Технология блендирования

Блендирование — быстрое получение однородного продукта при перемешивании жидкостей с аналогичными или значительно отличающимися значениями вязкости без образования слоев, а также при смешивании порошкообразных или твердых продуктов с жидкостями.

    

На предприятии «Химик» производство лакокрасочных антикоррозионных материалов для защиты нефтегазопроводов, резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов и защитно-декоративных составов для дерева осуществляется на импортном высокотехнологичном диспергирующем оборудовании, которое позволяет достигать низкую дисперсность системы, и тем самым обеспечивает получение высококачественных покрытий на эпоксидных смолах, органорастворимых жидкостях или водной основе.

Производственные цеха предприятия оснащены современными диссольверами, предназначенными для предварительного диспергирования компонентов изготавливаемых составов, бисерными мельницами — для получения тонких дисперсий.

Основной задачей диссольвера является распределение твёрдых веществ в жидкой среде и получение коллоидных систем. Коллоидные системы отличаются тем, что распределённые в жидкости частицы твёрдых веществ не осаждаются под действием земного притяжения, а остаются во взвешенном состоянии.

При диспергировании происходят три основных процесса:

— смачивание поверхности частиц твёрдого 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).

При производстве процесс диспергирования на диссольвере проводится в следующей технологической последовательности:

— сначала в рабочую ёмкость вводят жидкие компоненты;

— затем при медленном вращении вала порциями вводят сыпучие компоненты в таком количестве, при котором увеличивают скорость вращения вала до 18-25 м/с с образованием воронки;

— проводят предварительное перемешивание;

— после предварительного перемешивания снимают остатки смеси со стенок ёмкости и диссольверного вала;

— после этого производится диспергирование предварительно перемешанной смеси, при этом в диспергируемой массе должна образовываться воронка.

Окончательный эффект диспергирования достигается через 10-15 мин. работы. Дальнейшая работа диссольвера, как правило, не приводит к улучшению результатов диспергирования агломератов. Анализы проб показывают, что через 10-15 мин. устанавливается окончательный размер частиц.

При необходимости получения частиц меньшего размера, или при повышенных требованиях к обработке агломератов, плохо поддающихся диспергированию, используется бисерная мельница.

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

Для устойчивых положительных результатов диспергирования смесей на диссольверах должны быть согласованы между собой основные параметры процесса:

— геометрия и диаметр рабочей ёмкости;

— окружная скорость вращения фрезы;

— глубина погружения фрезы в смесь;

— реологические свойства смеси.

Описание процесса диспергирования

При вращении фрезы с повышенной скоростью перед её зубцами образуется зона повышенного давления, а за ними — зона разряжения. Попеременное воздействие повышенного давления и разряжения на агломераты твёрдых частиц приводит к их разрушению.

Зубцы фрезы оказывают также ударное действие на частицы смеси. Значительная часть работы по диспергированию частиц происходит также на нижней и верхней поверхностях фрезы за счёт вихревых потоков.

Вихревой поток на нижней поверхности фрезы в значительной степени зависит от расстояния между фрезой и дном ёмкости.

При уменьшении этого расстояния интенсивность нижнего вихревого потока увеличивается. Благодаря этому увеличивается скорость потока между нижней поверхностью фрезы и дном ёмкости, и появляется возможность увеличения скорости вращения диссольверного вала, так как в этом случае переход от ламинарного к турбулентному течению массы происходит значительно позднее.

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 ёмкости воронки.

Механическая энергия смешивания P(w) определяется по частоте вращения n (1/c) и вращающему моменту М(Nm) вала (π = 3,1415…).

P=2 πnM

Наиболее благоприятным значением величин окружной скорости является интервал 18-25 м/с.

После смешения твёрдых и жидких компонентов смесь, вследствие повышения частоты вращения вала, должна находиться в равномерном вращательном движении (до полного исчезновения неподвижных зон). Получается воронка, внутри которой видна середина фрезы. Таким способом достигается самое эффективное разрушение агломератов, которое происходит в районе движения фрезы.

Суть происходящего процесса состоит в следующем — при ламинарном течении, когда смесь отбрасывается вращающейся зубчатой фрезой наружу к стенкам ёмкости, поток разделяется на две части. Нижний поток смеси устремляется к центру дна ёмкости под вращающийся вал, а затем снова поднимается наверх к зубчатой фрезе. Второй поток образует воронку, которая хорошо видна сверху.

