ITUB20155667A1 - Method and apparatus for mixing powders consisting of fine and ultrafine particles - Google Patents
Method and apparatus for mixing powders consisting of fine and ultrafine particles Download PDFInfo
- Publication number
- ITUB20155667A1 ITUB20155667A1 ITUB2015A005667A ITUB20155667A ITUB20155667A1 IT UB20155667 A1 ITUB20155667 A1 IT UB20155667A1 IT UB2015A005667 A ITUB2015A005667 A IT UB2015A005667A IT UB20155667 A ITUB20155667 A IT UB20155667A IT UB20155667 A1 ITUB20155667 A1 IT UB20155667A1
- Authority
- IT
- Italy
- Prior art keywords
- powders
- mixing
- fluidization
- fine
- ultrafine
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
- B01F23/60—Mixing solids with solids
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
- B01F31/80—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
Description
DESCRIZIONE della domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo "Metodo ed apparato per la miscelazione di polveri costituite da particelle fini ed ultrafini DESCRIPTION of the patent application for industrial invention entitled "Method and apparatus for mixing powders consisting of fine and ultra-fine particles
Campo tecnico dell'invenzione Technical field of the invention
L’invenzione è relativa ad un metodo per la miscelazione di polveri costituite da particelle fini ed ultrafini, più precisamente l'invenzione si riferisce alla miscelazione di particelle fini ed ultrafini che si basa sulla tecnologia della fluidizzazione assistita da campi acustici. The invention relates to a method for mixing powders consisting of fine and ultrafine particles, more precisely, the invention refers to the mixing of fine and ultrafine particles which is based on the fluidization technology assisted by acoustic fields.
Aide nota Aide note
Allo stato dell'arte sono noti diversi tipi di miscelatori, come tumbling mixer, miscelatori convettivi, miscelatori high-shear, tra cui media mills e hammer mills. Tuttavia, la presente letteratura si riferisce principalmente a grandi particelle sferiche non coesive, ovvero particelle di dimensioni superiori a 30pm, per le quali le forze interparticellari sono piccole rispetto alle forze di tipo gravitazionale e il loro ruolo nella miscelazione può essere trascurato. Detti tipi di miscelatori si riferiscono raramente a sistemi di particelle in forma di polveri con dimensioni dell'ordine dei micron o inferiori. Several types of mixers are known at the state of the art, such as tumbling mixers, convective mixers, high-shear mixers, including media mills and hammer mills. However, the present literature mainly refers to large non-cohesive spherical particles, i.e. particles larger than 30pm, for which the interparticle forces are small compared to gravitational forces and their role in mixing can be neglected. Said types of mixers rarely refer to systems of particles in the form of powders with dimensions of the order of microns or less.
Infatti, i miscelatori attualmente disponibili non sono efficaci nella rottura degli aggregati di particelle altamente coesive che richiederebbero imo s hear molto intenso o impatti ad alte velocità, ovvero dispositivi di riduzione granulometrica piuttosto che semplici miscelatori convenzionali. In fact, the mixers currently available are not effective in breaking up the aggregates of highly cohesive particles which would require very intense imo s hear or impacts at high speeds, i.e. particle size reduction devices rather than simple conventional mixers.
E’ prevedibile che la prossima generazione di materiali compositi e rivestimenti (coating) impiegherà particelle fini e ultrafini. Pertanto, la capacità di prepar ai' e compositi ben miscelati è estremamente importante, ed è quindi necessario sviluppare tecnologie di preparazione di miscele in grado di gestire grandi quantità di particelle fini e ultrafini. Idealmente, un processo di miscelazione di solidi particellari deve assicurare che le particelle di diversa natura siano intimamente miscelate in modo che qualsiasi piccolo campione prelevato dalla miscela contenga la stessa proporzione dei componenti, cioè i singoli materiali devono essere omogeneamente dispersi. Questo è estremamente difficile da realizzare quando le polveri sono coesive in quanto si presentano in forma di aggregati a causa delle intense forze interparticellari quali, ad esempio, forze di van der Waals ed elettrostatiche in generale. It is foreseeable that the next generation of composite materials and coatings (coatings) will employ fine and ultra-fine particles. Therefore, the ability to prepare well blended composites is extremely important, and it is therefore necessary to develop blend preparation technologies capable of handling large amounts of fine and ultrafine particles. Ideally, a particle solids mixing process must ensure that particles of different nature are intimately mixed so that any small sample taken from the mixture contains the same proportion of the components, i.e. the individual materials must be homogeneously dispersed. This is extremely difficult to achieve when the powders are cohesive as they occur in the form of aggregates due to intense interparticle forces such as van der Waals and electrostatic forces in general.
Le attuali tecniche di miscelazione di polveri fini possono essere classificate in miscelazione umida e a secco. Current fine powder blending techniques can be classified into wet and dry blending.
Le tecniche di miscelazione umida consistono semplicemente nella sospensione delle diverse polveri in un solvente liquido con alcuni additivi quali sali e tensioattivi. Wet mixing techniques simply consist in the suspension of the different powders in a liquid solvent with some additives such as salts and surfactants.
Queste tecniche sono le più comunemente usate, ma presentano degli svantaggi non trascurabili. In particolare, il materiale di interesse deve essere insolubile nel mezzo liquido, sono necessarie ulteriori fasi di filtrazione ed essiccamento (cioè le polveri devono essere riscaldate a temperature superiori a quella ambiente che potrebbero alterare le loro proprietà originali), e, infine, sono generalmente dannose per l'ambiente a causa delle emissioni di VOC. These techniques are the most commonly used, but they have some not negligible disadvantages. In particular, the material of interest must be insoluble in the liquid medium, further filtration and drying steps are required (i.e. the powders must be heated to temperatures above ambient which could alter their original properties), and, finally, they are generally harmful to the environment due to VOC emissions.
Le tecniche di miscelazione a secco includono magnetically assisted impact mixing (miscelazione per impatto assistita magneticamente) (MAIM), sistema di ibridazione (ΗΎΒ), mechanofusion (fusione meccanica) (MF), micros (MIC) and rapid expansion of high pressure and supercritical suspensions (espansione rapida di sospensioni ad alta pressione e supercritiche) (REHPS). Dry mixing techniques include magnetically assisted impact mixing (MAIM), hybridization system (ΗΎΒ), mechanofusion (MF), micros (MIC) and rapid expansion of high pressure and supercritical suspensions (rapid expansion of high pressure and supercritical suspensions) (REHPS).
Nella tecnica MAIM, le polveri dei componenti da miscelare sono poste in un contenitore non metalhco insieme con particelle magnetiche, successivamente sottoposte ad un campo magnetico oscillante che provoca ima forte agitazione delle particelle magnetiche, le quali subiscono urti con le pareti del contenitore e con le altre particelle favorendo la miscelazione. In the MAIM technique, the powders of the components to be mixed are placed in a non-metallic container together with magnetic particles, subsequently subjected to an oscillating magnetic field which causes a strong agitation of the magnetic particles, which are subjected to impacts with the walls of the container and with the other particles favoring mixing.
Il ΗΎΒ utilizza una camera cilindrica con un rotore e lame rotanti ad alta velocità; a causa delle elevate forze centrifughe, le particelle si muovono violentemente all' interno del sistema subendo molte collisioni con le lame rotanti e tra loro, consentendo quindi la disgregazione degli aggregati e favorendo la miscelazione. Il dispositivo MF ha un tamburo cilindrico che mota ad alta velocità (fino a 3000 rpm) , mentre un braccio interno stazionario crea intense forze di compressione e di taglio sulla miscela di polveri bloccate tra il braccio ed il tamburo cilindrico, promuovendone la miscelazione. The ΗΎΒ uses a cylindrical chamber with a high speed rotating rotor and blades; due to the high centrifugal forces, the particles move violently inside the system undergoing many collisions with the rotating blades and with each other, thus allowing the disintegration of the aggregates and favoring mixing. The MF device has a cylindrical drum that drives at high speed (up to 3000 rpm), while a stationary internal arm creates intense compressive and shear forces on the powder mixture trapped between the arm and the cylindrical drum, promoting mixing.
Il dispositivo MIC consiste in un recipiente con un albero principale rotante e un numero di anelli impilati, che servono come mezzi di fresatura. Le particelle, trattenute tra il sistema rotante di anelli e la superficie della parete cilindrica, vengono sottoposte a forze di compressione che causano la loro polverizzazione, dispersione ed intensa miscelazione. The MIC device consists of a vessel with a rotating main shaft and a number of stacked rings, which serve as milling means. The particles, held between the rotating ring system and the surface of the cylindrical wall, are subjected to compressive forces which cause their pulverization, dispersion and intense mixing.
