Смесители для сыпучих материалов

В химических производствах нашло применение большое число смесителей различных конструкций. Процесс смешения осуществляется за счет создания в аппарате циркуляционного движения компонентов по перекрещивающимся траекториям. Такое движение частиц сыпуче­го материала достигается в результате движения самого корпуса сме­сителя, его внутренних перемешивающих устройств, действия инерцион­ных сил.

В табл 3.1 показаны схемы основных видов смесителей для сыпу­чих материалов. В каждом из них имеются разновидности конструк­тивного исполнения. Ниже будут даны описания конструкции смесите­лей, нашедших наибольшее распространение.

Барабанные смесители с вращающимся корпусом без перемеши­вающих устройств относятся к наиболее распространенным машинам для смешения сыпучих материалов. Различаются они формой корпуса и его расположением по отношению к оси вращения. В промышленно­сти используются различные виды барабанных смесителей; их схемы показаны на рис. 3. 2.

Барабанные смесители относятся к тихоходным машинам периоди­ческого и непрерывного действия. Линейная скорость вращения бара­бана составляет обычно 0, 17—1 м/с.

В зависимости от степени заполнения в барабанных смесителях с цилиндрическим корпусом можно наблюдать три режима движения.

Таблица 3. 1.

Схемы основных видов смесителей

Вид смесителя	Разновидность конструктивных схем
Смесители для сыпучих материалов	Барабанный цилиндрический: / — барабан; 2 — бандаж; 3 — опора; 4 — привод; 5 — люк	Барабанный бикешический: / — барабан; 2 — опора; 3 т~ привод
	Лопастной одновальный: / — барабан; 2 — лопасти; 3 — вал приводной; 4 — привод	Барабанно-лопастной: / — бара­бан; 2 — лопасти; 3 — привод ло­пастей; 4 — опора барабана; 5 — полки; 6 — привод барабана
	Центробежный: / — тормоз рамки; 2 — кор­пус: 3 — конус; 4 — рамка; 5 — привод ко­нуса	С быстро вращающимся ро­тором:./ — корпус; 2 — диск верхний с прорезями; 5'—- диск нижний сплошной; 4 — при­водной вал
Смесители для сыпучих материалов	Пневматический с добавоч­ной мешалкой: / — корпус; 2 — мешалка лопастная; 3 — решетка; 4 — днище; 5 — подшипники; 6 — привод ме­шалки	Пневматический по принципу эрлифта: 1 — корпус; 2 — труба эр­лифта; 3 — решетка; 4 — труба для ввода воздуха в эрлифт
	Гравитационный ударно-распыли­тельный: / — штуцера для смеши­ваемых компонентов; 2 — лоток на­клонный; 3 — обечайка цилиндри­ческая; 4 — днище конусное; 5 — шибер; 6 — наконечник ударно-рас­пылительный
Мешалки для жидко­стей	Турбинная: / — вал привод­ной; 2 — закрытая турбинка; 3 — направляющий аппарат; 4 — корпус	Лопастная: / — при­вод; 2 — вал приводной; 3 — корпус; 4 — ло­пасть
	Пропеллерная: / — вал при­водной; 2 — корпус; 3 — диф­фузор; 4 — пропеллер	Якорная: / — вал привод­ной; 2 — лопасти (якорь); 3 -корпус

сыпучей массы: 1) при малой степени заполнения (3%) материал со­вершает колебательное движение, скользит по поверхности барабана как одно целое без перераспределения; 2) при заполнении барабана на 3—10% материал скользит по поверхности барабана как одно це­лое, оставаясь неподвижным в состоянии равновесия на некотором до­стигнутом уровне; 3) при степени заполнения барабана 30—70% ма­териал непрерывно обрушивается и перемешивается.

Барабанные смесители с цилиндрическим корпусом работают в третьем режиме.

В цилиндрическом смесителе с горизонтальной осью нет сил, ко­торые заставили бы перемещаться частицы вдоль оси барабана, хо­тя медленное продольное перемешивание в нем происходит. Это мож­но объяснить тем, что скользящая по плоскости частица за счет слу­чайных столкновений с другими частицами может отклониться от пря­мого пути, лежащего в плоскости сегмента, в ту или другую сторону.

