Процессы смачивания особенно сложны, когда жидкость обладает высокой вязкостью, а порошок имеет очень мелкие частицы.
Реология жидкостей в контексте смешивания порошков
В этом блоге мы рассмотрим один из ключевых аспектов увлажнения порошка: влияние реологических свойств различных жидкостей на результат смешивания. Реология в значительной степени определяет, как течет жидкость, как она ведет себя под действием сдвигового напряжения и насколько хорошо она может смачивать частицы порошка. Эти взаимосвязи напрямую влияют на внешний вид смаченного порошка — на его текучесть, однородность смеси, склонность к образованию агломератов, а также на сохранение первоначальной формы и размера частиц.
Для однородного увлажнения порошка все частицы должны получить сопоставимый слой жидкости, соответствующий их удельной поверхности. Поэтому цель процесса смешивания состоит в том, чтобы равномерно распределить как небольшие, так и большие количества жидкости по огромной общей контактной поверхности порошка. После процесса смешивания не должно оставаться ни переувлажненных, ни сухих участков. Достижимое качество продукта в значительной степени определяется взаимодействием определенного размера капель, точной стратегией дозирования и адаптированной энергией смешивания. В этом контексте полезно иметь обширные знания о химических и физических свойствах смачивающей жидкости.
Вязкость и зависимость от температуры
Динамическая вязкость η описывает сопротивление жидкости сдвигу или деформации и является основным показателем для определения смешиваемости. Для многих жидкостей с низкой и средней вязкостью зависимость вязкости от температуры можно приблизительно описать с помощью уравнения Аррениуса:
η(T) = η0 * exp ( Eη / (R * T) )
где
η … динамическая вязкость,
η0 … константа материала (вязкость при эталонной температуре),
Eη … энергия активации процесса течения,
R … универсальная газовая постоянная,
T … абсолютная температура в кельвинах.
С повышением температуры вязкость большинства органических жидкостей значительно снижается, так что высоковязкие компоненты, такие как лецитины, меласса, мед, олеорезины или некоторые растительные масла, при умеренном нагревании легче перекачиваются, дозируются и распределяются в смесительной камере. Во многих случаях изменения вязкости являются обратимыми, однако в случае жидкостей сложной структуры (например, эмульсий, концентрированных растворов сахара или систем со структурно-вязкой консистенцией) термически или механически индуцированные изменения структуры могут приводить к эффектам гистерезиса, в результате чего поведение при нагревании и охлаждении становится неидентичным.
Жидкости различных родов. В основном изменения вязкости обратимы. Но часто со значительным гистерезисом.
Влияние сдвигового напряжения и скорости сдвига
Для понимания поведения в смесителе решающее значение имеет взаимодействие сдвигового напряжения τ и скорости сдвига γ˙. В простейшем случае кажущаяся вязкость может быть определена как
η = τ / γ˙
где
η … кажущаяся вязкость
τ … сдвиговое напряжение,
γ˙ … скорость сдвига.
Ньютоновские жидкости
В случае ньютоновских жидкостей вязкость не зависит от скорости сдвига:
τ = η * γ˙, η = постоянная
Типичными примерами являются вода, многие пищевые масла и сильно разбавленные растворы. Их текучесть линейна и хорошо поддается расчету. Поверхностное натяжение можно надежно охарактеризовать. Вискоеластические эффекты не возникают. Вязкость изменяется только с температурой.
Благодаря этому ньютоновские жидкости особенно хорошо контролируются в процессах смешивания. Они обеспечивают воспроизводимое и равномерное смачивание – при условии, что дозировка и способ добавления жидких веществ выбраны правильно.
Двухвалковый смеситель amixon® для кормов для животных (партии 16 м³).
Двухвалковый смеситель amixon® с двумя режущими роторами и жидкостными ланцами.
Конический смеситель amixon® подходит для непрерывного смешивания и смачивания моющих средств.
Конический смеситель amixon® для партий объемом 3 м³ подходит для смешивания и смачивания приправ.
Средоразжижающиеся или псевдопластичные жидкости
Средоразжижающиеся или псевдопластичные жидкости демонстрируют снижение кажущейся вязкости с увеличением скорости сдвига. Их поведение часто можно описать с помощью модели Оствальда-де-Ваэле или степенной модели. Как правило, эти жидкости очень хорошо распыляются. Они могут распыляться с помощью однокомпонентных или многокомпонентных сопел (atomizing nozzles).
