Islak Öğütme Ekipmanlarının Seçimine Farklı Bir Bakış Açısı

19.12.2019

Özet

Islak öğütme uygulamaları için en temel iki ekipman; boncuklu değirmen ve basket tipi değirmenler (basketmill) olarak gösterilebilir. Endüstride bu değirmenlerin hangisinin daha üstün olduğuna dair bir tartışma uzun süredir devam etmektedir. Bu ekipmanlar, ıslak öğütme gerektiren prosesler için kritik konumdadır. Bu nedenle doğru ekipmanın seçimi için ıslak öğütme hakkında temel bilgiye sahip olmak önemlidir. Bu makale ile bu iki değirmenin aslında rakip değil, farklı ıslak öğütme uygulamalarına hitap ettikleri savunulmaktadır. Dolayısıyla doğru uygulama için doğru ekipmanın nasıl seçileceği tartışılacaktır. Islak öğütme uygulaması prensipleri bu makalenin konusu olmamasına rağmen bu tür ekipmanların seçimi için ilgili prensiplerin bilinmesi gerekmektedir.

1. Giriş

Boncuklu değirmenler ile ıslak öğütme, boya gibi üretimler için kritik bir proses aşamasıdır. Mürekkep ve boyalarda kalite gereksinimleri kayda değer ölçüde artmıştır. [1] Bugünlerde pazardaki, yüksek derecede parlak renk ve boyalar için uzun hizmet ömrü beklentisi artmıştır. Üreticiler, ürünlerinin bileşim, viskozite, partikül boyutu dağılımı (dispersiyon ve öğütme prosesinden önce ve sonra) ve diğer özelliklerine uygun en iyi hammadde ve öğütme ekipmanın araştırılması ve seçilmesi için çok zaman harcamaktadır. [2] Boyalar için yeni uygulamalar arttıkça, kullanılan pigment sayısı da artmaktadır. [3,4] Bunun sonucu olarak, üreticiler, farklı karakteristiklere sahip yeni formülasyonlarla karşılaşmaktadır. [5] Bu sorunlar, her üreticinin kendi prosesine uygun ekipmanı seçmesi konusunda tartışmalara neden olmaktadır. Öğütme ve dispersiyon sistemini tam olarak anlamak, doğru değirmen seçimi için çok önemlidir. Öğütme ve dispersiyonun temel prensipleri bu makalenin konusu olmamakla birlikte bu bilgi olmadan boncuklu değirmen ve basket tipi değirmenlerin farklarını yorumlamak mümkün olmayacaktır. Bu nedenle prosesin önemli bileşenleri olan boncuk tipi ve boyutu, boncuklu değirmen ve basket tipi değirmenlerin makine teknolojisi ve ürün özellikleri hakkında kısa bilgiler de bu makalede yer almaktadır. Basket tipi değirmenin temel çalışma prensibi; proses altındaki ön karışımı tutan büyük bir kazan içerisinde yer alan küçük bir proses çemberidir. (Şekil 1) Öğütme ve karıştırma operasyonu sırasında ortaya çıkan ısıyı kontrol etmek için soğutulmalıdır. Basket tipi değirmenler, ayrı bir karıştırıcı şartı ile pin veya disk tipi karıştırıcıya da sahiptirler. Buna karşın, boncuklu değirmenler disk veya pin tip rotoar sahip bir şafttan oluşurlar. (Şekil 2) Tüm ürünler proses çemberinden neredeyse homojenize şekilde geçer. Görece küçük proses çemberi sayesinde, soğutma etkisi çok daha etkilidir.

Şekil 1. Basket tipi değirmenin proses çemberinin basit bir şematik gösterimi

Şekil 2. Tam hacimli boncuklu değirmen proses çemberinin basit bir gösterimi

2. Boncuklar

Öğütme boncuklarının boyutu, yoğunluğu ve kalitesi, dispersiyon görevi ve makine teknolojisi ile koordine edildiğinde prosesin verimliliği geliştirilebilir ve süspansiyonun kalitesi artırılabilir. Mürekkep veya boyaların disperse edilebilmesi için genellikle boncuklu değirmen veya basket tipi değirmenler kullanılır. Boncuklar arasındaki sürtünme ile renk pigmentlerinin partikül aglomeratları basitçe kırılır; ön partiküller ıslatılır ve sıvı taşıyıcı içerisinde dengeli bir şekilde dağılır. [1]

2.1. Boncuk Boyutu

Küçük boncukların belirgin avantajları vardır. İşletmeci, değirmenlerinde küçük boncukların kullandığında aslında bu işletmeci proses çemberindeki boncuk sayısını da artırmış olur. Böylece tüm boncukların toplam yüzey alanını arttırmış olur ve partikül aglomeratları ile çarpışma ihtimalleri artırılmış olur.

