Смесители с быстровращающимися роторами

В этих смесителях используется эффект псевдоожижения порошкообразных материалов, основанный на том, что при большой скорости движения частиц кинетическая энергия отдельных частиц оказывается больше работы, необходимой для преодоления сопротивления сил трения и сил тяжести. Благодаря этому каждая частица приобретает высокую подвижность, и движение ансамблей частиц оказывается подобным движению частиц жидкости. По этому принципу работают смесители «УкрНИИпластмаша», фирм «Хенкель», «Паненмайер» и др.

Степень псевдоожижения сыпучих веществ с помощью вращающейся в их среде лопастной мешалки определяется главным образом окружной скоростью лопастей, их формой, числом, размерами и их взаимным расположением, высотой слоя материала над лопастью, физическими и технологическими свойствами материала.

Переход сыпучего материала в псевдоожиженное состояние происходит через ряд промежуточных этапов, которым соответствуют различные форма свободной поверхности слоя и характер циркуляции материала (рис. 19).

При малых окружных скоростях лопасти ( м/с) материал начинает уплотняться и высота его слоя в сосуде уменьшается (рис. 19, а) по сравнению с первоначальным уровнем I – I. Очевидно, материал утрамбовывается, ликвидируются воздушные зазоры и достигается более плотная упаковка материала. При м/с (нижний предел относится к легким материалам типа талька, пресс-порошков, а верхний – к материалам типа мармалита, песка) частицы слоя начинают вибрировать, и продолжается уплотнение слоя с образованием в нем трещин (рис. 16, б). При м/с весь слой материала начинает медленно двигаться в сосуде, а отдельные частицы перемещаются по концентрическим окружностям (рис. 18, в). Дальнейшее увеличение до 2,5–3,5 м/с приводит к некоторому расширению слоя, который поднимается сначала только у вала, а затем во всем сосуде (рис. 19, г, д).

При м/с в массе около оси вращения образуется воронка, и материал начинает циркулировать от периферии к центру. Нижние слои материала поднимаются около стенки, направляются к оси по спиральным траекториям и затем как бы сливаются в центральную воронку (рис. 19, е). Направление циркуляции материала в этом случае прямо противоположно тому, которое наблюдается при продувании газа через слой материала.

При м/с циркуляция сыпучего материала становится весьма интенсивной. На свободной поверхности слоя появляются крупные волны, объем слоя заметно увеличивается (на 10–15%), материал переходит в псевдоожиженное состояние. Если продолжать увеличивать окружную скорость лопасти, то режим псевдоожижения материала становится бурным и со­провождается периодическими выбросами материала, фонтани­рованием из отдельных точек поверхности слоя. Чем больше толщина слоя материала, над лопастями рабочего органа, тем больше должно быть значение окружной скорости для псевдоожижения слоя. Уменьшение отношения высоты слоя материала к ширине лопасти благоприятно влияет на процесс. Для любого материала и любой конструкции рабочего органа характерна предельная высота слоя материала над лопастями, выше которой материал не переходите псевдоожиженное состояние.

Рис. 19.

При использовании в качестве рабочего органа радиальной прямоугольной лопасти с углом наклона к горизонтали 45° предельная высота слоя над лопастью для легких материалов (каолин, краситель, пресс-порошки) не превышает , а для сыпучих веществ со сравнительно большой насыпной массой и абразивных (песок, шифер, мармалит) – (где – ширина лопасти).

При окружных скоростях, соответствующих началу псевдожижения (рис. 19, д, е), циркуляция материала в слое протекает в основном в объеме над мешалкой. При дальнейшем увеличении скорости (рис. 19, ж, з) в циркуляцию вовлекаются и остальные слои материала.

В состоянии интенсивного псевдоожижения циркуляция материала распространяется на весь объем, и происходит ин­тенсивное перемешивание.

Расход энергии на создание псевдоожиженного слоя меха­ническим методом тесно связан с основными факторами, опре­деляющими этот процесс, и состоянием слоя в данный момент.

Эмпирическая зависимость, позволяющая рассчитать мощность привода W (кВт) в зависимости от свойств материала, окружной скорости и размеров лопасти имеет вид:

где – коэффициент сопротивления, зависящий от природы сыпучего материала;

– коэффициент уплотнения или разрыхления массы;

– угловая скорость лопасти, рад/с;

– насыпная масса материала, кг/м³;

, – ширина и длина лопасти, м;

– угол атаки, град;

– высота слоя сыпучего материала над лопастью, м;

– число лопастей ротора.

