Способ приготовления смеси сыпучих материалов и установка для его осуществления

 

Предложенные технические решения относятся к области переработки сыпучих материалов и могут быть использованы в химической, пищевой, фармацевтической промышленности. Технической задачей предложенных решений является повышение качества готовой смеси, сокращение времени смешивания и энергозатрат. Решение поставленной технической задачи достигается тем, что способ приготовления смеси сыпучих материалов включает равномерную последовательную загрузку компонентов по всей длине смесителя и их смешивание. Причем загрузку осуществляют равномерно по длине смесителя и последовательно в порядке уменьшения размеров частиц и/или увеличения плотности материалов, из которых состоят компоненты, а смешивание осуществляется за счет организации различных видов перемещений частиц материала - сдвигового и "поршневого". Сначала для облегчения запуска двигателя процесс организуется при минимальных интенсивностях и "поршневого", и сдвигового перемещений. Затем организуется максимальное "поршневое" перемещение и заканчивается процесс смешивания при максимальной интенсивности сдвигового перемещения. В установке, имеющей корпус, в котором размещен полый вал с рабочими органами, оси которых соединены с механизмом изменения их поворота, расположенным в полости вала, на периферии лопатки имеют скругленную форму, радиус которой определяется радиусом цилиндрического днища, вылетом и углом поворота лопаток, а также шириной лопаток, зависящей от длины смесителя, количества рядов и угла поворота лопаток относительно оси вращения вала. 2 c.п. ф-лы, 6 ил.

Предложенные технические решения относятся к области переработки сыпучих материалов и могут быть использованы в химической, пищевой. фармацевтической промышленности.

Известен способ получения многокомпонентной смеси в комбикормовом производстве путем одновременного дозирования всех компонентов [см. кн. Технология муки, крупы и комбикормов [Г.A. Егоров, Е.М. Мельников, Б.М. Максимчук. - М.: Колос, 1984, c.339]. Его недостаток одновременное дотирование большого числа компонентов, что требует установки нескольких дозаторов различной грузоподъемности, а также наравномерное смешивание трудносыпучих компонентов.

За прототип способа принято общеизвестное приготовление смеси сыпучих материалов [Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработке зерна/ Под ред. А.Я. Соколова. М.: Колос, 1984, c.207]. Данный способ характеризуется тем, что все компоненты загружают в смеситель через загрузочное отверстие, затем следует рабочий процесс, при котором рабочий орган многократно перемещает компоненты внутри смесителя. За счет циркуляции компоненты равномерно распределяются по всему объему, после чего смесь выгружается. В качестве недостатков данного технического решения можно выделить следующее.

1. Загрузка смешиваемого материала осуществляется через загрузочное отверстие лишь в определенной области смесителя, что приводит к неравномерной нагрузке на рабочие органы и к появлению дополнительного времени на распределение материала равномерно но всей длине смесителя.

2. Регламент загрузки определяется без учета размера частиц и/или плотностей материала, из которого состоят компоненты, что приводит к преждевременному появлению процесса сегрегации частиц.

3. Применение фиксированного пространственною положения рабочих органов, в частности лопаток. Это обстоятельство не позволяет использовать различные виды перемещений частиц для интенсификации процесса смешивания и облегчения запуска двигателя в момент начала процесса смешивания.

Известен смеситель с регулированием пространственного положения перемешивающих лопаток и пружиной с регулируемым усилием сжатия, благодаря которой устанавливается оптимальная упругость перемешивающих лопаток в зависимости от объемною веса смешиваемых материалов и их гранулометрии [Патент 94007464 РФ, A1 B 01 F 15/00. Смеситель/ Л.Р. Гуревич, Г.В. Хохлачев, А.Я. Старожицкий, В.С. Щукин (РФ), 27.01.1996]. Недостатком данного смесителя является отсутствие возможности направленного, управляемого изменения пространственного положения лопаток.

