Kohesiivisten jauheiden aerodynaaminen dispergointi – laitteen mallinnus ja optimointi

Abstract

Pienet jauhepartikkelit kasaantuvat yhteen agglomeraateiksi kohesiivisten voimien, kuten van der Waalsin voiman tai sähköstaattisen vuorovaikutuksen, vaikutuksesta. Näiden agglomeraattien dispergoiminen on tärkeää monilla toimialoilla, jotta niiden kokoa ja muotoa voidaan tutkia. Pienetkin muutokset voivat vaikuttaa lopputuotteen ominaisuuksiin. Aerodynaamisessa dispergoinnissa agglomeraatit hajotetaan paineilman avulla kastelematta jauhetta ja yleensä käyttämättä muita dispergoinnin apuaineita. Aerodynaamiset dispergointimekanismit voidaan jakaa kolmeen alueeseen: dispergointi äkillisen kiihdyttämisen tai jarruttamisen avulla, törmäys liikkuviin tai paikallaan oleviin esteisiin ja dispergointi muiden mekaanisten voimien avulla. Näitä mekanismeja hyödyntäviä laitteita on kehitetty akateemisiin ja kaupallisiin tarkoituksiin. Yleisimmät laitetyypit ovat: eduktorit, venturit, suuttimet, kapillaariputket, aukot, sekoittimet, kiinteät esteet ja leijupedit. Kaupalliset laitteet hyödyntävät yleensä yhtä tai useampaa näistä laitetyypeistä jauheiden dispergoimiseksi. Aerodynaamisen dispergoinnin tutkimus on kehittynyt viime vuosikymmeninä tietokonesimulaatioiden ansiosta. Esimerkiksi laitteiden dispergointimekanismeja voidaan tutkia yhdistämällä numeerinen virtausdynamiikka (CFD) ja diskreetti elementtimenetelmä. Tässä työssä mallinnettiin dispergointilaite Comsol Multiphysics -ohjelmalla. Käyttäen sen CFD- ja Particle Tracing -moduuleita simuloitiin partikkeleiden liikettä laitteessa. Simulaatioiden avulla optimoitiin laitteen suuttimen säde, näytekupin syvyys, kammion kannen muoto, kammion säde sekä esikammion koko ja paine. Lopputuloksena saatiin malli, joka toimii toivotulla tavalla. Suuttimesta lähtee voimakas suihkuvirtaus, joka hajottaa kupissa olevat jauheagglomeraatit partikkeleiksi. Partikkelit sekoittuvat kammiossa, josta ne laskeutuvat kammion pohjalle. Kammion pohjalle laskeutuvasta partikkelijakaumasta pyrittiin saamaan mahdollisimman tasainen, mikä onnitui suhteellisen hyvin optimoinnin avulla. Tuloksiin liittyy monia epävarmuustekijöitä, jotka on tärkeää ottaa huomioon jatkotutkimuksissa ja laitteen valmistuksessa.