Перемещение частиц смеси осуществляется перемешивающим устройством в радиальном и аксиальном направлениях. Смесители с вертикальным расположением оси вращения перемешивающего устройства в технике переработки пластмасс занимают особое место, так как представляют собой универсальный высокопроизводительный тип машин. Эти смесители называют скоростными (центробежными) или тур­булентными смесителями. Перемешиваемая масса быстроход­ным перемешивающим устройством отбрасывается к стенкам смесителя. По стенке аппарата она поднимается вверх и пере­мещается вновь к центру смесителя. В вертикальное движение смеси вовлекается весь объем материала. Благодаря этому мас­са материала интенсивно перемешивается и разогревается под воздействием диссипативного тепловыделения. Такая картина наблюдается в случае горячего смешения в обогреваемой ка­мере, при этом время разогрева смеси невелико.

При холодном смешении частоту вращения необходимо выбирать такой, чтобы компенсировать тепловые потери за счет непрерывного контакта частиц материала с холодными стенками смесителя. Это достигается в смесителях центробежного типа (рис. 20). Объем смесителя составляет 10–2500 л при производительности до 5000 кг/ч. В промышленности пластмасс такие смесители используются в двух вариантах: с обогреваемыми (смесители горячего смешения) и охлаждаемыми (смесители холодного смешения) камерами, а иногда применяют смесительные агрегаты, в состав которых входят смесители как горячего, так и холодного смешения.

Рис. 20. Рис. 21.

Камеры смещения в этом случае снабжены рубашками, в которые подаются теплоноситель или хладагент, благодаря чему поддерживается необходимый температурный режим (см. рис 21).В этом случае рекомендуется следующее соотношение характеристик смесителей холодного и горячего смешения (индекс «1» относится к смесителям холодного, а индекс «2» - к смесителям горячего смешения):

где , – частоты вращения мешалок;

, – объемы смесительных камер;

, – диаметр камер смесителей;

, – мощности на валах мешалок.

В двухступенчатом смесителе порошкообразные компоненты подаются в верхнюю камеру через имеющийся в крышке пневматический клапан.

Во время загрузки ротор смесителя вращается с малой скоростью, соответствующей начальной стадии псевдоожижения. Одновременно с загрузкой порошкообразных компонентов в горячую камеру подаются жидкие компоненты – стабилизатор и пластификатор (из дозатора или вручную). Стадия загрузки занимает 1–3 мин. Через 30 с после окончания загрузки электродвигатель смесителя автоматически переключается на большую скорость, и материал в камере переходит в состояние интенсивного вихревого движения. В процессе смешения материал разогревается за счет трения частиц друг о друга и за счет тепла, подводимого от стенок корпуса (примерно 85% тепла генерируется за счет трения). По достижении заданной температуры (около 120 °С) термопара подает команду на выгрузку смеси в нижнюю камеру, предназначенную для охлаждения готовой смеси. Одновременно двигатели обеих камер переключаются на меньшую скорость вращения. Открывается заслонка разгрузочного окна, и горячая смесь по патрубку пересыпается в нижнюю камеру. Когда смесь из верхней камеры полностью пересыпается в нижнюю, заслонка вновь закрывается, а двигатель нижней камеры переключается на максимальную скорость вращения. При этом реализуется начальная стадия псевдоожижения. Смесь охлаждается за счет контакта с холодными стенками камеры.

Когда температура смеси снижается до 20–40 °С, заслонка разгрузочного люка открывается, а двигатель привода ротора вновь переключается на минимальную скорость вращения. Готовая смесь выгружается на транспортер или в приемный бункер для дальнейшего движения по технологическому циклу.

Производительность смесителя при емкости каждой камеры около 370 л достигает 0,56 т/ч.

Двухроторные смесители

Двухроторные смесители отличаются большим разнообразием конструкций; их можно применять для приготовления с подогревом или охлаждением пастообразных масс, смешения сыпучих материалов с небольшими добавками жидкости, а также для пластикации композиций полимерных материалов. Конструкция этих смесителей зависит от их назначения. Основными конструктивными элементами двухроторных смесителей являются рабочая камера, в которой с различной скоростью навстречу один другому вращаются два ротора, имеющие в зависимости от назначения различную конфигурацию.

Рис. 22.

На рис. 22 показана конструкция двухроторного смесителя с Z-образ-ными лопастями и опрокидывающейся рабочей камерой. Такие смесители предназначены для приготовления с подогревом или охлаждением пастообразных масс. Смеситель состоит из рабочей камеры 10 и двух Z-образных роторов 8, вращающихся в противоположные стороны с различными скоростями (180–200 об/мин). Рабочая камера снабжена крышкой 7 с быстродействующим затвором 6.

