Контрольная работа: Оборудование для смешения полимерных материалов
Весь цикл смешения можно разделить на три стадии (рис. 2). На первой стадии (участок /) интенсивно развивается конвективное смешение. Начальная неоднородность смеси довольно быстро уменьшается. На этой стадии скорость процесса почти не зависит от физико-химических свойств компонентов, так как смешение происходит на уровне макрообъемов. Определяющее влияние на скорость процесса смешения на первой стадии оказывают траектории движения материала внутри смесителя. Вторая стадия (участок // ) наступает после того, как смешиваемые компоненты в основном распределены по объему барабана смесителя.
Рис. 2. Диаграмма изменения коэффициента вариации v для смеси, получаемой в смесителе барабанного типа (/ – время смешения). Пояснения в тексте
На этой стадии влияние конвективного и диффузионного процессов становится соизмеримым, так как процесс перераспределения частиц происходит на уровне отдельных частиц (движение частиц относительно друг друга). Наконец, на третьей стадии, когда достигнута минимальная степень неоднородности, начинает сказываться процесс агрегации (область III, кривые 1 я 2). Если после частичной агрегации образовавшиеся агломераты вновь диспергируются, то степень однородности смеси, оцениваемая коэффициентом вариации, колеблется около некоторого значения (кривая 1). Возможен также вариант (кривая 2), при котором два противоположных процесса в определенный момент времени уравновешиваются. В обоих случаях проводить дальнейшее перемешивание не имеет смысла, так как качество смеси не изменяется.
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 d4 – средний диаметр частиц смешиваемых компонентов, мм; R «aKC – 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.). Схема типичной конструкции барабанного смесителя СЛК-200 (Бердичевский завод «Прогресс») с ленточной мешалкой представлена на рис. 3.
Стальной цилиндрический барабан 1 опирается на катки 7, установленные на станине 6. Внутри барабана расположена ленточная мешалка 2, состоящая из двух рядов закрученных по спирали металлических лент. Внешние ленты перемещают материал от периферии к центру, внутренние – к торцевым стенкам. Подлежащие смешению ингредиенты загружаются в барабан через люк А (или Б). Через этот же люк выгружается готовая смесь. В барабане смесителя имеется технологический люк В, который можно использовать для введения жидких ингредиентов.
Привод мешалки осуществляется от электродвигателя 5 через клиноременную передачу 4 и редуктор 3. Отечественной промышленностью выпускаются барабанные смесители с ленточными мешалками и рабочей емкостью барабана 2 и 6,3 м3 .
При проектировании цилиндрических стальных барабанов их наружные диаметры выбирают из следующего ряда чисел – 400 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000 мм. Смесительные барабаны изготавливают из хорошо свариваемой стали (марки ВСТЗ). Если смешиваемый материал коррозионно-активен, барабаны изготавливают из двухслойной листовой стали: основной слой – из стали марок Ст.З или стали 20К и дополнительный слой – из коррозионно-стойкой стали.
Мощность привода цилиндрического горизонтального барабанного смесителя W (кВт) рассчитывается по формуле
Смесители с псевдоожиженным слоем материала
В смесителях с быстровращающимися роторами используется эффект псевдоожижения порошкообразных материалов, основанный на том, что при большой скорости движения частиц кинетическая энергия отдельной частицы оказывается больше работы, необходимой для преодоления сопротивления сил трения и сил тяжести. Благодаря этому каждая частица приобретает высокую подвижность, и движение ансамблей частиц оказывается подобным движению частиц жидкости. По этому принципу работают отечественные смесители СС-100, двухстадийный смеситель «УкрНИИпластмаш», смесители зарубежных фирм «Хен-шель», «Папенмайер», «Ангерт», «Вернер – Пфляйдерер» и др.
При быстром вращении ротора с несколькими лопастями в массе сыпучего материала последний переходит в псевдоожиженное состояние. Можно выделить несколько промежуточных этапов, которым соответствуют различный характер движения материала и разные формы его свободной поверхности (рис. 4).