Nel processo REHPS per la miscelazione di polveri fini e ultrafini, un fluido di sospensione, come CO2 supercritica, che trasporta le polveri, è fatto passare attraverso un ugello; l'elevata velocità di dissipazione di energia all'interno e all'ingresso dell'ugello provocano la rottura dell'aggregato. In the REHPS process for mixing fine and ultrafine powders, a suspension fluid, such as supercritical CO2, which carries the powders, is passed through a nozzle; the high speed of energy dissipation inside and at the entrance of the nozzle causes the breakdown of the aggregate.
Nel complesso, queste tecniche di miscelazione a secco sono, in generale, non efficaci nel conseguire la desiderata miscelazione sulla scala delle particelle primarie di polveri fini ed ultrafini e sono caratterizzate da diversi svantaggi: i) il metodo MAIM comporterebbe Γ aggiunta di particelle magnetiche alle polveri da miscelare, provocando, pertanto, l'inevitabile contaminazione della miscela finale (a causa particelle magnetiche residue); ii) i metodi MIC e MF implicano urna sorta di frantumazione delle polveri, alterando così la granulometria delle polveri originali; iii) i metodi ΗΎΒ e REHPS potrebbero danneggiare le particelle originali, in quanto richiedono impatti ad alta intensità o Γ esplosione degli aggregati di particelle. Overall, these dry mixing techniques are, in general, not effective in achieving the desired mixing on the scale of the primary particles of fine and ultrafine powders and are characterized by several disadvantages: i) the MAIM method would involve Γ adding magnetic particles to the powders to be mixed, thus causing the inevitable contamination of the final mixture (due to residual magnetic particles); ii) the MIC and MF methods involve a sort of crushing of the powders, thus altering the particle size of the original powders; iii) the ΗΎΒ and REHPS methods could damage the original particles, as they require high intensity impacts or Γ explosion of the particle aggregates.
In US 7,658,340 è descritto un processo di fluidizzazione di nanopar tic elle mediante applicazione di campi esterni di forze di varia natura senza alcun riferimento esplicito alla miscelazione di polveri fini e ultrafini. La miscelazione è descritta solo in riferimento ad ima realizzazione preferita in cui si utilizzano letti fluidi soggetti a vibrazione meccanica ed in presenza di campi magnetici. Questo aspetto è particolarmente rilevante dal momento che anche in questo caso l'impiego di campi magnetici è legato all aggiunta di particelle con proprietà magnetiche disperse tra le polveri da miscelare. L’impiego di particelle con determinati requisiti costituisce naturalmente un limite del processo e, inoltre, l'aggiunta di particelle magnetiche alle polveri da miscelare determina l'inevitabile contaminazione della miscela finale (a causa particelle magnetiche residue). US 7,658,340 describes a process of fluidization of nanoparticles by applying external fields of forces of various nature without any explicit reference to the mixing of fine and ultrafine powders. The mixing is described only with reference to a preferred embodiment in which fluid beds subject to mechanical vibration and in the presence of magnetic fields are used. This aspect is particularly relevant since also in this case the use of magnetic fields is linked to the addition of particles with magnetic properties dispersed among the powders to be mixed. The use of particles with certain requirements naturally constitutes a limitation of the process and, moreover, the addition of magnetic particles to the powders to be mixed determines the inevitable contamination of the final mixture (due to residual magnetic particles).
Recentemente la miscelazione delle polveri fini ed ultrafini, tra cui micro e nano-particelle, ha suscitato un certo interesse, viste le potenziali nuove applicazioni quali la produzione di cosmetici, alimenti, materie plastiche, materiali compositi, manufatti metallici, catalizzatori; nel settore energetico, dei biomateriali, di materiali metallici, e in sistemi microelettromecc anici (MEMS). Recently, the mixing of fine and ultra-fine powders, including micro and nano-particles, has aroused some interest, given the potential new applications such as the production of cosmetics, food, plastics, composite materials, metal products, catalysts; in the energy sector, biomaterials, metallic materials, and microelectromechanical systems (MEMS).
In ale mi e applicazioni, nanocompositi o compositi costituiti da diverse particelle fini (<30μηι) sono prodotti in modo diretto, altre volte tali compositi sono fabbricati a partire dai singoli componenti, che vengono in seguito pressati e sinterizzati. In ale mi and applications, nanocomposites or composites made up of different fine particles (<30μηι) are produced directly, other times such composites are manufactured starting from the single components, which are then pressed and sintered.
Poiché le particelle fini e ultrafini sono sempre in forma di aggregati a causa delle grandi forze interparticellari , la rottura degli aggregati è il primo passo necessario per ottenere una buona miscelazione. Tuttavia, i metodi sopracitati portano spesso ad una miscelazione grossolana perché non riescono a contrastare in maniera efficace le forze interparticellari non trascurabili a cui le particelle sono soggette. Since fine and ultrafine particles are always in the form of aggregates due to the large interparticle forces, breaking up the aggregates is the first necessary step to achieve good mixing. However, the aforementioned methods often lead to coarse mixing because they cannot effectively counteract the non-negligible interparticle forces to which the particles are subjected.
Lo stesso richiedente ha ottenuto il brevetto italiano n. The same applicant has obtained the Italian patent n.
0001239345 riguardante un'apparecchiatura per la vibroflui di zz azione di solidi mediante energia acustica ed il relativo procedimento, dove non vi è alcun riferimento alla miscelazione di polveri coesive; inoltre, detto processo di fluidizzazione riguarda anche solidi a carattere coesivo, ma al limite si riferisce a materiali micronici e non a materiali ultrafini quali nanoparticelle. 0001239345 relating to an apparatus for the vibratory action of solids by means of acoustic energy and the relative procedure, where there is no reference to the mixing of cohesive powders; moreover, said fluidization process also relates to cohesive solids, but in the limit it refers to micronic materials and not to ultrafine materials such as nanoparticles.
Al fine di ottenere una buona miscelazione, ovvero ottenere una miscela omogenea, è necessario che la miscelazione sia accompagnata dalla rottura degli aggregati e da un'efficiente dispersione delle polveri da miscelare. In order to obtain a good mixing, or to obtain a homogeneous mixture, it is necessary that the mixing is accompanied by the breaking of the aggregates and by an efficient dispersion of the powders to be mixed.
La tecnica della fluidizzazione solido-gas (D. Kunii, O. Levenspiel, Fluidization Engeenering. B utter worth- H eimrr ann, London, 1991) è, in generale, una delle più efficaci tecniche disponibili atte a garantire la movimentazione di polveri in modo continuo e con ima buona miscelazione a livello macroscopico, grazie all'efficacia del contatto gas-solido. The solid-gas fluidization technique (D. Kunii, O. Levenspiel, Fluidization Engeenering. B utter worth- H eimrr ann, London, 1991) is, in general, one of the most effective techniques available to guarantee the handling of powders in continuously and with good mixing at macroscopic level, thanks to the effectiveness of the gas-solid contact.
Sulla base della dimensione e della densità delle particelle di partenza, le polveri fini ed ultrafini rientrano nel gruppo C della classificazione di Geldart delle polveri, ovvero particelle di dimensioni < 30 uni . Ciò significa che la loro fluidizzazione risulta particolarmente difficile a causa di forze coesive interparticellari che diventano sempre più importanti al diminuire delle dimensioni stesse (Zhu, C., Yu, Q., Dave, R.N., Pfeffer, R. (2005). Gas fluidization characteristics of nanoparticles agglomerates, AIChE J. 51, 426—439; Wang, X., Rahman, R.F., Rhodes, M.J. (2007) Nanoparticle fluidization and Geldart's classification, Chem. Eng. Sci. 62, 3455—3461). A causa delle suddette forze interparticellari, le particelle fini coesive si presentano sempre nella forma di aggregati porosi di grandi dimensioni. Pertanto, la fluidizzazione di dette polveri effettivamente avviene in forma di aggregati di particelle piuttosto che come particelle primarie. Le proprietà dei suddetti aggregati influenzano fortemente la qualità della fluidizzazione, mentre la dimensione e la densità delle particelle primarie non possono essere considerati parametri rappresentativi per predire il comportamento della loro fluidizzazione. Ciò costituisce un limite al processo di miscelazione di polveri fini ed ultrafini attraverso la tecnologia della fluidizzazione, dal momento che la qualità della fluidizzazione incide sulla qualità della miscelazione; in particolare, la miscelazione si verificherebbe tra aggregati e non tra le particelle primarie, influenzando in tal modo anche la composizione e l'uniformità della miscela finale. On the basis of the size and density of the starting particles, fine and ultrafine powders fall into group C of the Geldart classification of powders, i.e. particles with dimensions <30 uni. This means that their fluidization is particularly difficult due to interparticle cohesive forces which become more and more important as their size decreases (Zhu, C., Yu, Q., Dave, R.N., Pfeffer, R. (2005). Gas fluidization characteristics of nanoparticles agglomerates, AIChE J. 51, 426—439; Wang, X., Rahman, R.F., Rhodes, M.J. (2007) Nanoparticle fluidization and Geldart's classification, Chem. Eng. Sci. 62, 3455—3461). Due to the aforementioned interparticle forces, cohesive fine particles always occur in the form of large porous aggregates. Therefore, the fluidization of said powders actually occurs in the form of aggregates of particles rather than as primary particles. The properties of the above aggregates strongly influence the quality of the fluidization, while the size and density of the primary particles cannot be considered representative parameters to predict the behavior of their fluidization. This constitutes a limit to the mixing process of fine and ultrafine powders through the fluidization technology, since the quality of the fluidization affects the quality of the mixing; in particular, mixing would occur between aggregates and not between primary particles, thus also affecting the composition and uniformity of the final mixture.