За прототип установки взят смеситель с возможностью автоматического регулирования положения лопатки в зависимости от физико-механических свойств, вязкости применяемых материалов и степени заполнения смесителя [а.с. № 1502068 (СССР), кл. В 01 F 7/04, 23.08.89]. Недостатком данной установки является то, что отсутствует возможность обеспечения минимального равномерного зазора между кромкой лопатки и стенкой цилиндрического корпуса смесителя для положений лопатки соответствующих значениям оптимальных рабочих углов поворота.

Технической задачей изобретения является повышение качества смеси, сокращение времени смешивания и энергозатрат.

Решение поставленной задачи достигается тем, что загрузку компонентов осуществляют равномерно по длине смесителя и последовательно в порядке уменьшения размеров частиц и/или увеличения плотности материалов, из которых состоят компоненты. В начале процесса смешивания в течение некоторого времени (от 10 до 60 секунд) процесс осуществляется при минимальных интенсивностях как “поршневого”, так и сдвигового перемещения компонентов, затем осуществляется плавный переход к максимальной интенсивности “поршневого” перемещения компонентов, которая реализуется в течение от 0,1 до 0,3 от общего времени процесса смешивания, и заканчивается процесс смешивания при максимальной интенсивности сдвигового перемещения компонентов смеси. В связи с необходимостью обеспечения минимального, равномерного зазора между кромкой лопатки и стенкой цилиндрического корпуса смесителя на периферии лопатки имеют скругленную форму, радиус которой определяется шириной лопаток, радиусом цилиндрического днища, вылетом и значением оптимальных углов поворота лопатки. При этом ширина лопаток определяется длиной смесителя, количеством рядов и углом поворота лопаток относительно оси вращения вала.

На фиг.1 изображен общий вид лопастного смесителя; на фиг.2 - схема загрузки исходных компонентов в смесителе; на фиг.3 - распределение компонентов смеси в поперечном сечении смесителя; на фиг.4 - кинетические кривые процесса смешения; на фиг.5 - расчетная схема положения лопатки в смесителе; на фиг.6 - схема положений лопаток по длине смесителя.

Смесительная установка содержит корпус 1, внутри которого расположен полый вал 2, имеющий привод 3 (фиг.1). На валу 2 радиально по винтовой линии жестко установлены втулки 4, в которых расположены оси 5, имеющие винтовые канавки 6. Длина канавки по дуге окружности равна π /2 и оси лопаток в соседних рядах имеют противоположное направление винтовых канавок, т.е. оси диаметрально противоположных лопаток имеют одинаковое направление. Втулки 4 снабжены уплотнительными устройствами 7. К осям 5 жестко закреплены лопатки 8. Втулки имеют штифты 9, взаимодействующие с винтовыми канавками осей 5. Смеситель имеет механизм изменения угла поворота лопаток 8, выполненный в виде установленной в полости вала 2 штанги 10 с упорами 11, размещенными по линиям, эквидистантным линиям установки втулок 4, и взаимодействующими с торцами осей лопаток. Упоры 11 выполнены коническими, а их длина соответствует длине винтовых канавок хода осей 5 лопаток 8. Штанга 10 установлена в направляющих втулках 12 с возможностью возвратно-поступательною перемещения. Наружный конец штанги 10 соединен с реверсивным исполнительным механизмом 13. Лопатки 8 на периферии выполнены скруглеными.

Способ реализуется следующим образом.

Производится равномерная последовательная загрузка компонентов в смеситель. Загрузку осуществляют с помощью ленточного транспортера 14 равномерно по длине смесителя 15 (фиг.2). Это необходимо для сокращения времени распределения компонентов по длине смесителя и создания одинаковой нагрузки на все рабочие органы смесителя в момент начала процесса смешивания. Также экспериментально определено, что при загрузке компонентов в порядке уменьшения размеров частиц и/или увеличения плотности материалов, из которых состоят компоненты, значительно уменьшается вероятность концентрации компонента, состоящего из частиц меньшего размера по сравнению с частицами другого компонента, в периферийной части, что позволяет повысить качество смесеприготовления. Это происходит за счет того, что увеличивается путь продвижения, к примеру, ключевого компонента А через компонент Б в процессе смешивания к стенкам смесителя (фиг.3). То есть процесс смешивания происходит равномерно за счет сочетания конвективного и диффузного смешения без заметного влияния на процесс преждевременной сегрегации частиц.

