粉体(粉粒体)は無数の粒子の集合体として考えられます。このようなものは、粉体(粉粒体)の全体的な(マクロ的な)挙動は、粉体(粉粒体)を構成する個々の粒子間の(ミクロ的な)相互作用に影響されます。それにより、粉体(粉粒体)の独特的な挙動が生じます。典型的な例としては、a)偏析現象、b)ブリッジ現象などが挙げられます。

a)偏析現象
b)ブリッジ現象

a)偏析現象

粉体に粒度分布がある場合、粉体プロセス(混合)では、粒子の大きさや密度の違いに起因して、慣性力効果やふるい効果などのメカニズムが複合的に関わります。その結果として、粒子が分離し、粒度ムラ(偏り)が生じます。この現象を偏析現象と呼びます。偏析は、粉体を均一に混合する上での大きな課題となるため、これを抑制し、効率的に混合するための様々な混合装置が開発されています。

b)ブリッジ現象

ブリッジ現象とは、サイロやホッパーの出口付近で、粒子同士や粒子と壁の間が引っ掛かったり、結合したりして、粉体がアーチ状の構造(ブリッジ)を形成し、粉体の流れが妨げられる現象です。この現象は、粉体プロセスにおける代表的なトラブルの一つとして知られています。この問題を解決のため、サイロやホッパーの設計(出口部分のサイズや傾斜)が重要であることが知られております。

粉体の挙動を予測・再現する技術として、離散要素法(Discrete Element Method, DEM)があります。DEMでは、粉体を構成する個々の粒子を個々の独立した要素として取り扱い、要素間の相互作用を取り扱うことにより、粉体全体の挙動を再現します。

c) 相互作用モデルの例

DEMでは、要素間に作用する相互作用として、摩擦力、引力効果(ファン・デル・ワールス効果など)、静電気効果などを柔軟に考慮できます。この特長により、粉体の偏析現象やブリッジ現象など、粉体処理におけるトラブルを解決するための装置の稼働条件の最適化や装置の改良に、DEMは非常に有効です。シミュレーションを通じて、粒子間の相互作用を詳細に解析することで、現象の理解が深まり、装置設計やプロセス改善に役立ちます。

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