Di conseguenza, la formazione di aggregati grossolani deve essere contenuta in modo da ridurre il più possibile le dimensioni degli aggregati e per sfruttare adeguatamente il potenziale delle particelle fini e ultrafini. In altre parole, si rende necessaria una efficiente disgregazione degù aggregati di particelle, che influirà anche sul regime di fluidizzazione che si instaurerà. Consequently, the formation of coarse aggregates must be contained in order to reduce the size of the aggregates as much as possible and to adequately exploit the potential of fine and ultra-fine particles. In other words, an efficient disintegration of the particle aggregates is necessary, which will also affect the fluidization regime that will be established.
A conoscenza degli inventori, rimane ad oggi insoluto il problema tecnico connesso all’ ottenimento di ima miscelazione efficace di polveri coesive fini e ultrafini . To the knowledge of the inventors, the technical problem related to obtaining an effective mixing of fine and ultrafine cohesive powders remains unsolved.
Scopo della presente invenzione è quello di proporre un metodo di miscelazione in grado di promuovere e migliorare la miscelazione di polveri fini ed ultrafini a carattere coesivo. The object of the present invention is to propose a mixing method capable of promoting and improving the mixing of fine and ultrafine cohesive powders.
Sommario dell'invenzione Summary of the invention
La presente invenzione è relativa e un metodo per la miscelazione di polveri fini e ultrafini basato sulla tecnologia della fluidizzazione assistita da campi acustici. In particolare, la tecnologia proposta determina la rottura degù aggregati caratteristici delle polveri coesive (dovuti a forze di van der Waals, coulombiane e altre forze coesive) ed evita, quindi, gli inconvenienti tipici della loro fluidizzazione, quali canalizzazione e formazione di plug, che comprometterebbero la loro stessa miscelazione. The present invention relates to a method for mixing fine and ultrafine powders based on the technology of fluidization assisted by acoustic fields. In particular, the proposed technology causes the breakdown of aggregates characteristic of cohesive powders (due to van der Waals, Coulomb and other cohesive forces) and therefore avoids the typical drawbacks of their fluidization, such as channeling and plug formation, which they would compromise their own mixing.
Per polveri fini si intendono polveri costituite da particelle di dimensioni inferiori a 30 micron. Nel caso delle polveri ultrafini le dimensioni delle particelle sono inferiori a 1 micron; in pratica le polveri ultrafini sono costituite da nano particelle, o particelle con dimensioni nanometriche. Per fluidizzazione si intende la distribuzione omogenea del gas (o del fluido) nel solido attraversato. Il concetto e le condizioni di fluidizzazione sono alla portata del tecnico del ramo. By fine powders we mean powders made up of particles smaller than 30 microns. In the case of ultrafine powders, the particle size is less than 1 micron; in practice, ultrafine powders are made up of nano particles, or particles with nanometric dimensions. By fluidization we mean the homogeneous distribution of the gas (or fluid) in the solid passed through. The concept and conditions of fluidization are within the reach of the person skilled in the art.
L'intensità e la frequenza del campo acustico possono essere fissate ad un valore compreso tra 125-150dB e 20-300 Hz, rispettivamente. L'applicazione di campi acustici di opportuna intensità e frequenza è in grado di promuovere il meccanismo di rottura degli aggregati; è stato inoltre dimostrato che questi aggregati subiscono un'evoluzione dinamica dm’ ante la fluidizzazione assistita da campi acustici. Durante la fluidizzazione gli aggregati sono soggetti a continui processi di disgregazione e ricombinazione di aggregati più piccob e particelle ultrafini. E' evidente come tale meccanismo di aggregazione e disgregazione comporti, oltre ad ima miscelazione su scala macroscopica, cioè tra aggregati formati da un solo tipo di particelle, anche ima miscelazione microscopica, cioè all'interno degli aggregati sulla scala delle dimensioni delle particelle primarie. Tale miscelazione microscopica determina la formazione di aggregati ibridi, costituiti, cioè, da polveri diverse. The intensity and frequency of the acoustic field can be set at a value between 125-150dB and 20-300 Hz, respectively. The application of acoustic fields of suitable intensity and frequency is able to promote the breaking mechanism of the aggregates; it has also been shown that these aggregates undergo a dynamic evolution before fluidization assisted by acoustic fields. During fluidization the aggregates are subjected to continuous processes of disintegration and recombination of smaller aggregates and ultrafine particles. It is evident that this mechanism of aggregation and disintegration involves, in addition to a mixing on a macroscopic scale, i.e. between aggregates formed by a single type of particles, also a microscopic mixing, i.e. within the aggregates on the scale of the dimensions of the primary particles. This microscopic mixing determines the formation of hybrid aggregates, that is, constituted by different powders.
L'invenzione quindi si riferisce alla miscelazione di particelle coesive fini e ultrafini che si basa sulla tecnologia della fluidizzazione assistita da campi acustici. Al fine di ottenere ima miscelazione di diverse pai' tic elle fini ed ultrafini che sia omogenea, ovvero che ogni campionamento ottenuto dalla miscela conservi una data composizione, il processo di miscelazione deve comprendere: a) la rottura degli aggregati costituiti dalle particelle primarie, b) la dispersione delle diverse particelle in fonila di singole particelle o piccoli aggregati di una specie nell'altra. In tal modo, gli aggregati, inizialmente formati da particelle dello stesso tipo saranno poi successivamente formati da particelle di tipi diversi, opportunamente formatisi in fase di rottura degli aggregati di partenza. The invention therefore relates to the mixing of fine and ultrafine cohesive particles which is based on the technology of fluidization assisted by acoustic fields. In order to obtain a homogeneous mixture of different fine and ultrafine particles, i.e. that each sampling obtained from the mixture preserves a given composition, the mixing process must include: a) the breaking of the aggregates constituted by the primary particles, b ) the dispersion of the different particles in the form of single particles or small aggregates of one species in another. In this way, the aggregates, initially formed by particles of the same type, will then be subsequently formed by particles of different types, suitably formed in the breaking phase of the starting aggregates.
Il processo di miscelazione dell'invenzione sfrutta il meccanismo alla base della fluidizzazione assistita da campi acustici, ovvero l'instaurarsi di un moto relativo tra aggregati di polveri coesive (anche di diversa specie) dovuto alla generazione di forze di inerzia e viscose in conseguenza dell'applicazione di campi acustici opportuni. In altre parole, l'applicazione di campi acustici è tale da generare forze di inerzia e viscose, che agiscono sugli aggregati e sulla singole particelle; se tali forze sono sufficientemente elevate (ovvero se i campi acustici hanno opportuni valori di intensità e frequenza) si può provocare un moto relativo (non solo tra fase solida e gas ma anche) tra aggregati di diverse dimensioni, con conseguente rottura degli aggregati dovuti alle forze interparticellari di natura coesiva. Tale meccanismo è in grado di promuovere la rottura degli aggregati, ovvero di realizzare lo step (a). Allo stesso tempo le polveri di diversa specie così disgregate sono soggette sia al! azione del gas di fluidizzazione che tende a favorirne la dispersione (ovvero possono venire in contatto sub-aggregati o particelle di natura diversa) sia all'azione delle forze coesive che tendono a favorire la formazione di nuovi aggregati di natura ibrida. In tal modo si realizza contemporaneamente lo step (b). The mixing process of the invention exploits the mechanism underlying the fluidization assisted by acoustic fields, i.e. the establishment of a relative motion between aggregates of cohesive powders (even of different species) due to the generation of inertia and viscous forces as a consequence of application of suitable acoustic fields. In other words, the application of acoustic fields is such as to generate inertia and viscous forces, which act on aggregates and single particles; if these forces are sufficiently high (i.e. if the acoustic fields have suitable intensity and frequency values), a relative motion can be caused (not only between the solid phase and the gas but also) between aggregates of different sizes, with consequent breakdown of the aggregates due to interparticle forces of a cohesive nature. This mechanism is able to promote the breaking of the aggregates, or to carry out step (a). At the same time, the powders of different species thus disintegrated are subject to both! action of the fluidization gas which tends to favor its dispersion (ie sub-aggregates or particles of a different nature may come into contact) and the action of cohesive forces which tend to favor the formation of new aggregates of a hybrid nature. In this way step (b) is carried out simultaneously.
