Способ приготовления смеси лечебных комбикормов и премиксов в турбулентном потоке
METHOD FOR PREPARING A MIXTURE OF MEDICINAL COMPOUND FEEDS AND PREMIXES IN A TURBULENT FLOW

Изобретение относится к сельскохозяйственному производству, а именно к способу приготовления кормолекарственной смеси на животноводческих и птицеводческих фермах и холдингах, а также в местах сезонного выпаса животных.
Известен способ, реализованный в «Малогабаритном комбикормовом агрегате» RU 2050151, МПК A23N 17/00, 20.12.95 г., бюл. №35, включающий измельчитель с приемным бункером, смеситель, устройство для загрузки исходных компонентов и выгрузки готового продукта. Смеситель оснащен вертикальным полым валом, внутри которого коаксиально установлен вал измельчителя. Привод измельчителя, смесителя и транспортера выполнен от одного электродвигателя при помощи клиноременных передач.
Недостатком этого способа является низкое качество смешивания, отсутствие возможности дозирования компонентов непосредственно с помощью оборудования агрегата.
Известен способ, реализованный в «Мобильной установке для приготовления кормолекарственных смесей» RU 2545951, МПК A23N 17/00, 10.04.2015, который включает автомобиль и прицеп с тепловым двигателем и генератором, измельчитель с приемным бункером, смеситель, устройство для загрузки исходных компонентов и выгрузки готового продукта. Способ осуществляется двумя двухвальными лопастными смесителями, высокоточными тензометрическими бункерными весами с весоизмерительным терминалом.
Недостатки: автомобиль и прицеп с тепловым двигателем и генератором не экономично, однородность смеси комбикормов с применением двухвальных лопастных смесителей, которые в настоящее время применяются на комбикормовых заводах в нашей стране и за рубежом, составляет 80-85%, а однородность лечебных кормов и премиксов должна быть в пределах 95-98% (Спесивцев А. Процесс смешивания при производстве комбикормов.//Комбикорма, 2016 - №3 - С37-41).
Известен «Способ приготовления гомогенной смеси лечебных кормов, витаминных термолабильных и минеральных премиксов» RU №2706584 МПК А23К, 2019, заключающийся в том, что смесь лечебных кормов получают в смесителях с шаровым корпусом в два приема, конвективным и диффузионным способом смешивания, однако в сферических камерах обеих смесителей при движении материально-воздушного потока, на участке сверху-вниз по вертикальной оси смесителей преобладает ламинарное движение, в котором пассивно реализуется конвективный способ смешивания.
Известен «Способ приготовления лечебных кормов» RU 2737422 МПК А23К, 2020 - принят за прототип, заключающийся в том, чтолечебные корма приготавливают с применением автомобиля и генератора с приводом от двигателя автомобиля, для наполнителя используют смесь измельченных зерновых хозяйства и добавляют лечебные препараты, витаминные и минеральные добавки, подключают силовой щит к электросети или к генератору; приготавливают лечебные комбикорма в три стадии смешивания, первичный премикс через загрузочный шлюз выгружают в измельчитель-смеситель для приготовления вторичного премикса, добавляют в него наполнитель в соотношении 1:20, перемешивают двухсторонней лопастью и насечкой на рабочей поверхности подового диска, измельчают диффузионным способом, двухсторонняя лопасть равномерно выбрасывает смесь на внутреннюю сферическую поверхность шарового корпуса измельчителя-смесителя, при этом в объеме между внутренней поверхностью шарового корпуса измельчителя-смесителя и наружной поверхностью шарового экрана создается материально-воздушный поток. Смесь лечебных кормов и премиксов получают в две стадии измельчения и смешивания в сферических смесителях, однако в объеме сферических камер смешивания происходит ламинарное движение материально-воздушного потока в котором низкая хаотичность движения материальных частиц и поэтому не достигается заданная однородность смеси.
Задача предлагаемого изобретения заключается в интенсификации турбулентности материально-воздушного потока в объемах сферических экранов, чтобы повысить однородность смеси конвективным способом смешивания.
Способ может обеспечить приготовление кормолекарственных смесей на основе комбикормов хозяйств (наполнитель) и покупных лечебных препаратов, рекомендуемых ветеринарными службами.
