способ непрерывного приготовления многокомпонентных смесей и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ непрерывного приготовления многокомпонентных смесей сыпучих материалов, включающий в себя непрерывное дозирование компонентов, их загрузку в смеситель на расстоянии от места выгрузки, пропорциональном насыпным плотностям и/или размерам частиц. смешивание и выгрузку готовой смеси, отличающийся тем, что загрузку каждого из компонентов осуществляют непрерывно по длине смесителя, вплоть до разгрузочного края барабана.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрерывную загрузку компонентов по длине барабана осуществляют равномерно.

3. Устройство для приготовления n-компонентной смеси, содержащее смеситель непрерывного действия, дозаторы компонентов, узлы загрузки компонентов и выгрузки готовой смеси, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено n-1 перфорированными трубами, установленными внутри смесителя вдоль его оси с приводами вращения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что на перфорированной трубе с возможностью фиксированного поворота установлены перфорированные обечайки длиною L_об=L/N, где N - число рядов отверстий по длине трубы L, отверстия в обечайке имеют характерные размеры d - вдоль оси трубы и l - на окружности и разделены на М групп, в каждой из которых d одинаков и равен диаметру отверстий в перфорированной трубе, a l изменяется и равно

l=d+(i-1)d,

где i - порядковый номер отверстия в группе, который изменяется от 1 до n/M;

n - количество отверстий в одном поперечном сечении трубы;

n выбирается кратным М,

расстояния между центрами отверстий в поперечном сечении трубы больше или равны (n/M)d, причем в исходном положении все отверстия в обечайках совпадают с отверстиями в трубе.

Описание изобретения к патенту

Предложенные технические решения относятся к области переработки сыпучих материалов и могут быть использованы для непрерывного приготовления многокомпонентных смесей в химической и других родственных с ней отраслях промышленности.

Известны способ и устройство [см. кн. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов - М.: Машиностроение, 1973, с. 184] для непрерывного приготовления многокомпонентных смесей сыпучих материалов, основанные на принципе непрерывной подачи дозированного потока основного и ключевых компонентов в узел загрузки барабанного смесителя, смешивание с одновременным продвижением частиц вдоль оси барабана, выгрузку готовой смеси через узел выгрузки.

Недостатком данных решений является невысокое качество готовой смеси вследствие сегрегации компонентов и образование зоны повышенного содержания ключевых компонентов - ядра сегрегации.

За прототип принят способ приготовления многокомпонентных смесей сыпучих материалов [см. а.с. 1297895 (СССР), кл. В 01 F 3/18, 23.03.87], включающий непрерывное дозирование компонентов в смеситель, смешивание и выгрузку готовой смеси. Способ заключается в том, что с целью повышения качества смеси компоненты вводят в смеситель на расстоянии от места выгрузки, пропорциональном насыпным плотностям и/или размерам частиц. В описательной части представлена схема устройства, выбранного в качестве прототипа: смеситель в виде барабана с дозаторами ключевых компонентов, узлами загрузки и выгрузки, а также устройствами ввода ключевых компонентов на различном расстоянии от места выгрузки.

Недостатком данного технического решения является устойчивая неравномерность распределения частиц ключевых компонентов по объему смеси, снижающая ее качество.

Технической задачей предложенных решений является повышение качества готовой смеси.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что:

1. В способе непрерывного приготовления многокомпонентных смесей сыпучих материалов, включающем в себя непрерывное дозирование компонентов, их загрузку в смеситель на расстоянии от места выгрузки, пропорциональном насыпным плотностям и/или размерам частиц, смешивание и выгрузку готовой смеси, в отличие от прототипа загрузку каждого из компонентов осуществляют непрерывно по длине смесителя вплоть до разгрузочного края барабана.

2. В способе непрерывного приготовления многокомпонентных смесей в отличие от прототипа непрерывную загрузку компонентов по длине барабана осуществляют равномерно.

3. Устройство для приготовления n-компонентной смеси, содержащее смеситель непрерывного действия, дозаторы компонентов, узлы загрузки компонентов и выгрузки готовой смеси, в отличие от известных решений дополнительно снабжено n-1 перфорированными трубами, установленными внутри смесителя вдоль его оси, с приводами вращения.

4. Устройство по п.3, в отличие от известных решений на перфорированной трубе с возможностью фиксированного поворота установлены перфорированные обечайки длиною L_об= L/N, где N - число рядов отверстий по длине трубы L, отверстия в обечайке имеют характерные размеры d - вдоль оси трубы и l - на окружности, и разделены на М групп, в каждой из которых d одинаков и равен диаметру отверстий в перфорированной трубе, а l изменяется и равно l=d+(i-1)d, i - порядковый номер отверстия в группе, который изменяется от 1 до n/M, n - количество отверстий в одном поперечном сечении трубы и n выбирается кратным М, расстояния между центрами отверстий в поперечном сечении трубы больше или равны (n/M)d, причем в исходном положении все отверстия в обечайках совпадают с отверстиями в трубе.

