СМЕСИТЕЛЬ-ГРАНУЛЯТОР
MIXER-GRANULATOR

Изобретение относится к получению многокомпонентных гранулированных смесей и может быть использовано в отраслях промышленности, применяющих смешивание различных компонентов с последующим их гранулированием.
7
Известен смеситель [Пат. № 2188064, МПК B01F 7/02, A23L 1/10. Смеситель. /А.Н.Остриков, А.И.Сухарев/ № 2001126981/12, Заявл. 04.10.2001, Опубл. 27.08.2002, Бюл. № 24], содержащий корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, расширяющийся по ходу движения компонентов, валы с лопастями, распылительную форсунку. Смеситель имеет три последовательно расположенные камеры. В первой камере установлен быстроходный вал с двумя спиралями разного диаметра, а во второй и третьей - тихоходный вал, снабженный конусообразными лопастями во второй камере, и однозаходным шнеком с очищающей лопастью - в третьей.
На внутренней поверхности нижней части второй камеры смонтированы вращающиеся трапецеидальные рамные лопасти. В верхней части второй камеры установлены форсунки для подачи жидких и вязких компонентов, а нижняя часть второй камеры имеет конусообразную форму.
Недостатками смесителя являются:
- значительные удельные энергозатраты;
- недостаточно равномерное распределение компонентов в получаемой смеси;
- значительная продолжительность процесса смешивания;
- повышенная металлоемкость конструкции смесителя.
Технической задачей изобретения является повышение качества смешивания за счет равномерного распределения компонентов смеси, снижение удельных энергозатрат при достижении наилучшей однородности смешивания за счет реализации прогрессивного метода смешивания, основанного на механическом псевдоожижении в сочетании с перекрестным противотоком.
Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в смесителе-грануляторе, содержащем корпус с тремя последовательно расположенными камерами и с соосно установленными внутри них валами с рабочими органами, загрузочный патрубок, форсунки, новым является то, что быстроходный вал расположен внутри тихоходного и проходит через три камеры, форсунки для подачи жидких и вязких компонентов установлены в торцевой крышке первой камеры, на быстроходном валу в первой камере вначале установлены две очищающие лопасти, а затем - две ленточные спирали разного диаметра с противоположной навивкой, на тихоходном валу во второй камере смонтированы ленточные спирали, приводимые во вращение с помощью конических зубчатых колес от быстроходного вала, а находящийся в третьей камере шнек с переменным шагом витков состоит из трех участков: на первом и третьем участках его витки выполнены сплошными, а на втором - перфорированными, тихоходный вал приводится во вращение от быстроходного вала с помощью планетарной зубчатой передачи, расположенной в опоре между первой и второй камерами корпуса, а в конце корпуса смонтирована матрица с отверстиями, имеющими форму усеченного конуса.
На фиг.1 изображен общий вид смесителя-гранулятора, на фиг.2 - продольный разрез опоры 5 с планетарным зубчатым механизмом; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2; на фиг.4 - продольный разрез второй камеры 8 смесителя-гранулятора; на фиг.5 - сечение Б-Б на фиг.4.
Смеситель-гранулятор (фиг.1) содержит корпус 1 с загрузочными патрубками 2, регулируемый привод 23. Смеситель-гранулятор имеет три последовательно расположенных камеры 7, 8 и 9. Внутри корпуса 1 расположены быстроходный 3 и тихоходный 4 валы, причем быстроходный вал 3 расположен внутри тихоходного вала 4 и проходит через три камеры. Тихоходный вал 3 приводится во вращение от быстроходного вала 4 с помощью планетарной зубчатой передачи, расположенной в опоре 5 между первой 7 и второй 8 камерами корпуса 1.
Планетарная зубчатая передача состоит из ведущего центрального зубчатого колеса 6, жестко закрепленного на быстроходном валу 3, неподвижного центрального колеса 10, жестко закрепленного на внутреннем диаметре (внутри) опоры 5, ведомого водила 11 и трех сателлитов 12, вращающихся вместе с водилом 11 вокруг центральной оси валов 3 и 4. Ведомое водило 11 жестко крепится к тихоходному валу 4 (фиг.2 и 3).
3
1
1
3
Данная планетарная передача обеспечивает противоположное направление вращения водила 11 (а следовательно, и вала 4) и центрального колеса 6, на котором жестко крепится вал 3, так как передаточное отношение i имеет отрицательное значение i=-(z/z), где z и z - соответственно числа зубьев зубчатых колес 6 и 10.
