Car refinishes 2000

AKZO-coatings Sassenheim BV. ~

....

~

...

_

... . ... . ... ... . r.~ ·,, "

:

~

"en

refinishes2000-periode: 30-08-93 tot 30-11-93 door: E.R. Lejour

Jhr. vld Wel straat 68 2751 AL Moerkapellp telefoon 01793-1738.

\

Ç-ehr.

Cj~30

j-

V,o.J-o

-".3

rif

afdeling Paint Engineering begeleider: ir P. Hagendijk telefoon 01711-82966.

Voorwoord.

Gedurende een periode van 3 maanden hebben wij gezocht, gevraagd, gediscussieerd, gedacht en gerekend aan ons fabrieksvoorontwerp. Het uiteindelijke resultaat ligt hier voor u, een fabrieksvoorontwerp ten behoeve van het project "Car refmishes 2()()()" bij AKZO-coatings BV. te Sassenheim. Wij hebben ernaar gestreefd in 3 maanden een zo afgerond mogelijk fabrieksvoorontwerp te maken. Sommige processtappen moeten nader onderzocht worden.

Wij zijn AKZO-coatings BV. te Sassenheim en in het bijzonder onze begeleider ir. P. Hagendijk, zeer erkentelijk voor de geboden mogelijkheid het fabrieksvoorontwerp te maken op de locatie Sassenheim. Wij kijken terug op een periode van werken die

intensief, leerzaam en gezellig was. De volgende personen willen wij in het bijzonder danken:"drs. J. Teeuwen, ir. J. Upperman, ir. M. Plessius en drs. H. van der Stoep voor hun praktische inbreng en meedelen van ervaring. De dames M. Warmerdam, B.

Hennephof en M. Muizert van het secretariaat van de afdeling Paint Engineering en tot slot iedereen die ons op enige wijze behulpzaam is geweest of gewoon f'en gezellige collega wilde zijn".

Sassenheim 29 november 1993. E.R. Lejour.

Samenvatting.

Ten behoeve van het project "Car refinishes 2000" is een fabrieksvoorontwerp gemaakt. Doelstelling is het produceren van autoreparatielakken, in een hoeveelheid van 4650 ton per jaar, in mobiele, gesloten tanks. Het dispergeren moet circulerend plaatsvinden. In het volgende is het voorontwerp van een fabriek met genoemde capaciteit weergegeven. Van circulerend dispergeren kan worden gezegd dat het 1.3x zo lang duurt als passagegewijs dispergeren. Van alle processtappen zijn de procesparameters en de procestijden geschat of berekend. Tevens is de benodigde apparatuur bepaald, de fabriek is gesimuleerd en een economische beschouwing is gegeven.

H 1 Inleiding

§ 1.1 Algemene inleiding § 1.2 AKZO Coatings b.v.

Inhoudsopgave

§ 1.3 Beschrijving van de verschillende soorten verven

§ 1.4 Het produktieproces van verf

§ 1.5 Doelstelling van het fabrieksvoorontwerp H 2 Pipeless plants

§ 2. 1 Inleiding

§ 2.2 Beschrijving van het verfproces met mobiele tanks (MT's) H 3 Tankontwerp

§ 3. 1 Inleiding

§ 3.2 Geometrische parameters

§ 3.3 Wandmateriaal en wanddikte

§ 3.4 Verblijf in de tank tussen de bewerkingen § 3.5 Ontwerp van de mobiele tank

§ 3.6 Berekenen van het aantal mobiele tanks H 4 Het bindmiddel en oplosmiddel vulstation

H 5 Het vullen van een MT met pigment en het voordispergeren § 5. 1 Inleiding

§ 5.2 Het vullen van een MT met pigment

§ 5.3 Het voordispergeren

§ 5.4 Vultijd en voordispergeertijd H 6 Het dispergeren

§ 6.1 Inleiding

§ 6.2 Dispergeerapparatuur, type, dimensionering en modellering

§ 6.3 Verblijftijdsspreiding, passagegewijs versus circulerend dispergeren

§ 6.4 Warmtebalans voor circulerend dispergeren

§ 6.5 Procestijden en hoeveelheid molens voor het dispergeren

H 7 De keuring, afmaken en afvullen

§ 7. 1 Het keuren § 7.2 Het afvullen 1 1 1-4 4,5 5 6 7 8 8,9 9 9,10 10 11 12 13 13 13-16 16 17,18 19-21 21-28 29-33 33 34 34

H 8 Het schoonmaken

§ 8.1 Inleiding bij het schoonmaken

§ 8.2 Gebruikte lakeigenschappen

§ 8.3 Laagdikte en opdroogtijd

§ 8.4 Modelleren van schoonmaken en keuze apparatuur

§ 8.5 Het nozzle-ontwerp

§ 8.6 Het aantal schoonmaakstations

§ 8.7 Schoonmaken zonder drogen H 9 Het reinigen van de afvalstroom

H 10 Overzicht en beschrijving van de procesapparatuur

§ 10.1 Overzicht van de procestijden en procesapparatuur

§ 10.2 Tijdsplan § 10.3 Variant twee H 11 Globale procesregeling H 12 Simulatie van de fabriek

§ 12.1 Inleiding simulatiepakket

§ 12.2 Het input/output blok § 12.3 Het machine blok

§ 12.4 Het buffer blok

§ 12.5 Simulatie van de fabriek

§ 12.6 Simulatie variant twee

H 13 Economische berekening van de volledige produktie in MT's

§ 13.1 Kostprijsberekening

§ 13.2 Investeringsberekening volgens Zvernik en Buchanan

§ 13.3 Bepaling van de netto cash flow § 13.4 Bepaling van de return on investment

§ 13.5 Bepaling van de Internal rate of return

§ 13.6 Bepaling van de pay out time en D.C.F. H 14 Presentatie H 15 Conclusies 35 36 37-41 41-49 50,51 51 51-55 56-58 59-64 65 65,66 67 68 68 68,69 69 69-72 72 73,74 75,76 76 77 78 79 80,81 82

Literatuurlij st Bijlagen: 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11 12 13 14

15

16

17

18

19 20 21 22

Het berekenen van de tankgeometrie De hoeveelheid verf per receptcode Het aantal passages per receptgroep Tijdsplan

Onderverdeling van de 5 kleuren De exponentiële verdeling

De normale verdeling Invoer simulatie

Het Job report van variant 1 Het element report van variant 1 Resultaat van de simulatie Resultaat van de simulatie Resultaat van de simulatie Job report variant 2 Element report variant 2 Investering procesapparatuur

Investering werktuigbouwkundige voorzieningen Investering bouwkundige voorzieningen

Investering electrotechnische voorzieningen Investering utilities Overzicht personeelskosten Overzicht grondstofkosten 90-92 93 94 95 96

97

98 99 100-104

105

106

107

108

109

110

111 112 113 114 115 116 117 118

H 1 Inleiding.

§ 1.1 Algemene inleiding.

Tijdens de studie Scheikundige Technologie aan de TU Delft wordt in het vierde jaar het vak Chemische Fabriek gedoceerd met daaraan verbonden het studieonderdeel Fabrieks-voorontwerp. Het fabrieksvoorontwerp (FVO) is uitgevoerd bij AKZO Coatings b.v. te Sassenheim.

§ 1.2 AKZO Coatings b.v.

AKZO Coatings is 's werelds belangrijkste producent van coatings. Qua omvang hoort AKZO Coatings bij de drie grootste verfproducenten ter wereld. Bij coatings gaat het in de eerste plaats om bescherming. Als zodanig is het een typisch industrieel produkt.

AKZO Coatings concentreert zich op twee sectoren. Enerzijds richten de activiteiten zich op de automobiel-, de lucht- en ruimtevaartindustrie en overige industriële toepassingen. Anderzijds is AKZO Coatings actief in de bouwmarkt, dit is tevens de meest omvangrijke sector.

Het aantal personeelsleden dat wereldwijd verbonden is aan AKZO Coatings bedraagt 14.700, waarvan 1500 mensen werkzaam zijn op de locatie in Sassenheim.

De omzet van AKZO Coatings bedroeg in 1992

f

4.141 miljoen en het bedrijfsresultaat in 1992 bedroeg

f

253 miljoen. De omzet was in 1992 8% hoger dan het vorige jaar en ook het bedrijfsresultaat steeg met 14%.

§ 1.3 Beschrij ving van de verschillende soorten verven.

Het produceren van verf is een proces

waat

~

h

'b!~

n

r

r

tn~

Qte

0

/ '

spelen. /"'"

Verf is een dispersie die bestaat uit j?jgI'fiént, bindmiddel en oplosmiddel.

