Интенсификация смешивания сыпучих материалов в лопастном смесителе

УДК 621.6.04:66

О.В. Дёмин, В.Ф. Першин, Д.О. Смолин

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В ЛОПАСТНОМ СМЕСИТЕЛЕ

(Тамбовский государственный технический университет) e-mail: soprm@nnn.tstu.ru

Представлены результаты исследований перемещения частиц сыпучих материалов в лопастных смесителях. Рассмотрен способ снижения времени смешивания сыпучих материалов за счет активного обмена частиц в радиальном направлении и конструкция одновального лопастного смесителя для его осуществления, обеспечивающая интенсификацию смешивания и выгрузку готовой смеси без потери ее однородности.

Ключевые слова: лопастной смеситель, сыпучий материал

Лопастные смесители получают широкое распространение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их отличает управляемость процессом смешивания, универсальность, высокая производительность, быстрая и несложная переналадка для работы с различными сыпучими материалами, в том числе с добавлением жидковязких компонентов. Смешивание в смесителях данного типа обеспечивается за счет циркуляции материала по двум направлениям: осевому и радиальному [1-3].

Исследования процессов перемещения частиц в одновальном лопастном смесителе позволили предложить несколько способов и устройств для их осуществления, позволяющих значительно сократить время смешивания и повысить качество смеси [4-6]. Интенсификация смешивания и организация выгрузки обеспечивается механизмом изменения углов поворота лопаток относительно оси вращения вала и их расположением в рядах рабочих органов. Однако при модернизации существующего смесительного оборудования актуальным является минимальное изменение в конструкции. Решение поставленной задачи достигается тем, что загрузку компонентов осуществляют одновременно через различные узлы загрузки, расположенные по длине смесителя. Фиксированный угол поворота и расположение лопаток, установленных поочередно на различном расстоянии от вала со смещением их осей на угол у=45° в соседних рядах рабочих органов, обеспечивает быстрое выравнивание концентраций исходных компонентов в осевом направлении за счет двух противоположно направленных потоков и интенсифицирует процессы конвективного и диффузионного смешивания за счет дополнительного активного обмена частиц в радиальном направлении в пределах соседних рядов рабочих органов. Выгрузка обеспечивается сдвиговым пе-

ремещением сыпучего материала с радиальным обменом частиц без потери однородности смеси через узел выгрузки, что обеспечивает стабильное качество приготовленной смеси.

Смеситель содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого расположен центральный вал 2 , имеющий привод 3 (рис. 1). На валу 2 ра-диально по винтовой линии установлены поочередно рабочие органы - лопатки 4 и 5, выполненные в виде плоских пластин. Лопатки 5 расположены ближе к валу 2, а лопатки 4 - ближе к корпусу 1 смесителя. В каждом ряду рабочих органов расположены четыре лопатки: две лопатки 4 и две лопатки 5. Лопатки 4 и 5 жестко соединены с осями 6 и 7 соответственно, установленными на валу 2 посредством резьбового соединения. Изменение угла поворота лопаток 4 и 5 осуществляется вручную за счет завинчивания или вывинчивая оси 6 и 7. Фиксация угла поворота лопаток осуществляется гайками 8. Направление лопаток 4 и 5 противоположное. Оси 6 и 7 лопаток 4 и 5 установлены друг к другу под углом у=45°. Оси 6 лопаток 4 установлены в одном ряду рабочих органов по углом 90°. Оси 7 лопаток 5 установлены в одном ряду рабочих органов под углом 90°. Установка имеет узлы загрузки компонентов 9 и узел выгрузки смеси 10.

Исследования движения лопатки в слое сыпучего материала на плоской модели показали, что при одинаковой площади активной части воздействия лопатки на сыпучий материал имеет место наиболее активный обмен частиц в радиальном направлении (потоки С и О) в случае разделения действия лопатки на две части: одна лопатка расположена ниже другой (нижний поток А) и перемещается в слое сыпучего материала перед лопаткой расположенной выше (верхний поток В) (рис. 1). Образуется активное перемещение частиц

в радиальном направлении с потоками С в направлении поворота за счет воздействия на слой сыпучего материала лопаток 5 и с потоками Б за счет сил гравитации при воздействии на слой сыпучего материала лопаток 4 в пределах соседних рядов рабочих органов.

тенсификация периодов конвективного и диффузионного смешивания позволяет значительно сократить время смешивания, организация контролируемой выгрузки обеспечивает стабильное качество готовой смеси без влияния сегрегации частиц.

Способ реализуется следующим образом. Лопатки 4 устанавливаются на угол а= аопт (где а0пт = 40...50° - оптимальные значения), лопатки 5 на угол - а=(180° - аопт)- Производится одновременная загрузка нескольких компонентов через различные узлы 9, расположенные вдоль смесителя при вращении вала 2 с лопатками 4 и 5 для снижения пусковых нагрузок на привод 3 (рис. 1). После загрузки вдоль оси смесителя концентрация исходных компонентов крайне неравномерная. Образуется быстрое выравнивание концентрации компонентов в рядах рабочих органов вдоль смесителя, интенсификация конвективного и диффузионного периодов смешивания за счет сдвигового осевого перемещения частиц двумя противоположными потоками А и В и активного обмена частиц в радиальном направлении между соседними рядами рабочих органов (потоки С и Х>).