На торцевой крышке 14 первой камеры 7 расположены форсунки 13 для подачи жидких и вязких компонентов.
В первой камере 7 установлен быстроходный вал 3 с расположенными вначале двумя очищающими лопастями 15, а затем - две ленточные спирали 16 и 17 разного диаметра с противоположной навивкой.
Через вторую 8 и третью 9 камеры проходит тихоходный вал 4. Он снабжен конусообразными лопастями 18 (фиг.4), расположенными во второй камере 8, и однозаходным шнеком 21 - в третьей камере 9. Конфигурация и форма лопастей 15 и 18 выбрана с учетом состояния перемешиваемой массы, ее объема, толщины слоя, производительности, соотношения смешиваемых компонентов, степени однородности, способа загрузки компонентов и выгрузки смеси и требований технологии.
На тихоходном валу 4 во второй камере 8 между конусообразными лопастями 18 в плоскости, перпендикулярной оси вала 4, установлены ленточные спирали 19, приводимые во вращение с помощью конических зубчатых колес 20 от быстроходного вала 3 (фиг.1 и 4). Они вращаются с большой круговой частотой и предназначены для турбулизации многофазной смеси, содержащей компоненты с разной дисперсностью частиц.
На находящемся в третьей камере 9 тихоходном валу 3 жестко закреплен шнек 21 с переменным шагом витков. Шнек 21 состоит из трех участков: на первом и третьем участках его витки выполнены сплошными, а на втором - перфорированными.
В конце корпуса 1 закреплена матрица 22 с отверстиями, имеющими форму усеченного конуса.
Предлагаемый смеситель-гранулятор работает следующим образом:
Исходные сыпучие компоненты загружаются в смеситель-гранулятор через загрузочные патрубки 2. Включается регулируемый привод 23 и валы 3 и 4 приводятся во вращение. При этом тихоходный вал 3 приводится во вращение от быстроходного вала 4 с помощью планетарной зубчатой передачи, расположенной в опоре 5 между первой 7 и второй 8 камерами корпуса 1 (фиг.5). Вращающийся быстроходный вал 3 с жестко закрепленным ведущим центральным зубчатым колесом 6 приводит во вращение три сателлита 12, которые, в свою очередь, через водило 11 приводят во вращение вал 4.
Быстроходный вал 3 при помощи двух двухзаходных винтовых спиралей 16 и 17 разного диаметра начинается захватывать и перемещать сыпучие компоненты получаемой смеси. Одновременно из форсунок 13, находящихся в верхней части торцевой крышки 14 первой камеры 7, подаются жидкие и вязкие компоненты. Две очищающие лопасти 15 при вращении очищают не только внутреннюю поверхность торцевой крышки 14 от налипших частиц перемешиваемых компонентов, но и не позволяют забиться форсункам 13 при попадании на них частиц перемешиваемых компонентов.
Вследствие того, что в первой камере 7 на быстроходном валу 3 после лопастей 15 расположены две ленточные спирали 16 и 17 разного диаметра с противоположной навивкой, то они обеспечивают направление движение потоков смеси навстречу друг другу. Таким образом, направление перемещений смеси в первой камере 7 смесителя-гранулятора имеет вид перекрестного противотока.
На эффективность смешивания влияют плотность исходных компонентов, гранулометрический состав (форма, размеры, дисперсионное распределение по степени крупности для неоднородных компонентов) частиц компонентов смеси, влажность компонентов, состояние поверхности частиц, силы трения и адгезии поверхностей частиц и т.д. При большой разнице в плотности и гранулометрическом составе компонентов достижение необходимой степени смешивания затруднено и требует значительного времени.
Затем смесь сыпучих компонентов последовательно перемещается во вторую камеру 8 смесителя-гранулятора, в которой она захватывается вращающимися конусообразными лопастями 18, расположенными на тихоходном валу 4, который посредством планетарной передачи вращается в противоположном направлении.
Одновременно с помощью конических зубчатых колес 20 от быстроходного вала 3 приводятся во вращение ленточные спирали 19, которые обеспечивают радиальное (в плоскости, перпендикулярной оси вала 4) перемещение смеси от оси вращения к внутренней поверхности корпуса 1.