Далее вращение от привода 3 через зубчатую передачу передается на полый вал 2 с лопатками 8, производящими перемешивание исходных компонентов (фиг.1). В начальный момент для облегчения пуска двигателя устанавливается лопатка под углом 90° к оси вращения вала. Причем в данный момент вылет лопатки минимальный, то есть зазор между лопаткой и цилиндрическим корпусом максимальный, что опять же исключает возможность заклинивания материала и, как следствие, перегрузку двигателя в момент запуска.

Детальные экспериментальные и теоретические исследования процесса смешения сыпучих материалов в лопастном смесителе с рабочими органами, выполненными в виде плоских пластин, показали, что при угле поворота лопаток в диапазоне от 0° до ϕ _ст. (ϕ _ст. - угол трения сыпучего материала о поверхность рабочего органа) основное перемещение частиц из зоны движения лопатки в соседние с ней зоны осуществляется блоками на удалении от лопасти [Совершенствование методов расчета и конструкций лопастных смесителей: Диссерт. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. / О.В. Демин - Тамбов, 2003,- 210 с.]. Т.к. данный процесс аналогичен по своему механизму движению поршня, рассматриваемое перемещение частиц сыпучего материала, условно названо "поршневым". При угле поворота лопаток в диапазоне от ϕ _ст. до 90° перед лопастью образуются потоки частиц сыпучего материала равномерно распределяющихся из зоны движения лопатки в соседние с ней зоны. В результате перемещение частиц обеспечивается за счет сдвиговых процессов между потоками частиц, в связи с чем данный вид перемещения назван сдвиговым.

Известно, что процесс смешивания и смесителе сыпучих материалов складывается из следующих элементарных процессов [Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработке зерна./ Под ред. А.Я. Соколова. М.: Колос, 1984, с.206, Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1973, с.85].

1. Перемещение группы смежных частиц из одного места смеси в другое внедрением, скольжением слоев (процесс конвективного смешения).

2. Постепенное перераспределение частиц различных компонентов через свежеобразованную границу их раздела (из-за внешней схожести с процессом диффузии молекул этот процесс смешения называют диффузионным).

3. Сосредоточение частиц, имеющих одинаковую массу в соответствующих местах смесителя под действием гравитационных или инерционных сил (процесс сегрегации).

При перемешивании сыпучих материалов в смесителе одновременно протекают все три элементарных процесса. Однако доля их влияния в различные периоды смешения неодинакова. В первое время качество смеси, оцениваемое тем или иным критерием, например коэффициентом неоднородности V_с, изменяется в основном за счет конвективного разноса компонентов. В это время процесс смешения идет на уровне макрообъемов. Поверхность раздела между разнотипными компонентами еще невелика, поэтому доля процесса диффузного в общем процессе смешения невелика. Данному процессу соответствует I участок кривой графика зависимости V_с=f(t) (фиг.4). Главное влияние на процесс смешения в эти моменты времени оказывает характер движения потоков частиц в смесителе.

Для интенсификации данного процесса, то есть переноса больших порций сыпучего материала на большие расстояния через определенное время (от 10 до 60 секунд) в зависимости от физико-механических свойств применяемых материалов устанавливается угол поворота лопатки 8, равный 0° , путем перемещения штанги 10. При этом упоры 11 нажимают на торцы осей 5, которые поворачиваются на заданный угол вокруг своих осей и одновременно перемещаются радиально от оси вала 2. Угол поворота лопаток 8 от 90 до 0° обеспечивается длиной винтового паза оси 5 и длиной упоров. Тем самым организуется максимальная интенсивность “поршневого” перемещения частиц. Этот процесс идет с большой скоростью и продолжается в течении от 0,1 до 0,3 от общего времени смешения.

