Смесители с псевдоожиженным слоем материала

В смесителях с быстровращающимися роторами используется эффект псевдоожижения порошкообразных материалов, основанный на том, что при большой скорости движения частиц кинетическая энергия отдельной частицы 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 отечественные смесители СС-100, двухстадийный смеситель «УкрНИИпластмаш», смесители зарубежных фирм «Хен-шель», «Папенмайер», «Ангерт», «Вернер – Пфляйдерер» и др.

При быстром вращении ротора с несколькими лопастями в массе сыпучего материала последний переходит в псевдоожиженное состояние. Можно выделить несколько промежуточных этапов, которым соответствуют различный характер движения материала и разные формы его свободной поверхности (рис. 4).

При сравнительно малых окружных скоростях ротора (и< <1 м/с) материал в камере смесителя начинает уплотняться. Высота его уровня по сравнению с исходной (/–/) при этом уменьшается (рис. 4а). При скорости 1–2 м/с поверхность порошка начинает слегка вибрировать, и на ней возникают глубокие трещины; уплотнение порошка продолжается (рис. 4, б). Когда скорость достигает 2–2,5 м/с, весь находящийся в сосуде материал начинает медленно вращаться. При этом отдельные частицы перемещаются по концентрическим окружностям, а плотность порошка начинает уменьшаться (рис. 4в). Увеличение окружной скорости до 2,5–3,5 м/с сопровождается дальнейшим уменьшением плотности (увеличением объема) порошка, поверхность которого вспучивается сначала в центре, вокруг вала мешалки (рис. 4г), а затем и по всей свободной поверхности (рис. 4,9).

При дальнейшем увеличении скорости до 4–5 м/с в центре поверхности порошка образуется глубокая воронка, и начинается интенсивное движение порошка от периферии к центру сосуда. Поднимающиеся снизу вдоль стенок потоки порошка по спиральным траекториям движутся к центру и, сливаясь, образуют центральную воронку (рис. 4, е). Наконец, при скорости 5–8 м/с порошок переходит в псевдоожиженное состояние. В массе перемешиваемого порошка наблюдается весьма интенсивная циркуляция. На поверхности порошка появляются крупные волны (рис. 4, ж). Если еще больше увеличить скорость вращения ротора, то движение порошка становится бурным и сопровождается периодическими выбросами материала, фонтанирующего из разных точек поверхностного слоя (рис. 4, з). Фактическое значение скорости, при которой начинается псевдоожижение, зависит от отношения высоты слоя порошка к ширине лопасти ротора.

Если в качестве ротора смесителя используют прямоугольные лопасти с углом атаки около 45°, то предельная высота слоя над лопастью, при которой еще наблюдается эффект псевдоожижения, для легких материалов (р «0,5 г/см³), например каолина, красителя, пресс-порошков, составляет около 10ft, а для материалов со сравнительно большой насыпной плотностью (р «Л г/см³), например для песка, шифера, мармалита – (где b – ширина лопасти).

В начальный момент псевдоожижения циркуляционное движение материала наблюдается в основном в слое, расположенном над лопастями мешалки (рис. 4, е). При дальнейшем увеличении окружной скорости в циркуляционное движение втягивается весь находящийся в смесителе материал, и происходит его интенсивное перемешивание. Эмпирическая формула, позволяющая рассчитать мощность привода W (кВт) в зависимости от свойств порошка, окружной скорости и размеров лопасти имеет вид

движению лопасти, зависящий от природы сыпучего материала; k_y–коэффициент уплотнения (или разрыхления) массы; р» – насыпная плотность материала, кг/м³; v – окружная скорость лопасти, м/с; b, L – ширина и длина лопасти, м; а – угол атаки, град; Я–высота слоя сыпучего материала над лопастью, м; i – число лопастей ротора.

Схема простейшего смесителя СС-100 для смешения сухих сыпучих и увлажняемых материалов, а также для приготовления жидких и пастообразных смесей представлена на рис. 5. Смеситель состоит из цилиндрической камеры 2 с рубашкой 3, укрепленных на сварной раме 6. Теплоноситель подается в рубашку 3 через расположенный внизу штуцер 4 и выходит из рубашки через штуцер // у верхнего края рубашки. Такое расположение штуцеров обеспечивает равномерный обогрев всей боковой поверхности камеры смесителя.

