Przygotowanie Proszków. Przygotowanie Proszków Ceramicznych. Rozdrabnianie. Suszenie, Granulowanie. Ciecz, Środki powierzchniowe

Transkrypt

1 Przygotowanie Proszków Przygotowanie Proszków Ceramicznych Rozdrabnianie kruszenie, mielenie Suszenie, Granulowanie Ciecz, Środki powierzchniowe Proszki do prasowania Gęstwy Masy plastyczne Rozdrabnianie - jednostkowa operacja technologiczna z użyciem urządzeń rozdrabniających, polega na zmniejszaniu wielkości ziaren (zwiększeniu powierzchni swobodnej) materiału rozdrabnianego (nadawy) poprzez działanie sił mechanicznych, czynników chemicznych i innych. ROZDRABNIANIE Mechaniczne Chemiczne siły zewnętrzne zgniatanie łamanie ścieranie ścinanie udar siły specjalne wstrząs cieplny zmiana ciśnienia napromieniowanie rozpuszczanie roztwarzanie spalanie ługowanie 1

2 Energia akustyczna - 5 % Energia mielenia 5-15 % Bilans energetyczny rozdrabniania mechanicznego Energia cieplna % Energia tarcia % Energia dostarczona Sposoby rozdrabniania mechanicznego zgniatanie łamanie ścieranie ścinanie udar Opis energetyczny procesu rozdrabniania E r E n E p E o akustyka, ciepło, naprężenia nowa powierzchnia czyli w przybliżeniu E r 2 G V 0,5 E γ ΔS E r - energia rozdrabniania, G - naprężenie zniszczenia, V - objętość ziarna, S - powierzchnia ziarna, γ - energia powierzchniowa, E - moduł Younga Jakie materiały lepiej się rozdrabniają? 2

3 zużycie energii, Eo, kwh/mg Opis energetyczny procesu rozdrabniania Równanie Walkera ΔE 0 ( D d) K n d ΔE 0 przyrost właściwej (na jednostkę masy nadawy) energii rozdrabniania, K stała, D - średni rozmiar ziaren przed rozdrobnieniem, d średni rozmiar ziaren po rozdrobnieniu; Autor n E 0 Wniosek Kick 1 E 0 = K K ln(d/d) Bond 1,5 E 0 = K B (d -0.5 D -0.5 ) Rittinger 2 E 0 = K R (d -1 D -1 ) Energia rozdrabniania jest proporcjonalna do średniej objętości ziarna. Energia rozdrabniania zależy od objętości i powierzchni ziaren. Energia rozdrabniania jest proporcjonalna do powierzchni powstałych ziaren. Opis energetyczny procesu rozdrabniania n = 4 mielenie kruszenie n = Kick n = 1,5 f(d) = n = de o = Cdd/d f(d) rozmiar ziarna, d, mikrometrów Kruszenie rozdrabnianie dużych, makroskopowych, brył materiału (surowców) do uziarnienia umożliwiającego dalszą obróbkę proszku; IN dziesiątki i pojedyncze centymetry; OUT milimetry, ułamki milimetra; Kruszarki: szczękowe; udarowe; walcowe (bębnowe); stożkowe;. 3

4 Kruszenie kruszarka szczękowa Stosowana do wstępnego kruszenia materiałów o małej i średniej podatności na rozdrabnianie. Rozdrabnianie następuje w procesach zgniatania, ścinania i zginania pomiędzy szczęką stałą a ruchomą. Typy kruszarek szczękowych: z dolnym zawieszeniem szczęki ruchomej (typu Dodge); z górnym zawieszeniem szczęki ruchomej; kruszarki szczękowe dwurozporowe (typu Blake); kruszarki szczękowe jednorozporowe (typu Dalton); konstrukcje specjalne (np. Rotex, szczękowe udarowe itp). Kruszenie kruszarka szczękowa Stosowana do wstępnego kruszenia materiałów o małej i średniej podatności na rozdrabnianie. Rozdrabnianie następuje w procesach zgniatania, ścinania i zginania pomiędzy szczęką stałą a ruchomą. Przykładowo: Kruszarka Blake (dwurozporowa) - szczęka ruchoma jest zamocowana na stałej osi i napędzana wałem mimośrodowym, wykonuje ona ruch prosty wokół stałej osi; Kruszenie kruszarka szczękowa Stosowana do wstępnego kruszenia materiałów o małej i średniej podatności na rozdrabnianie. Rozdrabnianie następuje w procesach zgniatania, ścinania i zginania pomiędzy szczęką stała a ruchomą. Przykładowo: Kruszarka typu Lyon kruszarka mimośrodowa, ruch szczęki jest złożony posuwisto-mimośrodowy, zmienna jest szerokość szczeliny wyjściowej; 4

