CC BY
131
УДК 621. 929-752:531.3
Н. Н. Корнеева Астраханский государственный технический университет
ОСОБЕННОСТИ ВИБРАЦИОННОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СРЕД
Долголетняя производственная практика показала, что при статических способах перемешивания (гравитационном и механическом) не достигается однородность, не обеспечивается повышение активности компонентов среды, происходит изменение гранулометрического состава смеси. Удовлетворительное качество перемешивания наблюдается лишь при малых степенях заполнения камеры, что ведёт к увеличению габаритов и массы смесителя.
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 дополнительными эффектами разрушения коагуляционных структур, увеличением диспергирования твердых частиц, т. е. активизацией смеси [1, 2].
Процесс перемешивания присущ любому сыпучему материалу, подвергаемому вибрации. Вибрационные импульсы вызывают хаотические столкновения частичек материала, разделение их по форме, плотности и размерам, разрушение сложившихся конгломератов, уменьшение 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 ускорение свободного падения. Степень интенсивности зависит от параметров вибрации, размера и плотности частиц, воздухопроницаемости слоя, высоты слоя, влажности, коэффициента трения, размеров и формы рабочей камеры. Для большинства материалов с частицами размером от 50 до 1 000 мкм существует определенное сочетание частоты и амплитуды, при которых начинается интенсивное перемешивание. 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.
В жидкой среде сыпучий материал перемешивается хуже, чем в воздушной. На движение частиц влияют не только их размеры, но и вязкость жидкости, концентрация твердой фазы. Частота колебаний частиц меньше частоты колебаний дна смесителя. Интенсифицировать этот процесс можно дополнительной продувкой газовым потоком, однако равномерность перемешивания достигается только при оптимальном сочетании скорости потока и вибрационного воздействия. Изменением расхода подаваемого под слой газа можно регулировать структуру слоя в зависимости от особенностей технологического процесса. Перемешивание в условиях вертикальной вибрации протекает недостаточно интенсивно, поэтому его промышленное применение ограничено. В промышленных смесителях рабочий орган подвергается круговым в вертикальной плоскости или пространственным 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.
Движение компонентов смеси в цилиндрической камере при сообщении ей круговых колебаний в вертикальной плоскости следующее. 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.
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 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 большое значение для перемешивания: отсутствие циркуляции загрузки и снижение относительных колебаний частиц при вибрации значительно замедляют процесс перемешивания. Однако основное 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. Механизм перемешивания частиц разных слоев объясняется взаимопроникновением частиц одного компонента в образовавшиеся свободные пространства между частицами другого. Пористость вибрирующего слоя определяется величиной ускорения. При небольших значениях ускорения ослабляются силы трения между частицами, но они не отрываются одна от другой, происходит уплотнение. При ускорении выше критического работа энергетически нецелесообразна, кроме того, существуют ограничения, определяемые долговечностью и надежностью конструкции.
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.
Движение компонентов смеси при объемном способе перемешивания в тороидальных камерах, которые помимо колебаний в горизонтальной плоскости совершают угловые колебания в вертикальной плоскости, имеет спиралеобразную траекторию 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 отличие от плоскопараллельного движения смеси в вертикальной плоскости такое пространственное винтообразное перемещение материала обеспечивает лучшее взаимопроникновение частиц между слоями смеси.
Перемешивающий эффект можно увеличить, если в цилиндрическую камеру поместить вращающийся шнек или лопастный вал. При таком вибролопастном способе 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. Виброперемещение в таких аппаратах сопровождается дополнительной активизацией смеси.
Рассмотренные выше способы принудительного перемешивания наиболее производительны и эффективны. Однако вибрационное воздействие можно успешно использовать и в гравитационных смесителях. Виброинтенсификация 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) поднятии смеси и свободном падении ее на материал в нижней части, дополняется хаотическим столкновением и перемещением частиц 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 и обеспечивает хорошее качество получаемой смеси.
Наиболее перспективным способом перемешивания жидких сред с относительно низкой вязкостью 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, которые приводятся 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.
Вибрационные смесители можно эффективно использовать для перемешивания взаиморастворимых маловязких жидкостей, получения взвесей твердых, волокнистых веществ, растворения кристаллических тел, выравнивания температуры, предотвращения выпадения осадка, перемешивания в процессах растворения газа в жидкости и в процессах экстракции.
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 и снижению гидравлического сопротивления перемещения смеси.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Гончаревич И. Ф., Фролов К. В. Теория вибрационной техники и технологии. -М.: Наука, 1998. - 320 с.
2. Спиваковский А. О., Гончаревич И. Ф. Вибрационные и волновые транспортирующие машины. - М.: Наука, 1991. - 290 с.
Получено 29.12.05
PROPERTIES OF VIBRATORY AGITATION OF POLYPHASE MEDIA
N. N. Korneyeva
There have been considered properties of vibratory agitation for different media: dry, liquid, and polyphase. The principle of moving particles according to the type of vibratory effect has been described. There have been compared the agitating processes in the units with vertical vibration; with additional gas flow supply; in toroidal mixers. Dependency of circulating media intensity on different effecting characteristics has been given. The survey of methods optimizing technological process of agitation has been presented.
