vlastnostech prášku stěně zařízení geometrii σ y prostá mez kluzu nulové napětí volný povrch práškového lože d krit prášek klenba blokuje tok σ c konsolidační C napětí sypké hmoty ff σ D vytvořené D napětí v klenbě ff závisí na vlastnostech efektivním úhlu tření v prášku vnějším úhlu tření geometrii Vyšší hodnoty ff znamenají horší tokové podmínky Podmínka toku v zásobníku PODMÍNKA TOKU D Y D, krit. C Y ff Podmínka toku kritické napětí Velikost výtokového otvoru Pro zajištění toku musíme znát tokovou funkci prášku a tokový faktor zásobníku D, krit. C Y ff Při vyprazdňování je hlavní napětí v kuželové části úměrné průměru, tedy i vzdálenosti od vrcholu kužele Hlavní napětí hraje roli vytvořeného napětí σ D Tok nastane ve vzdálenosti od vrcholu, kde je splněna podmínka toku Minimální velikost otvoru d krit D, krit H g B. H kónický 60 Tokový faktor zařízení (zásobníku) Další diagramy Je funkcí δ, θ, Φ w δ = 30 Nálevkový tok Objemový tok nálevkový tok závisí pouze na průměru otvoru jelikož nedochází ke tření prášku na stěně 8