Het pigment is het belangrijkste estanddeel van verf. Het pigment geeft de verf de gewenste kleur.:.. Elke eur ee z n eigen specifieke pigment zodat de verscheidenheid aan pigmenten groot is. Pigmenten bestaan uit kleine deeltjes, in de orde van micrometer, en worden veelal bereid door precipitatie.

Het pigment is onder te delen in twee soorten groepen nl. de anorganische pigmenten en de organische pigmenten.

Een anorganisch pigment is Ti02 , een veel gebruikt wit pigment en een ander anorganisch pigment is Carbon Black wat gemaakt wordt uit zware oliën.

De organische pigmenten komen in een zeer grote variëteit voor. Organische pigmenten worden gewonnen als natuurlijk produkt of worden chemisch gesynthetiseerd. Voorbeel-den van organische pigmenten zijn:

*

Indigo (rood en blauw), dat afkomstig is van de indigoplant

*

synthetische azo-kleurstoffen (-N = N-)

Figuur 1.1: Schematische weergave fysisch drogen. _ _ 0 _ 0 _ 0 O~O~~O­ .!l..O_O_O_ /7777777 o 0 0 0 o 0 °0 0 - -

-Het oplosmiddel in verf heeft twee belangrijke eigenschappen. In de eerste plaats zorgt het oplosmiddel ervoor dat de viscositeit van de verf niet te groot is zodat de verf te gebruiken is om te kwasten of te spuiten. In de tweede plaats moet het oplosmiddel snel verdampen zodat de verf kan uitharden en het bindmiddel snel een polymeer-netwerk kan

vormen. Voorbeelden van oplosmiddelen zijn: alkanen zoals heptaan aromaten zoals xyleen ketonen zoals aceton alcoholen zoals butanol

Een trend in de verfIndustrie is het gebruik van een milieuvriendelijk oplosmiddel zoals water.

Door de grote verscheidenheid aan verven is de vorming van een verflaag (filmvorming) en de droog snelheid ook in grote verscheidenheid aanwezig.

Het mechanisme van droging en filmvorming en de opbouw van de gevormde film bepalen de eigenschappen van de verflaag.

Een verflaag is dun, in de ordegrootte van 0.1 mm [1,2], en wordt beschreven in § 8.3. Het drogen van verf kan door twee processen beschreven worden nl. het fysisch drogen van verf en het chemisch drogen van verf.

In figuur 1.1 is schematisch weergegeven hoe fysische droging plaatsvindt. Bij fysisch drogen vindt geen chemische reactie plaats. Fysisch drogende bindmiddelen bestaan al vanaf het begin uit macromoleculen. Bij het drogen van een fysisch drogende lak (verf) vindt alleen verdamping van oplosmiddel plaats. Het bindmiddel blijft in de vorm van chemisch onveranderde lange keten moleculen als een film op het oppervlak achter.

Fysisch drogen is een reversibel proces, het bij droging onveranderde bindmiddel kan

weer in het oorspronkelijke oplosmiddel worden opgelost. Algemene kenmerken van fysisch drogende lakken zijn:

*

In het algemeen verloopt het drogen van de lak zeer snel. De droogsnelheid wordt bepaald door de verdampingssnelheid van het oplosmiddel en door diffusie van het oplosmiddel uit het verflaagje (zie § 8.3 en figuur 1.1).

*

Matige tot slechte vulkracht. De laagdikte die na drogen overblijft is gerin.;. Dit wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van veel oplosmiddel om de grote moleculen op te lossen. Als dit oplosmiddel verdampt bij het drogen blijft alleen het bindmiddel achter.

*

Goede filmeigenschappen.

Voorbeelden van fysisch drogende verven ZIJn: nitrocelluloselakken, chloorrubberverven en vinyllakken.

....1...0;0

O%,o

~~

....

bincimiddd en

opImmiddel

Een bijzonder geval van fysische droging doet zich voor bij de emulsieverven. Het bindmiddel is hierbij in de vorm van kleine bolletjes gedispergeerd in water. Droging vindt plaats door verdamping van het water, waardoor de bolletjes steeds dichter op elkaar komen te liggen. Als al het water is verdampt wordt er een samenhangende laag .

van geheel of gedeeltelijk samengesmolten bindmiddelbolletjes gevormd. Dit samensmel-ten wordt ook bevorderd door een percentage organisch oplosmiddel met een grote affiniteit voor het polymeer. De gedroogde film is niet opnieuw in water te dispergeren (niet reversibel), wel in zijn organische oplosmiddelen. In de praktijk geven de waterge-dragen verven de grootste moeite om weer verwijderd te worden .Het drogen vindt in enkele minuten plaats, verwijderen van de laag lukt alleen (en dan vaak slechts gedeelte-lijk) door tijdens het schoonmaken hevig te schrobben.

Bij chemisch drogen worden macromoleculen gevormd tijdens het droogproces door een chemische reactie, zie figuur 1.2.

Het chemisch drogen ontstaat doordat het bindmiddel

*

reageert met zuurstof

*

aan een hoge temperatuur wordt blootgesteld

*

reageert met een ander bindmiddel

*

aan straling wordt blootgesteld

Bij het drogen met zuurstof vinden twee stappen plaats nl. eerst worden peroxyde radicalen gevormd onder invloed van zuurstof en vervolgens worden de dubbele bindingen gecrosslinked.

Een voorbeeld van deze lakken is de alkydhars die wordt toegepast in huisschilderlakken en autolakken.

Verven die drogen door middel van een temperatuurverhoging worden moffellakken genoemd. De autolakken die in de fabriek aan de lopende band worden gebruikt zijn moffellakken.

Een voorbeeld van lakken die drogen met behulp van een katalysator zijn grondlakken voor auto's (washprimers).

Lakken die reageren met een ander bindmiddel worden twee-componenten lakken genoemd. Doordat beide bindmiddelen met elkaar reageren ontstaat een harde slijtvaste elastische verflaag die bestanJ is tegen chemicaliën en de zon. Deze lakken worden vooral toegepast in de vliegtuigindustrie.

De verven die door straling, UV-straling en straling van elektronen drogen, worden toegepast in de meubelindustrie.

Chemische droging is irreversibel, het bindmiddel is chemisch veranderd en niet meer in het oorspronkelijke oplosmiddel op te lossen.

Algemene eigenschappen van chemisch drogende verven zijn:

*

In .het algemeen een trage droging. De droog snelheid wordt nu niet alleen bepaald

door de verdampingssnelheid van het oplosmiddel, maar ook door de snelheid waarmee de chemisch reactie verloopt.

*

Snelle chemische droging is te realiseren door de reactie te beïnvloeden van

buitenaf. Temperatuurverhoging, katalysator of het gescheiden houden van snelreagerende reactiecomponenten tot vlak voor het gebruik (twee-componenten lakken) kunnen tot de gewenste versnelling leiden.

*

In het algemeen hebben chemische drogende verven een goede vulkracht.

*

Zeer goede mechanische eigenschappen en duurzaamheid en resistentie

eigenschap-pen.

Voor een uitgebreidere beschrijving van de verschillende soorten chemisch drogende verven wordt verwezen naar [1,2].

§ 1.4 Het produktieproces van verf.

In de inleiding is al gezegd dat mengen en roeren een belangrijke rol spelen in het

produktie proces van verf.

Het produceren van verf is het mengen van pigment, bindmiddel en oplosmiddel. Deze drie stoffen zijn de belangrijkste componenten in verf. Voor speciale verven worden nog andere additieven toegevoegd maar deze additieven geven geen verandering in de procesvoering voor het maken van verf.

Tijdens het produceren van verf zijn drie proces stappen van belang:

*

het voordispergeren

*

het dispergeren

*

het afmaken van de verf

Belangrijk bij verf is, dat elk individueel pigmentdeeltje omringd is met een laagje

bindmiddel. Dit kan worden gerealiseerd door de hierboven genoemde processtappen.

Pigment wordt, door een leverancier, aangeleverd als grote pigment agglomoraten van individuele pigmentdeeltjes. Deze agglomoraten worden aan de inhoud van een tank met bindmiddel en oplosmiddel toegevoegd. In de tank zit een dissolverschijf, zie figuur 1.3. De dissolverschijf draait rond met een hoog toerental in de tank met pigment agglomora-ten, bindmiddel en oplosmiddel. Door de hoge afschuifkrachten van de dissolverschijf worden de grote pigmentagglomoraten verkleind tot kleiner pigmentagglomoraten.

Dit proces wordt het voordispergeren genoemd. Tijdens dit voordispergeren wordt de toegevoerde energie aan de dissolverschijf gedissipeerd. Door deze energiedissipatie wordt de inhoud van de tank opgewarmd tot zo'n 50°C.

Figuur 1.4: Schematische weergave van een horizontale parelmolen.

