ЭКСТРУДЕР-СМЕСИТЕЛЬ

Предлагаемое техническое решение относится к перемешиванию высоковязких ньютоновских и неньютоновских жидкостей, растворов и расплавов полимеров, высококонцентрированных суспензий и эмульсий и может найти применение в химической, нефтехимической, строительной, горноперерабатывающей и других отраслях промышленности.
Известен ленточный шнековый смеситель непрерывного действия, включающий цилиндрический корпус, привод, загрузочное отверстие, смещенное в сторону привода, узел выгрузки, находящийся на противоположном конце корпуса, и ленточный шнековый рабочий орган (Х.Герман. Шнековые машины в технологии. - Л.: Химия, 1975. с.71-72).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится наличие застойных зон, что приводит к неравномерности времени пребывания частиц перерабатываемого материала в смесителе и снижению качества смешения.
Известен экструдер-смеситель, внутри корпуса которого, установлены два шнека в виде лент спирали с возможностью размещения витков одного шнека между витками другого (авторское свидетельство СССР №1664577, В29С 47/48, 1991 г.).
Недостатком известной конструкции является недостаточная интенсивность перемешивания всего объема обрабатываемого материала и наличие застойных зон, что приводит к снижению качества смешения в экструдере.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является экструдер-смеситель, содержащий гильзу с установленным на ее переднем конце фланцем с выходным отверстием, шнек, соединенный с приводом вращения и снабженный месительным элементом, который размещен на переднем конце шнека и выполнен в виде, по меньшей мере, двух концентрически расположенных спиралей, навитых вокруг жестко соединенных со шнеком стержня, при этом шнек и фланец выполнены с наклонными торцовыми поверхностями, причем в каждой паре смежные спирали закреплены неподвижно противоположными концами соответственно на шнеке и фланце, а свободные концы спиралей смонтированы с возможностью скольжения по наклонным торцовым поверхностям шнека и фланца (авторское свидетельство СССР №903173, В29F 3/02, B29B 1/06, 1982 г.)
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, является недостаточная интенсивность перемешивания всего объема обрабатываемого материала, так как месительный элемент занимает только часть длины и объема экструдера, а спирали месительного элемента вращаются в одну сторону и с одинаковой угловой скоростью, что уменьшает интенсивность гидромеханических, тепловых и массообменных процессов и, в целом, процесса перемешивания во всем объеме экструдера-смесителя. Кроме того, при скольжении свободных концов спиралей по наклонным торцовым поверхностям шнека и фланца частицы материалов, из которых они выполнены, попадают в обрабатываемый материал и ухудшают его качество.
Техническим результатом является увеличение интенсивности процесса перемешивания за счет создания циркуляционных зон переменного объема и формы.
Поставленный технический результат достигается тем, что в экструдере-смесителе, содержащем гильзу с установленным на ее переднем конце фланцем с выходным отверстием, шнек, соединенный с приводом вращения и снабженный месительным элементом в виде концентрично расположенной спирали, при этом между спиралью месительного элемента и приводом вращения установлен редуктор, обеспечивающий угловые скорости вращения месительного элемента и шнека обратно пропорциональные диаметрам их гребней:
где ω, W - соответственно угловые скорости вращения шнека и месительного элемента;
d, D - соответственно диаметры гребней шнека и спирали месительного элемента.
Установка редуктора между месительным элементом и приводом позволяет месительному элементу вращаться независимо от шнека, что обеспечивает изменение объема и формы циркуляционных зон, образующихся между гребнями шнека и спирали месительного элемента.
Обеспечение угловых скоростей вращения месительного элемента и шнека, подчиняющихся формуле (1) позволяет в циркуляционных зонах, образующихся между гребнями шнека и спирали месительного элемента создавать равные окружные скорости вращения, так как окружная скорость на гребнях шнека υ=ωd, а на гребнях спирали месительного элемента V=WD. Тогда согласно формуле (1): υ=V.