При сравнительно малых окружных скоростях ротора (и< <1 м/с) материал в камере смесителя начинает уплотняться. Высота его уровня по сравнению с исходной (/–/) при этом уменьшается (рис. 4а). При скорости 1–2 м/с поверхность порошка начинает слегка вибрировать, и на ней возникают глубокие трещины; уплотнение порошка продолжается (рис. 4, б). Когда скорость достигает 2–2,5 м/с, весь находящийся в сосуде материал начинает медленно вращаться. При этом отдельные частицы перемещаются по концентрическим окружностям, а плотность порошка начинает уменьшаться (рис. 4в). Увеличение окружной скорости до 2,5–3,5 м/с сопровождается дальнейшим уменьшением плотности (увеличением объема) порошка, поверхность которого вспучивается сначала в центре, вокруг вала мешалки (рис. 4г), а затем и по всей свободной поверхности (рис. 4,9).
При дальнейшем увеличении скорости до 4–5 м/с в центре поверхности порошка образуется глубокая воронка, и начинается интенсивное движение порошка от периферии к центру сосуда. Поднимающиеся снизу вдоль стенок потоки порошка по спиральным траекториям движутся к центру и, сливаясь, образуют центральную воронку (рис. 4, е). Наконец, при скорости 5–8 м/с порошок переходит в псевдоожиженное состояние. В массе перемешиваемого порошка наблюдается весьма интенсивная циркуляция. На поверхности порошка появляются крупные волны (рис. 4, ж). Если еще больше увеличить скорость вращения ротора, то движение порошка становится бурным и сопровождается периодическими выбросами материала, фонтанирующего из разных точек поверхностного слоя (рис. 4, з). Фактическое значение скорости, при которой начинается псевдоожижение, зависит от отношения высоты слоя порошка к ширине лопасти ротора.
Если в качестве ротора смесителя используют прямоугольные лопасти с углом атаки около 45°, то предельная высота слоя над лопастью, при которой еще наблюдается эффект псевдоожижения, для легких материалов (р «0,5 г/см3 ), например каолина, красителя, пресс-порошков, составляет около 10ft, а для материалов со сравнительно большой насыпной плотностью (р «Л г/см3 ), например для песка, шифера, мармалита – (где b – ширина лопасти).
В начальный момент псевдоожижения циркуляционное движение материала наблюдается в основном в слое, расположенном над лопастями мешалки (рис. 4, е). При дальнейшем увеличении окружной скорости в циркуляционное движение втягивается весь находящийся в смесителе материал, и происходит его интенсивное перемешивание. Эмпирическая формула, позволяющая рассчитать мощность привода W (кВт) в зависимости от свойств порошка, окружной скорости и размеров лопасти имеет вид
движению лопасти, зависящий от природы сыпучего материала; ky –коэффициент уплотнения (или разрыхления) массы; р» – насыпная плотность материала, кг/м3 ; v – окружная скорость лопасти, м/с; b, L – ширина и длина лопасти, м; а – угол атаки, град; Я–высота слоя сыпучего материала над лопастью, м; i – число лопастей ротора.
Схема простейшего смесителя СС-100 для смешения сухих сыпучих и увлажняемых материалов, а также для приготовления жидких и пастообразных смесей представлена на рис. 5. Смеситель состоит из цилиндрической камеры 2 с рубашкой 3, укрепленных на сварной раме 6. Теплоноситель подается в рубашку 3 через расположенный внизу штуцер 4 и выходит из рубашки через штуцер // у верхнего края рубашки. Такое расположение штуцеров обеспечивает равномерный обогрев всей боковой поверхности камеры смесителя.
Внутри цилиндрической камеры вращается ротор 5, на валу которого насажены две мешалки 10. Нижняя мешалка напоминает обычный двухлопастный пропеллер, лопасти которого отогнуты в направлении, противоположном направлению вращения, и выгнуты по форме днища. Верхняя мешалка выполнена в виде обода, связанного тремя спицами со ступицей, которая насажена на консольный вал ротора. К боковой поверхности обода приварены две короткие лопасти, наклоненные под углом 45° к плоскости вращения. Для управления направлениями потоков материала внутри камеры установлена отражательная лопасть 1, поворачивая которую, можно изменять направление потока смеси. Привод ротора 5 осуществляется от электродвигателя 12 через клиноременную передачу 7.