1. Waarom ontmengen poeders?

Wat is segregatie of ontmenging van poeders of bulkvastestoffen?

De moeilijkheidsgraad van mengen is voornamelijk te wijten aan verschillen in deeltjesgroottes. Als de spreiding in deeltjesgroottes binnen een mengsel groot is, zal het langer duren om de optimale CV-homogeniteit te bereiken, en zal de waarde van de CV hoger zijn dan voor een mengsel met deeltjes van vergelijkbare groottes.

Omgekeerd zal een mengsel bestaande uit deeltjes van verschillende afmetingen altijd de neiging hebben om te scheiden, waarbij de deeltjes van één grootte zich in één gebied groeperen en de deeltjes van een andere grootte in een ander gebied. Dit fenomeen wordt segregatie of ontmenging genoemd. Het moet worden opgemerkt dat elk industrieel mengsel zal bestaan uit deeltjes van verschillende afmetingen, wat betekent dat elk mengsel onderhevig zal zijn aan ontmenging in bewerkingsstappen na de menger en dat segregatie op natuurlijke wijze de homogeniteit zal beperken die in een bepaalde menger kan worden bereikt.

Segregatie is afhankelijk van grootte, dichtheid, vorm en veerkracht van de deeltjes. Maar zoals eerder vermeld, is de primaire factor de grootte van het deeltje, en met name het verschil in grootte tussen de deeltjes van het mengsel [2]. De verhouding waarbij het verschil in deeltjesgrootte problemen van segregatie veroorzaakt, varieert volgens verschillende auteurs. In de literatuur [3] [4] wordt als vuistregel aangegeven dat segregatie een probleem zal zijn bij een verhouding van deeltjesgroottes > 1,3, > 3 of > 5.

De vorm van deeltjes is interessant: als deeltjes complexe vormen hebben die leiden tot vergrendeling tussen elkaar, en dus tot een slechte stromingseigenschap, zullen ze moeilijk te mengen zijn. Maar eenmaal gemengd, zal het vergrendelingseffect de segregatie verminderen in vergelijking met wat er gebeurt met vrijstromende materialen.

2. Wat zijn de mechanismen van segregatie?

Hoe ontstaat ontmenging van poeders?

Er zijn voornamelijk 5 mechanismen die leiden tot segregatie [1] [2]

Segregatie-effect	Uitleg
Percolatie-segregatie	Wanneer het mengsel wordt bewogen, openen de ruimtes tussen grote deeltjes en kunnen kleine deeltjes eronder komen. Herhaling van de beweging maakt dat de kleine deeltjes zich aan de onderkant van het mengsel concentreren, terwijl de grove deeltjes bovenaan blijven. Typische eenheidsbewerkingen die dit ontmengingsmechanisme veroorzaken: vullen en ontladen van een silo, het kippen van poeder in vrije val in een hoop in een silo of container
Drijfsegregatie (in een Wervelbed)	Grote deeltjes drijven op het bed van vaste stoffen. Dit komt door de trilling van het mengsel, waardoor kleine deeltjes onder de grote deeltjes kunnen stromen. Typische eenheidsbewerkingen die dergelijke problemen veroorzaken: trillende zeven (als deze niet correct worden bediend, met te veel product op het zeefdek, zal het fenomeen toenemen), silo's met trillende bodems, triltafels voor Big Bags
Transportsegregatie	Tijdens transport in een gasstroom worden deeltjes van verschillende groottes onderworpen aan verschillende krachten en zullen daarom verschillende paden volgen, wat leidt tot segregatie. Het is het gas in een pneumatische transportleiding waar sleepkrachten bijvoorbeeld niet gelijkmatig worden toegepast op grote en kleine deeltjes, wat leidt tot verschillende transportsnelheden. Bij de ontvangst van een transportleiding, bijvoorbeeld in een silo, zal de traagheid van de deeltjes afhangen van hun grootte en zullen ze verschillende trajecten volgen, wat leidt tot segregatie.
Elutriatie	Dit fenomeen lijkt enigszins op het vorige, maar moet worden overwogen bij vrij vallend materiaal: de fijnen (< 50 micron) zullen langer in de lucht zweven dan grove deeltjes en zullen uiteindelijk bovenaan het poeder terechtkomen of aan de leiding- of trechterwand hechten.
Agglomeratie-segregatie	Het kan gebeuren dat bepaalde componenten klonten vormen. Deze klonten zullen lokale inhomogeniteit in het mengsel veroorzaken, aangezien ze lokaal veel materiaal van één soort concentreren. Dit kan bijvoorbeeld het geval zijn wanneer materiaalophoping op de wanden van een silo loslaat in een mengsel. Een typisch voorbeeld is een voedselproducent die zakjes verkoopt die klonten bevatten, de klant ziet dan onmiddellijk de inhomogeniteit.

