Устройство смешивания жидких и порошковых материалов

Устройство смешивания жидких и порошковых материалов

Реферат

Изобретение относится к технике смешивания подвижных сред разных плотностей и в различных состояниях, а более конкретно к устройству для смешивания жидких и порошковых материалов, а также получения высокогомогенизированных материалов, и может быть использовано в технологиях приготовления смесей и высокогомогенизирванных материалов в химической, пищевой, фармацевтической, строительной и других отраслях промышленности и сельского хозяйства.

При смешивание различных сред, особенно содержащих компоненты в разных фазовых состояниях, важно получить продукт с максимальной равномерной консистенцией, в котором не было бы пустот или сгустков несмешанных фракций. Наличие таких участков значительно снижает качество продукта и может привести даже к разрушению получаемых из него изделий. Поэтому проблеме обеспечения качественного смешивания уделяется большое внимание. Предлагаются способы и устройства с применением различных приемов: комплексного механического воздействия, создания определенных условий протекания смешивания и взаимодействия компонентов и другое, которые в совокупности призваны обеспечить получение оптимального по консистенции конечного продукта.

В патенте РФ №2121870 описано смешивание порошкообразных и гранулированных материалов, которое происходит внутри вращающегося вокруг своей оси параболического ротора. Смешиваемые материалы подают в полость ротора, выполненного в виде чаши, имеющей в сечении форму параболы. При вращении ротора частицам материалов сообщается разгон и движение по определенным траекториям, зависящим от параметров и скорости ротора и характеристик смешиваемых материалов. Траектории движения многократно сталкиваются и перекрещиваются, и смесь перемешивается. Таким образом, к краю ротора поступает уже приготовленная смесь, которая под действием центробежной силы сбрасывается с поверхности ротора и поступает на выгрузку. Недостатком такого способа является невозможность контроля за перемешиванием и получение результирующего продукта неоднородной структуры. В нем присутствуют комочки оставшихся не перемешанными материалов и гранулированных компонентов.

Из авторского свидетельства СССР №330030 известен смеситель непрерывного действия для приготовления на стадии смешения тонкодисперсной суспензии из порошковой и жидкой составляющих. Смеситель содержит корпус с конусным днищем, вращаемым от электродвигателя. По центральной оси корпуса установлен вращаемый от привода вал, на котором укреплены перемешивающий орган, диск и перемещаемые сбрасывающие ножи. Жидкий компонент подается на вращаемое днище и образует на его поверхности движущуюся к краю пленку, а порошковый компонент поступает на диск, откуда за счет центробежной силы распыляется в пленку. Образующаяся смесь отбрасывается на вращающийся перемешивающий орган, откуда самотеком или при помощи ножей поступает в патрубки выгрузки. Недостатком такого смесителя является то, что процесс встречи компонентов происходит на поверхности днища, что не обеспечивает получение однородной структуры смеси без комочков, пустот или гранулированных образований. Более того, сам процесс смешиваний является высокоэнергозатратным, в частности, из-за необходимости сбрасывания налипающей на стенки перемешивающего органа смеси с помощью ножей. Известно, что чистящие ножи должны работать на низких скоростях (до 60-300 об/мин). Работа же на высоких скоростях (более 3000 об/мин) влечет за собой колоссальные энергозатраты. Таким образом конструкция устройства оказывается сложной, энергоемкой и содержит большое количество дополнительных элементов, что влечет за собой удорожание его эксплуатации, а следовательно, и удорожание производства самих смесей.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, повышение интенсификации перемешивания и обеспечение оптимизации энергозатрат и управляемости процессом, улучшение качества готового продукта и создание простого в конструктивном исполнении и недорогого устройства для его получения.

Сухое или мокрое смешивание с целью получения однородной смеси представляет собой сложную технологическую задачу. В частности, известна технология, где в процессах перемешивания участвуют взаимодействующие направленные потоки компонентов, один из которых представляет собой разбрасываемый вращающимся ротором поток, а другой стекает по стенке смесительной емкости под действием гравитации. Основную роль здесь играют центробежная и гравитационная составляющие вектора перемещения потоков. Однако центробежная составляющая вектора перемещения потока имеет место лишь в роторе. Как только поток покидает ротор, центробежная составляющая исчезает в силу универсального закона физики о прямолинейном и равномерном движении, но появляется гравитационная составляющая. Поток, следовательно, становится, практически, неуправляемым. С другой стороны, по стенке емкости поток стекает только под действием гравитации, а центробежная составляющая при этом отсутствует. При смешивании же потоков компонентов на стенках емкости (при этом как известно турбулентность минимальна и эффективность смешивания низкая) остается только гравитационная составляющая, т.е. смесь компонентов, какая она ни есть по качеству, сползает по стенке на дно. Качество смеси пытаются улучшить установкой скребков, мешалок и т.д. Естественно такие технические решения усложняют конструкцию и никак не позволяют получить качественный целевой продукт.

