2. КОНСТРУКЦИИ СМЕСИТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Многообразие физико-механических свойств смешиваемых материалов и требований, предъявляемые к конечному продукту, обусловили появление и развитие многочисленных методов смешивания и конструкций смесителей. Смешивание нанодисперсных порошков представляет собой процесс, заключающийся в перераспределении компонентов и связанный с приготовлением определённого рода смесей, являющихся совокупностью различных компонентов. Перераспределение компонентов осуществляется при движении потока смешиваемой массы за счёт пульсаций скорости частиц материалов.

Различают два основных вида процесса смешивания: периодический и непрерывный. Периодический процесс смешивания характеризуется тем, что смешиваемые компоненты одновременно или в определённой последовательности вводятся в рабочий объём аппарата, и процесс смешивания продолжается до тех пор, пока не будет достигнута требуемая степень однородности распределения ингредиентов. Указанный процесс является наиболее изученным и употребительным в различных отраслях промышленности.

Непрерывный процесс характеризуется непрерывностью загрузки исходных компонентов, что повышает требования к дозирующим устройствам. Обычно все ингредиенты загружаются на входе в смеситель, и готовая смесь выгружается на его выходе. При этом существенной характеристикой аппарата является его сглаживающая способность. Но, несмотря на указанные трудности (требования к дозирующим устройствам), смесители непрерывного действия имеют ряд преимуществ по сравнению с аппаратами периодического действия: легче поддаются автоматизации, характеризуются высокой эффективностью по переработке больших объёмов нанодисперсных материалов.

В современной промышленности используют аппараты, эффект смешивания в которых основан на различных физических воздействиях. Механические, струйные, пневматические, статические, импульсные, вибрационные, ультразвуковые, магнитные смесители – это не полный перечень аппаратов, имеющих различные принципы работы, производительность, размеры и т.д.

К механическим могут быть отнесены смесители с вращающимся корпусом или барабанные смесители (рис. 2). Они относятся к наиболее распространенным в настоящее время машинам, применяемым для сме-

10

шивания разнообразных нанодисперсных материалов. Барабанные смесители относятся к тихоходным машинам, так как окружная скорость вращения их корпуса невелика и составляет 0,17…1 м/с. Рабочая скорость вращения, обеспечивающая требуемое качество смеси, зависит, в основном, от типа смесителя и физико-механических свойств перемешиваемых компонентов. Например, изменяя форму корпуса и траекторию его движения можно в определённой мере влиять на процесс смешивания. Так, смесители этого типа (рис. 2, д), иногда их называют «пьяной бочкой» имеют сложное движение материала, что позволяет получить хорошее качество смеси и высокую производительность. Смесители данного типа можно было бы назвать инерционными, поскольку этот термин более полно отражает особенности работы аппарата. В нем процесс распределения компонентов происходит за счёт пересыпания, перетекания компо-

Рис. 2. Основные виды барабанных смесителей:

Смесители с циклически движущимися рабочими органами:

1)корпусами: а – цилиндрический горизонтальный;

б– биконический вертикальный; в – V-образный; г – тетраэдрический;

д– цилиндрический с диагональной осью вращения;

2)с внутренними органами е и з; 3) ж – цилиндрический с перегородками

11

нентов в пространстве, ограниченном вращающимся корпусом. При этом направление скоростей и ускорений, которыми обладают различные макрообъёмы смеси, существенно различаются. На частицы в объёме действуют силы тяжести, центробежные силы и силы инерции.

Процесс смешивания материала в барабанных смесителях происходит в поперечной плоскости сегмента (у горизонтального барабана), или со спиралевидным движением материала (в случае наклонного барабана). В самом слое частицы перемещаются почти без перераспределения по круговым орбитам параллельно стенкам. Поэтому для интенсификации процесса смешивания и улучшения качества приготовленной смеси внутрь корпуса барабанных смесителей устанавливают различные неподвижные перегородки или дополнительные перемешивающие органы.

Кпреимуществам барабанных смесителей можно отнести: простоту конструкции, надёжность в работе, возможность смешения нанодисперсных порошков со специфическими свойствами. К недостаткам следует отнести: невысокое качество смешивания, длительность цикла, высокие энергозатраты.

Большим многообразием отличаются червячно-лопастные смесители (рис. 3), которые относятся к универсальным машинам. В них можно смешивать как увлажненные материалы и пасты, так и сухие порошки. Изготавливаются они с одним или в большинстве случаев двумя валами, на которых смонтированы смесительные элементы.

