2014-02-13
1485
Перемешивание компонентов и общие
Практически любой строительный материал состоит как минимум из двух, а большей частью из нескольких компонентов. Качество смеси, из которой формуется изделие, во многом определяется качеством перемешивания. В практике производства строительных материалов широко применяется перемешивание сухих компонентов, приготовление полусухих, пластичных и литых масс.
Способы перемешивания и выбор аппаратуры для его проведения определяются целью перемешивания и агрегатным состоянием перемешиваемых материалов. Смешивание масс – процесс, зависящий от многих параметров и факторов.
Основной задачей этого технологического передела в производстве строительных материалов является получение однородной смеси компонентов, т.е. гомогенизация составляющих смеси. Скорость и результат смешения во многом определяются формой и величиной частиц, общим зерновым составом и каждого компонента в отдельности, числом смешиваемых компонентов и соотношением их количеств, плотностями смешиваемых компонентов и их коэффициентами трения, степенью увлажнения и способностью к слипанию отдельных частиц, степенью измельчения зернового состава в процессе перемешивания. Перемешивание осуществляется в специальных аппаратах – смесителях, конструкции которых зависят от характера смеси и требуемой производительности.
|
|
|
В зависимости от физического состояния перемешиваемых веществ различают: 1) машины для перемешивания жидких смесей (шлама, красителей и т.п.) – шламовые, пропеллерные, турбинные, планетарные, грабельные и др.; 2) машины для приготовления грубодисперсных суспензий (бетонных смесей, строительных растворов, керамических масс и т.п.);
3) машины для перемешивания сухих порошковых и зернистых материалов зачастую с последующим увлажнением – лопастные, бегунковые, планетарные и другие смесители механического типа принудительного действия (рис. 7.1).
(а) – глиноболтушка: 1 – траверса; 2 – рама; 3 – резервуар; 4 – бороны на цепной подвеске;
(б) – горизонтальный лопастный смеситель для роспуска глины: 1 – корпус; 2 – вал с лопастями; (в) – пропеллерный смеситель:
1 – резервуар; 2 – вал с пропеллером;
(г) – гравитационный бетоносмеситель периодического действия: 1 – барабан;
2 – венцовая шестерня; 3 – лопасти;
(д) – бетоносмеситель принудительного действия: 1 – чаша; 2 – лопасти; 3 – выгрузочное отверстие; (е) – горизонтальный двухвальный смеситель непрерывного действия: 1, 3 – загрузочная и выгрузочная воронки; 2 – вал с винтовыми разрезными лопастями; 4 – корыто; (ж) – растворосмеситель: 1 – корпус; 2 – вал с лопастями;
(з) – бегуны: 1 – чаша; 2 – катки; 3 – лопасти
|
|
|
Рисунок 7.1 – Принципиальные схемы основных типов смесителей
Наиболее важной характеристикой перемешивающих устройств, являющихся основой для их сравнительной оценки, является эффективность аппарата и интенсивность его действия. Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса перемешивания и в промышленности строительных материалов определяется степенью гомогенизации массы, т.е. степенью равномерности распределения компонентов в объеме полученной смеси. Интенсивность перемешивания определяется временем достижения заданного технологического результата.
Так как основным назначением операции смешения является максимальная однородность состава, то в случае двухкомпонентной смеси это требование идентично максимальному увеличению первоначальной поверхности раздела между компонентами смеси. Для осуществления этого требуется некоторое минимальное время.
Если рассматривать процесс смешения как взаимную диффузию частиц, то согласно первому закону Фика скорость диффузии определяется уравнением (7.1):
. (7.11)
Вводя коэффициент k, зависящий от коэффициента диффузии, толщины диффузионного слоя и поверхности соприкосновения компонентов, можно написать
, (7.2)
где Cr и Cf – соответственно рабочая и равновесная концентрации.
В процессах смешения изменяющиеся во времени концентрации материала (Сr и Сf) и количество перемешанного компонента можно заменить изменяющейся величиной поверхности раздела, тогда
. (7.3)
где Аmах – максимально возможная поверхность раздела, достигаемая при 
; At – поверхность раздела в данный момент смешения. После интегрирования получим уравнение кинетики смешения
. (7.4)
Так как Amax не может быть определено экспериментально, то по данному уравнению нельзя определить At.
Из теории вероятности можно записать
, (7.5)
где Рt – вероятность того, что, по крайней мере, один из элементов новой поверхности раздела попадет в элементарный объем 
смеси при данном времени перемешивания t; k – коэффициент пропорциональности.
Преобразуя выражение (7.5), можно получить
. (7.6)
Далее, для определения времени перемешивания в данном конкретном аппарате проводят два эксперимента, устанавливая значения kA max для каждого опыта. При этом вместо t принимают число оборотов смесителя, а вместо Pt – долю проб, содержащих заданное количество компонента с отклонениями ±5% (вероятность 95% в технике считается достоверностью).
Оценкой качественной стороны перемешивания служит степень гомогенизации массы. Для этого из общей массы отбирают пробы. В двухкомпонентной смеси М + N сумма масс отдельных компонентов равна массе отобранной пробы. Общее количество смеси равно сумме всех подобных долей по массе, т.е.
.
Концентрация компонентов в любой пробе будет Мi и Ni, тогда
и 
. (7.7)
В идеально перемешанной смеси должно быть соблюдено равенство
. (7.8)
Отклонение частот по массе компонентов Mi и Ni:
. (7.9)
Для количественной оценки качества перемешивания пользуются коэффициентом изменчивости (коэффициентом вариации, %):
, (7.10)
где N – средний показатель, по которому определяется качество перемешивания (плотность, прочность и др.), или среднее арифметическое всех частных результатов испытаний показателей в данной совокупности проб образцов; σ – среднее квадратическое отклонение (стандарт) частных результатов в совокупности от величины их среднего значения (N).
Средний показатель N вычисляется
,
где d1, d2, d3, …, dn – частные результаты испытаний; n – число частных результатов испытаний.
Среднее квадратическое отклонение (стандарт или квадратичная ошибка единичного результата) составит
|
|
|
Очевидно, что при идеальном смешении 
= 0. На практике считают качество смешения удовлетворительным npи = 6…8%, хорошим – при – 4...6%, очень хорошим – при < 4%.
Анализ общего уравнения кинетики смешения и ряд экспериментальных данных позволяет сделать некоторые качественные выводы: 1) излишнее время перемешивания не приводит к улучшению качества перемешивания. В некоторых случаях оно вредно, поскольку может происходить доизмельчение составляющих или протекать нежелательные реакции между составляющими; 2) при смешении большого количества одного компонента с малым количеством другого вероятность равномерного распределения компонентов в объеме смеси уменьшается. В этом случае рациональнее проводить многоступенчатое перемешивание;
3) степень смешения уменьшается при увеличении разности диаметров смешиваемых компонентов.
Расчет машин для перемешивания материалов приведен в Приложении 5.