Характер текучести воронки зависит от соотношения твёрдых и жидких компонентов в смеси. При пониженном содержании твёрдых компонентов вязкость смеси оказывается слишком низкой, что приводит к разбрызгиванию и вспениванию смеси.

При повышенном содержании твёрдых компонентов повышенная вязкость смеси не позволяет добиться оптимального характера текучести. При этом образуется «граница текучести», и смесь остаётся практически неподвижной. Как следствие, зубчатая фреза проскальзывает в массе или вращается вхолостую.

Если не достигнут желаемый эффект диспергирования, следует проверить следующие параметры процесса:

1.      Длительность диспергирования

Диссольвер позволяет достичь оптимума диспергирования в течение 10-15 минут работы. Продолжительность работы более 20 минут не приводит, как правило, к улучшению результатов.

2.      Наличие «воронки»

В течение всего процесса необходимо контролировать сохранение воронки.

3.      Частота вращения

Повышение частоты вращения вала (и тем самым увеличение окружной скорости вращения) позволяет вводить в смесь дополнительную механическую энергию, не разрушая «воронку».

4.      Соотношение твёрдых и жидких компонентов

Правильно подобранное соотношение твёрдых и жидких компонентов в смеси обеспечивает текучесть смеси, позволяющую создать «воронку».

5.      Геометрия ёмкости

Изменить расстояние между фрезой и дном ёмкости.

6.      Количество смеси

Уменьшить или увеличить объём смеси.

7.      Фреза

Применять фрезы различного размера.

8.      Флокуляция

Образование хлопьевидных агрегатов (флокуляция) из мелких частиц дисперсной фазы. Избавиться можно при помощи соответствующих диспергирующих добавок.

9.      Компоненты смеси

Возможна частичная корректировка рецептуры с помощью замены отдельных компонентов. При этом надо учитывать, что диссольвер предназначен для диспергирования, а не для размола компонентов. Диссольвер не может разрушить первичные частицы вещества.

10.  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 следует использовать рабочие ёмкости с двойными стенками с целью охлаждения смеси.

11.  Аддитивы

При помощи добавления различных аддитивов можно значительно улучшить и ускорить процесс диспергирования.

12.  Вакуум

Для минимального попадания воздуха в продукт рекомендуется прорабатывать высоковязкие продукты под вакуумом.

Для достижения оптимальных результатов необходимо контролировать реологические свойства смеси.

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 свойства вещества и определяется как соотношение касательного напряжения сдвига и скорости сдвига.

Вязкость μ = Напряжение сдвига τ / Градиент сдвига Δ          [Pa*s ]

В ньютоновских жидкостях вязкость является постоянной (например, в воде).

Другие жидкости, не имеющие такого свойства, называются неньютоновскими, они встречаются намного чаще. В рецептурах смесей используются сложные по реологическим свойствам вещества. Для их характеристики используются такие термины: кажущаяся вязкость, пластическое поведение, граница текучести, тиксотропия, реопексия, дилатансия.

Ньютоновская жидкость:

Вязкость является постоянной величиной.

Пластическое вещество:       

Вязкость уменьшается при повышении градиента сдвига после преодоления границы текучести.

Структурновязкое вещество:          

Вязкость уменьшается при повышении градиента сдвига.

Дилатантное вещество:         

Вязкость увеличивается при повышении градиента сдвига.

Общевзятый диапазон вязкости:

Низкая вязкость          μ < 500 мПа*с

Средняя вязкость        μ = 500 ÷5000 мПа*с

Высокая вязкость        μ > 5000 мПа*с

Для получения тонких дисперсий, а также при работе с плохо диспергируемыми веществами, применение одного диссольвера будет недостаточным. Для переработки сложнодиспергируемых веществ наиболее пригодны бисерные мельницы.

В размольную корзину бисерной мельницы загружается бисер, вся система приводится ротором во вращательное движение. Процесс измельчения (механического разрушения) протекает между отдельными частицами бисера, контактирующими друг с другом, а также между бисером и стенками бисерной корзины.