Роторы приводятся во вращение электродвигателем 2, связанным через муфту 3 и цепную передачу 4 с приводными шестернями, установленным на станине 1. Материал загружается в рабочую камеру смесителя при снятой крышке 7; для выгрузки готового продукта камера опрокидывается гидроцилиндром 11, работающим от гидроагрегата с электродвигателем 5. Для облегчения снятия крышки предусмотрен противовес 9. Температурный режим перемешивания поддерживается теплоносителем, для подвода и отвода которого предусмотрены штуцера 12 и 13. В смесителе имеются также технологический штуцер 14 для ввода жидких компонентов и воздушник 15 для удаления летучих составляющих из рабочей камеры вакуумированием.

Смесители с Z-образными роторами можно классифицировать по следующим признакам:

- по технологическому назначению:

1. смешение масс друг с другом и с жидкостями;

2. растворение твердых и густых масс в жидкости;

3. образование суспензий твердых масс в жидкостях или эмульсий жидкостей в густых массах;

4. измельчение нежестких масс;

5. смешение порошкообразных материалов с красителями.

- по конструктивным особенностям:

1. емкость камеры смесителя (5, 25, 100, 200, 400. 800, 2000 и 4000 л);

2. максимальная мощность привода (смеситель малой мощности – до 25 кВт, средней мощности – до 60 кВт, большой мощности – до 150 кВт);

3. способ выгрузки смеси (смесители с опрокидывающейся камерой и с выгрузкой смеси через отверстие в дне камеры);

4. форма лопастей (гладкие Z-образные, защищенные накладками от истирания; зубчатые; с четырехкрыльчатыми валами);

5. конструкция камеры (корыто без рубашки для обогрева; корыто с нагревателями сопротивления, с жидкостным обогревом, с покрытием внутренних стенок нержавеющей сталью;

6. конструкция крышки камеры (герметичная без давления; герметичные под давлением; для перемешивания пол вакуумом).

Z-образные лопастные роторы (рис. 23, а–г) имеют универсальное применение и могут использоваться при смешении между собой высоковязких масс или смешении их с жидкостями.

Рис. 23.

Лопасти с зубчатыми гребнями (рис. 23, е) используют для размельчения и смешения волокнистых материалов. Двухкрыльчатые лопастные валы (рис. 23, г) применяют для перемешивания небольших количеств материала; четырехкрыльчатые (рис. 23, д) предназначены для перемешивания с целью дегазации и растворения; многокрыльчатые валы (рис. 23, ж) применяют для смешения и увлажнения сыпучих материалов; с овальным ротором для закрытых роторных смесителей (ЗРС) (рис. 23, з); с трехгранными и четырехгранными роторами (рис. 23, к); с цилиндрическими роторами (рис. 23, и); овальные роторы с четырьмя лопастями (рис. 23, л).

Смесители, роторы которых занимают около 60% общего объема смесительной камеры, называют закрытыми роторными смесителям (ЗРС). Их применяют для смешения полимеров с наполнителями, приготовления полимерных композиций, введения в полимер стабилизаторов, пластификакаторов, красителей и других ингредиентов. Типичный ЗРС (рис. 24) состоит из камеры 2, образованной двумя стальными полуцилиндрами и двумя боковыми стенками 19; внутри камеры навстречу друг другу вращаются роторы 3. В массивных боковых стенках установлены роликовые подшипники роторов 20. Зазор между стенкой и шейкой роторов уплотняется специальным устройством 18.

Смесительная камера монтируется на чугунной станине 1. В верхней части камеры располагается загрузочное окно, над которым установлена загрузочная воронка 5 с откидывающейся заслонкой 6, передвигаемой пневмоприводом 4. При загрузке смесителя заслонка отклоняется к стенке воронки и открывает отверстие в боковой стенке прямоугольной загрузочной шахты, по которой смешиваемые материалы ссыпаются в смесительную камеру. По окончании загрузки заслонка возвращается в вертикальное положение, перекрывая при этом отверстие в стенке шахты и препятствуя выбросу пылящих компонентов наружу при работе смесителя.

В прямоугольной шахте расположен верхний затвор 10, установленный на штоке 9 воздушного цилиндра 7 с поршнем 8. При загрузке смесителя затвор перемещается в крайнее верхнее положение, открывая доступ в камеру смесителя. По окончании загрузки затвор опускается вниз и через окно в камере смесителя давит на находящийся в камере материал, создавая в нем избыточное гидростатическое давление, равное 0,35–0,7 МПа.

Рис. 24.