5 Kruszenie kruszarka szczękowa Stosowana do wstępnego kruszenia materiałów o małej i średniej podatności na rozdrabnianie. Rozdrabnianie następuje w procesach zgniatania, ścinania i zginania pomiędzy szczęką stała a ruchomą. Przykładowo: Kruszarka Dodge a szczęka ruchoma zawieszona jest przy szczelinie wyjściowej o stałej szerokości; Kruszenie kruszarka udarowa Stosowana do wstępnego kruszenia materiałów w większej twardości. Rozdrabnianie następuje w procesie udaru pomiędzy bijakami (ruch obrotowy) a odpowiednio profilowanymi i wzmocnionymi ścianami urządzenia. Kruszenie kruszarka udarowa Stosowana do wstępnego kruszenia materiałów w większej twardości. Rozdrabnianie następuje w procesie udaru pomiędzy bijakami a wzmocnionymi ścianami urządzenia. 5

6 Kruszenie kruszarka udarowa - młotkowa Stosowana do wstępnego kruszenia materiałów w większej twardości. Rozdrabnianie następuje w procesie udaru pomiędzy bijakami (ruch obrotowy + zamachowy) a wzmocnionymi i odpowiednio profilowanymi ścianami urządzenia. Kruszenie kruszarka walcowa Stosowana do kruszenia materiałów w szerokim zakresie wielkości ziaren. Rozdrabnianie następuje w procesie udaru i tarcia pomiędzy obracającymi się walcami zębatymi (większe ziarna) lub gładkimi (mniejsze ziarna). Kruszenie kruszarka stożkowa Stosowana do kruszenia materiałów w szerokim zakresie wielkości ziaren. Rozdrabnianie następuje w procesie udaru i tarcia pomiędzy obracającymi się stożkami, przeciw- lub współbieżnymi. 6

7 Kruszenie Problemy technologiczne związane z procesem kruszenia: dobór urządzenia; zanieczyszczenie surowca materiałem kruszarki; spodziewany poziom uziarnienia; rozkład wielkości ziaren; rozdrabnianie proszku do uziarnienia umożliwiającego formowanie wyrobu i jego spiekanie; kruszarka ściskanie młyn rolkowy udar młyn strumieniowy ścieranie ściskanie udar młyn łopatowy młyn wibracyjny młyn kulowy 0, rozmiar ziaren, mm Klasyfikacja procesu w zależności od średniej wielkości ziarna po procesie rodzaj mielenia zgrubne 5 0,5 mm młyny dezintegratory, młyny palcowe, kołognioty średnie μm rurowe, prętowe, kulowe drobne koloidalne 5 50 μm 5 0,1 μm obrotowe, obrotowo-wibracyjne, perełkowe, pierścieniowe strumieniowe, pierścieniowe, perełkowe, mieszadłowe (attritor) nano < 100 nm perełkowe, mieszadłowe, planetarne 21 7

