Mletí ve vibračním mlýně

Transkript

1 Mletí ve vibračním mlýně Smrčka, Čejková, Schöngut, Holeček, Přibyl Úvod Mletí je jednotková operace, při které dochází k rozmělňování pevných částic na menší. Účelem mletí je zvětšit měrný povrch materiálu, získat produkt s určitou distribucí velikostí částic, dosáhnout potřebného tvaru částic nebo zlepšit homogenitu směsi. Mletí je podle velikosti získáných částic rozdělováno na: hrubé mletí (0,5 5 mm) jemné mletí (50 μm 500 μm) velmi jemné mletí (5 μm 50 μm) ultra jemné mletí (do 5 μm) Mletí může probíhat v suchém nebo mokrém stavu. Suché mletí, tedy mletí bez přídavku jakékoli kapaliny, je obecně využíváno, pokud by mletý materiál stykem s kapalinou měnil některé své vlastnosti. Obvykle je totiž nežádoucí, aby se během mletí měnilo složení nebo struktura materiálu (v některých procesech je naopak takováto přeměna vyžadována). Suché mletí je vykonáváno ve vzduchu nebo inetrní plynové atmosféře, pokud jsou zpracovávány oxidující, hořlavé, explozivní nebo toxické materiály. Předností mletí suchou cestou je eliminace energeticky a mnohdy i technologicky náročného procesu sušení výsledného produktu. Mokré mletí bývá využíváno v procesech, kdy by přídavek kap byl stejně potřebný v dalším zpracování a ubere se tak alespoň jeden krok a materiál se s kapalinou dobře promísí. Mokré mletí bývá více efektivní, neboť díky přítomnosti kapalného média eliminuje, minimalizuje tepelnou degradaci látek, ke které by mohlo docházet v suchém mlýnu. Navíc se jedná se o bezprašný proces a nehrozí zde možnost výbuchu prachu. Obecně nelze doporučit mokré či suché mletí, vždy záleží na procesech dalšího zpracování a výsledného využití zpracovávaného materiálu, důležitou roli při volbě metody hraje i technologická stránka a finanční bilance procesu. Existuje několik typů mlýnů. V průmyslových výrobách se nejčastěji setkáváme s mlýny kulovými, tyčovými či kladivovými. Výběr vhodného mlýnu závisí na materiálu, fyzikálních a chemických vlastnostech mletých částic. Mletí pak může být uskutečněno vsádkově nebo kontinuálně. Vsádkový způsob bývá využíván v menším měřítku. Kontinuální mletí spočívá v průběžném odebírání jemných částic a částice, které jsou větší než požadovaný limit, jsou vraceny zpět do mlecí komory. Tento způsob zajišťuje vyšší efektivitu mlecího zařízení, dosažení potřebné kvality výsledného produktu a nižší nároky na spotřebu elektrické energie. Odhaduje se, že spotřeba elektrické energie během mletí tvoří až 20 % celkové elektrické energie spotřebované v průmyslu. Během této práce bude studována kinetika mletí na vibračním mlýnu, kde k mletí dochází pomocí vibrování ramen, která dávají do pohybu kuličku vloženou dovnitř mlecí nábojnice. Velkou výhodou vibračního mlýnu je velmi přesně definovaný mlecí proces, a tudíž velká reprodukovatelnost jednotlivých mlecích pokusů. Vlastní proces je definován dvěma parametry: frekvencí (určující počet nárazů mlecí kuličky za sekundu) a celkovou dobou mletí. Jejich vynásobením pak získáme celkový počet úderů během experimentu.