Для обоснования правильности выбранного способа процесса смешивания были проведены численные эксперименты с расчетами концентрации и качества смеси по математическим моделям процесса [Селиванов Ю.Т., Першин В.Ф. Моделирование процесса смешивания дисперсных материалов, отличающихся размерами частиц // Теоретические основы химической технологии, 2001, Том XXXV, 1] и реальные эксперименты на действующих лабораторных установках. В качестве примера ниже приводятся диаметры частиц для смеси, содержащей стеклянные шарики с диаметром частиц d=0,8 мм - основной компонент; ключевые компоненты: стеклянные шарики d=0,4 мм; кварцевый песок d=0,2 мм.

Для расчетов использовалась послойная модель процесса приготовления многокомпонентных смесей в барабанном смесителе непрерывного действия [Першин В.Ф. Модель процесса смешения сыпучего материала в поперечном сечении гладкого вращающегося барабана // Теоретические основы химической технологии, 1989, XXIII, 3. - С. 370-377].

Как известно, при движении в поперечном сечении гладкого вращающегося барабана полидисперсного материала или смеси, состоящей из компонентов с частицами разных размеров, наблюдается эффект сегрегации. Сущность данного эффекта заключается в том, что частицы определенного размера концентрируются в определенных зонах смесителя. В качестве примера на фиг.1 показано распределение исследуемых компонентов (стеклянные шарики с диаметром частиц d=0,8 mm - А; стеклянные шарики с d=0,4 мм - В, кварцевый песок с d=0,2 мм - С) в результате длительного (30-40 мин) вращения барабана. Следует отметить, что данное конечное распределение компонентов в поперечном сечении барабана не зависит от способа первоначальной их загрузки.

Скорость движения частиц к их конечному положению (см. фиг.1) зависит от соотношения размеров этих частиц. В рассматриваемом случае максимальную скорость имели частицы кварцевого песка, поэтому будем их называть частицами, наиболее склонными к сегрегации. Частицы стеклянных шариков размером d= 0,4 мм будем называть менее склонными к сегрегации, а частицы стеклянных шариков с d=0,8 мм - основным компонентом.

Качество смеси оценивалось для каждого ключевого компонента по коэффициентам неоднородности VS1, VS2; причем в общем случае:



где n - число проб [см. кн. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. - М.: Машиностроение, 1973, с.43].

Обычно при отборе проб после проведения эксперимента и математическом моделировании процесса смешивания циркуляционный контур, образованный смешиваемыми компонентами в поперечном сечении, делят на подслои с центром циркуляции в точке S. В дальнейшем будем использовать термины - внешние подлои (на фиг. 1 в этих подслоях компонент А); средние подслои, заполненные компонентом В; внутренние подслои, заполненные компонентом С.

Численные эксперименты проводились для нескольких случаев. Первый случай: одновременная загрузка основного и ключевых компонентов, соответствующая способу, описанному в книге Макарова Ю.И. "Аппараты для смешения сыпучих материалов". - М.: Машиностроение, 1973, с.185. Графики изменения коэффициентов неоднородности по первому и второму ключевым компонентам во времени изображены на фиг.2. Совершенно очевидно, что наиболее равномерное распределение ключевых компонентов по слою материала в поперечном сечении барабана происходит неодновременно. Для наиболее склонного к сегрегации ключевого компонента - кварцевого песка с диаметром частиц d=0,2 мм оно происходит гораздо раньше (в пределах 90 секунд пребывания частиц сыпучего материала в аппарате). Для второго ключевого компонента наилучшее распределение по слою материала происходит после осуществления процесса смешивания в течение 170 секунд. Следует отметить, что любое сечение по длине непрерывно действующего барабанного смесителя не сложно охарактеризовать временем пребывания частиц в барабане, если начинать отсчет с момента начала загрузки основного компонента.

Из анализа представленных графиков видно, что в этом случае невозможно достижение качественного распределения по смеси каждого ключевого компонента в одно и то же время. Причем коэффициенты неоднородности VS1 и VS2, характеризующие качество смеси по каждому ключевому компоненту, достигают весьма значительных величин (10,5 - для наиболее склонного к сегрегации, 11,6 - для наименее склонного к сегрегации ключевого компонента).

Во втором случае (фиг.3) показаны графики изменения коэффициентов неоднородности для того же состава смеси, но соответствующего характеру загрузки компонентов в смеситель по способу, выбранному в качестве прототипа. В соответствии со способом прототипа ключевые компоненты загружаются в определенном сечении, т.е. на незначительном участке барабана, существенно меньшем его длины. Наименее склонный к сегрегации ключевой компонент загружался в смеситель непосредственно через узел загрузки на слой, образованный в смесителе частицами основного компонента. Наиболее склонный к сегрегации ключевой компонент загружался в смеситель на 85-ой секунде пребывания в барабане основного и наименее склонного к сегрегации ключевого компонента, т.е. узел загрузки для него находился на некотором расстоянии от загрузочного края барабана.

