Рыночная экономика требует повышения качества и расширения ассортимента выпускаемой продукции, что вызывает необходимость совершенствования старых, внедрение новых, прогрессивных технологий и более совершенного оборудования. Кроме этого, в настоящее время одной из основных задач является обеспечение технического перевооружения и интенсификация уже действующих технологических производств.
Для повышения эффективности технологических процессов в различных областях промышленности возникает необходимость в перемешивании компонентов с целью получения различного вида смесей с высокой степенью однородности [2]. Несмотря на многообразие смесителей [3], актуально осуществлять поиски новых, более совершенных конструкций, обеспечивающих наибольшую производительность процесса при сравнительно малых затратах энергии и высоком качестве готового продукта, при этом выбор метода перемешивания зависит от конкретного производства и диктуется технологией. Также возникает необходимость в таком оборудовании, которое бы легко встраивалось в существующие автоматизированные линии.
При получении высокогомогенизированных растворов суспензий, паст осуществляются такие важные процессы как тепло- и массообмен, интенсификация химических реакций, и др. Смесители с высокой степенью гомогенизации и производительностью, используемые в настоящее время в промышленности строительных материалов, как правило, занимают относительно большую площадь и имеют высокую металлоемкость. В них в большинстве случаев используется механическое перемешивание при помощи различных мешалок [3, 4]. Из этой группы наибольшей функциональностью и производительностью обладают турбинные и пропеллерные смесители, однако и они имеют указанные выше недостатки.
Одним из актуальных направлений, позволяющих существенно повысить эффективность и качество получаемых смесей, является разработка статических смесителей [1], в которых возможно смешивание гомогенных и гетерогенных компонентов. Статические смесители могут применяться в качестве устройств для:
‒ получения однородных жидких смесей;
‒ получения эмульсий и суспензий.
Предложен статический смеситель (рис. 1, а) [5], в котором компоненты смеси подают из бункеров 1, 2 подающими блоками 3, 4 со шнеками в камеру 5, с установленной в ней смесительной вставкой 8. Материал, продвигаясь через элементы 5 вставки 8, интенсивно смешивается и поступает в бункер 9. Таким образом, гомогенизация компонентов осуществляется без участия подвижных элементов конструкции, а скорость смешивания регламентируется скоростью подвода компонентов к зоне перемешивания. Подача компонентов может осуществляться под различными углами по отношению друг к другу от 90 до 180°.
аб
Рис. 1. Статический смеситель: 1, 2 – бункеры; 3, 4, 6, 7 – подающий блок; 5 – смесительная камера; 8 – смесительная вставка; 9 – бункер
Здесь нужно отметить, что основным элементом устройства является смесительная вставка 8, которую можно помещать вовнутрь патрубка, объединяющего пакет питателей или дозаторов. Посредством вставки в патрубке происходит процесс гомогенизации, также ее можно помещать вовнутрь трубопровода для устранения застойных зон и расслоения потока при транспортировке и подаче на участок формовки или в агрегат технологического передела.
Таким образом, преимуществами статического смесителя является отсутствие движущихся элементов, компактность, что позволяет встраивать в существующие технологические линии, простота монтажа, высокая надежность, низкая металлоёмкость, снижение капитальных затрат и трудозатрат на обслуживание и ремонт по сравнению с традиционным смесительным оборудованием. Все это обусловливает высокую экономическую эффективность предлагаемого смесителя.
Для проведения экспериментальных исследований процессов смешения в статическом смесителе была разработана и изготовлена лабораторная установка (рис. 1, б). Она работает следующим образом: смешиваемые компоненты загружаются в бункеры 1, 2. При помощи подающего блока 3 из первого бункера 1 компонент смеси подается в смесительную камеру 5. Одновременно с помощью второго подающего блока 4 навстречу первому компоненту подается второй компонент смеси (под углом 180°). В камере 5 происходит смешение во встречных потоках. Далее материал под напором подаваемого материала и под действием силы тяжести продвигается вниз по стеклянной смесительной камере. Для интенсификации процесса смешения внутри камеры можно установить специальные смесительные вставки 8 (рис. 1, 2). Электродвигатели позволяют регулировать частоту вращения шнеков в пределах от 50 до 750 об/мин с шагом в 70 об/мин. Регулировка производится с помощью десятишагового регулятора.
В лабораторной установке предусмотрены два дополнительных подающих блока 6 и 7, расположенных под углом 180° по отношению друг к другу. На них также можно разместить бункер для подачи материала. Например, если осуществлять подачу с подающих блоков 3 и 6, то потоки будут встречаться в камере 5 под углом 90°. Величину подачи в данной установке можно регулировать шагом шнеков.
Для предложенного статического смесителя (рис. 1, б) [1] были разработаны различные смесительные вставки (рис. 2), позволяющие улучшить качество готовой продукции без внесения в конструкцию смесителя кардинальных изменений.