τ = K * γ˙n ; n < 1
с
γ˙ … скорость сдвига
K … индекс консистенции,
n … индекс текучести (степень сдвигового разжижения).
Примерами таких жидкостей являются томатная паста, многие гелеобразующие вещества, растворы полисахаридов и многочисленные эмульсии. В условиях высокого локального сдвига в смесительной камере эти жидкости становятся более вязкими, что облегчает их распределение по поверхности порошка. В то же время в состоянии покоя они остаются достаточно вязкими, чтобы уменьшить осаждение или расслоение.
Показанный слева конусный смеситель amixon® осуществляет непрерывное смешивание. Он установлен на весовых датчиках. Несколько порошков и жидкий компонент гравиметрически дозируются и поступают в конусный смеситель. Разгрузочный клапан находится внизу. Он непрерывно выгружает смешанные продукты, так что степень наполнения всегда остается постоянной. Таким образом, порошки смешиваются очень аккуратно и равномерно увлажняются. Непрерывный смеситель AMK 600 рассчитан на производительность от 12 до 15 м³/ч.
Средозагущающиеся (дилатационные) жидкости
В случае средозагущающихся (дилатационных) жидкостей кажущаяся вязкость увеличивается с ростом скорости сдвига. Поэтому они чувствительны к быстрым движениям и высоким локальным сдвиговым нагрузкам. Такие среды следует обрабатывать как можно медленнее и с минимальным сдвиговым напряжением.
τ = K * γ˙n ; n > 1
Свойство сгущаться при сдвиге типично для крахмальных суспензий и высококонцентрированных дисперсий. При быстрой транспортировке этих материалов вязкость может резко возрасти. На практике хорошие результаты смешивания обычно достигаются, когда сгущающаяся при сдвиге жидкость в расслабленном состоянии с низкой вязкостью попадает в зону интенсивного перемешивания порошка. В смесителе порошков она таким образом тонко распределяется, прежде чем увеличивается дилатационная вязкость.
Для непрерывного распределения жидкостей, уплотняющихся при сдвиге, можно также использовать кольцевые смесители. Смесительная камера состоит из горизонтально расположенной трубы. В ней вращается быстро вращающийся смесительный инструмент. Высокая частота вращения создает стабильный кольцевой слой из уплотненных частиц порошка. В этой зоне действуют сильные завихрения и интенсивные сдвиговые силы. Кольцевые смесители могут не только однородно смачивать порошок. При правильной настройке дозирования жидкого вещества они также могут равномерно агломерировать продукт.
Двухвальный смеситель amixon® для интенсивной обработки (партии объемом 4 м³).
Режущий ротор и ротор-статор для особо интенсивного дезагломерации.
Ввод жидкости: e) Впрыск в зону действия мешалки, f) Распыление с помощью ввода газа.
Технический центр: «Безпульсационное гравиметрическое дозирование распыляемых жидких веществ»
Практическая разработка процессов в техническом центре amixon®
Команда amixon® сердечно приглашает вас протестировать ваши порошкообразные продукты в техническом центре. Практически ежедневно там различные порошки изменяются и улучшаются путем увлажнения.
При этом добавление жидкости должно быть оптимально адаптировано к свойствам порошка и жидкости. Кроме того, необходимо адаптировать температуру, концентрацию и состав. Не менее важным является четкий порядок добавления веществ. Интенсивность смешивания также должна быть правильной, чтобы не повредить продукт. Иногда целесообразно постепенно распределять жидкости в порошке. Особенно эффективны многоступенчатые процессы смешивания, при которых более мелкие частицы порошка обволакивают слегка увлажненные частицы. Таким образом связываются мелкие фракции. Это улучшает текучесть, снижает запыленность и стабилизирует последующую технологию упаковки.
amixon® поможет вам найти оптимальный процесс — точно, быстро и с учетом практических аспектов.
Отзыв клиента: «Наш визит в amixon® был очень полезен с точки зрения получения информации...»
... наша разработка продуктов и процессов получила ценные импульсы. Это было настоящим сюрпризом! Мы не ожидали этого перед началом нашего путешествия.
В техническом центре amixon® мы не только смешиваем и увлажняем ваши порошки с высочайшим качеством. Установки amixon® также могут агломерировать, синтезировать и сушить в вакууме. Всегда с использованием самых современных технологий! На выбор предлагается более 30 испытательных машин. От 1 литра до 3 м³.
© Copyright by amixon GmbH