Смешивание порошков, гранулирование и нанесение покрытий

Смешивание порошков, гранулирование и нанесение покрытий
на частицы
В статье даны результаты исследований, проведенных в Венгрии.
Автор: Джанос Гиенис e-mail: [email protected]
Адрес: Университет Капошвара, Научно-исследовательский институт химических
технологий. Эгиетем u.2, H-8200, Веспрем, Венгрия.
Содержание:
1.
Введение ..........................................................................................................................................1
2.
Гранулирование и нанесение покрытий на частицы ...................................................................5
3.
Производство гранул.......................................................................................................................5
4.
Гранулирование жидкого аэрозоля ...............................................................................................7
5.
Гранулирование аэрозоля и нанесение покрытий на части цы на роторных грануляторах ....7
6.
Новые направления исследований в НИИХТ .............................................................................8
7.
Ссылки (рекомендации) ..................................................................................................................9
1.
Введение
Смешивание, гранулирование и нанесение покрытий - обычно используемые действия при
производстве и обработке продовольственных порошков. Эти действия также важны для микрочастиц
других материалов, а не только для пищевых продуктов. Например, для фармацевтических препаратов
или химических продуктов. Объем и цены их реализации могут весьма различаться в зависимости от
характеристик и качества получаемых порошков, которые будут рассмотрены в данной статье. Поэтому
научные исследования в этой области имеют критическую важность относительно усовершенствования
технологии получения и относительно повышения качества порошков. Венгрия обладает большими
знаниями и опытом, а также серьезной промышленностью
в области сельского хозяйства и в
производстве продовольствия. Это было одной из основных причин, почему углубленное исследование в
этой области было всегда в фокусе внимания Научно-исследовательского института химических
технологий (НИИХТ) в городе Веспреме (Венгрия).
1
Процесс смешивания
Исследования поведения макрочастиц при смешивании были важной частью научной
деятельности НИИХТ в течение последнего десятилетия. Общая цель смешивания состоит в том, чтобы
достигнуть однородного распределения элементов повсюду в целой массе получаемой смеси
(объединения частиц). Использование неподвижных (статических) смесителей имеет большой
потенциал для успеха в решении этой задачи. Неподвижные смесители широко известны в других
областях переработки материалов. Особенно это относится к смешиванию жидкостей, улучшению
прямой и косвенной теплопередачи, массообменным процессам, увеличению турбулизации и
рассеивания, улучшению контакта различных материалов друг с другом при создании гетерогенных
систем и т.д. Однако они не нашли такого широкого применения для смешивания порошков.
По существу, эти смесители представляют собой рабочий орган, помещенный в некоторый
ограниченный объем (трубу, камеру, бак). При этом специально инициация материала не производится.
Но, используя различные давления, изменяя кинетическую или потенциальную энергию подвергаемых
обработке материалов, можно создавать желаемые формы и образцы течения, закономерные и
случайные перемещения. Таким образом, производится скоростной сдвиг материалов, относительные
перемещения масс частиц друг относительно друга, в том числе материалов, состоящих из микрочастиц.
Раздавливание, перемещение, сдвиг, вращение, ускорение, замедление и повторное объединение
различных частей смеси - обычные механизмы в этом процессе.
Научные исследования в НИИХТ в этой области шли в двух направлениях:
1.Изучение специального смесителя, названного «Миксер последовательного вращения» (МПВ).
2.Исследование поведения материалов в трубах последовательного миксера, оборудованного
неподвижными элементами.
Цели исследований состояли в том, чтобы убрать вращающиеся механизмы для смешивания,
изучить и улучшить кинетику процесса, разработать и изучить другие особенности этих смесителей, а
также
их
использование
для
практических
задач.
Смеситель МПВ (или еще его называют "СисМикс") показан в Рисунке1. Он состоит из двух контейнеров,
размещенных на концах цилиндрического тела - органа смесителя. В него также входит размещенная
посередине секция, отвечающая за смешивание и содержащая неподвижные сетки смесителя. В
процессе действия
это
устройство
вращается относительно оси, проходящей
через центр
цилиндрического тела. Оно вращается периодически в разных направлениях вокруг горизонтального
вала. Поэтому продовольственные порошки или некоторый объем микрочастиц других материалов
периодически двигаются сквозь сетки смесителя в разных направлениях. Сегрегации в процессе
смешивания препятствуют периодическая смена направлений действия сил, которые в другом варианте
могли бы вызвать сегрегацию частиц по каким-то определенным признакам. Принципы действия
смесителя и результаты детально описаны литературе [1-3].