Внутри цилиндрической камеры вращается ротор 5, на валу которого насажены две мешалки 10. Нижняя мешалка напоминает обычный двухлопастный пропеллер, лопасти которого отогнуты в направлении, противоположном направлению вращения, и выгнуты по форме днища. Верхняя мешалка выполнена в виде обода, связанного тремя спицами со ступицей, которая насажена на консольный вал ротора. К боковой поверхности обода приварены две короткие лопасти, наклоненные под углом 45° к плоскости вращения. Для управления направлениями потоков материала внутри камеры установлена отражательная лопасть 1, поворачивая которую, можно изменять направление потока смеси. Привод ротора 5 осуществляется от электродвигателя 12 через клиноременную передачу 7.

Загрузка смешиваемых компонентов осуществляется через люк 12, выгрузка готовой смеси – через люк 8, перекрываемый во время работы смесителя затвором 9, который приводится в действие пневмоцилиндром. Аналогичным образом устроены смесители фирм «Хеншель» и «Хессен» (ФРГ), «Понтер Папенмайер» (Австрия) и комбината «Грейц» (ГДР).

Существуют также и двухкамерные смесители для работы по двухстадийному технологическому циклу. Типичная схема такого двухступенчатого смесителя представлена на рис. 6. Смеситель снабжен двумя смесительными камерами – для «горячего» 1 и «холодного» 17 смешения, установленными вместе с электродвигателями роторов на общей сварной станине 8. Для удобства чистки обе камеры имеют откидные крышки, на которых располагаются смотровые люки с подсветом. Обогрев верх ней камеры осуществляется жидким теплоносителем (глицерин, минеральное масло), циркулирующим в рубашке 2. Верхняя* камера закрывается откидной крышкой 23, на которой расположен загрузочный люк 24. Крепление крышки к камере осуществляется откидным винтовым зажимом 22. Открывание и закрывание крышки осуществляет пневмоцилиндр 3.

В верхней камере на валу 6 установлен комбинированный ротор, состоящий из крыльчатки 4 (диаметром 420 мм) и лопастного диска 5 (диаметром 560 мм). Привод ротора осуществляется от двухскоростного электродвигателя 9 (W= = 55 кВт, N= 1500/750 об/мин) через клиноременную передачу 7, обеспечивающую снижение частоты вращения ротора до 520/260 об/мин. При этом окружная скорость ротора соответственно составляет 15, 2/7, 6 м/с. Для управления направлением потоков смешиваемого материала в верхней камере установлена направляющая лопатка 25 с рукояткой 27. Внутри полой оси лопатки 26 расположена термопара, контролирующая температуру массы. Выгрузка смеси из верхней камеры производится через разгрузочный люк, перекрываемый затвором 20 с приводом от пневмоцилиндра 21. Нижняя камера 17 имеет охлаждающую рубашку 14. Она закрывается откидной крышкой 18 с помощью откидного винтового прижима 16. Перемешивание смеси в нижней камере осуществляется двухлопастным ротором 12, для привода которого используется двухскоростной электродвигатель 10 (W=10 кВт, Л= 1500/750 об/мин), соединенный с ротором клиноременной передачей и редуктором /Л Суммарное передаточное число привода равно 20. Следовательно, частота вращения ротора 12 составляет 75/37,5 об/мин. Готовая смесь выгружается через разгрузочный люк, перекрываемый затвором 13 с приводом от пневмоцилиндра 15.

Рис. 7. Двухступенчатый смеситель

Обе камеры смесителя во избежание коррозии изготовлены из нержавеющей стали. На всех затворах с пневматическими приводами и на крышках обеих камер установлены конечные выключатели, предотвращающие запуск двигателей смесителя при незакрытых затворах или крышках камер.

Смеситель работает следующим образом. Порошкообразные компоненты подают 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 393 К) 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 20 разгрузочного окна, и горячая смесь по патрубку 19 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 293–313 К (20 – 40 °С), заслонка 13 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.

Мощность W (кВт), потребляемую смесителем в режиме псевдоожижения, можно подсчитать по формуле

где с «sin ф – коэффициент сопротивления движению лопасти в режиме псевдоожижения (ф – угол естественного откоса); Ъ и L – соответственно ширинам и длина лопасти, м; а – угол атаки лопасти; // –высота слоя сыпучего материала над лопастью, м; 6_Д – зазор между краем лопасти и внутренней стенкой корпуса, м; р» – насыпная плотность, кг/м³; i-число лопастей ротора.