Рис. 1. Схема смесителя: 1 - корпус; 2 - вал; 3 -привод; 4,5 - лопатки; 6,7 - оси лопаток; 8 - гайка; 9 - узел загрузки;

10 - узел выгрузки Fig. 1. The scheme of the mixer: 1 - body; 2 - shaft; 3- drive; 4,5 - blades; 6,7 - axises of blades; 8 - screw; 9 - download unit;

10 - unloading unit

Смешивание в смесителе сыпучих материалов складывается из следующих одновременно протекающих элементарных процессов [1]: перемещение группы смежных частиц из одного места смеси в другое внедрением, скольжением слоев (процесс конвективного смешивания); перераспределение частиц компонентов через свежеобразованную границу их раздела (диффузионный процесс смешивания); сосредоточение частиц, имеющих одинаковую массу в соответствующих местах смесителя под действием гравитационных или инерционных сил (процесс сегрегации). Ин-

Рис. 2. Схема перемещений частиц по потокам в рядах рабочих органов за один полный оборот вала: A, B, C, D - потоки частиц

Fig. 2. The scheme of particles movement on fluxes in the ranks of the working bodies over one complete revolution of shaft: A, B, C, D - particle fluxes

Пример перемещения частиц сыпучего материала: вал 2 поворачивается на угол 45°(рис. 2). Лопатки 4 третьего ряда рабочих органов перемещают частицы материала вправо в четвертый ряд, образуется поток A вблизи корпуса 1 смесителя. Происходит активный обмен частиц между вторым, четвертым и третьим рядами в радиальном направлении, образуются потоки Б. Вал 2 поворачивается еще на угол 45°. Лопатки 5 расположенные в четвертом ряду перемещают частицы влево в третий ряд, образуется поток B вблизи вала 2. Обмен частиц осуществляется между четвертым и третьим рядами в радиальном направлении, образуется поток С. Вал 2 поворачивается еще на угол 45°. Лопатки 4 четвертого ряда рабочих органов перемещают частицы материала вправо в пятый ряд, продолжая поток A вблизи корпуса 1 смесителя.

Наблюдается активный обмен частиц между третьим, пятым и четвертым рядами в радиальном направлении, образуются потоки Х>. Вал 2 поворачивается еще на угол 45°. Лопатки 5 третьего ряда рабочих органов перемещают частицы влево во второй ряд, продолжается поток В вблизи вала 2. Обмен частиц происходит между третьим и вторым рядами в радиальном направлении, образуется поток С. Вал 2 поворачивается еще на угол 45°. Лопатки 4 третьего ряда рабочих органов перемещают частицы материала вправо в четвертый ряд, продолжается поток А вблизи корпуса 1 смесителя. Происходит активный обмен частиц между вторым, четвертым и третьим рядами в радиальном направлении, образуются потоки X). Вал 2 поворачивается еще на угол 45°. Лопатки 5 расположенные в четвертом ряду перемещают частицы влево в третий ряд, продолжается поток В вблизи вала 2. Осуществляется активный обмен частиц между четвертым и третьим рядами в радиальном направлении, образуется поток С. Вал 2 поворачивается еще на угол 45°. Лопатки 4 четвертого ряда рабочих органов перемещают частицы материала вправо в пятый ряд, продолжая поток А вблизи корпуса 1 смесителя. Обмен частиц наблюдается между третьим, пятым и четвертым рядами в радиальном направлении, образуются потоки Х>. Вал 2 поворачивается еще на угол 45°. Лопатки 5 третьего ряда рабочих органов перемещают частицы влево во второй ряд, продолжается поток В вблизи вала 2. Происходит активный обмен частиц между третьим и вторым рядами в радиальном направлении, образуется поток С. Произошел один полный оборот вала (360°) и процесс перемещения частиц повторяется. Аналогичный процесс происходит во всех соседних рядах рабочих органов.

Выгрузка готовой смеси происходит ее направленным перемещением большим потоком А (рис. 1) к узлу выгрузки 10 в осевом направлении. Противоположный осевой поток В с радиальными потоками Си Б обеспечивает контролируемый обмен частиц в радиальном направлении при выгрузке и стабильное качество готовой смеси.