Lo scopo della presente invenzione è quello di presentare un metodo di miscelazione basato sulla fluidizzazione assistita mediante campi acustici al fine di promuovere e aumentare il grado di miscelazione di polveri fini ed ultrafini rispetto al caso di ima fluidizzazione non assistita. The object of the present invention is to present a mixing method based on assisted fluidization by means of acoustic fields in order to promote and increase the degree of mixing of fine and ultra-fine powders with respect to the case of non-assisted fluidization.
Ulteriori scopi dell’ invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata dell’ invenzione. Further purposes of the invention will become evident from the detailed description of the invention.
Breve descrizione delle Figure Brief description of the Figures
Figura 1: Rappresentazione schematica tipica dell’apparato per miscelare polveri fini ed ultrafini con il metodo secondo l’invenzione. Figure 1: Typical schematic representation of the apparatus for mixing fine and ultrafine powders with the method according to the invention.
Figura 2: Meccanismi di miscelazione degli aggregati. I) Miscelazione dei singoh aggregati; II) Miscelazione dei subaggregati (che conduce alla formazione di aggregati misti). Figure 2: Mechanisms of mixing aggregates. I) Mixing of the single aggregates; II) Mixing of sub-aggregates (which leads to the formation of mixed aggregates).
Figura 3: Immagini SEM degli aggregati della miscela con analisi EDS degli aggregati: campione prelevato dopo 1 min dui’ ante la prova di miscelazione. Figure 3: SEM images of the aggregates of the mixture with EDS analysis of the aggregates: sample taken after 1 min after the mixing test.
Figura 4: Evoluzione temporale della composizione degli aggregati determinata mediante analisi SEM/E DS. Figure 4: Time evolution of the composition of the aggregates determined by SEM / E DS analysis.
Figura 5: Andamento dellindice di miscelazione degli aggregati (130dB-120Hz) determinato mediante analisi SEM/EDS. Figure 5: Trend of the mixing index of the aggregates (130dB-120Hz) determined by SEM / EDS analysis.
Figura 6: Andamento dellindice di miscelazione degli aggregati determinato mediante analisi SEM/EDS. a) lOOdB-120Hz; b) 130dB-1000Hz. Figure 6: Trend of the mixing index of the aggregates determined by SEM / EDS analysis. a) 100dB-120Hz; b) 130dB-1000Hz.
Descrizione dettagliata dell<'>inv enzione La presente invenzione, differentemente da altri processi di miscelazione di polveri, comporta la formazione dinamica di aggregati ibridi, ovvero formati dai diversi tipi di polveri che si intendono miscelare, fino ad arrivare alla miscelazione completa. Detailed description of the invention The present invention, differently from other powder mixing processes, involves the dynamic formation of hybrid aggregates, that is formed by the different types of powders to be mixed, up to complete mixing.
Dette polveri possono essere almeno due di due tipi diversi, e possono essere anche più di due tipi. Said powders can be at least two of two different types, and they can also be more than two types.
Tale differenza è rappresentata graficamente in Figura 2 dove sono mostrati due cammini di miscelazione di polveri di tipo A e polveri di tipo B, diverse fra loro. This difference is graphically represented in Figure 2 where two different mixing paths of type A and type B powders are shown.
Il cammino I (mostrato per confronto) rappresenta ima miscelazione a livello di aggregati mentre il cammino II (secondo Tinvenzione) rappresenta un esempio di miscelazione a livello di particelle singole o sub-aggregati in cui si ha una prima fase di disgregazione degli aggregati seguita da una seconda fase di formazione di aggregati misti A+B. Ai fini di questa invenzione si definisce miscelazione completa o omogenea una miscelazione del secondo tipo o cammino II (Fig. 2). Path I (shown for comparison) represents a mixing at the level of aggregates while path II (according to the invention) represents an example of mixing at the level of single particles or sub-aggregates in which there is a first phase of disintegration of the aggregates followed by a second phase of formation of mixed aggregates A + B. For the purposes of this invention, complete or homogeneous mixing is defined as mixing of the second type or path II (Fig. 2).
In pratica l'uso delle condizioni di fluidizzazione assistita da campi acustici favorisce l'intima miscelazione di polveri di diversa natura. Le condizioni di intensità e frequenza secondo l'invenzione permettono di ottenere, a paidire da polveri differenti fra loro, una miscela omogenea che risulterà essere un nuovo tipo di polvere, differente dalle polveri di partenza. Come illustrato schematicamente in Figura 2, a partire dagli aggregati di particelle A e B sono possibili due tipologie di mescolamento delle polveri A e B. Nel cammino I, utilizzando tecniche diverse da quella secondo l'invenzione non idonee alla miscelazione di polveri fini ed ultrafini, si realizza una miscelazione a livello di aggregati. Invece, nel cammino II, nelle condizioni secondo l'invenzione, si realizza ima intima miscelazione delle polveri A e B. In pratica gli aggregati AB e BA risultano ibridi, ovvero costituiti da entrambe le polveri. In practice, the use of fluidization conditions assisted by acoustic fields favors the intimate mixing of powders of different nature. The conditions of intensity and frequency according to the invention make it possible to obtain, by using different powders, a homogeneous mixture which will turn out to be a new type of powder, different from the starting powders. As illustrated schematically in Figure 2, starting from the aggregates of particles A and B, two types of mixing of powders A and B are possible. , a mixing is carried out at the aggregate level. On the other hand, in the path II, under the conditions according to the invention, an intimate mixing of the powders A and B is carried out. In practice, the aggregates AB and BA are hybrid, ie consisting of both powders.
A conferma di quanto sopra, la Figura 3 illustra una micrografia degli aggregati ottenuti con il metodo dell'invenzione. To confirm the above, Figure 3 shows a micrograph of the aggregates obtained with the method of the invention.
Come illustrato, gli aggregati visibili al SEM sono costituiti da una intima e indistinguibile miscela dei componenti iniziali. As illustrated, the aggregates visible in the SEM are made up of an intimate and indistinguishable mixture of the initial components.
L'analsi EDS consente di determinare in maniera quantitativa la composizione di ciascun aggregato. The EDS analysis allows to quantitatively determine the composition of each aggregate.
Le polveri fini ed ultrafini trattate con il metodo di miscelazione della presente invenzione raggiungono un indice di miscelazione pari a 1 in un tempo inferiore ai 60 minuti, preferibilmente in un tempo inferiore ai 40 minuti. The fine and ultrafine powders treated with the mixing method of the present invention reach a mixing index equal to 1 in less than 60 minutes, preferably in less than 40 minutes.
[ll| metodo per la miscelazione di polveri fini ed ultrafini della presente invenzione comprende le seguenti principali fasi: [ll | method for mixing fine and ultrafine powders of the present invention comprises the following main steps:
i) acquisizione delle polveri costituite da particelle fini ed ultrafini e loro inserimento nel reattore; i) acquisition of powders consisting of fine and ultra-fine particles and their insertion into the reactor;
ii) alimentazione del gas di fluidizzazione; il gas da impiegare può essere aria, azoto e qualunque altro gas inerte rispetto alle polveri da miscelare inoltre, è preferibile l’impiego di un gas che non comporti un incremento della coesività delle polveri, ad esempio sarebbe da evitare l’uso di un gas umido in quanto si osserverebbe un aumento della coesività delle polveri dovuto all’ instaurarsi di forze capillari; la velocità superficiale del gas o di fluidizzazione dipende dal tipo di polveri da miscelare (ad esempio, polveri microniche o nanometriche), per cui il modo corretto di procedere prevede la stima della velocità minima di fluidizzazione da impiegare per la miscelazione a partire da preventivi test di fluidizzazione sulle singole poveri in presenza di campi acustici al fine di determinare la loro velocità di minima fluidizzazione. Ne segue che il valore della velocità di fluidizzazione da impiegare nella miscelazione deve essere maggiore del valore della velocità di minima fluidizzazione delle polveri da miscelare. La durata del processo non è prevedibile, in quanto dipende ancora ima volta dalla natura delle polveri, in quanto polveri a carattere maggiormente coesivo (che tendono a formare aggregati inizialmente più stabili) possono richiedere più tempo rispetto ad altre, caratterizzate da aggregati più labili (comunque, nelle nostre investigazioni i tempi sono sempre risultati inferiori ad un'ora di trattamento, anche inferiori ai 40 minuti); ii) supply of the fluidization gas; the gas to be used can be air, nitrogen and any other inert gas with respect to the powders to be mixed. humid as an increase in the cohesion of the powders would be observed due to the establishment of capillary forces; the surface speed of the gas or fluidization depends on the type of powders to be mixed (for example, micron or nanometric powders), so the correct way to proceed involves estimating the minimum fluidization speed to be used for mixing starting from preventive tests of fluidization on the single poor in the presence of acoustic fields in order to determine their minimum fluidization speed. It follows that the value of the fluidization speed to be used in mixing must be greater than the value of the minimum fluidization speed of the powders to be mixed. The duration of the process is not predictable, as it still depends on the nature of the powders, as powders with a more cohesive character (which tend to form initially more stable aggregates) may take longer than others, characterized by more labile aggregates ( however, in our investigations the times were always less than one hour of treatment, even less than 40 minutes);
iii) contemporanea attivazione del campo acustico; l'intensità e la frequenza del campo acustico possono essere fissate ad un valore compreso tra 125-150dB e 20-300 Hz, rispettivamente; iii) simultaneous activation of the acoustic field; the intensity and frequency of the acoustic field can be set at a value between 125-150dB and 20-300 Hz, respectively;
iv) il sistema viene operato in queste condizioni per il tempo necessario ad ottenere la miscelazione delle polveri; iv) the system is operated under these conditions for the time necessary to obtain the mixing of the powders;
v) scarico delle polveri dal reattore. v) discharge of the powders from the reactor.