•

Produktieschema 1 . verdunning 2. bindmiddel 3. pigment 4. hulpstoffen 5. voormenger 6. zanddispersie apparaat 7. opslag mengkleuren 8. kleur mengtank 9. afvulmachine

I

Na het voordispergeren is de zogenaamde pre-mix gevormd. In de pre-mix zitten nog steeds pigmentagglomoraten. Om de individuele pigmentdeeltjes te krijgen wordt de pre-mix gemalen met een horizontale parelmolen, zie figuur 1.4.

De pre-mix wordt in de molen gepompt en door botsingen en wrijving van de parels met de pigmentagglomoraten worden de pigmentagglomoraten gemalen tot individuele pigmentdeeltjes. Niet ieder pigment is even hard zodat de maaltijd voor ieder pigment anders is.

Ook tijdens het malen wordt de energie die aan de molen wordt toegevoerd gedissipeerd. De inhoud van de molen wordt hierdoor opgewarmd. De dispersie mag niet warmer dan 60

oe

worden zodat de molen met een koelspiraal gekoeld wordt.

Na het malen wordt de verf gekeurd. De twee belangrijkste keuringscriteria zijn: de viscositeit en de kleurkracht.

Bij te hoge viscositeit van de verf moet nog extra oplosmiddel aan de verf toegevoegd worden. Als de kleurkracht van de verf nog onvoldoende is, wordt aan de verf een correctiekleur toegevoegd om de juiste kleurkracht te krijgen.

De keuring van de verf wordt off-line, in een laboratorium, verricht.

Na goedkeuring wordt de verf afgetapt in een kleinere verpakking en is de verf voor de verkoop beschikbaar.

Het produktieproces zoals hierboven beschreven is duurt, afuankelijk van de keuringssnel-heid , 30 dagen.

~

In figuur 1.5 is het produktieproces van verf schematisch weergegeven.

§ 1.5 Doelstelling van het fabrieksvoorontwerp.

De doelstelling van het fabrieksvoorontwerp is het ontwerpen van een verffabriek voor het maken van autoreparatielakken. De fabriek is gebaseerd op het principe van het mobiele tank proces, zie hoofdstuk 2 en [28,29].

De jaarproduktie aan autoreparatielakken omvat 4650 ton.

In het FVO zijn twee verschillende varianten in beschouwing genomen. De eerste variant is het ontwerpen van een fabriek waar het gehele produktie proces in mobiele tanks (MT's) wordt uitgevoerd De tweede variant is een fabriek waar het gehele proces, Vool batches die kleiner dan 2000 kg zijn, in MT's wordt uitgevoerd en batches die groter zijn dan 2000 kg worden gekeurd en afgemaakt in vaste tanks.

Bij het ontwerpen van de verffabriek is uitgegaan van variant één. Het verschil tussen variant één en twee wordt beschreven in § 10.3.

H 2 Pipeless plants.

§ 2.1 Inleiding.

Het produktieproces van verf is een batch proces waarbij de dispersie van de ene stap in het verfproces naar de andere stap wordt verpompt via een leidingnetwerk.

Bij elke stap wordt de verf opgevangen in een tank, zodat voor elke handeling een tank nodig is om de batch op te vangen. De tanks die worden gebruikt zijn open tanks zonder deksel.

Deze methode van verf produceren geeft een grote emissie naar de buitenlucht en het schoonmaken van alle tanks en leidingen vergt veel schoonmaakmiddel.

In Japan is een nieuw produktieproces ontwikkeld voor batch processen, zoals het produktieproces van verf [28,29]. In dit proces wordt de produktie uitgevoerd in een gesloten mobiel tank (MT), die van het ene station naar het andere wordt vervoerd. Het voordeel van deze methode is dat vluchtige verbindingen niet direct naar de buitenlucht emitteren en het aantal tanks om schoon te maken is gereduceerd tot één per batch.

Het transporteren van de mobiele tank van het ene station naar het andere station wordt verricht door een AGV-systeem (Automatic Guided Vehicle). Elke tank heeft een bepaalde barcode die met behulp van een barcode reader gelezen kan worden. Het signaal wordt naar een centrale procescomputer gestuurd, zodat bekend is waar een tank zich op elk moment in de fabriek bevindt. De centrale procescomputer geeft ook de commando's aan het AGV -systeem om de tank te transporteren als een bepaalde handeling verricht is. Het AGV -systeem is een elektronisch aangedreven voertuig dat op een rail wordt voortbewogen of gewoon over het beton rijdt.

Een sleuteltechniek van dit systeem is het aansluiten van de mobiele tank aan de verschil-lende stations. Dit moet zeer nauwkeurig plaatsvinden zonder dat een mobiele tank geopend hoeft te worden.

In dit FVO wordt gebruik gemaakt van deze nieuwe "pipeiess plants" methode.

In de inleiding is beschreven dat tijdens het produceren van verf het proces in drie fasen is te onderscheiden;

*

voordispergeren

* dispergeren

*

het afmaken van de verf

Deze handelingen worden in de nieuwe fabriek uitgevoerd bij stations die speciaal zijn ingericht voor de desbetreffende handehng.

§ 2.2 Beschrijving van het verfproces met mobiele tanks (MT's).

De verf wordt nu geproduceerd in een mobiele tank (MT). Deze tank wordt getransporteerd naar een vulstation waar bindmiddel en oplosmiddel in de tank worden gepompt. Daarna wordt het pigment in de tank gestort en vervolgens wordt de inhoud gedispergeerd met een dissolver. Het vullen van de tank met pigment en het dis,)olven worden bij een apart station uitgevoerd. Vervolgens wordt de tank naar een station getransporteerd waar de inhoud van de MT gemalen wordt. Hierna wordt de verf gekeurd en afgemaakt bij een keurings- en afmaakstation en hierna wordt de inhoud afgetapt bij een afvulstation. Tenslotte wordt de lege tank naar een schoonmaakstation getransporteerd waar de tank schoongemaakt wordt zodat deze weer beschikbaar is voor een volgende batch.

Tijdens de gehele produktie van verf is de tank gesloten en wordt de inhoud van de tank geinertiseerd om de explosiegrens te verlagen. De aansluiting van de mobiel tank op het stikstof-netwerk en het afvoer-netwerk moet lekdicht zijn.

Het voordeel van de "pipeless plant" methode is dat de emissie beperkt kan worden en dat tijdens de produktie minder tanks worden gebruikt, wat een besparing oplevert van het schoonmaakmiddel.

Een ander voordeel van de methode is dat de plant veel flexibeler is geworden. Van te voren is te programmeren wanneer een tank gevuld moet worden en met welke verschil-lend bindmiddelen, oplosmiddelen en pigmenten. De flexibiliteit komt ook tot uitdrukking doordat makkelijk ingespeeld kan worden op de vraag uit de markt en dat nieuwe produk-ten snel in het produktie pakket opgenomen kunnen worden.

Een doelstelling die door AKZO Coating nagestreefd wordt, omvat een kortere produk-tietijd van verf. In de inleiding is beschreven dat het produceren van verf 30 dagen duurt. Deze lange produktietijd wordt hoofdzakelijk veroorzaakt door het keuren van verf. Het keuren van de verf wordt in het laboratorium uitgevoerd, en na elke bijstelling volgt een nieuwe keuring van de verf.

Voor de nieuwe fabriek is binnen AKZO Coatings een project opgezet om de verf in-Iine te keuren zodat de produktietijd korter wordt. Gestreefd wordt naar een produktie van verf binnen 5.5 dagen.

OT 4

•

I

h'

...

I

I I

I

R* bdl. h" Hf R' R / \ .. :/ ... .!: ... _/'~"'"

9

d

I

y ,

_"

~.

H3 Tankontwerp

§ 3.1 Inleiding.

Bij het ontwerpen van de mobiele tank (MT) moet op een aantal dingen worden gelet. De belangrijkste vraag is natuurlijk hoeveel verf maximaal per MT moet worden geprodu-ceerd. H/D verhouding, vorm, wanddikte en bouwmateriaal zijn ook belangrijke ontwerp-variabelen.

§ 3.2 Geometrische parameters.

De meest gebruikelijke tankgeometrie is die van een cilindrische tank met een torisferi-sche bodem [5]. Een gebruikelijke H/D verhouding is 1.33. Schematisch is dit weergege-ven in figuur 3.1. De geometrische parameters in dit figuur zullen nu worden verklaard en berekend. DT R', Ril h" hili Tankdiameter .

Dit zijn de bolstralen die de exacte vorm van de torisferische bodem vastleggen. Zoals ook te zien is, geldt voor een torisferische vorm Ril ~

R'.

Tankhoogte.

Hoogte van het cilindrische gedeelte van de tank.

