125177 (Оборудование для смешения полимерных материалов), страница 2

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.

Центробежные смесители

В центробежных смесителях вихревые потоки сыпучего материала возникают вследствие взаимодействия сил трения и центробежных сил, действующих при движении частиц материала по> кольцевым траекториям. Основным рабочим органом центробежного смесителя (рис. 4.8) является полый конический ротор 1, установленный на валу И, внутри корпуса 2. К днищу ротора / жестко прикреплена лопастная мешалка 7, лопасти которой установлены под углом 35°. В нижней части конуса прорезаны два симметрично расположенных окна 13. Загрузка смесителя производится через расположенный на крышке 3 люк 4. выгрузка – через перекрытый откидной заслонкой люк 12. Корпус смесителя укреплен на цилиндрической сварной станине 9. Привод ротора 1 осуществляется через клиноременную передачу 10 от электродвигателя 8.

При вращении ротора 1 попавший в него при загрузке материал вследствие трения вовлекается во вращение. Частицы-материала под воздействием возникающих при их вращении центробежных сил начинают двигаться по внутренней поверхности корпуса, а затем сбрасываются с нее в кольцевое пространство между конусом и корпусом. Новые порции материала поступают внутрь конуса через окна 13. Лопастная мешалка 7, вращаясь вместе с ротором, создает эффект псевдоожижения, увеличивая подвижность сыпучего материала, способствует его притоку через окна 13 внутрь ротора 1. Перемешивание материала происходит вследствие его движения по причудливым спиральным траекториям, проходящим как по внутренней поверхности конуса, так и в кольцевом пространстве, сопровождающегося соударениями частиц друг с другом и со стенками корпуса и ротора.

Рис. 8. Центробежный смеситель

В смесителях, предназначенных для смешения материалов с плохой сыпучестью, в кольцевом пространстве корпуса устанавливают раму 6 с лопастями и острым скребком, который входит внутрь конуса. Под влиянием сил, действующих со стороны движущегося материала на скребок и лопасти, рама вовлекается во вращение. Регулируя с помощью ленточного тормоза 5 сопротивление вращению, управляют частотой вращения рамы. Из-за существования разности между окружными скоростями лопастей и материала часть его, наталкиваясь на лопасти, «нагнетается» через окна 13 внутрь ротора, остальной материал остается в кольцевом пространстве.

Скорость циркуляции через конус зависит от угла конусности ротора 9, формы лопасти и коэффициента заполнения корпуса материалом. Экспериментально установлено, что наилучшие результаты дает использование конусов с углом 8~60° при коэффициенте заполнения 0,6–0,8 (меньшие значения относятся к тяжелым материалам, большие – к легким). Угол атаки нижних радиальных лопастей должен при этом составлять около 45°.

Смесители для высоковязких сред

Высоковязкими средами принято считать расплавы полимеров, пасто- и тестообразные композиции с эффективной вязкостью более 0,01 МПа-с (10⁵ П). Перемешивание таких сред осуществляется механическими способами и происходит в ламинарном режиме. Поэтому обычно смесители для высоковязких сред называют ламинарными. При перемешивании в смесительной камере может возникать тангенциальное течение (масса движется параллельно траектории движения лопастей перемешивающего органа), радиальное (масса движется от рабочего органа перпендикулярно оси его вращения) и осевое (масса поступает и вытекает из смесителя параллельно оси вращения рабочего органа). Различают смесители периодического и непрерывного действия.

Для перемешивания высоковязких сред наиболее часто применяются лопастные, валковые, червячные и роторные смесители. Широко используются также двухроторные смесители закрытого типа периодического действия. При необходимости готовить большое количество смеси применяют роторные и червячные смесители непрерывного действия.

Основные закономерности ламинарного смешения

Смешение высоковязких жидкостей является следствием деформаций сдвига и растяжения, под влиянием которых увеличивается поверхность раздела смешиваемых ингредиентов (линейный размер исходного агрегата при этом уменьшается) и выравнивается (в результате неупорядоченного движения) распределение ингредиентов в объеме смеси.