Рис. 3.2. Схемы барабанных смесителей: а — цилиндрический го­ризонтальный; б — цилиндрический наклонный; в — биконический вер­тикальный; г — бицилиндрический; д — со сложным движением цилин­дра (чаши); е — биконический горизонтальный; ж — граненый горизон­тальный

Процесс подобных осевых перемещений частиц развивается медленно. Внешне он подобен процессу диффузии в жидкостях и газах.

Для увеличения продольных перемещений частиц в цилиндричес­ких барабанных смесителях с горизонтальной осью вращения (смесо­вых барабанах) внутри их корпуса монтируются специальные устройст­ва: Спиральные ленты (полки) и наклонные лопатки.

В фигурных барабанных смесителях (смесители б, в, г, д, е на рис. 3. 2) таких устройств не требуется, так как частицы, пересыпаясь, движутся по более сложным траекториям, обеспечивающим их продольное перемещение.

Для механизации загрузки, и разгрузки компонентов смеси часто в барабанных смесителях применяют специальные транспортирующие шнеки.

Барабанный смеситель, изображенный на рис. 3. 3, состоит из барабана.

Рис. 3.3. Барабанный смеситель со шнековым питанием и разгруз­кой: / — барабан; 2 — ленточная спираль; 3 — бандаж; 4 — продоль­ные полки; 5 — опорные катки; 6 — заслонка; 7 — реверсивный шнек 8 — труба; 9 — ручной привод для поворота заслонки

Дна внутренней поверхности, которого приварены ленточная, спираль 2 и четыре продольных полки 4 с перегородками реверсивно­го шнека 7, находящегося в трубе 8. На барабан надеты чугунные бан­дажи 3, которыми он опирается на четыре катка 5. Одна пара этих катков является приводной.

Загрузка в шнек производится через верхний патрубок при правом вращении. По окончании перемешивания шнек реверсируется, и про­дукт, поднимаемый в барабане полками и спиралью, попадает через: заслонку 6 на шнек и выгружается через нижний патрубок.

Смесительные барабаны, за исключением цилиндрического гори­зонтального, устанавливают только на цапфы с подшипниками кале­ния или скольжения:

Корпусы барабанных смесителей изготовляются, из листовой стали; с хорошими показателями износостойкости. Внутренняя поверхность, корпуса может быть необработанной, шлифованной, полированной, эмалированной.

Отечественные предприятия изготовляют барабанные смесители ма­рок СБН и СБУ. Их основные параметры:

Одноразовая загрузка — 1, 5—20 т

Диаметр барабана — 1400—2600 мм

Частота вращения барабана — 7—8 об/мин

Мощность привода барабана — 5, 5—20 кВт

Масса смесителя — 2, 5—11, 9 т

К преимуществам барабанных смесителей можно отнести: просто­ту устройства, возможность смешения компонентов без истирания и разрушения формы зерна, перемешивания абразивных компонентов. Их недостатки: плохое качество и длительный цикл смешения, большие энергетические затраты на единицу готовой смеси.

Барабаны цилиндрических смесителей непрерывного действия име­ют большую длину, их ось наклонена под углом до 4° к горизонту, что обеспечивает продвижение материала от одного терца (загрузочного) барабана к другому. Исходные компоненты поступают в барабан не­прерывно через течку, расположенную в торце. Готовая смесь выхо­дит через такую же течку с противоположного торца. Барабан приво­дится во вращение от шестерни, зацепляющейся с зубчатым венцом, жестко укрепленным на внешней поверхности барабана. В зависимости от длины барабана имеется два или более бандажей, посредством ко­торых смеситель опирается на ролики, образующие опорные станции, одна из которых является упорно-опорной, Опорные ролики монтируются на двух радиальных двухрядных сферических роликоподшипни­ках, устанавливаемых в отдельных корпусах.

