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Apr 02, 2023

Mejora del flujo lineal de gránulos finos mediante la adición de partículas alargadas

Informes científicos volumen 5,

Scientific Reports volumen 5, Número de artículo: 16071 (2015) Citar este artículo

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Los relojes de arena se han utilizado para registrar el tiempo durante miles de años debido a sus tasas de flujo constantes; sin embargo, ahora están llamando la atención por su importancia científica sustancial y sus extensas aplicaciones industriales. Se cree que la presencia de partículas alargadas en un sistema granular binario da como resultado un flujo no deseado porque su forma implica una mayor resistencia al flujo. Sin embargo, nuestros experimentos demuestran que la adición de partículas alargadas puede reducir sustancialmente la fluctuación del flujo de gránulos finos y producir un flujo lineal estable similar al de un reloj de arena. Sobre la base de datos experimentales e informes previos de dinámica de flujo, observamos que el flujo lineal es impulsado por el "efecto de partículas de aguja", que incluye la orientación del flujo, la aglomeración reducida y la perturbación local. Este fenómeno se observa en varios sistemas granulares binarios, incluidos gránulos finos y partículas alargadas secundarias, lo que demuestra que nuestro método simple se puede aplicar ampliamente a la medición precisa de flujos granulares en la industria.

Un reloj de arena es un instrumento de cronometraje que se basa en el flujo constante de arena1. Estos dispositivos han sido investigados durante miles de años, proporcionando un sistema conveniente para obtener conocimientos específicos sobre cuestiones científicas fundamentales del comportamiento del flujo granular. En línea con el poema que dice, "ver un mundo en un grano de arena..."2, los materiales granulares son importantes en varios procesos y muestran muchos fenómenos intrínsecos peculiares3,4,5,6. En el proceso de investigaciones granulares durante los últimos dos siglos, los fenómenos clásicos7,8 y los trabajos experimentales típicos9,10 se han relacionado principalmente con partículas gruesas y sin cohesión cuyos diámetros superan varios cientos de micrómetros. Sin embargo, la creciente evidencia11 indica que se debe prestar más atención a la aplicación generalizada de gránulos finos en casi todos los aspectos de nuestras vidas. Por ejemplo, los flujos lineales granulares finos, como el de un reloj de arena, se utilizan en la producción de alimentos, la ingeniería química y la fabricación farmacéutica para controlar directamente la calidad del producto resultante.

No obstante, el flujo granular sigue siendo un problema científico complicado. Numerosos mecanismos de flujo no resueltos requieren una investigación exhaustiva12,13,14. Los fenómenos oscilatorios informados en el reloj de arena de arena han sido confirmados por experimentos y simulaciones numéricas15,16 y se atribuyen a interacciones aire-sólido y organización espontánea de arena. Las fluctuaciones de flujo relacionadas con parámetros de flujo como la porosidad, el número de coordinación, la magnitud de la velocidad y la tensión17 se han estudiado cuantitativamente utilizando un modelo discreto 2D y se han obtenido tres regímenes en el reloj de arena18 a partir de investigaciones sobre el efecto de un fluido intersticial en la descarga granular. Vivanco et al.19 han atribuido las fluctuaciones de velocidad a una red intermitente de arcos y fuertes cadenas de fuerza. Las fuertes fuerzas entre partículas forman naturalmente una distribución heterogénea de cadenas de fuerza filiformes20,21. Además, es probable que las cadenas de fuerza que se propagan a lo largo de una cadena de partículas formen un arco que puede resistir cierta presión e impedir el movimiento sólido22,23. Con respecto a las transiciones de atasco de un sistema granular, Majmudar24 y Valverde25 han observado un comportamiento de ley de potencia entre el esfuerzo y la fracción de volumen y han informado que la probabilidad de atasco granular disminuye al aumentar la relación entre el diámetro de salida y el tamaño de partícula26.

Se ha demostrado que la aireación y la vibración27 mejoran el flujo granular fino. La creencia común sugeriría que la presencia de partículas similares a agujas en una mezcla granular binaria podría afectar negativamente la fluidez porque las formas similares a agujas exhiben un alto factor de resistencia a la movilidad. En esta carta, informamos que la adición de partículas similares a agujas a un polvo fino da lugar a un flujo lineal que es análogo al de un reloj de arena; también dilucidamos sistemáticamente el mecanismo de transición. Este resultado contraintuitivo nos brinda la oportunidad de llevar a cabo un trabajo pionero en esta área.