Невыполнение условия пропорции по формуле (1) приводит к разным окружным скоростям вращения обрабатываемого материала, что вызывает гидроудары, увеличивает местные сопротивления и общее сопротивление и энергозатраты на экструзию и смешение, уменьшает интенсивность смешения и его качество. Кроме того, гидроудары вызывают усиленный износ узлов и деталей экструдера-смесителя, усложняют его эксплуатацию. Все перечисленные отличительные признаки предлагаемого экструдера-смесителя позволяют увеличить число циркуляционных зон, скорость циркуляции в них, менять объем и форму циркуляционных зон, вовлекать в перемешивание весь объем перерабатываемого материала, проводить гидромеханические, тепловые и массообменные процессы с большими скоростями, что значительно увеличивает интенсивность перемешивания перерабатываемой среды без гидроударов и повышенных энергозатратах, или гидравлическом сопротивлении.
На фиг.1 показана схема предлагаемой конструкции экструдера-смесителя.
Он содержит цилиндрический корпус 1, с неподвижно закрепленной в нем гильзой 2 и воронкой 3 для подачи исходного материала. На переднем конце гильзы 2 установлен фланец 4 с выходным отверстием 5. Осесимметрично с гильзой 2 внутри корпуса 1 установлен шнек 6 с диаметром гребней d. Также осесимметрично с гильзой 2 и шнеком 6 установлен месительный элемент 7, выполненный в виде концентрично расположенной спирали с диаметром гребней D. Передний конец месительного элемента 7 закреплен в подшипнике 8, установленном во фланце 4 для предотвращения деформации спирали месительного элемента относительно продольной оси. Спираль месительного элемента 7 соединена через редуктор 9 с приводом вращения 10.
Экструдер-смеситель работает следующим образом.
В воронку 3 подают исходный материал. Включают привод 10, от которого вращение передается на шнек 6 с угловой скоростью ω. Гребни шнека 6 захватывают исходный материал из воронки 3, транспортируют его к выходному отверстию 5 и одновременно направляют его в радиальном направлении от оси шнека 6 к гильзе 2.
От привода 10 через редуктор 9 начинает вращаться месительный элемент 7 с угловой скоростью W, при этом отношение угловых скоростей месительного элемента 7 и шнека 6 соответствует формуле (1).
Перерабатываемый материал, двигающийся в радиальном направлении от шнека 6 попадает на гребни спирали месительного элемента 7 с окружной скоростью υ=ωd. Так как окружная скорость гребней спирали месительного элемента 7 равна V=WD, то согласно формуле (1) окружные скорости обрабатываемого материала на гребнях шнека и спирали месительного элемента равны υ=V, что уменьшает гидравлическое сопротивление и предотвращает гидроудары в экструдере-смесителе. Противоположное направление навивки спирали месительного элемента 7 относительно шнека 6 заставляет часть потока перерабатываемой среды, попадающей на гребни месительного элемента двигаться в противоположном направлении от выходного отверстия 5 к воронке 3. Это увеличивает эффективность и интенсивность перемешивания перерабатываемой среды.
Кроме того, проходя многократно гребни шнека 6 и спирали месительного элемента 7, вращающихся с одинаковыми линейными скоростями, потоки обрабатываемого материала образуют циркуляционные контуры в каналах сложной геометрической формы, образованных этими гребнями, а затем сливаются в общий поток у выходного отверстия 5.
Таким образом, перемешивание обрабатываемого материала происходит как за счет многократного деления потока и движения этих отдельных потоков по каналам сложной геометрической формы и последующего слияния в общий поток, так и за счет образования отдельных циркуляционных контуров, что предотвращает образование застойных зон, ускоряет процессы конвективного тепло- и массопереноса, предотвращает термическую деструкцию обрабатываемого материала, так как гребни шнека 6 и спирали месительного элемента 7 находятся в непрерывном вращении друг относительно друга, что приводит к изменению объема и формы циркуляционных зон.