Поставленная задача реализуется следующим образом, что в способе приготовления кормолекарственной смеси в турбулентном потоке, согласно изобретению, в лабораторный смеситель засыпают наполнитель из бункера, а из устройства ввода препаратов добавляют сыпучие или таблетированные препараты в соотношении 1:1, или жидкие препараты в соотношении 1:3, причем в качестве наполнителя используют измельченную зерновую смесь, а в качестве препаратов - лечебные препараты, витамины и минеральные добавки, затем компоненты смешивают в течение 40-60 с, полученный первичный премикс высыпают в измельчитель-смеситель для приготовления вторичных премиксов и добавляют наполнитель, далее с помощью вращающейся двухсторонней лопасти смешиваемую массу захватывают, прижимают к рабочей нарезной поверхности диска, измельчают, диффузионно смешивают и равномерно выбрасывают по всему периметру внутренней сферической поверхности шарового корпуса измельчителя-смесителя для приготовления вторичных премиксов, поднимая массу вверх, где под действием давления сверху и вакуума снизу поток попадает в верхнюю часть сферического экрана измельчителя-смесителя, выполненную в форме насадки сопла Лаваля, высота которой равна 1/3 радиуса шарового корпуса, а образующая поверхность насадки наклонена к вертикальной оси шарового корпуса на угол 10°, и продавливается через конфузор с диаметром на срезе насадки, равным 1/6 радиуса шарового корпуса, создавая в объеме сферического экрана турбулентное движение частиц и конвективное смешивание компонентов, затем поток проходит через диффузор диаметром, равным 1/3 радиуса шарового корпуса, расположенный в нижней части сферического экрана, и направляется в зазор 0,6-1,2 мм, расположенный между лезвием лопасти и насечкой на рабочей поверхности подового диска для диффузного измельчения смешиваемых компонентов, процесс смешивания в измельчителе-смесителе для получения вторичных премиксов осуществляют в течение 90-100 с, затем полученный вторичный премикс высыпают в большой шаровой смеситель, добавляют наполнитель и с помощью вращающейся двухсторонней лопасти смешиваемую массу прижимают к насечке на диске, измельчают, смешивают методом диффузии и равномерно выбрасывают по всему периметру внутренней сферической поверхности большого шарового смесителя, поднимая массу вверх, где под действием давления сверху и вакуума снизу поток поступает в верхнюю часть сферического экрана, аналогичного по конструктивному исполнению сферическому экрану для получения вторичных премиксов, процесс смешивания длится 100-120 с, готовую кормолекарственную смесь выгружают в тару.
Способ приготовления кормолекарственной смеси в турбулентном потоке заключается в том, что вторичный премикс высыпают в емкость большого шарового смесителя, аналогичного конструктивного исполнения и принципа работы с измельчителем-смесителем, добавляют остальную дозу наполнителя.
Процесс смешивания осуществляют аналогично процессу смешивания в измельчителе-смесителе: лопастями выбрасывают поток смеси на сфери-ческую поверхность большого смесителя и в объем между сферической поверхностью шарового корпуса большого сферического смесителя и наружной поверхностью сферического экрана смесителя, при этом способ отличается тем, что в верхней части сферического экрана поток резко ускоряют в конфузоре на обрезе сопла Лаваля с диаметром d2=1/6 Rбш и замедляют в нижней его части диффузоре D2=1/3Rбш, направляют поток в зазор 0,6-1,2 мм между лезвием лопастей и насечкой на подовом диске смесителя, компоненты одновременно измельчают и смешивают диффузионным способом. Материально-воздушный поток смеси выбрасывают на сферическую поверхность шарового большого смесителя и в объем между ними; смешивают в течение 100-120 с. Готовую смесь выгружают в тару; при этом все блоки линии герметично соединены между собой посредством патрубков в единый поток.
Коэффициент однородности смешивания двухфазной неоднородной системы достигается выше в псевдоожиженном слое, чем при механическом перемешивании (О.М.Тодес, О.Б.Цитович «Аппараты с кипящим зернистым слоем» Ленинград, Химия, 1981 г.). Расчет основных параметров псевдоожижения выполняют по методике (И.П.Мухленов и др. «Расчет препаратов кипящего слоя», Ленинград, Химия, 1986 г.). Процесс смешивания зависит в основном от конструкции смесителя, рабочих органов и режима его работы.
