ترکیب جامدات در وسایل مخلوط کن مختلف

خلاصه : ترکیب پودرها عملکردی شایع در تمامی صنایع است . بیشتر پودرها به چسبندگی معروفند و بسیاری از آنها وقتی در معرض هوای مرطوب یا در دمای بالا قرار می گیرند ، انباشته می شوند . مخلوط کردن پودر ممکن است منجر به انتقال ذرات کوچکتر به سمت پائین و ذرات بزرگتر به سمت بالا شود . مشکل دیگر تفکیک است که علت اصلی آن تفاوت در اندازۀ ذرات شکل تراکم و جهندگی است . دستگاه های مخلوط کن استانداردی مانند لیوان های استوانه ای شکل یا مخلوط کن های توربولا وجود دارد . دستگاه جایگزین استفاده شده مخلوط کن ثابت نوع کنسیس است . مخلوط کن های ثابت انرژی را ذخیره می کنند ، مانع تفکیک و انتقال ذرات می شوند. در این نوشته ، مخلوط کن های ثابت به عنوان وسایلی برای

ترکیب پودرها مانند مخلوط کن های v شکل و توربولا امتحان می شوند و معمولاً برای ترکیب پودرها در صنعت بکار می روند . مخلوط هایی که با این سه وسیله مخلوط می شوند خارج از مواد نمونه ، شن کوارتز در نسبت های متفاوت بکار می روند . (۳۰:۷۰ و ۲:۸۰) نتایج را رضایتمندانه محاسبه کردیم آن را نوشتیم و ارائه کردیم . شاخص های پیوند را با استفاده از آنالیزور گردش ذرات به منظور مشاهدۀ تاثیر گردش مواد ددر کیفیت ترکیب اندازه گرفتیم . نتایج بدست آمده ازا ین سه وسیله ، تاثیر اندازه ی ذرات و شاخص های پیوند ما را به این نتیجه می رساند که مخلوط کن های ثابت می توانند برای ترکیب پودرها استفاده شوند اما شکل آنها ، تعداد عناصر ترکیبی و طول مخلوط کن برای هر ترکیب باید جداگانه آزمایش و از لحاظ ریاضی در طول نمونه یابی سیستم انحاذ شود.

کلمات کلیدی : ترکیب – گردش پذیری – مخلوط کن – رقم پارامتری

۱- مقدمه
اختلاط ترکیبات را پخش یک فاز در فازی دیگر عملی است که در صنعت فراوان صورت می گیرد . هدف این عملکرد ساخت محصولی همگون با استفاده از حداقل انرژی و زمان است . سختی ها بواسطه ی گوناگونی محصولات برحسب اندازه – ذرات یا دانه های ریز ، شکل – ذرات بی شکل ، رطوبت و ماهیت سطح – چسبندگی و غیر چسبندگی پودرها ، آشکار می شوند . در ترکیب انواع مختلف مواد سه جنبه ی وسیع وجود دارد . نوع مخلوط کن انتخاب یا طرح شده و سبک عملکرد آن ، مشخصه بندی حالت نهایی مخلوط کن و میزان مکانیزم

فرآیند ترکیب در این حالت مطرح می شود . فرآیند ترکیب به شدت تاثیر ویژگی جریان مواد مخصوص ترکیبی است . شناخت موجود دو نوع مادۀ خاص ، جریان پذیری و چسبندگی آزاد ، به منظور طبقه بندی و مشخصه بندی ترکیبات و فرآیندهای اختلاط شکل می گیرد . تفاوت در مشخصه های فیزیکی به ترکیب و عدم ترکیب کمک می کند و پیش بینی نقطه همگونی عملاً غیر ممکن می شود. مکانیزم ترکیب نتیجه ی مشخصه هایی هیدرو دینامیک و جریان شناسی همانند تقابلات فیزیکی و شیمیایی بین ترکیب کننده هاست . تفاوت شکل در

