Методичка 5191

Ее условно можно разбить на три периода.

В периоде I преобладает конвективное смешение, приводящее к уменьшению объемов блоков из частиц отдельных компонентов и их разносу рабочими органами смесителя по внутреннему его объему. Этот период характеризуется резким снижением значений коэффициента Vс. На участке конвективного смешения скорость процесса почти не зависит от физико-механических свойств смеси, так как процесс смешения идет на уровне макрообъемов. Главное влияние на скорость процесса смешения в эти моменты времени оказывает характер движения потоков частиц в смесителе.

После разрушения блоков из одинаковых частиц процесс смешения идет уже на уровне отдельных частиц компонентов (II период). Этот период перераспределения частиц схож с процессом диффузии молекул газа, поэтому его называют периодом диффузионного смешения. Во втором периоде идут как процессы диффузионного смешения, так и сегрегации, скорости протекания которых сопоставимы.

Втретьем (III) периоде суммарная скорость процессов конвективного

идиффузионного смешения становится равной скорости сегрегации

частиц в силовом поле, поэтому коэффициент неоднородности Vс становится величиной постоянной. Время наступления этого момента является оптимальным временем смешения см , зависящим от типа смесителя, его режима работы и физико-механических свойств смеси. Предельно достижимое значение коэффициента VСП определяется экспериментально.

Для некоторых типов смесителей при перемешивании зернистых материалов, состоящих из однотипных частиц, II период почти отсутствует, т.е. предельное состояние смеси достигается только конвективным смешением.

Кинетику процесса периодического смешения чаще всего описывают следующим уравнением

11

где Vc – коэффициент неоднородности к моменту времени смешения , %; Vсн – коэффициент неоднородности смеси в начальный момент смешения, %; а и b – коэффициенты, определяемые экспериментально; –

время смешения, с; Vсн 100p p 1 p , p – доля ключевого компонента в смеси.

2.2. Барабанные смесители

Барабанные смесители с вращающимся корпусом относятся к наиболее распространенным машинам, применяемым для смешения сыпучих материалов. Они используются для смешения сухих сыпучих, абразивных и взрывоопасных материалов, когда не требуется высокая однородность смеси.

Различаются барабанные смесители формой корпуса и его расположением по отношению к оси вращения.

Основные схемы корпусов барабанных смесителей периодического действия приведены на рис. 2.

Барабанные смесители относятся к тихоходным машинам – окружная скорость вращения корпуса у них составляет 0,17÷1 м/с. Рабочая скорость вращения, обеспечивающая оптимальное качество смеси, зависит в основном от типа смесителя и физико-механических свойств перемешиваемых компонентов. Устанавливается рабочая скорость экспериментально.

Оптимальная рабочая скорость вращения барабанного смесителя nопт (об/мин) может быть рассчитана по эмпирической формуле:

компонентов; Rmax – максимальный радиус вращения корпуса.

12

Рис. 2. Основные схемы корпусов барабанных смесителей периодического действия:

а – цилиндрический; б – цилиндрический с осью вращения, перпендикулярной к оси цилиндра; в – биконический горизонтальный; г – биконический вертикальный;

д– горизонтальный граненый; е – бицилиндрический; ж – кубический;

з– тетраэдрический; и – наклонный («пьяная бочка»)

Корпусы барабанных смесителей сваривают из листовой стали с хорошими показателями по износостойкости. Конкретную марку стали выбирают с учетом коррозионных свойств перемешиваемой массы и наличия защитного внутреннего слоя. Внутренняя поверхность корпуса может быть необработанной, шлифованной, полированной,

13

эмалированной. В некоторых конструкциях барабанных смесителей корпус имеет рубашку для нагрева или охлаждения перемешиваемой массы.

Корпус барабанного смесителя может быть изготовлен практически на любую емкость. Однако изготовление барабанных смесителей емкостью больше 5 м3 экономически нецелесообразно.

На рис. 3 представлена схема устройства барабанного смесителя с биконическим горизонтальным барабаном.

Рис. 3. Схема устройства барабанного смесителя с биконическим горизонтальным барабаном:

1 –биконический барабан; 2 ,3 – бандажи; 4 – венцовое колесо; 5, 6 – опорные ролики; 7 – электродвигатель; 8 – редуктор; 9 –подвенцовая шестерня

Биконический смеситель представляет собой емкость в виде соединенных между собой конусов, закрытых с обоих торцов крышками. На корпусе смесителя 1 закреплены бандажи 2 и 3. Венцовое (зубчатое) колесо 4 с внутренними зубьями совмещено с бандажом 2. Биконический барабан вращается на двух роликовых опорах 5, 6. Привод смесителя состоит из электродвигателя 7, редуктора 8 и подвенцовой шестерни 9. Роликовые опоры и привод имеют общую раму.