Hoogte van het gedeelte van de tank waarin zich geen verf bevindt. Deze hoogte is in principe vrij te kiezen en hangt af van de gewenste vuIg raad van de tank. Het is wel zo dat de HrfDT dan verandert, maar dit kan geen groot probleem zijn omdat zich in die extra tankinhoud toch geen verf bevindt.

Hoogte van het cilindrische gedeelte van de tank dat met verf is gevuld. Hoogte van het tori sferische (met verf gevulde) deel van de tank.

Het ontwerpen is nu als volgt uitgevoerd. Uitgangspunt is de wens om 2 m3 verf per tank te produceren. Om een schatting van de benodigde tankdiameter te krijgen is eerst de Llnk als cilindrisch vat met HT/DT = 4/3 berekend. Uit de zo berekende diameter is een (grotere) diameter voor de werkelijke tank gekozen. De overige parameters zijn hiermee bepaald en berekend. Bij de berekeningen is gebruik gemaakt van formules ([10]) voor de verschillende lichamen waaruit de tank opgebouwd gedacht kan worden. De tank bestaat uit een cilindrisch gedeelte met hoogte heil. en diameter DT' een cilindrisch gedeelte met hoogte R' en diameter (DT-2R'), 1,4 _{ring met straal R' en binnendiameter (DT-2R') en een}

bolsegment met hoogte X en bolstraal Ril. De berekeningen zijn weergegeven in bijlage 1. De resultaten zijn vermeld in tabel 3.2.1.

Tabel 3.2.1: Resultaten bij het berekenen van de tankgeometrie.

DT(m) R'(m) R"(m) HT(m) hcil.(m) h'(m) h"(m) h-(m) 1.300 0.1083 1.625 1.733 1.517 0.1472 1.370 0.2158

De tank is dus tot ongeveer 15 cm onder de rand gevuld als zich 2 m3 _{verf in de tank}

bevindt. Zoals gezegd, deze hoogte kan naar wens worden veranderd. Als bij gelijke geometrie voor een totale tankinhoud van 2.5 m3 _{wordt gekozen, wordt h' 38 cm. De}

HT/DT verhouding is dan niet meer 1.33 maar ongeveer 1.50. Berekening van het totale tankvolume V T en het met verf bedekte oppervlak Av levert op:

= =

2.195 m3 6.479 m2

§ 3.3 Wandmateriaal en wanddikte.

Als constructiemateriaal is gekozen voor roestvrij staal. Van roestvrij staal zijn

verschillende kwaliteiten verkrijgbaar, afbankelijk van de toepassing. Roestvrij staal kent IJ verschillen door verschillende percentages andere metalen (Cr, Ni, Ti, Mo). Verwezen

U'

.

wordt naar [5], blz.638. De benodigde wanddikte is klein omdat de enige interne druk de fil.Y ..tJfhYdrostatiSChe druk is. De met [5], blz. 641 ev. bepaalde wanddikte hreft een waarde

r.

j}yJ

pi kleiner dan 1 mm, terwijl de minimale wanddikte 7 mm moet zijn ([5], blz.641).

V .

Bij deze minimale wanddikte is rekening gehouden met aardbevingen, storm ed. en

~

corrosie. De tank wordt gemaakt van roestvrij staal en de kans op aardbevingen wordt

. verwaarloosd, zodat een wanddikte van 3 mm voldoende is. ~

"Y' ~.

l'

_{§ 3.4 Verblijf in de tank tussen de bewerkingen.}

Tijdens de produktiegang moet ervoor worden gezorgd dat de tankinhoud homo een blijft. De tankinhoud moet dus worden geroerd. In de tank is geen koelsysteem, het roeren moet dus rustig gebeuren om dissipatie van warmte te voorkomen. Gekozen is voor een 3 bladige propellorroerder met diameter dr = %DT en een toerental van 2.22 Hz. Verwezen

wordt hier naar [4], 238-241. Het vermogen is berekend met de methode die op deze bladzijden is weergegeven voor pseudoplastische vloeistoffen. Hieruit volgt Np = 0.5 en met (1.1), met voor dd nu natuurlijk ~ (hoewel ze in dit geval gelijk gekozen zijn), met (1.2) wordt dan gevonden dat het benodigde vermogen Pr 90 W bedraagt. Ook nu kan de warmtebalans over de tank worden opgesteld, analoog aan (1.3). Met de randvoorwaarde t=0,TT=333 K (6Q°C) volgt dan dat een voor temperatuurstijging van 1 K 14 h geroerd moet worden! Temperatuurverandering door roeren in de tank zal om deze reden worden verwaarloosd .

9

Het benodigde vermogen is ook berekend met (5.2), voor het mengen in een tank. Voor het vermogenskental van een propellorroerder geldt ([33]):

N

=

0.12 + 4.7

IJ (log Re) 2.5

De resultaten zijn: k,.

=

0.13 Pas geeft een vermogen Pr

=

53 W

k,. = 1.2 Pas geeft een vermogen P r = 94 W Dit is in overeenstemming met de berekende waarde van Pr van 90 W. De mengtijd wordt berekend met (5.8), voor het mengen in een tank. Voor het mengkental geldt:

M

=

10[2.595 - 0.555 log (Re)]

Hieruit volgt de grootte van de mengtijd: t.n = l.36 s (k,. = 0.13 Pas)

7

t.n

=

12.8 s (k,.

=

l.2 Pas) ...

Gezien de kleine mengtijd mag worden verondersteld dat de tank met propellorroerder zich gedraagt als een ideale CSTR.

§ 3.5 Ontwerp van de mobiele tank.

De mobiele tank is uitgevoerd met een deksel waarop twee aansluitingen zijn aangebracht. Één aansluiting is voor het inertiseren van de tankinhoud en de andere aansluiting is de spui.

Tijdens het transport van de MT is de tank gesloten. De MT wordt alleen geopend bij de verschillende stations waar een roerder of een dissolverschijf in de tank geplaatst moet worden. Het openen van de tank wordt snel uitgevoerd en tijdens het openen van de tank wordt gebruik gemaakt van een lokale afzuiging. De roerder en dissolverschijf zijn uitgevoerd met een deksel en een telescoop arm.

Dit deksel wordt op de tank geplaatst en de roerder of dissolverschijf zakt door middel van de telescoop arm in de tank tot de juiste hoogte.

De aansluitingen voor het mertiseren zijn ook op deze deksels aangebracht.

Wanneer een handeling verricht is wordt de roerder of dissolverschijf uit de tank gehaald en het oorspronkelijke deksel wordt weer op de tank geplaatst. De roerder en dissolver-schijf hebben een eigen opvangbak waarin de verf, die aan de roerder en dissolverdissolver-schijf zit, wordt opgevangen.

§ 3.6 Berekenen van het aantal mobiele tanks.

Voor het berekenen van het aantal MT's, dat nodig is voor een volledige produktie in MT's, is het uitgangspunt dat de MT's een bezettingsgraad van 75 % hebben. Deze bezettingsgraad is gekozen om een veiligheidsmarge in de berekening in te bouwen. De jaarproduktie is 4650 ton, zie bijlage 2.

4650.103 kg 4650.103 tanks

jaar 2000 jaar

2325 tanks = 2325 tanks =

jaar 350 dag _(3.3)

2325*5.5

350.075 tanks voor produktie van 5.5 dagen ::

1...I-tCffl'/

b

/f1/.-

n _

6-:

.5

~ /f'CfAP-K.

=

48 MT's

H 4 Het bindmiddel en oplosmiddel vulstation.

De verscheidenheid aan recepten is erg groot.

Voor het produceren van verf zijn daardoor ook veel bindmiddelen en oplosmiddelen

~.

q

"'~

Een aantal bindmiddelen, ongeveer 15 stuks, wordt vanuit dopslagterpen voor bindmiddel, verpompt naar het vulstation voor bindmiddel en oplosm c:J el. 00 orden

10 verschillende oplosmiddelen vanuit opslag terpen verpompt naar het vulstation.

De bindmiddelen en oplosmiddelen, die naar het vulstation verpompt worden, worden in grote hoeveelheden gebruikt.

Bij het vulstation wordt een MT geplaatst op een weegelement en aangesloten op de leiding waaruit het bindmiddel of oplosmiddel gedoseerd moet worden. Wanneer de juiste hoeveelheid gedoseerd is, wordt de pomp gestopt.

Kleine hoeveelheden bindmiddel en oplosmiddel worden bij een apart vulstation gedo-seerd.

Het doseren gebeurt met een carrousel. Op de carrousel staan 10 vaten van 100 liter met de desbetreffende bindmiddelen en oplosmiddelen. Het voorraadvat wat gebruikt moet worden, wordt op een weegelement geplaatst en aangesloten op de MT. Wanneer de juiste hoeveelheid gedoseerd is, wordt de klep die tussen het voorraadvat en de MT zit, gesloten en wordt het voorraadvat weer op de carrousel geplaatst.

