СПОСОБ СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MIXING LOOSE MATERIALS AND INSTALLATION TO THIS END

Изобретения относятся к области переработки сыпучих материалов и могут быть использованы в химической, пищевой, фармацевтической промышленности.
Известен способ получения многокомпонентной смеси в комбикормовом производстве путем одновременного дозирования всех компонентов [см. кн. Технология муки, крупы и комбикормов. / Г.А.Егоров, Е.М.Мельников, Б.М.Максимчук. - М.: Колос, 1984, с.339]. Его недостаток - одновременное дозирование через различные узлы загрузки большого числа компонентов, что приводит к длительному выравниванию их концентраций в осевом направлении.
За прототип способа принято общеизвестное смешивание сыпучих материалов [см. кн. Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработке зерна. / Под ред. А.Я.Соколова. - М.: Колос, 1984, с.207]. Данный способ характеризуется тем, что все компоненты загружают в смеситель через узлы загрузки, затем следует рабочий процесс, при котором рабочий орган многократно перемещает компоненты внутри смесителя. За счет циркуляции компоненты равномерно распределяются по всему реакционному объему, после чего смесь выгружается. В качестве недостатков данного технического решения можно выделить следующее:
1. Загрузка компонентов осуществляется через различные узлы, расположенные по длине смесителя, что приводит к затратам времени на равномерное распределение и выравнивание их концентраций в осевом направлении.
2. Применение фиксированного пространственного положения рабочих органов, в частности лопаток, не позволяет управлять процессом смешивания за счет использования различных видов перемещений частиц, облегчить запуск двигателя в момент начала процесса смешивания, устранить неравномерность нагружения приводного вала в процессе работы и организовать быструю выгрузку смеси через узел разгрузки.
Известен смеситель с регулированием пространственного положения перемешивающих лопаток и пружиной с регулируемым усилием сжатия, благодаря которой устанавливается оптимальная упругость перемешивающих лопаток в зависимости от объемного веса смешиваемых материалов и их гранулометрии [см. патент РФ 94007464 А1, B01F 15/00. Смеситель. / Л.Р.Гуревич, Г.В.Хохлачев, А.Я.Старожицкий, В.С.Щукин (РФ), 27.01.1996]. Недостатком данного смесителя является отсутствие возможности направленного, управляемого изменения пространственного положения лопаток и наличие асимметрии крутильных моментов на приводной вал.
Известен смеситель, позволяющий минимизировать асимметрию крутильных моментов на приводной вал за счет разности расстояний от вала до диаметрально противоположных лопастей, что приводит к повышению надежности в работе путем минимизации неравномерности загрузки на вал [см. а.с. СССР №1713630, кл. B01F 7/04 / А.Ф.Герасимов, А.Е.Бардин, В.А.Яковлев, 23.02.1992]. Недостатком данного смесителя является отсутствие возможности направленного, управляемого перемещения материала в осевом направлении по длине смесителя.
За прототип установки взят смеситель с возможностью автоматического регулирования положения лопатки в зависимости от физико-механических свойств, вязкости применяемых материалов и степени заполнения смесителя [см. а.с. СССР №1502068, кл. B01F 7/04, 23.08.89]. Недостатком данной установки является то, что отсутствует возможность организации быстрого выравнивания концентраций компонентов в осевом направлении по длине смесителя из-за строгой направленности лопаток в рядах рабочих органов (максимальное перемещение частиц возможно лишь в соседних рядах рабочих органов) и быстрой направленной выгрузки смеси большим потоком через узел разгрузки, а также существует неравномерность нагружения приводного вала (асимметрия крутильных моментов на приводном валу), что приводит к его усталостному разрушению (снижению надежности, ресурса).
Технической задачей изобретений является устранение неравномерности нагружения приводного вала, сокращение времени смешивания и выгрузки, повышение качества смеси.
Решение поставленной задачи достигается тем, что загрузку компонентов осуществляют одновременно через различные узлы загрузки, расположенные по длине смесителя. Устраняется неравномерность нагружения приводного вала в момент пуска двигателя и при рабочем режиме работы. Изменение углов атаки лопаток обеспечивает быстрое выравнивание концентраций исходных компонентов в осевом направлении за счет двух противоположно направленных потоков и интенсифицирует процессы конвективного и диффузионного смешивания за счет сочетания крупномасштабного и мелкомасштабного перемещения частиц материала. Выгрузка обеспечивается перемещением всего объема смеси двумя противоположно направленными потоками без потери ее однородности через узел или узлы разгрузки.