Выгрузка готовой смеси производится через нижнее окно в камере, которое во время загрузки и смешения закрыто нижним затвором 14, состоящим из фигурного клина, укрепленного на корпусе пневмоцилиндра 15. Шток 13, на котором установлен поршень пневмоцилиндра, укреплен на станине. Поэтому при подаче воздуха в одну из полостей цилиндра, последний вместе с клином перемещается по направляющим под смесительной камерой, закрывая или открывая камеру снизу. Подача сжатого воздуха в цилиндр осуществляется через каналы, просверленные в штоке 13.

В отечественной промышленности получили распространение ЗРС с овальными роторами – так называемые смесители типа Бенбери.

Процесс ламинарного смешения сопровождается интенсивным тепловыделением. Для отвода тепла смеситель имеет систему охлаждения. Роторы охлаждают конденсатом, поступающим во внутреннюю полость по трубам 16 и разбрызгиваемым по всей полости ротора через установленные на трубке форсунки. Из роторов охлаждающая вода сливается через воронку 77 и поступает в установленную на линии стока воронку 12.

Стенки камеры могут прогреваться пропускаемым через паровую рубашку паром и охлаждаться как пропусканием охлажденного конденсата через рубашку, так и орошением стенок камеры конденсатом снаружи, поступающим на поверхность камеры через многочисленные патрубки, присоединенные к коллектору 11.

Гребень нижнего затвора 14 и верхний затвор имеют полости, которые охлаждаются водой.

Привод ЗРС осуществляется, как правило, от синхронных электро-двигателей большой мощности через редуктор с помощью шарнирной муфты 21.

Для описания механизма процесса смешения в закрытом роторном смесителе рассмотрим схему взаимодействия рабочих органов смесителя (рис. 25). В начальной стадии процесса после загрузки всех компонентов рабочий объем камеры и часть червячных заполнены материалом. По мере смешения компонентов смесь становится более компактной и начинает занимать не весь объем, а лишь его часть. Верхний зазор заслоняет смесительную камеру и своей поверхностью служит продолжением внутренней стенки камеры.

Увеличение раздела между компонентами происходит за счет деформации сжатия, сдвига и растяжения в зазорах между роторами и стенкой камеры и в зазоре между роторами, причем в различных частях рабочей камеры смесителя интенсивность деформации компонентов смеси различна. В каждой части рабочего объема благодаря сложной конфигурации роторов создаются различные градиенты скорости сдвига, а, следовательно, и различная интенсивность смешения.

Схема взаимодействия рабочих органов закрытого роторного смесителя представлена на рис. 25

Рис. 25.

Наиболее интенсивное воздействие роторов на материал, т. е. наибольшая деформация сдвига, происходит в серповидных пространствах МКИП между поверхностью гребня ротора и стенкой камеры. Таким образом, наиболее интенсивная деформация сдвига осуществляется в объемах BEAO₁ и БМГПДО₂–I.

В зонах деформации ВО₁Н и НО₂В–II материал, увлекаемый вращающимися роторами, создает импульсное давление на крышку верхнего затвора, поднимая ее толчками вверх. В зоне III–НО₁АДО₂ перемещаемые роторами потоки смеси сталкиваются, и здесь происходит смещение потоков – вминание и вдавливание компонентов смеси в полимер. Далее смесь захватывается гребнями роторов, и, ударяясь о выступ верхней части крышки нижнего затвора, разделяется на два потока и увлекается в серповидную зону деформации I.

Гребни каждого из овальных роторов выполнены в виде прерывистой спирали и представляют собой как бы две винтовые нарезки. В любом поперечном сечении ротора каждый гребень имеет форму сужающегося в одну сторону эллипса. Поверхность каждого из роторов выполняется в виде двух винтообразных лопастей, одна из которых (длинная) имеет угол подъема винтовой линии 30° к образующей эллипса, а другая (короткая) – 45°. Угол закручивания каждой из лопастей 90°. Длина короткой лопасти составляет 0,35 рабочей длины ротора, а длинной – 0,65 рабочей длины. Благодаря такой конфигурации ротора возникает некоторое осевое перемещение резиновой смеси. Короткий гребень перемещает резиновую смесь в направлении, перпендикулярном к поверхности, образующей гребень ротора. Длинный гребень создает определенное сопротивление прохождению смеси.

Вследствие того, что длинный гребень одного ротора находится против короткого гребня другого ротора, наблюдается осевое перемещение резиновой смеси в виде пространственной восьмерки, и в камере резиносмесителя образуются линии тока компонентов, обеспечивающие получение высококачественного смешения. Как отмечалось выше, наибольшее значение деформации сдвига создается в серповидных пространствах между поверхностью гребня ротора и стенкой камеры. Деформацию смеси в этих зонах можно рассматривать как деформацию сдвига в канале с переменным уклоном при большом различии в расстояниях между ограничивающими поверхностями на входе и выходе из канала.