Het vullen bij de twee stations van een MT met bindmiddel en oplosmiddel duurt ongeveer 30 minuten. Deze tijd is een globale schatting.

In de fabriek kan volstaan worden met één bindmiddel en oplosmiddel-vulstation voor grote hoeveelheden en één bindmiddel- en oplosmiddel-vulstation voor kleine hoeveelhe-den.

,"

H 5 Het vullen van een MT met pigment en het voordispergeren.

§ 5.1 Inleiding.

Het vullen van een MT met pigment en het voordispergeren wordt uitgevoerd bij één station. Deze stations zijn kleurspecifiek, dat wil zeggen dat voor elke kleur een apart pigment vul- en dissolverstation aanwezig is.

§ 5.2 Het vullen van een MT met pigment

Het vullen van een MT met pigment verloopt op twee manieren.

Voor de grote hoeveelheid pigment wordt gebruikt gemaakt van containers met pigmenten die gewogen worden. Deze containers hebben een transportsysteem naar de MT en worden zo in de MT gedoseerd.

Voor kleine hoeveelheden pigment wordt gebruik gemaakt van een carrousel met hierop 10 vaten van 50 liter, die gevuld zijn met pigment.

Het doseren gebeurt op dezelfde wijze zoals beschreven is bij het doseren van kleine hoeveelheden bindmiddel en oplosmiddel.

Het pigment wordt tijdens het doseren gestort in de vortex die veroorzaakt wordt door de dissolverschijf.

§ 5.3 Het voordispergeren.

Voor een meer uitgebreide beschouwing wordt verwezen naar [6], 468-487. Het voordispergeren of dissolven vindt plaats met een plat cirkelvormig rotorblad met aan de randen een zaagtandprofiel (zie figuur 1.3). Doel van het voordispergeren is het verklei-nen van grote pigmentagglomeraten door het opwekken van grote schuifspanningen. Dit is nodig omdat het dispergeren in een parel molen , wat op het voordispergeren volgt, een fijndispergeren is.

In de parel molen moeten de agglomeraten kleiner zijn dan de parels om een goede maalwerking van de molen te bewerkstelligen. Voor sommige grove verven zoals "latex" en verscheidene muurverven is dispergeren in een dissolver voldoende om de gewenste fijnheid te verkrijgen. Voor Je autoreparatielakken in het ontwerp van deze fabriek is een fijndispergering wel nodig.

Zoals gezegd berust de werking van een dissolver op het opwekken van hoge schuifspanningen. Door het als het ware langs elkaar heenwrijven van laagjes vloeistof worden grote pigmentagglomeraten kapot gemaakt. V oor grote schuifspanningen moet in het laminaire gebied worden g~kt, dit betekent dat e eyno sge elO r moet zijn ~~-:1!<"""'_""""~

dan 2000. oor Re geldt: APty"'- )

(5.1)

Hierin is dd de diameter van het dissolverblad, overeenkomstig met [6] is hier 1/sDT voor gekozen. N is het toerental en vtip is de tipsnelheid (=-rddN). Om hoge schuifspanningen op te wekken is dus een hoog toerental nodig gecombineerd met een hoge viscositeit, zolang Re maar onder de 2000 blijft.

Het zal duidelijk zijn dat hierbij veel vermogen wordt gedissipeerd, dit is zelfs het kenmerk van een goed werkende dissolver. Voor het benodigde vermogen geldt:

(5.2)

Hierin is Np het vermogenskental, dat een functie is van Re. Bijna het gehele toegevoerde vermogen wordt gedissipeerd in warmte.

Dit leidt echter ook tot een probleem. Zoals in § 8.2 beschreven wordt, is de consistency van de lak een functie van de temperatuur. Door de vermogensdissipatie stijgt de temperatuur en hierdoor neemt de consistency af. Doordat de concistency afneemt neemt Re toe en hierdoor neemt de werking van de dissolver dus af. In de praktijk wordt eerst enige tijd (tijdens het toevoegen van het pigment aan het bindmiddel en oplosmiddel in de tank) bij een laag toerental geroerd. Na enige tijd wordt dan het toerental verhoogd en wordt doorgegaan met dissolven tot een bepaalde temperatuur. Vaak is dit 50 of 60 oe, een temperatuur die in ongeveer een kwartier wordt bereikt. Door middel van het opstellen van een warmtebalans over de tank tijdens het dissolven zal getracht worden een procestijd voor het dissolven te vinden.

De warmtebalans die wordt opgesteld, is die voor een ideale eSTR. Later zal door het berekenen van de mengtijd beargumenteerd worden of deze aanname al dan niet gerecht-vaardigd is. De warmtebalans luidt:

(5.3)

Voor Np is een uitdrukking gebruikt die empirisch is afgeleid voor Newtonse en licht pseudoplastische vloeistoffen (zie ook [33]) :

Np = 0.14 + 18.5 (5.4)

De warmteoverdrachtscoëfficiënt is opgebouwd uit een aantal deelcoëfficiënten volgens:

Hierin is:

De coëfficiënt voor de overdracht van de vloeistof naar de wand. De "dirt-coëfficiënt", voor aangekoekt materiaal aan de wand. De wanddikte.

De warmtegeleidingscoëfficiënt van de wand.

De coëfficiënt voor de overdracht van de wand naar de lucht. De volgende uitdrukkingen gelden (zie ook [4,5,12]):

=

h

i

=

Ày. [0.36 (Red) 0.67 (PIy) 0.33]

DT

2000 W/m2_{K, voor heavy organics (zie [5]).}

3*10-3 _{m (zie § 3.3).}

16 W/mK, dit is de waarde voor roestvrij staal (zie [4]).

(5.5)

(5.6)

(5.7)

Voor het berekenen van ho is verder nog aangenomen dat lucht een ideaal gas is en dat de maximale wandtemperatuur 60 oe bedraagt. De eigenschappen van lucht zijn afkomstig

uit [11] en zijn op de symbolenlijst gegeven. De eigenschappen van de lak zijn in § S.2

gegeven, voor de omschrijving van de dimensieloze kentallen Pr (Prandtl) en Gr

(Gras-H

dt verwezen naar [12]. De tipsnelh ·à-varr-d'\....Qissolverschijf varieert van 4()()()-f in. (zie [6]), dit komt overeen met 5.04-IS.sOlHz. m de warmte overdrachts-coë lciënt te berekenen is N = IS.S0 Hz/ge ' . De w den van de verschillende

coëfficiënten zijn nu: /

Iy'

I

h_i = 997 W/m2K. (

?

ho - 4.75 W/m2K.

L

hid - 2000 W/m2K.

r

~/dw = 22857 W/m2K.

7

Oplossen van (5.3) met invullen van (5.1), (5.2), (5.4), (5.5) en (8.1) en als

rand-voorwaarde t=0,Td=Tb=293 K (20°C) is numeriek uitgevoerd met het programma

RRSTIFF. Met N= 18.80 Hz als aanvullend gegeven duurt het dan 123 minuten voordat de tankinhoud 60°C (333 K) is. Dit is veel langer dan uit de praktijk bekend is. De reden is echter eenvoudig, bij het oplossen zijn de eigenschappen van het afgemaakte produkt gebruikt. In werkelijkheid is de dissolverinhoud een dikkere pasta en is de tankinhoud nog lang niet op zijn eindvolume. De pasta bij het dissolven zal andere eigenschappen hebben dan het eindprodukt. De specifieke warmte van pasta-achtige produkten is veel lager, de dichtheid kan wat hoger zijn, de concistency is zeker veel hoger dan de 1.2 Pas van de lak bij 20°C. Als voor Vv 1.2 m3, voor Cpv 1000 J/kgK, voor Pv 1500 kg/m3 en voor

kv(20°C) 5 Pas wordt ingevuld dan stijgt de dissolverinhoud in 28 minuten naar 60 °C. Het is dus duidelijk dat de eigenschappen van de dissolverinhoud bekend moeten zijn om (5.3) korrekt te kunnen oplossen. Ook het feit dat (5.4) geldig is voor Newtonse en licht pseudoplastische vloeistoffen introduceert een fout. De tankinhoud tijdens het dissolven is zeker geen Newtonse of licht pseudoplastische vloeistof. Tenslotte moet ook nog worden gecontroleerd of de aanname van ideale CSTR bij benadering klopt. Voor de mengtijd

t.n

geldt:

(5.8)

Voor het mengken M is empi· h gevonden (zie [33]), onder dezelfde beperkingen zal voor het vermogensk tal geld : .___ _____

/

~= 10[0.4 6 + 0.1031og(Rsd ) ] (5.9)

Hieruit volgt met dezelfde waarden ingevuld dat de mengtijd t.n 11 s bedraagt. Ook al is dit onder dezelfde beperkingen waar, toch lijkt het dat de stofeigenschappen van de pasta het meest zullen bijdragen tot het oplossen van (5.3). Voor verdere berekeningen zal een waarde uit de praktijk worden gebruikt.

