В смесителях этого типа использован принцип перевода сыпучего материала в псевдоожиженное состояние при высокой частоте вращения ротора (смесители с меха-ническим псевдоожижением), а также отбрасывания материала к стенкам аппарата (центробежные смесители).
По этому принципу работают смесители фирм «Хеншель», «Папенмайер», «Петцольф», «Ангер», «Вернер Пфлейдерер», а также ряд отечественных аппаратов для смешения.
При вращении системы лопастей с определенной скоростью в среде сыпучего ма-териала последний переходит в псевдоожиженное состояние, весьма сходное с тем, в ко-тором находится слой при продувании через него газа.
Степень псевдоожижения сыпучих веществ с помощью вращающейся в их среде лопастной мешалки определяется главным образом окружной скоростью лопастей, их формой, числом, размерами и их взаимным расположением, высотой слоя материала над лопастью, физическими и технологическими свойствами материала.
Переход сыпучего материала в псевдоожиженное состояние происходит через ряд промежуточных этапов, которым соответствуютразличные формы свободной поверхности слоя и характера циркуляции материала (рис. 14).
|
|
Рис.14. Стадии перехода сыпучего материала в псевдоожиженное состояние.
При малых окружных скоростях лопасти (и< 1 м/с) материал начинает уплотняться и высота его слоя в сосуде уменьшается (рис. 14, а)по сравнению с первоначальным уровнем I-I. Очевидно, материал утрамбовывается, ликвидируются воздушные зазоры и достигается более плотная упаковка материала.
При u = 1 2 м/с (нижний предел относится к легким материалам типа талька, пресс-порошков, а верхний - к материалам типа мармалита, песка) частицы слоя начина-ют вибрировать, и продолжается уплотнение слоя с образованием в нем трещин (рис.14, б)
При u = 2,0 2,5 м/с весь слой материала начинает медленно двигатъся в сосуде, а отдельные частицы перемещаются по концентрическим окружностям (рис. 14, в). Дальнейшее увеличение u до 2,5 3,5 м/с приводит к некоторому расширению слоя, который поднимается сначала только у вала, а затем во всем сосуде (рис. 14, г, д) ..
При u = 4 5м/с в массе около оси вращения образуется вopoнка, и материал начи-нает циркулировать от периферии к центру. Нижние слои материала поднимаются около стенки, направляются к оси по спиральным траекториям и затем как бы сливаются в цен-тральную воронку (рис. 14, е). Направление циркуляции материала в этом случае прямо противоположно тому, которое наблюдается при продувании газа через слой материала.
При u = 5 8 м/с циркуляция сыпучего материала становится весьма интенсивной. На свободной поверхности слоя появляются крупные волны, объем слоя заметно увели-чивается (на 10-15 %), материал переходит в псевдоожиженное состояние.
|
|
Если продолжать увеличивать, окружную скорость лопасти, то режим псевдо-ожижения материала становится бурным и сопровождается периодическими выбросами материала, фонтанированием из отдельных точек поверхности слоя. Чем больше толщина слоя материала над лопастями рабочего органа, тем больше должно быть значение окруж-ной скорости для псевдоожиженого слоя. Уменьшение отношения выcоты слоя материала к ширине лопасти благоприятно влияет на процесс. Для любого материала и любой конструкции рабочего органа характерна предельная высота слоя материала над лопастями, выше которой материал не переходит в псевдоожиженное состояние.
В состоянии интенсивного псевдоожижения циркуляция материала распро-страняется на весь объем, и происходит интенсивное перемешивание.
На рис. 15 показан смеситель СС-100, предназначенный для смешения сыпучих и влажных материалов, а также приготовления жидкотекучих пастообразных масс. Смеситель представляет собой вертикальный сосуд 2 с рубашкой 3 для обогрева (охлаждения), установленный на раме 5. Теплоноситель подается в рубашку 3 через штуцер 12 и выходит через штуцер 1. Внутри сосуда вращается ротор 11, на валу которого установлены две мешалки 9. Нижняя представляет собой двухлопастную мешалку, концы которой отогнуты в сторону, противоположную вращению, и выгнуты по форме днища. Верхняя мешалка представляет собой кольцо, закрепленное спицами на
Рис.15. Смеситель СС-100 с механическим псевдоожижителем.
