دستگاه سیکلوسایزر
سیکلوسایزر(Cyclosiser) دستگاهی است که برای جداسازی اندازه ذرات به کار می‌رود و عملکرد آن بر اساس قانون استوکس و اصول سیکلون هیدرولیک است. این دستگاه آزمایشگاهی پیشرفته برای اندازه‌گیری و طبقه‌بندی ذرات ریز (زیر الک 38 میکرون) در صنایع مختلف مانند معدنی، سرامیک، متالورژی و زمین‌شناسی استفاده می‌شود. همچنین، برای آنالیز توزیع اندازه ذرات در محیط‌های مایع طراحی شده است.
اصل جداسازی
سیکلوسایزر از سرعت ته‌نشینی ذرات در یک سیال برای طبقه‌بندی آن‌ها بر اساس اندازه استفاده می‌کند. طبق قانون استوکس، سرعت ته‌نشینی یک ذره تحت تأثیر اندازه، شکل، چگالی و همچنین ویسکوزیته سیال است.
طراحی سیکلون هیدرولیک
دستگاه معمولاً از ساختار سیکلونی استفاده می‌کند که در آن نیروی گریز از مرکز ناشی از جریان سیال در حال چرخش، به جداسازی ذرات بر اساس اندازه آن‌ها کمک می‌کند.
قانون استوکس و حرکت ذرات
قانون استوکس حرکت ذرات کروی در یک سیال چسبناک را توصیف می‌کند و برای درک رسوب و ته‌نشینی ذرات تحت تأثیر گرانش مفید است. این قانون رابطه‌ای است که سرعت سقوط آزاد ذره را تعیین می‌کند و به قطر معادل استوکس نیز اشاره دارد. به‌ویژه برای ذرات غیر کروی، سرعت سقوط آزاد تحت تأثیر شکل ذره قرار می‌گیرد، اما می‌توان آن را با استفاده از معادله استوکس اصلاح کرد.
قطر معادل استوکس
قطر معادل استوکس، که به آن قطر استوکس یا قطر رسوب نیز گفته می‌شود، به معنی قطری است که ذره با ویژگی‌های خاص خود (چگالی، شکل) می‌تواند معادل با ذرات کروی سقوط کند. در Cyclosiser، ذرات با نرخ ته‌نشینی مشابه در یک محدوده مشخص جمع‌آوری می‌شوند. این نرخ ته‌نشینی برای ذرات با چگالی یکسان به‌طور مشابه در یک محدوده خاص قرار می‌گیرد.
محدودیت‌ها
- اندازه ذرات: قانون استوکس برای ذرات کوچکتر از 0.1 میلی‌متر در رژیم جریان آرام دقیق‌تر است.
- ذرات غیر کروی: این قانون برای ذرات غیر کروی یا آن‌هایی که جریان سیال را به‌طور قابل‌توجهی مختل می‌کنند، قابل اعمال نیست.
عمکرد دستگاه سیکلوسایزر
سیکلوسایزر از پنج واحد سیکلون تشکیل شده است که به‌صورت متوالی در یک سری قرار گرفته‌اند، به‌طوری که سرریز هر واحد، ورودی واحد بعدی است. در این دستگاه، واحدهای منفرد در مقایسه با ترتیبات سیکلون‌های معمولی به‌صورت معکوس قرار دارند و در رأس هر یک یک محفظه تخلیه وجود دارد که تخلیه ذرات را به‌طور مؤثر بسته نگه می‌دارد. آب با سرعت کنترل‌شده از طریق واحدها پمپ می‌شود و یک نمونه وزن‌شده از جامدات قبل از ورود به سیکلون‌ها معرفی می‌شود.
سیکلوسایزر طوری طراحی شده است که اندازه‌های جداسازی خاصی در محدوده‌ای از متغیرهای عملیاتی مانند سرعت جریان آب، دمای آب، چگالی ذرات و زمان شستشو دارد. ورود ممایسی مایع به سیکلون‌ها باعث می‌شود که سیال شروع به چرخش کند، به‌طوری که بخشی از مایع همراه با ذراتی که سریع‌تر ته‌نشین می‌شوند، به محفظه رأس وارد می‌شود. در حالی که مایع با ذرات ته‌نشین‌کننده کندتر از طریق خروجی گرداب به سیکلون بعدی منتقل می‌شود.
در هر سیکلون، با کاهش تدریجی در ناحیه ورودی و قطر خروجی گرداب، سرعت ورودی افزایش یافته و نیروهای گریز از مرکز داخل سیکلون تقویت می‌شوند. این تغییرات منجر به کاهش تدریجی در اندازه ذراتی می‌شود که می‌توانند از یک سیکلون عبور کنند، به‌طور کلی باعث می‌شود که اندازه ذرات جداسازی در هر سیکلون کوچکتر شود.
