Смесители для сыпучих материалов

Низкои среднеинтенсивные смесители

Низкои среднеинтенсивные смесители применяют для смешения твердых веществ друг другом, твердых веществ с небольшим количеством жидкостей, высоковязких веществ и жидкостями, иногда — для получения премиксов.

Основная область применения таких смесителей: смешение гранул пластмасс и порошкообразных красителей, введение наполнителей, целевых добавок в полимеры.

По принципу действия эти смесители подразделяют на два класса:

• • смесители с вращающимся резервуаром, в которых смешение осуществляется под действием сил тяжести и инерции;
• • смесители с механическими перемешивающими устройствами.

Смесители с вращающимся резервуаром

Смесители с вращающимся резервуаром (барабанные) используют для смешения легко сыпучих материалов: порошков с гранулированными материалами и порошков с порошками. Барабанные смесители представляют собой вращающуюся камеру (различной геометрии). Существуют следующие типы смесителей с вращающейся камерой (рис. 5.2):

• • барабанные;
• • двухконусные;
• • V-образные и др.

Наибольшую эффективность смешения обеспечивают смесители с V-образной формой резервуара.

При горизонтальном расположении оси вращения барабана в материале не возникает интенсивного продольного перемешивания. Трехмерное движение частиц достигается за счет придания резервуару специальной формы, установкой внутри барабана устройств, улучшающих смешение в осевом направлении (горизонтальные полости, подъемные полочки, оребрение внутренней поверхности и т. д.), или смещением оси вращения барабана по отношению к оси симметрии резервуара. Смесители, у которых ось вращения барабана имеет наклон к оси симметрии резервуара, называют «пьяная бочка» (рис. 5.2, б).

Рис. 5.2. Схемы барабанных смесителей:

а — смеситель с горизонтально расположенным барабаном; б — смеситель с наклонной осью вращения; в — смеситель с вертикальной осью вращения;

г — V-образные барабаны; д — барабанные смесители с комбинированным вращением; е — смеситель с коническим барабаном; ж — граненые барабаны Характер процесса смешения в каждом смесителе зависит не только от его конструктивных особенностей, но и от свойств исходных компонентов смеси. При смешении в барабанных смесителях можно выделить следующие элементарные процессы:

• • перемещение группы смежных частиц из одного места смеси в другое внедрением, скольжением слоев (процесс конвективного смешения);
• • постепенное перераспределение частиц различных компонентов через вновь образовавшуюся границу их раздела (процесс диффузионного смешения);
• • сосредоточение частиц одинаковой массы в соответствующих местах смесителя под действием гравитационных или инерционных сил (процесс сегрегации).

При перемешивании сыпучих материалов в смесителе одновременно протекают все указанные элементарные процессы, однако доля их влияния в различные периоды смешения неодинакова.

Качество смеси при данной продолжительности смешения зависит от частоты вращения п барабана. Барабанные смесители — тихоходные машины, окружная скорость вращения барабана обычно не превышает 0,17—1,0 м/с. При рабочей частоте вращения барабана частицы материала под действием центробежных сил прижимаются к внутренней поверхности барабана, обрушиваются и снова вовлекаются в движение. При больших окружных скоростях вращения возникающие центробежные силы оказываются сравнимыми с силами тяжести, определенные слои материала не участвуют в движении, и процесс смешения прекращается.

Частота вращения п (об/мин), обеспечивающая хорошее качество смешения, может быть определена по эмпирической формуле:

где d₄ — средний диаметр частиц смешиваемых компонентов, мм; К_тах — расстояние от оси вращения до стенки корпуса смесителя, мм.

Характер движения материала в барабанном смесителе зависит от степени заполнения резервуара. В зависимости от степени заполнения в барабанных смесителях с цилиндрическим корпусом можно наблюдать три режима движения сыпучей массы:

• • степень заполнения до 3% — материал совершает колебательное движение, скользит по поверхности барабана как одно целое, без перераспределения;
• • степень заполнения 3—10% — материал скользит по поверхности барабана как одно целое, оставаясь неподвижным в состоянии равновесия на некотором достигнутом уровне;
• • степень заполнения 30—70% — материал непрерывно обрушивается и перемешивается.