Şekil 3. Karşılaştırma amacıyla öğütme boncuklarının büyültülmüş ölçüleri

2.2. Boncuk Kalitesi

Enerji ağırlıklı bir proses olarak, ıslak öğütme sırasında öğütme boncuklarının sürtünmeleri görece şiddetlidir. Eğer kalitesiz malzemeden yapılmış öğütme boncukları seçilirse, aşınma ortaya çıkar ve boncukların pürüzlü yüzeyleri makine bileşenlerine zarar verebilir. Yüksek kalitede malzemeden yapılmış boncukların kullanılması yüksek kaliteli ürün elde edilmesi için önemlidir. [1] Yüksek kaliteli boncuklar daha düzgün aşınırlar ve böylece gerekli ürün kalitesinin temin edilmesi kolaylaşırken makine ömrü de uzatılmış olur. Diğer yandan yüksek kalite boncuklara her zaman ihtiyaç duyulmayabilir. Bazı prosesler için proses çemberi poliüretan plastik ile kaplanmış olabilir. Bu gibi uygulamalarda boncukların pürüzlü yüzeyleri hasara neden olmaz. Bunun yanında malzeme maliyetleri de her zaman kayda değer bir faktördür. Örnek olarak 1,000 litre hacme sahip bir proses çemberi için boncuk maliyeti çok önemli olabilir.

Tablo 1. Verimli bir öğütme için boncuk yoğunluğu ve çapının, ürün viskozitesi ile ilişkisi (yönlendirme niteliğinde olup enerji girişi ve yerel sıyırma değerleri viskoziteyi kayda değer miktarda değiştirebilir.) [1]

Ürün viskozite aralığı η [mPA.s]	Minimum boncuk yoğunluğu ρ [gm/cm3]	Boncuk çapı, min-maks. aralığı
0.2≤η≤50	1.0 (polimerik)- 6.0 (e.g. "Draison" yttrium/cerium)	30-300 μm
20≤η≤200	1.0 (polimerik)- 6.0 (e.g. "Draison" yttrium/cerium)	50-500 μm
100≤η≤800	3.6 (seramik)- 6.0 (e.g. yttrium/cerium)	0.3-1.0 mm
800≤η≤2000	≥6.0 (ZrO2 – seramik)	0.8-1.5 mm
1500≤η≤20.000	6.0- 7.8 (krom çeliği)	1.5-3.0 mm
η≥20.000	Boncuklu öğütme için viskozite çok yüksek

3. Spesifik Enerji

Spesifik enerji, ıslak öğütmenin en önemli kriterlerinden biridir. Spesifik enerji ile ürünün öğütme davranışları hakkında fikir sahibi olabileceğimi gibi öğütme sistemlerinin verimliliğini karşılaştırma şansına da sahip oluruz. Pass operasyonu ile çalışan bir değirmen için Em aşağıdaki şekilde tanımlanmıştır [2]. P değirmenin toplam güç tüketimi (kW); P0 rölanti gücü (boş değirmenin güç tüketimikW); ve m ̇ (t/h) ise değirmendeki ürün çıktısı miktarıdır. Em (spesifik enerji-kWh/t) artık değirmenden ölçülen verilerle kolayca hesaplabilir. Resirkülasyon modunda operasyon için ise, uygun eşitlik aşağıdaki gibi olacaktır. [2]

4. Partikül Boyut Dağılımı

Partikül boyut dağılımı da ıslak öğütülen bir ürünün en önemli özelliklerinden birini gösterir. [6] Ürünün kalitesi büyük oranda partikül büyüklüğü ve dağılımına bağlıdır. Partikül boyut dağılımın ölçülmesi için çeşitli teknikler geliştirilmiştir. Bu tekniklerden bazıları; filtreleme, partiküllerin çökelme hızının ölçülmesi, lazer difraksiyon metodu ve direkt görüntü analizidir. D10, D50, D90 çapları, sırasıyla numunedeki partiküllerin %10’unun, %50’sinin ve %90’ının verilen çaplardan küçük olduğu anlamını taşır. [7]Parlaklık, renk tonu ve renk şiddeti gibi renk özelliğinin önemli parametreleri spesifik partikül dağılımları ve küçük pigment partikül boyutları ile ayarlanır. [8] Şekil 4 ve Şekil 5 incelenerek partikül boyut dağılımının önemli kolayca anlaşılabilir.