2
Рисунок 1.
МПВ-миксер. Справа - увеличенный вид неподвижных сеток
миксера.
На рисунке 2 ниже показаны типичные примеры улучшений, достижимых с применением этого
типа смесителя: очень круто увеличивается однородность смеси, достигая высокой степени без какихлибо признаков сегрегации, даже для смесей, составленных из частиц с очень разными размерами и
удельным весом [4]. Теоретические исследования дали устойчивое объяснение качественного поведения
частиц в этом процессе. Эксперименты были также выполнены в коммерческом масштабе (от 20-30 до
200-300кг в час).
Рисунок 2.
3
Рисунок 3.
Трубы смесителя (рисунок 3) оборудуются различными типами неподвижных лопаток.
Исследования, выполненные на непрерывно работающих трубах смесителя с винтовыми элементами,
свидетельствуют, что вопреки общим представлениям эти смесители способны превосходно обеспечить
смешивание порошков не только в радиальном, но и в продольном направлении.
На рисунке 4 (см.ниже) показано распределение во времени и пространстве потока частиц,
взвешенных в трубах смесителя, оборудованных различными винтовыми элементами [5].
Рисунок 4: Распределения во времени и пространстве потока
частиц внутри работающих труб смесителя.
4
Квазистатические смесители представляют собой
присоединенные друг к другу статические
смесители. Они позволяют устранить некоторые боковые и продольные движения внутри текущего
порошка, которые препятствуют перемешиванию. Такие устройства также хорошо применимы для
многокомпонентных продовольственных порошков. Производительность таких смесителей составляет от
0.5 до 60 тонн в час в зависимости от диаметра их труб (от 0.05 до 0.40 м) и других параметров.
Энергопотребление этих смесителей очень невелико: приблизительно 0.1 кВт/тонну. Это
означает, что кроме подачи, никакая энергия не требуется, если компоненты уже поданы во входное
отверстие трубы вертикального смесителя, где на элементы порошковой смеси продолжает
воздействовать только сила тяжести и т.п.
2.
Гранулирование и нанесение покрытий на частицы
Гранулирование - одна из самых важных областей исследования в институте НИИХТ. Цели
изучения охватывают усовершенствование процесса и развитие технологий получения новых изделий.
Например, чтобы достигнуть более высокого качества продовольственных порошков или гранул. В таких
случаях именно запросы потребителей всегда стимулировали и направляли исследовательскую
деятельность института. Это касается, например, производства нескоропортящихся, свободнотекучих,
легко растворимых или мгновенно диспергируемых гранул с хорошим сохранением качества исходного
продукта.
3.
Производство гранул
Продовольственные порошки, производимые из жидкостной смеси путем сушки с помощью
движения горячего газа (главным образом воздуха) показывают способность к стойкости при достаточно
высокой температуре и способность к массовой теплопередаче между газом и частицами. Это особенно
важно потому, что позволяет использовать пониженное температурное воздействие на частицы, избегая
любого повреждения частиц пищевых порошков из-за повышенной температуры. В процессе
гранулирования имеют место очень сложные, взаимозависимые процессы, идущие как одновременно,
так и последовательно, часто с высокой интенсивностью повторения. Гомогенизация, смачивание частиц
с обязательным осаждением жидкости на поверхности частиц, агрегирование, фиксация, сушка,
напыление, возможно, покрытие
и затем охлаждение - самые важные шаги или процессы.
Материальные свойства частиц вообще очень разнообразны. Большинство из них оказывают
существенное влияние на весь производственный процесс сушки и грануляции. Такая сложность
процесса сушки нуждается в искушенном подходе при осуществлении исследований и проектировании
оборудования. В процессе создания оборудования для агломерации необходимо обеспечить
определенные параметры продукта. И все это для того, чтобы в процессе производства порошков
5
получались агломераты первичных частиц с повышенной пористостью, которая особенно ценится для
обеспечения последующей мгновенной растворимости получаемых порошков.
