優化填裝過程

文/ Jamie Clayton，Thomas Hilling

優化填裝過程

文/ Jamie Clayton，Thomas Hilling

本文探討了粉體流動精確測量的作用以及如何使用儀器所提供的數據改進設備的設計與規格——為確保設備選型和優化更高效健全，HAVER&BOECKER約在10年前購置了FT4粉體流變儀? (Freeman Technology，英國)，用于測量待加工材料的流動性。

HAVER&BOECKER作為專業的制造業裝填和篩分設備供應商，主要提供粉體和顆粒成套裝填解決方案的設計和制造，包括存儲筒倉和料斗、中型松裝容器 (IBC) 或1～50 kg 麻袋裝填站、定量和稱重系統以及氣動輸送設備，每年提供數百種客制化解決方案，應對各種新產品帶來的不同加工難題，公司的客戶主要集中于食品、化工和涂料領域。

對HAVER&BOECKER而言，每項新的裝填解決方案都從評估待加工材料的物理屬性開始。能夠確保材料在裝填線中連續流動至關重要，這取決于是否選擇了與待處理粉體或顆粒其固有特性完美匹配的設備。從長遠來講，匹配不佳會導致產量降低，機器故障和停機時間過長，增加人工干預次數，最終折損盈利。因此，確定測量哪些物理屬性可避免此類問題顯得極為關鍵。

一直以來，公司都在測量密度、粒徑分布、水分和脂肪含量、壓實和顆粒形態等特性來分析設備選型，這些參數都會影響材料特性和粉體流動性，即加工和裝填的關鍵特質。但是，HAVER&BOECKER意識到想要實現健全的設備設計，即使將以上參數結合起來也不足以量化流動性，因為這與設備性能有效關聯，有些地方仍缺失關鍵信息。

圖1 典型可可粉樣品 1號可可粉 (左) 和2號可可粉(右)

表 兩種不同可可粉的測試數據

研究人員早期嘗試通過直接測量流動性填補這一信息缺口，集中體現在Jenike剪切盒的應用。該技術測量剪切一個固結粉體平面所需的力，即通過無約束屈服強度 (UYS) 和其它參數量化粉體的內聚性。這些數據廣泛應用于料斗設計、料斗卸料故障診斷以及更廣泛的流動性比較之中。然而剪切盒分析往往費時耗力，不同操作人員之間的差異極大，且非常依賴所使用的儀器。HAVER&BOECKER發 現， 使用剪切盒僅測量一種產品就要花費半天時間，而鑒于操作人員技術各不相同，就可能導致粉體出現“自由流動”和“具有粘性”兩類顯著結果的差異。很顯然，這種技術并非理想的解決方案，也促使公司決定研究可替代的方法。FT4粉體流變儀可實現長達十年不間斷、免維護的運行。其間，每年大約測試1 000份樣品，超強的可靠性保證了其超高的工作效率。

逐步采用動態粉末測試

當 HAVER&BOECKER在2005年左右開始研究粉體流動性測量的替代方案時，動態粉體測試還是一項相對較新的技術，還未充分證實工業相關性，但其優勢已經顯現。與現有剪切盒的設置相比，動態測試可提供相對快速、高效的測量與同等重要的過程相關數據。動態測試十分靈敏，可區分剪切盒分析下相同類別的粉體，突顯對工藝性能產生影響的粉體間的差異。經過嚴格的技術評估，公司很早就成為Freeman Technology FT4粉體流變儀最早的用戶之一，因為公司可在動態粉體測試方面可以獲得最優質的流動性數據。FT4粉體流變儀的初期培訓非常全面，儀器很快就能投入日常使用，操作員也發現測量過程十分簡單直觀，

動態粉體測試

動態粉體測試涉及測量運動過程中的粉體，當螺旋槳葉沿著指定的路徑在粉體樣品中旋轉時，測量作用于其扭矩和力，并來確定粉體動態屬性。對固結、中等應力、充氣或甚至流化狀態下的樣品均可進行測試，還可得到日常粉體加工中所需的所有應力范圍。實際上，該項技術專門用于測試粉體，并為過程設計、優化和故障診斷的研究提供支持，可最大程度在給定的過程環境下測量粉體的表現。

基本流動能參數(BFE)是基本動態屬性，用于量化粉體在受力或受約束狀態下的流動。槳葉將粉體推向樣品杯中產生約束作用的底部，測量粉體在槳葉下切過程中承受的扭矩和力。BFE 具有極高的區分度，能夠檢測出其它測量方式歸為同類粉體間的差異，成功地用于表征粉體和顆粒相對細小的變化并能區分極度相似的材料，還能與加工過程相關聯。