Nello specifico, il metodo si adatta a polveri fini ed ultrafini (microniche e nanometriche) di qualunque tipo, quali ad esempio l'ossido di alluminio (AI2O3) e l'ossido di ferro (FegOa). Specifically, the method is suitable for fine and ultra-fine powders (micron and nanometric) of any type, such as aluminum oxide (AI2O3) and iron oxide (FegOa).
La frequenza e l'intensità sonora vengono mantenute costanti nel corso del processo di miscelazione. Generalmente detta intensità cade nell’intervallo 125-150 dB. L’intensità ha generalmente un effetto monotono sull’efficacia della miscelazione, fissate le polveri da miscelare; esiste comunque mi valore di soglia (minimo), fissate le polveri da miscelare, a cui corrisponde la massima efficacia di miscelazione, ovvero al di sopra del quale non si osservano ulteriori miglioramenti nella miscelazione, essendo questa già completa. A seconda delle polveri tale intensità minima può essere più o meno elevata, nell’intervallo indicato. In modo analogo la frequenza delle onde sonore è fissata e cade nell’intervallo 20-300 Hz. The frequency and intensity of the sound are kept constant during the mixing process. Generally, this intensity falls in the 125-150 dB range. The intensity generally has a monotonous effect on the effectiveness of mixing, once the powders to be mixed are fixed; however, there is a (minimum) threshold value, once the powders to be mixed are fixed, which corresponds to the maximum mixing efficiency, that is, above which no further improvements in mixing are observed, as this is already complete. Depending on the dust, this minimum intensity can be more or less high, in the indicated range. Similarly, the frequency of the sound waves is fixed and falls in the 20-300 Hz range.
La frequenza, al contrario dell’intensità, ha un effetto non monotono sull’efficacia della miscelazione fissate le polveri da miscelare. E’ generalmente possibile individuare un intervallo di frequenze ottimali, pari a 50-120 Hz. Frequency, as opposed to intensity, has a non-monotonous effect on the effectiveness of mixing when the powders to be mixed are fixed. It is generally possible to identify an optimal frequency range, equal to 50-120 Hz.
Dm' ante la fluidizzazione il gas o la miscela di gas impiegati sono scelti secondo i seguenti criteri: il gas da impiegare può essere aria, azoto e qualunque altro gas inerte rispetto alle polveri da miscelare, inoltre, è preferibile l’impiego di un gas che non comporti un incremento della coesività delle polveri, ad esempio sarebbe da evitare l’uso di un gas umido in quanto si osserverebbe un aumento della coesività delle polveri dovuto all’ instaurarsi di forze capillari. Before fluidization, the gas or mixture of gases used are chosen according to the following criteria: the gas to be used can be air, nitrogen and any other gas inert with respect to the powders to be mixed, moreover, it is preferable to use a gas which does not involve an increase in the cohesiveness of the powders, for example, the use of a humid gas should be avoided as an increase in the cohesiveness of the powders would be observed due to the establishment of capillary forces.
Detti gas sono immessi nel letto di fluidizzazione a velocità di fluidizzazione fissata secondo i seguenti criteri: la velocità di fluidizzazione dipende dal tipo di polveri da miscelare (ad esempio, polveri microniche o nanometriche), per cui il modo corretto di procedere prevederebbe la stima della velocità di fluidizzazione da impiegare per la miscelazione a partire da preventivi test di fluidizzazione sulle singole poveri in presenza di campi acustici al fine di determinare la loro velocità di minima fluì di zz azione. Said gases are introduced into the fluidization bed at a fixed fluidization rate according to the following criteria: the fluidization rate depends on the type of powders to be mixed (for example, micron or nanometric powders), so the correct way to proceed would foresee the estimation of the fluidization speed to be used for mixing starting from preventive fluidization tests on the individual poor ones in the presence of acoustic fields in order to determine their minimum flow rate.
Per il calcolo della velocità di minima fluidizzazione esistono delle relazioni semi empiriche che, però, nel caso di polveri a carattere coesivo possono non avere un carattere predittivo. In questo caso è più corretto ricorrere alla determinazione sperimentale della velocità di minima fluidizzazione a partire dalla curva di fluidizzazione che riporta le perdite di calicò subite dal gas nell'attraversamento del letto in funzione della velocità superficiale del gas stesso. L'esperto del ramo è in grado di determinare le condizioni di fluidizzazione di polveri. In ogni caso il valore della velocità di fluidizzazione da impiegare nella miscelazione deve essere maggiore del valore della velocità di minima fluidizzazione delle polveri da miscelare. Valori tipici della velocità di fluidizzazione da impiegare per la miscelazione sono pari a 0.1-0.5 cm/s nel caso di polveri nanometriche e a 1-5 cm/s nel caso di polveri microniche. La fluidizzazione è eseguita per un tempo non prevedibile, in quanto dipende dalle polveri da miscelare, poiché polveri a carattere maggiormente coesivo (che tendono a formare aggregati inizialmente più stabili) possono richiedere più tempo rispetto ad altre caratterizzate da aggregati più labili; comunque, nelle nostre investigazioni i tempi sono sempre risultati inferiori all'ora, e anche inferiori a 40 minuti, con valori tipici, nel caso di polveri nanometriche, dell'ordine della decina di minuti e, nel caso di polveri microniche, dell'ordine di qualche minuto. For the calculation of the minimum fluidization speed there are semi-empirical relationships which, however, in the case of cohesive powders may not have a predictive character. In this case it is more correct to resort to the experimental determination of the minimum fluidization speed starting from the fluidization curve which reports the calico losses suffered by the gas as it passes through the bed as a function of the surface velocity of the gas itself. The person skilled in the art is able to determine the fluidization conditions of powders. In any case, the value of the fluidization speed to be used in mixing must be greater than the value of the minimum fluidization speed of the powders to be mixed. Typical values of the fluidization speed to be used for mixing are 0.1-0.5 cm / s in the case of nanometric powders and 1-5 cm / s in the case of micronic powders. The fluidization is performed for an unpredictable time, as it depends on the powders to be mixed, since powders with a more cohesive character (which tend to form initially more stable aggregates) may take longer than others characterized by more labile aggregates; however, in our investigations the times were always less than an hour, and even less than 40 minutes, with typical values, in the case of nanometric powders, of the order of ten minutes and, in the case of micronic powders, of the order a few minutes.