Para diferentes sistemas granulares binarios, las curvas de pérdida de peso se trazan en función de la fracción de masa de partículas alargadas (w) en la Fig. 1a, c, e; la forma de las curvas cambia gradualmente de similar a una terraza a lineal con el aumento de w y el mejor flujo lineal se observa en aproximadamente 10–15% en peso. La ocurrencia de flujo discontinuo indica que existe un tiempo periódico durante el flujo. Hay puntos de velocidad cero para muchos casos que corresponden al estado arqueado1. A diferencia del caso de un fluido, el caudal es independiente de la altura del lecho, salvo los últimos centímetros. La adición de partículas de aguja mejora la linealidad de la curva de pérdida de peso durante todo el proceso de descarga. A medida que w aumenta, la amplitud de vibración y la periodicidad secuencial disminuyen (Fig. 1b). La serie temporal de la tasa de flujo fluctuante en la Fig. 1 muestra que una velocidad de fluctuación de baja magnitud y una curva de ingravidez lineal se obtienen con el aumento de w. En la Fig. 2a, el grado de linealidad del flujo granular (δ) disminuye rápidamente con la adición de paja de arroz, lo que corresponde a la transición del flujo de inestabilidad a continuo, correspondiente a su curva de ingravidez. Además, la tendencia de la intensidad de fluctuación (I) es similar a la de δ, cuyos valores mínimos se encuentran en el rango aproximado de 10 a 15%. Este resultado significa que el flujo granular bajo la cantidad de adición optimizada es análogo al de un reloj de arena, que a menudo se usa como método para medir el paso del tiempo. La fluctuación disminuida también indica un flujo granular constante.

Las curvas de comportamiento de flujo de diferentes sistemas granulares binarios a partir de una apertura D0 = 32 mm.

(a) Las curvas de pérdida de peso de la mezcla de partículas en columna y perlas de vidrio, (b) La velocidad de fluctuación de la mezcla de partículas en columna y perlas de vidrio, (c) Las curvas de pérdida de peso de la mezcla de partículas en columna y carbón, (d) La velocidad de fluctuación de mezcla de partículas columnares de carbón, (e) Las curvas de pérdida de peso de las mezclas de carbón y paja de arroz, (f) La velocidad de fluctuación de la mezcla de carbón y paja de arroz.

Los parámetros de fluctuación en función de la fracción de masa de partículas de aguja.

(a) δ frente a w, (b) I frente a w.

Curiosamente, encontramos que el fenómeno se observa para varios sistemas granulares binarios, lo que nos permite extraer relaciones constitutivas. Una comparación detallada demuestra que la adición de partículas de aguja a un polvo cohesivo mejora la dinámica del flujo lineal. Esta observación puede ser un fenómeno universal.

La adición de partículas alargadas a un polvo fino afecta positivamente el flujo lineal de las partículas finas y el mejor flujo lineal se observa con un contenido de partículas alargadas de aproximadamente 10–15% en peso. Este fenómeno se denomina "efecto de partículas de aguja" sobre la base de la observación y la forma de aguja de las partículas secundarias. Desde sistemas granulares microscópicos a macroscópicos, analizamos teórica y experimentalmente el mecanismo del efecto de partículas de aguja sobre la base de la disminución de la aglomeración, la orientación de partículas de aguja y el patrón de flujo macroscópico.

Con un aumento en w, las partículas finas se adherirán a las partículas de la aguja debido a las fuerzas entre partículas (Fig. 3). La cohesión entre partículas se reduce con la formación de partículas grandes, lo que, a su vez, conduce a una disminución de las fuerzas de contacto. Mientras tanto, las partículas de la aguja fluyen en una orientación vertical uniforme, en línea con la dirección del flujo cerca de la salida de la tolva, evitando el arco debido a las interacciones mecánicas (Fig. 4). A nivel microscópico, la fluctuación del flujo del polvo cohesivo está controlada principalmente por una red intermitente de arcos y cadenas de fuerza complejas28. Debido a su gran relación de aspecto y orientación, las partículas de aguja poseen una longitud de perturbación y su vibración de ida y vuelta podría hacer que la transmisión de tensión sea más uniforme21. Argumentamos que la transmisión de esfuerzos surge de una combinación de orientación uniforme y empaque efectivo. Debido a su forma de aguja, las partículas se comportan como fibras que están ampliamente distribuidas por todo el sistema granular binario. Cada partícula de aguja es análoga a un imán de tensión que atrae partículas más finas debido a su dirección de tensión similar. Por lo tanto, el papel de las partículas de aguja en un sistema de polvo fino es análogo al papel de un policía que se enfrenta a un atasco de tráfico.

Imágenes de estados de aglomeración y adhesión.

(a) Carbón pulverizado, (b) carbón fino adherido a la superficie de la paja de arroz, (c) perla de vidrio, (d) perla de vidrio fina adherida a la partícula columnar.

La orientación de la partícula de la aguja en la evolución del patrón de flujo granular.