應用動態數據

選定任何粉體加工設備的根本難點在于，不同設備的性能與可測量的粉體屬性之間相關聯的設計算法少之又少。料斗設計可以說是使用科學方法建立最完善的領域，即使如此，實現全面優化仍然很困難。因此，要選定粉體和顆粒的加工設備，真實有效的方法就是開發一個數據庫，將可測量的材料屬性與觀察到的工藝性能相關聯。對于處理某種特定屬性粉體適用的數據庫解決方案，也很有可能也對相似特性的粉體測量起到作用。

過去10年間通過測量處理后粉體的BFE，HAVER&BOECKER廣泛研究了流動性對設備性能的影響。由于流動性的影響是十分關鍵的，因此具有相同或相近BFE值的粉體往往需要相似的裝填設備，但其它屬性也應予以考慮，以確保得到最佳的解決方案。通過將動態測量與經驗相結合，公司有效地建立并優化了其內部設計流程。憑借十年的數據積累，工程師可以信賴以上過程，從而妥善交付風險極低的解決方案，可以開發出具有很強針對性的設計，減少過程中的進氣量，實現產能最大化，最大程度地降低裝填粉體中的空氣含量，顯著提高袋裝填量，從而達到行業的既定目標。但是，粉體中的空氣含量直接影響粉體流動的難易程度，因此，通常會使用充氣射流機等設備幫助流動性不佳的粉體流動，以改善流動性能。通過全面量化流動性，動態測試幫助HAVER&BOECKER降低了其裝填解決方案中的空氣含量，甚至達到絕對最低值，從而優化了產量，也降低了過程中堵塞或停工的風險。這是保證所提供的過程解決方案極具競爭力的重要優勢。

圖2 帶吸氣裝置的裝填設備示意圖

可可粉裝填解決方案

本文表格顯示了2種不同可可粉的測試數據，包括水分含量、松裝密度和 BFE值。這些數據顯示，雖然它們是“相同”產品的樣品，但實際上它們有著顯著區別。1號可可粉具有較高的松裝、疏松和壓實密度，也呈現均勻的充氣特性，表明充入空氣能有效助流。與之相比，2號可可粉在充氣時會形成通道，這通常與較強的顆粒間作用力相關，同時脫氣也更快。以上特性是與裝填解決方案的選擇密切相關。而2號可可粉的BFE明顯低于1號可可粉，表明它更易于流動。

在充氣裝填機中對兩種產品進行試驗(圖2)。充氣裝填機包括傾斜底座式壓力腔 (方便卸料和清潔)，也可根據產品特性改變充氣率。裝填時持續吸氣，確保以最低的袋內壓力，實現較高的裝填率。在試驗中，裝填一袋25 kg的2號可可粉需要23 s。這樣，裝填機產量為110袋/h。如BFE圖所示，1號可可粉流動性不佳，裝填一袋需要30 s。機器產量降至90袋/h。在各類不同的產品中都可觀察到這樣的典型結果，驗證了BFE值可用于預測裝填解決方案的性能，確保裝填率和產量達到可實現的預期效果。值得注意的是，雖然壓實 (或堆積) 密度是常規的測量項目，但該測量值并不能用于區分流動屬性。經驗顯示，松裝密度受到溫度、濕度、原材料質量和樣品處理的嚴重影響，密度的測試不如BFE那樣與裝填性能之間具有直接的相關性。

圖片來源: ?volff/Fotolia.com

結論

全面的物理特性為裝填解決方案的設計和選擇提供了一定的基礎，對HAVER&BOECKER而言，客戶滿意度取決于從一開始就確定能與其產品密切對應的過程解決方案，并且無需修改或診斷故障，因此優化物理特性顯得尤為重要。與其它粉體測試方法相比，采用FT4粉體流變儀進行動態粉體流動測量被證實十分有效，可為過程設備提供密切相關的數據。公司現已完成每種樣品的流動性測量，將結果與過去10年的加工經驗結合，共同用于確定每種產品最佳的裝填機器，應用這一方法，公司可確保為多種材料提供高性能的裝填解決方案，實現產量最大化，同時盡可能地降低運營風險。

Jamie Clayton系 Freeman Technology運營總監，Thomas Hilling系HAVER&BOECKER研發中心經理。