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Dec 12, 2023

Amélioration du flux linéaire de granulés fins grâce à l'ajout de particules allongées

Rapports scientifiques tome 5,

Rapports scientifiques volume 5, Numéro d'article : 16071 (2015) Citer cet article

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Les sabliers sont utilisés pour enregistrer le temps depuis des milliers d'années en raison de leurs débits constants ; cependant, ils attirent maintenant l'attention pour leur importance scientifique substantielle et leurs applications industrielles étendues. On pense que la présence de particules allongées dans un système granulaire binaire entraîne un écoulement indésirable car leur forme implique une plus grande résistance à l'écoulement. Cependant, nos expériences démontrent que l'ajout de particules allongées peut réduire considérablement la fluctuation d'écoulement des granulés fins et produire un écoulement linéaire stable similaire à celui d'un sablier. Sur la base de données expérimentales et de rapports antérieurs sur la dynamique de l'écoulement, nous avons observé que l'écoulement linéaire est entraîné par «l'effet de particules d'aiguille», y compris l'orientation de l'écoulement, l'agglomération réduite et la perturbation locale. Ce phénomène est observé dans plusieurs systèmes granulaires binaires, y compris les granulés fins et les particules allongées secondaires, ce qui démontre que notre méthode simple peut être largement appliquée à la mesure précise des flux granulaires dans l'industrie.

Un sablier est un instrument de chronométrage qui repose sur le flux constant de sable1. Ces dispositifs ont été étudiés pendant des milliers d'années, fournissant un système pratique pour obtenir des informations spécifiques sur les problèmes scientifiques fondamentaux du comportement de l'écoulement granulaire. Dans la lignée du poème qui dit, "pour voir un monde dans un grain de sable…"2, les matériaux granulaires sont importants dans divers processus et présentent de nombreux phénomènes intrinsèques particuliers3,4,5,6. Dans le processus d'investigations granulaires au cours des deux derniers siècles, les phénomènes classiques7,8 et les travaux expérimentaux typiques9,10 ont été principalement liés à des particules grossières et sans cohésion dont les diamètres sont supérieurs à plusieurs centaines de micromètres. Cependant, de plus en plus de preuves11 indiquent qu'une plus grande attention devrait être accordée à l'application généralisée de granulés fins dans presque tous les aspects de notre vie. Par exemple, des flux linéaires granulaires fins tels que celui d'un sablier sont utilisés dans la production alimentaire, le génie chimique et la fabrication pharmaceutique pour contrôler directement la qualité du produit résultant.

Néanmoins, l'écoulement granulaire reste un problème scientifique compliqué. De nombreux mécanismes d'écoulement non résolus nécessitent une enquête approfondie12,13,14. Les phénomènes oscillatoires rapportés dans le sablier de sable ont été confirmés par des simulations expérimentales et numériques15,16 et sont attribués aux interactions air-solide et à l'organisation spontanée du sable. Les fluctuations d'écoulement liées aux paramètres d'écoulement tels que la porosité, le nombre de coordination, l'amplitude de la vitesse et la contrainte17 ont été étudiées quantitativement à l'aide d'un modèle discret 2D et trois régimes dans le sablier18 ont été obtenus à partir d'enquêtes concernant l'effet d'un fluide interstitiel sur la décharge granulaire. Vivanco et al.19 ont attribué les fluctuations de vitesse à un réseau intermittent d'arcs et de fortes chaînes de force. De fortes forces interparticulaires forment naturellement une distribution inhomogène de chaînes de force filiformes20,21. De plus, les chaînes de force qui se propagent le long d'une chaîne de particules sont susceptibles de former un arc qui peut résister à une certaine pression et empêcher le mouvement solide22,23. En ce qui concerne les transitions de brouillage d'un système granulaire, Majmudar24 et Valverde25 ont observé un comportement en loi de puissance entre la contrainte et la fraction volumique et ont rapporté que la probabilité de brouillage granulaire diminue avec l'augmentation du rapport entre le diamètre de sortie et la taille des particules26.