Al de bovenstaande fenomenen kunnen leiden tot niet-uniformiteit van poeders.

3. Segregatie in mengers

Onder de verschillende soorten mengers zullen de diffusiemengers en de afschuifmengers segregatie veroorzaken bij vrijstromende deeltjes van verschillende groottes.

Diffusiemengers zijn bijzonder gevoelig voor dit fenomeen, aangezien ze ook vatbaar zijn voor segregatie met cohesieve poeders; ze kunnen zelfs de aggregatie van poeders bevorderen. Sommige ontwerpen, zoals asymmetrische poten voor een V-menger (1 poot langer dan de andere) of een bi-conus met een verschoven kegel, kunnen echter helpen om segregatie te minimaliseren door symmetrische stroming van deeltjes in de menger, die segregatie bevordert, te voorkomen.

Pneumatische gewervelbedden zullen aan hun kant gevoelig zijn voor dichtheidsverschillen tussen deeltjes.

4. Goede praktijken

Hoe kan ontmenging van poeders worden voorkomen?

Zoals hierboven uitgelegd, zullen segregatieverschijnselen optreden. De vraag is hier dus meer hoe de effecten te minimaliseren in plaats van ze volledig te vermijden.

Om ontmenging te minimaliseren, indien u de mogelijkheid heeft een nieuw proces te ontwerpen, is het belangrijk het aantal processtappen te minimaliseren, van de mixer tot het gebruikspunt (vulmachine of doseerinrichting voor verdere verwerking).Plaats de mixer zodanig dat u het aantal eenheidsbewerkingenkunt verminderen, met name door vrije val te vermijden (en zeker hellende oppervlakken waarover het poeder kan rollen), mechanisch transport, pneumatisch transport... zodat de uniformiteit van het poeder behouden blijft. Het kan ook voordelig zijn, voor mixers uitgerust met een roerwerk, om de mixer op lage snelheid (belangrijk om stofexplosierisico’s te vermijden) te laten draaien tijdens het lossen, om te voorkomen dat een laag fijn materiaal zich bovenop het wervelbed afzet, nadat het mengen is voltooid, terwijl de mixer nog in bedrijf is.

Sommige literatuurbronnen [1] suggereren het poeder te bevochtigen om deeltjes aan elkaar te binden en een zekere mate van agglomeratie te bereiken: dit is lang niet in alle situaties toepasbaar. Indien de deeltjesgroottes sterk verschillen, dient men na te gaan of verkleining (malen ) van bepaalde componenten voor het mengen een optie is.

Over het algemeen moeten trechtervormige silo’s met "funnel flow" worden vermeden. Een tip is dat het ontwerp van silo’s als massastroom-silo’s toelaat om, tot op zekere hoogte, de componenten bij de silo-uitlaat te hermengen (maar als het product gewoon uit de silo in een hoop wordt gestort, zal het opnieuw ontmengen).

Ten slotte is de keuze van de mixer zeer belangrijk, aangezien sommige mixers beter in staat zijn de neiging tot scheiding van deeltjes te overwinnen en een goede menguniformiteit te bereiken. Dit geldt bijvoorbeeld voor dubbel-as paddlemixers.

Bronnen

[1] Perry's Chemical Engineers Handbook
[2] Principles of Powder Technology, Martin Rhodes et al, Wiley
[3] Antwoorden op enkele veelgestelde mengvragen, Kaye, PBE
[4] Antwoorden op 10 veelgestelde vragen over batchmengen, Michel, PBE