Разработка конструкции двухроторного смесителя и методика расчета его основных параметров

Т. Г. Белобородова, А. А. Панов, Т. А. Анасова, Г. Е. Заиков,

А. К. Панов, Р. Я. Дебердеев, О. В.Стоянов

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ДВУХРОТОРНОГО СМЕСИТЕЛЯ

И МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЕГО ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Ключевые слова: двухроторный смеситель, смешение, полимерный материал, смесь, рабочая камера.

Представлена эффективная конструкция двухроторного смесителя с Z- образными роторами сборной конструкции из нескольких частей, которая является основным оборудованием для приготовления парообразных масс и смешения сыпучих материалов, а также для пластикации композитных полимерных материалов

Keywords: double rotary mixer, mixing, polymer material, a mixture, the working chamber.

An efficient construction of double rotary mixer with Z-shaped rotor of several parts, which is the main equipment for pasty mass preparation and for bulk materials mixing, as well as composite polymeric materials plasticization is presented.

Введение

В статье представлена общая характеристика процесса смешения при переработке композиционных материалов. Здесь особое место среди твердых наполнителей занимают продукты измельчения отходов и вторичных реактопластов и резин. Показано, что рациональное совмещение

компонентов может значительно интенсифицировать процессы дальнейшей переработки. В статье осуществлен анализ конструктивных особенностей существующих двухроторных смесителей. Особенность их конструкций зависит от назначения. Указано на сложность изготовления монолитноцелостных 2 -образных роторов с винтовыми

короткими и длинными гребнями и лопастями, что сильно затрудняет процесс их производства, ведущий к удорожанию технологии их изготовления и обработки, ограничивая тем самым, область их применения.

Нами на основе проведенного анализа существующих конструкций двухроторных смесителей разработан двухроторный смеситель, в котором 2-образные роторы выполнены сборными. С целью интенсификации процесса смешения и повышения качества смеси, гребни ротора имеют в поперечном сечении форму ромба с дугообразными выемками по малой диагонали, а соединительная планка - форму шестиугольника с равными острыми противолежащими углами, вершина которых, расположена, в плоскости вращения ротора, при этом, ротор выполнен с плавными переходами в местах соединения его частей. С целью упрощения изготовления смесителя роторы выполнены с возможностью разъема в местах соединения его частей.

Общая характеристика процесса смешения

В процессах производства и переработки композиционных материалов используются различные типы компонентов, находящихся в разных физических состояниях. Физические состояния композиции

определяют выбор оборудования и конкретного участка, где происходит их совмещение. Физическое состояние компонентов к началу основной технологической операции - смешения, определяется не только их состоянием при загрузке в оборудование, но и физическими превращениями, которые они претерпевают к этому моменту, в зависимости от соотношения температуры плавления полимерной массы и температуры плавания, кипения или разложения наполнителя из твердого состояния в жидкое, или выделения газообразной фазы из твердой или жидкой фазы. В процессах получения вспененных полимеров существенную роль играют диффузионные

процессы [1].

Соотношение размеров частиц наполнителя и полимера, как и начальное распределение компонентов, обусловленное способом их

совмещения и видом оборудования, в котором оно происходит, определяют начальные условия для расчета процессов смешения и диспергирования. Рациональное совмещение компонентов может значительно интенсифицировать процессы

дальнейшей переработки.

Для твердых наполнителей, фазовое состояние которых не изменяется при переработке, как правило, задается размер монолитных частиц на входе в основное оборудование, поскольку их диспергирование в процессе переработки практически невозможно ввиду мелкой величины развивающихся в расплаве напряжений. Особое

место среди твердых наполнителей занимают продукты измельчения отходов и вторичных реактопластов и резин.

При использовании в процессах получения композиционных материалов отходов или вторичного полимерного сырья картина начального распределения компонентов весьма сложная. При этом в качестве компонентов могут, быть отходы полимеров различных типов, различные жидкие и порошкообразные вещества, оставшиеся в

использованных емкостях, а также целенаправленно вводимые наполнители [1] .