5. Boncuklu Değirmendeki İnnovasyonlar

Boncuklu değirmenler için boncukların proses çemberinin ön tarafında sıkışması her zaman bir problem olmuştur. Ancak bu problem yeni innovasyonlar ile çözüme ulaşmıştır. Bühler’in tam hacimli yatak değirmeni Cenomic™ boncukların sıkışmasına maruz kalmadan daha yüksek akış miktarlarını sağlayan patentli bir çözüme sahiptir. Bu spesifik enerji gereksinimlerinde azalma sağladığı gibi dar bir partikül dağılımı sağlayarak yüksek ürün kalitesine de erişilmesine yardımcı olur. Üstelik öğütme maliyetleri de düşürülmüş olur. [9] Tablo 2’de öğütme süresinin ne kadar belirgin şekilde düşürülebileceği gösterilmiştir. Kısalan öğütme süresi sadece daha verimli üretim prosesi sağlamakla kalmaz. Aynı zamanda işçilik maliyetlerinde de düşüş sağlar. Ek olarak tabloda kütleye bağlı spesifik enerji tüketiminin de doğru ekipman kullanılarak azaltılabileceği gösterilmiştir. Tablo 2. Toluen ve MEK kullanılmayan bir gravür mürekkep için öğütme karşılaştırması

Öğütme ekipmanı	Bühler Cenomic™3	Standart endüstri değirmeni
Öğütme boncuğu	Zirkonyum oksit, 0.8-1.0 mm	Zirkonyum oksit, 1.0-1.2 mm
Öğütme çemberi hacmi	20.8 L	18.5 L
Proses parametreleri
1. pas için debi miktarı	675 kg/h	370 kg/h
2. pas için debi miktarı	460 kg/h	270 kg/h
Enerji tüketimi P0	12 kW	10 kW
2. pas sonrası partikül boyutu (GM değeri)	8 μm	10 μm
Renk şiddeti (ΔE)	0.46	0.51
Parlaklık	41.2	44.3
Opaklık (%)	31.5	29.4
Özet
Net üretkenlik	274 kg/h	156 kg/h
Spesifik enerji gereksinimi	42 kWh/t	67 kWh/t

Çok yüksek akış miktarının sonuçları: • Öğütme süresinde %43 azalma • Kütlesel spesifik enerji tüketiminin %37 azalması > Toplam spesifik enerji maliyetinde gerileme

Tablo 2 ile tam hacimli yatak boncuklu değirmen kullanılarak artan ürün debisi miktarlarına rağmen aynı veya daha yüksek dispersiyon kalitesine (partikül büyüklüğü, parlaklık ve renk şiddeti açısından) ulaşılabildiği görünmektedir. Ama en önemlisi ise iş gücü, amortisman ve elektrik harcamalarında düşüşlerdir. Üstüne üstlük sadece öğütme süresi kısaltılmakla kalmaz, aynı zamanda batch başına düşen spesifik enerji miktarı düşürülür ve bu da enerji maliyeti kazancına sebep olur.

Şekil 4. Karşılaştırma amaçlı mikroskop analizi – basket tipi değirmenle öğütme sonrası sonuçlar [10]

Şekil 5. Karşılaştırma amaçlı mikroskop analizi – boncuklu değirmenle öğütme sonrası sonuçlar [10]

6. Sonuç

Basket tipi değirmenler büyük bir kazanın içerisinde görece küçük bir proses çemberi kullanırlar. Bunun sonucu olarak her pigment proses çemberinin içerisinden eşit sayıda geçemez. Böylece hedef partikül boyutu hassasiyeti ve homojen partikül dağılımına ulaşmak için gereken işletme süreleri kayda değer ölçüde artar. Diğer yanda bir boncuklu değirmen proses çemberinden her pigment neredeyse eşit sayıda geçiş yapar ve aynı işi yapmak için boncuklu değirmenlerin ihtiyaç duyduğu güç miktarı basket tipi değirmenlere göre belirgin şekilde daha düşüktür. Karşılaştırmaya soğutma açısından bakıldığında; basket tipi değirmenlerin soğutma yüzey alanı hacmine oranla oldukça küçüktür. Boncuklu değirmenlerin soğutma ceketleri tüm proses çemberini sarar ve basket tipi değirmenlerin tipik 200 ve 1000 litre gibi kazan hacimlerine kıyasla 10, 30, 60 litre gibi proses çemberleri kullanır. Bu nedenle boncuklu değirmenlerden daha iyi bir soğutma yapması beklenebilir. Islak öğütme konusunda çalışırken en önemli hususlardan biri ise boncuk çapıdır. Boncuk çapı söz konusu olduğunda basket tipi değirmenler oldukça limitlidir. Buna karşın boncuklu değirmenler oldukça küçük boncuk boyutları ile çalışabilir. Tablo 3. Boncuklu değirmen ve basket tipi değirmenin özelliklerinin karşılaştırılması

Sonuç olarak basket tipi değirmenin pigment pasta, son kat boyalara ve diğer katma değerli ürünler için optimal değirmen olmadığı bu makale üzerinde çalışılarak söylenebilir. Ancak bunun yanında astar, baz kat boya gibi basit ıslak öğütme prosesleri için bir alternatiftir. Buna rağmen bu tür ürünlerde hala boncuklu değirmenler, basket tipi değirmenlere karşı kayda değer birer alternatif olabilirler.