Неравномерность нагружения приводного вала смесителя связана с различным количеством одновременно находящихся в слое сыпучего материала лопаток, различным сопротивлением сыпучей среды на входе в ее слой и на выходе из ее слоя лопаток и площадью контакта рабочих поверхностей лопаток со слоем смешиваемого материала. Смешивание в установках данного типа обеспечивается за счет циркуляции материала по двум направлениям: осевом и радиальном. Минимальное время выгрузки без потери однородности обеспечивается при условии организации перемещения готовой смеси большими потоками в осевом направлении к узлу разгрузки.
На фиг.1. изображен общий вид смесительной установки с расположением лопаток в рядах рабочих органов, на фиг.2 изображено расположение материала и лопаток в сечении смесителя в момент пуска (а) и во время рабочего режима смешивания (б), на фиг.3 - кинетические кривые процесса смешивания.
Смеситель имеет в каждом ряду рабочих органов по две противоположно расположенных лопатки одинаковой пространственной ориентации. Лопатки соседних рядов рабочих органов смещены относительно друг друга на угол 90° и имеют различные углы атаки: нечетные ряды α=(90°+β); четные ряды α=β (фиг.1). Для изменения углов поворота лопаток β при их вращении, к примеру, против хода часовой стрелки, служит механизм, выполненный в виде вала 2, установленный в полости приводного вала 4, позволяющий совершать вращательное движение лопаток 1 относительно оси 7 в зависимости от вращения приводного вала 4. Валы 2 и 4 имеют разделенный электропривод 3, постоянно вращающий приводной вал 4 и периодически вращающий вал 2, посредством сцепной муфты 5. Неподвижность вала 2 обеспечивается тормозом 6 при выключенной муфте 5. На валу 4 размещены лопатки 1 с возможностью вращения относительно собственных осей 7. Оси 7 лопаток 1 кинематически связаны с валом 2 посредством конического зубчатого зацепления с передаточным числом и, состоящего из конических зубчатых колес 8 и 9, жестко закрепленных соответственно на осях 7 лопаток 1 и валу 2. При вращении приводного вала 4 и неподвижном вале 2 происходит вращение и одинаковый поворот лопаток на угол β с изменением угла атаки α. Величина передаточного числа u связывает частоты вращения (поворота) вала 4 и лопаток 1, обеспечивая необходимый цикл перемещения сыпучего материала. При u=1 лопатки 1 поворачиваются на угол β=var=0…360° за один оборот вала 4. При одновременном с одинаковой частотой вращении валов 2 и 4 лопатки 1 остаются неподвижными, угол поворота и угол атаки фиксируются в определенном положении β=const, α=const. В частности, при угле атаки α=45° основной объем материала перемещается в направлении поворота лопатки и при условии разной направленности лопаток в соседних рядах рабочих органов активное перемещение частиц возможно только в пределах двух соседних рядов рабочих органов.
Способ реализуется следующим образом.
-1
тр.дв.
тр.дв
Производится одновременная загрузка компонентов (A, B, C, D) через узлы загрузки, расположенные вдоль смесителя (фиг.1). Равномерность входа лопатки в слой сыпучего материала в начале вращения приводного вала (в момент пуска) и ее выход из слоя обеспечивается оптимальным коэффициентом заполнения камеры смешивания φ=0,5 и углом атаки лопатки α=90° в момент одновременного касания боковых граней лопаток I слоя материала и началом выхода из слоя лопаток III (фиг.2, а). Нагрузка на вал становится минимальной и зависит только от тех лопаток II, которые одновременно находятся в слое сыпучего материала. При вращении вала с частотой n=20…40 мин поверхность слоя сыпучего материала поворачивается по направлению вращения вала ориентировочно на угол трения движения φ, что требует корректировки углов атаки лопаток α=90° в момент их входа в слой материала и соответственно выхода из слоя путем поворота в том же направлении внутреннего вала 2 на угол φ=(φ+θ) (фиг.2, б). После чего вал 2 снова становиться неподвижным. Предложенное техническое решение устраняет неравномерность нагружения приводного вала, обусловленную различным количеством одновременно находящихся в слое сыпучего материала лопаток, различным сопротивлением сыпучей среды на входе в ее слой и на выходе из ее слоя лопаток и площадью контакта рабочих поверхностей лопаток со слоем смешиваемого материала. Это достигается при условии входа лопатки IV (фиг.2, б, I, III - лопатки нечетных рядов рабочих органов; II, IV лопатки четных рядов рабочих органов) в слой сыпучего материала с углом атаки α=90° на