CC BY
1
УДК 621.929
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-4-521 -522
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ СМЕСИТЕЛЕЙ ПЫЛЯЩИХ СРЕД И УСЛОВИЙ СОВМЕЩЕНИЯ ПРОЦЕССОВ СМЕШЕНИЯ И УПЛОТНЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.С. Егоров, А.Б. Капранова
В данной работе проведен анализ конструкций смесителей пылящих сред. Рассмотрены основные типы данных устройств, их принципы работы и конструктивные особенности. Применительно к производству сажевых гранул обсуждаются условия совмещения процессов смешения-уплотнения тонкодисперсных материалов в одном аппарате.
Ключевые слова: смеситель, смеситель-уплотнитель, конструкции, анализ.
Аппараты-смесители пылящих сред и смесители-уплотнители тонкодисперсных составов используются на различных химических производствах, необходимы для того, чтобы выполнять соответственно одну или две технологические операции, т.е. смешивать и уплотнять сыпучие материалы, размеры частиц которых находится в пределах (7-50) нм. Назначением данного процесса смешения [1, 2] является получение однородной пылящей смеси из отдельных компонентов в различных пропорциях в специальных аппаратах-смесителях. Процесс уплотнения [3], как один из этапов компактирования [4], направлен на увеличение насыпной плотности уплотняемого материала без упругопластических деформаций его частиц, в том числе в смесителях-уплотнителях пылящих сред. Существует множество различных типов смесителей и уплотнителей, каждый из которых имеет свои конструктивные особенности и принципы работы [5, 6]. Выбор конкретного типа смесителя/уплотнителя зависит от характеристик смешиваемых/уплотняемых материалов. При этом основная сложность проектирования смесителя-уплотнителя - выбор таких значений параметров процессов смешения и уплотнения, чтобы реализовывалось условия их совмещения, несмотря на различные механизмы их протекания [7].
Цель работы заключается в проведении анализа конструкций смесителей и смесителей-уплотнителей пылящих сред, которая достигается при решении следующих задач по выявлению:
конструктивных особенностей аппаратов, предназначенных для смешения пылящих сред; направления разработки совмещенных процессов смешения-уплотнения тонкодисперсных материалов. Первоначально рассмотрим деление конструкций аппаратов-смесителей по характерным признакам. Например, традиционно выделяют следующие основные категории смесителей [1, 2, 5, 6]: по принципу работы: периодического/непрерывного действия; по типу расположения рабочих узлов: горизонтальные/вертикальные; по способу смешения: статические/динамические;
по типу перерабатываемого материала: для жидких; сыпучих; вязких и пр.;
по виду перемешивающего устройства: барабанные (с перемешивающим устройством или без него); роторные (тихоходного/быстроходного типа); шнековые (одночервячный/многочервячный); валковые; и др.
Кратко проанализируем разновидности смесителей периодического и непрерывного действия. Смесители периодического действия [6, 8] чаще всего применяются в различных отраслях химической промышленности. Это связано с тем, что при таком типе смешивания можно более точно контролировать объем и пропорции компонентов. Помимо этого, смесители периодического действия позволяют упростить процесс добавления дополнительных компонентов в его рабочую область [6]. Заметим, что различают периодические смесители по следующим группам:
циркуляционные; объемного смешения; диффузионного смешения.
В смесителях циркуляционного типа основной поток материала перемещается (циркулирует) по замкнутому контуру разнообразной сложности. Движение сухой смеси по этому контуру обеспечивается либо перемешивающим органом, либо специальными конвейерами [1, 2, 8]. В частности, к основным типам циркуляционных смесителей относятся:
планетарно-шнековые; центробежные: лопастные/волчковые; шнековые с центральной циркуляционной трубой.
В смесителях объёмного смешения смешиваемый материал хаотично перемещается рабочим органом по всему рабочему объёму смесителя [6].
