1.3.4. Двухроторные смесители

Двухроторные смесители отличаются большим разнообразием конструкций; их можно применять для приготовления с подогревом или охлаждением пастообразных масс, смешения сыпучих материалов с небольшими добавками жидкости, а также для пластикации композиций полимерных материалов. Конструкция этих смесителей зависит от их назначения. Основными конструктивными элементами двухроторных смесителей являются рабочая камера, в которой с различной скоростью навстречу один другому вращаются два ротора, имеющие в зависимости от назначения различную конфигурацию.

Рис. 22.

На рис. 22 показана конструкция двухроторного смесителя с Z-образ-ными лопастями и опрокидывающейся рабочей камерой. Такие смесители предназначены для приготовления с подогревом или охлаждением пастообразных масс. Смеситель состоит из рабочей камеры 10 и двух Z-образных роторов 8, вращающихся в противоположные стороны с различными скоростями (180–200 об/мин). Рабочая камера снабжена крышкой 7 с быстродействующим затвором 6.

Роторы приводятся во вращение электродвигателем 2, связанным через муфту 3 и цепную передачу 4 с приводными шестернями, установленным на станине 1. Материал загружается в рабочую камеру смесителя при снятой крышке 7; для выгрузки готового продукта камера опрокидывается гидроцилиндром 11, работающим от гидроагрегата с электродвигателем 5. Для облегчения снятия крышки предусмотрен противовес 9. Температурный режим перемешивания поддерживается теплоносителем, для подвода и отвода которого предусмотрены штуцера 12 и 13. В смесителе имеются также технологический штуцер 14 для ввода жидких компонентов и воздушник 15 для удаления летучих составляющих из рабочей камеры вакуумированием.

Смесители с Z-образными роторами можно классифицировать по следующим признакам:

• по технологическому назначению:

  1. смешение масс друг с другом и с жидкостями;

  2. растворение твердых и густых масс в жидкости;

  3. образование суспензий твердых масс в жидкостях или эмульсий жидкостей в густых массах;

  4. измельчение нежестких масс;

  5. смешение порошкообразных материалов с красителями.

• по конструктивным особенностям:

1. емкость камеры смесителя (5, 25, 100, 200, 400. 800, 2000 и 4000 л);

2. максимальная мощность привода (смеситель малой мощности – до 25 кВт, средней мощности – до 60 кВт, большой мощности – до 150 кВт);

3. способ выгрузки смеси (смесители с опрокидывающейся камерой и с выгрузкой смеси через отверстие в дне камеры);

4. форма лопастей (гладкие Z-образные, защищенные накладками от истирания; зубчатые; с четырехкрыльчатыми валами);

5. конструкция камеры (корыто без рубашки для обогрева; корыто с нагревателями сопротивления, с жидкостным обогревом, с покрытием внутренних стенок нержавеющей сталью;

6. конструкция крышки камеры (герметичная без давления; герметичные под давлением; для перемешивания пол вакуумом).

Z-образные лопастные роторы (рис. 23, а–г) имеют универсальное применение и могут использоваться при смешении между собой высоковязких масс или смешении их с жидкостями.

Рис. 23.

Лопасти с зубчатыми гребнями (рис. 23, е) используют для размельчения и смешения волокнистых материалов. Двухкрыльчатые лопастные валы (рис. 23, г) применяют для перемешивания небольших количеств материала; четырехкрыльчатые (рис. 23, д) предназначены для перемешивания с целью дегазации и растворения; многокрыльчатые валы (рис. 23, ж) применяют для смешения и увлажнения сыпучих материалов; с овальным ротором для закрытых роторных смесителей (ЗРС) (рис. 23, з); с трехгранными и четырехгранными роторами (рис. 23, к); с цилиндрическими роторами (рис. 23, и); овальные роторы с четырьмя лопастями (рис. 23, л).

Смесители, роторы которых занимают около 60% общего объема смесительной камеры, называют закрытыми роторными смесителям (ЗРС). Их применяют для смешения полимеров с наполнителями, приготовления полимерных композиций, введения в полимер стабилизаторов, пластификакаторов, красителей и других ингредиентов. Типичный ЗРС (рис. 24) состоит из камеры 2, образованной двумя стальными полуцилиндрами и двумя боковыми стенками 19; внутри камеры навстречу друг другу вращаются роторы 3. В массивных боковых стенках установлены роликовые подшипники роторов 20. Зазор между стенкой и шейкой роторов уплотняется специальным устройством 18.

Смесительная камера монтируется на чугунной станине 1. В верхней части камеры располагается загрузочное окно, над которым установлена загрузочная воронка 5 с откидывающейся заслонкой 6, передвигаемой пневмоприводом 4. При загрузке смесителя заслонка отклоняется к стенке воронки и открывает отверстие в боковой стенке прямоугольной загрузочной шахты, по которой смешиваемые материалы ссыпаются в смесительную камеру. По окончании загрузки заслонка возвращается в вертикальное положение, перекрывая при этом отверстие в стенке шахты и препятствуя выбросу пылящих компонентов наружу при работе смесителя.

