Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ГОМОГЕНИЗАЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ В СТАТИЧЕСКИХ СМЕСИТЕЛЯХ

Лозовая С.Ю. 1 Саблин В.С. 1 Ткачева О.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
Применяемые в промышленности строительных материалов смесители для вязких материалов основаны на принципе механического перемешивания. Они обладают рядом существенных недостатков, таких как образование застойных зон в камере смешения, а также расслоение потока на компоненты при транспортировке или подаче на участок формовки, отсутствие возможности легкой замены в автоматизированных технологических линиях. Предложен статический смеситель, в котором гомогенизация осуществляется без участия подвижных элементов конструкции, не имеющий указанных недостатков. Разработана экспериментальная установка статического смесителя с набором смесительных вставок, которые позволяют подбирать рациональные режимы смешивания для широкого спектра материалов с учетом их физико-механических и физико-химических свойств. Показано, что применение статических смесителей в области строительных материалов является перспективным направлением в современной технике смешивания.
интенсификация
гомогенизация
смесительное оборудование
статический смеситель
1. Берлин А.А., Минскер К.С., Дюмаев К.М. Новые унифицированные энерго и ресурсосберегающие высокопроизводительные технологии повышенной экологической чистоты на основе трубчатых турбулентных реакторов. – М.: ОАО НИИТЭХИМ, 1996. – 188 с.
2. Еремин Н.Ф. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов. : учеб. пособие для вузов – М.: Высш. шк., 1986. – 736 с.
3. Рядинская Л.В., Лозовая С.Ю. Экспериментальные исследования по управлению техническими характеристиками помольных устройств // Вестник Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова – 2013. – № 2. – С. 177–181.
4. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками, пер. с польск. Шупляка И.А. – Л.: Химия, 1975. – 384 с.
5. Патент на полезную модель № 104090 U1 Российская Федерация, МКИ B01F 9/02. Смесительно-помольное устройство с изменяемой рабочей камерой периодического действия / Н.М. Лозовой, С.Ю. Лозовая, В.А. Уваров; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. – Заявка № 2010139937, дата поступления 28.09.2010, зарегистрировано 10.05.2011. Бюл. № 13. – 2 с.
6. Патент на полезную модель № 126622 U1 Российская Федерация, МПК B01F5/00. Статический смеситель / С.Ю. Лозовая, В.С. Саблин, О.В. Ткачева; заявитель и патентообладатель Белгородский Государственный Технологический Университет имени В.Г. Шухова. – № 2012133606/05; Заяв. 06.08.2012; Опубл. 10.04.2013, Бюл. № 10 – 6 с.
7. Уваров В.А., Лозовой Н.М. Определение сил в смесителе с изменяемой рабочей камерой периодического действия // Вестник белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова. – 2012. – № 1. – С. 56–59.

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°.

аpic_49.tifб pic_50.tif

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.

аpic_51.tifб pic_52.tifв pic_53.tifг pic_54.tif
дpic_55.tifе pic_56.tifж pic_57.tif

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.

аpic_58.tif бpic_59.tif

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:

Eqn145.wmf

Eqn146.wmf (1)

Значимость факторов представлена на рис. 4.

pic_60.tif

Рис. 4. Значимость факторов

Уравнение регрессии имеет вид:

Eqn147.wmf (2)

Декодированное уравнение:

Eqn148.wmf (3)

Были построены трехмерные поверхности отклика (рис. 5), показывающие зависимость коэффициента однородности от основных факторов.

pic_61.tif pic_62.tif
pic_63.tif pic_64.tif

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: 05.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074