Качественные показатели готовой смеси

зависят от однородности распределения в основном компоненте (каучуке) других ингредиентов. При этом многокомпонентную резиновую смесь можно

рассматривать как двухкомпонентную, считая, что смешение каждого отдельного распределяемого

компонента происходит во всей остальной системе, называемой основой. Очевидно, что только в идеальном случае может быть достигнута основная цель смешения - получение в каждом микроэлементе объема соотношения компонентов, равного исходному. В реальных процессах смешения этой цели полностью достичь не удается, а качество смешения оценивают методом статистического анализа проб, взятых из общей массы смеси [2]. Смесь принято считать гомогенной, если распределение концентрации компонента в микрообъемах смеси подчиняется биноминальному закону.

Механическое смешение резиновых смесей ввиду большой вязкости основного компонента (каучука) в основном осуществляется на двухроторных смесителях в процессе ламинарного режима при низких значениях числа Рейнольдса. Смешением компонентов за счет молекулярной диффузии обычно пренебрегают из-за малой скорости этого процесса.

Физическую модель процесса смешения полимерного материала можно составить на основе рассмотрения деформационных процессов, сопровождающих процесс распределения ингредиента в основном компоненте под действием внешних сил.

Рассмотрим процесс деформирования резиновой смеси в рабочей камере двухроторного смесителя, изображенной схематически на рисунке 1 согласно работе [2].

Роторы 2, вращаясь навстречу друг другу с разными частотами вращения N1 и N2 В пространстве, ограниченном стенками рабочей камеры 4, верхним

затвором 1 и нижним затвором 5, подвергают диспергирующему смешению резиновую смесь 3. Поле сдвиговых деформаций, развивающихся в материале в поперечном сечении рабочей камеры, можно разбить на три зоны (I, II, III) деформаций сдвига. Наибольшая интенсивность

деформирования реализуется в пространствах, заключенных между поверхностями гребня ротора и стенки камеры в секторах ББАО-і и ОМРРО2, соответствующих серповидным зонам деформации I. Зона деформации II, заключенная в областях БО^ и СО2О характеризуется несколько меньшими значениями интенсивности

деформирования. В зоне II материал интенсивно сжимается и, оказывая давление на крышу верхнего затвора 1, поднимает его толчками вверх. В зоне III (СО-іАРО^) происходит смешение двух потоков, сопровождающееся вминанием и вдалбливанием ингредиентов резиновой смеси в каучук. Далее смесь разделяется на два потока и снова поступает в зону деформации I.

Каждый из овальных роторов конструктивно выполнен в виде прерывистой спирали согласно рисунку 2, а в любом поперечном сечении гребень ротора представляет собой сужающийся в одну сторону эллипс [2]. Поверхность каждого из роторов образована двумя винтообразными лопастями, одна из которых, более длинная, имеет угол подъема, винтовой линии а=30°, а другая - угол подъема в = 45°. Угол закручивания винтовой поверхности 90°. Столь сложная конфигурация поверхности ротора необходима для увеличения смесительного эффекта благодаря созданию осевого перемещения резиновой смеси. Расположение роторов в рабочей камере таково, что против длинного гребня одного ротора находится короткий гребень другого. Вследствие этого резиновая смесь приобретает сложный характер движения с траекторией, имеющей вид пространственной восьмерки”, что создает предпосылки для интенсивного перемешивания компонентов резиновой смеси.

Рис. 1 - Схема деформирования резиновой смеси в рабочей камере двухроторного смесителя

Рис. 2 - Схема расположения гребней в рабочей камере двухроторного смесителя

Анализ конструктивных особенностей существующих двухроторных смесителей

В двухроторных смесителях перемешивающие устройства представляют собой два ротора, вращающихся в смесительной камере. Двухроторные смесители отличаются большим разнообразием конструкций. Их можно применять для приготовления с подогревом или охлаждением пастообразных масс, для смешения сыпучих материалов с небольшими добавками жидкости, а также для пластикации композиционных полимерных материалов.