Среди перечисленных типов барабанных смесителей наиболее исследованным является горизонтальный цилиндрический. Именно на

14

этом смесителе экспериментально проверены большинство теорий смешения сыпучих материалов.

Взависимости от заполнения корпуса горизонтального цилиндрического смесителя при рабочих скоростях его вращения можно наблюдать три режима движения сыпучей массы:

колебательный режим (материал при этом режиме поднимается вместе со стенкой корпуса на некоторую высоту, а затем соскальзывает по ней вниз); наблюдается при коэффициенте заполнения корпуса смесью φ = 0,03;

режим проскальзывания (материал остается неподвижным, полностью проскальзывая по стенкам корпуса и наклоняя свою свободную поверхность на некоторый угол к горизонту); наблюдается при φ=

0,03÷0,1;

циркуляционный режим (материал интенсивно циркулирует в поперечном сечении слоя – поднимается на некоторый угол вместе со стенками корпуса, а затем обрушивается вниз по наклонной поверхности слоя); наблюдается при φ= 0,1÷0,8.

Промышленные смесители с цилиндрическим горизонтальным корпусом работают в третьем режиме, оптимальная степень их заполнения равна 0,3÷0,7.

Вбарабанном смесителе смешение имеет диффузионный характер – отдельные частицы слоя меняются позициями. Смешение происходит в основном в двух направлениях – в направлении радиуса смесителя (радиальное смешение) и в направлении его оси (осевое смешение).

Во время вращения барабана частицы движутся с ним до достижения максимального угла откоса, после чего находящиеся поблизости от поверхности частицы скатываются вниз по склону, образованному из остальных зерен. После достижения нижнего края этой наклонной плоскости частицы снова уносятся вверх (неподвижно относительно стенки барабана), образуя замкнутый циркуляционный контур (рис. 4).

Радиальное смешение наступает, если частицы изменяют свою траекторию циркуляции в плоскости поперечного сечения. Это возможно тогда, когда между отдельными слоями частиц появляются градиенты скорости.

15

Градиент скорости образуется только в слоях, близких к поверхности, то есть там, где частицы свободно скатываются под действием силы тяжести. Такая область их движения называется зоной смешения. Остальные слои неподвижны как относительно друг друга, так и относительно стенки барабана. Частицы, находящиеся в этих слоях, носят название статичной (неподвижной) массы.

Рис. 4. Циркуляция массы в барабанном смесителе

Изменение траекторий циркуляции частиц основано на гравитационном оседании частиц в находящиеся на их пути свободные пространства между зернами непосредственно прилегающего снизу слоя. Это движение полностью случайно, в результате чего образуется неупорядоченная смесь. Опыт показывает, что примерно через 10 оборотов цилиндрического корпуса в сегменте можно наблюдать достаточно однородное распределение частиц.

Осевое смешение основано на том, что частицы изменяют свои траектории циркуляции в одной плоскости, перпендикулярной оси смесителя, на соответствующие им траектории циркуляции в прилегающих плоскостях. Такое явление возникает вблизи боковых стен барабана, находящегося с ними в контакте, поскольку движение частиц задерживается трением о стенки. Вследствие этого возникает тенденция к перемещению частиц в соседние слои.

Максимальная скорость частиц возникает в зоне, которая несколько отделена от боковой стенки барабана. По мере отдаления от стенки скорость частиц в последующих зонах выравнивается; в результате отсутствия градиента скорости между частицами в прилегающих слоях

16

осевое смешение в этой области не происходит. Смена плоскостей движения частиц, вызванная градиентом скорости соседних слоев по отношению друг к другу, имеет (как и при радиальном смешении) случайный характер (частица может встретить брешь в прилегающем слое), ввиду чего осевое смешение также приводит к образованию неупорядоченной смеси, но со значительно меньшей интенсивностью, чем при радиальном смешении.

Для увеличения продольных перемещений частиц в цилиндрических смесителях с горизонтальной осью внутри их корпуса монтируют специальные устройства:

на внутренней стенке цилиндрического корпуса закрепляют спирали

инаклонные лопатки. Витки спирали при вращении перемещают материал в одну сторону, а наклонные лопатки перебрасывают его в другую сторону;

внутри цилиндрического корпуса в зоне обрушения сыпучего материала устанавливают быстровращающийся вал с лопастями или шнек.

