plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAà W POZNANIU
Vol. 29 nr 4
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji
2009
DOROTA CZARNECKA-KOMOROWSKA
BADANIE UKàADU MIESZADàO – MIESZALNIK
DO PODKàADÓW AKRYLOWYCH
W artykule przedstawiono wyniki badaĔ doĞwiadczalnych związanych z doborem parametrów
procesu mieszania mieszaniny ciaáo staáe – ciecz stosowanej do produkcji podkáadów akrylowych.
Badania wykonano dla trzech mieszadeá tarczowych Z typu disolver o róĪnych parametrach geometrycznych. Oceniono efektywnoĞü ukáadów mieszających na podstawie analizy wyników czasu
mieszania i wielkoĞci zdyspergowanych cząstek wypeániaczy w mieszalniku. Badania wykazaáy,
Īe wielkoĞü cząstek maleje wraz ze wzrostem parametrów geometrycznych mieszadeá. NajwyĪszą
efektywnoĞü mieszania uzyskano dla ukáadu d/D | 0,54 wyposaĪonego w mieszadáo d21 o Ğrednicy
51 mm.
Sáowa kluczowe: mieszanie, dyspergowanie, mieszadáo, mieszalnik, podkáad akrylowy
1. WPROWADZENIE
Na rynku przemysáu samochodowego obserwuje siĊ coraz wiĊksze zapotrzebowanie na takie wyroby, jak podkáady i lakiery przeznaczone do renowacji
karoserii samochodowych. Zmusza to producentów tych wyrobów do poszukiwania nowych rozwiązaĔ, które pozwolą przyspieszyü produkcjĊ oraz zmniejszyü koszt przy zachowaniu odpowiednich wáaĞciwoĞci fizykochemicznych
produktów [5, 10].
Podkáady akrylowe, które stanowią przedmiot prezentowanych badaĔ, ze
wzglĊdu na bardzo dobrą przyczepnoĞü do podáoĪa typu blacha ocynkowana,
nierdzewna i aluminiowa, a takĪe tworzywo sztuczne zapewniają bardzo dobrą
ochronĊ antykorozyjną i izolacyjną wyrobów [10].
W produkcji podkáadów akrylowych powszechnie wykorzystuje siĊ technologiĊ mieszania. Celem mechanicznego mieszania jest rozprowadzenie mieszanych substancji tak, aby uzyskaü jak najbardziej jednorodną mieszaninĊ w caáej
masie i utrzymaü ją w takim stanie [10].
Mieszanie polega na ujednorodnieniu danego ukáadu, natomiast dyspergowanie na rozbiciu i rozproszeniu cząstek jednego skáadnika w innym. Rozdziaá
Dr inĪ. – Instytut Technologii Materiaáów Politechniki PoznaĔskiej.
D. Czarnecka-Komorowska
52
aglomeratów w urządzeniu dyspergującym nastĊpuje gáównie przez naprĊĪenia
Ğcinające, a w niewielkim stopniu przez kolizjĊ cząstek [2, 8, 10]. NajczĊĞciej
stosuje siĊ mieszalniki mechaniczne, które skáadają siĊ ze zbiornika, mieszadáa
i napĊdu [1, 6]. Podczas mieszania dąĪy siĊ do uzyskania jak najwiĊkszej efektywnoĞci zmieszania skáadników. Na efektywnoĞü mieszania istotny wpáyw
wywierają rodzaj i konstrukcja mieszadáa oraz sposób usytuowania mieszadáa w
zbiorniku [8]. W warunkach przemysáowych proces taki prowadzony jest zwykle w klasycznych aparatach zbiornikowych [3, 7, 9]. Dobór mieszadáa zaleĪy
przede wszystkim od wáaĞciwoĞci ukáadu poddanego mieszaniu, tj. lepkoĞci fazy
ciągáej oraz procentowego udziaáu fazy rozpraszanej. Do ukáadów o duĪej lepkoĞci i duĪym udziale fazy rozpraszanej naleĪy stosowaü mieszadáa charakteryzujące siĊ maáą cyrkulacją, ale duĪym naprĊĪeniem Ğcinającym. Do mieszadeá,
które wywoáują promieniowy przepáyw cieczy, naleĪą mieszadáa tarczowe (tarcza Z typu disolver) [4].