насаженной на консольном валу роторе. К боковой поверхности кольца приварены две короткие радиальные лопасти, угол наклона которых к горизонтали равен 450. Для направления материала внутри корпуса установлена отражательная лопатка 10. Ротор 11 получает вращение от электродвигателя 4 через клиноременную передачу 6. Материал загружается через люк А, а выгружается через люк В, закрываемый во время работы смесителя затвором 8; последний приводится в действие пневмо-цилиндром 7.
Центробежные смесители конструктивно делятся на турбоскоростные, двухстадийные, турбошнековые, круглые «конхи», центробежные мешалки, быстроходные смесители-агломераторы и др.
Центробежные смесители |
Для приготовления различных композиций из полимерных материалов применяются различные смесители: турбоскоростные, двухстадийные, турбошнековые, ·.круглые «конхи», центро· |
Центробежные смесители |
Для приготовления различных композиций из полимерных материалов применяются различные смесители: турбоскоростные, двухстадийные, турбошнековые, ·.круглые «конхи», центро· |
Из указанных смесителей наиболее прогрессивны двухстадийные. В этих машинах на перемешиваемую смесь воздействует тепло от трения мешалки о мате-риал, смесь подвергается воздействию флюидных потоков и последующему охлаж-дению. Разделение процессов горячего смешения и охлаждения смеси позволяет в данном случае значительно сократить цикл работы установки и повысить ее произ-водительность по сравнению со смесителями, в которых эти стадии осуществляются в одном объеме.
Центробежный смеситель периодического действия представлен на рис.16. Материал из бункера 1 поступает во вращающийся с валом 2 конус 3. Масса, находящаяся в конусе (при значительной окружной скорости корпуса), принимает форму параболоида вращения и, пересыпаясь через край конуса, попадает в пространство между корпусом и конусом. При этом масса захватывается лопастями 5, свободно подвешенными на крышке корпуса 4. Вращающийся в корпусе материал передает часть своей кинетической энергии лопастям, которые при этом начинают вращаться со значительно меньшей угловой скоростью, чем материал.
|
|
Угловая скорость лопастей снижается тормозным устройством 6, размещенным
на крышке смесителя. Таким образом, в кольцевом пространстве за счет разности окружных скоростей лопастей и материала происходит его интeнсивное перемешивание. Часть опускающегося вниз материала возвращается через специальные окна в конус. Cмесь выгружается через патрубок в днище аппарата. Кратность цирку-
Рис.16. Центробежный смеситель периоди-ческого действия | ляции материала регулируется измене-нием частоты вращения приводного вала и торможением подвесной мешалки. Расход мощности на 1 т загружаемого материала 15-25 кВт, т. е. выше, чем у лопастных смесителей. Вибрационные смесители [6] для сыпучих материалов по принципу действия вибрационные смесители делят на принудительные и гравитационные. В смесителях принудительного действия на смесь оказывается силовое воздействие, в результате которого траектория частиц резко отличается от их движения под действием силы тяжести. Силовое воздействие может быть либо только под действием вибрации, либо в сочетании с механическим или пневматическим. |
В гравитационных смесителях траектории движения частиц смеси опре-деляются действием на них сил тяжести. Вибрационное воздействие лишь усиливает гравитационный характер движения, уменьшая силы трения, ликвидируя застойные зоны. Смесители принудительного действия значительно производительнее и эффек-тивнее гравитационных и получили наибольшее распространение.
Смесители принудительного действия бывают барабанными и лотковыми. Из смесителей принудительного действия в отечественной практике наибольшее распро-странение получили барабанные (трубные) вибросмесители, принципиальное устройство которых показано на рис. 17.
