Смесители для жидкостей-и высоковязких материалов.

Перемешивание жидкостей находит широкое применение в хими­ческой промышленности для приготовления эмульсий, суспензий, одно­родных физических смесей, для интенсификации тепло- и массообмена и многих химических реакций.

Наибольшее распространение нашел механический способ переме­шивания, характеризующийся введением в перемешиваемую среду ме­ханической энергии из внешнего источника. Значительно реже исполь­зуется пневматическое (сжатым воздухом или инертным газом) пере­мешивание или перемешивание с помощью сопл и насосов.

Аппарат для механического смешивания жидкостей состоит обычно из корпуса (преимущественно вертикального), перемешивающего уст­ройства, включающего три основных элемента: собственно мешалку, вал и привод. Мешалка является рабочим элементом, закрепляемым на вертикальном, горизонтальном или наклонном валу. Привод может быть осуществлен либо непосредственно от электродвигателя (для быстроходных мешалок), либо через редуктор или кликеременную пе­редачу.

Механическое перемешивание осуществляется лопастными, пропел­лерными, турбинными и специальными мешалками.

Лопастные мешалки применяются для перемешивания маловяз­ких жидкостей (до. 10³ МПа-с), растворения или диспергирования твердых веществ с малым удельным весом.

Лопастные мешалки отличаются простотой конструкции и малой стоимостью изготовления. Наиболее просты мешалки с плоскими ло­пастями из полосовой или угловой стали, установленными перпендику­лярно или наклонно к направлению их движения (рис. 3.7). Частота вращения таких мешалок изменяется в интервале 18—80 об/мин. При превышении частоты вращения лопастей указанного предела эффективность снижается.

Поскольку в мешалках, изображенных на рис. 3. 7, создаются в основном горизонтальные потоки, не обеспечивающие во многих случаях

Рис. 3.7. Лопастная мешалка: / — привод; 2 — вал; 3 — наклад­ка; 4 — лопасть; 5 — шпонка; 6 —подпятник

эффективного перемешивания, то используются видоизмененные кон­струкции лопастей. Некоторое увеличение осевого потока жидкости достигается при наклоне лопастей под углом 30—45° к оси вала. Та­кая мешалка способна удерживать во взвешенном состоянии частицы, скорость осаждения которых невелика.

Для увеличения турбулентности среды в аппаратах с большим от­ношением высоты к диаметру используются многорядные двухлопаст­ные мешалки с установкой на валу нескольких рядов мешалок, повер­нутых друг относительно друга на 90°. Расстояния между соседними рядами выбираются в пределах (0, 3—0, 8) D, где D — диаметр ме­шалки.

Для перемешивания жидкостей вязкостью не более 10⁴ МПа-с, а также для аппаратов, обогреваемых с помощью рубашки или. внутрен­них змеевиков, особенно в случаях выпадения осадка или загрязнения теплопередающей поверхности, применяется якорные (напоминают по форме якорь) или рамные (см. табл. 3. 1) мешалки. Они имеют форму, соответствующую внутренней конфигурации аппарата, и диаметр, близ­кий к диаметру аппарата или змеевика. При вращении эти мешалки очищают стенки и дно аппарата от налипания.

К недостаткам лопастных мешалок относятся малая интенсивность перемешивания густых и вязких жидкостей, а также полная непригод­ность для перемешивания легко расслаивающихся веществ.

Пропеллерные мешалки применяются для интенсивного перемеши­вания маловязких жидкостей (до 2-10³ МПа-с), растворения, образо­вания взвесей, быстрого перемешивания, проведения химических реак­ций в жидкой среде, образования маловязких эмульсий и гомогениза­ции больших объемов жидкости.

Рабочей частью пропеллерной мешалки является пропеллер (см. табл. 3.1) —устройство с несколькими фасонными лопастями, изогну­тыми по профилю гребного винта. Наибольшее распространение получили трехлопастные пропеллеры. На валу мешалки в зависимости от высоты слоя жидкости устанавливаются один или несколько пропелле­ров. Пропеллерные мешалки создают преимущественно осевые потоки перемешиваемой среды, что позволяет сократить продолжительность перемешивания. Их эффективность сильно зависит, от формы аппарата и расположения в нем мешалки. Пропеллерные мешалки следует при­менять в цилиндрических аппаратах с выпуклыми днищами. При уста­новке их в прямоугольных аппаратах с плоскими днищами интенсив­ность перемешивания падает вследствие образования застойных зон.

Для улучшения перемешивания больших объемов жидкости и орга­низации направленного ее течения (яри большом отношении высоты аппарата к диаметру) используют направляющий аппарат, или диффу­зор. Он представляет собой цилиндрический или конический стакан, внутри которого размещается мешалка. При больших частотах враще­ния мешалки в аппарате без диффузора устанавливаются отражательные перегородки.