Особенность конструкций этих смесителей зависит от их назначения. Основными конструктивными элементами двухроторных смесителей являются рабочая камера и два ротора, вращающиеся в камере с разной скоростью навстречу друг другу и имеющие в зависимости от назначения различную конфигурацию.

На рисунке 3 показана конструкция двухроторного смесителя с 2-образными лопастями и опрокидывающейся рабочей камерой. Такие смесители предназначены для приготовления с подогревом или охлаждением пастообразных масс [Ц.

В последние годы получили распространение двухроторные смесители с реверсивным червяком. Отличительная особенность этого типа - наличие реверсивного червяка, предназначенного для интенсификации процесса смешения, механизации разгрузки готовой смеси, а также при необходимости для формования из пасты профильных изделий. Эти смесители можно применять при следующих технологических процессах: смешение твердых

веществ с жидкостями для получения однородных паст, мазей; смешение порошкообразных масс с жидкостями для увлажнения частиц порошка; нагревание или охлаждение твердых и густых масс

при интенсивном перемешивании; окрашивание материала; получение клеев [Ц.

Двухроторный смеситель с реверсивным червяком представлен на рисунке 4. Смеситель работает следующим образом. В камеру смешения загружают необходимое количество сыпучего компонента, заливают жидкие компоненты и включают привод вращения лопастей и червяка. Лопасти смесителя вращаются навстречу друг другу с различной частотой и перемешивают загруженные компоненты. Навивка лопастей имеет такое направление, что масса движется обычно к центру корыта. Червяк транспортирует массу в направлении задней торцевой стенке камеры. Затем червяк сбрасывает массу на быстроходную лопасть. Это приводит к значительной интенсификации процесса смешения. Готовая смесь, подаваемая лопастями, выгружается червяком через фильеру.

Делая краткий анализ характерных особенностей вышеприведенных конструкций двухроторных смесителей, можно сделать вывод, что они являются основным оборудованием для приготовления пастообразных масс и смешения сыпучих материалов, а также для пластикации композиционных полимерных материалов.

Однако сложность изготовления монолитноцелостных 2- образных роторов с винтовыми короткими и длинными гребнями и лопастями и делает очень трудным процесс их производства, который ведет к удорожанию технологии их изготовления и обработки и тем самым ограничивает область их применения.

В следующем разделе на основе проведенного анализа конструкций двухроторных смесителей представлен вариант двухроторного смесителя упрощенной конструкции с 2-образными роторами сборной конструкции из нескольких частей.

Рис. 3 - Двухроторный смеситель с Е-образными лопастями: 1 - электродвигатель; 2 - станина; 3 - муфта; 4 - цепная передача; 5 - электродвигатель для гидроцилиндра; 6 - затвор; 7 - крыша рабочей камеры; 8 - Е - образный ротор; 9-11 - штуцера; 12 - воздушник; 13 - противовес; 14 - рабочая камера; 15 -гидроцилиндр

Рис. 4 - Двухроторный смеситель с реверсивным червяком: 1 - камера смешения; 2 - реверсивный червяк; 3 - лопасти реверсивного червяка; 4 - фильера; 5 - съемные стенки

Разработка конструкций двухроторного смесителя

Усовершенствование существующих

технологических процессов смешения с целью многократного увеличения производительности и улучшения качества продукции должно базироваться с одной стороны на решении проблем структурной механики и физики полимеров, а с другой - на создании принципиально новых типов технологических производств. Прогресс в области переработки пластмасс возможен на основе перспективного оборудования с использованием автоматики и вычислительной техники. Следует подчеркнуть, что надежный прогноз возможен только на базе глубокого знания основных закономерностей указанных явлений, причем с учетом их взаимного влияния.