پودرها سیارست و محدوده نر آنها از اشکال بلوری خوش ترکیب و بی شکل می باشد . مشخصه های فیزیکی و شیمیایی مواد ، هندسه ، ویژگی های سطح و اندازه و ذرات و تاریخچه ی کلی سیستم ، مشخصات عمدۀ پودرهای خوب را مشخص می ند . بیشتر پودرها به چسبنده بودن معروفند . بسیاری پودرها و قتی در معرض هوا یا دمای بالای انبار قرار می گیرند انباشته می شوند . این پدیده می تواند منجر به وجود توده های نرم کوچک که به راحتی می شکنند ، گلوله های سفت در اندازه های متفاوت یا استحکام توده ی پودری می شود . مشکل بزرگ دیگر در مورد پودرها تفکیک است که هنگامی که ذرات با ویژگی های متفاوت در بخش های متفاوت بستر پخش می شوند ، اتفاق می افتد . تفاوت اصلی مسئول تفکی

ک از لحاظ اندازۀ ذرات ، تراکم ، شکل و مقاومت متفاوت هستند که در سیستم های واقعی اجتناب ناپذیر است . کلاً فرآیند تفکیک وقتی اتفاق می افتد که پودرهای آزاد محدودۀ چشمگیری از اندازۀ ذرات دارند که در معرض برخی حرکات مکانیکی است ؛ ذرات به قعر بستر حرکت می کنند بنابراین تجمع آنها همزمان با ارتفاع بستر ، کاهش می یابد . تفاوت در این ویژگی ها می تواند باعث عدم ترکیب یاتفکیک در طی ترکیب یا جنبش مکانیکی ترکیب شود . در کل ، موادی که از لحاظ اندازه ، شکل و تراکم مشابه هستند ، قادرند که اکثر ترکیبات نافرم را شکل دهند .

ما وسایل مخلوط کن را با توجه به تفکیک به دو گروه دسته بندی کرده ایم : مخلوط کن های تفکیک – که مکانیزم های انتشاری اساسی دارند ، تشویق حرکت ذرات منحصر به فرد ، تفکیک کردن با اهمیت بیشتر ، مخلوط کن های نوع غیر پروانه مکنده تمایل دارند از این نوع باشند .

مخلوط کن های کم تفکیکی تر ، اساساً مکانیزم های اختلاط همرفتی دارند . اینها معمولاً نوع پروانه مکنده هستند که در آنها تیغه ها ، پیچ ها ، دو شاخه ها و غیره که ذرات را در منطقه ترکیب از سمتی به سمت دیگر حرکت می دهد . وسایل مخلوط کن بر طبق مواد مخلوط شده انتخاب می شوند ؛ بنابراین دانستن اندازۀ ذرات همانند مشخصه های گردش آنها مهم است . تنوع پودرها از روش های بسیاری نشأت می گیرد که در آن ویژگی های گردش مثل ویژگی های فیزیکی اجزای پودر مانند اندازۀ آنها ، محدودۀ اندازه ، شکل ، سفتی ، قابلیت ارتجاعی ، نفوذ پذیری ، توده ، تقابل بین اجزاء ، بافت ، زاویه داری و غیره ، ممکن است تغییر کنند . عوامل محیطی روی مشخصات عمده ی پودر مثل محتوای نم یا هوا ، فشار خارجی ، لرزش و غیره تاثیر می گذارند . این عوامل توزیع فیزیکی و تنظیم اجزا در تودۀ پودری را تغییر می دهد . تغییرات اجزای منحصر به فرد به وسیله ی عواملی مثل فرسایش ، انباشتگی ، تغییرات شیمیایی صورت می گیرد .