8 Jak kontrolować postęp mielenia: I. Zmiana morfologii proszku; 1. Ocena stopnia rozdrobnienia analiza sitowa, pozostałość na sicie; 2. Zmiana rozkładu wielkości ziaren krzywe rozkładu; 3. Zmiana rozwinięcia powierzchni BET, kondensacja kapilarna; II. Zmian parametrów procesu: 1. Zmiana wydajności młyna; 2. Jednostkowe zużycie energii; Jak określić moment końca mielenia? Kiedy proszek jest zmielony? 22 od czego zależy podatność na mielenie: 1. właściwości mechaniczne materiału wytrzymałość, odporność, twardość, ścieralność; 2. struktura materiału; 3. wielkość ziaren nadawy, rozkład wielkości ziaren, kształt ziaren; Jak mleć materiały twarde i supertwarde? 23 czynniki wpływające na proces mielenia: 1. Materiał mielników i okładzin; 2. Rozkład wielkości mielników; 3. Stopień wypełnienia młyna; 4. Proporcje: masa-mielniki-ciecz; 5. Czas mielenia; 6. Prędkość obrotowa; 7. RODZAJ MŁYNA; 24 8

9 czynniki wpływające na proces mielenia: 1. Materiał mielników i okładzin; 2. Rozkład wielkości mielników; 3. Stopień wypełnienia młyna; 4. Proporcje: masa-mielniki-ciecz; 5. Czas mielenia; 6. Prędkość obrotowa; 7. RODZAJ MŁYNA; Materiał Gęstość, g/cm 3 Krzemionka 2,50 2,65 Porcelana twarda 2,25 2,45 Korund 3,85 4,05 TZP 5,60 5,85 Si 3 N 4 3,20 3,44 Węgliki spiekane czynniki wpływające na proces mielenia: 1. Materiał mielników i okładzin; 2. Rozkład wielkości mielników; 3. Stopień wypełnienia młyna; 4. Proporcje: masa-mielniki-ciecz; 5. Czas mielenia; 6. Prędkość obrotowa; 7. RODZAJ MŁYNA; Średnica kul [mm] Zestaw szybko-mielący do mas twardych Zestaw szybko-mielący do mas miękkich 63,5 32,1% 50,8 17,5% 16,0% 44,5 11,7% 10,4% 38,1 6,9% 21,5% 31,8 30,8% 13,1% 25,4 16,0% 6,9% 22,2 10,6% 19,1 6,5% czynniki wpływające na proces mielenia: 1. Materiał mielników i okładzin; 2. Rozkład wielkości mielników; 3. Stopień wypełnienia młyna; 4. Proporcje: masa-mielniki-ciecz; 5. Czas mielenia; 6. Prędkość obrotowa; 7. RODZAJ MŁYNA; 9

10 czynniki wpływające na proces mielenia: 1. Materiał mielników i okładzin; 2. Rozkład wielkości mielników; 3. Stopień wypełnienia młyna; 4. Proporcje: masa-mielniki-ciecz; 5. Czas mielenia; 6. Prędkość obrotowa; 7. RODZAJ MŁYNA; MASA : MIELNIKI : WODA 1 : 1 : (1 1,2) Formuła Brongniarta m S ρz ρw ρ ρ ρ gdzie: m S masa substancji stałej, ρ Z gęstość zawiesiny, ρ W gęstość wody, ρ S gęstość fazy stałej; S W Z czynniki wpływające na proces mielenia: 1. Materiał mielników i okładzin; 2. Rozkład wielkości mielników; 3. Stopień wypełnienia młyna; 4. Proporcje: masa-mielniki-ciecz; 5. Czas mielenia; 6. Prędkość obrotowa; 7. RODZAJ MŁYNA; czynniki wpływające na proces mielenia: 1. Materiał mielników i okładzin; 2. Rozkład wielkości mielników; 3. Stopień wypełnienia młyna; 4. Proporcje: masa-mielniki-ciecz; 5. Czas mielenia; 6. Prędkość obrotowa; 7. RODZAJ MŁYNA; 10