Il a été démontré que l'aération et les vibrations27 améliorent l'écoulement des granulés fins. La croyance commune suggérerait que la présence de particules en forme d'aiguilles dans un mélange granulaire binaire pourrait affecter négativement la fluidité car les formes en forme d'aiguilles présentent un facteur de résistance à la mobilité élevé. Dans cette lettre, nous signalons que l'ajout de particules en forme d'aiguilles à une poudre fine donne lieu à un écoulement linéaire analogue à celui d'un sablier ; nous élucidons aussi systématiquement le mécanisme de transition. Ce résultat contre-intuitif nous offre l'opportunité de mener un travail de pionnier dans ce domaine.

Pour différents systèmes granulaires binaires, les courbes de perte de poids sont tracées en fonction de la fraction massique des particules allongées (w) sur les figures 1a, c, e ; la forme des courbes passe progressivement d'une forme de terrasse à linéaire avec l'augmentation de w et le meilleur écoulement linéaire est observé à environ 10 à 15 % en poids. L'apparition d'un écoulement discontinu indique qu'un temps périodique existe pendant l'écoulement. Il existe des points de vitesse nulle pour de nombreux cas qui correspondent à l'état d'arc1. Contrairement au cas d'un fluide, le débit est indépendant de la hauteur du lit, sauf sur les derniers centimètres. L'ajout de particules d'aiguille améliore la linéarité de la courbe de perte de poids pendant tout le processus de décharge. Lorsque w augmente, l'amplitude de vibration et la périodicité séquentielle diminuent (Fig. 1b). La série chronologique du débit fluctuant de la figure 1 montre qu'une vitesse de fluctuation de faible amplitude et une courbe d'apesanteur linéaire sont obtenues avec l'augmentation de w. Sur la figure 2a, le degré de linéarité (δ) de l'écoulement granulaire diminue rapidement lors de l'ajout de paille de riz, ce qui correspond à la transition de l'écoulement d'instabilité à continu, correspondant à sa courbe d'apesanteur. De plus, la tendance de l'intensité de fluctuation (I) est similaire à celle de δ, dont les deux valeurs minimales sont de l'ordre de 10 à 15 %. Ce résultat signifie que l'écoulement granulaire sous la quantité d'addition optimisée est analogue à celui d'un sablier, qui est souvent utilisé comme méthode pour mesurer le passage du temps. La diminution de la fluctuation indique également un écoulement granulaire stable.

Les courbes de comportement d'écoulement de différents systèmes granulaires binaires à partir d'une ouverture D0 = 32 mm.

(a) Les courbes de perte de poids du mélange de particules de colonne de billes de verre, (b) La vitesse de fluctuation du mélange de particules de colonne de billes de verre, (c) Les courbes de perte de poids du mélange de particules de colonne de charbon, (d) La vitesse de fluctuation de mélange de particules charbon-colonnes, (e) Les courbes de perte de poids des mélanges charbon-paille de riz, (f) La vitesse de fluctuation du mélange charbon-paille de riz.

Les paramètres de fluctuation en fonction de la fraction massique des particules d'aiguille.

(a) δ contre w, (b) I contre w.

De manière intéressante, nous constatons que le phénomène est observé pour plusieurs systèmes granulaires binaires, ce qui nous permet d'extraire des relations constitutives. Une comparaison détaillée démontre que l'ajout de particules d'aiguilles à une poudre cohésive améliore la dynamique d'écoulement linéaire. Cette observation peut être un phénomène universel.

L'ajout de particules allongées à une poudre fine affecte positivement l'écoulement linéaire des particules fines et le meilleur écoulement linéaire est observé à une teneur en particules allongées d'environ 10 à 15 % en poids. Ce phénomène est appelé "effet de particules en aiguille" sur la base de l'observation et de la forme en aiguille des particules secondaires. Des systèmes granulaires microscopiques aux macroscopiques, nous analysons théoriquement et expérimentalement le mécanisme de l'effet des particules d'aiguille sur la base de la diminution de l'agglomération, de l'orientation des particules d'aiguille et du modèle d'écoulement macroscopique.

