125177 (Оборудование для смешения полимерных материалов)

Оборудование для смешения полимерных материалов

Смешение широко применяют в различных отраслях промышленности, в том числе в производстве и при переработке пластмасс. Известно, что в подавляющем большинстве случаев чистый полимер не обладает нужным комплексом свойств и не может использоваться для изготовления изделий. Поэтому смешение применяют для введения в базовый полимер пластификаторов, наполнителей, стабилизаторов, красителей, пигментов, противостарителей, структурообразователей и других добавок.

Процесс смешения можно осуществлять в системах твердое сыпучее вещество – твердое сыпучее вещество, жидкость – жидкость, твердое сыпучее вещество – жидкость.

Классификация смесителей для полимерных материалов

Применяемые в настоящее время в промышленности смесители для пластмасс можно классифицировать следующим образом: 1) по физическому состоянию исходных компонентов – смесители для сыпучих материалов (без изменения физического состояния), низковязких и высоковязких жидкостей, вязкоэластичных жидкостей (с изменением в процессе смешения агрегатного состояния смеси); 2) по характеру процесса смешения – смесители периодического и непрерывного действия; 3) по механизму процесса смешения – смесители конвективного, диффузионного и конвективно-диффузионного смешения; 4) по режиму процесса смешения – смесители турбулентного и ламинарного смешения; 5) по способу воздействия на смесь – смесители гравитационные, центробежные, сдвиговые; 6) по конструктивному признаку – смесители барабанные (без перемешивающих и с перемешивающими устройствами), с быстроходными, тихоходными, планетарными, овальными, Z-образными, червячными роторами, дисковые и т.д.

На практике при классификации смесителей определяющим обычно является признак физического состояния и конструктивный, хотя в ряде случаев, как это будет показано ниже, могут использоваться любые из перечисленных выше признаков.

Статистическая теория смешения

Смешение – это физический процесс, целью которого является получение однородной смеси, состоящей из двух и более компонентов. При этом начальное состояние системы характеризуется упорядоченным распределением компонентов, а конечное – неупорядоченным, статистически случайным распределением компонентов.

Для реализации процесса смешения смеситель должен обеспечить проведение по меньшей мере двух процессов: измельчения (диспергирования) одного из компонентов (например, при получении дисперсий несмешивающихся жидкостей), в некоторых случаях сопровождающегося изменением физического состояния компонентов (растворением, плавлением, поглощением); статистически случайного распределения ингредиентов по всему объему смеси.

В состав любой смеси обычно входят два или более компонентов. Компонент смеси, концентрация которого выше всех остальных, называется дисперсионной средой (ДС). Компоненты смеси, распределяемые в дисперсионной среде, называют диспергируемой фазой (ДФ). В многокомпонентных системах смешение рассматривается как процесс последовательного смешения каждого компонента по очереди с ранее приготовленной смесью, играющей роль дисперсионной среды.

Для статистической оценки качества процесса смешения необходимо ввести понятия «размер предельной частицы» и «размер пробы».

Предельная частица – это наименьшая по размеру частица ДФ, получающаяся в процессе смешения. Предельные частицы могут быть молекулярных, коллоидных, микроскопических и макроскопических размеров. В истинных растворах предельными частицами являются молекулы ДФ. Наибольших размеров предельные частицы достигают при сухом смешении порошков или гранул полимеров.

Размер пробы обычно определяется размером предельной частицы. Если размер пробы соизмерим с размером предельной частицы, то в отобранной пробе окажется сравнительно мало таких частиц, и по внешнему виду рассматриваемая смесь может быть отнесена к крупнозернистым смесям. Если размер пробы много больше размера предельной частицы, то экспериментатору будет казаться, что в пробе содержится много таких частиц, и рассматриваемая смесь будет отнесена к мелкозернистым смесям.

Для статистического описания смеси используют два статистически определяемых показателя: степень неоднородности (гомогенность смеси) и степень измельчения; первый характеризует изменение концентрации ДФ в объеме смеси, второй – изменение размера частиц ДФ.