Другой очень важный и обширный комплекс проблем переработки полимерных составляют расчет и конструирование оборудования приготовительного производства и перерабатывавших машин, технологической оснастки и самих изделий из пластмасс.

В связи с большим объемом изготовления полимерных изделий, таких как дверные коробки, оконные рамы, плинтуса, поручни, трубы, различные обрамления, стержни и т.п. требуется совершенствование конструкций смесителей для подготовки наполненных полимерных композиций для процесса экструзии.

Нами на основе тщательно проведенного анализа существующих конструкций двухроторных смесителей с 2-образными роторами разработан

двухроторный смеситель, в котором 2-образные роторы с винтовыми короткими и длинными гребнями для упрощения их изготовления выполнены сборными, с целью интенсификации процесса смешения и повышения качества смеси. Гребни ротора имеют в поперечном сечении форму ромба с дугообразными выемками по малой диагонали, а соединительная планка - форму шестиугольника с равными острыми противолежащими углами, вершина которых расположена в плоскости вращения ротора, при этом ротор выполнен с плавными переходами в местах соединения частей ротора.

С целью упрощения изготовления смесителя ротор выполнен с возможностью разъема в местах соединения частей ротора [3].

На рисунке 5 изображен общий вид двухроторного смесителя; на рисунке 6 -

разгрузочный узел с выгрузным затвором; на рисунке 7 -разъемный ротор.

Двухроторный смеситель содержит горизонтальную камеру 1 в форме пересекающихся в нижней части полуцилиндров с затвором 2 в средней части днища. Такая форма камеры обусловлена выполнением затвора с треугольным профилем с вершиной, образованной пересечением двух дуг, являющихся продолжением окружностей профиля днища. Внутри камеры на выступах 3 валов 4 размещены 2-образные роторы 5 с винтовыми короткими 6 и длинными 7 гребнями. Гребни ротора в поперечном сечении имеют форму ромба с дугообразными выемками 8 по малой диагонали, образованными цилиндрической канавкой, за счет острого угла 9 ромба ротор легко входит в исходную смесь, а с помощью цилиндрической канавки в

гребнях осуществляется захват и разбрасывание смешивающихся компонентов, что позволяет интенсифицировать процесс смешения.

Соединительная планка 10 имеет форму шестиугольника с равными острыми противолежащими углами 11, вершина которых расположена в плоскости вращения ротора, что также позволяет ротору при малом сопротивлении войти в смесь.

Каждый ротор выполнен с плавными переходами в местах соединения его частей - гребней и соединительной планки. Такое выполнение в сочетании с формой камеры позволяет уменьшить образование застойных зон.

С целью упрощения изготовления ротор выполнен с возможностью разъема в местах соединения гребней с планкой.

15

Рис. 5 - Двухроторный смеситель, общий вид

20 19 'В /7 16 Ы 25 25 21 22

Рис. 6 - Разгрузочный узел с выгрузным затвором двухроторного смесителя

Короткий 6 и длинный 7 гребни разъемного ротора (рисунок 7) одним концом 12, обработанным под резьбу, соединяются с планкой 10, в которой имеются отверстия с резьбой 13, другие концы гребней привариваются к выступам 3 валов 4.

Двухроторный смеситель через упругую муфту, планетарный редуктор и зубчатые колеса

подсоединен к приводу. Разгрузочный узел содержит гидроцилиндр и гидромотор.

Смеситель снабжен автоматическим регулированием с помощью управляющей машины УПМ-2, датчиками уровня, контактными

термопарами, реле времени, концевыми

выключателями, в качестве воздухораспределителя использован трехходовой клапан с электрическим управлением типа 777-1 (не показан).

Камера имеет крышку 14, закрепленную шарнирно и с помощью рычагов соединенную с превмоцилиндром 15. Разгрузочный узел (рисунок 6) с выгрузным затвором 2 с помощью винтов 16 закрепляется на опоре 17 затвора, а посредством двух кронштейнов 18 соединяется с осью 19. На плите 20 расположена направляющая втулка 21, в которой размещен запорный стержень 22, который поддерживает ролик 23, установленный в вилке 24 на штифте 25. Камера заключена в кожух для обогрева 26.