Вцилиндрических смесителях с горизонтальной осью коэффициент неоднородности Vc = 10÷15 %.

Мощность цилиндрического горизонтального барабана Nц (Вт)

где m – масса материала в барабане, кг; – угловая скорость вращения барабана, рад/с; R0 – радиус центра массы материала в сегменте, м; – угол естественного откоса перемешиваемого материала, град.

Преимуществами барабанных смесителей являются: простота конструкции и надежность в эксплуатации; возможность смешения абразивных и взрывоопасных материалов; возможность смешения материалов без разрушения частиц; широкий диапазон рабочих объемов.

К недостаткам относятся: низкое качество готовой смеси; длительность процесса смешения (более 1 ч.); значительные удельные затраты энергии; образование комочков при введении в смесь жидких добавок.

17

Технические характеристики некоторых барабанных смесителей, выпускаемых белорусским заводом «Элемаш», приведены в табл. П.1 приложения.

2.3. Червячно-лопастные смесители

Червячно-лопастные смесители относятся к универсальным смесительным машинам. В них можно смешивать как увлажненные материалы и пасты, так и сухие сыпучие материалы. Изготовляются они с одним или в большинстве случаев с двумя валами, на которых смонтированы смесительные элементы (лопасти). Лопасти насаживаются на вал по винтовой линии через определённые промежутки, чем создается прерывистая винтовая поверхность из лопастей. При вращении валов осуществляется как перемешивание материала, так и его постепенное перемещение вдоль аппарата.

Смешиваемые компоненты загружаются в смеситель при открытой крышке или через штуцера в крышке корпуса.

При разгрузке готовой смеси корыто опрокидывается вокруг оси одного валка. В смесителях с небольшой рабочей емкостью открывают крышку и опрокидывают корыто вручную, а в крупных смесителях – с помощью гидроцилиндров.

Рис. 5. Схема двухлопастного смесителя:

1 – камера смешения; 2 – валки специальной формы

Наибольшее распространение получили двухвалковые горизонтальные смесители (рис. 5), в которых компоненты смешиваются

18

двумя горизонтальными валками 2, вращающимися навстречу друг другу с различными числами оборотов. Траектории движения наружных частей лопастей валков непересекающиеся.

Днище камеры смешения 1 – корыта – образовано двумя полуцилиндрами, внутренняя поверхность которых может быть футерована различными материалами. Корыта могут иметь рубашку для нагрева или охлаждения смешиваемой массы.

Рис. 6. Конструкция валков в двухвалковом смесителе:

с Z-образными (зет-образными) лопастями (а); с четырехкрыльчатыми валками (б) и многокрыльчатыми валками с Т-образными лопастями (в)

Смешиваемые компоненты загружаются в смеситель при открытой крышке или через штуцера в крышке корпуса.

Загрузочный коэффициент зависит от физико-механических свойств перемешиваемого материала и технологии и варьируется в диапазоне 0,5 – 0,7 от общего объема смесительной емкости.

В зависимости от свойств смешиваемой массы смесители комплектуют валками той или иной конфигурации (рис. 6).

19

Смесители с Z-образными лопастями могут быть использованы в самых разнообразных условиях процесса смешения. Смесители с четырехкрыльчатыми валками предназначены для перемешивания влажных и пастообразных масс, смесители с многокрыльчатыми валками с Т-образными лопастями применяются для смешения сухих и увлажненных сыпучих материалов.

Рис. 7. Двухлопастной смеситель с реверсивным шнеком типа СРШ:

1 – камера смешения; 2 – крышка; 3 – валок специальной формы; 4 – реверсивный шнек; 5 – привод валков, 6 – привод шнека; 7 – станинa

Для интенсификациии процесса смешения и улучшения условий разгрузки смесителя в месте сопряжения двух полуцилиндров корыта, то есть на месте гребня днища, устанавливают реверсивный шнек.

На рис. 7 представлена принципиальная схема двухлопастного смесителя с реверсивным шнеком типа СРШ.

Смеситель состоит из следующих узлов: камеры смешения 1 с крышкой 2, двух валков 3 специальной формы, реверсивного шнека 4, привода 5 валков, привода 6 шнека и станины 7. Торцовые стенки камеры

20