Avec une augmentation de w, les particules fines adhèrent aux particules d'aiguille en raison des forces interparticulaires (Fig. 3). La cohésion interparticulaire est réduite lors de la formation de grosses particules, ce qui, à son tour, conduit à une diminution des forces de contact. Pendant ce temps, les particules d'aiguille s'écoulent dans une orientation verticale uniforme, en ligne avec la direction d'écoulement près de la sortie de la trémie, évitant l'arche due aux interactions mécaniques (Fig. 4). Au niveau microscopique, la fluctuation de l'écoulement de la poudre cohésive est principalement contrôlée par un réseau intermittent d'arcs et de chaînes de force complexes28. En raison de leur rapport d'aspect et de leur orientation importants, les particules d'aiguilles possèdent une longueur de perturbation et leur vibration de va-et-vient pourrait rendre la transmission de la contrainte plus uniforme21. Nous soutenons que la transmission des contraintes résulte d'une combinaison d'orientation uniforme et d'un tassement efficace. En raison de leur forme en aiguille, les particules se comportent comme des fibres largement réparties dans le système granulaire binaire. Chaque particule d'aiguille est analogue à un aimant de contrainte qui attire plus de particules fines en raison de sa direction de contrainte similaire. Par conséquent, le rôle des particules d'aiguilles dans un système de poudre fine est analogue au rôle d'un policier face à un embouteillage.

Images des états d'agglomération et d'adhésion.

(a) du charbon pulvérisé, (b) du charbon fin adhère à la surface de la paille de riz, (c) des billes de verre, (d) des billes de verre fines adhèrent à la particule colonnaire.

L'orientation des particules d'aiguille dans l'évolution du modèle d'écoulement granulaire.

(a) à l'état stationnaire, (b) à l'état d'écoulement après 0,5 seconde.

Notre travail révèle une autre observation surprenante : le flux est amélioré dans la gamme , où b est la largeur des particules en aiguille et d est le diamètre des particules hôtes. Lorsque le diamètre des particules d'aiguille diminue, il diminue la surface de perturbation et intensifie la chaîne de force de complexité, augmentant ainsi la force de résistance à l'écoulement. Pour les grosses particules d'aiguilles, le système d'écoulement granulaire doit respecter le critère (où D est le diamètre intérieur de la trémie et D0 est le diamètre de sortie) en raison de l'effet dimensionnel.

Pour caractériser quantitativement la transition du modèle d'écoulement, la force d'agglomération (σp) est introduite pour indiquer le degré de regroupement ; σp est défini comme , où ε est la porosité du système granulaire, F est la force interparticulaire et d est le diamètre des particules de charbon. Notamment, d est le diamètre granulaire après adhésion en raison de l'orientation verticale et du petit nombre de particules d'aiguilles. Dans nos travaux précédents, nous avons déduit l'équation suivante : , où c est la force de cohésion, qui peut être mesurée à l'aide d'un rhéomètre à poudre FT-4 et A est la section transversale d'une section horizontale. Ainsi, σp peut être exprimé par . Ici, la diminution de σp est principalement attribuée à la pénétration et à l'adhérence des particules allongées. Lorsque la fraction massique dépasse une certaine valeur, la cohésion et le diamètre augmentent en raison des interactions mécaniques accrues. Ainsi, l'effet combiné produit un petit changement de σp. Les résultats quantitatifs de la figure 5 sont cohérents avec la discussion précédente du comportement de l'écoulement.

σp en fonction de w.