L'apparato per la realizzazione del metodo comprende tipicamente i seguenti elementi: The apparatus for carrying out the method typically comprises the following elements:
1) reattori a letto fluidizzato in sé noti. La colonna di fluidizzazione può essere costituita da qualunque materiale (plexiglas, pyrex, quarzo, acciaio, ...). Ovviamente l'impiego di materiali trasparenti consente di avere anche una visione del materiale durante la miscelazione, cosa che invece è preclusa nel caso, ad esempio dell'acciaio. E' possibile pensare anche ad ima miscelazione condotta a temperature maggiori di quella ambiente (l'app he azione dei campi acustici è possibile anche in questo caso, purché raltopaiiante sia preservato daH'irr aggi amento del letto), per cui in questi casi è necessario l'impiego di materiali resistenti a queste temperature (tipo pyrex, quarzo o acciaio) 1) known fluidized bed reactors. The fluidization column can be made up of any material (plexiglas, pyrex, quartz, steel, ...). Obviously, the use of transparent materials also allows you to have a view of the material during mixing, which is instead precluded in the case, for example of steel. It is also possible to think of a mixing carried out at temperatures higher than the ambient one (the app he action of the acoustic fields is also possible in this case, as long as the rollover is preserved from the irritation of the bed), so in these cases it is it is necessary to use materials resistant to these temperatures (such as pyrex, quartz or steel)
2) sistema di generazione e propagazione del campo acustico costituito da un generatore di segnale, un amplificatore, un altoparlante ed un microfono. Ha senso parlare di posizionamento rispetto alla colonna solo dell' altoparlante: esso può essere posizionato in testa alla colonna di fluidizzazione, lateralmente o anche al di sotto del distributore, e collegato al reattore mediante apposita guida d'onda sonora. Il microfono deve essere in grado di rilevare il segnale sonoro proveniente dal letto fluidizzato. Entrambi i dispositivi devono essere posizionati in modo da garantirne la protezione dalle polveri elutriate o dall'irraggiamento del letto nel caso di miscelazione a temperatura maggiore di quella ambiente. L'intero sistema (reattore e guida d'onda) rispetta il principio alla base del risuonatore di Helmhotz, che consente di attenuare le onde sonore e, quindi, il rumore ad esse associato, garantendo un efficace isolamento acustico. Tutti i dispositivi sopra menzionati sono alla portata del tecnico del ramo; 2) acoustic field generation and propagation system consisting of a signal generator, an amplifier, a loudspeaker and a microphone. It makes sense to speak of positioning with respect to the column only of the loudspeaker: it can be positioned at the head of the fluidization column, laterally or even below the distributor, and connected to the reactor by means of a special sound wave guide. The microphone must be able to detect the sound signal coming from the fluidized bed. Both devices must be positioned in such a way as to guarantee protection from elutriate dusts or from radiation from the bed in the case of mixing at a temperature higher than the ambient one. The whole system (reactor and wave guide) respects the principle underlying the Helmhotz resonator, which allows to attenuate the sound waves and, therefore, the noise associated with them, guaranteeing effective acoustic insulation. All the devices mentioned above are within the reach of the person skilled in the art;
3) misuratori della portate del gas alimentato: possono essere di qualunque tipo (rotametri, misuratori di portata massica,...). 3) flow meters of the gas supplied: they can be of any type (rotameters, mass flow meters, ...).
Tutti i dispositivi sopra menzionati sono in sé noti; All the devices mentioned above are known per se;
4) strumento per la misura della caduta di pressione subita dal gas attraverso il letto: può essere di qualunque tipo (tipo manometri a U, trasduttori,...). Tutti i dispositivi sopra menzionati sono in sé noti; 4) instrument for measuring the pressure drop undergone by the gas through the bed: it can be of any type (such as U-type pressure gauges, transducers, ...). All the devices mentioned above are known per se;
Il metodo sopra descritto non si configura come un metodo per la fluidizzazione di polveri ma costituisce un vero e proprio metodo di miscelazione e il reattore a letto fluidizzato acusticamente in cui lo si realizza si configura come un mescolatore o mixer di polveri fini ed ultrafini. The method described above is not configured as a method for the fluidization of powders but constitutes a real mixing method and the acoustically fluidized bed reactor in which it is carried out is configured as a mixer of fine and ultra-fine powders.
Nella realizzazione delTinvenzione deve essere considerata Tattenuazione dellintensità del campo acustico attraverso Taltezza del letto di fluidizzazione che è pari a circa 10 dB per 10 cm di letto (F. Rag anati, P. Ammendola, R. Chirone, CO2 adsorption on fine activated carbon in a sound -assist ed fluidized bed: Effect of somid intensity and frequency, CO2 partial pressure and fluidization velocity, Appi. Energ. 113 (2014) 1269-1282.); si ritiene, quindi, che l'altezza massima per il letto di fluidizzazione è pari a 50 cm. In carrying out the invention, the attenuation of the acoustic field intensity through the height of the fluidization bed, which is equal to about 10 dB per 10 cm of bed, must be considered (F. Rag anati, P. Ammendola, R. Chirone, CO2 adsorption on fine activated carbon in a sound-assist and fluidized bed: Effect of somid intensity and frequency, CO2 partial pressure and fluidization velocity, Appi. Energ. 113 (2014) 1269-1282.); it is therefore believed that the maximum height for the fluidization bed is equal to 50 cm.
Ciò significa che su scala industriale Γ apparecchi atura potrà svilupparsi in superficie aumentando le dimensioni trasversali del letto di fluidizzazione e predisponendo più altoparlanti opportunamente collocati rispetto a detto letto, in modo da garantire la propagazione di un'onda sonora piana. This means that on an industrial scale Γ atura equipment will be able to develop on the surface by increasing the transverse dimensions of the fluidization bed and arranging more speakers suitably positioned with respect to said bed, so as to ensure the propagation of a plane sound wave.
La presente invenzione presenta numerosi vantaggi tra i quali vi è il fatto di non richiedere apparecchiature aggiuntive né additivi da inserire nel materiale da miscelare, come è invece richiesto da altri metodi di miscelazione facenti parte dello stato dell’arte, e inoltre detto metodo non altera in alcun modo le proprietà delle particelle di partenza, come ad esempio le caratteristiche magnetiche e morfologiche. Lo stesso metodo può essere impiegato a temperature superiori alla temperatura ambiente e consente di ottenere miscelazioni su scala nanometrica. The present invention has numerous advantages among which there is the fact that it does not require additional equipment or additives to be included in the material to be mixed, as is instead required by other mixing methods that are part of the state of the art, and furthermore said method does not alter in any way the properties of the starting particles, such as the magnetic and morphological characteristics. The same method can be used at temperatures above room temperature and allows for mixtures on the nanoscale.
Ulteriore vantaggio è rappresentato dall’ economicità delle apparecchiature necessarie e dalla semplicità del loro utilizzo. Another advantage is represented by the cost-effectiveness of the necessary equipment and the simplicity of their use.
L’invenzione trova applicazione preferita in tutti i settori industriali che si occupano della miscelazione di palàie eli e fini e ultrafini, in particolare nel settore manifatturiero quali ad esempio il settore cosmetico, alimentare, della plastica, metallurgico. The invention finds a preferred application in all industrial sectors that deal with the mixing of eli and fine and ultrafine palàie, in particular in the manufacturing sector such as the cosmetic, food, plastic, metallurgical sector.
Altre possibili applicazioni dell’invenzione interessano il settore energetico -ambientale, in particolare processi di trattamento di materiali fini o sistemi di filtraggio per la cattura del particolato. Other possible applications of the invention concern the energy-environmental sector, in particular processes for the treatment of fine materials or filtration systems for the capture of particulate matter.
Esempi Examples
E’ qui di seguito descritto un esempio di realizzazione dell’invenzione a dimostrazione dell'efficacia della fluidizzazione assistita da onde sonore nel promuovere la miscelazione di polveri ultrafini. Nello specifico sono state miscelate due polveri nanometriche quali l’ossido di alluminio (AI2O3), indicata come polvere A, e l’ossido di ferro (FeijCL), indicata come polvere B, di dimensioni inferiori a 50 nm. An example of implementation of the invention is described below to demonstrate the effectiveness of fluidization assisted by sound waves in promoting the mixing of ultra-fine powders. Specifically, two nanometric powders were mixed such as aluminum oxide (AI2O3), referred to as powder A, and iron oxide (FeijCL), referred to as powder B, with dimensions of less than 50 nm.
In particolare, si è caratterizzata la miscelazione tra le due polveri sia a livello globale di tutto il letto che a livello degli aggregati fluidizzati, che, se presente, sarebbe da imputare ad un’ evoluzione dinamica degli aggregati in condizioni di fluidizzazione. In altre parole, la miscelazione a livello globale può essere associata a due meccanismi che si sviluppano a Kvello locale, schematicamente riportati in Fig. 2, dove A e B indicano due aggregati iniziali composti unicamente da AI2O3 e FeaCL, rispettivamente. La fluidizzazione assistita acusticamente può promuovere, da un lato, la miscelazione uniforme di aggregati costituiti da ima sola delle due polveri (percorso I) e dall’altro, la miscelazione dei sub-aggregati, associata al continuo meccanismo di rottura e riaggregazione dei singoli aggregati, che conduce alla formazione di aggregati misti costituiti sia dall’ima che dall’altra polvere (percorso II). In particular, the mixing between the two powders was characterized both at the global level of the entire bed and at the level of the fluidized aggregates, which, if present, would be attributable to a dynamic evolution of the aggregates under fluidization conditions. In other words, global mixing can be associated with two mechanisms that develop at local Kvello, schematically shown in Fig. 2, where A and B indicate two initial aggregates composed solely of AI2O3 and FeaCL, respectively. Acoustically assisted fluidization can promote, on the one hand, the uniform mixing of aggregates consisting of only one of the two powders (path I) and on the other, the mixing of the sub-aggregates, associated with the continuous mechanism of breaking and re-aggregation of the individual aggregates , which leads to the formation of mixed aggregates made up of both the core and the other powder (path II).