Конвективное смешивание в псевдоожиженном слое отличается малым временем смешивания, простой конструкцией смесителя, однако при работе смесителя происходит сегрегация смеси - рассортирование компонентов по удельной массе частиц и размерам. Поэтому, для каждого типа смесителя и вида смеси необходимо экспериментально установить режим работы смесителя: соотношение компонентов, число оборотов вала смесителя, время смешивания, степень загрузки емкости смесителя и др.
Диффузионное смешивание осуществляется способом взаимной диффузии компонентов при совместном смятии, в результате из двух гетерогенных (неоднородных) компонентов образуется гомогенный (однородный) продукт - вещества находятся в одном агрегатном состоянии и при последующем смешивании не разделяются. Диффузионное смешивание представляется как процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, что приводит к выравниванию их концентрации по всему занимаемому объему. При этом происходит перенос вещества с мест высокой концентрации в места низкой концентрации и наоборот. Атомы соприкасающихся материалов перемешиваются на границе соприкосновения рабочих органов.
Известно, что самые напряженные и ответственные детали и узлы самолетов, ракет, кораблей и др. в настоящее время изготавливаются из композитных материалов (М.Л. Кербер, В.М. Виноградов, Г.С. Головкин «Полимерные композиционные материалы» СПб, 2008 г., С. 560). Это достигается путем совместного измельчения состава полимеров до мельчайших частиц и одновременного диффузионного смешивания с последующим нагревом и прессованием, где уже между частицами, составляющих полимеров, действуют межмолекулярные силы.
Особенность смешивания лечебных препаратов и витаминных термолабильных и минеральных премиксов в том, что размеры частиц солей микроэлементов, используемых в комбикормовом производстве, варьируют в широких пределах - от пылевидных, способных витать в воздухе, до аномально крупных (1,2 мм), ограниченных лишь требованиями ГОСТ 52356-2005 «Премиксы. Номенклатура показателей», что не противоречит действующим нормативным документам. Если размер компонентов не соответствует нормативам (ГОСТ), то для цыплят-бройлеров норма комбикорма 20 г в сутки, может не попасть нужный элемент, а если в эти 20 г корма попадает лишь одна частичка размером 1,2 мм, то будет перекорм. Применяемые компоненты являются солями тяжелых металлов. Они обладают высокой токсичностью для живых организмов, даже при невысоких превышениях допустимых норм, а также способствуют биоаккумуляции их в организме. Однако, их применение позволяет на треть повысить продуктивность животных и птицы (В.С.Крюков «Производство однородных комбикормов и качество премиксов»//[Электронный ресурс]:URLhttp://soyanews.info/news/-Proizvodstvo-odnorodnykh-ombikormov-i-kachestvo-.html).
Сферическая форма корпусов измельчителя-смесителя для вторичных премиксов и измельчителя-смесителя кормовой смеси формирует устойчивую траекторию движения обрабатываемых компонентов, при этом происходит их конвективное смешивание в турбулентном псевдоожиженном слое; осуществляет целенаправленную устойчивую подачу на рабочие поверхности диска, где происходит совместное измельчение и смешивание способом диффузии.
Установлено, что миграционная способность материальных частиц различной плотности в диапазоне крупности от 0,1 до 3 мм, подверженных действию воздушного потока, определяется состоянием равновесия частиц на кривой (наклонной) поверхности и зависит от скорости потока и угла наклона. На сферической поверхности создаются благоприятные условия пересекающихся траекторий движения легких и тяжелых материалов в поле действия аэродинамических, гравитационных и центробежных сил (Филиппов В.Е., Гаврильев Д.М., Лебедев И.Ф. Поведение минеральных частиц в потоке на искривленной поверхности. Горный информационно-аналитический бюллетень. МГГУ - 2007 - №3, С 368-371). Эти принципы приняты за основу процесса смешивания предложенной линии.
Соотношения конструктивных размеров шарового измельчителя-смесителя и большого шарового смесителя, а также конфузоров и диффузоров определены по методике [Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Глава Х. Одномерное движение сжимаемого газа. Параграф 97. Истечение газа через сопло//Теоретическая физика - Т.6.Гидродинамика].
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема мобильной установки, вид сбоку; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 представлена линия приготовления кормолекарственной смеси в турбулентном потоке, на фиг. 4 представлены вид А фиг. 3; на фиг. 5 - вид Б фиг. 3.