Celem prezentowanych badaĔ byáo wytypowanie optymalnego ukáadu mieszalnik mieszadáo do produkcji podkáadów akrylowych oraz ocena jego efektywnoĞci na podstawie czasu mieszania i Ğredniej wielkoĞci zdyspergowanych
cząstek wypeániaczy.
2. PRZEDMIOT BADAē
Przedmiotem badaĔ byáa mieszanka oparta na Īywicy akrylowej z wypeániaczami. Aby wytypowaü ukáad mieszający do podkáadu akrylowego, dobrano
skáad mieszanki przedstawiony w tablicy 1.
Tablica 1
Skáad mieszanki do podkáadu akrylowego
The mixture of the acrylic filler blend used
Lp.
Skáadniki mieszanki
1
2
3
4
5
ĩywica akrylowa
Wypeániacz 1: talk M15
Rozpuszczalnik: octan metylu
Wypeániacz 2: biel tytanowa
ĝrodek upáynniający: BYK 410
IloĞü [g]
200
200
70
50
1,5
Badano trzy rodzaje mieszadeá tarczowych z tarczą Z typu disolver model
Lightnin R-500 (rys. 1) o dwóch Ğrednicach d1 i d2. Mieszadáa róĪniáy siĊ wysokoĞcią zĊba (hz) i gruboĞcią blachy (gt). Ukáady byáy badane trzykrotnie z uĪyciem kaĪdego mieszadáa. Wybór mieszadeá do badaĔ podyktowany byá koniecznoĞcią uzyskania duĪej efektywnoĞci mieszania. Parametry geometryczne mieszadeá przedstawiono w tablicy 2.
Badanie ukáadu mieszadáo – mieszalnik ...
53
Tablica 2
Parametry geometryczne mieszadáa typu tarcza Z (disolver) [10]
Geometric parameters of the Z impeller used [10]
a)
Rodzaj mieszadáa
ĝrednica
[mm]
WysokoĞü
zĊba hz [mm]
GruboĞü
gt [mm]
Liczba zĊbów
z, [szt.]
Mieszadáo
1
Mieszadáo
2
Mieszadáo
3
d11 = 55
d12 = 65
d21 = 51
d22 = 67
d31 = 51
d32 = 67
5,3
1
16
5,6
2
16
6,5
2
16
b)
Rys. 1. Schemat (a) i widok ogólny (b) mieszadáa tarczowego Z typu disolver model Lightnin R-500
Fig. 1. A scheme (a) and a overall view (b) of the Z impeller (dissolver), Lightnin R-500
Mieszadáa z tarczą Z typu disolver stosowane są w procesach dyspergowania,
do mieszania cząstek ciaáa staáego z lepkimi cieczami, do rozrywania cząstek
wáóknistych, do kruszenia ciaáa staáego itd. [8]. Zadaniem mieszadáa dyspergującego jest doprowadzenie do granicznego stopnia rozdrobnienia, czyli do maksymalnego moĪliwego rozdrobnienia ukáadu w danym urządzeniu dyspergującym [1].
3. METODYKA BADAWCZA
3.1. Warunki prowadzenia badania
Badania prowadzono w celu doboru optymalnego ukáadu mieszającego mieszadáo – mieszalnik do podkáadów akrylowych. Skáadniki podkáadu akrylowego
poddano zdyspergowaniu z uĪyciem trzech rodzajów mieszadeá. Mieszanie pro-
54
D. Czarnecka-Komorowska
wadzono do momentu osiągniĊcia przez mieszaninĊ okreĞlonej temperatury. Po
zakoĔczeniu mieszania pobierano próbkĊ, którą analizowano pod wzglĊdem
stopnia zdyspergowania cząstek wypeániaczy.
Mieszanie prowadzono w cylindrycznym, páaskodennym aparacie zbiornikowym bez przegród o wymiarach: D = 90
mm (Ğrednica aparatu) i H = 49 mm (wysokoĞü napeánienia cieczą). Mieszadáo
zawieszono nad dnem aparatu na wysokoĞci h = 16,5 mm. Stosunek odlegáoĞci
dolnego mieszadáa od dna aparatu do
wysokoĞci napeánienia aparatu cieczą
h/H | 0,3. Schemat wytypowanego mieszalnika pokazano na rys. 2.