Турбинные мешалки применяются для образования взвесей, раство­рения, абсорбции газов, интенсификации теплообмена и проведения хи­мических реакций.

Рабочий элемент мешалки имеет форму колеса водяных турбин с плоскими, наклонными или криволинейными лопатками, укрепленны­ми, как правило, на вертикальном валу (см. табл. 3. 1). В аппаратах с турбинными мешалками создаются преимущественно радиальные по­токи жидкости. Однако при большой частоте вращения возможно воз­никновение тангенциального (кругового) течения содержимого аппара­та и образование воронки.

Турбинные мешалки могут быть открытого и закрытого типов. За­крытые турбинные мешалки имеют два диска с отверстиями в центре для прохода жидкости; диски сверху и снизу привариваются к плос­ким лопастям. Жидкость поступает в мешалку параллельно оси вала, выбрасывается ею в радиальном направлении и достигает наиболее удаленных точек аппарата, обеспечивая интенсивное перемешивание во всем объеме аппарата. При больших отношениях высоты аппарата к диаметру используются многорядные турбинные мешалки.

Отечественные предприятия выпускают турбинные мешалки с диа­метром турбин от 400 до 800 мм и частотой их вращения от 42 до 600 об/мин.

Специальные мешалки распространены в химической промышлен­ности в меньшей степени, чем указанные выше. К специальным отно­сятся дисковые, вибрационные и барабанные мешалки.

Рабочими элементами дисковых мешалок являются один или не­сколько гладких дисков, укрепленных на быстровращающемся валу. Течение жидкости в аппарате происходит в тангенциальном направле­нии за счет сил трения жидкости о диск. Иногда края диска делают зубчатыми. Диаметр диска составляет 0, 10—0, 15 диаметра аппарата. Окружная скорость изменяется в интервале 5—35 м/с.

Вибрационные мешалки имеют вал с закрепленными на нем одним или несколькими перфорированными дисками. Вал и диски совершают колебательные движения (обычно в вертикальном направлении), обес­печивающие интенсивное перемешивание жидкостей: Энергия, потреб­ляемая этими мешалками, невелика. Они используются для перемеши­вания жидких суспензий преимущественно в аппаратах, работающих под давлением. Время, необходимое для растворения, гомогенизации, диспергирования, при применении вибрационных Мешалок значительно сокращается. Поверхность жидкости при перемешивании остается спо­койной, воронок не образуется. Вибрационные мешалки изготовляются диаметром, до 300 мм и применяются в аппаратах емкостью не более 3 м³.

Выбор того или иного типа мешалок определяется целевым назна­чением перемешивающих устройств и конкретными условиями протека.

Смесители для вязких и пастообразных материалов. Для переме­шивания высоковязких материалов применяются роторные, валковые, червячные смесительные машины и бегуны. Наибольшее распростране­ние в общехимических производствах нашли двухроторные машины без давления, которые называются мешателями, и машины с постоян­ным давлением на массу, обеспечивающим ее поджатие к перемеши­вающим органам, — пластосмесители.

Валковые и червячные машины используются в специальных про­изводствах, в частности, для гомогенизации и пластикации синтетичес­ких смол, резиновых смесей и им подобных материалов. Они относят­ся к специальному оборудованию и в настоящем учебном пособии не рассматриваются. Достаточно обширные сведения об этих машинах можно получить в работах [50, 22].

Мешатели являются машинами более энергоемкими по сравнению со смесителями для сыпучих и жидких продуктов. Их корпус, роторы и другие элементы конструкции обладают большей жесткостью. При конструировании этих машин приходится решать задачи теплоотвода, механизации загрузки и выгрузки, чистки и т. п.

Обогрев корпуса мешателей может быть паровым, водяным или электрическим. Для охлаждения.корпуса (при перемешивании высоко-вязких материалов) используется вода, циркулирующая в рубашке или в специальных каналах корпуса.

Разгрузка смесителей механизируется путем опрокидывания кор­пуса, открытия откидной боковой стенки, установки в нижней части корыта разгрузочного шнека или затвора (чаще всего гидравлическо­го типа).

Для опрокидывания корпуса мешателя используются следующие способы: опрокидывание с помощью цепей, жестко соединенных с дни­щем корыта и перекинутых через две приводные звездочки, располо­женные на стойке смесителя; опрокидывание с помощью вертикально­го винта и движущейся по нему гайки, соединенной посредством ры'-чагоз с корпусом; опрокидывание с помощью гидроцилиндра.