I

§ 5.4 Vultijd en voordispergeertijd.

Het vullen van een MT met pigment duurt ongeveer 45 minuten. Deze tijd is een globale schatting en heeft te maken met de snelheid van doseren van het pigment.

Het voordispergeren duurt ongeveer 20 minuten. Deze tijd is een praktijkgegeven, zie § 5.4.

De totale tijd voor het vullen van de MT met pigment en het voordispergeren duurt ongeveer 65 minuten.

H 6 Het dispergeren.

§ 6.1 Inleiding.

Het doel van het dispergeren, ook wel minder correct malen genoemd (primaire deeltjes worden niet verkleind), is het verkleinen van pigmentagglomeraten. Dit is nodig om de verf of lak de gewenste eigenschappen te laten verkrijgen. Eigenschappen als dekkracht, kleurkracht en viscositeit zijn afhankelijk van de deeltjesgrootte. Voor iedere verf of lak kunnen de eisen met betrekking tot de fijnheid van de pigmentagglomeraten verschillend zijn. Zoals in H 5 al is gezegd is dispergeren in een dissolver voor sommige muurverven al voldoende. Voor de "fijne" autoreparatielakken is dispergeren, na voordispergeren in een dissolver, wel een noodzakelijke stap in het produktieproces.

Fundamenteel onderzoek naar de fysische achtergrond van het deagglomereren van pigmentagglomeraten is uitgevoerd door Winkler e.a. [30]. Hij beschrijft de waarschijn-lijkheid PT dat een pigmentagglomeraat, in een gegeven dispergeerapparaat,

deagglome-reert als een som van twee waarschijnlijkheden P_t en p •. P_t is de waarschijnlijkheid die afhankelijk is van maalapparatuur en maaltijd. p. is de waarschijnlijkheid die aangeeft of de toegevoerde energie voldoende is om de sterkte (hardheid) van een pigment te overwinnen. De volgende uitdrukking is afgeleid:

(6.1)

hierin is:

Nd Het aantal gedispergeerde agglomeraten.

No Het oorspronkelijke aantal agglomeraten.

t De tijd die in de dispergeerapparatuur wordt doorgebracht.

Veff. Het effectieve volume waarin dispersie plaatsvindt.

V m Het totale volume in de maalapparatuur gevuld met dispersie.

{3 Snelheidsconstante die aangeeft hoe vaak Veff. per tijdseenheid wordt

gebruikt voor dispergeren.

E.n

Toegevoerde hoeveelheid energie.

(J Trekkracht van het pigment (een maat voor de hardheid).

ex Mediatieconstante, die de fractie van de energie beschrijft die overgedragen wordt op de agglomeraten.

Door middel van experimenten op laboratoriumschaal wordt (6.1) ondersteund en zijn , waarden voor {3. Veff. en

a.1

(J bepaald voor verschillende recepten.

Figuur 6.1: Schematische weergave van passagegewijs dispergeren.

Als voor een gegeven recept en een gegeven dispergeerapparaat bovenstaande gegevens bekend zijn, is het mogelijk om uitgaande van een gewenste dispersiegraad de tijd te vinden die de dispersie in het apparaat moet doorbrengen. Hoewel (6.1) wordt onder-steund door metingen aan glans en dekkracht, is deze theoretische benadering in de praktijk nog lang niet toepasbaar. Veel interessanter is de optie om de mate van dispersie aan een bepaalde, exact meetbare, grootheid te relateren, zodat in-line meten van de mate van dispersie mogelijk wordt. Veel onderzoek is hierop gericht en vindt momenteel plaats. Het zou dan mogelijk zijn direct in het dispergeerproces te meten en te stoppen zodra de gewenste fijnheid van de dispersie is bereikt. Gebruik van een uitdrukking als (6.1) is dan in de praktijk niet meer nodig.

In de huidige produktie van autoreparatielakken wordt het dispergeren passage-gewijs uitgevoerd (zie figuur 6.1). Vanuit de tank wordt de te dispergeren massa door de dispergeerapparatuur gevoerd en in een volgende tank opgevangen. Het aantal

nood-zakelijke passages is afhankelijk v e pigmenthardheid. Jarenlange ervaring heeft ertoe

.9

bijgedra . at.,v alle in prod " .~~ e lakken het aantal benodigde passages bekend is. In dl nieuwe f; riek is het ewenst 0 circulerend te malen (zie figuur 6.2). Dit is

gewenst h ebruik van het ks te verminderen en de afvalstroom drastisch

te beperken. Circulerend malen wordt op diverse locaties toegepast. Het is gewenst om uitgaande van het bekend tal benodigde passages voor een bepaald recept een waarde te vinden voor 9,~~I1'êXIigdè' c ulatietijd. Een hierbij optredend probleem is het model-leren van de verbli tijdsspreiding.

Niet ieder pig eraat blijft evenlang in de dispergeerapparatuur. De

verblijf tijd kent een bepaalde verdeling met als verwachting de gemiddelde verblijf tijd in de dispergeerapparatuur. Bij circulerend dispergeren gaat ook de verblijftijdsspreiding van de tank een rol spelen. Uitdrukkingen van de verblijftijdsspreiding voor zowel passage-gewijs- als circulerend dispergeren moeten bekend zijn om de totaal benodigde circulatie-tijd te kunnen berekenen, uitgaande van het bekende aantal passages.

In de dispergeerapparatuur wordt veel vermogen toegevoerd aan een relatief klein volume. Praktisch alle mechanische energie wordt gedissipeerd en draagt bij tot

temperatuurstijging van de dispersie. Tijdens het voordispergeren wordt de temperatuur al flink hoger, een verdere temperatuurstijging is ongewenst. De geproduceerde warmte tijdens het dispergeren m 1et dus worden afgevoerd. De dispergeerapparatuur moet dus worden uitgerust met een koelsysteem.

In het volgende zullen verschillende parameters van het dispergeerproces worden bepaald. Aan bod komen het type dispergeerapparatuur, verblijftijdsspreiding van passagegewijs versus circulerend dispergeren en het opstellen van warmtebalansen over de dispergeerapparatuur .

§ 6.2 Dispergeerapparatuur, type, dimensionering en modellering.

In de verf- en lakproduktie zijn vele verschillende typen dispergeerapparaten in gebruik. Voorbeelden hiervan zijn kogelmolens, pennenmolens en parel molens. Voor een goede

beschrijving van alle verschillende typen en hun werking wordt verwezen naar [6]. De

modernste, in het huidige proces gebruikte, dispergeerapparaten zijn de horizontale parelmolens. Voor een schematische weergave wordt verwezen naar figuur 6.3. Ook in de

nieuwe fabriek zal met horizontale parel molens worden gewerkt. De werking van een

parel molen is in principe eenvoudig. Door hevig roeren worden de parels door en tegen elkaar geslingerd. Door het botsen en wrijven van de parels worden de

pigment-agglomeraten tussen de parels gedeagglomereerd. Voor een goede werking van de parel molen is het van belang dat de pigmentagglomeraten kleiner zijn dan de parels.

Voor het ontwerp wordt gebruik gemaakt van een horizontale parel molen , type KD-45. Een aantal gebruikte grootheden van dit type is weergegeven in tabel 6.2.1 en is afkomstig van de fabrikant.

Tabel 6.2.1.: Eigenschappen van de KD-45.

Vpm(t) Vd(i) Dm(m) Dimp.(m) dwm(mm) dl(mm)

46.0 24.58 0.302 0.260 8.0 28.0

d2(mm) Lm(m) 4:(m) Ak(m~ Pm(kW) </>lilh)

8.0 0.745 23.5 0.66 14.11 400

i.lenn IS:

V pm Volume van de maal kamer van de parelmolen.

Vd Volume van de molen gevuld met dispersie (zie verder).

Dm Diameter van de maalkamer.

Dimp. Diameter van de rotorbladen.

<lm

Wanddikte van de maalkamer .

dl Breedte van het koelwaterkanaal (zie figuur 6.4).

d2 Hoogte van het koelwaterkanaal.

Lm Lengte van de maalkamer .

4: Lengte van het koelwaterkanaal.

Ak Totaal warmteuitwisseleud oppervlak tussen maalkamer en koelwater.

P m Het aan de molen toegevoerde vermogen (zie § 6.4).

</>v Het volumedebiet door de molen.