Лопастные смесители являются универсальными. В них можно сме­шивать как сухие сыпучие материалы, так и увлажненные смеси и пасты. Изготовляются они с одним или в большинстве случаев с двумя валами, на которых смонтированы смесительные элементы. Последние имеют различные конструктивные исполнения. Некоторые конструкции лопастей напоминают червяки, вследствие чего такие смесители назы­вают червячно-лопастными. НИИХИММАШем разработаны двухзаль­ные горизонтальные смесители общего назначения (нормаль ОН 12-42-62), в которых компоненты смешиваются двумя горизонтальны­ми лопастными валками, вращающимися навстречу друг другу с раз­личной частотой. Днище корыта образовано двумя полуцилиндрами, внутренние поверхности которых могут быть футерованными (исполне­ние II) или полированными (исполнение I). При изготовлении корыт (корпусов) этих, смесителей учитывают, будут ли они работать при атмосферном давлении, под вакуумом до 150, мм рт. ст. или под избы­точным давлением до 0, 1 МП а.

Корыта могут иметь рубашку для нагрева или охлаждения сме­шиваемой массы. Для интенсификации процесса смешения и улучшения условий разгрузки готового продукта смесители типа СРШ имеют ре­версивный шнек, установленный в месте сопряжения двух полуцилинд­ров корыта. Такой смеситель показан на рис. 3.4.

Рис.3.4. Двухлапастный смеситель с реверсивным шнеком типа СРШ: 1 – корыто (корпус); 2 – реверсивный шнек; 3 – лопастный вал; 4 – торцовая стенка; 5 – фильера.

Торцовые стенки 4 камеры смешения (.корпуса) являются съемными, на их наружной стороне закрепляются опоры лопастных валов 3 и шнека 2. На передней стенке, кроме того, установлен выгрузной пат­рубок шнека с фильерой 5. Реверсивный шнек в зависимости от направ­ления вращения может интенсифицировать смешение или разгружать смесь.

Отечественные предприятия изготовляют смесители СРШ со сле­дующими основными параметрами:

Рабочая емкость корыта — 0, 005—0, 800 м³

Частота вращения переднего нала — 29, 5 — 16, 2 об/мин

39, 5 21, 7
Частота вращения шнека — 42, 5 об/мин

Мощность двигателя — 25—40 кВт

Масса — 5, 18—7, 72 т

Лопастные смесителя имеют значительно меньшую металлоемкость по сравнению с барабанными при одинаковых показателях энергозат­рат, времени смешения и объема перемешиваемого материала. Одна­ко при смешении компонентов, частицы которых значительно отличаются друг от друга по плотности, возможно отложение на дне корыта-тяжелых частиц.

С целью устранения этого явления и для большей интенсификации процесса смешения применяются барабанно-лопастные смесители (см. табл. 3. 1). Они являются комбинацией первого и второго видов смеси­телей и характеризуются тем, что в процессе смешения вращаются и барабан, и лопастный вал (одни или два). Направление вращения ба­рабана и лопастного вала может быть одинаковым и противополож­ным. В первом случае частоты вращения их различны. Барабанно-лопастные смесители могут работать в периодическом и непрерывном ре­жимах.

Рассмотренные виды смесителей относятся к тихоходным. Процесс смешения материалов ускоряется с увеличением частоты вращения смесительных устройств. Когда скорость их вращения достигает вели­чин, способствующих псевдоожижению материала, смесители относят­ся к машинам с быстровращающимся ротором.

Смесители с быстровращающимся ротором и псевдоожижением сы­пучего материала. Псевдоожижение сыпучего материала с помощью вращающейся в его среде лопастной мешалки зависит главным обра­зом от скорости вращения, формы и геометрических размеров лопастей, от высоты слоя материала над лопастью и его физико-механических свойств. Переход сыпучего материала в псевдоожиженкое состояние включает несколько этапов: при малых окружных скоростях лопасти (менее 1 м/с).материал уплотняется, и высота его слоя в сосуде сни­жается; при скорости 1—2 м/с частицы слоя начинают вибрировать, слой продолжает уплотняться с образованием трещин; рост скорости лопасти до 2—2, 5 м/с приводит к медленному движению материала в. сосуде и пер метению отдельных частиц по концентрическим окружно­стям; увеличение скорости до 3—3, 5 м/с вызывает некоторое расшире­ние слоя, который вспучивается сначала только у вала, а затем во всем сосуде; при скорости 4—5 м/с материал, образуя воронку вокруг вала, начинает циркулировать внутри сосуда; циркуляция материала становится наиболее интенсивной при скорости вращения лопасти 5— 8 м/с.

