Смесители с быстровращающимися роторами

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 Е_ср - среднее значение модуля упругости смеси; S_п - площадь попереч­ного сечения объема смеси, ортогональной к направлению действия силы; l_с­ -размер смеси в том же направлении; m_с - масса смеси.

,

где - % содержания i -го компонента; n - число компонентов в смеси; E_i -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.