Для перемешивания сыпучих продуктов пременяют в основном два способа - гравитационный и принудительный (механический). Первый осуществляется под действием сил тяжести в барабанных, лотковых и бункерных смесителях, второй в шнековых и лопастных. Долголетняя производственная практика показала, что при статических способах перемешивания не достигается однородность, не обеспечивается повышение активности компонентов, происходит изменение гранулометрического состава смеси. Удовлетворительное качество перемешивания наблюдается лишь при малых степенях заполнения камеры, что ведёт к увеличению габаритов и массы смесителя, и для достаточно хорошосыпучих, малосвязных материалов.
Вибрационное воздействие на перемешиваемые материалы и рабочие органы смесителя значительно увеличивает производительность процесса, снижает энергоемкость и улучшает качество смеси. При этом вибрация в одних случаях может лишь интенсифицировать основной процесс (например, вибрирование шнека в шнековом смесителе), в других – вызывать специфические вибрационные эффекты, которые используются для перемешивания (например, циркуляционное вибротранспортирование смеси внутри цилиндрического или торообразного сосуда). Процесс перемешивания с наложением вибраций сопровождается, кроме того, дополнительными эффектами разрушения зерен, обнажением дополнительных поверхностей, разрушением когуляционных структур, увеличением диспергирования твердых частиц и газа, т. е. активизацией смеси.
Процесс перемешивания органически присущ сыпучему материалу, подвергаемому вибрации. Вибрационные импульсы вызывают хаотические столкновения частичек материала, разделение их по форме, плотности и размерам, разрушение сложившихся конгломератов, уменьшения трения между частицами. Перемешивание происходит практически в любом процессе, где используется вибрация, однако качественное перемешивание получается только в специальных устройствах с целенаправленной вибрацией.
Исследования перемешивания в сосудах, подвергаемых вертикальной вибрации, показали, что интенсивный процесс начинается только тогда, когда ускорение дна сосуда превышает земное ускорение. Степень интенсивности зависит от параметров вибрации, размера и плотности частиц, воздухопроницаемости слоя, высоты слоя, влажности коэффициента трения, размеров и формы рабочей камеры. Создать интенсивное перемешивание тонкодисперсных порошков с размером частиц менее 10 мкм практически не удается при всех реально достижимых параметрах вибрации. Это объясняется агрегатированием частиц и сильным проявлением насосного эффекта, препятствующего отрыву частиц от дна сосуда. Для большинства сыпучих материалов с частицами размером 50-1500 мкм существует определенное сочетание частоты и амплитуды, при которых начинается интенсивное перемешивание. Например, для кварцевого песка с частицами размером 100 мкм при высоте слоя 70 мм процесс перемешивания на частоте 50 Гц начинает интенсивно протекать, когда амплитуда достигает 1 мм. Процесс перемешивания обусловливается главным образом пульсирующим движением газа внутри вибрирующего слоя, которое возникает в результате образования под ним вакуума и фильтрования газа через слой материала. Возникающие при этом потоки и пузыри газа увлекают частицы сыпучего материала и создают интенсивное перемещение слоев. В аппаратах небольших размеров материал у стенок, где вследствие трения частицы движутся медленнее, перемещается вниз, а в центре – вверх. В сосудах больших размеров возникает много центров циркуляции, материал у стенок также движется вниз вместе с засасыванием под слой газом.
Интенсивность перемешивания при вертикальных колебаниях резко падает в вакууме, так как не возникает насосного эффекта. Для перемешивания в вакууме используют установки, в которых процесс происходит в результате вибротранспортирования (например, по лотку со ступеньками). Вакуум способствует хорошему перемещению и перемешиванию многих тонкодисперсных порошков при значительно меньших ускорениях, чем при атмосферном давлении. Этот способ находит применение для сушки красителей, солей и других материалов.
В жидкой среде сыпучий материал перемешивается значительно хуже, чем в воздухе. На движение частиц в жидкости существенно влияют их размеры, вязкость жидкости и концентрация в ней твердой фазы, при этом интенсивное движение наблюдается в верхней части при относительно спокойной нижней. Частота колебаний частиц значительно (в 2-2,5 раза) меньше, чем частота колебаний дна аппарата. Активным переносчиком частиц становятся возникающие при вибрации потоки жидкости. Так, в условиях стесненного движения крупнодисперсных частиц при циркуляции воды, вокруг частиц создается хорошо перемешиваемый слой.
Интенсивность перемешивания сыпучих материалов увеличивается при дополнительной продувке слоя газом (для порошка поликапроамида размером 0,1-0,15 мкм в два раза), однако равномерное перемешивание можно получить только при оптимальном сочетании вибрационного воздействия и скорости газового потока. Например, с увеличением скорости газа выше оптимальной перемешивание порошков полимеров ухудшается, и происходят фонтанирующие выбросы и унос материала. Изменением расхода воздуха, подаваемого под слой, можно в широких пределах регулировать структуру слоя в зависимости от особенностей технологического процесса. Так, при нанесении полимерных покрытий в зависимости от требований к прочностным, деформационным и другим свойствам пленки, а также размера и формы деталей, путем регулирования скорости газового потока создают слой большой пористости.
