Планетарный лопастной смеситель для смешивания дисперсных материалов с вязкими средами

ПЛАНЕТАРНЫЙ ЛОПАСТНОЙ СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ВЯЗКИМИ СРЕДАМИ

© Почеревин А.В.*

Бийский технологический институт

Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, г. Бийск

Данная статья посвящена новому смесительному оборудованию, которое может использоваться для смешивания дисперсных материалов с вязкими и высоковязкими средами. Рассмотрены основные механизмы, особенности и проблемы, возникающие при смешивании различных материалов. Описана конструкция лопастного смесителя планетарного типа.

Ключевые слова лопастной смеситель, смеси, вязкие среды, дисперсные материалы.

На современном этапе развития промышленности всё более высокие требования предъявляются к смесям различного назначения. В настоящее время большее внимание уделяется созданию высокоэффективных и надёжных смесителей. Это приводит к совершенствованию прогрессивных технологий смесеприготовления, позволяющих достигнуть высокого уровня качества процессов при получении смесей и готовой продукции и обеспечить высокую эффективность производства. Технологические процессы состоят из отдельных операций, поэтому совершенствование технологических процессов может быть достигнуто путем установления оптимального числа и порядка выполнения операций, а также совершенствованием внутреннего содержания последних.

Под смешиванием принято понимать такой механический процесс, в результате которого первоначально находящиеся раздельно компоненты после равномерного распределения каждого из них в смесительном объеме материала образуют однородную смесь. В отличии от него часто используемый термин «перемешивание» больше связан со следствием воздействия рабочего органа на материал. Процесс перемешивания не обязательно должен привести смесь к однородному состоянию.

Смешивание является начальной стадией технологии изготовления изделий и оказывает определяющее влияние на качественные показатели любого из них. Смешивание - физический процесс, уменьшающий композиционную неоднородность, важная стадия в переработке различных веществ, так как механические, физические и химические свойства, а также внешний вид изделий существенно зависят от композиционной однородности. Труд-

* Аспирант кафедры «Машины и аппараты химических и пищевых производств».

Инновации в обрабатывающей промышленности

103

но найти производство, где бы ни использовали смешение. Смешивать можно как твердые, так и жидкие компоненты. Примером смешения твердых компонентов может служить введение в полимер концентратов пигментов, волокон или других добавок. Диспергирование технического углерода в полиэтилене -типичный пример смешения твердого вещества с жидкостью, а смешение расплавов полимеров - смешение жидкости с жидкостью [1, с. 5].

Смешивание, как известно, включает три основных типа движения [2, с. 85]: молекулярную, турбулентную и объемную диффузию. Молекулярная диффузия - спонтанно протекающий процесс, вызванный наличием градиента концентрации; является доминирующим механизмом смешения газов и низковязких жидкостей. При турбулентном смешении молекулярная диффузия накладывается на беспорядочное вихревое движение, которое, в свою очередь, может накладываться на объемную диффузию или конвективное течение.

При переработке полимеров вследствие очень высокой вязкости полимерных расплавов турбулентная диффузия труднодостижима, а молекулярная диффузия совсем незначительна, поскольку она протекает чрезвычайно медленно. Таким образом, преобладающим механизмом смешения остается конвекция. То же справедливо для смешения твердых компонентов, где конвекция - единственно возможный механизм смешения.

Конвекция (от лат. со^есбо) - принесение, доставка, перемещение объемов - предполагает перемещение капелек жидкости или частиц твердого вещества из одной пространственно-локализованной области системы в другую.

В результате конвекции происходит смешение либо с увеличением поверхности раздела между компонентами, либо (если диспергируемый компонент распределился полностью в дисперсионной среде) без увеличения поверхности раздела. Первое относится преимущественно к смешению жидкости с жидкостью, а второе - к смешению жидкости с твердым веществом.

Смешивание по своей сути - случайный процесс, заключающийся в перераспределении компонентов смеси и связанный с приготовлением продукта, являющегося их совокупностью. Перераспределение компонентов осуществляется за счет пульсаций скоростей и направлений движения частиц материала. Смесительное оборудование, в котором осуществляется переработка различных материалов, отличается большим конструктивным разнообразием и различиями в принципах действия. Механические, струйные, пневматические, импульсные, вибрационные, магнитные - вот далеко не полный перечень аппаратов, имеющих различные принципы работы, производительность, размеры. Обычно в каждой отрасли промышленности (например, химическая, фармацевтическая, строительная) используются свои традиционные аппараты, что с точки зрения физики процесса смешивания не имеет строгого обоснования.