(a) en el estado estacionario, (b) estado de flujo después de 0,5 segundos.

Nuestro trabajo revela otra observación sorprendente: el flujo mejora en el rango , donde b es el ancho de las partículas de la aguja y d es el diámetro de las partículas huésped. A medida que disminuye el diámetro de la partícula de la aguja, disminuye la superficie de perturbación e intensifica la cadena de fuerza de complejidad, aumentando así la fuerza de resistencia al flujo. Para partículas de aguja grandes, el sistema granular de flujo debe cumplir con el criterio (donde D es el diámetro interior de la tolva y D0 es el diámetro de salida) debido al efecto dimensional.

Para caracterizar cuantitativamente la transición del patrón de flujo, se introduce la fuerza de aglomeración (σp) para indicar el grado de agrupamiento; σp se define como , donde ε es la porosidad del sistema granular, F es la fuerza entre partículas y d es el diámetro de las partículas de carbón. En particular, d es el diámetro granular después de la adhesión debido a la orientación vertical y al pequeño número de partículas de aguja. En nuestro trabajo anterior, deducimos la siguiente ecuación: , donde c es la fuerza de cohesión, que se puede medir usando un reómetro de polvo FT-4 y A es el área de la sección transversal de una sección horizontal. Por lo tanto, σp se puede expresar como . Aquí, la disminución de σp se atribuye principalmente a la penetración y adhesión de partículas alargadas. Cuando la fracción de masa excede un cierto valor, tanto la cohesión como el diámetro aumentan debido al aumento de las interacciones mecánicas. Así, el efecto combinado produce un pequeño cambio en σp. Los resultados cuantitativos en la Fig. 5 son consistentes con la discusión previa del comportamiento del flujo.

σp en función de w.

El mecanismo predominante que da como resultado la descarga inestable de polvo cohesivo es una etapa de arqueado de múltiples alternativas y una etapa de arqueado de ruptura; es decir, la presencia de flujo oscilante se produce por arcos de inestabilidad. La Figura 6 muestra una visión general de este fenómeno. Debido a sus fuertes enlaces entre partículas, es probable que el polvo fino forme un arco cerca de la salida de la tolva y este arco puede soportar cierta tensión. Este arco puede romperse por su peso y por el estrés de las partículas de arriba. El proceso de oscilación es la razón directa del caudal inestable, que corresponde a los resultados de la Fig. 6a17,19. La adición de partículas de aguja podría disminuir efectivamente la intensidad de la fuerza, rompiendo así el arco para generar un flujo continuo. Cuando la concentración de partículas de aguja es alta, las interacciones mecánicas pueden desempeñar un papel importante en la resistencia al flujo granular.

La comparación entre arco y flujo continuo para diferentes muestras.

(a) Carbón pulverizado, (b) Mezcla de carbón y paja de arroz (15% en peso de paja de arroz).

Los resultados de este estudio contradicen la creencia convencional de que las partículas de aguja generan un comportamiento de flujo indeseable porque su gran relación de aspecto produce efectos mecánicos. Curiosamente, la adición optimizada de partículas de aguja puede mejorar efectivamente el comportamiento de flujo de los polvos finos, lo que da como resultado un flujo lineal en la tolva. Como se describe en la ref. Las fluctuaciones de presión de 3 minutos pueden conducir tentativamente al cese del flujo en un reloj de arena. En una tolva no confinada, esperamos que la disminución de la fuerza de aglomeración y la orientación del flujo puedan ser reguladas por el flujo lineal de gránulos finos. La adhesión de partículas finas y la orientación vertical de las partículas de aguja producen una pequeña fuerza cohesiva, lo que disminuye la probabilidad de fenómenos de arqueo y atasco. La penetración de partículas de aguja en el polvo cohesivo denso podría romper aún más el arco de inestabilidad y dar como resultado un flujo estable. La disminución de la fuerza de aglomeración proporciona evidencia intuitiva de la transición de flujo intermitente a flujo continuo. Por lo tanto, dados nuestros resultados y la evidencia presentada en la literatura27, concluimos que la adición de partículas de aguja puede mejorar efectivamente la linealidad del flujo de gránulos finos. Sobre la base de nuestra investigación anterior, cuando la w de las partículas de la aguja secundaria excede un alcance apropiado, las características de flujo empeoran debido a los fuertes efectos mecánicos. Por lo tanto, para obtener el comportamiento de flujo requerido, se debe agregar una cantidad moderada de partículas secundarias.