Перемешивание в условиях вертикальной вибрации протекает недостаточно интенсивно и не находит промышленного применения. В промышленных смесителях рабочий орган подвергается круговым в вертикальной плоскости или пространственным (объемным) колебаниям, а смесительную камеру выполняют цилиндрической, корытообразной или тороидальной. В этом случае при вибрации камеры возникает транспортирующий эффект, который, накладываясь на вибрационный, создает лучшие условия для перемешивания.
Схема процесса движения компонентов смеси в цилиндрической камере при сообщении ей круговых колебаний в вертикальной плоскости показана на рис. 5.1. Компоненты смеси, вовлеченные в процесс вибрационного транспортирования по плоскости с переменным углом наклона к горизонту, совершают устойчивое циркуляционное движение вокруг оси, расположенной в центре тяжести слоя сыпучего материала, находящегося в камере. Угловая скорость циркуляции смеси значительно меньше угловой скорости вращения дебаланса. Направление циркуляции в тонком слое, непосредственно примыкающем к корпусу вибровозбудителя, совпадает с направлением дебаланса. Такая неравномерность распределения скоростей циркуляции по слоям обеспечивает хороший эффект перемешивания. Интенсивность циркуляции смеси зависит от параметров вибрации, свойств сыпучего материала, размеров и формы камеры, степени ее заполнения, расположения вибровозбудителя и других конструктивных особенностей.
Рис. 5.1 Схема перемешивания в барабанном вибросмесителе: 1 - камера; 2 - вибровозбудитель; 3 - упругая подвеска.
Зависимость скорости циркуляционного движения от гранулометрического состава компонентов смеси выглядит следующим образом: при уменьшении размера частиц скорость циркуляции при постоянных параметрах вибрации и массе загрузки увеличивается, однако после достижения частицами размера менее 10 мкм резко падает, что хорошо согласуется с принципами вибротранспортирования.
Перемешивание смеси в таких аппаратах обусловливается конвективными (циркуляционными) и диффузионными процессами. Первые возникают вследствие общего движения всей массы загрузки (макропроцессы), вторые – обеспечиваются в результате относительного движения частиц среды, что влияет на изменение сил трения и сцепления между частицами (микропроцессы). Оба вида движения имеют важное значение для перемешивания: отсутствие циркуляции загрузки, равно как снижение относительных колебаний частиц при вибрации значительно замедляют процесс перемешивания. Однако основное, превалирующее значение имеют все-таки относительное движение частиц смеси и микротурбулентность слоев, являющиеся необходимой предпосылкой быстрого протекания процесса перемешивания и одной из основных особенностей, отличающих вибрационный способ от остальных способов перемешивания. Отсутствие специальных устройств в корпусе смесителя предопределяет следующий механизм перемешивания частиц разных слоев: взаимопроникновение происходит тогда, когда между частицами одного компонента появляется свободное пространство, достаточное для проникновения в него частиц другого компонента, причем этот процесс зависит от скорости появления таких свободных пространств и их величины.
Для эффективного перемешивания необходимо обеспечить максимальную скорость циркуляции смеси в макрообъеме и достаточное для протекания процессов диффузии относительное движение составляющих смеси, зависящее от порозности вибрирующего слоя. Порозность в основном определяется ускорением вибрирующего слоя. При небольших значениях ускорения ослабляются лишь силы трения между частицами, но частицы не отрываются одна от другой. При этом происходит самоукладка частиц и уменьшение порозности. При некотором значении ускорения порозность начинает увеличиваться и в рабочем диапазоне режимов зависит от ускорения. При больших значениях ускорения (выше критического) увеличение порозности замедляется, что объясняется большими аэродинамическими силами, воздействующими на частицы. Работа в этих режимах энергитически не целесообразна. Кроме того, существуют определенные технологические параметры, определяемые долговечностью и надежностью конструкции. Обычно ускорение рабочей лежит в интервале 5-50 g. Рабочее значение порозности зависит от эквивалентного диаметра частиц, сочетания амплитуды и частоты вибрации, характера поведения смеси в камере.
Интенсивность перемешивания зависит от степени заполнения рабочей камеры смесителя, которая обычно равна 0,75-0,85 и влияет на величину свободной поверхности смеси, где происходят процессы макроперемешивания (аналогичные водопадному эффекту в барабанных смесителях). При небольшом заполнении камеры возможна сепарация компонентов, а при значительном – ухудшаются условия протекания макропроцессов. Для увеличения свободной поверхности смеси поперечное сечение камеры иногда выполняют эллипсовидным, однако, наиболее целесообразная форма – U-образная.
Характер перемешивания зависит от конструкции камеры. В смесителях с гладкими стенками и свободным объемом перемешивания наблюдается в основном послойное движение материала, т. е. эффект циркуляции преобладает над эффектами диффузии. В смесителях с дополнительными элементами в рабочей камере возникают местные вихревые потоки, способствующие более быстрому протеканию диффузионных процессов и лучшему перемешиванию.