В прямоугольной шахте расположен верхний затвор 10, установленный на штоке 9 воздушного цилиндра 7 с поршнем 8. При загрузке смесителя затвор перемещается в крайнее верхнее положение, открывая доступ в камеру смесителя. По окончании загрузки затвор опускается вниз и через окно в камере смесителя давит на находящийся в камере материал, создавая в нем избыточное гидростатическое давление, равное 0,35–0,7 МПа.

Рис. 24.

Выгрузка готовой смеси производится через нижнее окно в камере, которое во время загрузки и смешения закрыто нижним затвором 14, состоящим из фигурного клина, укрепленного на корпусе пневмоцилиндра 15. Шток 13, на котором установлен поршень пневмоцилиндра, укреплен на станине. Поэтому при подаче воздуха в одну из полостей цилиндра, последний вместе с клином перемещается по направляющим под смесительной камерой, закрывая или открывая камеру снизу. Подача сжатого воздуха в цилиндр осуществляется через каналы, просверленные в штоке 13.

В отечественной промышленности получили распространение ЗРС с овальными роторами – так называемые смесители типа Бенбери.

Процесс ламинарного смешения сопровождается интенсивным тепловыделением. Для отвода тепла смеситель имеет систему охлаждения. Роторы охлаждают конденсатом, поступающим во внутреннюю полость по трубам 16 и разбрызгиваемым по всей полости ротора через установленные на трубке форсунки. Из роторов охлаждающая вода сливается через воронку 77 и поступает в установленную на линии стока воронку 12.

Стенки камеры могут прогреваться пропускаемым через паровую рубашку паром и охлаждаться как пропусканием охлажденного конденсата через рубашку, так и орошением стенок камеры конденсатом снаружи, поступающим на поверхность камеры через многочисленные патрубки, присоединенные к коллектору 11.

Гребень нижнего затвора 14 и верхний затвор имеют полости, которые охлаждаются водой.

Привод ЗРС осуществляется, как правило, от синхронных электро-двигателей большой мощности через редуктор с помощью шарнирной муфты 21.

Для описания механизма процесса смешения в закрытом роторном смесителе рассмотрим схему взаимодействия рабочих органов смесителя (рис. 25). В начальной стадии процесса после загрузки всех компонентов рабочий объем камеры и часть червячных заполнены материалом. По мере смешения компонентов смесь становится более компактной и начинает занимать не весь объем, а лишь его часть. Верхний зазор заслоняет смесительную камеру и своей поверхностью служит продолжением внутренней стенки камеры.

Увеличение раздела между компонентами происходит за счет деформации сжатия, сдвига и растяжения в зазорах между роторами и стенкой камеры и в зазоре между роторами, причем в различных частях рабочей камеры смесителя интенсивность деформации компонентов смеси различна. В каждой части рабочего объема благодаря сложной конфигурации роторов создаются различные градиенты скорости сдвига, а, следовательно, и различная интенсивность смешения.

Схема взаимодействия рабочих органов закрытого роторного смесителя представлена на рис. 25

Рис. 25.

Наиболее интенсивное воздействие роторов на материал, т. е. наибольшая деформация сдвига, происходит в серповидных пространствах МКИП между поверхностью гребня ротора и стенкой камеры. Таким образом, наиболее интенсивная деформация сдвига осуществляется в объемах BEAO₁ и БМГПДО₂–I.

В зонах деформации ВО₁Н и НО₂В–II материал, увлекаемый вращающимися роторами, создает импульсное давление на крышку верхнего затвора, поднимая ее толчками вверх. В зоне III–НО₁АДО₂ перемещаемые роторами потоки смеси сталкиваются, и здесь происходит смещение потоков – вминание и вдавливание компонентов смеси в полимер. Далее смесь захватывается гребнями роторов, и, ударяясь о выступ верхней части крышки нижнего затвора, разделяется на два потока и увлекается в серповидную зону деформации I.

Гребни каждого из овальных роторов выполнены в виде прерывистой спирали и представляют собой как бы две винтовые нарезки. В любом поперечном сечении ротора каждый гребень имеет форму сужающегося в одну сторону эллипса. Поверхность каждого из роторов выполняется в виде двух винтообразных лопастей, одна из которых (длинная) имеет угол подъема винтовой линии 30° к образующей эллипса, а другая (короткая) – 45°. Угол закручивания каждой из лопастей 90°. Длина короткой лопасти составляет 0,35 рабочей длины ротора, а длинной – 0,65 рабочей длины. Благодаря такой конфигурации ротора возникает некоторое осевое перемещение резиновой смеси. Короткий гребень перемещает резиновую смесь в направлении, перпендикулярном к поверхности, образующей гребень ротора. Длинный гребень создает определенное сопротивление прохождению смеси.

Вследствие того, что длинный гребень одного ротора находится против короткого гребня другого ротора, наблюдается осевое перемещение резиновой смеси в виде пространственной восьмерки, и в камере резиносмесителя образуются линии тока компонентов, обеспечивающие получение высококачественного смешения. Как отмечалось выше, наибольшее значение деформации сдвига создается в серповидных пространствах между поверхностью гребня ротора и стенкой камеры. Деформацию смеси в этих зонах можно рассматривать как деформацию сдвига в канале с переменным уклоном при большом различии в расстояниях между ограничивающими поверхностями на входе и выходе из канала.