СПОСОБ СМЕШИВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MIXING AND MIXER TO THIS END

Предложенные технические решения относятся к области переработки пастообразных и сухих сыпучих материалов и могут быть использованы в химической, пищевой, фармацевтической промышленности.
Известен способ объемного смешивания липких пастообразных смесей, а также сухих сыпучих компонентов [см. кн.: Процессы и аппараты химической технологии. Явления переноса, макрокинетика, подобие, моделирование, проектирование: В 5 т. Т.2. Механические и гидромеханические процессы / Д.А. Баранов, А.В. Вязьмин и др.; Под ред. A.M. Кутепова. - М.: Логос, 2001, с.128].
Его недостатки:
1. Загрузка исходных компонентов осуществляется последовательно через крышку с технологическими штуцерами без учета их содержания в смеси;
2. Привод от электродвигателя через редуктор для одного ротора с лопастями, а другого ротора - через передачу от первого не позволяет использовать их независимое вращение и организовать различное перемещение частиц при смешивании;
3. Использование опрокидывающегося корпуса при выгрузке готовой смеси усложняет конструкцию.
За прототип принят способ смешивания увлажненных материалов и паст, а также сухих сыпучих материалов [см. кн.: Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов - М.: Машиностроение, 1973, с.104]. Данный способ характеризуется тем, что компоненты смешиваются двумя горизонтальными валками, расположенными в корытообразном корпусе и вращающимися навстречу друг другу с различными числами оборотов. В качестве недостатков данного технического решения можно выделить следующее:
1. Загрузка компонентов осуществляется через открывающуюся крышку, расположенную сверху смесителя, что не позволяет использовать одновременное дозирование различных компонентов непосредственно в камеру смешивания.
2. Применение валков, постоянно вращающихся навстречу друг другу с различными числами оборотов, не позволяет управлять процессом перемещения частиц при смешивании материалов и разгрузке готовой смеси.
3. Разгрузка смесителя осуществляется за счет опрокидывания корыта вокруг оси одного валка, что повышает вероятность сегрегации готовой смеси при выгрузке ее большим объемом.
Известны смесители с энергичным воздействием лопастей на материал и различными по форме рабочими органами [см. кн.: Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. - М: Агропромиздат, 1985, с.114]. Недостатком данных смесителей является отсутствие возможности управляемого изменения траекторий перемещений частиц внутри корпуса в связи с фиксированной направленностью вращения горизонтальных валов с рабочими органами, что увеличивает время смешивания и выгрузки.
За прототип установки взят двухвальный смеситель «Sicoma», позволяющий создавать встречные винтовые потоки частиц материалов, которые, в результате, двигаясь не только в горизонтальной плоскости, но и в вертикальной, с высокой эффективностью перемешиваются в центральной части. [см. статья Александр Черниговский. Промышленные бетоносмесительные установки для современных бетонов// журнал «ЖБИ и конструкции», №4, 2010, с.38-50]. Данный смеситель не лишен вышеуказанных недостатков, а также рабочие органы имеют лишь одностороннюю рабочую поверхность, что ограничивает их применение при различном изменяемом направлении вращения валов.
Технической задачей изобретения является сокращение времени смешивания и выгрузки, повышение качества смеси, снижение износа рабочих поверхностей лопастей.
Решение поставленной задачи достигается тем, что загрузку исходных компонентов осуществляют одновременным дозированием через различные узлы. Изменение направления вращения валов обеспечивает быстрое выравнивание концентраций исходных компонентов в осевом направлении и интенсифицирует процессы конвективного и диффузионного смешивания за счет сочетания активных крупномасштабного и мелкомасштабного перемещений частиц материала. Активное крупномасштабное перемещение всего объема готовой смеси в осевом направлении к узлу разгрузки и ее выгрузка малыми поточными объемами обеспечивает стабильную однородность смеси. Валы устройства для смешивания имеют возможность независимого изменения направления вращения, а лопасти выполнены двусторонними с поочередно меняющимися рабочими поверхностями активной и пассивной частей в зависимости от направления вращения валов.
На фиг.1 изображен общий вид устройства с направлениями перемещений частиц в различные периоды процесса смешивания и выгрузки, на фиг.2 изображена двухсторонняя лопасть, на фиг.3 - кинетические кривые процесса смешивания.
Устройство представляет собой смеситель, состоящий из корпуса 1 корытообразной формы, внутри которого расположены горизонтальные валы 2 (фиг.1, а). На валах 2 размещены рычаги 3 со сменными лопастями 4 Т-образной формы. Привод валов 2 осуществляется независимо с одинаковым числом оборотов через редукторы 5 и устройства изменения направления вращения 6 (реверса) от электродвигателей 7. Рычаги 3 с лопастями 4 на каждом валу 2 смещены на угол 90° относительно друг друга и на угол 45° между валами 2. Лопасти 4 на валах 2 имеют одинаковый угол атаки α (фиг.1, а) и выполнены с двусторонними рабочими поверхностями (активной (А) и пассивной частями (П), фиг.2). Активная и пассивная части лопастей поочередно меняются местами в зависимости от направления вращения валов 2. На крышке 8 корпуса 1 смесителя расположены узлы загрузки 9 исходных компонентов (фиг.1).