Процесс механического разрушения смеси можно разделить на отдельные этапы:

— процесс переноса агломератов в диспергирующую среду, например, в зазор между двумя частицами бисера;

— процесс энергетического воздействия на агломераты, чтобы их расколоть.

При длительном измельчении все агломераты успевают проходить через зоны действия максимальных усилий сдвига.

При повышении числа оборотов увеличивается усилие сдвига.

Только при достаточной длительности процесса измельчения и при повышенном числе оборотов можно ожидать, что все агломераты будут разрушены. Только в этом случае выполняются как пространственные, так и энергетические условия полного измельчения компонентов смеси.

Однако невысокую скорость вращения вала нельзя компенсировать увеличением длительности процесса и наоборот.

Научные исследования показали, что механическая энергия, вносимая в прорабатываемую смесь, тесно связана с результатами диспергирования. Механическая энергия определяет энергию, которая переносится от ротора размольной системы в продукт через бисер.

Величина мощности P рассчитывается на основании частоты вращения n ротора размольной системы и производимого им вращающего момента М по формуле:

P=2 πnM

Чем выше будут затраты энергии, тем выше вероятность того, что даже прочные агломераты будут разрушены. При этом не имеет значения, каким образом будет внесена в систему необходимая энергия: при повышенном числе оборотов вала и низком вращающем моменте или, наоборот, при низком числе оборотов и высоком вращающем моменте.

При постоянной загрузке бисера и постоянной длительности процесса результат диспергирования зависит только от величины вводимой в массу механической энергии.

Величина вращающего момента напрямую зависит от реологических свойств смеси.

Если в процессе диспергирования меняется вязкость смеси, то соответственно при постоянном числе оборотов меняется и мощность. При снижении вязкости мощность также падает. При увеличении вязкости — мощность возрастает.

При более интенсивном охлаждении смеси величина мощности повышается, при менее интенсивном охлаждении падает.

Помимо геометрии размольной системы и вязкости, момент, передаваемый от вала мешалки к смеси, зависит также от типа, количества и размера бисера.

Высокая степень загрузки бисера повышает вращающий момент вала, а вместе с этим и вероятность того, что будет обеспечена пространственная составляющая процесса диспергирования.

Чтобы улучшить результаты диспергирования следует проверить следующие параметры:

1 — увеличить длительность процесса;

2 — повысить частоту вращения;

3 — увеличить мощность;

4 — применять мелкий и более плотный бисер (бисер на основе окиси циркония);

5 — увеличить загрузку бисера в бисерную корзину (до 80%);

6 — ввести в рецептуру специальные модифицирующие добавки.

Экономичным режимом работы бисерной мельницы является обработка смеси с высоким содержанием твёрдых веществ. В случае последующей флокуляции частиц можно ввести в смесь дополнительное диспергирующее вещество.

С использованием технологии блендирования на предприятии «Химик» производится следующая продукция:

1. Материалы для антикоррозионной защиты трубопроводного транспорта

— Двухкомпонентные не содержащие растворителей эмали на эпоксидной основе ТРЭПП-ТР, ТРЭПП-ТР-90

— Грунтовка для порошковых красок ТРЭПП-ГП-2

2. Внутреннее антифрикционное (гладкостное) покрытие магистральных газопроводов

— Эпоксидные двухкомпонентные эмали ТРЭПП-ТРГ-1, ТРЭПП-ТРГ-2

3. Материалы для наружной антикоррозионной изоляции трубопроводов

— Двухкомпонентная полиуретановая эмаль Ритан-531

— Эпоксидная одноупаковочная эмаль ТРЭПП-ГО-2 горячего отверждения

— Однокомпонентная грунтовка горячего отверждения ТРЭПП-ГО-1.

4. Материалы для окраски

4.1. Маркировочная краска ТРЭПП-М

4.2. Материалы для окраски стальных резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов

—  Двухкомпонентные эпоксидные эмали ТРЭПП-РВ-726Н, ТРЭПП-РВ-726СВ

4.3. Материалы для окраски металлоконструкций

— Эпоксидная двухкомпонентная грунт-эмаль ТРЭПП-РВ-726НВ

— Финишная двухкомпонентная полиуретановая эмаль РИТАН-755

— Однокомпонентная быстросохнущая грунт-эмаль PROFLEX