En resumen, la adición de una pequeña cantidad de partículas de aguja a un polvo cohesivo mejora el flujo lineal, similar al de un reloj de arena. Desde un punto de vista práctico, este trabajo podría usarse ampliamente en aplicaciones de producción debido al uso generalizado del flujo granular y la importancia de la fluidez. Para la transición de flujo intermitente a flujo continuo, hemos descubierto el mecanismo dominante. En lugar de la aireación y los métodos mecánicos, la adición de partículas secundarias mejora el flujo estable debido a su inercia frente a la conversión química. Lo que es más importante, este enfoque podría aplicarse en la fabricación de productos farmacéuticos, lo que exige mediciones precisas, lo que abre un nuevo enfoque para completar el marco teórico granular.

Para confirmar el efecto de las partículas de aguja, elegimos carbón pulverizado, perlas finas de vidrio, paja de arroz y una columna de PVC. Los diámetros Sauter de las perlas de carbón y vidrio fueron de 22,1 μm y 17,9 μm, respectivamente. Las relaciones de aspecto de la paja de arroz y la columna fueron 4,31 y 5,39 y sus anchos fueron 325 μm y 395 μm, respectivamente. Debido a que el contenido de humedad es un factor clave que afecta las propiedades de flujo de un polvo, el contenido de humedad del material experimental se controló para que fuera inferior al 2 %, según lo medido por un medidor de humedad infrarrojo MA150.

El sistema experimental (Fig. 7) constaba de una tolva transparente, un sistema de sensor de peso y una cámara de alta velocidad. Los experimentos se realizaron bajo la premisa de que el flujo granular era estable y continuo. En nuestro estudio anterior, se demostró que la tolva satisface el estándar experimental a través de la investigación de la descarga por gravedad. Sus parámetros estructurales eran los siguientes: un diámetro de columna de 150 mm, un cono con un ángulo de media apertura de 15°, un diámetro de salida de 32 mm y una altura de 220 mm. Para capturar la orientación de las partículas de la aguja clara, se utilizaron una tolva bidimensional (ancho de 1,5 cm) y una cámara de alta velocidad. El ancho de la tolva era cinco veces la longitud más larga de las partículas de la aguja, lo que evitaba la orientación vertical de las partículas debido al efecto dimensional. Para analizar la estabilidad de la tasa de descarga, se utilizó un sistema de peso dinámico en línea para registrar el cambio de peso de la tolva. Los datos se pueden utilizar para construir una curva de variación de masa. Se recogieron microimágenes de las mezclas mediante un microscopio electrónico de barrido para confirmar la aparición de adhesión.

El diagrama esquemático del sistema experimental.

Para cuantificar con precisión las fluctuaciones en el flujo granular, se puede escribir el caudal promedio, donde m es el peso total de las muestras y t es el tiempo de flujo. El grado de linealidad (δ) se define como , donde Δmmax es la desviación máxima entre la masa instantánea y la masa lineal. La velocidad instantánea (Wt) se define como , donde mi y ti son la masa instantánea y el tiempo, respectivamente. La velocidad de fluctuación (W′) se puede calcular mediante . Para cuantificar la estabilidad del flujo, la intensidad de fluctuación (I) se puede expresar como .

La cohesión (c) corresponde a la intersección del lugar geométrico de fluencia en el eje del esfuerzo cortante, que a menudo se compone de la resistencia de la mordedura mutua de los gránulos y el efecto conjunto de la condensación y los coloides. Se puede obtener después del ensayo de cizallamiento.

Cómo citar este artículo: Guo, Z. et al. Mejora del flujo lineal de gránulos finos mediante la adición de partículas alargadas. ciencia Rep. 5, 16071; doi: 10.1038/srep16071 (2015).

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Los autores agradecen el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo de Tecnologías Clave (2012BAA09B02), el Programa para los Excelentes Talentos Universitarios del Nuevo Siglo (NCET-12-0854).

Laboratorio Clave de Gasificación de Carbón e Ingeniería Química Energética del Ministerio de Educación, Universidad de Ciencia y Tecnología de China Oriental, PO Box 272, Shanghai, 200237, PR China

Zhiguo Guo, Xueli Chen, Yang Xu y Haifeng Liu

Centro de Investigación de Ingeniería de Gasificación del Carbón de Shanghái, Universidad de Ciencia y Tecnología de China Oriental, PO Box 272, Shanghái, 200237, República Popular China

Zhiguo Guo, Xueli Chen, Yang Xu y Haifeng Liu

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HFL y XLC concibieron y diseñaron experimentos. ZGG e YX realizaron la mayoría de los experimentos y analizaron los datos. Todos los autores contribuyeron a discutir los resultados y escribir el manuscrito.

Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.

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Guo, Z., Chen, X., Xu, Y. et al. Mejora del flujo lineal de gránulos finos mediante la adición de partículas alargadas. Informe científico 5, 16071 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16071

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Recibido: 19 noviembre 2014

Aceptado: 06 de octubre de 2015

Publicado: 09 noviembre 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16071

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