Przed rozpoczĊciem mieszania mierzono temperaturĊ Īywicy. Mieszanie
prowadzono ze staáą prĊdkoĞcią obrotową n = 1000 obr/min. RozcieĔczalnik
Rys. 2. Schemat wytypownego mieszalnika
dodawano w dwóch porcjach, tj. 60 g
Fig. 2. Scheme of the selected mixer
dodawano na początku wraz ze wszystkimi sypkimi skáadnikami, a drugą czĊĞü
(10 g) po osiągniĊciu przez ukáad temperatury 40qC (313,15 K). Mieszanie prowadzono do momentu, w którym ukáad ponownie osiągnąá temperaturĊ 40qC.
Podczas mieszania zmierzono nastĊpujące parametry:
temperaturĊ początku Tp i koĔca procesu Tk,
czas osiągniĊcia przez ukáad temperatury 40qC, t40,
czas koĔca mieszania tk .
TemperaturĊ badanych ukáadów mierzono termoparą. Ponadto okreĞlano lepkoĞü kaĪdej drugiej próbki otrzymanej przez wymieszanie kolejnymi mieszadáami. LepkoĞü dynamiczna ukáadu symulującego podkáad akrylowy mieĞciáa siĊ
w przedziale K = 8500 ÷ 11000 mPa˜s. Wszystkie skáadniki ukáadów mieszanych byáy waĪone z dokáadnoĞcią do ±1 g.
3.2. Ocena wielkoĞci cząstek wypeániacza
WielkoĞü cząstek wypeániacza analizowano metodą optyczną z wykorzystaniem urządzenia Mastersizer z przystawką Hydro 2000S do pomiaru rozkáadu
wielkoĞci cząstek „na mokro” w laboratorium Politechniki PoznaĔskiej na Wydziale Technologii Chemicznej. Za wielkoĞü kryterialną Ğredniej cząstki wypeániacza ds przyjĊto wielkoĞü oczka sita, dla której 90% populacji cząstek ciaáa
staáego miaáa wielkoĞü mniejszą bądĨ równą.
Badanie ukáadu mieszadáo – mieszalnik ...
55
4. WYNIKI BADAē I ICH OMÓWIENIE
Prezentowane wyniki w pierwszej kolejnoĞci dotyczą badania ukáadów z zastosowaniem mieszadeá o róĪnych parametrach geometrycznych, na podstawie
których dobrano ukáad mieszający. OkreĞlono temperaturĊ początku i koĔca
mieszania, czas osiągniĊcia przez ukáad temperatury 40qC oraz wielkoĞü cząstek
wypeániacza dla 3 kolejnych cykli mieszania. Parametry pomiarów dla wybranego mieszadáa d11 przedstawiono w tablicy 3. Do analizy porównawczej wykorzystano wartoĞci uĞrednione z tych pomiarów.
Tablica 3
Wyniki zmierzonych parametrów dla mieszadáa d11 = 55 mm
The measurement parameters results for the impeller d11 = 55 mm
KolejnoĞü
mieszania
Tp [qC]
Tk [qC]
t40 [min]
tk [min]
ds [Pm]
Mieszanie 1
Mieszanie 2
Mieszanie 3
22,70
23,00
22,71
40,0
40,0
40,0
17,50
17,00
17,00
24,00
23,01
23,50
49,93
41,68
43,24
Na wyniki badaĔ skáadają siĊ pomiary czasów mieszania i wielkoĞci zdyspergowanych cząstek wypeániaczy uzyskane dla mieszadeá o Ğrednicy d11, d21, d31
i mieszalnika o stosunku d/D § 0,54 (tabl. 4) oraz mieszadeá o Ğrednicy d12, d22, d32
i mieszalnika o stosunku d/D § 0,67 (tabl. 5).