Перемещение компонентов смеси во второй камере 8 смесителя-гранулятора имеет еще более сложный характер. Его можно условно разделить на три вида:
- первый - перемещение и перемешивание смеси посредством вращающихся конусообразных лопастей 18;
- второй - радиальное перемещение при помощи вращающихся ленточных спиралей 19 (фиг.4);
- третий - круговое (тангенциальное) перемещение получаемой смеси.
Рабочими органами (конусообразными лопастями 18 и ленточными спиралями 19) создаются три вида движения смеси в смесителе-грануляторе: тангенциальное, радиальное и осевое течения. При тангенциальном течении смесь в смесителе-грануляторе движется преимущественно по концентрическим окружностям, параллельным плоскости вращения рабочих органов. Перемешивание происходит за счет вихрей, возникающих на их кромках. Качество перемешивания будет наихудшим, когда скорость вращения смеси равна скорости вращения рабочих органов (конусообразных лопастей 18 и ленточных спиралей 19). Радиальное течение характеризуется направленным движением смеси от оси вращения к стенкам смесителя-гранулятора перпендикулярно оси вращения валов 3 и 4. Осевое течение компонентов смеси направлено параллельно оси вращения валов 3 и 4. В предлагаемом смесителе-грануляторе имеют место различные сочетания этих основных типов течения.
При этом возможно регулирование интенсивности перемещения материала в смесителе посредством изменения угла поворота конусообразных лопастей 18 в плоскости, перпендикулярной оси вала 4, и частоты вращения валов 3 и 4.
Анализ показывает, что смешивание условно состоит из трех элементарных процессов:
- конвективное смешивание - это перемещение групп частиц из одного объема смеси в другой внедрением и скольжением слоев;
- диффузионное смешивание - это постепенное перемещение частиц различных компонентов через вновь образованные границы их раздела;
- сегрегация - это сосредоточение близких по форме, массе и размерам частиц в разных местах смесителя-гранулятора.
Если разделить по времени смешивание на три интервала, то в первом преобладает конвективное смешивание, во втором - диффузионное, в третьем - сегрегация. Первые два процесса способствуют равномерному распределению частиц в смеси, последний препятствует этому. Поэтому целесообразно заканчивать процесс в конце второго интервала смешивания.
Применение предложенной конструкции трех камер смешивания 7, 8 и 9, а также оригинальной конструкции вращающихся рабочих органов (лопастей 15, ленточных спиралей 16 и 17, конусообразных лопастей 18, ленточных спиралей 19, комбинированного шнека 21 с переменным шагом витков), также позволит повысить однородности полученной смеси и, тем самым, улучшить качество многокомпонентных смесей.
Затем смесь попадает в третью камеру 9 смесителя-гранулятора, в которой при помощи шнека 21 с переменным шагом витков, состоящим из трех участков, обеспечивается выполнение следующих операций: на первом и третьем участках шнека 21 (там, где его витки выполнены сплошными) происходит уплотнение и сжатие полученной смеси, а на втором участке шнека 21 (там, где его витки выполнены перфорированными) - дополнительное перемешивание.
Таким образом, на первом и третьем участках шнека 21 происходит скачкообразное увеличение давления и уплотнение полученной смеси вследствие резкого уменьшения размеров винтового канала. Здесь происходит формирование однородной, гомогенной смеси за счет возрастания давления.
Затем сжатая смесь и продавливается через матрицу 22 с отверстиями, имеющими форму усеченного конуса. Форма отверстий предотвращает падение давления в предматричной зоне смесителя-гранулятора и способствует формированию гранул правильной формы, без разрывов их поверхности.
После выхода сжатой однородной, гомогенной смеси из смесителя-гранулятора в результате резкого перепада температуры и давления происходит частичное испарение влаги, что приводит к образованию пористой структуры и увеличению объема гранул. Полученный гранулированный продукт удаляется из смесителя-гранулятора и направляется на упаковку.
Таким образом, использование предлагаемого смесителя-гранулятора позволит:
- оптимизировать процесс смешивания различного по своему гранулометрическому составу и физико-механическим свойствам исходного сырья за счет поддержания рационального характера движения в каждой из трех рабочих камер в зависимости от их функционального назначения;
- расширить область применения за счет достигнутой универсализации механизма перемешивания с учетом особенностей физико-механических свойств исходных компонентов;
- сократить продолжительность технологического цикла получения готовой смеси, а следовательно, снизить удельные энергозатраты на смешивание при достижении наилучшей однородности получаемой смеси.