Sulla base dei risultati ottenuti dalle prove di fluidizzazione delle polveri singole, si è deciso di operare con un campo acustico di intensità e frequenza pari, rispettivamente, a 130dB e 120Hz (valori che rientrano negli intervalli ottimali indicati), con una velocità superficiale del gas pari a 0.45cm/s, tale da garantire la fluidizzazione di entrambe le polveri sotto l’azione del campo acustico utilizzato. E’ stato utilizzato un rapporto massa ossido di ferro/massa ossido di alluminio paria al 50%. Based on the results obtained from the fluidization tests of the single powders, it was decided to operate with an acoustic field of intensity and frequency equal, respectively, to 130dB and 120Hz (values that fall within the indicated optimal ranges), with a surface velocity of the gas equal to 0.45cm / s, such as to guarantee the fluidization of both powders under the action of the acoustic field used. An iron oxide / aluminum oxide mass ratio of 50% was used.
L'apparato dell’invenzione è schematicamente riportato in Fig. 1. The apparatus of the invention is schematically shown in Fig. 1.
Si tratta di ima colonna di fluidizzazione dotata di distributore del gas di fluidizzazione (40mm ID). Al di sopra del distributore è collocata una presa di pressione per la rilevazione delle perdite di carico subite dal gas durante l’attraversamento del letto mediante un dispositivo di misura di pressione. Per evitare che la presenza di umidità potesse esaltare le forze di tipo capillare, è stato utilizzato azoto proveniente da bombole come gas di fluidizzazione. La portata del gas è stata regolata mediante l’impiego di appositi strumenti di misura. Il sistema di generazione e propagazione del campo acustico è costituito da un generatore di segnale, da un amplificatore, da un altoparlante e da un microfono. It is a fluidization column equipped with a fluidization gas distributor (40mm ID). Above the distributor there is a pressure point for detecting the pressure losses suffered by the gas as it passes through the bed by means of a pressure measuring device. To avoid that the presence of humidity could enhance the capillary forces, nitrogen from cylinders was used as fluidization gas. The gas flow rate was adjusted through the use of special measuring instruments. The acoustic field generation and propagation system consists of a signal generator, an amplifier, a loudspeaker and a microphone.
Il generatore digitale produce un segnale d’onda sinusoidale di frequenza fissata e lo invia ad un amplificatore sonoro di 400W di potenza in uscita, con cui è possibile fissare l’intensità del campo acustico. Il segnale è quindi trasmesso ad un altoparlante di tipo woofer (8 W) di 250mm di diametro posizionato in testa alla colonna di fluidizzazione. L’onda acustica generata dall’ altoparlante viene trasmessa al letto attraverso una guida d’onda, opportunamente progettata e posta superiormente alla colonna. Il microfono consente la lettura del segnale proveniente dal letto fluidizzato, che fornisce l’intensità sonora realmente presente all’ interno del letto. La scelta del percorso della perturbazione acustica consente di ottenere la protezione dell’ altoparlante da parte delle polveri eventualmente elutriate. La progettazione dell’intero sistema (reattore e guida d’onda) è stato effettuato secondo il principio alla base del risuonatore di Helmhotz, che consente di attenuare le onde sonore e, quindi, il rumore ad esse associato, garantendo un efficace isolamento acustico. The digital generator produces a sine wave signal with a fixed frequency and sends it to a 400W output power sound amplifier, with which it is possible to set the intensity of the acoustic field. The signal is then transmitted to a 250mm diameter woofer type speaker (8 W) positioned at the top of the fluidization column. The acoustic wave generated by the speaker is transmitted to the bed through a wave guide, suitably designed and placed above the column. The microphone allows the reading of the signal coming from the fluidized bed, which provides the sound intensity actually present inside the bed. The choice of the path of the acoustic disturbance allows the protection of the speaker to be obtained from any dust that may be eluted. The design of the entire system (reactor and waveguide) was carried out according to the principle underlying the Helmhotz resonator, which allows to attenuate the sound waves and, therefore, the noise associated with them, ensuring effective sound insulation.
La qualità di miscelazione tra le due polveri è stata studiata mediante la microscopia elettronica a scansione con microanalisi a raggi X (SEM/EDS) tramite analisi di campioni prelevati dal letto a vari istanti di tempo. Lo scopo è stato quello di ottenere land amento temporale dell'indice di miscelazione, il suo valore asintotico e il tempo caratteristico di miscelazione. In particolare, durante ciascun esperimento sono stati realizzati ima serie di prelievi di piccole quantità di letto a differenti intervalli di tempo. The quality of mixing between the two powders was studied by scanning electron microscopy with X-ray microanalysis (SEM / EDS) by analyzing samples taken from the bed at various instants of time. The aim was to obtain a temporal increase of the mixing index, its asymptotic value and the characteristic mixing time. In particular, during each experiment a series of withdrawals of small quantities of bed were carried out at different time intervals.
L'analisi EDS ha permesso di ottenere la composizione chimica, in termini di percentuale in peso di Al e Fe, in corrispondenza di diversi tempi, sia di intere aree di campioni di letto, sia dei singoli aggregati. In questo modo sono state ottenute, da un lato, informazioni sulla miscelazione globale del letto, e dall'altro, informazioni sulla miscelazione degli aggregati e l'evoluzione temporale della loro composizione. Questa analisi ha fornito, quindi, indicazioni sui tempi caratteristici del processo di miscelazione. EDS analysis made it possible to obtain the chemical composition, in terms of percentage by weight of Al and Fe, at different times, both of entire areas of bed samples and of single aggregates. In this way, information on the global mixing of the bed was obtained, on the one hand, and information on the mixing of the aggregates and the temporal evolution of their composition on the other. This analysis therefore provided indications on the characteristic times of the mixing process.
L'analisi, condotta su intere aree di campioni di letto, ha mostrato che già dopo un minuto la composizione media del letto ha raggiunto valori prossimi a quello teorico (50% di polvere A e 50% di polvere B). The analysis, carried out on entire areas of bed samples, showed that already after one minute the average composition of the bed reached values close to the theoretical one (50% of powder A and 50% of powder B).
Questo risultato conferma che la miscelazione del letto, su scala macroscopica, avviene in tempi brevi, come suggerito dairanalisi visiva del letto. This result confirms that the mixing of the bed, on a macroscopic scale, occurs in a short time, as suggested by the visual analysis of the bed.
Per quanto riguarda la miscelazione a livello microscopico, la Fig. 3, nella quali si riportano le immagini SEM degli aggregati e la relativa composizione chimica determinata mediante EDS, mostra che tutti gli aggregati sono costituiti sia da FeaCh che da AI2O3, in accordo col percorso II di Fig. 2, e le loro composizioni variano in un ampio intervallo. Sono, infatti, presenti aggregati molto ricchi sia di ossido di alluminio che di ossido di ferro. Allo scopo, dunque, di investigare l'entità e l'efficacia della miscelazione a livello degli aggregati, per ogni campione, prelevato in un determinato istante di tempo, sono state effettuate numerose analisi elementari su altrettanti aggregati scelti in maniera del tutto casuale. I risultati sono mostrati in Fig. 4 in un grafico che riporta l'evoluzione temporale della composizione degli aggregati. As for the mixing at the microscopic level, Fig. 3, which shows the SEM images of the aggregates and the relative chemical composition determined by EDS, shows that all the aggregates are made up of both FeaCh and AI2O3, in accordance with the path II of Fig. 2, and their compositions vary over a wide range. In fact, there are very rich aggregates of both aluminum oxide and iron oxide. In order, therefore, to investigate the extent and effectiveness of mixing at the level of the aggregates, for each sample, taken at a given instant of time, numerous elementary analyzes were carried out on as many aggregates chosen in a completely random manner. The results are shown in Fig. 4 in a graph showing the temporal evolution of the composition of the aggregates.
In particolare, il grafico riporta in ascissa la composizione degli aggregati, normalizzata in modo tale che a -1 ed 1 corrispondano aggregati costituiti dalla sola polvere A e B, rispettivamente, e a 0 aggregati perfettamente miscelati (cioè aggregati la cui composizione è quella teorica del 50%). Ogni punto rappresenta un aggregato ed ogni set di punti rappresenta gli aggregati analizzati ad un determinato istante di tempo. Si osserva che, già a partire da lmin dopo l'applicazione del campo acustico, tutti gli aggregati analizzati sono misti, ovvero sono formati da entrambe le polveri, anche se, come già detto precedentemente, hanno una composizione estremamente variabile. E', inoltre, evidente come la composizione chimica degli aggregati vali nel tempo, a conferma dell'evoluzione dinamica di questi ultimi in regime di fluidizzazione. In particolare, i set di punti convergono a 0 all’ aumentare del tempo (cioè gli aggregati, che cominciano ad essere ibridi già dopo pochi minuti, evolvono nel tempo tendendo a raggiungere la composizione teorica). In Fig. 5 viene riportato l'andamento temporale dell'indice di miscelazione degli aggregati, I(t), ricavato direttamente a partire dai risultati riportati in Fig. 4. In particular, the graph shows the composition of the aggregates on the abscissa, normalized so that to -1 and 1 correspond to aggregates consisting of powder A and B only, respectively, and to 0 perfectly mixed aggregates (i.e. aggregates whose composition is the theoretical one of 50%). Each point represents an aggregate and each set of points represents the aggregates analyzed at a given instant in time. It is observed that, starting from lmin after the application of the acoustic field, all the aggregates analyzed are mixed, that is, they are formed by both powders, even if, as already mentioned above, they have an extremely variable composition. It is also evident that the chemical composition of the aggregates is valid over time, confirming the dynamic evolution of the latter in the fluidization regime. In particular, the sets of points converge to 0 as time increases (ie the aggregates, which begin to be hybrid after a few minutes, evolve over time tending to reach the theoretical composition). Fig. 5 shows the temporal trend of the mixing index of the aggregates, I (t), obtained directly from the results reported in Fig. 4.
