对于产业界在现场和生产工艺中因“粉体物性的特殊性”而出现的问题,前辈们试错了很多对策,并最终一一予以解决。在本文中,工程师吉原伊知郎先生(吉原伊知郎工程师事务所)将为大家解说粉体所引发的各种问题及其对策。
· 一般性问题的对策
粉末工程师们是如何应对行业中所产生的问题的
前辈们已经向我们展现了,当粉体问题多发时,多数情况下是由不同因素累积而引发的,并且会表现出复杂的状况,但通过将它们分解成简单的要素并逐一相应采取对策,就有可能最终解决问题。
所谓“粉体所引发的故障”,除放大和设备选型错误外,可分类为以下10种类型(这些是根据日本粉体工业技术协会的问卷调查结果,由笔者在职业生涯中予以总结,粉体工程师们可以随时实验再现并记住的内容)。
· 堵塞、粘连、磨损
· 泄漏、流动、飞扬
· 蓄热、起火、粉尘爆炸
· 包括静电现象的偏析
前6个也可以换成“堵塞”、“粘连”、“磨损”、“漏粉”、“冲流”、“飞散”的说法。尽管不可能一一列举出所有的实际问题,但我们会针对每种情况的应对措施做一些实际案例的解说。
一般性问题的对策
事前、事后处理与其他应对措施
处理问题有两种方法:一种是提前处理所有可能的情况(事前应对处理),另一种是在情况发生之后予以应对处理(事后应对处理)。前者往往成本高昂,而后者则会让客户因耗费时间而感到不满,给设备负责人带来沉重的精神负担。
但除此以外,在粉体设备工艺现场,会采用另外一种问题应对措施。那就是对于虽然存在可能性,但实验中并没有问题的事项,“预先在现场做好应对处理的准备,但是需要花钱的部分并非全部准备完成”,用登山术语来说,就是采用了类似于“逃生路线”的问题解决对策。
当今社会,无论技术有多么优秀、经验有多么丰富,因为“报价过高”而没有被采纳的工艺提案案例数不胜数。如果方案采纳决策者是了解技术的成员,那不会有什么大问题,但在有些组织中,其决策机制并非如此。
但是,对于粉体,即使以“相同的化学式”、“相同的水分值”和“相同的粒度分布”等数值予以表述,依然有若干粉体的“流动系数”、“传质系数”和“总传热能力系数”各不相同。这是因为粉体的表面结构、表面的物理化学性质以及颗粒内部的孔隙率等各不相同,所以就表现出形态等方面千差万别的物理性质。
这就是为什么保证性能的粉体设备制造商会将他们放大时用于进行实验的实验材料一直存储到试运转结束之后。为保密起见,多数情况下有一部分原料粉体成分并不会公开,但即便如此,实验所用的原料也必须保存至试运行结束后。根据笔者的经验,实验材料是放在一个密封的容器中,并在依法没有任何人能够触及的情况下由第三方保存。
在某些案例中,甚至还有粉体设备用户仅仅只是改变了采购原材料的产地,就导致流动系数发生改变的情况。在这种情况下,粉体的表面形态不同,可通过照片判明球面系数和表面边缘的存在。
一位有着诸多排障经验的粉体工程师意识到即使是同名粉体,其物理性质也可能会发生变化,并构建了一套包含上述10种问题的应对措施的生产工艺。
逃生路线式的问题对策
在此,仅举部分案例。
堵塞问题
安装底座和喷嘴,以便可以安装气动敲击器、振动器和曝气器等设备,并预先用嵌套盖关闭喷嘴。
万一出现问题,请安装敲击器或振动器,或添加曝气设备。
磨损问题
预先确保发生磨损的区域能够拆卸设备,以便能够在探讨构成材料的同时更换磨损部件。需要注意的是,并非必须使用高级材料,有时,频繁更换廉价的通用材料可能会更好。
粉体泄漏对策
被加热的轴会因热膨胀等引起偏心运动,在这种情况下,轴密封件需要密封在垂直于偏心运动的表面上。这就是机械密封的原理。为此,需要有空间可以在之后安装新的密封组件,即使一开始只是简单的轴密封,也需要准备一个在出现问题时可以快速更换的空间,所以有许多机械密封是采用能够一分为二的结构,并且可在之后组装起来。
飞溅问题
预先计算出空气流速,以便在出现问题时,可以通过快速添加旁路或提供能够增加空气通过部分横截面积的空间,使得流速降低。
蓄热、起火、粉尘爆炸
没有采取逃生措施。对此,必须预先执行“排放孔”、“爆破板”、“燃烧控制喷射”、“惰性气体闭合回路”、“紧急关闭阀”或“抗震建筑结构”等规划,并将其反映在工艺中。
照片1 体验堵塞问题的“2维储罐”实验
照片2 释放因粉尘爆炸而导致的压力上升的扩散孔演示
重要的是,对于实验确认中不太可能发现的因素,换句话说,也就是对于优先级较低的因素,“我们会准备对策计划,但并不会完成全部准备工作” ,而对于优先级较高(影响重大)的因素,则会“预先完成全部应对措施”的这一构想。之后添加零件时,也是以“无需进行现场焊接/高空作业,仅需安全完成拆卸/组装作业即可予以应对处理”这一构想为原则。从这个角度来说,根据各个对象工艺的特点仔细衡量其重要度的排序,至关重要。
终章~期望在未来获得解析的粉体行为
一般来说难以从感官印象予以理解的“粉体/粉体层行为”,有望在未来通过目前正由众多研究人员开发的“粉体模拟技术”得到进一步的充分解析。在作为多相流体的流变学领域,“湿沙的行为”和“鞋油的行为”已经在数学上得到了阐释。而我们所熟悉的“地基流化现象”的表现原因也在从“多相流体”的角度进行讨论,另一方面,分子、原子的运动和作为天体的群星的运动,也可以理解为由宇宙赋予初速度的粒子群或者说是粉体行为。
执笔:工程师 吉原伊知郎(吉原伊知郎工程师事务所)