11 czynniki wpływające na proces mielenia: 1. Materiał mielników i okładzin; 2. Rozkład wielkości mielników; 3. Stopień wypełnienia młyna; 4. Proporcje: masa-mielniki-ciecz; 5. Czas mielenia; 6. Prędkość obrotowa; 7. RODZAJ MŁYNA; Prędkość obrotowa młyna dla optymalnego wypełniania młyna = 55 % 0,706 1 ν kr [ s ] D 0,536 1 ν opt [ s ] D czynniki wpływające na proces mielenia: 1. Materiał mielników i okładzin; 2. Rozkład wielkości mielników; 3. Stopień wypełnienia młyna; 4. Proporcje: masa-mielniki-ciecz; 5. Czas mielenia; 6. Prędkość obrotowa; 7. RODZAJ MŁYNA; Mielenie zgrubne młyn palcowy (dezintegrator) przeznaczony jest do mielenia wstępnego kruchych, miękkich i średnio twardych materiałów (surowce ilaste, wapienie, skalenie, ), elementami roboczymi młyna są dwie tarcze (ruchoma i stała) ułożone względem siebie równolegle w płaszczyźnie pionowej, na których rozmieszczonych jest współśrodkowo po kilka rzędów palców, które po zamknięciu młyna zachodzą pomiędzy siebie. Nadawę młyna kieruje się centralnie do przestrzeni pomiędzy tarczami poprzez zasypnik umieszczony na ścianie przedniej. Produkt mielenia opuszcza przestrzeń roboczą przez sito cylindryczne, który opasuje obie tarcze. 11

12 Mielenie zgrubne kołogniot gniotownik (jedno- lub dwuobiegowy), kruszarka kołowa, cienki walec wykonany z twardego materiału obracający się dookoła zewnętrznej osi, niska wydajność; Mielenie średnie młyn rurowy Walec wypełniony mielnikami, ściany wewnętrzne żebrowane, z reguły podzielony na sekcje oddzielone separatorami, obracający się wokół własnej osi. Przesuwające się wzajemnie i uderzające o siebie mielniki (kule lub prety) mielą nadawę. Do pracy ciągłej lub okresowej. Mielenie średnie młyn kulowy Rodzaj młyna rurowego, komora w kształcie cylindra lub stożka ściętego wypełniona mielnikami, z gładkimi ścianami wewnętrznymi, obracający się wokół własnej osi (z prędkością większą niż młyn rurowy), praca okresowa lub ciągła, do materiałów o zróżnicowanej podatności na mielenie; Prędkość mielenia V m A a m ρ d r A stała zależna od rodzaju młyna i rodzaju proszku; a promień młyna; r - gęstość kuli; r promień kuli; d wielkość ziarna. 12

13 Mielenie średnie młyn kulowy Rodzaj młyna rurowego, walec wypełniony mielnikami, z gładkimi ścianami wewnętrznymi, obracający się wokół własnej osi (z prędkością większą niż młyn rurowy), praca okresowa lub ciągła, do materiałów o zróżnicowanej podatności na mielenie; Mielenie drobne młyn wibracyjny Nieruchomy cylinder wypełniony mielnikami, drgający z częstością rzędu 10 Hz, przeznaczone do pracy okresowej lub ciągłej, mielenie na sucho i na mokro; Mielenie drobne młyn wibracyjny Nieruchomy cylinder wypełniony mielnikami, drgający z częstością rzędu 10 Hz, przeznaczone do pracy okresowej lub ciągłej, mielenie na sucho i na mokro; Wady młyna wibracyjnego? Jak im zaradzić? 13

14 Mielenie koloidalne młyn obrotowo-wibracyjny Pary cylindrów (komór) wypełniony mielnikami, drgający z częstością rzędu 10 Hz w przeciwfazie, wykonujące jednocześnie ruch obrotowy wokół wspólnej osi, przeznaczone do pracy okresowej, mielenie na sucho i na mokro; Mielenie koloidalne młyn perełkowy Cylindryczny pojemnik wypełniony drobnymi mielnikami (perełki), które są intensywnie mieszane mieszadłami wielotarczowymi, cylindrycznymi lub kielichowymi, oś mieszadła może być pionowa lub pozioma (martwe strefy), do pracy ciągłej (obieg gęstwy) lub okresowej, mielenie na mokro; Mielenie koloidalne i nano młyn mieszadłowy(attritor) Rodzaj młyna perełkowego, cylindryczny pojemnik wypełniony drobnymi mielnikami mieszanymi intensywnie mieszadłami prętowymi, praca w trybie ciągłym lub okresowym, oś pionowa lub pozioma, mielenie na mokro; 14

