В первой части нашей статьи мы рассматривали важные теоретические моменты диспергирования, такие как:
механизм разрушения агломератов фрезой; эффект пончика (эффект Doughnut), возникающий при ламинарном течении потока; основные стадии процесса и их особенности.

Вторя часть, как мы и обещали ранее, будет более направлена  на практические аспекты данного процесса. Мы затронем методы повышения эффективности диспергирования и некоторые особенности, возникающие при масштабирования от лабораторных проб к производственным партиям.

Эффективное диспергирование

  1. Перенос лабораторных результатов в производственные условия

Самый ответственный момент разработок – это, несомненно, переход от лабораторных исследований к промышленным масштабам. Важно помнить, что для успеха в этом процессе, лабораторный и производственный диссольвер должны согласовываться по своим основным конструкционным решениям и техническим характеристикам. Геометрия рабочей емкости, форма и размер фрезы, скорость вращения вала, время диспергирования и возможность поддержания необходимой температуры – все эти параметры должны учитываться для успешного масштабирования.

Ранее мы уже упоминали, что на результат диспергирования влияет как скорость движения агломератов вокруг фрезы, так и  величина механической энергии, передаваемая смеси от вала двигателя. Механическая энергия – это параметр, который определяет максимально возможную степень разрушения агломератов. Скорость, с которой происходит перемещение агломератов вблизи фрезы диссольвера, обуславливает время, необходимое для достижения оптимального результата диспергирования.

Процесс деагломерации в основном происходит в областях сдвига на рабочих поверхностях фрезы. Величина силы сдвига достигает своих максимальных значений на зубьях, которые находятся по краю фрезы и вращаются в смеси с наибольшей скоростью. Именно по этой причине периферическая скорость (скорость по краю фрезы) должна рассматриваться как ключевой параметр при масштабировании лабораторных результатов. Это утверждение относится к максимально достижимой степени диспергирования, а не ко времени, необходимому для его достижения. На лабораторных диссольверах диспергирование проходит всегда быстрее, чем на промышленных, поскольку путь, который агломераты должны пройти, чтобы достичь диска, меньше, чем в более габаритном  оборудовании.

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 нижеприведенной формуле:

Окружная скорость в дисхаревьлос

Точная корреляция между лабораторным и промышленным диспергированием, несомненно, будет зависеть и от температурных условий. Не стоит забывать, что даже незначительный нагрев на 1-2 градуса малых проб объемом, к примеру, на 100 мл, которым часто пренебрегают, может нелинейно возрастать при увеличении партии аналогичного продукта до 200 и тем более до 1 000 литров. Это может иметь крайне негативные последствия для диспергирования и самого продукта. Поэтому, для контроля и поддержания необходимой температуры рабочей массы рекомендуется уже на этапах лабораторных исследований использовать емкости с охладительной рубашкой.

от лабораторных к промышленным диссольверам

Например, производитель лабораторных и пилотных диссольверов ATP Engineering (Нидерланды) создавал свою линейку приборов в тесном сотрудничестве с испанской компанией OLIVER + BATLLE, которая занимается проектированием промышленного оборудования для лакокрасочной отрасли . Это позволило учесть все основные моменты, связанные с геометрией и механикой процесса, в результате чего их оборудование хорошо согласуется и позволяет получать легко воспроизводимые в производственных условиях результаты.

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

В этом разделе приведено три примера, показывающие зависимость окружной скорости от числа оборотов и диаметра фрезы. Зеленым цветом выделен оптимальный интервал величин окружной скорости (18 – 25 м/с).

1) Смесь объемом 100 мл. На маленьких объемах для достижения необходимой скорости потребовалось использовать высокие обороты.

диспергирование

 

 

 

 

 

 

 

2) Смесь объемом 2,5л.

диспергирование

 

 

 

 

 

 

 

 

3) Смесь объемом 2,5л.

диспергирование

 

 

 

 

 

 

 

Из приведенных примеров четко видно влияние числа оборотов и диаметра фрезы на достижение оптимальной окружной скорости при увеличении объемов смеси.

  1. Как повысить эффективность диспергирования?

Конечно же, самый интересующий пользователей вопрос – что следует предпринять, если не удается достигнуть желаемой степени диспергирования? Ниже приведены параметры, на которые следует обратить внимание:

параметры для диспергирования

  1. Реология смесей

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.

вязкость

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.

свойства вещества

Смесь должна демонстрировать умеренную дилатансию без явно заметного значения предела текучести, которое может препятствовать свободной циркуляции смеси во время диспергирования. Реологические свойства не должны слишком сильно изменяться в процессе диспергирования при увеличении или понижении числа оборотов диспергирующего диска.

Поэтому, для контроля вязкости и других реологических параметров смеси  рекомендуется использовать ротационные вискозиметры и реометры. Для контроля на производстве удобнее всего применение портативных и промышленных вискозиметров. Если первые, кроме своего размера и мобильности, практически ничем по своим характеристикам не отличаются от лабораторных, то датчик промышленного вискозиметра может быть установлен непосредственно в рабочую емкость с продуктом  или даже в трубопровод. Это позволяет проводить онлайн измерения в процессе диспергирования  без дополнительного отбора проб.

Также полезно знать, как жидкости подразделяются на группы в зависимости от диапазонов вязкости:

  • низкая вязкость μ < 500 мПа*с
  • средняя вязкость μ = 500 – 5000 мПа*с
  • высокая вязкость > 5000 мПа*с
  1. Преимущества диспергирования в вакууме

При диспергировании с помощью диссольверов часто может наблюдаться захватывание смесью довольно большого количества воздуха и, как результат, вспенивание продукта.

Если в случаях с  веществами низкой и средней вязкости воздух выходит из смеси сам еще во время или вскоре после окончания диспергирования (часто для этого также могут использоваться пеногасители), то при обработке продуктов с более высокой степенью вязкости и пределом текучести воздух, попавший в смесь, не всегда может самостоятельно удалиться из смеси.

В подобных случаях диспергирование настоятельно рекомендуется проводить под вакуумом. Это помогает избежать попадания микропузырьков воздуха через мельчайшие поры и отверстия в поверхности. Что немаловажно, при вакуумном диспергировании удается добиться и заметно более высокого  качество продукта (улучшается тонкодисперсность).

С применением вакуума также можно легко получать продукты, которые вступают в реакции с кислородом или влагой воздуха.

Кроме того, для повышения эффективности при работе с вязкими веществами имеет смысл применять скребковую систему для удаления налипающей на внутренние стенки емкости смеси и возврата ее в рабочий объем. Благодаря такому подходу в процессе диспергирования будет задействован весь загруженный материал.

Надеемся, данная информация была для Вас полезной. Если остались вопросы или нужна консультация для подбора диспергирующего оборудования, свяжитесь с нами, и мы постараемся Вам помочь.

В следующем цикле статей мы планируем рассмотреть важные моменты в использовании бисерных мельниц при производстве тонкодисперсных лакокрасочных продуктов.

По вопросам приобретения лабораторных и промышленных диссольверов – обращайтесь к официальному представителю Оливер+Батли и АТР Engineering в Украине – компании Текса!