Диспергирование фрезами

Содержание

1. Процесс диспергирования
2. Эффект Doughnut
3. Принцип работы фрезы по разрушению агломерированных твердых компонентов смеси
4. Принцип работы фрезы и оптимизация состава смеси
5. Перенос лабораторных результатов в производственные условия
6. Окружная скорость вращения в зависимости от числа оборотов и диаметра фрезы
7. Что следует предпринять, если не достигнут желаемый эффект диспергирования?
8. Реологические свойства смеси
9. Диспергирование в вакууме

Диспергирование в лаборатории, исследовательских цехах и производстве с диссольверами DISPERMAT®

1. Процесс диспергирования

Основной задачей диссольвера является распределение твердых веществ в жидкой среде и получение коллоидных систем. Коллоидные системы отличаются тем, что распределенные в жидкости частицы твердых веществ не осаждаются под действием земного притяжения, а остаются во взвешенном состоянии. При диспергировании происходят три основных процесса.

Речь идет о следующих процессах:

• Процесс диспергирования: Смачивание, разделение, стабилизация.

• Смачивание поверхности частиц твердого вещества жидкой средой
• Механическое разделение и измельчение ассоциированных частиц (агрегатов и агломератов)
• Стабилизация возникших в результате диспергирования новых, более мелких частиц и предотвращение их повторного слипания (флокуляции)

Процесс смачивания частиц твердого вещества и их стабилизации для защиты от дополнительной флокуляции зависит от взаимодействия между твердой и жидкой фазами.

Эффект Doughnut

Наилучшие результаты диспергирования смеси на диссольвере DISPERMAT достигаются в том случае, когда основные параметры процесса согласованы между собой: Геометрия и диаметр рабочей емкости, окружная скорость вращения фрезы и глубина ее погружения в смесь, а также реологические свойства смеси.

• Все зависит от эффекта Doughnut!

После смешения твердых и жидких компонентов смесь, вследствие повышения частоты вращения вала, должна находиться в равномерном вращательном движении (до полного исчезновения неподвижных зон). Получается воронка, внутри которой образовывается пустота, где видна середина фрезы. Это и называется эффектом Doughnut.

Этим самым Вы достигаете самое эффективное разрушение агломератов, которое происходит в районе движения фрезы. Эффект Doughnut образуется при ламинарном течении в тех случаях, когда смесь отбрасывается вращающейся зубчатой фрезой наружу к стенкам емкости, где поток разделяется на две части.

Нижний поток смеси устремляется к центру дна емкости под вращающийся вал, а затем снова поднимается наверх к зубчатой фрезе. Второй поток образует воронку, которая хорошо видна сверху.

Характер текучести воронки при эффекте Doughnut зависит от количества твердых компонентов в смеси. При пониженном содержании твердых компонентов вязкость смеси оказывается слишком низкой, что приводит к разбрызгиванию и вспениванию смеси. Кроме того, снижение механической энергии приведет к значительному ухудшению диспергирующей способности фрезы. С другой стороны, если содержание твердых компонентов слишком высоко, повышенная вязкость смеси в целом не позволяет добиться оптимального характера текучести. При этом образуется так называемая граница текучести, и смесь остается практически неподвижной. Как следствие, зубчатая фреза проскальзывает в массе или, в крайнем случае, вращается вхолостую.

3. Принцип работы фрезы по разрушению агломерированных твердых компонентов смеси

При вращении фрезы с повышенной скоростью перед ее зубцами образуется зона повышенного давления, а за ними – зона разрежения. Попеременное воздействие повышенного давления и разрежения на агломераты твердых частиц приводит к их разрушению.

Кроме того, зубцы фрезы оказывают также ударное действие на частицы смеси. Значительная часть работы по диспергированию частиц происходит также на верхней и нижней поверхностях фрезы. При скоростном вращении фрезы на ее поверхностях образуются вихревые потоки массы, в которых разрушаются агломераты твердых частиц. Вихревой поток, образующийся, прежде всего, на нижней поверхности фрезы, в значительной степени зависит также от расстояния между фрезой и дном емкости. При уменьшении этого расстояния интенсивность этого вихревого потока увеличивается. Благодаря этому увеличивается скорость потока между нижней поверхностью фрезы и дном емкости и геометрия в рабочей емкости появляется возможность увеличения скорости вращения диссольверного вала, так как в этом случае переход от ламинарного к турбулентному течению массы происходит значительно позднее.