2 Výstupní informací o průběhu mletí pro nás bude určení distribuce velikosti částic vsádky. Distribuce velikosti je jedna z nejdůležitějších charakteristik sypkého materiálu, která nám udává poměrné zastoupení jednotlivých velikostních frakcí. Tento poměr může být vztažen na celkový počet částic (tzv. number-based) nebo na celkový objem, respektive hmotnost (volume- resp. mass-based). Velikost částic je jedním z nejdůležitějších parametrů, kterými lze částice charakterizovat, protože velikost ovlivňuje podstatně jejich vlastnosti ať už jde o způsoby nakládání se suchými sypkými hmotami nebo chování částic v kapalném prostředí (sedimentace, fluidace, rozpouštění aj.). Existuje řada metod, kterými lze vyhodnotit distribuci velikostí částic (Obr. 1), každá z nich má své výhody a nevýhody. Volba vhodné metody závisí na předpokládaném rozsahu velikostí částic, na chemických vlastnostech měřeného vzorku (rozpustnost, máčivost, členitost povrchu částic a jejich morfologie), na požadované přesnosti a rychlosti měření a také na dostupnosti, nákladnosti či složitosti potřebného meřicího zařízení. Obr. 1: Přehled metod sloužících k vyhodnocení distribucí velikostí částic. Mezi nejběžnější metody patří sítová analýza, metody založené na měření sazovací rychlosti, metody založené na měření změny elektrické vodivosti, permeability či rozptylu světla na částicích. Při rozboru vzorku se širokým intervalem velikosti částic obvykle nestačí jediná metoda. Často se tedy techniky různě kombinují, např. sítový rozbor a sedimentační rozbor propadu pod posledním sítem. Výsledky z jednotlivých etap analýzy se však musí přepočíst procentuálně na původní celek. Sítová analýza je pak jednou z nejčastěji užívaných metod. Spočívá v prosévání sypké hmoty soustavou sít, které mají různé průměry sítových ok. Nejprve je směs prosívána sítem s největšími oky. Pokračuje se na sítech se stále menšími oky, přičemž se podíl zachycený na jednotlivých sítech vždy vyhodnotí podle velikosti ok daného záchytného síta a podle hmotnosti získané frakce (nebo objemu). Tato metoda je levná a nenáročná na zařízení. Výhodou je možnost použití pro vzorky s širokou distribucí velikostí. Je často poměrně prašná, pomalá a kvalita výsledku závisí na množství použitých sít. Vzhledem k faktu, že pohyb částic skrz síta je umocněn aplikací externích vibrací, často může docházet ke shlukování částic k sobě či povrchu jednotlivých sít vlivem statické elektřiny či jejich adhezními vlastnostmi. Sítovou analýzu, tak nelze použít pro lepivé vzorky a pro částice menší než 10 μm.

3 Dalším často využívaným způsobem, jak určit distribuci velikost částic, je pomocí obrazové analýzy. Ta je založena na analýze snímků zkoumaného materiálu při znalosti skutečné délky reprezentované jedním pixelem. Velikost částic, které lze takto vyhodnocovat, pak závisí na rozlišovacích schopnostech použitého mikroskopu. Nevýhodou této metody je dlouhý čas potřebný k získání statisticky reprezentativních výsledků a vysoké požadavky na zručnost osoby, která obrazovou analýzu provádí. Další průmyslově využívaná metoda je založena na měření ohybu a rozptylu světla. Dělí na následující podskupiny: na měření dynamického rozptylu světla (DSL - dynamic light scattering), statického rozptylu (SLS - static light scattering). S ohledem na vlastnosti mletého materiálu a velikostní škálu, na které se v průběhu práce budeme pohybovat, bude pro potřeby této práce využita sítova analýza pro zjištění distribuce velikosti mleté sypké hmoty. Odhad měrného povrchu Označme indexem i veličiny týkající se frakce částic zachycených na i-tém sítě (počítáme je zdola nahoru). Indexem i = 0 značíme zbytkovou frakci, která zůstává na misce umístěné pod nejnižším sítem, tj. frakci propadající sítem i = 1. Protože rozměry částic v téže frakci se od sebe liší jen málo, můžeme nahradit reálnou frakci frakcí myšlenou, složenou z částic o vhodném středním rozměru, které jsou všechny stejně velké, stejného tvaru a jejich počet je n i. Pak platí A i = K A l 2 i n i (1) m i = K V l 3 i n i ρ p (2) kde l i je charakteristický lineární rozměr částic myšlené frakce a ρ p jejich hustota. K A a K V jsou tvarové faktory. V případě, že částice mají stejnou hustotu a svým tvarem nemají daleko ke kulovým částicím, můžeme s přijetím určité nepřesnosti vypočítat měrný povrch částic pomocí kulové aproximace, kdy za charakteristický rozměr volíme průměr částice a pro tvarové faktory bude platit, že K A = π a K V = π/6. Měrný povrch je dán vztahem a i = A i (3) m i do nějž můžeme za A i a m i dosadit z rovnic (1) a (2), kde použijeme tvarové faktory pro kouli, čímž dostaneme vztah a i = 6 (4) l i ρ p který však popisuje měrný povrch pouze i-té frakce. Provedeme-li sumaci přes všechny velikostní frakce i, dostaneme vztah pro měrný povrch celého prášku a = k 6m i i=0l i ρp k i=0 m i čímž jsme získali nástroj pro přibližné určení měrného povrchu analyzované sypké hmoty. Za charakteristický lineární rozměr považujeme střední sítový průměr, tedy l i = D i, kde D i = D i+1+d i 2 Grafické znázornění granulometrického složení částic Distribuce velikosti částic může být zobrazena pomocí histogramu četnosti jednotlivých velikostních frakcí sypké hmotny, častěji se však používá grafická podoba tzv. kumulativního diagramu, kde vynášíme (5) (6)