Le mécanisme prédominant résultant de la décharge instable de poudre cohésive est une étape de voûte et une étape de rupture de voûte multi-alternatives; c'est-à-dire que la présence d'un écoulement oscillant est produite par des arcs d'instabilité. La figure 6 présente un aperçu de ce phénomène. Du fait de ses fortes liaisons interparticulaires, la poudre fine est susceptible de former une voûte à proximité de la sortie de la trémie et cette voûte peut supporter une certaine contrainte. Cette voûte peut se rompre à cause de son poids et à cause de la contrainte des particules au-dessus. Le processus d'oscillation est la raison directe du débit instable, ce qui correspond aux résultats de la Fig. 6a17,19. L'ajout de particules d'aiguille pourrait effectivement diminuer l'intensité de la force, brisant ainsi l'arche pour générer un flux continu. Lorsque la concentration de particules d'aiguilles est élevée, les interactions mécaniques peuvent jouer un rôle important dans la résistance à l'écoulement granulaire.

La comparaison entre l'arc et le flux continu pour différents échantillons.

(a) Charbon pulvérisé, (b) Mélange charbon-paille de riz (15 % en poids de paille de riz).

Les résultats de cette étude contredisent la croyance conventionnelle selon laquelle les particules d'aiguille génèrent un comportement d'écoulement indésirable car leur grand rapport d'aspect entraîne des effets mécaniques. Fait intéressant, l'ajout optimisé de particules d'aiguille peut améliorer efficacement le comportement d'écoulement des poudres fines, ce qui entraîne un écoulement linéaire dans la trémie. Comme décrit dans la réf. Des fluctuations de pression de 3 minutes peuvent provisoirement conduire à l'arrêt de l'écoulement dans un sablier. Dans une trémie non confinée, nous nous attendons à ce que la force d'agglomération réduite et l'orientation de l'écoulement puissent être régulées par l'écoulement linéaire des granulés fins. L'adhérence des particules fines et l'orientation verticale des particules d'aiguille produisent une petite force de cohésion, ce qui réduit la probabilité des phénomènes de voûte et de blocage. La pénétration de particules d'aiguilles dans la poudre cohésive dense pourrait briser davantage l'arc d'instabilité et entraîner un écoulement stable. La diminution de la force d'agglomération fournit une preuve intuitive de la transition d'un écoulement intermittent à un écoulement continu. Par conséquent, compte tenu de nos résultats et des preuves présentées dans la littérature27, nous concluons que l'ajout de particules d'aiguilles peut améliorer efficacement la linéarité de l'écoulement des granulés fins. Sur la base de nos recherches précédentes, lorsque le w des particules d'aiguilles secondaires dépasse une portée appropriée, les caractéristiques d'écoulement se détériorent en raison de forts effets mécaniques. Ainsi, pour obtenir le comportement d'écoulement requis, une quantité modérée de particules secondaires doit être ajoutée.

En résumé, l'ajout d'une petite quantité de particules d'aiguilles à une poudre cohésive améliore l'écoulement linéaire, de la même manière que dans un sablier. D'un point de vue pratique, ce travail pourrait être largement utilisé dans les applications de production en raison de l'utilisation généralisée de l'écoulement granulaire et de l'importance de la fluidité. Pour le passage d'un écoulement intermittent à un écoulement continu, nous avons mis en évidence le mécanisme dominant. Plutôt que l'aération et les méthodes mécaniques, l'ajout de particules secondaires améliore le flux stable en raison de son inertie à la conversion chimique. Plus important encore, cette approche pourrait être appliquée à la fabrication de produits pharmaceutiques, qui exige des mesures précises, ouvrant une nouvelle approche pour compléter le cadre théorique granulaire.

Pour confirmer l'effet de particules d'aiguilles, nous avons choisi du charbon pulvérisé, de fines billes de verre, de la paille de riz et une colonne en PVC. Les diamètres de Sauter des billes de charbon et de verre étaient respectivement de 22,1 μm et 17,9 μm. Les rapports d'aspect de la paille de riz et de la colonne étaient de 4,31 et 5,39 et leurs largeurs étaient de 325 μm et 395 μm, respectivement. Étant donné que la teneur en humidité est un facteur clé affectant les propriétés d'écoulement d'une poudre, la teneur en humidité du matériau expérimental a été contrôlée pour être inférieure à 2 %, telle que mesurée par un humidimètre infrarouge MA150.