Кроме того, благодаря увеличению частоты вращения вала становится возможным дальнейшее увеличение механической энергии смешивания, обеспечивающей эффективность диспергирования. Как правило, наилучшие результаты диспергирования достигаются в том случае, когда работа проводится с максимальной механической энергией смешивания без разрушения образующейся в емкости воронки (эффекта Doughnut).

Механическая энергия смешивания P (W) определяется по частоте вращения n (1/с) и вращающему моменту M (Nm) вала (π = 3,141.....).

P = 2π n M

Геометрия в рабочей емкости

Окружная скорость вращения в зависимости от числа оборотов и диаметра фрезы

Рекомендуемый диаметр фрезы в зависимости от вязкости и размера рабочей емкости.

4. Метод работы и оптимизация состава смеси

Чаще всего на практике применяется следующая технологическая последовательность: Сначала в рабочую емкость вводят жидкие компоненты. Затем при медленном вращении вала порциями вводят такое количество порошкообразных компонентов, при котором с увеличением скорости вращения вала до 18 - 25 м/с происходит образование воронки (эффект Dougnut).

• Не надо бояться больших оборотов!

После предварительного перемешивания необходимо снять остатки смеси со стенок емкости и диссольверного вала. Только после этого проводится собственно диспергирование предварительно перемешанной смеси, при этом в диспергируемой массе должна образоваться воронка. При проведении этой работы следует использовать преимущества диссольверов DISPERMAT®. Не надо бояться высоких скоростей вращения вала! При использовании фрезы диаметром 25 мм вал диссольвера должен вращаться со скоростью 15000 мин-1, чтобы фреза могла достичь окружной скорости 20 м/с. Окончательный эффект диспергирования на диссольверах DISPERMAT® достигается через 10 - 15 минут работы. Дальнейшая работа диссольвера, как правило, не приводит к улучшению результатов диспергирования агломератов; как показывают анализы проб, устанавливается окончательный размер частиц. Если предъявляются повышенные требования к размеру частиц или к обработке агломератов, плохо поддающихся диспергированию, требуется применение мельницы.

5. Перенос лабораторных результатов в производственные условия

Одним из важнейших условий успешной работы является возможность переноса результатов диспергирования, полученных на диссольверах, в основное производство.

Ранее уже отмечалось, что результат диспергирования зависит как от движения агломератов вокруг зубчатой фрезы, так и от количества механической энергии, вводимой в смесь в емкости для диспергирования. Количество механической энергии является тем параметром, который определяет максимальный конечный результат разрушения агломератов, а движение агломератов определяет длительность процесса, которая необходима для достижения конечного результата диспергирования. Диспергирование агломератов происходит, как правило, в зоне действия усилий сдвига, которая образуется на рабочих поверхностях зубчатой фрезы. Величина образующихся усилий сдвига (оптимальные результаты диспергирования) определяется краевой конструкцией зубчатой фрезы, поскольку именно эта часть фрезы вращается в массе с максимальной скоростью.

По этой причине скорость (окружная скорость вращения 12 фрезы) может быть использована в качестве критерия при переносе результатов лабораторных исследований в производственные условия. Однако данное утверждение относится только к оценке конечного результата процесса диспергирования, но не к его длительности. В диссольверах DISPERMAT® конечный результат обычно достигается быстрее, так как в лабораторном диссольвере траектория движения агломератов до зубчатой фрезы короче, чем в промышленных диссольверах. Точное воспроизведение окончательных результатов диспергирования достигается в тех случаях, когда температура массы в лабораторном диссольвере соответствует температуре массы в промышленном оборудовании. По этой причине при работе с диссольверами DISPERMAT® рекомендуется использовать двухстенные темперированные емкости. Для достижения в лабораторном диссольвере такой же окружной скорости вращения фрезы, как и в промышленном оборудовании, вал лабораторного диссольвера должен вращаться постоянно и стабильно с повышенной скоростью. При использовании различных зубчатых фрез окружная скорость легко рассчитывается по вышеуказанной формуле.

6. Окружная скорость вращения в зависимости от числа оборотов и диаметра фрезы

Ниже приведены три примера, на которых приведена зависимость окружной скорости от числа оборотов и диаметра фрезы. Зеленым цветом отмечен наиболее благоприятный интервал величин окружной скорости (18 - 25 м/с).