К смесителям объемного смешения относятся периодические смесители: ленточные;
плужные, двухроторные;
барабанные;
планетарно-лопастные.
В смесителях с диффузионным механизмом смешивания частицы отдельных компонентов под воздействием внешних сил начинают перераспределяться между собой, подобно молекулам газа при диффузии. Для достижения этого эффекта, необходимо создать разрежённые слои смешиваемого материала путём вибрации или псевдоожижения [6]. Смесители с диффузионным смешиванием разделяют на типы: вибрационные, пневмосмесители (струйные и с псевдоожиженным слоем частиц [9, 10]).
Смесители непрерывного действия в сравнении с периодическими аппаратами имеют более высокую производительность смешения при возможном снижении точности дозирования компонентов. Данный тип смесителей позволяет уменьшить удельные энергозатраты на перемешивание, потребность в металле и себестоимость продукции [1, 2, 6]. Помимо этого, устройства непрерывного режима работы предоставляют больше возможностей для
автоматизации производственного процесса и улучшения условий труда [6]. В смесителях непрерывного действия имеется возможность совмещения нескольких операций и процессов, к примеру: смешивания и сушки, смешивания и измельчения [11, 12], гранулирования, увлажнения и т.д. Классификация смесителей непрерывного действия по механизму смешивания [6] предполагает разделение на следующие группы аппаратов:
с преимущественно радиальным процессом смешения и поршневым движением материала вдоль корпуса (прямоточные смесители);
с радиально-продольным процессом смешения и хаотическим движением материала в рабочем объеме (смесители объемного смешивания);
с радиально-продольным процессом смешения и почти поршневым движением материала вдоль оси корпуса (смесители размывного действия).
Заметим, что в прямоточных смесителях частицы компонентов не смешиваются в продольном направлении, т.к. материал перемещается вдоль корпуса (поршневой режим движения материала). Смешение материала происходит только за счёт радиального перераспределения частиц внутри смеси. При таком режиме движения материала смесители непрерывного действия не могут сглаживать отклонения входных потоков компонентов, в связи с чем необходимо применять дозаторы с высокой точностью дозирования [6]. К распространённым прямоточным смесителям относятся типы устройств: ленточные; спиральные; центробежные; вибрационные и др.
В смесителях размывного действия перемещение материала происходит вдоль корпуса смесителя рабочими органами. В отличие от прямоточных смесителей в рабочем объеме происходит продольное смешение частиц. Некоторые частицы движутся со скоростью меньше/больше средней скорости перемещения материала вдоль корпуса смесителя. Это создаёт эффект размытия частиц в движущихся элементарных объёмах материала, которые образуются поперечными сечениями потока на входе в смеситель и состоят из частиц одного компонента. Частицы могут перемещаться из одного единичного объёма в другой при движении вдоль корпуса смесителя, замещая частицы других компонентов из других единичных объёмов. Важно отметить, что для свободного перемещения частиц в потоке в смесителях этой группы необходимо создавать разрежённые слои смешиваемого материала [6]. К размывным смесителям непрерывного действия относятся типы: центробежные; вибрационные;
многоспиральные барабанные и др.
Смеситель объёмного смешения — это устройство, в котором поступающие сыпучие материалы перемешиваются рабочими органами по всему рабочему пространству случайным образом. Часто они создаются путём соединения нескольких (обычно двух или трёх) периодических смесителей объёмного типа. Среди смесителей этой группы наиболее распространены пневмосмесители с псевдоожиженными слоями сыпучего материала. Непрерывно или порционно поступающие компоненты смеси находятся в псевдоожиженном состоянии благодаря подаче газа через пористое днище [9, 10]. Смесь непрерывно отбирается через штуцер, расположенный на расстоянии от входного штуцера, из верхнего слоя [6].