Tablica 4
Wyniki badaĔ mieszania z uĪyciem mieszadeá d11, d21, d31 i mieszalnika do podkáadu akrylowego
The dispersing results for d11, d21, d31 impellers and the dissolver for the acrylic filler
Rodzaj mieszadáa
mieszalnik d/D § 0,54
Parametry
d11
d21
d31
ĝredni czas koĔca mieszania tk [min]
23,50
22,30
19,31
ĝrednia wielkoĞü cząstki ds [Pm]
44,95
21,45
22,36
Analizując zmierzony czas mieszania, moĪna zauwaĪyü, Īe w grupie mieszadeá o mniejszych Ğrednicach d11, d21, d31 najkrótszy Ğredni czas mieszania tk, wynoszący 19,31 min, uzyskano dla mieszadáa d31. W przypadku mieszadeá o Ğrednicach d11, d21 moĪna zauwaĪyü niewielkie skrócenie czasu mieszania. Jest to spowodowane tym, Īe wraz ze wzrostem wysokoĞci zĊba i gruboĞci mieszadáa maleje nieznacznie jego Ğrednica. Czas mieszania ulega znacznemu skróceniu wraz
z kolejnym wzrostem wysokoĞci zĊba w mieszadle d31 w stosunku do mieszadáa
D. Czarnecka-Komorowska
56
d21 (z 5,6 mm do 6,5 mm). Mieszadáo to w porównaniu z mieszadáem d11 ma
dwukrotnie grubszą tarczĊ, a zĊby wyĪsze o 1,2 mm. W tej grupie mieszadeá pod
wzglĊdem czasu mieszania ukáadu symulującego swoimi wáaĞciwoĞciami podkáad akrylowy najefektywniejsze okazaáo siĊ mieszadáo d31.
Analizując badane mieszadáa pod wzglĊdem efektywnoĞci dyspergowania
skáadników ukáadu, stwierdzono, Īe najmniejszą wielkoĞü cząsteczek uzyskano,
stosując mieszadáo d21. Dalsze zwiĊkszanie parametrów geometrycznych mieszadáa powoduje szybszy wzrost temperatury podczas mieszania. Sam proces
mieszania ulega skróceniu, lecz nie pozwala to na dokáadne zdyspergowanie
wypeániaczy w Īywicy.
Tablica 5
Wyniki mieszania z uĪyciem mieszadeá d12, d22, d32 i mieszalnika do podkáadu akrylowego
The dispersing results for d12, d22, d32 impellers and the dissolver for the acrylic filler
Rodzaj mieszadáa
mieszalnik d/D § 0,67
Parametry
ĝredni czas koĔca mieszania tk [min]
ĝrednia wielkoĞü cząstki ds [ȝm]
d12
d22
d32
17,50
38,64
15,67
26,23
14,83
24,59
30
50
45
25
35
20
30
15
25
20
10
15
10
ĝrednia wielkoĞc cząstki, d s
Czas koĔca mieszania, t k
40
5
5
0
0
d11
d21
d31
d12
d22
d32
Rodzaj mieszania
Rys. 3. Porównanie uĞrednionych czasów mieszania i wielkoĞci cząstek wypeániaczy pokáadu akrylowego
Fig. 3. Comparison of mean mixing times and fillers particle size for the acrylic filler
W grupie mieszadeá o wiĊkszej Ğrednicy d12, d22, d32 najkrótszy czas mieszania osiągnĊáo mieszadáo d32. Rozpatrując róĪnice pomiĊdzy powyĪszymi mieszadáami, zauwaĪamy, Īe najwiĊkszy skok nastąpiá miĊdzy mieszadáem d12 a d22.
Badanie ukáadu mieszadáo – mieszalnik ...
57
Wynika to z faktu, Īe mieszadáo d22 ma nieznacznie wyĪsze zĊby, a ponadto
wiĊkszą ĞrednicĊ (o 2 mm) oraz dwukrotnie wiĊkszą gruboĞü (2 mm). Dalsze
skrócenie czasu mieszania spowodowane jest tym, Īe mieszadáo d32 przy takiej
samej Ğrednicy i gruboĞci ma okoáo 1 mm wyĪsze zĊby w porównaniu z mieszadáem d22.
Na rysunku 3 porównano wyniki badaĔ czasów koĔca mieszania tk i Ğrednich
wielkoĞci cząstek wypeániacza ds dla wszystkich mieszadeá.
Analizując wielkoĞü cząstek wypeániacza w zaleĪnoĞci od mieszadeá, zauwaĪamy, Īe wielkoĞü cząstki maleje wraz ze wzrostem parametrów geometrycznych mieszadáa. Początkowo spadek ten jest bardzo wyraĨny. Kolejne zwiĊkszenie parametrów geometrycznych mieszadáa nie przekáada siĊ juĪ tak znacząco na
lepsze roztarcie mieszanki. MoĪna siĊ nawet spodziewaü, Īe przy kolejnych
zmianach geometrii mieszadáa, które spowodują skrócenie czasu mieszania,
wzroĞnie Ğrednia wielkoĞü cząstki wypeániacza. Jest to spowodowane tym, Īe
w bliskim otoczeniu mieszadáa, tam, gdzie mierzona jest temperatura, nastąpi
lokalne przegrzanie ukáadu i mieszanie zostanie przerwane, zanim ukáad zostanie dobrze zdyspergowany.