Несколько новых типов грануляторов были разработаны в НИИХТ в течение последнего
десятилетия [6]. Были сделаны специальные усовершенствования, чтобы улучшить процесс грануляции,
уменьшить
проблемы
флюидизации
даже
для
сверхтонких
и
связанных
(композиционных)
продовольственных порошков [7]. Форсунки пульверизатора для распыления аэрозоля с двумя
встречными струями гарантируют высокую эффективность смачивания частиц и получение однородного
материала с маленькой крупностью. Эксперименты начинали на компактном лабораторном устройстве,
представляющем собой гранулятор с длиной деки 0.2 м. В качестве компонента устройства также
присутствовал электротепловой вентилятор и тканевый фильтр, чтобы предотвратить выход в
атмосферу запыленных выхлопных газов, образующихся вместе с выводимой в процессе сушки водой.
На основе результатов и опытов, полученных на деке 0.2м в соответствие с обширной
программой лабораторных исследований, экспериментальные испытания были продолжены на
подобных грануляторах с большим размером деки - 0.4 м и т.д. Опыты и проанализированные данные,
достигнутые в результате масштабирования оборудования, вполне достаточны для эффективного
проектирования оборудования коммерческого масштаба для данной цели. Обычно это установки с декой
1.2
м.
Для технологии покрытия в качестве носителя и растворителя обычно используется чистая вода. Это
решение достаточно эффективно, так как в качестве клееобразующего покрытия частиц, главным
образом, используются различные водорастворимые производные целлюлозы.
Самые интересные результаты, полученные в процессе проведения исследований по
производству растворимых пищевых порошков на сушилках-грануляторах аэрозолей, были связаны со
следующими
задачами:
1.Определение момента начала образования гранулы из аэрозоля в процессе сушки порошка.
2.Поведение частиц порошка на капельке воды аэрозоля в процессе сушки.
Капельки представляли собой аналоги крошечных микросфер, подобных маленьким шарам пингпонга,
которые
легко
можно
было
перевести
в
гранулы.
3.Также были подробно исследованы гранулы, полученные из свежепомолотого порошка красного перца
с последующим нанесением на гранулы покрытия. Тонкий слой покрытия хорошо сохранил
первоначальный (оригинальный) цвет, фактуру и аромат первоначального продукта, предотвращая
потерю качества в процессе хранения.
6
4.
Гранулирование жидкого аэрозоля
В НИИХТ было разработано и запатентовано специальное оборудование для производства
гранул непосредственно из аэрозоля, то есть из водного раствора [9-10]. Самые важные особенности
этого процесса:
1.гранулы
материала,
образованные
частицами
порошка,
извлеченными
из
жидкости,
производятся с помощью сушки потоком горячего газа,
2.ввод первичных частиц в гранулятор осуществляется распылением через форсунки,
3.рост гранулы определяется специальным поверхностным процессом, идущим по принципу
иерархического накопления размеров,
4.размеры гранул управляются специальными элементами конструкции, позволяющими потоку
вращаться и перемешиваться,
5.высокие температуры газа и сопровождающая их интенсивная теплопередача между газом и
частицами порошка в аэрозоле, позволяют поддерживать достаточно низкую температуру процесса,
чтобы избежать повреждения компонентов пищевого продукта высокой температурой.
5.
Гранулирование аэрозоля и нанесение покрытий на частицы на роторных
грануляторах
Для производства из жидкости очень компактных (плотных) сферических гранул с однородным
заданного размера покрытием очень эффективно роторное оборудование, разработанное в НИИХТ.
Основные его особенности:
1).первичные частицы или семена подаются в тороидальную область на вращающуюся
коническую
пластину – турбулизатор воздуха. Разробленные частицы (аэрозоль) подхватываются
движением горячего газа, вводимого через несколько круглых отверстий во вращающейся конической
пластине. Нанесение и закрепление покрытия на поверхности формируемых в устройстве гранул
определяется механизмом иерархического действия.
Этим путем производятся гранулы высокой
плотности. Они могут быть произведены определенной формы и размеров с толстым или тонким
покрытием.
В данном случае исследования были начаты непосредственно в экспериментальном масштабе на
грануляторе с декой 0.4 м и т.д. Несколько единиц коммерческого оборудования масштаба 1.2 м и выше
уже используются промышленностью.