Гомогенность смеси можно определить, рассматривая содержание ДФ в пробах смеси. Для простоты будем считать, что ДФ состоит из частиц одинакового размера, а дисперсионная среда является жидкостью, состоящей из одинаковых частиц, размер которых равен размеру частиц ДФ. Такое допущение позволяет ввести понятие «общее число частиц в пробе», складывающееся из числа частиц ДФ и числа частиц ДС. Это допущение может быть также применено при анализе сыпучих смесей, состоящих из частиц одинаковых размеров. Если в процессе смешения достигается случайное (беспорядочное) распределение частиц ДФ по всему объему смеси, то вероятность того, что в любой точке смеси содержится частица ДФ, определяется долей частиц ДФ в общем объеме смеси.

Экспериментальная оценка гомогенности смеси

Для статистической оценки качества смеси от нее отбирают ряд одинаковых проб (не менее десяти), объем которых должен превышать объем предельной частицы по меньшей мере в 10³ раз. Очевидно, что даже в идеальной смеси число частиц ДФ в разных пробах будет различно.

Статистическая теория смешения предсказывает, что распределение числа частиц ДФ в отобранных пробах должно подчиняться биномиальному закону:

Для такой идеальной смеси мерой предельной неоднородности, неизбежно Даже в идеальной смеси, является генеральная дисперсия (ГД) о²:

Смесители для сыпучих материалов

Смесители для сыпучих материалов в большинстве случаев относятся к категории смесителей периодического действия. Это значит, что все подлежащие смешению ингредиенты одновременно или в заданной последовательности вводятся внутрь рабочей камеры смесителя. Процесс смешения продолжается до тех пор, пока не будет получена смесь с заданной степенью гомогенности.

Барабанные смесители с вращающимся корпусом

Наиболее простой и распространенный вид смесителей для смешения порошкообразных пластмасс – это барабанные смесители. Основные типы барабанных смесителей для сыпучих материалов приведены на рис. 1. Простейший по конструкции смеситель (рис. 1, а) представляет собой горизонтально расположенный цилиндрический барабан с цапфами на торцах. При вращении барабана находящийся в нем сыпучий материал пересыпается и благодаря относительному смещению слоев перемешивается в вертикальной плоскости. Для осуществления продольного (вдоль образующей барабана) смещения материала ось вращения располагают наклонно к образующей барабана (рис. 1,6) или перпендикулярно образующей барабана

Рис. 1 Схемы барабанных смесителей

Смешение в барабанном смесителе состоит из следующих элементарных процессов: 1) перемещение слоев материала при увеличении наклона его свободной поверхности до значения, превышающего угол естественного откоса; при этом слои материала скользят друг по другу, рассыпаясь на отдельные частицы, которые внедряются в соседние слои (конвективное смешение); 2) постепенное проникновение частиц различных компонентов через вновь образующиеся границы раздела (диффузионное смешение); 3) скапливание и агломерация частиц одинаковых массы и состава в отдельных частях камеры смесителя (процесс агрегации).

При смешении сыпучих материалов в барабане смесителя одновременно протекают все указанные элементарные процессы. Однако степень их влияния в различные периоды смешения неодинакова.

В начальный период смешения гомогенность смеси изменяется в основном за счет конвективного перераспределения компонентов. Смешение происходит за счет смещения макрообъемов. Поверхность раздела между разнотипными компонентами в это время еще мала. Поэтому вклад диффузионного смешения незначителен. Процесс агрегации еще не начался, так как отдельные частицы внутри перемешивающихся макрообъемов практически не смещаются относительно друг друга.

Весь цикл смешения можно разделить на три стадии (рис. 2). На первой стадии (участок /) интенсивно развивается конвективное смешение. Начальная неоднородность смеси довольно быстро уменьшается. На этой стадии скорость процесса почти не зависит от физико-химических свойств компонентов, так как смешение происходит на уровне макрообъемов. Определяющее влияние на скорость процесса смешения на первой стадии оказывают траектории движения материала внутри смесителя. Вторая стадия (участок // ) наступает после того, как смешиваемые компоненты в основном распределены по объему барабана смесителя.