Per ogni istante di tempo, sono stati considerati quali aggregati efficacemente miscelati tutti gli aggregati con concentrazione in peso di polvere A o B compresa tra il 45 e il 55% (ovvero la cui concentrazione in peso presenta imo scostamento dal valore teorico inferiore al 5%); l’indice di miscelazione degli aggregati in quell’istante è stato calcolato come rapporto tra il numero di tali aggregati efficacemente miscelati ed il numero totale degli aggregati analizzati. Successivamente, i punti rappresentativi dei vaioli di I(t) sono stati interpolati utilizzando ima funzione del tempo del tipo I (t) = a 1 -exp , che minimizza For each instant of time, all aggregates with a weight concentration of powder A or B between 45 and 55% (i.e. whose concentration by weight shows a deviation from the theoretical value of less than 5%) were considered as effectively mixed aggregates. ); the mixing index of the aggregates at that instant was calculated as the ratio between the number of such aggregates effectively mixed and the total number of aggregates analyzed. Subsequently, the representative points of I (t) smallpox were interpolated using a time function of type I (t) = a 1 -exp, which minimizes
gli scarti quadratici medi, realizzando la curva riportata in Fig. 5 insieme alla relativa equazione. Si nota che il tempo caratteristico (τ) necessario a raggiungere il valore asintotico dell'indice di miscelazione è dell'ordine di 30min. In corrispondenza di questo tempo il sistema si porta, in maniera asintotica, ad un indice di miscelazione pari ad 1; ciò vuol dire che, nell’ arco temporale di 30 min tutti gli aggregati sono efficacemente miscelati. Il raggiungimento di ima miscelazione soddisfacente è dovuto ad un efficace meccanismo di frantumazione e ri aggregazione degli aggregati delle due polveri promosso dall’applicazione del campo acustico. the mean square deviations, realizing the curve shown in Fig. 5 together with the relative equation. It is noted that the characteristic time (τ) necessary to reach the asymptotic value of the mixing index is of the order of 30min. At this time, the system asymptotically reaches a mixing index equal to 1; this means that, in the time span of 30 minutes, all the aggregates are effectively mixed. The achievement of a satisfactory mixing is due to an effective mechanism of crushing and re-aggregation of the aggregates of the two powders promoted by the application of the acoustic field.
Si può, quindi, concludere che il meccanismo della miscelazione è caratterizzato da dinamiche che evolvono in tempi differenti, a seconda che il fenomeno venga osservato da un punto di vista macroscopico oppure da un punto di vista microscopico. Nel primo caso, infatti, sono necessari pochi secondi (circa lmin) affinché il letto assuma visivamente e quantitativamente una composizione omogenea e vicina a quella teorica. Nel secondo caso si è, invece, osservato che i fenomeni si sviluppano su una scala temporale più lunga, dell’ordine di 30min. It can therefore be concluded that the mechanism of mixing is characterized by dynamics that evolve at different times, depending on whether the phenomenon is observed from a macroscopic point of view or from a microscopic point of view. In the first case, in fact, it takes a few seconds (about 1min) for the bed to visually and quantitatively assume a homogeneous composition close to the theoretical one. In the second case, however, it was observed that the phenomena develop on a longer time scale, of the order of 30min.
Infine, sono stati effettuati dei test di miscelazione utilizzando campi acustici (100dB-120Hz e 130dB-1000Hz) di intensità o frequenza non appartenenti agli intervalli ottimali indicati. I risultati ottenuti, in termini di andamento dell’indice di miscelazione sono mostrati in Fig. 6. In particolare, si osserva che in entrambi i casi studiati l’indice di miscelazione ottenibile è inferiore a 0.25 (cioè meno del 25% degù aggregati risulta essere ben miscelato), a conferma che l’utilizzo di campi acustici non idonei (cioè caratterizzati da intensità o frequenza al di fuori degli intervalli ottimali indicati) è inefficace nel promuovere la miscelazione di polveri fini ed ultrafini. Finally, mixing tests were carried out using acoustic fields (100dB-120Hz and 130dB-1000Hz) of intensity or frequency not belonging to the indicated optimal ranges. The results obtained, in terms of the trend of the mixing index are shown in Fig. 6. In particular, it is observed that in both cases studied the obtainable mixing index is lower than 0.25 (i.e. less than 25% of aggregates results be well mixed), confirming that the use of unsuitable acoustic fields (i.e. characterized by intensity or frequency outside the optimal ranges indicated) is ineffective in promoting the mixing of fine and ultra-fine powders.
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ITUB2015A005667A ITUB20155667A1 (en) | 2015-11-17 | 2015-11-17 | Method and apparatus for mixing powders consisting of fine and ultrafine particles |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ITUB2015A005667A ITUB20155667A1 (en) | 2015-11-17 | 2015-11-17 | Method and apparatus for mixing powders consisting of fine and ultrafine particles |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ITUB20155667A1 true ITUB20155667A1 (en) | 2017-05-17 |
Family
ID=55447011
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ITUB2015A005667A ITUB20155667A1 (en) | 2015-11-17 | 2015-11-17 | Method and apparatus for mixing powders consisting of fine and ultrafine particles |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| IT (1) | ITUB20155667A1 (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005022667A2 (en) * | 2003-07-29 | 2005-03-10 | New Jersey Institute Of Technology | System and method for nanoparticle and nanogglomerate fluidization |
-
2015
- 2015-11-17 IT ITUB2015A005667A patent/ITUB20155667A1/en unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005022667A2 (en) * | 2003-07-29 | 2005-03-10 | New Jersey Institute Of Technology | System and method for nanoparticle and nanogglomerate fluidization |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shabanian et al. | Fluidization of ultrafine powders | |
| Tang et al. | Fabrication of Au nanoparticles embedded holey g-C3N4 as SERS substrates for sensitive and reliable detection | |
| Jamei et al. | A novel ultrasound assisted method in synthesis of NZVI particles | |
| Wei et al. | Mixing and characterization of nanosized powders: an assessment of different techniques | |
| Hakim et al. | Aggregation behavior of nanoparticles in fluidized beds | |
| Ajbar et al. | Fluidization of nano-powders: Effect of sound vibration and pre-mixing with group A particles | |
| US7658340B2 (en) | System and method for nanoparticle and nanoagglomerate fluidization | |
| To et al. | Deagglomeration of nanoparticle aggregates via rapid expansion of supercritical or high‐pressure suspensions | |
| KR20090108004A (en) | Methods Including Fluidized Bed Systems and Secondary Gas Flows | |
| Viscusi et al. | Aluminum foam made via a new method based on cold gas dynamic sprayed powders mixed through sound assisted fluidization technique | |
| Ammendola et al. | Aeration and mixing behaviours of nano-sized powders under sound vibration | |
| Annur et al. | PH dependence of size control in gold nanoparticles synthesized at room temperature | |
| Raghupathy et al. | Spray granulation of nanometric zirconia particles | |
| Ammendola et al. | Effect of mixture composition, nanoparticle density and sound intensity on mixing quality of nanopowders | |
| Kamphorst et al. | The mechanism behind vibration assisted fluidization of cohesive micro-silica | |
| ITUB20155667A1 (en) | Method and apparatus for mixing powders consisting of fine and ultrafine particles | |
| Bogovic et al. | Ultrasonic spray pyrolysis | |
| CN104897529B (en) | A kind of method for evaluating Fischer-Tropsch synthesis catalyst abrasion resistance | |
| Kamphorst et al. | Effect of vibrational modes on fluidization characteristics and solid distribution of cohesive micro-and nano-silica powders | |
| Grigoriev et al. | Interfacial assembly of partially hydrophobic silica nanoparticles induced by ultrasonic treatment | |
| Sanganwar et al. | Environmentally benign nanomixing by sonication in high-pressure carbon dioxide | |
| Osman et al. | Size reduction of dolomite into nano-size range through milling and tip-sonication processes | |
| Ruparelia et al. | Silica anchored colloidal suspension of magnetite nanorods | |
| Florena et al. | Experimental and simulation study of solid flows in beads mill | |
| Esmailpour et al. | An improved model for estimating fractal structure of silica nano-agglomerates in a vibro-fluidized bed |