5. WNIOSKI
Analiza porównawcza wpáywu efektu skali mieszalnika na proces mieszania
oraz jakoĞü otrzymanego ukáadu imitującego swoimi wáaĞciwoĞciami podkáad
akrylowy pozwoliáa na sformuáowanie kilku wniosków:
1. Dla mieszadáa d21 uzyskano najmniejszą Ğrednią wielkoĞü cząstek wypeániacza – mniejszą o okoáo 15% w porównaniu z mieszadáem d32, co Ğwiadczy
o najefektywniejszym zdyspergowaniu skáadników badanej mieszanki.
2. Czas mieszania z uĪyciem mieszadáa d32 byá o okoáo 50% krótszy niĪ czas
mieszania mieszadáem d21. W tym przypadku wybór mieszalnika nie jest jednoznaczny.
3. Badania wykazaáy, Īe w celu uzyskania najwiĊkszej jednorodnoĞci mieszanki do otrzymania podkáadu akrylowego, naleĪy zastosowaü mieszalnik
o stosunku d/D § 0,54 wyposaĪony w mieszadáo d21. Natomiast, jeĞli przewaĪają wzglĊdy ekonomiczne, to uzasadniony jest wybór mieszalnika o stosunku
d/D § 0,67 z mieszadáem d32.
LITERATURA
[1] Gierczycki A., Badania procesów powstawania i rozpadu agregatów ciaáa staáego
w mieszalnikach, Ap. Chem., 2005, nr 5, s. 22 í 23.
[2] Hapanowicz J., Nowak M., Nowakowska R., Zastosowanie mieszadeá dyspergujących
w produkcji wyrobów niewymagających rozdrabniania, InĪ. i Ap. Chem., 2004, nr 1, s. 17 í 21.
58
D. Czarnecka-Komorowska
[3] Hapanowicz J., Stecyk V., Charakterystyka mieszania cieczy nieniutonowskiej dyskowym
mieszadáem dyspergującym, InĪ. i Ap. Chem., 2004, nr, s. 52 í 53.
[4] Hapanowicz J., Stecyk V., Wytwarzanie zawiesin ciaáa staáego w cieczy nieniutonowskiej
dyskowym mieszadáem dyspergującym, InĪ. i Ap. Chem., 2006, nr 4, s. 56 – 57.
[5] KamieĔski J., Mieszanie ukáadów wielofazowych, Warszawa, WNT 2004.
[6] Paszek E, TrĊbacz P., Wpáyw kąta pochylenia áopatek mieszadáa turbinowego na moc mieszania w zbiorniku z przegrodami, InĪ. i Ap. Chem., 2000, nr, s. 20 í 23.
[7] Rieger F., Rzyski E., Mieszanie zawiesin mieszadáami z zakrzywionymi áopatkami, InĪ.
i Ap. Chem., 2004, nr 3, s. 132 í 134.
[8] StrĊk F., Mieszanie i mieszalniki, Warszawa, WNT 1981.
[9] Wesoáowski P., Welc O., Badanie wpáywu zmiennoĞci moduáu gĊstoĞciowego na wytwarzanie modelowych „zawiesin lekkich” w mieszalniku z turbiną Rushtona, InĪ. i Ap. Chem.,
2004, nr 3, s. 165 – 166.
[10] www.novol.pl.
Praca wpáynĊáa do Redakcji: 16.03.2009
Recenzent: prof. dr hab. inĪ. Bogdan Branowski
INVESTIGATION OF THE IMPELLER-MIXER SYSTEM
FOR THE ACRYLIC FILLERS
Summary
In this paper the results of the selection of the optimal mixing systems for the acrylic fillers
were presented. The investigations were carried out for three types of Z impellers (dissolver) for
various geometric parameters. The analysis was done in support of results obtained in mean mixing time and particles size of fillers in dissolver. The results showed that particle size of fillers
decrease with the impellers geometric parameters increase. The high mixing efficient were obtained for mixing system d/D § 0,54 equipped with the diameter of the impeller is 51 mm.
Key words: Mixing, dissolver, mixing, dispersing, impeller, acrylic fillers