Рис.17.Схема барабанного смесителя. | Эти смесители представляют собой цилиндрический корпус 1, уста-новленный на опорных амортизаторах 3 и снабженный дебалансным вибровоз-будителем 2. Вибровозбудитель может быть расположен внутри смесительной камеры или вне ее. Приводной электро-двигатель располагается отдельно и со-единен с вибровозбудителем карданной или клиноременной передачей. Кон-струкция смесителя проста и надежна, в ней отсутствуют трущиеся и вращаю-щиеся в рабочей камере части. Однако им присущ ряд органи-ческих недостатков, а именно, быстрое затухание амплитуды колебаний по мере удаления от стенки камеры, ограниченная область применения (только для |
легкотранспортируемых материалов). Из-за затухания колебаний в толще смешивае-мой массы центральные области, наиболее удаленные от стенки, перемешиваются медленно, а примыкающие к стенке - быстрее, поэтому возникают сложности при соз-дании виброустановок большого объема. Барабанные вибросмесители пригодны лишь для хорошо смешивающихся материалов сухих или с небольшой степенью влажнос-ти, поддающихся вибротранспортированию. При смешивании влажных материалов наблюдается резкое уменьшение скорости циркуляции и интенсивности перемешивания.
|
|
Скорость циркуляционного движения материала зависит от его грануло-метрического состава. При уменьшении размера частиц скорость циркуляции при постоянных параметрах вибрации и массе загрузки увеличивается, однако после достижения частицами размера менее 10 мкм резко падает.
Интенсивность перемешивания зависит от степени заполнения рабочей камеры смесителя, которая обычно равна 0,75 0,85 и влияет на величину свободной поверхности смеси, где происходят процессы макроперемешивания (аналогичные водопадному эф-фекту в барабанных смесителях). При небольшом заполнении камеры возможна сепа-рация компонентов, а при значительном - ухудшаются условия протекания макропроцессов. Для увеличения свободной поверхности смеси поперечное сечение камеры иногда выполняют эллипсовидным, однако наиболее целесообразная форма U-образная.
Оптимальный режим виброперемешивания соответствует работе на резонансной частоте смеси, которая определяется по формуле:
,
где Еср - среднее значение модуля упругости смеси; Sп - площадь поперечного сечения объема смеси, ортогональной к направлению действия силы; lс -размер смеси в том же направлении; mс - масса смеси.
,
где - % содержания i -го компонента; n - число компонентов в смеси; Ei -модуль упругости вещества i -го компонента смеси.
Рис.18.Бункерный вибросмеситель с цент-ральной вставкой: 1 – корпус; 2,5 – вибровозбу-дители; 3 – рифление; 4 - днище; 6 – маятник; 7 – отверстия для подвода реагента; 8 – шланг; 9,10 – упругие опоры. | Большая производительность и од-нородность смеси достигается в бун-керных смесителях с центральной встав-кой (рис. 18). Вибрационный смеситель состоит из корпуса 1 и днища 4. Между корпусом и днищем создаются кольце-вые полости перемешивания (I II и III).На корпусе и на днище установлены ви-бровозбудители 2 и 5. Днище выполнено в виде колокола и соединено с верти-кальной осью, шарнирно закрепленной в упругой опоре 9. Такое закрепление обес-печивает гирационное движение оси и связанного с нею днища. На внутренней поверхности корпуса и днища имеются рифления 3, интенсифицирующие дви-жение материала. Корпус опирается на металлоконструкции через амортиза-торы 10. Смешиваемые компоненты загружают через загрузочное отверстие в крышке, а жидкие реагенты из гибкого шланга 8 через отверстия 7 в оси поступают в зону смешивания. |
Вращение дебалансов вибровозбудителей генерирует горизонтальные противо-фазные колебания корпуса и днища по круговым траекториям. Материал последовательно обрабатывается, активизируется и смешивается с жидкой средой. Готовая смесь выво-дится из смесителя через щель между корпусом и днищем. Ширину выходной щели регулируют резьбовым соединением в узле шарнира под-вески оси. Случайно образовавшиеся конгламераты разрушаются вибрацией, а посторон-ние твердые предметы, попавшие в смесь, застревают в корпусе, прерывая поток материала, но не вызывая аварии. |
Ленточные смесители [7] периодического и непрерывного действия выполняют смешение ленточными спиралями (рис. 19), укрепленными на горизонтальных
Рис. 19. Спирали ленточных смесителей | Рис.20. Одновальный смеситель с ради- альными лопатками |
валах смесителя. Лопатки (лопасти) смесителя (рис. 20), типовые формы которых изображены на рис.21, можно рассматривать как прерывистую ленточную спираль. Ленточные спирали не только перемешивают материал, но и перемещают его вдоль корыта.