4 i n= 1 x n proti D i pro i = -1, 0, 1, 2,..., k (7) přitom k je celkový počet získaných frakcí (k = 6). Fiktivní frakce -1 slouží ke znázornění počátečního bodu kumulativního diagramu, který značí, že hmotnostní zlomek částic s nulovou velkostí je nulový, tedy x-1 = 0 a D -1 = 0. D k+1 je maximální možný průměr částice, který nelze zjistit sadou sít, jež máte k dispozici, a proto se zadává před začátkem práce. Z kumulativního diagramu můžeme tedy zjistit, jaký podíl částic je menších nebo nejvýše stejně velkých než daný rozměr. Cíl práce 1. Vyhodnocení změny měrného povrchu v závislosti na době mletí. 2. Grafické znázornění kumulativního diagramu distribuce velikosti částic pro surovinu a rozemletý materiál. Popis zařízení Mlecí zařízení Oscilační mlýn Retsch MM 400 je stolní přístroj, který byl vyvinut pro suché, mokré a kryogenní mletí malých objemů vzorku (do 20 ml). Mlecí nádobky vytvářejí oscilace v horizontální poloze. Setrvačnost mlecích koulí má za následek jejich náraz s vysokou energií na materiál vzorku v zaoblených koncích mlecích nádobek a rozmělňování vzorku. Rovněž pohyb mlecích nádobek, kombinovaný s pohybem mlecích koulí, způsobuje intenzivní míchání vzorku. Intenzitu míchání lze dokonce ještě zvýšit použitím několika menších kuliček. Zařízení samotné je přes zásuvku G připojeno ke zdroji elektrické energie. Zapíná se vypínačem E má ochranný kryt B, který slouží jako ochranný prvek před kontaktem s mlecími rameny C,D během mletí. Mletí může probíhat pouze při zavřené krytu. Mlecí ramena jsou vybavena čelistmi, do nichž se uchycují mlecí nábojnice. Celé zařízení není nikterak složité a nejinak tomu je v případě ovládání A, kde najdeme nastavení frekvence a doby mletí pomocí tlačítek + a na digitálním displeji a zelené tlačítko START a červené STOP pro zahájení, respektive přerušení mletí. Obr. 2: Pohled shora a zepředu.

5 Část Popis Funkce A B Displej a operační jednotka Kryt Nastavení intenzity (frekvence) a doby mletí Během mletí musí být vždy spušněn C Levý držák mlecí nádobky Mletí mokrých vzorků D Pravý držák mlecí nádobky Mletí suchých vzorků E Vypínač ON/OFF Zapíná/Vypíná přístroj F Pojistka Bezpečnost G Zásuvka Připojení ke zdroji elektrického proudu H Rozhraní RS232 Připojení k PC I Označení Bezpečnostní instrukce J Štítek Dokumentace K Štítek Bezpečnostní instrukce Obr. 3: Pohled zezadu. Obr. 4: Mlecí nádoby se šroubovacím víčkem pro mlýn Retsch MM 400.