Экспериментально установлено, что чем выше слой материала над лопастями, тем больше должна быть скорость их вращения. Для каж­дого конкретного сыпучего материала и конструкции рабочего органа есть своя предельная высота слоя над лопастями, выше которой мате­риал не переходит в псевдоожиженное состояние.

В зависимости от конструкции ротора циркуляционные смесители с псевдоожиженнем слоя можно подразделить на лопастные, дисковые, шнековые. Эти смесители являются машинами периодического дейст­вия.

В лопастных циркуляционных смесителях на быетровращающомся валу установлены различного вида лопасти (прямоугольного сечения, фигурные и т. п.). Одна из моделей так or») смесителя показана на рис. 3.5.

В цилиндрическом корпусе 3 этого смесителя общей емкостью 1, 2 м³ вращается вал 2, на котором укреплены три радиальные лопа­сти 4 прямоугольного сечения с углом наклона плоскости лопасти к горизонту, равным 45°. Лопасти сдвинуты относительно друг друга на 60°. Вал вращается от электродвигателя 6 через коробку скоростей 5 и редуктор. Коробка скоростей позволяет подбирать оптимальный ре­жим работы для различных сыпучих материален, а в пусковые момен­ты работать на меньших скоростях.

Подлежащий смешению материал в количествах до 1 м³ загру­жается через штуцер /, а выгружается по окончании цикла смешения' через разгрузочную коробку 8 с задзижкой, из которой смесь транс-

Рис. 3.5. Лопастный смеситель с псевдоожижением материала: 1 — штуцер для загрузки компонентов; 2 — вал; 3 — корпус; 4 — лопасть; 5 — коробка скоростей; 6 — элект­родвигатель; 7 — шнек; 8 — ко­робка разгрузочная с задвижкой

нормируется на дальнейшую переработку шнеком 7 с индивидуальным приводом. Данные смесители используются в производстве продуктов тонкого органического синтеза. Лопастные циркуляционные смесите­ли непрерывного действия изготовляются обычно из нескольких царг, соединенных последовательно.

В дисковых циркуляционных смесителях (см. табл. 3. 1) разрых­ление и псевдоожнжение материала обеспечивается быстровращающимися дисками, один из которых (верхний) плоский и имеет прорези около центра, а второй (нижний) —сплошной со скругленными по фор­ме дна корпуса краями. При вращении дисков материал увлекается ими и перемешивается, проходя через прорези верхнего диска на ниж­ний и отбрасываясь последним к стенкам смесителя.

Смесители с дисковым ротором используются для сухого смешения поливинилхлоридных композиций, окраски полиэтиленового порошка, увлажнения порошкообразных и зернистых материалов.

Центробежные смесители. В смесителях этого типа для смешения материалов используются энергия вращающегося перемешивающего устройства и центробежная сила, под действием которой частицы дви­жутся и взаимно перемешиваются. Конструктивная схема центробеж­ного смесителя приведена на рис. 3. 6.

Основным рабочим органом смесителя является полый усеченный конус 5, смонтированный в корпусе 6, имеющем коническую нижнюю часть. Конус укреплен на вертикальном консольном валу 9, проходящем

Рис.3.6. Смеситель центробежный: 1 – штуцер для загрузки; 2 – крышка; 3 - рамка; 4 — ленточный тормоз; 5 — конус; 6 —корпус; 7 — электродвигатель; 8 — клиноременная передача; 9 — вал; 10 — клапанная коробка; 11 — подставка (основание); 12 — клапан; 13 — лопасть; 14 — отверстие.

через дно корпуса. К нижней части конуса жестко прикреплена лопасть. 13 наклоненная к горизонту под углом 45°. Конус имеет в своей нижней часта два отверстия 14.

Смеситель запружается сыпучим материалом через штуцер / (один или несколько), находящийся в крышке 2. Готовый продукт вы­гружается через клапанную коробку 10, прикрепляемую к дну корпу­са. Привод клапана 12, открывающий или удерживающий закрытым разгрузочное отверстие, ручной или пневматический. Корпус смесите­ля установлен на сварной подставке 11 цилиндрической формы. Вал 9 приводится во вращение от электродвигателя 7 через клиноременную передачу 5.