Следовательно, необходимо эффективно воздействовать на потоки компонентов, в частности, обеспечивать предварительное перемешивание порошкового материала или предварительное перемешивание и активацию, или дополнительно еще и измельчение, и контролировать процесс смешивания на всем пути от подачи в аппарат и до выгрузки целевого продукта.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для смешивания порошковых и жидких материалов, содержащем корпус, проходящие через его центральную ось первый и второй валы, связанные с соответствующими первым и вторым приводами, первое и второе средства загрузки порошковых и жидких материалов, средство для образования потока порошкового материала в виде жестко установленной на первом валу тарелки и дефлектора в виде обращенного большим основанием вниз усеченного конуса, окружающего тарелку, средство для образования потока жидкого материала в виде барабана, установленного на втором валу под средством для образования потока порошкового материала, и средства для сбора и выгрузки результирующего продукта, в соответствии с изобретением валы установлены с возможностью вращения с разными скоростями, средство для образования потока порошкового материала содержит размещенную над тарелкой крыльчатку, лопасти которой по существу ортогональны плоскости тарелки, размещены радиально по спиральным траекториям и закреплены на тарелке посредством пружин с возможностью вибрирования вдоль плоскости тарелки. Такое выполнение лопастей позволяет им при изменениях расхода порошкообразного материала принимать необходимую адаптирующуюся кривизну, облегчая тем самым сход порошка и резко снижая энергозатраты на трение.

Предпочтительно, чтобы устройство дополнительно содержало окружающую дефлектор извне замкнутую круговую камеру, связанную с источником воды или пара и выполненную с возможностью создания водяной или паровой завесы, направленной в сторону барабана. Для этого можно, например, выполнить на обращенной в сторону центральной оси поверхности круговой камеры выпускные форсунки, через которые выходят находящийся в камере пар или жидкость в виде мелких капелек, которые и образуют водяную или паровую завесы.

При этом круговая камера устанавливается не ниже края конуса дефлектора.

Желательно, чтобы дефлектор был жестко прикреплен к корпусу так, чтобы нижний край конуса дефлектора оказывался не выше уровня установки тарелки на первом валу.

Устройство может быть дополнительно снабжено экраном, установленным, например подпружиненно, в корпусе над средством вращения. Такой экран предотвращает массовый уход частиц порошкового материала из области тарелки до момента достижения ее кромки, что, с одной стороны, обеспечивает более полное его вовлечение в процесс смешивания, а, с другой, позволяет избежать осаждения мелких частиц в виде пыли на элементах конструкции, что затрудняет нормальное функционирование или даже может привести к поломке устройства.

Далее изобретение поясняется с помощью одного из возможных, но не исчерпывающих, вариантов его выполнения, показанного на чертеже, иллюстрирующем схематический вид устройства спереди (вертикальное сечение); вариант выполнения с двуполостным барабаном.

На чертеже показано устройство 1 для смешивания порошковых и жидких материалов. Устройство содержит корпус 2 с рабочим объемом 3 и проходящими по его центральной оси первым валом 4 и вторым валом 5, приводимыми во вращение соответственно от первого привода 6 и второго привода 7. Валы 4 и 5 установлены соосно и соединены любым известным способом с соответствующими приводами 6 и 7 так, что могут иметь разные скорости и направления вращения. В таком варианте, в частности, компенсируется взаимозакручивание потоков тангенциальными составляющими скоростей вращения ускорителей.

На первом валу 4 размещено средство вращения 8, содержащее жестко установленные на первом валу 4 открытую вверх тарелку 9 и расположенную над ней крыльчатку 10, представляющую собой ряд простирающихся радиально по спиральным траекториям лопастей 11, рабочая плоскость которых по существу ортогональна плоскости тарелки 9. Размеры тарелки выбирают в зависимости от желаемой производительности, т.е. желаемого количества разбрасываемых частиц: чем больший радиус имеет тарелка, тем большее количество порошковых частиц уйдет одновременно с ее поверхности при сохранении одинаковой толщины слоя порошка, а также в зависимости от той скорости, с которой частицы должны вылетать с поверхности тарелки. Данная скорость, в свою очередь, не должна превышать тот уровень, после которого между тарелкой и дефлектором возникают турбулентные потоки воздуха, вызывающие нежелательный унос наиболее мелких и легких частиц, т.е. пыление. Обычно выбирают скорость 2-8 м/с.

Над средством вращения 8 расположено первое средство загрузки 12, предназначенное для подачи порошкового материала на средство вращения 8. В данном варианте исполнения между средством вращения 8 и первым средством загрузки 12 установлен экран 13, предназначенный для предотвращения разлетания порошкового материала из зоны средства вращения 8.