Известно, что после того как компоненты в основном будут распределены по рабочему объему смесителя, процессы конвективного и диффузного смешения становятся по их влиянию на общий процесс смешения сопоставимы. В это время процесс перераспределения частиц идет уже на уровне микрообъемов. Начиная с некоторого момента, процесс диффузного смешения становится преобладающим (участок II фиг.4). Более заметное влияние на ход процесса смешения начинает оказывать сегрегация частиц. Именно поэтому на данном этапе организуется максимальная интенсивность сдвигового перемещения частиц, для чего устанавливается угол поворота лопаток из диапазона оптимальных значений от 40 до 50° в зависимости от физико-механических свойств применяемых материалов, из которых состоят компоненты смеси. При этом штанга перемещается в обратом направлении, упоры отходят от торцов осей, и лопатки силами сопротивления материала поворачиваются на нужный угол, одновременно перемещаясь к оси вала, и фиксируются опорами. Данный процесс характеризуется значениями оптимального сочетания количественных показателей сдвигового перемещения частиц под воздействием лопатки и энергозатрат, которые определяются экспериментально.

Затем процессы сегрегации и диффузного смешения уравновешиваются, и дальнейшее перемешивание компонентов смеси не имеет смысла, так как качество смеси остается постоянным (участок III фиг.4).

В результате организации последовательной равномерной по длине смесителя загрузки компонентов и их смешивания путем сочетания интенсивности “поршневого” и сдвигового перемещений достигается значительное сокращение времени смешения и энергозатрат, а также некоторое улучшение качества смесеприготовления (фиг.4 кривая И) по сравнению со смешиванием в известных лопастных смесителях с фиксированным расположением лопаток (фиг.4 кривая Ф). На фиг.4 видно, что применение максимальной интенсивности “поршневого” перемещения частиц в первый период процесса смешения, соответствующего участку I, значительно сокращает время процесса конвективного смешения (t^к_и&λτ; t^к_ф) и снижает коэффициент неоднородности смеси (V_с^к_и&λτ; V_с^к_ф). То же самое происходит на втором участке, где организуется максимальная интенсивность сдвигового перемещения частиц. В конечном итоге общее время смешения, определяемое как сумма времени смешения на первом и втором участках, то есть t^см=t^к+t^опт, значительно сокращается (t^см_и&λτ; t^к_и+t^опт_и&λτ; t^см_ф=t^к_ф+t^опт_ф) при улучшении качества получаемой смеси (V_с^пр_и&λτ; V_с^пр_ф).

Длина канавки определяет диапазон возможных положений лопатки при смешении, то есть каждая лопатка имеет возможность поворачиваться от 0 до 90° , вместе с изменением положения меняется и вылет лопатки. Противоположное направление винтовых канавок лопаток в соседних рядах обуславливает изменение положения лопаток относительно друг друга, обеспечивающее необходимое качество смешения.

Для обеспечения плавного (без заедания) перемещения штифтов 9 в канавках (фиг.1) необходимо, чтобы угол подъема витка канавка (γ ) по аналогии с червячной передачей [Прикладная механика: Учеб. пособие для вузов / К.И. Заблонский, М.С. Беляев, И.Я. Телис, С.И. Филипович, Н.А. Цецерин. - Киев: Вища школа, Головное изд-во, 1984, с.154] и передачей винт-гайка [Прикладная механика: Учеб. для вузов / Г.Б. Иосилевич, Г.Б. Строганов, Г.С. Маслов - М.: Высшая школа, 1989, с.158-201] составлял от 5 до 20° .

Лопатки на периферии имеют скругленную форму. Радиус скругления определяется из условия равномерного зазора между кромкой лопатки и стенкой цилиндрического корпуса смесителя для положения лопатки соответствующего оптимальному углу поворота, когда наблюдается максимальная интенсивность сдвигового перемещения (участок II фиг.4).

Радиус скругления лопаток определяется следующим соотношением:

где r - радиус скругления лопатки, м;

b - ширина лопатки, м;

α - угол поворота лопатки относительно оси вращения вала, град.

где R - внутренний радиус цилиндрического корпуса смесителя, м;

h - вылет лопатки, м;

0,001... 0,002 - необходимый зазор между периферийной частью лопатки и стенкой смесителя, м.

