Лекция №8

Тема № 4.

Классификация смесителей. Статическая теория смешения. Барабанные смесители с вращающимся корпусом.

Процессы смешивания различных рабочих сред произво­дят в машинах или аппаратах, называемых смесителями.

Следует отметить, что в различных отрас­лях промышленности используется свой отрас­левой набор конструкций смесителей.

Смесители для сыпучих материалов клас­сифицируют по многим признакам, чаще всего по конструктивному.

В каталогах на смесительное оборудова­ние, используемое в России, принято следую­щее условное обозначение смесителей. Первые буквы - тип смесителя; цифры после тире - рабочий объем (дм³) для смесителей периодического действия, номинальный диа­метр рабочего органа (мм) для смесителей непрерывного действия; последние буквы - исполнение смесителя по виду электрооборудования, обогрева и материалу деталей, сопри­касающихся с рабочей средой (В - взрывозащищенное; Н - невзрывозащищенное; Р - с рубашкой; Б - без рубашки; Э - с электриче­ским обогревом; К - коррозионная сталь; У - углеродистая сталь; Т - титановый сплав; циф­ры в конце обозначения - номер модели.

Смесители периодического действия.

В химическом производстве используются в ос­новном смесители периодического действия. Это объясняется тем, что, во-первых, при пе­риодическом смешивании можно обеспечить точное соотношение между компонентами (их часто загружают в смеситель по массе), а, во-вторых, при большом числе компонентов их дозирование в смеситель непрерывного дейст­вия затруднено.

По механике переноса смешиваемой мас­сы внутри смесителя их можно разделить на три группы: циркуляционные, объемного и диффузионного смешивания. Подобная клас­сификация позволяет создать единые методики расчета кинетики процесса смешивания для смесителей конструктивно различных, но с одинаковым механизмом процесса перераспре­деления частиц в рабочем объеме смесителя.

В циркуляционных смесителях характер­но движение (циркуляция) основного потока материала по замкнутому контуру различной сложности. Движение сыпучего материала по циркуляционному контуру обеспечивает либо перемешивающий орган, либо специальные конвейеры.

В смесителях объемного смешивания смешиваемый материал перемещается рабочим органом хаотически по всему рабочему объему смесителя.

В смесителях с диффузионным механиз­мом смешивания частицы отдельных компо­нентов под действием внешних сил начинают перераспределяться наподобие молекул при диффузии в газах. В этом случае необходимо создать разреженные слои смешиваемого мате­риала путем вибрации или псевдоожижения.

Смесители непрерывного действия.

Смесители этого типа по сравнению со смеси­телями периодического действия имеют более высокую производительность при одновремен­ном снижении удельных энергозатрат, метал­лоемкости, себестоимости готового продукта, более широкие возможности по автоматизации процесса и улучшению условий труда. Однако широкого распространения в промышленности они еще не получили. Это объясняется тем, что при получении многокомпонентных смесей не удается обеспечить на заданном уровне функ­ционирование блока дозирующих устройств, которые будут выдавать потоки материала в смеситель с минимальными флуктуациями в заданном соотношении компонентов, особенно если блок составлен из объемных дозаторов. При этом оснащение блока автоматическими весовыми дозирующими устройствами часто бывает экономически неоправданным.

В таких смесителях возможно проведение совмещенных процессов: смешивания, сушки, измельчения, гранулирования, увлажнения и т.д.

Классификация смесителей непрерывного действия, наиболее часто встречающаяся в технической литературе - по конструктивному признаку (червячно-лопастные, барабанные, спирально-винтовые, роторные, одновальные и т.д.), не является научной: она не позволяет создать единые методики расчета для отдель­ных групп смесителей, подчас имеющих раз­ные конструктивные особенности, но одинако­вый механизм смешивания компонентов смеси. Более целесообразно производить классифика­цию смесителей непрерывного действия по механизму смешивания:

с преимущественно радиальным процес­сом смешивания и поршневым движением материала вдоль корпуса (прямоточные смеси­тели);

с радиально-продольным процессом сме­шивания и хаотическим движением материала в рабочем объеме (смесители объемного сме­шивания);

с радиально-продольным процессом сме­шивания и почти поршневым движением мате­риала вдоль оси корпуса (смесители размывно­го действия).

Смешение - это физический процесс, целью которого является получение однородной смеси, состоящей из двух и более компо­нентов. При этом начальное состояние системы характеризует­ся упорядоченным распределением компонентов, а конечное - неупорядоченным, статистически случайным распределением компонентов.

Для реализации процесса смешения смеситель должен обес­печить проведение по меньшей мере двух процессов: измельче­ния (диспергирования) одного из компонентов (например, при получении дисперсий несмешивающихся жидкостей), в некото­рых случаях сопровождающегося изменением физического со­стояния компонентов (растворением, плавлением, поглощени­ем); статистически случайного распределения ингредиентов по всему объему смеси.

В состав любой смеси обычно входят два или более компо­нентов. Компонент смеси, концентрация которого выше всех остальных, называется дисперсионной средой (ДС). Компонен­ты смеси, распределяемые в дисперсионной среде, называют диспергируемой фазой (ДФ). В многокомпонентных системах смешение рассматривается как процесс последовательного сме­шения каждого компонента по очереди с ранее приготовленной смесью, играющей роль дисперсионной среды.

Для статистической оценки качества процесса смешения не­обходимо ввести понятия «размер предельной частицы» и «раз­мер пробы».