Для улучшения процесса перемешивания разрабатываются новые методы и конструкции мешалок в зависимости от конкретной технологической операции с заданными характеристиками рабочих сыпучих материалов [2]. К примеру, для улучшения перемешивания материала в вертикально-шнековых смесителях было предложено установить вспомогательный примешивающий вал с закрепленными на нем перемешивающими лопастями [13]. Вал перемешивания коаксиально жестко соединен со средней частью выходного конца привода. Перемешивающие лопасти расположены попарно с равными интервалами по длине перемешивающего вала (длина лопастей уменьшается от верха к низу вала). Эти лопасти установлены наклонно так, что наклонная поверхность обращена в сторону вращения приводного элемента. Вспомогательная перемешивающая часть, расположенная в середине смесителя, призвана улучшить перемешивание и циркуляцию материала внутри смесителя за счет продвижения частиц от верха к низу аппарата и увеличения скорости перемешивания компонентов.
Так же была разработана конструкция смесителя с дополнительными элементами для улучшения очистки внутренней стенки корпуса смесителя [14]. Достигается эта цель путем установки на одном смесительном валу щетки, а на другом - скребка, также с помощью дополнительной установки вибродвигателя соединенного с муфтой перемешивающего вала. После перемешивания твердых порошкообразных материалов, двигатель приводит во вращение перемешивающие валы на обоих концах через муфту, щетка, предусмотренная на одном перемешивающем валу, перемещается внутри корпуса смесителя, счищая остатки материала со стенок. Скребок, установленный на другом перемешивающем валу, соскребает материал, прилипший к внутренней стенке цилиндра. Вал мешалки соединен с вибрационным двигателем. Вибродвигатель используется для очисти смесительного вала, щетки и скребка. Интерес представляют также различные конструкции лопастей, применяемых для улучшения однородности и уменьшения времени перемешивания смеси [15], в том числе за счет изменения их формы и расположения. Благодаря использованию изогнутого лезвия и двух трапециевидных лезвий материал может перемещаться одновременно в осевом и радиальном направлении, тем самым улучшится качество и сократится время смешения.
Как уже отмечалось, задача совмещения технологических операций смешения и уплотнения пылящих сред, например, актуальная для производства гранулированного технического углерода (рис. 1, [16, 17]), является трудноразрешимой вследствие отличия механизмов протекания этих технологических процессов [7]. При смешении частиц смешиваемых компонентов происходит разрыхление плотных слоев [2, 18, 19] или хаотическое разбрасывание в разреженных потоках [20], а при уплотнении дисперсной смеси [3] - сокращение объемов пор между разносортными частицами.
Рис. 1. Схема конструкции мешалки-уплотнителя [19]: 1 - электродвигатель; 2 - редуктор; 3,11 - смотровые люки; 4 - корпус уплотнителя; 5 - вал ворошителя; 6 - опорный пояс; 7 - лопасти ворошителя;
8 - лопасти ворошителя со скребками; 9 - скребок ворошителя
Выбор рациональных диапазонов изменения указанных совмещенных операций позволяет достичь желаемого результата, в частности, на предварительном этапе гранулирования сажи [16, 17]. Мешалка-уплотнитель пылящих сред [17], применяемая для подачи рабочего материала в гранулятор при мокром способе получения гранул сажи, обеспечивает повышение насыпной плотности продукта (40-60) кг/м3 до (150-170) кг/м3. Конструктивно данный аппарат [17] представляет собой вал с лопастями (скребками), который размещен в корпусе, верхняя часть которого имеет цилиндрическую форму, а нижняя (бункерная) - конусную (рис. 1).