سیکلوسایزر در واقع یک آبگیر است که به‌طور خاص به نیروهای ایجاد شده توسط سرعت نسبی ذره و سیال شستشو دهنده وابسته است. با این حال، عملکرد آن با شستشوی معمولی متفاوت است زیرا فرآیند شستشو در یک سیکلون هیدرولیک انجام می‌شود که در آن سیال در حال چرخش است و نیروهای گریز از مرکز بسیار قوی‌تر از نیروهای ناشی از گرانش بر ذرات وارد می‌شود.
الگوهای جریان در داخل سیکلون‌ها بسیار پایدار هستند و تغییرات در شرایط محیطی تأثیر زیادی بر آن‌ها ندارد، برخلاف روش‌های مرسوم شستشو که در آن‌ها شرایط محیطی تأثیر زیادی دارند. همچنین، نیروهای برشی بالا که در داخل سیکلون ایجاد می‌شود، به غلبه بر تمایل ذرات ریز به لخته‌شدن کمک می‌کند و به این ترتیب، پراکندگی ذرات به‌طور عالی تضمین می‌شود. نتیجه‌گیری کلی این است که برای زمان شستشوی نسبتاً کوتاه، Cyclosiser قادر است آنالیزهای دقیق و قابل‌تکرار در محدوده ساب‌غربال ارائه دهد.
تجهیزات
- سیکلوسایزر
- متریال به اندازه 38 میکرون
- بشر
- رویه سیکلوسایزینگ
مراحل عملیات
- برق و آب:
- هر دو نقطه برق در دیوار را روشن کنید.
- شیرهای اصلی آب سرد و گرم را بررسی کنید.
- همچنین، باز بودن شیر کنترل آب گرم را بررسی کنید.
- دمای آب خودکار (۲ ± ۲۳ درجه سانتیگراد) را بررسی کرده و اطمینان حاصل کنید که به درستی تنظیم و عملیاتی شده است.
- محفظه نمونه:
- محفظه نمونه را به برق وصل کنید.
- پمپ را روشن کنید.
- شیر روتامتر را باز کنید.
- دریچه‌های تخلیه دیگ را ببندید (بعد از خارج کردن هوا).
- دمای اتاق را بررسی کنید.
- تنظیمات زمان:
- تایمر را روی ۵ دقیقه (چرخه تغذیه) تنظیم کنید.
- محفظه نمونه را به آرامی باز کنید تا ذرات ظرف ۵ دقیقه تغذیه شوند.
- پس از پایان زمان تغذیه (۵ دقیقه)، زنگ هشدار به صدا در می‌آید.
- تایمر را روی ۲۰ دقیقه (زمان جداسازی) تنظیم کنید.
- جریان چرخش سنج را روی ۱۸۵ تنظیم کنید (مانند ۵).
- پایان زمان جداسازی:
- پس از پایان زمان جداسازی (۲۰ دقیقه)، زنگ هشدار به صدا در می‌آید.
- جریان روتامتر را تا ۲۰۰ تنظیم کنید.
- محصول قابلمه CS5 را در یک لیوان ۱ لیتری تخلیه کنید.
- شلنگ پلاستیکی را برای تخلیه برگردانید.
- تخلیه CS4، CS3، CS2 و CS1 را به ترتیب (۱۰) تکرار کنید.
- اتمام مراحل:
- شیر روتامتر را ببندید.
- همه دریچه‌ها را باز کنید.
- پمپ را خاموش کنید.
- نقاط برق را در دیوار خاموش کنید.
- هر کسری را خشک، وزن و بسته‌بندی کنید.
- کسری ۵ میکرون را جمع‌آوری کنید و نیاز برای جداسازی بیشتر را تعیین کنید (مثلاً تخلیه لیوان).
- هر کسری را برای سنجش ارسال کنید.
- نتایج را به صورت جدول گزارش دهید.
نکاتی که هنگام استفاده از دستگاه باید رعایت کرد
- حداکثر اندازه نمونه: نمونه‌ها باید ریزتر از مش 270 (53 میکرومتر) باشند. اگر نمونه درشت‌تر از این اندازه باشد، باید از آنالیز صفحه استفاده شود.
- وزن نمونه‌ها: وزن مخصوص نمونه‌ها باید قبلاً تعیین شده باشد.
- آماده‌سازی نمونه: ۳۰-۵۰ گرم نمونه را با حدود ۱۰۰ میلی‌لیتر آب لوله‌کشی در یک بشر ۲۵۰ میلی‌لیتری هم بزنید. اگر مواد جامد پراکنده نشد، از اولتراسونیک برای ۱۵ دقیقه استفاده کنید.
- خاموش بودن پمپ: قبل از شروع عملیات، از خاموش بودن پمپ و بسته بودن شیر کنترل اطمینان حاصل کنید.