Схема движения компонентов смеси при объемном способе перемешивания в тороидальных камерах, которые помимо колебаний в горизонтальной плоскости совершают угловые колебания в вертикальной плоскости, представлена на рис. 5.2. Смесь в таких аппаратах (аналогичных обрабатывающим машинам) движется по спиралеобразным траекториям вдоль внутренних стенок, при этом перемешивание в горизонтальном сечении потока смеси пропорционально расстоянию частицы от центра аппарата, а перемещения в вертикальном сечении постоянны для всего объема. В отличии от плоскопараллельного движения смеси в вертикальной плоскости такое пространственное винтообразное перемещение материала обеспечивает лучшее взаимопроникновение частиц между слоями смеси.
Рис. 5.2 Вибросмеситель с тороидальной камерой.
Перемешивающий эффект можно увеличить, если в цилиндрическую камеру поместить вращающийся шнек или лопастной вал. При таком способе (иногда называемом вибролопастным) в интенсивном режиме вибрации камеры вращение лопастей играет второстепенную роль. Изменяя направление вращения лопастей (по направлению или против направления циркуляции загрузки в камере), можно усиливать движение смеси или препятствовать ему и существенно влиять на процесс перемешивания. Для интенсивного режима вибрации общее движение смеси в камере и частичное между компонентами создается в результате вращения лопастного вала. Вибрация используется как второстепенное, дополнительное средство, приводящее к разрушению внутренних связей между частицами, уменьшению трения между ними, снижению структурной вязкости, в результате чего каждая частица смеси получает возможность диффундировать в другие компоненты. Виброперемещение в таких аппаратах, также как и в устройствах со свободным объемом камеры, сопровождается дополнительной активизацией смеси.
Рассмотренные выше способы принудительного (механического) перемешивания наиболее производительны и эффективны. Однако вибрационное воздействие можно успешно использовать в гравитационных (барабанных, лотковых и бункерных) смесителях. Виброинтесификация процесса гравитационного перемешивания в барабанном смесителе может быть осуществлена путем сообщения вращающемуся барабану круговых или направленных колебаний. При этом эффект гравитационного перемешивания, заключающийся в многократном (с частотой вращения барабана) поднятия смеси и свободного падения ее на материал в нижней части, дополняется хаотическим столкновением и перемещением зерен под действием вибрации. Использование такого виброгравитационного принципа перемешивания способствует лучшему перемешиванию, которого невозможно достичь при раздельном использовании способов.
Улучшение перемешивания в результате вибрации в лотковых смесителях объясняется более активным самосортированием, относительным скольжением слоев и взаимной диффузией частиц при вибротранспортировании по лотку. В бункерных смесителях вибрация способствует лучшему истечению материала через выпускное отверстие и исключает их закупорку. Использование вибрации в этих аппаратах делает их пригодными для перемешивания материалов средней сыпучести (тальк, мел, углеграфитовые порошки и др.). При этом качество получаемой смеси вполне удовлетворительное.
Наиболее перспективным способом перемешивания жидких сред с относительно низкой вязкостью (не выше 70 сСт) является вибрационный с помощью турбулентных струй, охватывающих весь объем смесителя. Источником турбулентных струй служат перфорированные пластины, расположенные в жидкости в определенном порядке, зависящем от размеров и конфигурации рабочей камеры и приводимые в колебательное движение от вибровозбудителя. При вибрации пластины в жидкости возникают отдельные турбулентные струи, которые на некотором расстоянии от пластины сливаются в единый поток, охватывающий всю рабочую камеру и осуществляющий процесс перемешивания.
Интенсивность процесса перемешивания при прочих равных условиях существенным образом зависит от ускорения пластины. При относительно небольшом ускорении перемешивание носит спокойный характер. При оптимальном ускорении возникают интенсивные потоки, носящие ярко выраженный характер турбулентного перемешивания. При этом частицы пульпы быстро поднимаются со дна камеры и равномерно заполняют весь рабочий объем. При дальнейшем увеличении ускорения пластины характер перемешивания практически не изменяется, а потребляемая мощность увеличивается, поэтому работа в таких режимах нецелесообразна. Величину и направление турбулентных струй (средняя их длина около 1 м) можно изменять в зависимости от параметров вибрации, конфигурации пластин и вида их перфорации. Вибрационные смесители можно эффективно использовать для перемешивания взаиморастворимых маловязких жидкостей, получения взвесей твердых, волокнистых веществ, взмучивания легкого осадка, растворения кристаллических или аморфных тел, выравнивания температуры, предотвращения выпадения осадка, перемешивания в процессах растворения газа в жидкости и в процессах экстракции и т. д.
Для пастообразных материалов применяют в основном аппараты принудительного перемешивания. Как и в установках аналогичного типа для сыпучих материалов, вибрация рабочего органа смесителя способствует устранению застойных зон в рабочей камере, снижению гидравлического сопротивления перемещения смеси, а также уменьшению температуры переработки.
Контрактное производство бад в Алматы
Источник: vibrocom.ru