1 t 1 \ V

о 1 J.CM < 1 ) f.6il2 £ .еыг '2 _ f ,с

4 ¡см 2

Рис. 3. Кинетические кривые смешивания Fig. 3. Kinetic curves of mixing

Активный обмен частицами между противоположными осевыми потоками вблизи корпуса и вала в радиальном направлении в пределах соседних рядов рабочих органов реализуемый конструктивными особенностями предложенного смесителя обеспечивает быстрое выравнивание концентраций компонентов в осевом направлении при их одновременной загрузке через различные узлы и интенсифицирует периоды конвективного и диффузионного процессов смешивания, что снижает время смешивания (t" < t") (рис. 3 кр. 1), направленное перемещение большим потоком уменьшает время выгрузки смеси (t"bU < tT") при обеспечении стабильного качества смесеприго-товления (V" = cons < V" = var) в сравнении со смешиванием, реализуемым в известных лопастных смесителях (рис. 3 кр. 2). Лабораторные испытания способа и смесителя с модельными материалами показали снижение времени смешивания на 4-5% по сравнению со смешиванием в смесителе с обычным расположением рабочих органов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Макаров Ю. И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение. 1973. 216с.; Makarov U.I. Apparatus for mixing granulated materials. M.: Mashinostroenie. 1973. 216 p. (in Russian).

2. Баранцева Е.А., Хохлова Ю.В., Мизонов В.Е., Ber-thiaux H., Gatumеl C. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2008. Т. 51. Вып. 7. С. 108-110; Barantseva E.A., Khokhlova Yu.V., Mizonov V.E., Berthiaux H., Gatumеl C. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2008. V. 51. N 7. P. 108-110 (in Russian).

3. Баранцева Е.А., Хохлова Ю.В., Мизонов В.Е., Ber-thiaux H., Gatumеl C. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. Вып. 8. С.126-128;

Barantseva E.A., Khokhlova U.V., Mizonov V.E., Berthiaux H., Gatumеl C. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved.

Khim. Khim. Tekhnol. 2009. V. 52. N 8. P. 126-128 (in Russian).

4. Першин В.Ф., Дёмин О.В. Патент РФ №2233197. 2004; Pershin V.F., Demin O.V. RF Patent №2233197. 2004 (in Russian).

5. Дёмин О.В., Першин В.Ф., Комарова И.А. Патент РФ №2398622. 2010

Demin O.V., Pershin V.F., Komarova I.A. RF Patent №2398622. 2010 (in Russian).

6. Дёмин О.В., Першин В.Ф. Патент РФ №2398623. 2010. Demin O.V., Pershin V.F. RF Patent №2398622. 2010 (in Russian).

Кафедра прикладной механики и сопротивления материалов

УДК 66.02.001.57

А.Б. Голованчиков, Н.А. Дулькина, Ю.В. Аристова

РАСЧЕТ ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА С ДИФФУЗИОННОЙ МОДЕЛЬЮ СТРУКТУРЫ ПОТОКОВ И РАЗНЫМИ ЧИСЛАМИ ПЕКЛЕ ПО РЕАГИРУЮЩИМ КОМПОНЕНТАМ*

(Волгоградский государственный технический университет) e-mail: Arisjulia@yandex.ru, pahp@vstu.ru

Рассмотрено влияние диффузии двух разных индикаторов на структуру потоков в аппарате непрерывного действия и предложен алгоритм численного расчета диффузионной модели для случая, когда в реакторе для простой реакции по реагирующим компонентам А и В числа Пекле имеют значительное отличие.

Ключевые слова: структура потока, диффузионная модель, число Пекле, реактор смешения, реактор вытеснения

Обычно при моделировании реакторов предполагают, что структура потоков реагирующих компонентов одинаковая. Так, для простой реакции [1-3]

А + В ^ Я

при описании структуры потоков диффузионной моделью полагают, что числа Пекле одинаковые для обоих реагирующих компонентов А и В

Реа=Рев=Ре

Однако известны процессы, когда по одному реагирующему компоненту структура потоков соответствует режиму вытеснения, а по другому - режиму смешения [4].

В крайнем случае для идеальных моделей диффузия Оа ^ 0, Реа ^ да, то есть по компоненту А структура потока соответствует режиму идеального вытеснения, а ^ да, Рев ^ 0, то есть по компоненту В структура потока соответствует режиму идеального смешения.

Для экспериментального подтверждения влияния диффузии на структуру потоков была проведена серия опытов в аппарате непрерывного действия объемом V = 5 л, диаметром В = 0,2 м с диаметром лопастей мешалки йм = 0,04 м при числе оборотов п = 1 об/с. Методика снятия и обработки кривых отклика на стандартный импульсный сигнал описана в работах [1, 2, 5]. Однако в отличие от известной методики авторы использовали в качестве индикатора два насыщенных раствора - хлорида калия с коэффициентом диффузии в воде ионов К+ В1 = 19,6-10-1° м2/с и хлорида кальция Са2, у которого коэффициент диффузии В2 = 7,92-10-1° м2/с, то есть в 2,5 раза меньший [1-3]. Обработка кривых отклика для первого индикатора привела к значениям дисперсии О12=0,42 и числу Пекле продольной диффузии Рех=3,4 -для второго "тяжелого" индикатора ст22=0,24 и Ре2=1,\1.

Материал печатается в порядке обсуждения