با به حساب آوردن عوامل ذکر شدۀ بالا ، آزمایشات با سه دستگاه مخلوط کن مختلف انجام شد . اولین دستگاه مخلوط کنی v شکل کلاً سبک بود که در صنعت به منظور ترکیب پودرها ، بسیار استفاده می شود . دومین آن ، مخلوط کن توربولا بود که به خوب ترکیب کردن پودرها معروف است . سومین دستگاه مخلوط کن مورد استفاده ، مخلوط کنی ثابت بود نه یک میکسر معمولی برای پودرها اما بیشتر برای ترکیب مایعات و غیر سیال نیوتونی استفاده می شود . یکی از علایق ، کشف چگونگی واکنش مخلوط کن ثابت هنگام ترکیب پودرها بود و اینکه آیا آن می توانست با در نظر گرفتن ویژگی های مواد ( اندازۀ اجزا ، ویژگی های گردش ) مخصوصاً به عنوان یک وسیله ی اضافی برای تکمیل ماشین ها به منظور جلوگیری از تفکیک ، جایگزین برخی مخلوط کن های ثابت شود .
ترکیب جامدات در وسایل مخلوط کن مختلف
ظرف مخلوط کن های v شکل : نمودار ۱

۲- مواد و روش ها
سه وسیله ی مورد استفاده و مختلف ترکیب کردن عبارت بود از : مخلوط کن چرخندۀ وی (v) شکل ، مخلوط کن لرزاننده ی توربولا و مخلوط کن ثابت . هدف این عمل قیاسی ، ارزیابی اثر پارامترهای فرآیند متنوع مثل اندازه ی ذرات ، سطح تکامل و سرعت چرخش در ترکیب بود .

مخلوط کن v (نمودار ۱ ) شامل دو بخش استوانه ای است که در زاویه ی حدود ۹۰ درجه بهم متصل شده اند که برای عملکرد دسته ای طراحی شده است . زاویه بین استوانه و خط مرکزی در خارج از محور ظرف چرخنده ۴۰ درجه است . مخلوط کن های حول محور افقی می چرخد که منجر به ترکیب ذرات معلق می شود . میزان شکست نهایی پودرها در مخلوط کن بین ۵۰ و ۶۰% است . مواد موجود در مخلوط کن نهایتاً به سوی رأس و سپس پایه های v حرکت می کنند . اجزای مواد در دو سمت عمودی و افقی حرکت می کنند بطوریکه ترکیب به شکل کامل روی می دهد . ظرفیت ظرف ۲ لیتر بود و پوششی داشت برای پر و خالی کردن محصولات .

مخلوط کن لرزاننده توربولا ( نمودار ۲ ) برای ترکیب همگون مواد پودری با اوزان خاص و اندازه های ذرات مختلف استفاده می شود . محصول در ظرف دربسته ی خودش ترکیب می شود . کارائی استثنائی مخلوط کن لرزاننده ی توربولا از استفاده از چرخش ، تبدیل و واژگونی طبق نظریه ی هندسی شانز نشأت می گیرد . ظف مخلوط کن در حرکتی سه بعدی قرار داده می شود که محصول را مداوماًٌ تحت تغییر و حرکت ریتمیک کوبنده ای قرار می دهد . آن بوسیله ی چرخش جامدات درون یک ظرف چرخنده با سرعت حدود rpm 40 عمل می کند ( حدود نصف سرعت انتقادی که در آن نیروی گریز از مرکز به کشش گرانشی پیش می گیرد ) ظرفیت کار آن حدود ۵۰ تا ۶۰ درصد است .
ویژگی های ابعاد فیزیکی نمونه مخلوط کن توربولای ۲TF همانند دیگر مخلوط کن ها در جدول ۱ آمده است .

