смешение сыпучих материалов

Смешение сыпучих материалов состоит из некоторых элементарных процессов: перемещения группы соседних частиц из одного положения в другое (конвективного смешения), перераспределения частиц через обновленную границу их раздела (диффузионного смешения), скольжения плоскостей в массе материала (сдвигового смешения), сосредоточения частиц, имеющих одинаковую массу в соответствующих частях смесителя под влиянием инерционных и гравитационных сил (сегрегации).

Механизм смешения определяется конструкцией смесителя. По характеру процесса смешения различают смесители периодического и непрерывного действия, а по конструктивным признакам их классифицируют следующим образом: барабанные смесители без перемешивающих устройств или с перемешивающими устройствами, циркуляционные с быстровращающимися роторами, лопастные, дисковые, конусные, пневматические смесители и усреднители, червячно-лопастные и вибросмесители.

Барабанные смесители без перемешивающих устройств применяются нескольких типов: горизонтальные цилиндрические, цилиндрические с осью вращения наклонной к оси корпуса, биконические, V-образные, тетраэдрические. Для механизации подачи компонентов и выгрузки смеси в ряде конструкций используют транспортирующие шнеки.

Частота вращения барабана зависит от типа смесителя и физико-механических свойств смешиваемых материалов.

Горизонтальные смесители работают в режиме циркуляции сыпучего материала в плоскости сегмента со степенью заполнения 0,3—0,7. В барабанных смесителях других типов осевые перемещения частиц осуществляются за счет скольжения материала по наклонным поверхностям их корпуса. Наиболее эффективны среди барабанных смесителей V-образный и тетраэдрический.

Несмотря на простоту устройства и возможности смешения любых сыпучих компонентов способ смешения в барабанных смесителях имеет существенные недостатки: длительный цикл смешения, большие энергетические затраты. Для интенсификации процессов устанавливают дополнительные смесительные элементы. Смесители с мешалками червячного типа применяются как для сыпучих, так и увлажненных материалов и паст, а также волокнистых веществ. В производстве пресс-порошков используют одно- и двухвальные горизонтальные смесители периодического и непрерывного действия, в которых компоненты смешиваются при помощи двух роторов вращающихся с различными числами оборотов. Конструктивное оформление роторов различно: в виде ленты, вала с фасонными лопатками, шнеков, лопастей из узких металлических лент и скрученных полос.

Порошкообразные композиции эластомеров наиболее целесообразно изготовлять в смесителях червячно-лопастного типа. Исследования процесса смешения порошкообразных композиций в смесителях плужкового типа показали, что pacxод энергии для приготовления смеси заданного качества существенно ниже по сравнению с традиционными схемами, а эффективность смешения компонентов определяется размерами частиц каучука, его фракционным составом, степенью заполнения свободного объема смесителя и скоростью его рабочих органов.

Качество смешения и физико-механические свойства резин улучшаются при использовании диспергирующей головки, представляющей собой четыре ножа в форме лепестков, закрепленных на валу электродвигателя под углом 90° друг к другу. Это устройство подвергает дополнительному измельчению частицы каучука и технического углерода.

В циркуляционных смесителях с вращающимся ротором при достаточно высокой скорости смешиваемый сыпучий материал переводится в псевдоожиженное состояние, степень которого определяется типом ротора, частотой его вращения, высотой слоя материала и его физико-механическими характеристиками.

Верхняя лопасть выполнена в виде кольца с двумя радиальными лопатками, нижняя в виде лопастной мешалки с двумя радиальными лопатками, отогнутыми в сторону, противоположную вращению.

Под действием нижней лопасти материал приводится во вращательное движение, благодаря которому частицы материала  перемещаются от центра смесительной камеры к стенкам корпуса и далее вверх. При ударе материала о стенки происходит его диспергирование. Верхняя лопасть способствует дополнительной турбулизации смешиваемых компонентов. Циркуляция материала с одновременным его псевдоожижением позволяет быстро получать смесь требуемого качества. В последние годы скоростные смесители лопастного типа используются для предварительного смешения гранулированных или порошкообразных каучуков с техническим углеродом и другими сыпучими компонентами.

В дисковых смесителях сыпучий материал псевдоожижается под действием быстровращающихся сдвоенных дисков или перемешивающих устройств специальной конструкции, обеспечивающих циркуляцию частиц материала внутри корпуса смесителя (подъем у стенок, опускание в центре). В цикле смешения предусмотрены две скорости вращения ротора. При малой частоте вращения происходит разрыхление материала, а при большой — псевдоожижение.

В смесителях со шнековыми роторами (типа «Нормаль») материал псевдоожижается двумя вертикальными шнеками конической формы. Шнеки создают направленный вверх поток частиц, а в местах, наиболее удаленных от них, создается обратный поток частиц смеси, направленный вниз.

Смесители с вращающимся конусом или центробежные смесители работают по принципу перемещения частиц материала под действием центробежных сил по внутренней поверхности конуса и последующего их сброса с него в кольцевое пространство между конусом и корпусом смесителя. Из этого пространства через соответствующие окна с помощью лопастной мешалки сыпучий материал вновь поступает внутрь конуса. Смешение и диспергирование происходит при подъеме материала по конусу вследствие разных траекторий движения частиц и вне конуса в результате их перераспределения во время отскока от стенок и псевдоожижения. В центробежные смесителях с цилиндрическим корпусом типа СЦ вместо радиальной лопасти установлена спиралеобразная мешалка. Подобная конструкция нижней мешалки обеспечивает быстрое поступление сыпучего материала в конус.

Для гранулирования поливинилхлорида применяют двухстадийные центробежные смесители, в которых смесь компонентов подогревают до 70—80 °С, после чего добавляют жидкие компоненты, при этом лопасти вращаются с максимальной скоростью.

Смешение порошкообразных каучуков с техническим углеродом и другими компонентами происходит при следующем режиме: медленный запуск смесителя, переключение смесителя на высокую скорость, остановка смесителя с последующим включением на небольшую скорость, введение масел и других жидких компонентов, разгрузка смесителя. В результате получают однородную порошкообразную композицию, пригодную для дальнейшей обработки на различных видах оборудования. Производительность данного метода получения композиции в 3—4 раза выше, чем при изготовлении смесей традиционными методами, например на вальцах.

Для перевода порошкообразных материалов в псевдоожженное состояние применяются смесители специальной конструкции.

В вибрационных смесителях непрерывного действия вибрация, характеризуемая малой частотой колебаний и большими амплитудами, направлена на создание циркуляции частиц смешиваемого материала. Конструкции вибросмесителей, применяемых как для сухих, так и для влажных материалов, предусматривают сочетание вибрации корпуса с перемешивающими устройствами лопастного или барабанного типа.  Эксперименты, выполненные на различных смесителях, показывают, что смесители барабанного типа требуют более длительного времени воздействия по сравнению со смесителями червячно-лопастного типа, которые обеспечивают также более высокую гомогенность смеси. При использовании вибрационных смесителей необходимо учитывать возможность разделения смеси.