На втором валу 5 установлен с возможностью вращения вместе с валом 5 двуполостной барабан 14, над которым располагается второе средство загрузки 15 для подачи на барабан жидкого материала. Размеры барабана определяются желаемым соотношением взаимодействующих капелек жидкости с частицами порошкового материала, которое достигает 100%.

В верхней части устройства внутри корпуса 1 установлен дефлектор 16, выполненный в виде усеченного конуса. Дефлектор 16 размещен большим основанием вниз так, что края его меньшего основания скреплены с корпусом, стенки окружают средство вращения 8, а край 17 большего основания простирается в пространстве ниже уровня крепления тарелки 9 к валу 4.

В рабочем объеме 3 на уровне не ниже края 17 установлена кольцевая замкнутая камера 18 с выходными форсунками 19, направленными в сторону центральной оси корпуса. Камера 18 соединена с непоказанным здесь дополнительным источником подачи жидкого или парового материала. Жидкий материал или пар, выходя из форсунок 19, создает дополнительную кольцевую область распыленного жидкого материала, например, в виде капельной или паровой завесы. Радиус R1 установки кольцевой камеры 18 относительно центральной оси больше радиуса R2 большего основания дефлектора 16. В нижней части корпуса имеются любые известные средства 20 для сбора и выгрузки целевого продукта.

Устройство работает следующим образом. Приводы 6 и 7 придают вращение валам 4 и 5 и соответственно средству вращения 8 и барабану 14. Порошковый материал из первого средства загрузки 12 поступает на вращающуюся тарелку 9, на которой частицы материала ускоряются, перемешиваются и перетираются с активированием поверхности каждой частички. Размещенная в области углубления тарелки 9 крыльчатка 10 способствует указанному процессу, а также предотвращает группирование и застой порошкового материала в области центральной оси. Размещенный над тарелкой 9 экран 13 препятствует разлетанию частиц вверх, возвращая их в область ускоренного центробежного движения, создаваемого тарелкой 9. При приобретении центробежного ускорения частицы распыляются с тарелки и ударяются о стенку дефлектора, в результате чего происходит дезагрегация и дальнейшее активирование поверхности частиц, а также формирование необходимого направления перемещения потока порошкового материала. После удара частицы, сохраняя некоторую тангенциальную составляющую скорости распыления, падают в виде замкнутого порошкового потока «чулком» вниз. Подаваемый через второе средство загрузки 15 на вращающийся барабан 14 жидкий материал за счет центробежных сил приобретает состояние пленки, которая распыляется с барабана в виде состоящего из мелких капель дисперсного жидкого потока. Распыляемый жидкий поток внедряется в поток активированного порошкового материала, в результате чего происходит их интенсивное перемешивание. Соединившиеся с жидким материалом порошковые частицы падают вниз на днище устройства. Оставшаяся неувлажненной незначительная часть частиц порошкового материала подвергается дополнительному воздействию водяной или паровой завесы, образуемой форсунками 19 кольцевой камеры 18, благодаря чему, достигается более высокая эффективность смешивания. Полученный после перемешивания целевой продукт собирается в нижней части корпуса, если требуется, дополнительно перемешивается с помощью известных механических средств и выгружается из устройства любыми известными способами и приспособлениями, условно показанными как средство выгрузки 20.

Следует иметь в виду, что приведенный вариант реализации изобретения является одним из возможных других, в которых в соответствии с духом и идеей изобретения могут быть использованы иные конструктивные решения.

1. Устройство для смешивания порошковых и жидких материалов, содержащее корпус, проходящие через его центральную ось первый и второй валы, связанные с соответствующими первым и вторым приводами, первое и второе средства загрузки порошковых и жидких материалов, средство для образования потока порошкового материала в виде жестко установленной на первом валу тарелки и дефлектора в виде обращенного большим основанием вниз усеченного конуса, окружающего тарелку, средство для образования потока жидкого материала в виде барабана, установленного на втором валу под средством для образования потока порошкового материала, и средства для сбора и выгрузки результирующего продукта, отличающееся тем, что валы установлены с возможностью вращения с разными скоростями, средство для образования потока порошкового материала содержит размещенную над тарелкой крыльчатку, лопасти которой по существу ортогональны плоскости тарелки, размещены радиально по спиральным траекториям и закреплены на тарелке посредством пружин с возможностью вибрирования вдоль плоскости тарелки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит окружающую дефлектор замкнутую круговую камеру, выполненную с возможностью создания водяной или паровой завесы, направленной в сторону барабана.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что круговая камера установлена не ниже края конуса дефлектора.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дефлектор жестко прикреплен к корпусу так, что нижний край конуса дефлектора расположен не выше уровня установки тарелки на первом валу.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит экран, жестко установленный в корпусе над тарелкой.