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.