Предположим, что смешивают две вязкие жидкости Л и Я, исходное состояние которых представлено на рис. 9. Пусть г о – характерный размер частиц, из которых состоит диспергируемая фаза (ДФ) А. Разделим мысленно весь объем смеси на элементарные кубики с размером грани г₀. В результате смешения поверхность раздела между компонентами А и В должна увеличиться и компонент А должен равномерно распределиться по всему объему смеси с тем, чтобы дисперсия концентрации компонента А в любой серии проб, отобранных от смеси, стремилась к значению сгф², определяемому уравнением (2а). Если предположить, что деформированные поверхности раздела остаются плоскими, то объем дисперсной среды (ДС), ограниченной поверхностями раздела, равен V=S'r/2 (здесь S' – суммарная поверхность раздела после деформации, г – среднее расстояние между вытянутыми в полосы элементами ДФ). Деформация сдвига, обеспечивающая заданную степень изменения ширины полос в простейшем случае одномерной деформации сдвига, определяется выражением

где Г)₂ и T) i – эффективная вязкость ДФ и ДС соответственно.

Выражение (4.13) выведено при условии оптимальной ориентации поверхностей раздела смешиваемых фаз относительно направления деформации сдвига. В случае одномерного сдвига связь между ориентацией поверхностей раздела и направлением деформации сдвига, выраженная через угол а, характеризуется формулой

Если поверхность раздела нормальна к вектору смещения, угол а «0. По мере развития деформации сдвига угол а возрастает, а интенсивность увеличения поверхности раздела снижается. Поэтому на практике каждый ламинарный смеситель снабжается приспособлениями для периодической переориентации поверхностей раздела относительно направления деформации сдвига. Это достигается периодическим поворотом сдеформированного материала, в котором поверхности раздела фаз вытянуты в направлении деформации, на угол, примерно равный π/2. При этом поверхности раздела вновь оказываются оптимально ориентированными относительно последующей деформации сдвига. Момент переориентации обычно совпадает с развитием деформации сдвига, примерно равной 3–5 единицам деформации. Суммарная деформация, подсчитанная из выражения (4.13), естественно, должна сопровождаться соответствующим числом актов переориентации.

Смесительные вальцы

Вальцы – самый простой смеситель для высоковязких материалов; они были впервые применены для приготовления резиновых смесей Эдвином Шаффе в 1835 г. На вальцах перемешивание материала осуществляется в зазоре между двумя параллельно расположенными, вращающимися навстречу друг другу полыми цилиндрами (валками). Вальцы подразделяют по диаметру валков на лабораторные – с диаметром валков меньше 225 мм (частным случаем их являются микровальцы с диаметром валков 40–80 мм) и производственные – с диаметром валков от 300 до 800 мм. Основные размеры вальцов, выпускаемых в СССР, унифицированы в соответствии с рекомендациями СЭВ (табл. 4.2).

Принципиальная схема обычных двухвалковых вальцов представлена на рис. 4.11. На фундаментной плите 4 установлены две станины 2, в проемах которых в подшипниках 5 и 7 укреплены валки 1.! На конце заднего валка консольно закреплена приводная шестерня 6. Подлежащие смешению компоненты – полимер, пластификаторы, измельченные твердые ингредиенты (тальк, технический углерод, мел, асбест и др.) – загружаются в зазор, в котором за счет интенсивной деформации сдвига, сопровождающейся сильными тепловыделениями, происходит смешение. Валки 1 обычно изготавливают из кокильного чугуна. Рабочая поверхность отбеливается на глубину 15–18 мм; при этом твердость поверхности по Бринеллю должна составлять НВ = 300–450. Наружная поверхность валков шлифуется до класса чистоты 7–9. На поверхности валков дробильных вальцов под углом 7–11° фрезеруются рифления глубиной 4,5– 6 мм и шириной 4,5–15 мм; края валков оставляют гладкими.

Валки вальцов делают полыми. В них подается горячий теплоноситель, в качестве которого может использоваться нагретое масло, перегретая вода. Валки вальцов, предназначенных для переработки термочувствительных материалов, снабжают системой интенсивного теплообмена – сверленые или фрезерованные каналы, расположенные непосредственно у поверхности валка, в которых с большой скоростью циркулирует охлаждающая жидкость. Валки лабораторных вальцов обычно снабжают системой электрообогрева. В зависимости от назначения вальцов скорость валков может быть одинаковой или разной. В последнем случае скорость вращения заднего валка U2 выше, чем переднего U_x. Отношение окружных скоростей валков называет-ся фрикцией.