6 Postup práce Příprava vzorků V první řadě zkontrolujeme, zda-li jsou mlecí nábojnice i koule čisté. Pokud ne, opláchneme je nejprve teplou vodou a pak etanolem. Jakmile jsou nábojnice prosté jakýchkoli nečistot, vytřeme je papírovým ubrouskem. Do spodního (většího) dílu nábojnice odvážíme 15 g mlecího materiálu, který by měl na výšku zabírat zhruba 1/2 objemu nábojnice. Pro tento účel jsou v laboratoři předvážky. Na závěr se do nábojnice přidá mlecí koule a nábojnice se pečlivě zašroubuje s horním dílem. Pečlivé utažení horního dílu je nezbytné, aby nedocházelo k pronikání mletých částic do oblasti závitu. Mlecí experimenty Připravené nábojnice s mlecími vzorky pak vložíme do vibračních ramen mlýna a zajistíme utažením bezpečnostních hlavic (levé rameno k sobě, pravé od sebe). Před vlastním mletím zavoláme asistenta a necháme si přípravené zařízení zkontrolovat. Pokud je vše v pořádku, nastavíme na řídícím displeji požadovanou dobu a frekvenci mletí (reprezentující počet úderů za vteřinu). Stiskem tlačítka start pak spustíme samotné mletí. Po dokončení mlecího experimentu vyjmeme nábojnice z mlýnu a opatrně otevřeme. Namletý materiál vysypeme na hodinové sklíčko. Je nezbytné přendat všechen materiál, aby infomace o namletí vsádky byla kompletní. Při mletí se stává, že jemnější částice jsou tlakem mlecích koulí lisovány a lepeny na stěny nábojnice. Po přesypání veškerého materiálu nábojnice důkladně vyčistíme a vysušíme. Takto připravené nábojnice pak jsou opět připraveny k dalšímu použití. Mlecí experimenty budou prováděny pro dvě doby mletí: 1 a 2 minuty při frekvenci 10 Hz. Pro každou dobu mletí budou provedena 3 opakování, dohromady tedy 6 mlecích experimentů. Sítová analýza Pro účely sítování bude použita vibrační třepačka Retsch se sadou sít, která budou sestavena tak, aby nejhrubší síto bylo zcela nahoře a aby velikost ok sít odshora dolů monotonně klesala.vzhledem k relativně malé navážce na jedno mletí bude k sítování použit celý obsah ze tří opakování, který je třeba důkladně převést z nábojnice do příslušné nádoby a posléze do horního síta sestavy. Při sestavování sady kontrolujeme neporušenost a čistotu sít. Sadu sít L upevníme na talíř vibračního prosévače M a sítujeme zadanou dobu. Po uplynutí této doby sadu rozebereme. Jednotlivé frakce (včetně frakce zbytkové) nasypeme násypkou do předem zvážených nádobek a zvážíme. Po zvážení vysypeme rozemletý materiál do nádoby k tomu určené. Nikdy ne zpět do nádoby se surovinou. Síta pomocí štětce očistíme a připravíme k opakovanému použití. Obr. 5: Vibrační třepačka, L sestava sít, M třepací zařízení.

7 Bezpečnostní opatření 1. V laboratoři máme na sobě po celou dobu ochranné pomůcky, tj. rukavice, plášť i brýle. 2. Během mletí je kryt mlýnu vždy sklopen. 3. Nábojnice čistíme štětcem, v případě nabaleného materiálu na stěně použijte kopist. 4. Síta čistíme opatrně štětcem. Zpracování naměřených hodnot Ze stanovených hmotnostních frakcí m i vypočítáme jejich hmotnostní zlomky podle vztahu x i = m i /m (8) kde m i je hmotnost frakce a m je celková hmotnost sítovaného vzorku. 1. Zprůměrovaná data distribucí velikosti částic ze sítové analýzy použijeme pro výpočet měrných povrchů suroviny a produktu po prvním (1 min) a druhém (2 min) mletí použitím rovnice (5). 2. Grafické znázornění kumulativního rozdělení velikosti částic; tzv. kumulativní diagram. Graf musí začínat od počátku souřadnic, neboť jinak by musela existovat zrna záporné velikosti. Graf zpracujeme ve formě polygonu četností (viz Obr. 6). 3. Naměřené a vypočtené hodnoty vyplníme do formuláře. Obr. 6: Příklad kumulativního diagramu distribuce velikosti částic.

8 Symboly a měrný povrch sypké hmoty m -1 A povrch daného množství sypké hmoty m 2 D střední sítový průměr m n počet částic K A tvarový faktor pro povrch částic K V tvarový faktor pro objem částic l i charakteristický lineární rozměr částice m m hmotnost částic kg ρ p hustota kg.m -3 x hmotnostní zlomek frakce Kontrolní otázky 1. Co je to distribuce velikosti? 2. Jaké znáte metody určení distribuce velikosti? 3. Jaký je princip sítové analýzy a její výhody či nevýhody? 4. Jaký je princip obrazové analýzy a její výhody či nevýhody? 5. Popište postup přípravy mlýna před mletím. 6. Jak jsou v sítovací zařízení poskládána síta? 7. Jak získáte distribuci velikosti částic při této práci? 8. Jaká má být frekvence mlýna? 9. Jaké jsou základní bezpečnostní opatření při práci s mlýnem? 10. Jakou hmotnost budete mlýt, jak dlouho a kolikrát?