СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ И СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MIXING LOOSE MATERIALS AND DEVICE TO THIS END

Предложенные технические решения относятся к области переработки сыпучих материалов и могут быть использованы в химической, строительной, 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.
Известен также способ приготовления смеси 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 недостатка данного технического решения можно выделить следующее: 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.
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 быстрого выравнивания концентрации исходных компонентов в рядах рабочих органов и их направленной выгрузки через узлы, расположенные в крайних частях смесителя.
Известны также установка и способ приготовления смеси сыпучих материалов с возможностью регулирования положения лопаток в зависимости от периода процесса смешивания [пат. РФ 2398623 С1, МПК B01F 7/04. Способ смешивания сыпучих материалов и установка для его осуществления / Демин О.В., Першин В.Ф.; заявитель и патентообладатель Тамб. Гос. Техн. Ун-т - №200009115216/15; заявл. 21.04.2009, опубл. 10.09.2010, бюл. №25]. Недостатком данной установки и способа является то, что отсутствует возможность обеспечения дополнительного радиального перемещения частиц смешиваемого материала в пределах соседних рядов рабочих органов, что увеличивает время смешивания; применение механизма изменения угла поворота усложняет конструкцию установки, что приводит к дополнительным материальным затратам на изготовление, обслуживание и ремонт механизма, снижает надежность смесителя.
За прототип смесителя и способа взят смеситель с возможностью регулирования положения лопаток в зависимости от периода процесса смешивания [пат. РФ 2233197 С2, МКИ B01F 7/04, 3/18. Способ приготовления смеси сыпучих материалов и установка для его осуществления / Першин В.Ф., Демин О.В.; заявитель и патентообладатель Тамб. Гос. Техн. Ун-т - №2002100969; заявл. 08.01.02, опубл. 27.07.04, бюл. №21]. Недостатком данной установки и способа является то, что отсутствует возможность быстрого выравнивания концентрации исходных компонентов в рядах рабочих органов после их загрузки и образования активного обмена частиц в радиальном направлении при смешивании и выгрузке; применение механизма изменения угла поворота требует дополнительных материальных затрат на его изготовление, обслуживание и ремонт, снижает технологичность, повышает металлоемкость, снижает надежность смесителя.
Технической задачей изобретения является сокращение времени смешивания, повышение качества смеси и надежности смесителя.
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 γ=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 перемещением сыпучего материала большим направленным потоком с радиальным обменом частиц без потери ее однородности через узел выгрузки, что обеспечивает стабильное качество приготовленной смеси. Надежность смесителя повышается за счет отсутствия механизма изменения углов поворота лопаток относительно оси вращения вала, применения простого способа фиксирования и регулирования лопаток на валу. Уменьшается металлоемкость, повышается технологичность смесителя.
На фиг.1 изображен общий вид смесительной установки; на фиг.2 - кинетические кривые процесса смешивания.
Смеситель содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого расположен центральный вал 2, имеющий привод 3 (фиг.1). На валу 2 радиально 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. 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 γ=45°. Оси 6 лопаток 4 установлены в одном ряду рабочих органов под углом 90°. Оси 7 лопаток 5 установлены в одном ряду рабочих органов по углом 90°. Лопатки 4 на периферии выполнены скруглеными. Лопатки 5 на периферии выполнены прямыми. Установка имеет узлы загрузки компонентов 9 и узел выгрузки смеси 10.
Смешивание в смесителях данного типа обеспечивается за счет циркуляции материала по двум направлениям: осевом и радиальном.
ст.
ст.
опт
Комплексные исследования процесса смешивания сыпучих материалов в лопастном смесителе с рабочими органами, выполненными в виде плоских пластин [см. Совершенствование методов расчета и конструкций лопастных смесителей: Диссерт. на соиск. уч. степени канд. техн. наук / О.В.Демин - Тамбов, 2003. - 210 с.], показали, что при угле поворота лопаток в диапазоне φ… 90° (φ - угол трения сыпучего материала о поверхность рабочего органа) перед лопастью образуются потоки частиц сыпучего материала, равномерно распределяющиеся из зоны движения лопатки в соседние с ней зоны. В результате перемещение частиц происходит за счет сдвиговых процессов. В зависимости от физико-механических свойств смешиваемых материалов среднее значение оптимального угла поворота лопаток составляет α=45°, при котором имеют место максимальные значения объемов перемещения частиц при минимальных затратах энергии на этот процесс. Объем перемещаемого материала зависит от направления поворота лопатки, происходит разделение на большой и малые потоки.
Проведенные 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 (поток С и D) 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) (фиг.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 D за счет сил гравитации при воздействии на слой сыпучего материала лопаток 4 в пределах соседних рядов рабочих органов.
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). Интенсификация периодов конвективного и диффузионного смешивания позволяет значительно снизить время смешивания, организация контролируемой выгрузки обеспечивает стабильное качество готовой смеси без влияния сегрегации частиц.
Способ реализуется следующим образом.
опт
Лопатки 4 устанавливаются на угол α=45°, лопатки 5 - на угол α=(180°-45°=135°). 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 (фиг.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 D). Пример перемещения частиц сыпучего материала: вал 2 поворачивается на угол 45°. Лопатки 4 третьего ряда рабочих органов перемещают частицы материала вправо в четвертый ряд, образуется поток А вблизи корпуса 1 смесителя. Происходит активный обмен частиц между вторым, четвертым и третьим рядами в радиальном направлении, образуются потоки D. Вал 2 поворачивается еще на угол 45°. Лопатки 5, расположенные в четвертом ряду, перемещают частицы влево в третий ряд, образуется поток В вблизи вала 2. Активный обмен частиц происходит 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. Наблюдается активный обмен частиц между третьим, пятым и четвертым рядами в радиальном направлении, образуются потоки D. 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. Активный обмен частиц осуществляется 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 D. 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. Наблюдается 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. Осуществляется активный обмен частиц между третьим, пятым и четвертым рядами в радиальном направлении, образуются потоки D. 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 (фиг.1) к узлу выгрузки 10 в осевом направлении. Противоположный осевой поток В с радиальными потоками С и D обеспечивает контролируемый обмен частиц в радиальном направлении при выгрузке и стабильное качество готовой смеси.
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msubsup><mo><</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>2</mn><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>г</mi></mrow></msubsup><mo><</mo><msubsup><mi>t</mi><mn>2</mn><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>г</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>V</mi><mn>1</mn><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>s</mi><mo><</mo><msubsup><mi>V</mi><mn>2</mn><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mi>var</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
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
(фиг.2, кривая 1), направленное перемещение большим потоком уменьшает время выгрузки смеси
при обеспечении стабильного качества смесеприготовления
в сравнении со смешиванием, реализуемым в известных лопастных смесителях (фиг.2, кривая 2). Лабораторные испытания способа и смесителя с модельными материалами показали снижение времени смешивания на 4-5% по сравнению со смешиванием с обычным расположением рабочих органов.
опт
Отсутствие механизма изменения угла поворота лопаток и способ фиксации их осей на валу повышает технологичность смесителя, сокращает затраты на изготовление, обслуживание и ремонт смесителя, снижает металлоемкость, что увеличивает его надежность. Фиксированный угол поворота лопаток α=45° позволяет использовать смеситель для различных по физико-механическим свойствам материалов без его предварительной регулировки и настройки.