Het dispersievolume Vd is als volgt berekend. Gekozen is voor parels van thermisch gehard staal. Deze parels zijn duur, maar erg slijtvast. Slijtvastheid van de parels voorkomt vervuiling van de lak: en zorgt dat vervanging en aanvulling van parels op zijn minst minder frequent nodig is. De materiaaleigenschappen en de gekozen eigenschappen zijn weergegeven in tabel 6.2.2.

Tabel 6.2.2.: Gebruikte pareleigenschappen. PI(kg/m3

) pp(kg/m3) ~(mm)

4900 liienn 15:

8100 1.5

De stortdichtheid, die afhankelijk is van de pareldiameter. De dichtheid van het parel materiaal (thermisch gehard staal). De pareldiameter .

De parel vullingsgraad.

F(%) 75

Een vullingsgraad F van 100% wordt vaak: gelijkgesteld aan de stortdichtheid PI. Voor het dispersievolume V d geldt:

(6.2)

Hierin is Vp het parelvolume waarvoor, met gebruik van wat over de vulgraad is gezegd, geldt:

V F V

p

=

100% Ps m

Invullen van (6.3) in (6.2) levert op voor het dispersievolume:

Vd

=

(1 - 1:0% Ps) Vm

Voor de verblijftijd Tm in de molen geldt:

't _m

=

(6.3)

(6.4)

i r

[l]---.I~ ·I

__ .0 '0 ._ ... _ _ G) ,. (1) ... ::::::

'''''''''''

:::::::

''

'''''''''''''''''''''''''

::::::::::::::::::::::::

·~~~

~~

, ' " r-~

Figuur 6.5: Modellering van de horizontale parel molen door Stuy [32].

Om verblijftijdsspreidingen te berekenen en warmtebalansen te kunnen opstellen is het noodzakelijk de parel molen te modelleren. Een molen die een propstroomgedrag heeft vormt de ideale situatie. Ieder deeltje blijft dan evenlang in de molen, er is geen spreiding

in verblijf tijd voor de zich in de molen bevindende deeltjes. Bij een reële molen zal deze situatie zich niet voordoen. Parelstuwing, het verschijnsel dat de parels zich ophopen in de richting van de uitgang en terugpompen door de rotorbladen dragen bij tot afwijken van propstroom. Voor de hand liggend is het om de molen te modelleren als één of meer ideale CSTR's (continuous stirred tank reactor) in serie. Stuy [32] modelleert de molen als een aantal CSTR's in serie met terugmengen. Met de parelstuwing houdt hij rekening door vooraan een aantal niet met parels gevulde CSTR's te plaatsen (zie figuur 6.5). In dit ontwerp zal de modellering iets worden vereenvoudigd om het rekenen niet te moeilijk te maken. Aangenomen is dat de werking van de molen zodanig is dat de inhoud van de molen homogeen over het gehele volume is verdeeld, met andere woorden iedere CSTR van het model heeft dezelfde parel- en dispersieinhoud. Bovendien is terugmengen niet in de beschouwing meegenomen. Beseft moet worden dat deze aannamen gedeeltelijk strijdig zijn met de werkelijkheid, want juist het terug stuwen van moleninhoud draagt bij tot homogenisering. De gedane aannamen zullen de werkelijkheid beter beschrijven naarmate de molen door meer CSTR's kan worden gemodelleerd. In de praktijk wordt voor het aantal eSTR's, waaruit een molen opgebouwd gedacht kan worden, een waarde tussen de 1 en 5 gevonden. In dit ontwerp is ervoor gekozen de molen te modelleren als 3 ideale CSTR's in serie, homogeen van inhoud, zonder terugmenging en ieder met volume %V_m (zie figuur 6.6).

§ 6.3 Verblijftijdsspreiding, passagegewijs versus circulerend dispergeren. Zoals eerder gezegd is het gewenst om, uitgaande van het bekende aantal benodigde passages voor een recept en door vergelijking van de verblijftijdsspreiding van beide varianten, een benodigde tijd voor circulerend dispergeren te vinden. De twee verschil-lende dispergeervarianten zijn weergegeven in figuur 6.1 en figuur 6.2.

§ 6.3.1. Passagegewijs dispergeren.

"1

Als voor een bepaald recept

1/1

passages nodig zijn dan kan de situatie voorgesteld worden als

31/1

ideale CSTR's in serie, ieder met volume %V

_m

(zie figuur 6.7). De verblijf tijds-spreiding van dit systeem kan worden bepaald door op t=O momentaan

Mo

mol van een tracer aan de ingang van de eerste CSTR toe te voegen zodanig dat de concentratie van de eerste CSTR op t=O Co (=MoI%Vm> mol/m3 _{bedraagt. In de overige CSTR's is op t=O de}

concentratie 0 mol/m3

• Door voor t> 0 molenbalansen op te stellen kan de concentratie

als functie van de tijd voor iedere CSTR worden bepaald. In dit geval is er alleen interesse voor de concentratie van de

31/1c

tank.

1

2

~ ... ~

•

•

1

2

•

_à

•

3 ...

...

..

...

..

...

..

....

...

....

.

...

.

..

...

... _

...

.

...

3",

Opstellen van de molen balansen over de CSTR' s levert dan op voor de concentratie C3~(t)

in de 31j;e tank op:

(G.G)

Dit lijkt een moeilijke uitdrukking, maar het is gewoon de uitdrukking voor n ideale eSTR's in serie. In dit geval is n=31j; en V=%Vm (zie ook [12]). Voor de dichtheid van de verblijftijd E(t) geldt:

E( t)

=

c( t) .

cl»v

=

c( t) .

cl»v

=

Mo

1Vm'

Co

(G.?)

Voor de dichtheid van de 31j;e geldt dus:

t (3. - 1>

E3. (t)

=

3 (3.> . . e 't.,

(3111 - 1) 't'm(3t>

3t

(G.S)

E(t) is een "echte" dichtheid, waarvoor dus moet gelden:

J

E( t) dt

=

1 (G.9)

o

Nawerken van (6.8) volgens (6.9) levert inderdaad 1 op. De verblijftijdsdichtheid E(t) geeft

aan

welke fractie deeltjes een tijd t in de CSTR's (en in dit geval dus in de molen gedurende de Ij; passages) heeft doorgebracht. Voor de gemiddelde verblijftijd

t

en de variantie crE van de verblijftijdsspreiding gelden de volgende uitdrukkingen:

en t

=

ft. E( t) dt o 0E2

=

J t2.E(t}dt o (6.10) (6.11)

Voor één passage (1jt=I) moet _{(6.10) opleveren t=Tm, uitwerken van (6}.10) levert inderdaad via partieel integreren dit antwoord op. Berekenen van het quotiënt van

t

en <TE laten zien dat de verblijftijdsverdeling smaller wordt met een toenemend aantal passages 1jt. In de limiet als het aantal passages 00 wordt, wordt de gemiddelde verblijf tijd en de absolute variantie 00, het quotiënt van beide grootheden wordt dan echter 0 (propstroom)! In tabel 6.3.1. is dit weergegeven, hierbij zijn natuurlijk niet steeds de integralen berekend, maar is gebruik gemaakt van de waarden voor één passage en de volgende statistische eigen-schappen:

•

•

cr 2 E

cE

Ei) =

E

cr E.~ .2 (6.12) i-l i-l en

•

•

e

_CE

Ei)

=

Ee

i (6.13) i=l i-l

In woorden, de verwachting van een som is gelijk aan de som van de verwachtingen en de variantie van een som is gelijk aan de som van de varianties.

Tabel 6.3.1.: Verwachting en variantie in verblijftijd voor een aantal passages.

'"

1 Tm t 2.5Tm

<Ti

1.58Tm <TE 1.58

<Tir.

2 _2Tm 5.0Tm 2.23Tm 1.12 3 _3Tm 7.5Tm 2.74Tm 0.91 6 6Tm 15.0Tm 3.87Tm 0.65 20 20T_m 50.0Tm 7.07Tm 0.35 100 l00Tm 250Tm 15.8Tm 0.16 1000 l000Tm 2500Tm 50.0Tm 0.05

De juiste interpretatie is dus dat de relatieve spreiding in de verblijftijd afneemt met het aantal passages.

§ 6.3.2. Circulerend dispergeren.

Dit systeem is niet volgens de conventionele manier (zie 6.3.1.) voor het beschrijven van de verblijftijdsspreiding aan te pakken. Als bij de ingang van de eerste CSTR weer

Mo

molen van een tracer momentaan worden ingespoten dan is na verloop van tijd geen onderscheid meer mogelijk. Het systeem gaat immers naar een eindconcentratie . Ce waarvoor geldt:

(6.14)

Vanaf het tijdstip dat deze eindconcentratie wordt bereikt is geen onderscheid meer mogelijk.