Кроме того, установка между мешалкой-уплотнителем и смесителем-гранулятором виброуплотнителя согласно работе [21] позволяет: достичь активной циркуляции частиц при их эффективном сближении; сократить затраты - материальные (при экономии раствора, смачивающего пылящий технический углерод) и энергетические (за счет уменьшения времени сушки гранул при работе смесителя-гранулятора). Отметим, что технология получения гранул пылящих сред предполагает контроль равномерности распределения частиц в рабочем объеме указанного аппарата-уплотнителя. Известен соответствующий метод определения уровня газовзвеси технического углерода в бункере-уплотнителе [22], который заключается в контроле изменения плотности газовзвеси сажи по высоте бункера-уплотнителя. Измерения производятся с помощью датчиков перепада гидростатического давления, размещенных на разных уровнях указанного бункера.
Таким образом, выполнен анализ конструктивных особенностей существующих типов конструкций смесителей пылящих сред периодического и непрерывного действия согласно известным условным классификациям. На примере производства гранулированного технического углерода выявлены условия совмещения процессов смешения-уплотнения тонкодисперсных материалов при использовании центробежного лопастного аппарата.
Список литературы
1. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение. 1973. 216 с.
2. Капранова А.Б., Лебедев А.Е., Таршис М.Ю. Исследование процессов переработки дисперсных материалов. Ярославль: Издат. дом ЯГТУ, 2017. 172 с.
3. Капранова А.Б., Зайцев А.И. Механическое уплотнение тонкодисперсных материалов. М.: Экон-информ, 2011. 247 с.
4. М.Б. Генералов Механика твердых дисперсных сред в процессах: учебное пособие для вузов. Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2002. 592 с.
5. Смеситель // Proplast. 2024. [Электронный ресурс] URL: https://proplast.ru/articles/smesitel-2 (дата обращения: 10.02.2024).
6. Машиностроение. Энциклопедия. Том IV-12 Манины и аппараты химическеих и нефтехимических производств / М.Б. Генералов [и др.]; под ред. М.Б. Генералова. М.: Машиностроение, 2004. 832 с.
7. Kapranova A.B. Stochastic Model of Parallel or Sequential Processes of Deaeration and Mixing of Granular Media Using the Operation of a Centrifugal Device as an Example // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2019. V. 53, N. 2. Р. 292-304. DOI: 10.1134/S0040579 51901007X.
8. Селиванов Ю.Т., Першин В.Ф. Расчет и проектирование циркуляционных смесителей сыпучих материалов без внутренних перемешивающих устройств. М.: Машиностроение-1, 2004. 120 с.
9. Homsy G.M. Aspects of Flow and Mixing Behavior in Fluidized Beds // In monograph / eds.: E. Guyon, JP. Nadal, Y. Pomeau // Disorder and Mixing. NATO ASI Series. Springer, Dordrecht. 1988. V. 152. P. 185-202. DOI: 10. 1007/978-94-009-2825-1_1.
10. Movement and mixing behavior of a single biomass particle during combustion in a hot fluidized bed com-bustor / Zh. Yang, L. Duan, L. Li, D. Liu, Ch. Zhao // Powder Technology. 2020. V. 370(1). P. 88-95. DOI: 10.1016/j.powtec.2020.05.037.
11. Пат. 2 619 997 Российская Федерация, МПК B02C 17/00. Агрегат для смешения и измельчения твердых дисперсных материалов [Текст] / А.И. Зайцев, А.Е. Лебедев, С. Суид, В.В. Власов, М.Н. Журавлева; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО ЯГТУ - № 2015152998; заявл. 09.12.2015; опубл. 22.05.2017.
12. Механика движения сыпучих сред по криволинейным лопаткам центробежных измельчителей / А.С. Суханов, А.Б. Капранова, А.П. Лупанов, А.Е. Лебедев // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. Иваново, 2012. Т. 55. № 2. С. 98-101.
13. Пат. CN 216367573 U Китай, МПК B01F 27/90, B01F 27/92, B01F 101/30. Double-spiral cone dye mixing device / L. Zixuan, L. Xing, Z. Chao, Sh. Weihua, L. Zhenguo, Z. Lingxin; заявитель Hubei Liyuan Science and Tech CO LTD. № 202122793542.7; заявл. 15.11.2021; опубл. 26.04.2022. 12 с.