2).Покрытие частиц также наносят на грануляторе, на котором осуществляется покрытие тонким
слоем или увеличенных размеров с захватом нескольких частиц (агломератов) одного материала или
различных материалов. Все это достаточно обычные технологии. При этом достижимыми с данной
7
технологией переменными могут быть форма частиц, их пористость, текучесть, растворимость, а также
определенные заданные свойства нанесенного слоя покрытия. Эффективные методы управления этии
переменными были разработаны в НИИХТ для производства покрытии, удовлетворяющих требованиям
заказчиков. В разработанном НИИХТ оборудовании на частицы могут наноситься совершенные
бездефектные покрытия с управляемой толщиной с помощью
-интенсивного перемещения частицы с заданной траекторией движения
-оптимальным подбором характеристик газа
-оптимальным формированием капель аэрозоля путем распыления.
6.
Новые направления исследований в НИИХТ
Для создания композиционных материалов из компонентов продовольственных порошков все
более большое значение будут иметь исследования в области наноразмерных покрытий частиц. Это
относится, как к продовольственным технологиям, так и к фармацевтике, косметике и материалам тонкой
химии. Исходя из этого посыла, и начались уже исследования в НИИХТ, который сотрудничает с
Национальным институтом ресурсов и окружающей среды (Тсукаба, Япония) [11-12].
И уже есть определенные многообещающие успехи в области исследования порошковых
технологий в институте НИИХТ.
8
7.
Ссылки (рекомендации)
1. Гиенис, J., Арва, J., " Усовершенствование эффекта смешивания с помощью неподвижных
сеток смесителя в смесителе, работающем в замкнутом цикле. Журнал «Производство и переработка
порошков», N 1 (2), 165-171 (1989)
2. Гиенис, J., Арва, J., "Работа механизма смешивания в смесителе, работающем в замкнутом
цикле», Часть 1-я, Журнал «Производство и переработка порошков», N1 (3), 247-254 (1989).
3. Гиенис, J., Арва, J., "Работа механизма смешивания в смесителе, работающем в замкнутом
цикле»,
Часть 2-я,
Описание процессов конвекции и механизмов распространения", Журнал
Производство и переработка порошков, 1 (4), 365-371 (1989).
4. Гиенис, J., Брва, J., Немет, J., " Смешивание и выделение частиц неидеальных твердых
порошков в циклическом смесителе» Дж.инд. Чем., 19 (1), 69-74 (1991).
5. Гиенис, J., "Неподвижные смесители. Обзор ", Издательство «КОНА», 2002 год.
6. Ормос, Z., (Редакторы: D. Чалия, М. Делеуил, Y. Поерселот), " Грануляция и покрытие». Глава
11 «Порошковая технология и фармацевтические процессы». Элсевир, Амстердам, 1994. стр 359-376.
7. Ormуs, Z., Пэйтаки, K., Хаджду, R., " Процесс гранулирования в агломераторе и гранулятор с
механическими элементами», Материалы 5-ой Конференции по Прикладной Химии, процедурам и
процессам». Балатонфьорд, 3-7 сентября 1989. Издание 2. стр. 326-330.
8. Денкс, B., Ормос, Z., " Формирование гранулы из жидкостной фазы на агломераторе", Издание
2. Журнал «Порошковая технология». 31, 85-91 и 93-99 (1982).
9. Хаджду, R., Ормос, Z., " Гранулирование на ротационном диске. Флюидальное оборудование".
Материалы 5-ой Конференция по Прикладной Химии, процедурам и процессам» Балатонфьорд, 3-7
сентября 1989. Издание 2. стр 341-345.
10. Хорват, E., Ормос, Z., " Пленочное покрытие гранул на гарнуляторе методом распыления",
Журнал «Протоколы фармацевтической технологии», 35, 95-105 (1989).
11. Эндох, S., Сзепволгий, J. Младший, Танимото, T., Изами, K., Нэйто, M., "Уменьшение толщины
слоя частицы высокоскоростным ротором». Материалы 36-ой Летнего симпозиума по порошковым
технологиям, Хаяма, Япония, 31 июля-2 августа 2000, стр. 32-36.
12. Сзепволгий, J. Младший, Эндох, S., Гиенис, J., Тардос, Г.и., «Динамическое моделирование
движения частицы и моделирование поверхностного покрытия с помощью скоростного ножевого
смесителя". Предпечатное издание ежегодной встречи в Далласе, 31 октября - 5 ноября 1999,
ротапринтное издание, 144c.
9