Мобильная установка 1 для приготовления смеси лечебных комбикормов и премиксов в турбулентном потоке содержит электрогенератор 2 с приводом от двигателя автомобиля и переносным силовым кабелем 3 для подключения к электросети. В крытом кузове автомобиля установлен силовой щит 4, пульт управления 5, весы медицинские 6 и платформенные весы 7, приточно-вытяжная система вентиляции 8, электрокалорифер 9, прибор по определению однородности смеси 10, холодильник 11 и линию для приготовления гомогенной кормолекарственной смеси, включающую лабораторную мельницу 12, для приготовления первичных премиксов, измельчитель-смеситель со сферической камерой 13 для приготовления вторичных премиксов и шаровой смеситель 14 для приготовления кормолекарственной смеси и шкаф 15 для хранения лечебных препаратов.
ш
ш
ш
ш
ш
Линия приготовления кормолекарственной смеси включает основной бункер 16 для наполнителя, лабораторную мельницу 17 для приготовления первичных премиксов с устройством ввода препаратов 18 с задвижкой 19, бункер для наполнителя 20 с задвижкой 21, загрузочный шлюз 22 с задвижкой 23. Измельчитель-смеситель 24 для приготовления вторичных премиксов содержит шаровой корпус 25, вдоль вертикальной оси которого установлен сферический экран 26 с радиусом образующей его поверхность rэ1, равным 2/3 радиуса шарового корпуса (rэ1=2/3 R). Верхняя часть сферического экрана 26 измельчителя-смесителя на уровне 2/3 R по вертикальной оси выполнена в форме насадки сопла Лаваля 27 сужающегося сверху вниз под углом 10° к оси, высота насадки 1/3 R, диаметр конфузора 28 на срезе насадка d1=1/6 R. В нижней части измельчителя-смесителя сферический экран 26 на срезе примыкает к двухсторонней лопасти 31 с зазором 2-3 мм, диаметр диффузора (32) D1=1/3R. В нижней цилиндрической части измельчителя-смесителя 25 (25 шаровой корпус) на раме 51 закреплен подовый рабочий диск 29 с насечкой (борозды) на рабочей стороне в форме Архимедовой спирали, по центру которого проходит вал 30, для привода двухсторонней лопасти 31 (фиг.4, вид А). Стороны лопастей, примыкающие к рабочей поверхности диска, срезаны под углом естественного откоса смеси α=23-31° (фиг.5, вид Б). Между двухсторонней лопастью 31 и рабочей поверхностью диска 29 установлены регулировочные прокладки 33, зазор между ними δ = 0,6-1,2 мм, что соответствует оптимальным размерам частиц смеси и выгрузной патрубок 34 с заслонкой 35.
бш
бш
2
бш
2
бш
Линия приготовления кормолекарственных смесей включает большой шаровой смеситель 36 с большим шаровым корпусом 37. Конструкция большого шарового смесителя аналогична конструкции измельчителя-смесителя. Сферический экран большого шарового смесителя 41 на уровне 2/3 R от горизонтальной оси по вертикали выполнен в форме насадки сопла Лаваля 38 высотой 1/3R. Диаметр d конфузора 50 на срезе насадки равен 1/6R. Образующая поверхность насадки наклонена к вертикальной оси на 10°, диаметр диффузора 12 - нижнего среза экрана смесителя D=1/3R. Он примыкает к двухсторонней лопасти 39, закрепленной на валу привода 40, установленного на раме 44 с зазором 2-3 мм, а зазор между нижней рабочей стороной лопастей 39 и подовым диском 43 составляет 0,6-1,2 мм и выполнен с возможностью регулируовки прокладками 45. Вверху шарового смесителя имеется загрузочный шлюз 46 с задвижкой 47, а под ним расположен выгрузной патрубок 48 с заслонкой смесителя 49.
Способ работы мобильной установки для приготовления кормолекарственной смеси в турбулентном потоке осуществляется следующим образом.