14. Пат. CN 205570152 U Китай, МПК B01F 15/00, B01F 7/02, B01F 7/08. A two spiral stirrer of toper that is used for acid dark blue dyestuff production // CHEN MIAO; заявитель Shaoxing Keen Special Additives CO LTD. № 201620410613.7; заявл. 06.05.2016; опубл. 14.09.2016. 8 с.
15. Пат. CN 204563999 U Китай, МПК B01F 15/00, B01F 7/18. Device for coating stirring mixes / DUAN QIANG; заявитель Changsha Meibitu Paint CO LTD. № 201520240531.8; заявл. 21.04.2015; опубл. 19.08.2015. 5 с.
16. Зуев В.П., Михайлов В.В. Производство сажи. М.: Изд-во Химия, 1965. 328 с.
17. Орлов В.Ю., Комаров А.М., Ляпин Л.А. Производство и использование технического углерода для резин. Ярославль: Изд-во Александр Рутман, 2002. 512 с.
18. Таршис М.Ю., Зайцев И.А., Бытев Д.О., Зайцев А.И., Сидоров В.Н. Новые аппараты с эластичными рабочими элементами для смешивания сыпучих сред. Теория и расчет. Ярославль: Изд. Яросл. гос. техн. ун-та, 2003. 84 с.
19. An Investigation of the Process of Mixing of Bulk Materials in a Drum-Blade / S.N. Cherpitsky, M.Yu. Tar-shis, L.V. Korolev, A.B. Kapranova // Chemical and Petroleum Engineering. 2020. V. 56(1). P. 3-10. DOI: 10.1007/s10556-020-00731-w.
20. Стенько Д.В. Экспериментальное исследование образования разреженных потоков зернистых полимерных компонентов / Д.В. Стенько, А.Б. Капранова // Известия Тульского государственного университета. 2023. Вып. 3. С. 234-238. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-234-239.
21. Пат. 67987 Российская федерация. МПК C09C 1/48. Устройство для гранулирования техуглерода мокрым методом / Анисимов С.А., Гольдштейн Ю.М., Шаяхметов Р.Ф., Климов А.С., Иваницкий М.А., Макарова И.Ю., Пилипенко И.Б., Капустина Н.А.; заявитель и патентообладатель ОАО «НКТУ». № 2007120836/22; заявл. 04.06.2007; Опубл. 10.11.2007. Бюл. 31. 17 с.
22. Пат. 2502762 Российская федерация. МПК C09C 1/60, B01J 2/10. Способ определения уровня газовзвеси технического углерода в бункере-уплотнителе / Данилин Е.А., Козьменко А.А., Данилина Е.В.; заявитель и патентообладатель Данилин Е.А. № 2012140853/05; заявл. 24.09.2012; Опубл. 27.12.2013. Бюл. 36. 17 с.
Егоров Владимир Сергеевич, аспирант, egorovv1300@yandex. ru, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,
Капранова Анна Борисовна, д-р физ.-мат. наук, профессор, kapranova_anna@mail. ru, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет
ANALYSIS OF DESIGNS OF MIXERS FOR DUSTING ENVIRONMENTS AND CONDITIONS FOR COMBINING THE PROCESSES OF MIXING AND COMPACTING FINE MATERIALS
V.S. Egorov, A.B. Kapranova
In this work, an analysis of the designs of mixers for dust-producing environments is carried out. The main types of these devices, their operating principles and design features are considered. In relation to the production of soot granules, the conditions for combining the processes of mixing and compacting finely dispersed materials in one apparatus are discussed.
Key words: mixer, mixer-compactor, designs, analysis.
Egorov Vladimir Sergeevich, postgraduate, [email protected], Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,
Kapranova Anna Borisovna, doctor of physical and mathematical sciences, professor, kapranova_anna@mail. ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University