Рис. 2. Диаграмма изменения коэффициента вариации v для смеси, получаемой в смесителе барабанного типа (/ – время смешения). Пояснения в тексте

На этой стадии влияние конвективного и диффузионного процессов становится соизмеримым, так как процесс перераспределения частиц происходит на уровне отдельных частиц (движение частиц относительно друг друга). Наконец, на третьей стадии, когда достигнута минимальная степень неоднородности, начинает сказываться процесс агрегации (область III, кривые 1 я 2). Если после частичной агрегации образовавшиеся агломераты вновь диспергируются, то степень однородности смеси, оцениваемая коэффициентом вариации, колеблется около некоторого значения (кривая 1). Возможен также вариант (кривая 2), при котором два противоположных процесса в определенный момент времени уравновешиваются. В обоих случаях проводить дальнейшее перемешивание не имеет смысла, так как качество смеси не изменяется.

Барабанные смесители – тихоходные машины, так как окружная скорость вращения барабана обычно не превышает 0,17–1,0 м/с. При больших окружных скоростях возникающие центробежные силы оказываются сравнимыми с силами тяжести, и движение материала прекращается.

Частота вращения N (об/мин), обеспечивающая хорошее качество смешения, может определяться по эмпирической формуле

где d₄ – средний диаметр частиц смешиваемых компонентов, мм; R «_aKC – расстояние от оси вращения до стенки корпуса смесителя, мм.

Степень заполнения барабана смесителя с цилиндрическим корпусом должна составлять не менее 30 и не более 70%. При малой степени заполнения (3–10%) порошкообразный материал скользит сплошным слоем по внутренней поверхности барабана.

При горизонтальном расположении оси вращения барабана в материале не возникает интенсивного продольного перемешивания, хотя в нем наблюдается медленное продольное перемещение частиц. Появление некоторого продольного перемещения связано с тем, что частицы, скользящие в направлении, нормальном к оси вращения барабана, за счет случайных соударений с другими частицами отклоняются от прямолинейной траектории в ту или другую сторону. Процесс продольного перемещения внешне сходен с процессом молекулярной диффузии в жидкостях и газах. Однако вследствие гораздо меньших скоростей частиц он протекает очень медленно. Поэтому для увеличения скорости продольного перемещения в корпусе барабанных смесителей с горизонтальной осью обычно устанавливают специальные транспортирующие механизмы (ленточные червяки, винтовые мешалки и т.п.). Схема типичной конструкции барабанного смесителя СЛК-200 (Бердичевский завод «Прогресс») с ленточной мешалкой представлена на рис. 3.

Стальной цилиндрический барабан 1 опирается на катки 7, установленные на станине 6. Внутри барабана расположена ленточная мешалка 2, состоящая из двух рядов закрученных по спирали металлических лент. Внешние ленты перемещают материал от периферии к центру, внутренние – к торцевым стенкам. Подлежащие смешению ингредиенты загружаются в барабан через люк А (или Б). Через этот же люк выгружается готовая смесь. В барабане смесителя имеется технологический люк В, который можно использовать для введения жидких ингредиентов.

Привод мешалки осуществляется от электродвигателя 5 через клиноременную передачу 4 и редуктор 3. Отечественной промышленностью выпускаются барабанные смесители с ленточными мешалками и рабочей емкостью барабана 2 и 6,3 м³.

При проектировании цилиндрических стальных барабанов их наружные диаметры выбирают из следующего ряда чисел – 400 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000 мм. Смесительные барабаны изготавливают из хорошо свариваемой стали (марки ВСТЗ). Если смешиваемый материал коррозионно-активен, барабаны изготавливают из двухслойной листовой стали: основной слой – из стали марок Ст.З или стали 20К и дополнительный слой – из коррозионно-стойкой стали.

Мощность привода цилиндрического горизонтального барабанного смесителя W (кВт) рассчитывается по формуле

Смесители с псевдоожиженным слоем материала