Как показала практика эксплуатации, наилучшие результаты да­ст разгрузка готовой массы с помощью специального шнека (смесителя серии СРШ, см. рис. 3.4), с нижней выгрузкой через затвор, а также путем опрокидывания корпуса с помощью гидроцилиндра. В дальней­шем предполагается заменить машины с поворотом корпуса на маши­ны с неподвижным корпусом, снабженным специальным затвором. Один из видов таких смесителей показан на рис. 3. 8.

Смеситель состоит из корпуса 2 с крышкой /, в которой разме­щены штуцера для подачи сырья и люк для разгрузки готового про­дукта. Корпус и торцовые стенки смесителя снабжены рубашками для обогрева паром под давлением 060 МПа.

В корпусе размещены две Z-образные лопасти 17 (роторы), вра­щающиеся навстречу друг другу. Частота вращения переднего рото­ра— 44, 2 об/мин, заднего — 24, 4 об/мин.

Вращение лопастей осуществляется от электродвигателя 16 взрызо-безопасного типа (N = 42 кВт, п= 1500 об/мин) через муфту 12, ци­линдрический двухступенчатый редуктор 13 (i= 15, 75), зубчатую муф­ту 15 и пару зубчатых колес, заключенных в кожух 11.

Готовый продукт выгружается из корпуса через дза люка 9, раз­мещенных в- нижней части каждой половины корпуса. Люки открыва­ются.и закрываются вручную с помощью рукоятки 4 или механическо­го привода от электродвигателя 3 (N = 5 кВт) через муфту, коничес­кий редуктор и винт с гайкой. Винт, перемещая гайку, передвигает по направляющим 10 нижнюю шаровую опору 7, в которой закреплен кронштейн 8, соединенный шарннрно с люком 9. При перемещении

Рис. 3.8. Смеситель емкостью 2000 м³ с па­ровым обогревом и ниж­ней выгрузкой смеси: / —. крышка; 2 — кор­пус; 3, 16 — электро­двигатели; 4 — рукоят­ка ручной разгрузки; 5 — фундаментная пли­та для корпуса; 6 —винт с ганкой; 7 — -шаровая опора нижняя; 8 — шар­нир-кронштейн: 9 — раз­грузочный люк; 10 — направляющие опоры; // — кожух; 12 — уп­ругая муфта; 13 — ре­дуктор; 14 — плита для привода; 15 — зубча­тая муфта; 17 — лопасть

влево опора 7 освобождает место опускания люка вниз. Места шарово­го соединения кронштейна с люком и опорой закрыты кожухами.

Корпус смесителя с механизмом разгрузки расположен на фунда­ментной плите 5, электродвигатель привода роторов с редуктором — па плите 14. Масса смесителя 19 т.

Типовые формы лопастей показаны на рис. 3. 9.

Основные параметры смесителей с. Z-образными лопастями пе­риодического действия общего назначения нормализованы НИИХИММАШем. Их основные технические данные:

Рабочий объем - 5÷ 600 л

Диаметр лопастей - 110÷ 600 мм

Частота вращения передней лопасти - 40÷ 20 об/мин
Мощность электродвигателя привода

роторов - 0, 8÷ 40 кВт

для смешения и глубокой гомогенизации пластических масс применяются пластомеры серии ПС. Упрощенная конструктивная схема машины ПС-140 показана на рис 3 10.

Масса загружается в камеру 5 из воронки 3 при открытой откидной крышки 2. с помощью пневмоцилиндра 1 масса проталкивается плунжером 4 и во время перемешивания вжимается в зазор между фигурными валками 6, вращающимися навстречу друг другу. Готовая масса разгружается через нижнее отверстие, перекрытое в период перемешивания скользящим затвором 8 (при этом затвор 8 перемещается в плоскости, перпендикулярной чертежу с помощью пневмоцилиндра.).

Рис. 3.9. Формы лопастей (роторов) двухвальных смесителей: а —. г — для перемешивания масс умеренной вязко­сти; е — для масс с во­локнистыми компонента­ми; д, ж — для вязких (тяжелых) масс

Рис.3.10. Пластосмеситель серии ПС в поперечном разрезе: 1 - пневмоцнлиндр; 2 — крышка воронки; 3 — воронка для загрузки; 4 — плунжер; 5 — ка­мера перемешивания; 6 — фигурные валки; 7 — станина; 8 — разгрузочный затвор

Камера, валки и затвор имеют водяное охлаждение. Модель ПС-140 полезной емкостью 140 л (при полном объеме камеры 253 л) потребляет мощность до 240 кВт при частоте вращения валков 17/20 об/мин.

. Отечественные предприятия выпускают также пластосмесители СП-45 и СП-180.