Кчервячно-лопастным смесителям относятся ленточные и спираль- но-винтовые смесители, у которых смесительный элемент выполнен в виде одной или нескольких винтообразных лент. Частицы нанодисперсного материала перераспределяются в смесителе вследствие противоположного перемещения материала под действием лент или спиралей. Частицы, поднимаемые с одного места, внедряются, втираются в другом месте.

Кнедостаткам этих смесителей следует отнести: значительный расход энергии на единицу готовой смеси, вследствие низкой скорости процесса смешивания, сравнительно низкое качество смешивания, большой износ лопастей валов, а также наличие сальниковых уплотнений, в пару трения которых возможно проникновение перерабатываемых компонентов.

Большую группу аппаратов представляют циркуляционные смесители с псевдоожижением сыпучего материала, быстро вращающимся перемешивающим устройством. В смесителях этого типа использован принцип перевода нанодисперсного материала в псевдоожиженное состояние с помощью мешалки. В зависимости от его конструкции эти аппараты можно разделить на лопастные, дисковые, с вращающимся конусом, схемы которых представлены на рис. 3.

12

Рис. 3. Смесители с внутренними рабочими органами:

червячно-лопастные смесители: а – с двумя шнеками; б – с двумя спиралями; циркуляционные смесители с перемешивающим устройством:

в– с лопастным органом; г – с дисковым органом; д – шнековой мешалкой;

е– с комбинированным ротором, с рамной мешалкой и усеченным конусом

Псевдоожижение обрабатываемого материала быстровращающейся мешалкой зависит, главным образом, от частоты вращения, формы, геометрических размеров, от высоты слоя и его физико-механических свойств. Циркуляционные смесители в зависимости от объёма смешиваемых компонентов могут быть с одной или несколькими мешалками. В них концентрация основного компонента выравнивается в основном за счёт конвективного переноса частиц внутренним циркуляционным потоком. Частота вращения мешалок 1…10 с–1. Время смешивания может составлять от 5 минут до 1,5 часов, а коэффициент неоднородности смеси колебаться от 2 до 4%. Следует отметить, что при смешивании нанодисперсных материалов вращающейся мешалкой в слое накапливается электростатический заряд. При большой частоте вращения мешалок может происходить спекание материала, находящегося между вращающейся мешалкой и дном аппарата.

Широкое применение также нашли вибрационные смесители. Эти смесители можно разделить на две группы: циркуляционные и активационные. К первой группе относятся смесители, в которых вибрация направлена на создание циркуляции смешиваемых компонентов. Ко второй группе можно отнести аппараты, в которых вибрация предназначена для активации процесса смешивания путём наложения пульсаций на поток смеси, движущийся в смесителе. Кипящий слой при наложении вибрации может быть создан в аппаратах самых разнообразных конструкций

13

путём воздействия на смешиваемый материал вибрируемого корпуса или дна аппарата, а также механических вибраторов, введенных непосредственно в рабочую камеру. Для смешивания сухих порошкообразных материалов часто применяются лотковые (типа ДВС-Н) и барабанные смесители, схемы которых представлены на (рис. 4). В вибрационных смесителях масса материала непрерывно перемещается вдоль вибрирующего корпуса смесителя. Корпус колеблется по круговой или эллипсоидной траектории с ускорением, обеспечивающим отрывание от него обрабатываемого материала. Основная масса обрабатываемого материала циркулирует в поперечных сечениях корпуса в сторону, обратную вращению вибратора. В вибрационных смесителях ДВС-Н (рис. 4, а) вращение лопастей ещё более усиливает циркуляцию материала, приводит к высоким скоростям процесса радиального перемещения и его смешивания. В вибрационных смесителях можно достичь хорошего качества смешивания с коэффициентом неоднородности до 3% за сравнительно короткий промежуток времени, учитывая при этом возможность высоких энергозатрат. При обработке материалов с размером частиц порядка десятка микрометров процессу смешивания при наложении вибрации сильно препятствуют высокие адгезивные силы, влияние которых увеличивается с увеличением высоты слоя. При использовании вибрационных смесителей необходимо учитывать возможность разделения частиц разного размера и разной плотности. При этом создать интенсивное перемешивание в слое многих тонкодисперсных материалов с размером частиц менее 10 мкм не удаётся во всем реальном для промышленных установок диапазоне параметров вибрации из-за сильного агломерирования частиц.