Le système expérimental (Fig. 7) se composait d'une trémie transparente, d'un système de capteur de pesée et d'une caméra à grande vitesse. Les expériences ont été menées sur la prémisse que l'écoulement granulaire était régulier et continu. Dans notre étude précédente, il a été démontré que la trémie satisfaisait à la norme expérimentale grâce à l'étude de la décharge par gravité. Ses paramètres structuraux étaient les suivants : un diamètre de colonne de 150 mm, un cône avec un angle de demi-ouverture de 15°, un diamètre de sortie de 32 mm et une hauteur de 220 mm. Pour capturer l'orientation claire des particules d'aiguille, une trémie bidimensionnelle (largeur de 1,5 cm) et une caméra à grande vitesse ont été utilisées. La largeur de la trémie était cinq fois la longueur la plus longue des particules d'aiguille, ce qui évitait l'orientation verticale des particules en raison de l'effet dimensionnel. Pour analyser la stabilité du taux de décharge, un système de poids dynamique en ligne a été utilisé pour enregistrer le changement de poids de la trémie. Les données peuvent être utilisées pour construire une courbe de variation de masse. Des microimages des mélanges ont été recueillies par un microscope électronique à balayage pour confirmer l'apparition de l'adhésion.

Le schéma de principe du système expérimental.

Pour quantifier avec précision les fluctuations de l'écoulement granulaire, le débit moyen peut être écrit , où m est le poids total des échantillons et t est le temps d'écoulement. Le degré de linéarité (δ) est défini comme , où Δmmax est l'écart maximal entre la masse instantanée et la masse linéaire. La vitesse instantanée (Wt) est définie comme , où mi et ti sont respectivement la masse et le temps instantanés. La vitesse de fluctuation (W′) peut être calculée par . Pour quantifier la stabilité de l'écoulement, l'intensité de fluctuation (I) peut être exprimée en .

La cohésion (c) correspond à l'ordonnée à l'intersection de la limite élastique sur l'axe de la contrainte de cisaillement, qui est souvent composée de la résistance de la morsure mutuelle des granules et de l'effet conjugué de la condensation et des colloïdes. Il peut être obtenu après l'essai de cisaillement.

Comment citer cet article : Guo, Z. et al. Amélioration du flux linéaire de granulés fins grâce à l'ajout de particules allongées. Sci. Rep. 5, 16071; doi : 10.1038/srep16071 (2015).

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Les auteurs sont reconnaissants pour le programme national de R&D sur les technologies clés (2012BAA09B02), Programme pour les excellents talents du nouveau siècle à l'université (NCET-12-0854).

Laboratoire clé de gazéification du charbon et de génie chimique énergétique du ministère de l'Éducation, Université des sciences et technologies de Chine orientale, PO Box 272, Shanghai, 200237, République populaire de Chine

Zhiguo Guo, Xueli Chen, Yang Xu et Haifeng Liu

Shanghai Engineering Research Center of Coal Gasification, East China University of Science and Technology, PO Box 272, Shanghai, 200237, République populaire de Chine

Zhiguo Guo, Xueli Chen, Yang Xu et Haifeng Liu

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HFL et XLC ont conçu et conçu des expériences. ZGG et YX ont réalisé la plupart des expériences et analysé les données. Tous les auteurs ont contribué à la discussion des résultats et à la rédaction du manuscrit.

Les auteurs déclarent une absence d'intérêts financiers en compétition.

Ce travail est sous licence internationale Creative Commons Attribution 4.0. Les images ou tout autre matériel tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans la ligne de crédit ; si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons, les utilisateurs devront obtenir l'autorisation du titulaire de la licence pour reproduire le matériel. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Réimpressions et autorisations

Guo, Z., Chen, X., Xu, Y. et al. Amélioration du flux linéaire de granulés fins grâce à l'ajout de particules allongées. Sci Rep 5, 16071 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16071

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Reçu : 19 novembre 2014

Accepté : 06 octobre 2015

Publié: 09 novembre 2015

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

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