А-А Б - Б

Рис. 7 - Разъемный ротор смесителя

Смеситель работает следующим образом. Камера 1 обогревается паром низкого давления до достижения заданной температуры. Затем камеру заполняют отдозированными компонентами.

Вращение роторов 5 навстречу друг другу осуществляется от электродвигателя переменного тока через упругую муфту, планетарный редуктор и зубчатые колеса. Скорости вращения роторов различны: переднего - 18 об/мин, заднего - 34 об/мин. В результате вращения роторов в камере смесителя происходит процесс диспергирующего смешения, в результате которого происходит уменьшение размеров частиц и увеличение однородности в их распределении. При этом внедрение гребней 6 и 7 в смесь осуществляется с меньшими сопротивлениями за счет острого угла 9 ромба, а также острого угла соединительной планки 10 (рис. 7), а с помощью цилиндрической канавки гребней 6 и 7 (рис. 7) происходит захват и разбрасывание смеси. Все зоны рабочей части камеры перекрываются, поэтому процесс смешения значительно интенсифицируется.

Качество смеси определяется лабораторным методом с помощью физико-химического анализа. С помощью оценки качества смеси уточняется время смешения. По истечении заданного времени

смешения замыкаются контакты реле времени типа ВЛ-34 в цепи релейного усилителя, он в свою очередь включает электромагнит, тем самым, открывая доступ воздуха в пневмоцилиндр выгрузного затвора, и он открывается.

Готовая смесь через отверстие в нижней части смесителя высыпается в приемную емкость,

электродвигатель в это время работает, ускоряя тем самым выгрузку смеси.

Когда смеситель полностью разгружен, размыкается контакт нижнего уровня и включается электродвигатель, роторы останавливаются, одновременно срабатывает усилитель и включает в работу гидромотор.

Гидромотор закрывает выгрузной затвор 2, срабатывает концевой выключатель, пневмоцилиндр передвигает запорный стержень 22, который поднимает ролик 23, фиксируя выгрузной затвор. При этом с концевого выключателя поступает сигнал на открывание крышки 14 смесителя.

Чтобы увеличить сроки службы и надежность эксплуатации двухроторного смесителя, угол ромба гребней ротора и острый выступ выгрузного затвора напаяны твердым сплавом.

Объектом для исследования смешения служили компоненты следующего содержания, %: поливинилхлорид - 64,20; дифенилолпропан- 0,20;

диалкилфталат - 32,20; масло эпоксидированное -1,93; стеарат бария - 0,40; форкстаб К201А - 0,67; стеарат кадмия - 0,40. Общая масса навески составляла 5 кг. Указанные компоненты входят в состав рецептур ПВХ - композиций для сельскохозяйственной пленки.

При достижении в рабочей зоне температуры около 383 К в камеру загружали первоначально отдозированные порошкообразные компоненты: поливинилхлорид, стеарат бария, стеарат кадмия, дифенилолпропан, а затем вводили жидкие компоненты: диалкилфталат, масло

эпоксидированное, форкстаб К201А.

Смешение исходной смеси осуществляли в двухроторном смесителе в течение 20-25 мин, в это же время происходило набухание композиции. Физико-химический анализ оценки качества смешения показал, что при продолжительности смешения в пределах 20-25 минут достигается высокое качество и однородность смеси. Готовую порошкообразную композицию нагружали в приемную емкость.