![pic_51.tif](/fs/i/2013/8-6/pic_51_fmt.jpg)
![pic_52.tif](/fs/i/2013/8-6/pic_52_fmt.jpg)
![pic_53.tif](/fs/i/2013/8-6/pic_53_fmt.jpg)
![pic_54.tif](/fs/i/2013/8-6/pic_54_fmt.jpg)
![pic_55.tif](/fs/i/2013/8-6/pic_55_fmt.jpg)
![pic_56.tif](/fs/i/2013/8-6/pic_56_fmt.jpg)
![pic_57.tif](/fs/i/2013/8-6/pic_57_fmt.jpg)
Рис. 2. Смесительные вставки
Смесительные вставки могут иметь различную конфигурацию и длину, например, они могут быть выполнены в виде конической пружины (рис. 2, а), комплекта конических пружин (рис. 2, б) или оси с закреплёнными на ней элементами в виде лепестков, развернутых под различными углами относительно оси (рис. 2, в) в зависимости от физико-механических свойств смешиваемых материалов.
Также смесительная вставка может состоять из набора перфорированных шайб одного (рис. 2, г) или различных диаметров (рис. 2, д), закрепленных на стержне перпендикулярно оси корпуса смесителя и установленных таким образом, чтобы отверстия были развёрнуты на некоторый угол по отношению друг к другу. В случае смешения компонентов, имеющих различные физико-механические свойства, целесообразно использовать комплект элементов вставок типа мальтийского креста также одного (рис. 2, е) или различных диаметров (рис. 2, ж).
Поток среды взаимодействует с элементами вставок, которые его отклоняют и завихряют, тем самым создают разнонаправленную циркуляцию по всему сечению камеры, благодаря чему достигается равномерность распределения компонентов получаемой смеси.
Применение статических смесителей в области строительных материалов очень перспективно ввиду их легкой встраиваемости в уже отлаженные схемы производства, что позволяет улучшить качество продукции или для улучшить качество смеси уже работающих смесителей путем установки различных вставок в области выгрузки готового продукта. Предложенные смесительные вставки позволяют подбирать рациональные режимы смешивания для широкого спектра гомогенизируемых компонентов с учетом их физико-механических и физико-химических свойств.
Для исследования работы смесителя был произведен анализ факторов, влияющих на процесс смешения в статическом смесителе. К ним относятся: угол подачи материала; диаметр смесительной камеры; диаметры отверстий смесительных элементов; расстояние между смесительными элементами; количество смесительных элементов; давление подачи жидкостей; вязкость смешиваемых жидкостей и форма, а также количество отверстий смесительного элемента.
Были проведены исследования влияния конструктивного исполнения смесительной вставки с элементами, имеющими шесть отверстий (рис. 3) на процесс смешения.
а б
Рис. 3. Смесительная вставка с элементами, имеющими шесть отверстий: а – в сборе; б – отдельный элемент
В качестве основных факторов были выбраны количество смесительных элементов l и расстояние между ними n. Уровни их варьирования представлены в таблице.
Уровни варьирования основных факторов
Основные факторы |
Расстояние между смесительными элементами |
Количество смесительных элементов |
|
Обозначение |
х1 (l, мм) |
х2 (n, шт) |
|
Уровни варьирования |
Основной уровень (0) |
20 |
7 |
Верхний уровень (+1) |
23 |
8 |
|
Нижний уровень (–1) |
17 |
6 |
|
Звездные точки: верхняя (+1,68) нижняя (–1,68) |
25 15 |
9 5 |
Кодирование факторов производилось по следующим формулам:
(1)
Значимость факторов представлена на рис. 4.
Рис. 4. Значимость факторов
Уравнение регрессии имеет вид:
(2)
Декодированное уравнение:
(3)
Были построены трехмерные поверхности отклика (рис. 5), показывающие зависимость коэффициента однородности от основных факторов.
![pic_61.tif](/fs/i/2013/8-6/pic_61_fmt.jpg)
![pic_62.tif](/fs/i/2013/8-6/pic_62_fmt.jpg)
![pic_63.tif](/fs/i/2013/8-6/pic_63_fmt.jpg)
![pic_64.tif](/fs/i/2013/8-6/pic_64_fmt.jpg)
Рис. 5. Значения коэффициента однородности при варьировании факторов
Поверхность отклика носит параболический характер. Коэффициент однородности смеси принимает наименьшее значение (21,4 %) при 7 смесительных элементах, расположенных на расстоянии в 20 мм. Однако при изменении количества смесительных элементов для любого расстояния между ними коэффициент однородности увеличивается, и при использовании 5 и 9 штук достигает 100 % при расстоянии в промежутках от 15 до 17 и от 24 до 25 мм соответственно.
Рецензенты:
Блажевич С.В., д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой информатики и вычислительной техники, ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г. Белгород;
Трубаев П.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой теплоэнергетики, теплогазоснабжение и вентиляции, Белгородский инженерно-экономический институт, г. Белгород.
Работа поступила в редакцию 04.07.2013.
Библиографическая ссылка
Лозовая С.Ю., Саблин В.С., Ткачева О.В. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ГОМОГЕНИЗАЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ В СТАТИЧЕСКИХ СМЕСИТЕЛЯХ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8-6. – С. 1326-1331;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32131 (дата обращения: 30.06.2024).