Предельная частица - это наименьшая по размеру части­ца ДФ, получающаяся в процессе смешения. Предельные части­цы могут быть молекулярных, коллоидных, микроскопических и макроскопических размеров. В истинных растворах предельны­ми частицами являются молекулы ДФ. Наибольших размеров предельные частицы достигают при сухом смешении порошков или гранул полимеров.

Размер пробы обычно определяется размером предельной частицы. Если размер пробы соизмерим с размером предельной частицы, то в отобранной пробе окажется сравнительно мало таких частиц, и по внешнему виду рассматриваемая смесь мо­жет быть отнесена к крупнозернистым смесям. Если размер пробы много больше размера предельной частицы, то экспери­ментатору будет казаться, что в пробе содержится много таких частиц, и рассматриваемая смесь будет отнесена к мелкозернис­тым смесям.

Для статистического описания смеси используют два стати­стически определяемых показателя: степень неоднородности (го­могенность смеси) и степень измельчения; первый характеризу­ет изменение концентрации ДФ в объеме смеси, второй - измене­ние размера частиц ДФ.

Гомогенность смеси можно определить, рассматривая содер­жание ДФ в пробах смеси. Для простоты будем считать, что ДФ состоит из частиц одинакового размера, а дисперсионная среда является жидкостью, состоящей из одинаковых частиц, размер которых равен размеру частиц ДФ. Такое допущение позволяет ввести понятие «общее число частиц в пробе», складывающееся из числа частиц ДФ и числа частиц ДС. Это допущение может быть также применено при анализе сыпучих смесей, состоящих из частиц одинаковых размеров. Если в процессе смешения до­стигается случайное (беспорядочное) распределение частиц ДФ по всему объему смеси, то вероятность того, что в любой точке смеси содержится частица ДФ, определяется долей частиц ДФ в общем объеме смеси.

Наиболее простой и распространенный вид смесителей для сме­шения порошкообразных пластмасс - это барабанные смесите­ли. Основные типы барабанных смесителей для сыпучих мате­риалов приведены на рис. 4.2. Простейший по конструкции сме­ситель (рис. 4.2, а) представляет собой горизонтально располо­женный цилиндрический барабан с цапфами на торцах. При вращении барабана находящийся в нем сыпучий материал пере­сыпается и благодаря относительному смещению слоев переме­шивается в вертикальной плоскости. Для осуществления про­дольного (вдоль образующей барабана) смещения материала ось вращения располагают наклонно к образующей барабана (рис. 4.2, б) или перпендикулярно образующей барабана.(рис. 4.2, б), применяют V-образные барабаны (рис. 4.2, г), ка­чающиеся с комбинированным вращением (рис. 4,2, д), кониче­ские (рис. 4.2, е) и граненые (рис. 4.2, ж).

Смешение в барабанном смесителе состоит из следующих элементарных процессов: 1) перемещение слоев материала при увеличении наклона его свободной поверхности до значения, превышающего угол естественного откоса; при этом слои мате­риала скользят друг по другу, рассыпаясь на отдельные части­цы, которые внедряются в соседние слои (конвективное смеше­ние); 2) постепенное проникновение частиц различных компо­нентов через вновь образующиеся границы раздела (диффузи­онное смешение); 3) скапливание и агломерация частиц одина­ковых массы и состава в отдельных частях камеры смесителя (процесс агрегации).

При смешении сыпучих материалов в барабане смесителя одновременно протекают все указанные элементарные процессы. Однако степень их влияния в различные периоды смешения не­одинакова.

В начальный период смешения гомогенность смеси изменя­ется в основном за счет конвективного перераспределения ком­понентов. Смешение происходит за счет смещения макрообъемов. Поверхность раздела между разнотипными компонентами в это время еще мала. Поэтому вклад диффузионного смешения незначителен. Процесс агрегации еще не начался, так как от­дельные частицы внутри перемешивающихся макрообъемов практически не смещаются относительно друг друга.

Рис. 4.2. Схемы барабанных смесите­лей.

Барабанные смесители - тихоходные машины, так как ок­ружная скорость вращения барабана обычно не превышает 0,17-1,0 м/с. При больших окружных скоростях возникающие центробежные силы оказываются сравнимыми с силами тяже­сти, и движение материала прекращается.

Частота вращения N (об/мин), обеспечивающая хорошее ка­чество смешения, может определяться по эмпирической формуле

где d_ч - средний диаметр частиц смешиваемых компонентов, мм; R_макс - рас­стояние от оси вращения до стенки корпуса смесителя, мм.

Степень заполнения барабана смесителя с цилиндрическим корпусом должна составлять не менее 30 и не более 70%. При малой степени заполнения (3-10%) порошкообразный мате­риал скользит сплошным слоем по внутренней поверхности ба­рабана.

При горизонтальном расположении оси вращения барабана в материале не возникает интенсивного продольного перемеши­вания, хотя в нем наблюдается медленное продольное переме­щение частиц. Появление некоторого продольного перемещения связано с тем, что частицы, скользящие в направлении, нор­мальном к оси вращения барабана, за счет случайных соударе­ний с другими частицами отклоняются от прямолинейной тра­ектории в ту или другую сторону. Процесс продольного переме­щения внешне сходен с процессом молекулярной диффузии в жидкостях и газах. Однако вследствие гораздо меньших скоро­стей частиц он протекает очень медленно. Поэтому для увеличе­ния скорости продольного перемещения в корпусе барабанных смесителей с горизонтальной осью обычно устанавливают спе­циальные транспортирующие, механизмы (ленточные червяки, винтовые мешалки и т. п.).

Дата добавления: 2014-01-07