ш
Электроэнергия от центральной электросети, как самая дешевая, посредством переносного кабеля 3 подключается к силовому щиту 4, а на отгонных пастбищах в работу включается электрогенератор 2 и электроэнергия подается на силовой щит 3, а от него на пульт управления 5. К щиту 3 подключены все потребители тока и приборы. В лабораторный смеситель 17 при закрытой задвижке 19 из бункера 16 засыпают наполнитель, а из устройства ввода препаратов 18 добавляют препарат в соотношении 1:1 сыпучего препарата или в таблетках и наполнителя, а жидкого препарата 1:3. Включают в работу привод лабораторного смесителя. Процесс смешивания продолжается 40-60 с, затем открывается задвижка 19 лабораторной мельнице 17 и задвижка 23 измельчителя-смесителя 24 Первичный премикс высыпают в выключенный измельчитель-смеситель 24, в него же из бункера-накопителя 20 через открытую заслонку 21, загрузочный шлюз 22 при открытой заслонке 23 засыпается 15-20% от установленной дозы наполнителя. Включается в работу электропривод измельчителя-смесителя 24, двухсторонняя лопасть 31, вращаясь от вала привода 30, захватывает, прижимает к рабочей нарезной поверхности диска 29 совместно измельчает компоненты, диффузионно смешивает и равномерно выбрасывает материально-воздушный поток по всему периметру (360°) на внутреннюю сферическую поверхность шарового корпуса 25 измельчителя-смесителя 24. При вращении лопастей 31 в центре шарового корпуса 25 по оси сферы измельчителя-смесителя 24 создается вакуум, а у сферической поверхности - давление. Нейтральная зона проходит на расстоянии 2/3 R от оси шара, где размещен сферический экран 26. Материально-воздушный поток в верхней части сферического экрана 26 под давлением сверху и вакуума снизу попадает в насадку 27 сопла Лаваля и продавливается через его узкий конфузор 28. На выходе материально-воздушный поток получает большое ускорение, расширяется, скорость частиц увеличивается многократно, в объеме сферического экрана происходит интенсивное турбулентное движение частиц и конвективное смешивание компонентов; а в нижней части на срезе экрана смесителя 26 материально-воздушный поток проходит через широкий диффузор 32, где скорость потока снижается и поток направляется к оси вала привода 30, попадает в зазор 0,6-1,2 мм между лезвием лопасти 31 и насечкой на рабочей поверхности подового диска 29, где осуществляется диффузионное измельчение смешиваемых компонентов - взаимное проникновение препаратов в наполнитель. Степень измельчения регулируется прокладками 33.
Процесс смешивания в измельчителе-смесителе 24 длится 90-100 с. Готовый вторичный премикс при открытой заслонке 35 через выгрузной патрубок 34 высыпается в загрузочный шлюз 46 и при открытой задвижке смесителя 47 высыпается в не включенный большой шаровой смеситель 36. Таким же образом из основного бункера 16 загружается остальная доза наполнителя, приводится в работу вал привода 40 с закрепленной на нем двухсторонней лопастью 39, которая срезана под углом естественного откоса смеси α (фиг. 5, вид Б, фиг. 3). Двухсторонняя лопасть 39, примыкающая к подовому диску 43, закрепленному на раме смесителя 44, захватывает смешиваемую массу, прижимает к насечке на диске 43, измельчает и одновременно смешивает методом диффузии и равномерно выбрасывает по всему периметру (360°) внутренней сферической поверхности большого шарового смесителя 37, поднимая массу вверх, где под действием давления сверху и вакуума снизу поток поступает в насадок сопло Лаваля 38, проходит через конфузор 50, при выходе из него скорость потока резко ускоряется и турбулентность усиливается и в объеме сферического экрана 41. Происходит интенсивное конвективное смешивание ингредиентов, а в нижней части сферического большого смесителя материально-воздушный поток под действием вакуума проходит через диффузор 42, образованный нижним срезом сферического экрана большого смесителя 37, захватывается лопастями 39, попадает в зазор 06,-1,2 мм между лезвиями лопастей 39 и насечкой (борозды) на рабочей поверхности подового диска 43, где осуществляется совместное измельчение компонентов сдвигом и диффузионное смешивание, которое продолжается 100-120 с, затем при открытой заслонке 49 большого шарового смесителя 36, через выгрузной патрубок 48 кормолекарственная смесь выгружается в тару.
Таким образом, способ приготовления кормолекарственной смеси в турбулентном потоке, реализованный в мобильной установке, оборудованной конструктивно простой и технологичной линией смешивания, может обеспечить однородность смеси 0,95-0,98% и своевременную подготовку смеси для животноводства и птицеводства во всех регионах страны, при этом время смешивания и удельные затраты энергии снижаются в 2 раза.