Пример для смеси объемом 100 мл, обрабатываемой на лабораторном диссольвере DISPERMAT®

Пример для смеси объемом 2500 мл, обрабатываемой на лабораторно- исследовательском диссольвере DISPERMAT®

Пример для смеси объемом 30 л, обрабатываемой на лабораторно- исследовательском диссольвере DISPERMAT®

7. Что следует предпринять, если не достигнут желаемый Эффект диспергирования ?

В случае, если результат диспергирования не соответствует предъявляемым требованиям, необходимо проверить следующие параметры процесса:

Длительность диспергирования Диссольвер позволяет достичь оптимума диспергирования в течение 10-15 минут работы. Продолжительность работы более 20 мин, не приводит, как правило, к улучшению результатов.	Флокуляция Образование хлопьевидных агрегатов (флокуляция) из мелких частиц дисперсной фазы. Избавиться можно при помощи соответствующих диспергирующих добавок.
Эффект Doughnut В течение всего процесса необходимо контролировать сохранение воронки.	Температура В процессе диспергирования в продукт вносится энергия, что приводит к повышению температуры продукта. При этом движение потока продукта нарушается и отрицательно сказывается на качестве. В таких случаях рекомендуется использование рабочих емкостей с двойными стенками.
Частота вращения Повышение частоты вращения вала (и тем самым увеличение окружной скорости вращения) позволяет вводить в смесь дополнительную механическую энергию, не разрушая эффект Doughnut.	Компоненты смеси Возможна частичная корректировка рецептуры с помощью замены компонентов. При этом надо помнить, что диссольвер предназначен для диспергирования, а не для размола компонентов. Диссольвер не может разрушить первичные частицы вещества.
Геометрия емкости Изменить расстояние между фрезой и дном емкости.	Вакуум Для минимального попадания воздуха в продукт рекомендуется прорабатывать высоковязкие продукты под вакуумом.
Количество смеси Уменьшить или увеличить объем смеси.	Аддитивы При помощи добавления различных аддитивов можно значительно улучшить и ускорить процесс диспергирования и качество.
Фреза Применять фрезы различного размера.	Содержание твердых компонентов Дилатантное течение потока смеси загустевающего при добавлении сухих компонентов не влияет на эффект Doughnut.

8. Реологические свойства смеси

Для достижения оптимальных результатов диспергирования необходимо контролировать реологические свойства смеси. К сожалению, реологические свойства нельзя охарактеризовать одним параметром, например, только вязкостью. Вязкость представляет собой способность вещества растекаться под действием внешних усилий сдвига и подвергаться необратимым деформациям.

Коэффициент вязкости, часто называемый просто вязкость, зависит от свойств вещества и определяется как соотношение касательного напряжения сдвига и скорости сдвига. Только в ньютоновских жидкостях вязкость является постоянной (например, в воде, минеральных маслах). Все другие жидкости, не имеющие такого свойства, называются неньютоновскими, они встречаются гораздо чаще. В рецептурах смесей используются сложные по реологическим свойствам вещества. Для их характеристики используются такие термины, как кажущаяся вязкость, пластическое поведение, граница текучести, тиксотропия, реопексия и дилатансия.

общевзятый диапазон вязкости:
низкая вязкость μ < 500 мПа.с
высокая вязкость > 5000 мПа.с
средняя вязкость μ = 500 – 5000 мПа.с

9. Диспергирование в вакууме

При диспергировании с помощью диссольвера воздух часто попадает в диспергируемую смесь. При использовании веществ низкой и средней вязкости воздух удаляется сам уже во время или, в крайнем случае, после процесса диспергирования; часто этому способствует введение в смесь добавки. Однако при использовании продуктов с более высокой степенью вязкости и пределом текучести (см. также «Реологические свойства смеси») воздух, попавший в смесь, не всегда выходит наружу.

В данном случае процесс диспергирования должен обязательно осуществляться с применением вакуума во избежание попадание воздуха и микропузырьков, которые могут проникнуть в используемую массу через мельчайшие поры и отверстия в поверхности. Кроме того, часто необходимо применять скребковую систему для счищения диспергируемой смеси с внутренней стенки емкости и доставки ее в центральную часть емкости. Благодаря такому подходу в процессе диспергирования будет задействован весь загруженный материал.

Основные преимущества вакуумного диспергирования:

• Возможность получать высоковязкие смеси без пузырьков воздуха
• Образование пены сводится к минимуму, особенно в водянистой среде
• С применением вакуума можно легко получать продукты, которые вступают в реакции с образованием кислорода или влажности.
• При вакуумном диспергировании качество продукта (тонкодисперсность) заметно выше