مخلوط کن توربولا : نمودار ۲
مشخصات فیزیکی شن کوارتز : جدول ۱
در مخلوط کن ثابت ( نمودار ۳ ) مکانیزم اصلی در ورقه های نازک تقسیم گردش است . سبک عناصر شمسی یا ، ساختگی – شمسی است و در مجموعه از نخ های ۱۸۰ درجه دست چپ و راست تنظیم شده است . تیغه ی یک عنصر که در مورد دیامتر است در ۹۰ درجه انتهای تیغه پروانه عنصر بالاست . در تقسیم گردش ، تیغه مقدم عنصر اول با ورود به مخلوط کن ۲ بار ، مواد را تقسیم می کند و سپس ۱۸۰ درجه می چرخد . عنصر دوم جریان را دوباره این بار ۴ دفعه قسمت می کند و پس از آن باز چرخش ۱۸۰ در جه برخلاف جهت اتفاق می افتد . سومین عنصر فرآیند را با تقسیم به ۸ جریان تکرار می کند . همچنانکه تعداد جریانات لایه ها افزایش می یابد ، ضخامت لایه کم می شود . کیفیت مخلوط کن تابع ضخامت مخلوط کن و تعداد عناصرز است و در جریان ورقه های نازک مستقل از میزان گردش یا چسبندگی است . در ترکیب جامد / جامد واحد معمولاً عمودی با جریان ثقل می گردد . مواد زیر مخلوط کن به وسیله ی یک خط اسمبلی کاهش می یابد . مخلوط کن باید کاملاً پر شود چون هر وقت که جای خالی برای شکل دادن مخروط یا سطح محرک وجود داشته باشد ، تفکیک مجدد می تواند روی دهد .

آزمایشات با شن کوارتز که یک مادۀ جاری و آزاد غیر چسبنده است و موادی که از لحاظ اندازه ، توزیع و تراکم عمده متفاوتند انجام شد . ( جدول ۲)
تمامی مواد را قبل از استفاده الک کردیم بنابراین اندازه های مختلف گرانولی بدست می آید . این مطالعه را به منظور تمرکز روی عملکرد مخلوط کن ها طراحی نمودیم . ترکیبات را با محتویات اندازه های متفاوت ذارت ، نسبت های مختلف مواد و با باقی ماندۀ کثیری از اجزاء طرح کردیم . آزمایشات را با ترکیبات مواد مشابه و با استفاده از ۳ نوع مخلوط کن انجام دادیم .
وسایل مخلوط کننده و ویژگی های آن ها جدول ۲
پس از اینکه مواد را ترکیب کردیم نمونه ها را تجزیه نمودیم . نمونه گیری مکرر با توجه به قوانین اصلی نمونه گیری ، پویایی ترکیب را آزمایش کرد . پودر را در مخلوط کن ثابت ترکیب کرده و وقتی در حرکت بود از آن نمونه گیری کردیم . کل جریان با ۲۵ ثانیه فاصله زمانی انجام و توسط دو روش مختلف تجزیه شد . یکی از آن روش ها تحلیل استاندارد گرانولی و دیگری توسط آنالیزور اجزا (( سمپاتیک هلو و کترا )) انجام شد . داده هایی که به این روش بدست آمد محاسبه شد و نتیجه ی آن ترسیم گردید . کارائی ترکیب توسط انحراف استاندارد محتوای حداقل با توجه به جریان عمده در مخلوط کن ثابت اندازه گیری شد . هنگام ترکیب در مخلوط کن های ظرفی ( توربولا ، v شکل ) پس از زمان معینی ، مخلو کن متوقف شده و محتویات استوانه روی سطح صافی خالی شده و با توجه به ضخامت اجزاء استفاده شده الک می شود . تودۀ جریان به نسبت نمونه ها اندازه گیری می شود . سپس کل فرآیند بین فاصله زمانی مختلف که نمونه ها گرفته شدند تکرار می شود برای تجزیه ی نمونه ها در انالیزور لیزری ذرات ، زیر نمونه ها در روش مشابه گرفته و در دستگاه تجزیه قرار داده می شوند . نتایج نشان داد که چگونه بسیاری از ذرات در هر نمونه در یک زمان ترکیب ارائه می شوند .

مدل مکانیکی براساس یک انحراف استاندارد در آغاز و در طی فرایند ترکیب و براساس بخش معاوضه پذیر ترکیب کننده ها با میزان میانگین کل نمونه ها ساخته می شود . از پارامتر های انحراف استاندارد ، مدلی برای پویایی ترکیب ساخته می شود . مدل به نظر می رسد که یک منحنی و اریانس که منحنی را تغییر می دهد می تواند با افزودن توابع تشریحی برای مخلوط و عدم مخلوط توصیف شود . مدل فرسایش می تواند به صورت این معادله ارائه شود .