где L - длина смесителя, м;

n - число рядов лопаток.

где ρ - радиус оси лопатки, м;

γ - угол подъема витка канавки, град.

Обе части этого уравнения представляют собой величину отрезка BD (фиг.5). Лопатка 8 при определенном угле поворота представляется сектором COʹ E. Проекция лопатки на плоскость, перпендикулярную оси вращения вала, представлена сектором AOF.

Левая часть уравнения (1) получена следующим образом: отрезки Oʹ C, Oʹ D, Oʹ E между собой равны, и их величины соответствуют искомому радиусу скругления, то есть Oʹ C=Oʹ D=Oʹ E=r. Отрезок BD равен разнице отрезков Oʹ D и Oʹ B, то есть BD=Oʹ D-Oʹ B. Из треугольника Oʹ CB, где угол Oʹ BC равен 90° , а отрезок BC равен половине ширины лопатки, то есть BC=b/2 выразим Oʹ B. Получим по теореме Пифагора . Подставив данное выражение, получим следующее:

Аналогичным образом получаем правую часть уравнения (1):

BD=OD-OB,

OD=OA=OF=H,

AB=CB sin(α )=(b/2)sin(α ),

Приравнивая формулы (5) и (6), получим уравнение (1).

Значения угла поворота лопатки α относительно оси вращения вала берутся из диапазона оптимальных значений от 40 до 50° и определяются экспериментально в зависимости от физико-механических свойств смешиваемых материалов, из которых состоят компоненты.

Соотношение (1) позволяет оптимизировать форму лопатки в зависимости от физико-механических свойств смешиваемых материалов при выдержке необходимого качества смеси.

С учетом оптимального угла поворота лопатки 8 и условия полного перекрытия зон их захвата, картина расположения лопаток и зон их воздействия по длине смесителя будет такой, как представлена на фиг.6.

Здесь I - зона захвата первого ряда;

II - зона захвата лопаток второго ряда;

... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .

N - зона захвата лопаток n-ого ряда.

Ширина зоны I равна: AB=AC+BC, где AC=BC=(b/2)cos(α ). Отсюда AB=bcos(α ). Длина смесителя определяется суммой равных по величине отрезков AB, то есть L=n AB=n b cos(α ). Отсюда получаем формулу (3).

Формула изобретения

1. Способ приготовления смеси порошкообразных и мелкозернистых сыпучих материалов в лопастном смесителе, включающий загрузку компонентов и их смешивание за счет организации "поршневого" и сдвигового перемещений частиц компонентов смеси, отличающийся тем, что загрузку компонентов осуществляют равномерно по длине смесителя и последовательно в порядке уменьшения размеров частиц и/или увеличения плотности материалов, из которых состоят компоненты, в начале процесса смешивания в течение некоторого времени (от 10 до 60 с) устанавливают угол поворота лопаток, равный 0°, обеспечивая минимальные интенсивности "поршневого" и сдвигового перемещений компонентов, затем в течение от 0,1 до 0,3 общего времени процесса осуществляют поворот лопаток от 0 до 90°, обеспечивая плавный переход к максимальной интенсивности "поршневого" перемещения компонентов, затем устанавливают угол поворота лопаток из диапазона оптимальных значений, заканчивая процесс смешивания при максимальной интенсивности сдвигового перемещения компонентов смеси.

2. Установка для приготовления смеси сыпучих материалов, содержащая полый вал с лопатками, оси которых соединены с механизмом изменения их угла поворота, расположенным в полости вала и имеющим устройство для его продольного перемещения, отличающаяся тем, что на периферии лопатки имеют скругленную форму, радиус которой определяется соотношением

где r - радиус скругления лопатки, м;

α - угол поворота лопатки относительно оси вращения вала, град.;

b - ширина лопатки, м;

где R - внутренний радиус цилиндрического корпуса смесителя, м; h - вылет лопатки, м; 0,001...0,002 - необходимый зазор между периферийной частью лопатки и стенкой корпуса смесителя, м;

где L - длина смесителя, м;

n - число рядов лопаток.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6