Также объектом исследования смешения служили компоненты следующего содержания, масс.ч.:

поливинилхлорид (ГОСТ 14332) - 100,0 кожевенная пыль от кож (ГОСТ 939) - 35,0 диоктилфталат (ГОСТ 8728) - 7,0 стеарат бария (ТУ6-09-281-7) - 0,7 стеарат кадмия (ТУ 609-7-76) - 0,7 белая сажа (ГОСТ 18307) - 0,9 мел (ГОСТ 8253) - ,8 дифенилолпропан (ГОСТ 12138) - 0,3

Разработанная нами вышеприведенная наполненная поливинлхлоридная композиция защищена авторским свидетельством [4], и широко применяется для изготовления труб, профилей, конструкционных материалов, облицовочной плитки, рейки, пустотелых блоков и плит для звуко- и теплоизоляции и других изделий.

Получаемая после смешения наполненная поливинилхлоридная композиция включает в

качестве наполнителя с целью утилизации кожевенную пыль, а также термостабилизаторы -стеараты бария и кадмия и на этой основе подучена более дешевая композиция со снижением водопоглощения и увеличением предела текучести при растяжении.

Методика расета основных параметров в двухроторного смесителя

Объем рабочей камеры двухроторного смесителя разработанного промышленного варианта рассчитан на перемешивание смеси 1,0 м3.

Приведем расчет основных параметров двухроторного смесителя. Усилие на стенке рабочей камеры смешения определяется по формуле [2]:

Т = Т» ‘

где Тщ - суммарное напряжение сдвига у стенки, от вынужденного потока и от барического потока, определяется по известной методике [2];

- поверхность камеры в зазоре, равная 5^-  Л

где щ>и - угол поворота; Я - размер смесительной камеры; и - длины проекций короткого и

длинного гребней ротора на его ось; Ъ - число пар лопастей ротора; £к= 0,75 - коэффициент

использования рабочей поверхности.

Для определения крутящего момента на валу ротора может быть использовано выражение:

Мк = * й

мощность на валу находят из соотношения:

=

Усилие ^ , необходимое для перемещения выгрузного затвора, определяют как сумму сил трения затвора о смесь в камере и о направляющие:

Р=/1'Я-р + /?а»С*‘Р)

где коэффициенты трения затвора о смесь и о

направляющие; 8 - площадь разгрузочного отверстия; р -давление смеси на затвор; в - сила тяжести подвижных частей затвора.

Производительность смесителя С)(кг/ч) рассчитывают по формуле:

д = бо-К‘$-!’

Время может быть определено по следующему соотношению:

где ^ - время смешения; 1Я- время вспомогательных операций, обычно составляет (0,1-0,15)-Заключение Таким образом, разработанный двухроторный смеситель позволяет уменьшить время смешения в 2,5 - 3,0 раза, тем самым увеличивая производительность смесителя, повысить качество и однородность получаемой композиции, упростить изготовление роторов.

Литература

1. В..С.Ким, В.В.Скачков. Диспергирование и смешение в процессах производства и переработки пластмасс. Химия, Москва, 1988. 237 с.

2. Н.И. Басов, Ю.В.Казанков, В.А.Любартович. Расчет и 4. А.С. СССР № 1810362 Наполненная

конструирование оборудования для производства и поливинилхлоридная композиция/А.К.Панов, В.П.Чуров,

переработки полимерных материалов. -М.:Химия, Т.Ф.Ильина и др. - Опубл. в Бюл. 1993, № 15.

Москва,1986. 488 с.

3. А.С. СССР № 1468574. Двухроторный смеситель/

А.К.Панов, Т.А.Анасова, И.Ф.Глущенко и др. - Опубл. в Бюл. 1989, № 12.

© Т. Г. Белобородов - канд. техн. наук, Уфимский Государственный нефтяной технический университет; А. А. Панов - канд. техн. наук, Уфимский Государственный нефтяной технический университет; Т. А. Анасова - канд. техн. наук, Уфимский Государственный нефтяной технический университет; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф. Института биохимической физики РАН, chembio@sky.chph.ras.ru; А. К. Панов - д-р техн. наук, Уфимский Государственный нефтяной технический университет; Р. Я. Дебердеев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, deberdeev@kstu.ru; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ, stoyanov@mаil.ru.