Intuïtief kan worden gezegd dat de spreiding in de verblijf tijd in de molen groter is dan bij passagegewijs dispergeren, omdat bij circulerend dispergeren de verblijf tijds-spreiding van de tank een rol gaat spelen. Ook kan gezegd worden dat de spreiding in de verblijf tijd afneemt naarmate de circulatietijd toeneemt. Dit komt overeen met het afnemen van de spreiding met het toenemen van het aantal passages bij passagegewijs dispergeren. In de limiet van t-oo zal propstroom worden benaderd. Statistisch gezien hebben tank en molen een verblijftijdsverdeling die door de kortsluiting elkaar differen-tieel in de tijd beïnvloeden.

Een eerste benadering is het openknippen van de kortsluiting en het systeem benaderen door een

r

aantal tanks en molens in serie. Via molenbalansen volgt, als het systeem één keer wordt doorlopen, voor de concentratie van de 3e _{CSTR van de molen:}

-...!. -1.E 3 3 - i

(e ~T - e ~,.) - Co'

L ____

't..:.T _ _ _ _

--:-i=l • ('tm)i ( _{'t m )3-i}

r

""3 .

~'tT -

""3

(6.15) Dit is de uitdrukking voor één circulatie. Een gemiddeld aantal circulaties kan worden ingevuld en dan kan een uitdrukking voor de spreiding worden gevonden. Voor het gemiddelde aantal circulaties geldt:

{ = tcirculatie

't_T + 'tm

(6.16)

Deze benadering moet om een aantal redenen worden verworpen. Het belangrijkste tegenargument is het feit dat de uitgang van de molen op deze manier geen invloed uitoefent op de ingang van de tank en vice versa. Bovendien is het invoeren van een gemiddeld aantal circulaties niet juist, het aantal circulaties heeft een verdeling die juist weer afhangt van de verdeling van de verblijftijd.

Overleg, met de secties Reactorkunde en Deeltjestechnologie van de faculteit der chei-kundige technologie en der Materiaalkunde en de sectie Apparatenbouw voor de

Proces-industrie van de faculteit Werktuigbouwkunde, van de Technische Universiteit Delft, heeft het volgende opgeleverd: "Onderzoek op het gebied van verblijftijdsspreiding van ogen-schijnlijk simpele circulerende systemen vindt plaats. Publicaties over dit onderwerp zijn echter niet voorhanden. Uitspraken doen over de verblijftijdsspreiding van circuleren-de systemen is zich op glad ijs begeven." Nogmaals wordt hier benadrukt dat simuleren van het systeem niet moeilijk is. Balansen opstellen levert een set van 4, van elkaar af- \~

hankelijke, differentiaalvergelijkingen op, die numeriek opgelost kunnen worden. Via deze overweging is een oplossing gevonden om toch uitspraken te kunnen doen over het verschil tussen passagegewijs en circulerend dispergeren.

Het dispergeren van pigmentagglomeraten is het overbrengen van de pigment-deeltjes van een bepaalde toestand naar een andere toestand. In de molen worden de pigmentagglomeraten "omgezet" in individuele pigmentdeeltjes, die op hun beurt worden "geproduceerd". Beide systemen zijn nu voorzien van een (hypothetische) chemische reactie, die alleen plaats vindt in de CSTR's van de molen. Dit komt overeen met de praktijk van het dispergeren dat alleen de molen dispergeerwerking bezit. Het enige verschil tussen beide systemen wordt nu gevormd door de tank, evenals bij het

dis-pergeren. Een deeltje dat bij het circuleren oneindig lang in de tank blijft reageert niet, evenals een agglomeraat niet gedispergeerd wordt. Om een verschil in procestijden van de beide varianten te onderzoeken doet het er dus niet echt toe wat er precies in de CSTR's van de molen plaatsvindt. Voor beide varianten is de werking van de molen hetzelfde, alleen de tank vormt dus het verschil door zijn opmenggedrag.

Beide systemen zijn voor een aantal reactiemechanismen onderzocht. De volgende balansen kunnen worden opgesteld voor het circulerende systeem:

dCT

=

C) - CT dt 't_T (6.17) dCl

=

3 (CT - Cl) - I -Vm dt 'tm 1 3 (2.18) dC₂ 3 (Cl

-

C_{2 )} V_m

=

- I 2 ) dt 'tm (6.19) dC)

=

3 (C2 - C)) Vm - I -dt 'tm ) 3 (6.20)

rl, r2 , r3 zijn de conversietermen (dimensie mollm

3_{s). Randvoorwaarden om het systeem} op.te lossen zijn t=O, CT=CO, Cl' C2, C3=O.

Ook voor het passagegewijze systeem zijn de balansen opgesteld: dCl 3 (Co - Cl) V_m = - r -dt 'tm 1 3 (6.21) dC₂ 3 (Cl

-

C₂) V_m

=

r -dt 'tm 2 3 (6.22) dC₃ 3 (C₂

-

C₃ ) V_m

=

r -dt 'tm 3 3 (6.23)

Randvoorwaarden zijn t=O, Ch C2, C3=0, bij meerdere passages wordt voor Co de C3

van de voorafgaande passage ingevoerd. Voor gegeven kinetiek zijn de volgende resultaten verkregen, vermeld in de tabellen 6.3.2. en 6.3.3 .. De aangegeven tijden zijn de tijden die nodig zijn om 99% conversie (circulerend systeem) of minstens 99% conversie (passagegewijs systeem) te bereiken.

Tabel 6.3.2.:Tijden voor Ie orde en 2e orde reacties.

Reactiemechanisme 1 e orde: 11 r₁ = kC 1, r 2 = kC_{2 ,} r 3 = kC_{3 11 •} k(S-I) _{t/I t.,(s) tcïrc.(s) lcïrc.lt.,} 0.1 27 486000 501350 1.032 0.5 6 108000 126746 1.174 0.6 5 90000 110510 1.228 0.7 5 90000 98679 1.096 0.8 4 72000 89592 1.244 0.9 4 72000 82330 1.143 1.0 4 72000 76347 1.060 2.0 2 36000 44625 1.240 Reactiemechanisme 2e orde·llr =kC _{• 1 1, 2} 2 r =kC _{2 ' 3} 2 r =kC _{3 '} 211 k(m3_/mol.s)

t/I tis) _tcirc

.<

s) tcirc.lt~

0.1 >25 (*) 450000 490132 1.089

1.0 13 234000 281212 1.202

* ) In dit eval was 99% converSIe no lan g g g met bereikt beide tIiden ZI n voor de _{J J}

Ook is nog onderzocht hoe een reactie met een "Winkler-achtige" kinetiek zich in beide systemen gedraagt.

Tabel 6.3.3. :Tijden voor "Winkler-kinetiek".

rl =kCh r2=kC2 , r3=kC3 , k=J.'(l-exp(-"t)

J.'(S·I) "(S·I) t/; tis) t.:irc.(S)

tCirc./tv-0.1 0.008 27 486000 501400 1.032 0.3 0.008 10 180000 190161 1.056 0.5 0.008 6 108000 126787 1.174 0.7 0.008 5 90000 98715 1.097 0.8 0.0001 4 72000 89615 1.245 0.001 4 72000 90147 1.252 0.01 5 90000 96047 1.067 0.9 0.008 4 72000 82362 1.144 1.0 0.008 4 72000 76377 1.061

Een aantal (voorzichtige) conclusies mag uit deze resultaten worden getrokken.

o

De reactie-orde speelt op zich geen rol in de verhouding tussen de circulatietijd

tcirc. en de tijd behorend bij het aantal passages, t~. Op het eerste gezicht lijkt dit

verrassend, maar toch is het logisch. Het is al eerder gezegd dat de werking van de molen gelijk blijft, het reactiemechanisme is voor beide varianten gelijk. Het enige verschil is het opmenggedrag van de tank.

o

Bij een langzame reactie (- hard pigment) wordt de totale maaltijd in beide

gevallen groot. De verhouJing tussen de twee tijden (het relatieve verschil) neemt af voor grotere tijden. Hieruit kan ook weer worden beredeneerd dat in de limiet

(<XI langzame reactie - <XI hard pigment) de verhouding tussen de twee tijden naar

1 zal gaan, het relatieve verschil benadert O.

o

De verhouding tussen de twee tijden ligt tussen de 1.0 en 1.5, maar uit de

gevonden waarden kan worden gezegd dat een verhouding van 1.3 een veilige keuze is. Het getal 1.5 is eenvoudig te vinden, het is de maximale verhouding. Het

circuleren duurt altijd langer (verhouding> 1), de benodigde circulatietijr1 _ligt

tussen de passagetijd en de passagetijd

+

1 extra passage in. Minimaal is één

passage nodig, één passage extra is dan twee passages, de verhouding wordt dan 1.5. Een verhouding van 1.5 is een absoluut veilige bovengrens, uit de resultaten wordt een veilige verhouding van 1.3 genomen.