Смешивание в устройствах данного типа обеспечивается за счет перемещения частиц материала по двум направлениям: осевом и радиальном. Смешивание складывается из следующих одновременно протекающих элементарных процессов [см. кн. Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработке зерна / Под ред. А.Я. Соколова. - М.: Колос, 1984, с.206, Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов - М.: Машиностроение, 1973, с.85]: 1. Перемещение группы смежных частиц из одного места смеси в другое внедрением, скольжением слоев (процесс конвективного смешивания); 2. Перераспределение частиц компонентов через свежеобразованную границу их раздела (диффузионный процесс смешивания); 3. Сосредоточение частиц, имеющих одинаковую массу в соответствующих местах смесителя под действием гравитационных или инерционных сил (процесс сегрегации). Минимальное время разгрузки без потери однородности обеспечивается при условии организации перемещения всего объема готовой смеси в осевом направлении к узлу разгрузки 9, расположенному в торцевой части корпуса 1 смесителя. Вероятность сегрегации снижается при условии организации малых объемов смеси при ее выгрузке.
Способ реализуется следующим образом.
М
K
А
K
М
c
Производится одновременная загрузка исходных компонентов через узлы загрузки 9, расположенные на крышке 8 смесителя (фиг.1). Расположение исходных компонентов обособленное в определенных частях корпуса смесителя. В начале процесса смешивания организуется активное крупномасштабное перемещение частиц компонентов. Валы 2 вращаются в противоположные стороны с одинаковым числом оборотов, перемещая частицы материала от центральной части корпуса 1 к его боковым стенкам в радиальном направлении с незначительным мелкомасштабным их обменом в центральной части (потоки , фиг.1, б), и от одной торцевой части к другой равными по величине противоположными потоками  в осевом направлении, что обеспечивает быстрое выравнивание концентраций исходных компонентов в осевом направлении и интенсифицирует процесс конвективного смешивания (участок I кривой графика зависимости коэффициента неоднородности от времени смешивания t V=f(t), фиг.3). Лопасти 4 взаимодействуют с частицами материалами активной частью () рабочей поверхности (фиг.2, а). Для интенсификации диффузионного смешивания организуется активное мелкомасштабное перемещение частиц материала (участок II, фиг.3) для чего изменяют направления вращения валов 2 на противоположное направление (фиг.1, в). Валы вращаются навстречу друг другу с одинаковым числом оборотов, обеспечивая перемещение частиц от боковых стенок корпуса к центральной части в радиальном направлении и от одной торцевой части к другой равными по величине противоположными потоками  в осевом направлении с активным мелкомасштабным обменом частицами между ними (потоки , фиг.1, в). Активная и пассивная части двухсторонних лопастей 4 меняются местами (фиг.2, б). В последующем проявление сегрегации и смешивания уравновешиваются (участок III, фиг.3) и требуется разгрузить смеситель.
K
М
Для разгрузки смесителя изменяется направление вращения одного из валов 2 (валы вращаются в одинаковом направлении, фиг.1, г), что приводит к активному крупномасштабному перемещению всего объема готовой смеси потоками  в осевом направлении к узлу разгрузки, расположенному у торцевой части корпуса смесителя. Процесс сопровождается активным мелкомасштабным обменом частицами в центральной части корпуса (потоки , фиг.1, г), что обеспечивает стабильную однородность смеси при ее перемещении, выгрузка малыми поточными объемами снижает вероятность ее сегрегации при выгрузке.
Поочередное использование различных частей двусторонних лопастей 4 при изменении направления вращения валов 2 обеспечивает высокую надежность конструкции и снижает износ их рабочих поверхностей.
Предложенный способ, осуществляемый конструктивными особенностями устройства для его осуществления при одновременной загрузке исходных компонентов через различные узлы, обеспечивает быстрое выравнивание концентраций исходных компонентов в осевом направлении, сокращает время процесса конвективного смешивания (участок I, фиг.3)
при снижении коэффициента неоднородности смеси
сокращает время процесса диффузионного смешивания
участок II, фиг.3). Суммарное время названных процессов - время смешивания уменьшается
при повышении качества получаемой смеси
, фиг.3). Активное крупномасштабное перемещение всего объема готовой смеси в осевом направлении к узлу разгрузки и ее выгрузка малыми поточными объемами обеспечивает стабильную однородность смеси, сокращает время разгрузки
в сравнении со смешиванием, реализуемым в известных двухвальных лопастных смесителях. Экспериментальное смешивание с модельными материалами показало уменьшение суммарного времени процесса смешивания и выгрузки на 10…12%.