глубину h, равную половине ширины лопатки b (h=b/2). В этот момент лопатка II выйдет из слоя также на величину h. Лопатки I и III в этот момент имеют углы атаки α=0° и происходит переход на перемещение сыпучего материала в обратном направлении. За первую четверть оборота вала лопатки, поворачиваясь на угол β=0…90°, в нечетных рядах α=90…180° перемещают частицы материала влево, в четных рядах α=0…90° перемещают частицы материала вправо; за вторую четверть оборота вала эти же лопатки, поворачиваясь на угол β=90°…180°, в нечетных рядах α=0…90° перемещают частицы материала вправо, в четных рядах α=90…180° перемещают частицы материала влево; за третью и четвертую четверть оборота вала процесс повторяется. Происходит быстрое перемещение компонентов в осевом направлении двумя противоположно направленными потоками (крупномасштабное перемещение). Мелкомасштабное перемещение осуществляется в пределах двух соседних рядов до получения требуемого качества смеси за счет одновременного вращения вала 2 и приводного вала 4 (фиг.1) при неизменных углах атаки лопаток α=45° (угол поворота лопаток β=const). В случае увеличения коэффициента заполнения камеры смешивания φ=0,5…1,0 равномерность нагрузки на вала не изменяется, но появляются дополнительные противоположно направленные потоки перемещения материала в осевом направлении, что увеличивает производительность смесителя.
Смешивание в смесителе сыпучих материалов 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).
тр.дв
c
-1
После пуска двигателя, через 5…10 секунд, производится корректировка углов атаки лопаток α=90° в момент их входа в слой материала и соответственно выхода из слоя путем поворота вала 2 вместе с приводным валом 4 на угол φ=(φ+θ). Создается одновременное и быстрое перемещение частиц двумя потоками вдоль оси вращения вала в противоположные стороны до равномерного распределения концентраций исходных компонентов по длине смесителя (крупномасштабное перемещение), что интенсифицирует процесс конвективного смешивания (участок I кривой, графика зависимости коэффициента неоднородности от времени смешивания t V=f(t) (фиг.3)). Процесс идет с большой скоростью и продолжается в течение 0,1…0,3 от общего времени смешивания в зависимости от физико-механических свойств, применяемых материалов (при частотах вращения вала n=20…40 мин).
Для интенсификации мелкомасштабного перемещения частиц материала (участок II, фиг.3) осуществляется одновременное вращение вала 2 и приводного вала 4 (фиг.1) при неизменных фиксированных углах атаки лопаток α=45° (β=const=45°). Происходит взаимный обмен частицами в радиальном направлении в пределах двух соседних рядов рабочих органов, что приводит к сокращению времени диффузионного процесса смешивания. В последующем проявление сегрегации и смешивания уравновешиваются (участок III, фиг.3) и требуется выгрузить готовую смесь.
Для выгрузки смеси углы атаки α снова варьируются (β=var), путем остановки вала 2 (фиг.1) (α=90° в момент оптимального входа лопаток в слой материала, фиг.2, б). При вращении приводного вала 4 смесь двумя противоположно направленными осевыми потоками без потери однородности перемещается к узлу или узлам разгрузки. Возможна одновременная разгрузка через два узла разгрузки, расположенных в крайней левой и крайне правой части смесителя или разгрузка в одной из частей смесителя, в том числе их чередование в случае необходимости.
выгр
Управление процессом, реализуемое конструктивными особенностями одновального лопастного смесителя при одновременной загрузке исходных компонентов через различные узлы, устраняет неравномерность нагружения приводного вала смесителя, обеспечивает быстрое и равномерное распределение компонентов по реакционному объему смесителя, сокращает время конвективного процесса смешивания (участок I, фиг.3)  при снижении коэффициента неоднородности смеси  сокращает время диффузионного процесса смешивания(участок II, фиг.3). Суммарное время названных процессов - время смесеприготовления уменьшается  при улучшении качества получаемой смеси ( фиг.3, кривая И). Направленное перемещение готовой смеси двумя противоположно направленными осевыми потоками уменьшает время выгрузки (t) при улучшении качества смесеприготовления в сравнении со смешиванием, реализуемым в известных лопастных смесителях с фиксированным расположением лопаток (фиг.3, кривая Ф). Экспериментальное смешивание с модельными материалами показало уменьшение суммарного времени процесса смешивания и времени выгрузки на 15…20%.