При вращении конуса 5 материал, попавший в него при засыпке, начинает вращаться под действием сил трения о стенки конуса. Части­цы материала под действием центробежной силы начинают двигаться по конусу вверх, пересыпаются через его верхний край и попадают в коль­цевое пространство между конусом и корпусом. Вследствие некоторого разрежения в нижней части конуса материал из кольцевой полости по­ступает через отверстия 14 опять внутрь конуса, образуя тем самым циркуляционное движение. Лопасть 13, вращаясь с конусом, увеличи­вает подвижность сыпучего материала в нижней части смесителя, спо­собствуя продвижению его внутрь конуса через отверстия. Материал перемешивается, как при подъеме ело по конусу вследствие разных - траекторий движения частиц, так и вне конуса в результате их пере­распределения во время отскока от стенок, опускания по кольцевому пространству вниз и псевдоожижения лопастной мешалкой 13.

Для материалов с плохой сыпучестью в корпусе устанавливают свободно вращающуюся рамку 3 с лопастями и скребкам, который вхо­дит внутрь конуса. Рамка вращается под действием кинетической энер­гии вращающегося сыпучего материала. Скорость вращения рамки ре­гулируется ленточным тормозом 4. Вследствие устанавливаемой с по­мощью тормоза разности скоростей вращения рамки и материала по­следний дополнительно перемешивается.

Центробежные смесители являются высокоинтенсивными и эффек­тивными смесителями, обеспечивающими в короткий период получение однородной смеси. Например, при перемешивании легких порошкооб­разных материалов коэффициент неоднородности готовой смеси состав­лял 1, 5—2%, в то время как в барабанных смесителях коэффициент неоднородности меньше 10—15% получить не удается.

Центробежные смесители могут работать в периодическом и непрерывном режимах.

В промышленности применяется центробежный смеситель непре­рывного действия, состоящий из отдельных царг, в каждой из которых имеется свой конус и лопасти. Смесь последовательно проходит все царги.

Пневмосмесители. Принцип действия этих смесителей основан на псевдоожиженного слоя сыпучего материала воздухом или инертным га­зом, кинетическая энергия которых используется для последующего перемешивания. Известно, что при псевдоожижении слоя сыпучего ма­териала газом его гомогенизация может, быть достигнута за очень ко­роткий промежуток времени. Этому способствуют продольное переме­шивание частиц и общая циркуляция массы в сосуде над газораспре­делительным устройством.

Однако одной только турбулизацией порошковых материалов газо­вым потоком, как правило, не удается получить достаточной однород­ности смешения, особенно если смешиваемые материалы отличаются формой зерен, их размерами и плотностями. Даже при равномерном распределении газового потока по сечению аппарата в ряде случаев на­блюдаются местные прорывы газа с образованием каналов— воронок.

Основной газовый поток проходит через эти каналы, и зернистый слой теряет свою подвижность, переходя в состояние фильтрующего слоя.

Наиболее эффективными мерами, предупреждающими воронкообразование или способствующими ликвидации образовавшихся воронок, а также улучшающими поперечную циркуляцию материала, являются. 1) правильный выбор аэрирующей решетки; 2) механическое переме­шивание с помощью лопастей медленно вращающиеся над аэрирую­щей решеткой; 3) воздействие на взвешенный слой дополнительными газовыми струями, но принципу эрлифта (см. табл. 3.1) или непрерывной подачей этих струй через полый вал и полости лопастей с перфо­рированной верхней пластиной, расположенных под аэрирующей ре­шеткой и вращающихся вокруг вертикальной оси.

Пневмосмесители работают как в периодическом, так и непрерыв­ном режимах. Они представляют собой вертикальные аппараты, в ниж­ней части которых находится газораспределительная решетка. Исход­ная сыпучая смесь поступает на эту решетку, а после смешения отби­рается, находясь во взвешенном состоянии, через выходной штуцер. При непрерывном режиме работы исходная смесь постоянно поступает в нижнюю часть аппарата непосредственно на аэрирующую решетку, а готовый продукт непрерывно отбирается в верхней части аппарата. Ожижающий воздух или инертный газ выходит через выхлопную тру­бу аппарата и попадает в сепараторы и фильтры для улавливания уно­симых мелких частиц смеси.