Рис. 4. Вибрационные смесители:

а– вибрационный смеситель ДВС–Н;

б– вибрационный смеситель без внутренних устройств

14

В основу смесителей с взвешенным слоем и пневмосмесителей заложено интенсивное перераспределение компонентов в потоке газа, чаще воздуха. Метод псевдоожижения применительно к большому числу технологических процессов обладает рядом достоинств и поэтому представляет интерес и для смешения материалов, особенно монодисперсных. При псевдоожижении слоя сыпучих материалов газом его высокая степень однородности может быть достигнута за очень короткий промежуток времени. Этому способствует продольное перемешивание частиц и общая циркуляция массы в аппарате над газораспределительным устройством. К достоинствам смесителей с псевдоожиженным слоем следует отнести отсутствие движущихся деталей в слое и простоту конструкции. Однако тонкодисперсные материалы с плохой сыпучестью с трудом поддаются псевдоожижению стационарной продувкой газа. В слое материала возникают вертикальные каналы, по которым движется газ, а между этими каналами материал практически остается неподвижным. Образование каналов можно избежать, если в подлежащий псевдоожижению слой материала ввести, например, мешалку (рис. 5, а) или установить под газораспределительное устройство вращающийся диск снабженный прорезью (рис. 5, б). Недостатками данных аппаратов являются высокие энергозатраты, длительная пилотная настройка режимов на производстве.

К пневматическим смесителям можно отнести и такие устройства, в которых компоненты смешиваются в искусственно созданном циркуляционном потоке газа. Одна из конструкций такого смесителя представлена на (рис. 5, г). Аналогичный принцип смешивания использован в смесителях для тонкодисперсных материалов (рис. 5, з, и), хотя конструкции их отличаются. Смешивание материала происходит в результате многократной циркуляции его в аппарате.

Структура псевдоожиженного слоя нанодисперсного материала может быть существенно улучшена и при наложении на слой вибраций. Схема пневматического смесителя с наложением вибраций показана на (рис. 5, в). Сочетание продувки и вибрации обеспечивает равномерное ожижение слоя. Следует заметить, что при чрезмерном увеличении подачи воздуха под слой материала и постоянных параметрах вибрации интенсивность перемешивания ухудшается. Существует определённая взаимосвязь между скоростью газа в слое и параметрами вибрационного воздействия для обеспечения необходимого эффекта смешения. Преимущества пневматических смесителей: высокая производительность, короткий цикл смешивания, достаточно хорошее качество смеси, отсутствие вращающихся механических устройств в большинстве из них, простота конструкции.

15

Недостатки: плохое качество смешивания компонентов, частицы которых отличаются как по размерам, так и по плотности, большой унос частиц, необходимость установки громоздких пылеулавливающих устройств, высокие энергозатраты. Для частичного решения указанных недостатков при смешивании материалов используют метод импульсного псевдоожижения, при котором газ вводится в слой импульсами. Частота импульсов варьируется с помощью прерывателя потока.

В настоящее время промышленностью используются также гравитационные смесители. Данные смесители применяют в основном для приготовления композиций из сухих, хорошо сыпучих компонентов (рис. 6, 7). Для повышения эффективности работы гравитационных смесителей в их корпус дополнительно вводят вибраторы, рыхлители, т.е. на поток перемещаемых материалов накладываются пульсации от дополнительного смешивающего органа (рис. 8). Преимуществами этих смесителей являются простота конструкции, достаточно высокое качество смеси, очень низкие энергозатраты.

Другим направлением повышения интенсификации процесса смешивания является разработка смесителей, использующих совместно инерционные силы и силы механического воздействия на обрабатываемые материалы (рис. 9).

Рис. 6. Инерционные смесители:

а – лотковый; б – бункерный

17

Следует отметить, что существует целый ряд специальных конструкций смесителей, реализующих различные принципы смешивания. Они разработаны с учётом специальных требований, предъявляемых как технологическим процессом на производстве, так и физико-механиче- скими свойствами самих материалов.

Приготовление однородных по составу композиций из твёрдых материалов, находящихся в зернистом, пылеили порошкообразном состояниях, их смешивание является широко используемым процессом. Во многих случаях от его исхода зависит качество готового продукта. В современной промышленности применяются смесительные аппараты, использующие различные силовые поля и воздействия: псевдоожиженный слой, силы инерции, включающие как центробежные, так и кориолисовы, гравитацию, вибрацию, ультразвук, электромагнитное поле. Несмотря на многообразие смесителей, литература, посвященная исследованию процессов, происходящих в рассматриваемых конструкциях, весьма ограничена. Причём, как правило, в этих работах основное внимание уделяется технологическим параметрам – качеству смешивания, потребляемой мощности, производительности аппарата и некоторым другим. И фактически отсутствуют данные о характеристиках движения фаз и условиях их смешивания, нет также учёта влияния конструкции. Эти обстоятельства приводят к необходимости, при изготовлении смесей с разнообразными реологическими свойствами и выборе смесительного оборудования, довольствоваться преимущественно эмпирическими данными.

19