При заполнении объема смесительной камеры свыше 80% конвективное движение материала практически прекращается и смешение происходит преимущественно за счет перемещения микрообъемов, скорость процесса резко падает.

Оптимальная степень заполнения смесительной камеры — 30—80% (30—40% — для порошковых материалов; 70—80% — для гранулированных) [2].

Весь цикл смешения можно разделить на следующие три стадии.

• • На первой стадии интенсивно развивается конвективное смешение. Начальная неоднородность смеси довольно быстро уменьшается. На этой стадии скорость процесса почти не зависит от физико-химических свойств компонентов, так как смешение происходит на уровне макрообъемов. Определяющее влияние на скорость процесса смешения на этой стадии оказывают траектории движения материала внутри смесителя.
• • Вторая стадия наступает после того, как смешиваемые компоненты в основном распределены по объему барабана смесителя. На этой стадии влияние конвективного и диффузионного процессов становится соизмеримым, процесс перераспределения частиц происходит на уровне отдельных частиц (движение частиц относительно друг друга).
• • На третьей стадии, когда достигнута минимальная степень неоднородности, начинает сказываться процесс агрегации. Если после частичной агрегации образовавшиеся агломераты вновь диспергируются, то степень однородности смеси колеблется около некоторого значения. Возможен также вариант, при котором два противоположных процесса в определенный момент времени уравновешиваются. В обоих случаях проводить дальнейшее перемешивание не имеет смысла, так как качество смеси не изменяется.

Вместимость барабанных смесителей — 2—100 000 л; скорость вращения камеры — 3—30 об/мин; время смешения — 1—4 ч; удельные энергозатраты — 2—12 кВт-ч/т; коэффициент неоднородности полученных смесей — не выше 15%.

Барабанные смесители с вращающимся корпусом являются смесителями периодического действия, однако при соответствующей модернизации могут работать как смесители непрерывного действия (например, при наклонном расположении оси вращения барабана).

Смесительные барабаны, за исключением цилиндрического горизонтального, устанавливают на цапфы, в которые монтируют подшипники качения или скольжения. Цилиндрические горизонтальные барабаны можно устанавливать, кроме того, и на опорные катки (ролики). В последнем случае на корпусе барабана жестко закрепляют два бандажа, которые опираются на ролики. Один из бандажей имеет внутреннее зубчатое зацепление, которое соединяется с зубчатым колесом, насаженным на приводной вал, который через редуктор связан с электродвигателем.

Для механизации загрузки и разгрузки компонентов смеси часто в барабанных смесителях применяют специальные транспортирующие шнеки (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Схема барабанного смесителя с транспортирующим шнеком.

На рис. 5.4 [2] представлена схема барабанного смесителя, представляющего собой вращающийся на четырех катках 1 барабан 4, к которому присоединено шнековое загрузочно-разгрузочное устройство 5, приводимое во вращение электродвигателем 6. Привод катков состоит из электродвигателя 3 и редуктора 2, укрепленных вместе с барабаном 4 на станине 7. Для улучшения условий выгрузки предусмотрено заборное устройство 8. В смесителе предусмотрены вытяжной штуцер для удаления летучих компонентов, смотровой люк В и лаз Г для профилактического осмотра внутренней поверхности барабана.

Рис. 5.4. Барабанный смеситель с транспортирующим шнеком:

1 — каток; 2 — редуктор; 3 — электродвигатель; 4 — барабан; 5 — шнековое загрузочно-разгрузочное устройство; б — электродвигатель; 7 — станина; 8 — заборное устройство; А и Б — люки для загрузки и выгрузки смеси;

В — смотровой люк; Г — профилактический лаз Смесь загружается и выгружается соответственно через люки, А и Б устройством 5 без остановки смесителя. После окончания операции смешения готовый продукт выгружается при вращении шнека в обратную сторону; при этом продукт со стенок корпуса смесителя ссыпается в устройство 8, откуда он транспортируется через люк Б в приемную тару.