- آماده‌سازی ظرف نمونه: ظرف نمونه را با چرخاندن تا یکی از اضلاع فلزی رو به بیرون باشد، از نگهدارنده خارج کرده و مستقیماً به سمت بالا بکشید.
- تخلیه آب: شیر ظرف نمونه را کاملاً باز کنید و آب را تخلیه کنید. ظرف را به صورت وارونه روی چرخ دستی قرار دهید.
- شستشوی جامدات: از بطری شستشو برای شستشوی جامدات باقیمانده از لیوان در ظرف نمونه استفاده کنید.
- تنظیم سرعت جریان: شیر کنترل (سرعت جریان) را روی نقطه تنظیم ۲۰۰ تنظیم کنید و نمونه را به آرامی به داخل سیکلون‌ها تخلیه کنید.
- زمان شستشو: تایمر را روی ۳۰ دقیقه تنظیم کرده و در طول این زمان سرعت جریان را مرتباً بررسی کنید و آن را روی نقطه تنظیم ۱۸۰ تنظیم کنید.
- تعیین ضریب تصحیح جریان: برای تعیین ضریب تصحیح جریان، دبی باید با کارکردن سیکلوسایزر در ۱۸۰ میلی‌متر ثابت که روی دبی‌سنج اندازه‌گیری می‌شود، تعیین شود.
ویژگی ها
- قابلیت تنظیم سرعت جریان: سرعت جریان آب در دستگاه قابل تنظیم است که این ویژگی به کنترل دقیق فرآیند جداسازی کمک می‌کند.
- کنترل دمای آب: دستگاه دارای سیستم کنترل دمای آب است که می‌تواند دمای آب را در محدوده ۲۳ درجه سانتیگراد ±۲ تنظیم کند. این ویژگی برای حفظ شرایط بهینه فرآیند جداسازی ضروری است.
- قابلیت تنظیم زمان شستشو: زمان شستشو در دستگاه قابل تنظیم است که این امکان را می‌دهد تا فرآیند شستشو بر اساس نیاز تنظیم شود.
- دقت بالا در جداسازی: با استفاده از سیکلون‌های هیدرولیکی و نیروهای گریز از مرکز، دستگاه قادر است ذرات را با دقت بالا و در محدوده زیر سرند جدا کند.
- قابلیت تکرارپذیری: دستگاه دارای دقت و قابلیت تکرارپذیری بالایی است که این ویژگی برای آزمایش‌های دقیق و کنترل کیفیت ضروری است.
کاربردها
فرآوری مواد معدنی: برای طبقه بندی و جداسازی ذرات مختلف معدنی در دوغاب استفاده می شود.
مهندسی محیط زیست: برای جداسازی رسوب در فرآیندهای تصفیه آب.
داروها: در فرآیندهای فرمولاسیون برای اطمینان از اندازه ذرات یکنواخت.
صنعت سرامیک: کنترل کیفیت مواد اولیه و محصولات نهایی با بررسی توزیع اندازه ذرات.
صنعت رنگ‌سازی: بررسی و کنترل کیفیت رنگ‌ها و پوشش‌ها از نظر اندازه ذرات.
نتیجه‌گیری
دستگاه سیکلوسایزر با بهره‌گیری از اصول قانون استوکس و طراحی سیکلون‌های هیدرولیکی، ابزاری پیشرفته و دقیق برای جداسازی و طبقه‌بندی ذرات بسیار ریز در محیط‌های مایع است. این دستگاه با ایجاد جریان چرخشی قوی و اعمال نیروی گریز از مرکز، امکان تفکیک ذرات بر اساس سرعت ته‌نشینی و اندازه معادل استوکسی را فراهم می‌کند. دقت بالا، قابلیت تنظیم سرعت جریان و دمای آب، و پایداری عملکرد تحت شرایط مختلف محیطی، سیکلوسایزر را به یک ابزار قابل اعتماد برای صنایع معدنی، سرامیک، داروسازی، رنگ‌سازی و مهندسی محیط زیست تبدیل کرده است.
با توجه به قابلیت تکرارپذیری بالا و فرآیند کنترل‌شده جداسازی، سیکلوسایزر می‌تواند توزیع اندازه ذرات را با کیفیت و دقتی بی‌نظیر اندازه‌گیری کند. همچنین امکان تحلیل دقیق ذرات زیر الک ۳۸ میکرون بدون نیاز به مداخلات پیچیده مکانیکی یا تغییرات زیاد در شرایط محیطی، از دیگر مزایای مهم این دستگاه است. این ویژگی‌ها باعث شده که سیکلوسایزر به یک ابزار ضروری در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی و فرآیندی تبدیل شود و نقش مهمی در بهبود کنترل کیفیت و توسعه محصولات در صنایع گوناگون ایفا کند.