104 УПРАВЛЕНИЕ ИННОВАЦИЯМИ: ТЕОРИЯ, МЕТОДОЛОГИЯ, ПРАКТИКА

Теоретические разработки для расчета смесителей, предназначенных для смешивания дисперсных материалов с вязкими средами практически отсутствуют. Вследствие этого чаще всего проектируют и подбирают тип смесителя, используя результаты экспериментов на модельных аппаратах и вводя различные коэффициенты при переходе к смесителям большего объема.

На рис. 1 представлена конструкция лопастного смесителя планетарного типа [3].

1 - электродвигатель; 2 - опорный корпус привода; 3 - редуктор;

4 - камера смешения; 5 - тихоходная мешалка; 6 - быстроходная мешалка; 7 - стойка

Рис. 1. Установка планетарного лопастного смесителя

Корпус камеры смешения 4 оборудован теплообменной рубашкой, в которую подаётся теплоноситель для проведения процесса при нагревании смеси. Планетарный редуктор 3 предназначен для передачи вращения от привода 1 к мешалкам 5, 6 и кругового перемещения мешалок вокруг оси камеры смешения. Использование в смесителе перемешивающего устройства, состоящего из вращающихся навстречу друг другу центральной и периферийных мешалок, траектории лопастей которых перекрываются, со-

Инновации в обрабатывающей промышленности

105

вершающих вращательное круговое движение относительно емкости и корпуса, позволяет обеспечить интенсивное перемешивание компонентов смеси и исключить образование застойных зон в рабочем объеме емкости смесителя. Вращение периферийных мешалок с большей скоростью, по сравнению с центральной мешалкой, способствует лучшему перераспределению компонентов в объеме смеси и значительно уменьшает действие центробежной силы на частицы смешиваемых компонентов в центральной части емкости, исключая их перемещение к стенкам емкости. Изменяя форму лопасти мешалок (рис. 2), можно создать оптимальные условия смешивания компонентов смеси за счет создания значительных сдвиговых деформаций в зазоре между лопастями мешалок.

Рис. 2. Конструкции мешалок

Обеспечение минимального зазора до 1 мм между краем лопасти периферийной мешалки и стенками камеры смешения уменьшает налипание вязкого материала на стенки и улучшает его перемешивание. Зазор между лопастью и боковой стенкой емкости, и дном емкости увеличивается соответственно до 3 и 5 мм при переходе к более габаритному оборудованию.

Особенность конструкции заключается в использовании одного приводного механизма для вращения мешалок относительно своих осей, и редуктора вместе с мешалками относительно оси камеры смешения. Двигатель 1 размещается на опорном корпусе привода 2, который закрепляется на стойке 7.

При вращении мешалок в камере смешения, в один момент времени можно условно выделить пять зон перемешивания (рис. 3), не учитывая вращение мешалок относительно оси камеры смешения.

I, II и III зоны, для математического моделирования, упрощенно можно рассмотреть как зоны с одним перемешивающим устройством. Наиболее сложными для описания являются IV и V зоны, здесь в каждой зоне, на материал воздействуют сразу два перемешивающих устройства вращающихся в разных направлениях и с разной скоростью, за счет чего возникают значительные сдвиговые деформации приводящие к скольжению слоев массы друг по другу, деформации и истиранию частиц смешиваемых компонентов,

106 УПРАВЛЕНИЕ ИННОВАЦИЯМИ: ТЕОРИЯ, МЕТОДОЛОГИЯ, ПРАКТИКА

возникает также и интенсивный конвективный перенос, что в свою очередь является положительным эффектом для получения более однородных композиций.

IV V

\

№ №

Рис. 3. Зоны перемешивания

Использование предлагаемого устройства для смешивания дисперсных материалов и жидких сред обеспечивает расширение области применения смесителя для различных составов, содержащих как высоковязкие жидкие компоненты, так и высокодисперсные сыпучие материалы, повышение однородности смеси вследствие интенсивного смешивания компонентов и исключения застойный зон в рабочем объеме емкости смесителя, а также увеличение его производительности.

Список литературы:

1. Лукасик В.А., Давыдова В.Н., Петрюк И.П. Полимерные композиции. Оборудование и технологии изготовления: учеб. пособие / Волг. ГТУ - Волгоград, 2003. - 48 с.

2. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. - М.: Машиностроение, 1973. - 216 с.

3. Планетарный лопастной смеситель: патент № 2527237 Российская Федерация: МПК В0№ 7/18, В0№ 7/30 / Светлов С.А., Светлова О.Р., Левина Н.С., Почеревин А.В.; заявитель и патентообладатель: ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». -2013110895/05; заявка 12.03.2013; опубл. 27.08.2014, Бюл. № 24. - 7 с.