Во время продвижения вдоль оси барабана концентрация ключевых компонентов в поперечных слоях циркуляционного контура уменьшается, а во внутренних увеличивается. Результаты экспериментов на плоской модели барабана [Селиванов Ю.Т. Разработка конструкций барабанных смесителей и методик расчета процесса смешивания компонентов, склонных к сегрегации. Автореферат диссертации кандидата технических наук. Тамбов, 1996 - 16 с.] показали, что к моменту достижения минимального коэффициента неоднородности существует стабильная неравномерность, т.е. повторяющееся при разных опытах распределение компонентов по подслоям. В частности, минимальная концентрация компонента С наблюдалась во внешних подслоях, а максимальная - во внутренних. Для компонента В наименьшая концентрация наблюдалась в наружных и внутренних подслоях, а наибольшая - в средних подслоях. Обратим внимание, что для обоих ключевых компонентов (В и С) концентрация в наружных подслоях была меньше средней, хотя наилучшее распределение компонентов по слою в поперечном сечении смесителя в этом случае происходит для стеклянных шариков диаметром d= 0,4 мм и кварцевого песка диаметром d=0,2 мм одновременно.

Именно из анализа данного способа и следует предлагаемое нами техническое решение - осуществление загрузки каждого из ключевых компонентов непрерывно по длине смесителя вплоть до разгрузочного края барабана.

На фигуре 4 показаны графики, характеризующие изменение качественного состава смеси в случае равномерной и непрерывной загрузки ключевых компонентов вплоть до разгрузочного края барабана. Причем время начала загрузки первого и второго ключевых компонентов, как видно из графиков, не совпадает. Длительность процесса в этом случае увеличивается, однако нилучшее качество готовой смеси по обоим ключевым компонентам достигается одновременно и коэффициенты неоднородности не превышают 2-3%.

Экспериментальная проверка указанных способов проведения процесса смешивания соответствовала условиям проведения численных экспериментов. При этом использовался барабанный смеситель диаметром 0,1 м и длиной 0,8 м. Концентрация ключевых компонентов в смеси по каждому из них составляла 5%. Состояние смеси оценивалось только для случаев, соответствующих наилучшему распределению каждого ключевого компонента в поперечном сечении барабана, рассчитанных по математической модели процесса. Экспериментальные точки, характеризующие состояние смеси, обозначены для кварцевого песка - О, а для стеклянных шариков - .

Предназначенное для осуществления указанного способа устройство схематично показано на фиг.5; на фиг.6 - сечение А-А.

Устройство содержит смеситель 1 с узлами загрузки 2-4, узел выгрузки готовой смеси 5, дозаторы 6-8 для непрерывной подачи компонентов А, В и С соответственно, перфорированные трубы 9 и 10 с приводами вращения 11 и 12.

В качестве смесителя может быть использован барабанный смеситель непрерывного действия, у которого наблюдается циркуляционный характер движения в поперечном сечении по его длине.

Устройство работает следующим образом: основной компонент А с помощью узла загрузки вводится в смеситель. Ключевые компоненты с помощью узлов загрузки 3 и 4 вводятся в перфорированные трубы таким образом, чтобы они были заполнены соответствующими сыпучими материалами. Перфорация на трубе 9 для подачи в барабан наиболее склонного к сегрегации ключевого компонента начинается не с начала трубы, а на определенном расстоянии от места выгрузки. В частности, компонент С начинали загружать в сечении, когда время пребывания двух остальных составляющих смеси соответствовало расчетному моменту времени ввода данного компонента. При этом загрузка ключевых компонентов в смеситель осуществляется через отверстия перфорации в трубах. Диаметр отверстий подбирается таким образом, чтобы через них производилась вполне определенная, необходимая по требованиям к готовой смеси загрузка ключевых компонентов в смеситель в результате вращения труб приводами 11 и 12.

На фигуре 7 показано сечение трубы 13 с установленной на ней перфорированной обечайкой 14. Отверстия на обечайке расположены таким образом, что в случае, показанном на фигуре 7, возможна выгрузка сыпучего материала через все отверстия трубы. При повороте обечайки относительно трубы на некоторый угол против часовой стрелки возникает перекрытие одного отверстия трубы, двух и т.д. до полного перекрытия отверстий в трубе. Вследствие того, что на трубе установлен ряд подобных обечаек, возможно на определенных участках трубы как полное, так и частичное перекрытие отверстий для осуществления необходимого регламента загрузки ключевого компонента.

Таким образом, как показывают приведенные выше результаты экспериментальных исследований, предлагаемый способ и устройство для его реализации способны обеспечить достижение поставленной цели - повышение качества смеси.