15 Mielenie koloidalne i nano młyn strumieniowy Młyn bez mielników i części ruchomych, zawiesina proszku wdmuchiwana jest z dużą prędkością do cylindra, na pobocznicy cylindra umieszczone są dysze, przez które wprowadzane są strumienie gazu zmieniające ruch cząstek proszku, ziarna zderzając się ze sobą i trąc o siebie ulegają rozdrobnieniu; Mielenie koloidalne i nano młyn strumieniowy Mielenie koloidalne i nano młyn planetarny zawiesina proszku wdmuchiwana jest z dużą prędkością do cylindra, na pobocznicy cylindra umieszczone są dysze, przez które wprowadzane są strumienie gazu zmieniające ruch cząstek proszku, ziarna zderzając się ze sobą i trąc o siebie ulegają rozdrobnieniu; 15

16 powierzchnia właściwa, m /g porównanie 24 attritor młyn planetarny korund, S w = 0,8 m 2 /g 16 8 młyn wibracyjny młyn kulowy czas mielenia, h zagadnienia do dyskusji 1. Optymalizacja procesu mielenia co to znaczy? 2. Konsekwencje procesu mielenia; 3. Czy można sterować rozkładem wielkości ziaren; 4. Granulowanie Cechy granul jednomodalny i wąski rozkład wielkości, sferyczne kształty, gładkość powierzchni, duża sypkość, niska wytrzymałość Jak zrobić granulę? 16

17 Granulowanie proces podstawowy CIECZ + LEPISZCZE jakiego rodzaju? działanie ZWILŻANIE ABSORPCJA SUSZENIE GRANULA PROSZEK Co dodać do cieczy? Do jakiej cieczy? Granulowanie granulator talerzowy (dyskowy) intensywne przesypywanie proszku z dodatkami powierzchniowymi Granulowanie bębnowy proszek przesypuje się swobodnie wewnątrz bębna zaopatrzonego w przegrody, w trakcie przemieszczania jest zwilżany rozpylana cieczą; 17

18 Granulowanie granulator bębnowy zwilżony proszek lub masa przeciskany jest przez perforowaną przegrodę, fragmenty masy są odcinane po stronie zewnętrznej przegrody Granulowanie mikser cylinder z mieszadłem, w zależności od prędkości obrotowej w fazie początkowej rozdrabnia i miesza surowce, po dodaniu cieczy granuluje Granulowanie suszarnia rozpyłowa gorący gaz zawiesina cyklon granulat 18

19 Granulowanie suszarnia rozpyłowa sposoby wprowadzania zawiesiny do komory suszącej Granulowanie suszarnia rozpyłowa zmiany parametrów w obrębie komory suszącej ruch cząstek wilgotność ruch powietrza Granulowanie suszarnia rozpyłowa Do czego jeszcze można wykorzystać suszarnię rozpyłową? 19

20 Granulowanie granulator fluidalny zawiesina proszek gaz Granulowanie granulator fluidalny sposoby prowadzenia procesu Czy ta metoda jest lepsza od suszenia rozpyłowego? Granulowanie granulator fluidalny 20

21 Granulowanie granulator kriogeniczny zawiesina gaz suszenie próżniowe ciekły azot Granulowanie granulator kriogeniczny różnice pomiędzy suszeniem a sublimacją brak skurczu wysoka gęstość wysoka jednorodność kropla zawiesiny skurczu podczas suszenia możliwe pustki gęsta otoczka granula granula sublimacja suszenie Granulowanie granulator kriogeniczny 21

22 Granulowanie do dyskusji 1. Jaka jest idealna granula? 2. Czy granule muszą być sferyczne? 3. Czy stosowane metody są specyficzne? 4. 22