Ленточные смесители состоят из корыта с плоскими стенками и плоской крыш-кой. Через торцовые стенки проходит вал, на котором по винтовой линии укреплены радиальные стержни. К стержням на различных расстояниях от оси крепятся две - три плоские ленты, изогнутые по винтовой линии с противоположными углами наклона. Отверстие для выгрузки находится в днище корыта. Корпуса смесителей изготовляют из углеродистых сталей, а также из двухслойных сталей Cт3-12X18H9T и Ст3 - 12ХI8Н10Т. Технические характеристики некоторых ленточных смесителей приведены в табл. 2.
Табл. 2.
Основные параметры некоторых ленточных смесителей
Размеры корыта (длина ширина высота), мм | Емкость, дм3 | Мощность (кВт) для смеси плотностью, кг/м3 | Частота вращения, об/мин | ||
до 480 | 480-800 | более 800 | |||
450 550 l000 600 750 l125 750 900 1275 900 l100 l750 1060 I200 1475 1200 1350 1950 1 350 1500 2225 1500 1650 2700 | 1,5 3.0 3,0 5,0 7,5 | 2,0 5.0 7,5 |
Лопаточные смесители используются для смешивания как дисперсных материалов, так и перемешивания пластичных материалов, паст, замазок, клея и др. Выполняются одно- или двухвальными.
Рис. 21. Типовые формы лопастей
В смесителях лопаточного типа непрерывного действия лопасти закреплены на валу по винтовой линии, что обеспечивает одновременное перемешивание и переме-щение материала вдоль вала. Для обеспечения необходимого качества перемешивания сыпучих материалов в таком смесителе экспериментально устанавливают опти-мальное время смешивания, которое должно соответствовать времени, необходимому для перемещения сыпучих материалов в смесителе от места загрузки к месту выгруз-ки. Это время можно регулировать изменением частоты вращения вала с лопатками, а также угла поворота лопаток относительно вала.
В лопаточных смесителях периодического действия материал обычно перемешивается радиальными лопастями, несколько повернутыми относительно оси вращения. Такое устройство рабочих органов обеспечивает перемешивание с одновременной циркуляцией материала в корыте.
Лопастные смесители отличаются разнообразием типов и конструкций и могут быть классифицированы по технологическому назначению на смесители, предназначенные для:
- смешения масс между собой и с жидкостями для получения однородной смеси;
- расслоения (обновление поверхностей) масс для промывки, удаления жидких и га-зовых включений, а также насыщения жидкостями или газами перемешиваемых масс;
- изменения структуры масс, придания им пластичности, разрушения включенных в мaссу комков;
- растворения твердых и густых масс в жидкости;
- варки, прогревания или охлаждения масс с одновременным интенсивным перемешиванием;
- образования суспензий твердых масс в жидкостях или эмульсий жидкостей в густых массах:
- смешения порошкообразных материалов с красителями.
По конструктивным особенностям лопастные смесители можно классифицировать по:
- емкости корыта смесителей (5, 25, 100, 200, 400, 800 и 2000 л);
- максимальной мощности привода лопастных валов (смесители малой мощности - до 25 кВт; средней мощности - до 60 кВт; повышенной мощности - до 150 кВт);
- способу выгрузки смеси (смесители с поворачивающимся корытом и с выгрузкой через отверстие в дне корыта);
- форме лопастных валов (z-образные гладкие; z-образные, защищенные от истирания накладками, двухкрыльчатые, четырехкрыльчатые, многокрыльчатые);
- конструкции корыта (без рубашки для обогрева, с обогревом электронагревателями омического сопротивления, с частичным обогревом жидкими теплоносителями, с полным обогревом жидкостными теплоносителями, с защитными покрытиями внутренней полости стенок листовым металлом);
- конструкции крышки корыта (смесители для перемешивания масс без давления или с избыточным давлением в корыте);
Двухвальный противоточный смеситель непрерывного действия лопаточного типа показан на рис. 22. Подобные смесители обеспечивают более тщательное переме-шивание массы. Лопатки 1 и 4 на валах 2 и 5 этих смесителей устанавливают с таким расчетом, чтобы они, перемешивая, продвигали массу в направлении к разгрузочному люку 3. Крутящий момент передается на валы 2 и 5 через цилиндрический редуктор 6.