Содержание к диссертации
Введение
1. Приготовление составов на основе дисперсных материалов 8
1.1. Особенности вибрационного смешивания дисперсных материалов 8
1.2. Вибрационные аппараты для смешивания дисперсных материалов 14
1.3. Лотковые вибрационные смесители 23
1.4. Постановка задачи исследования 26
2. Методы описания динамики смешивания диспесных материалов 27
2.1. Эмпирические методы исследования смешивания 27
2.2. Анализ структуры потоков с помощью функции распределения времени пребывания частиц потока внутри аппарата 29
2.3. Методы механики сплошных сред 30
2.4. Энтропийно-информационный подход 33
2.5. Статистический подход 34
2.6. Стохастический подход на основе уравнения Колмогорова - Фоккера - Планка 39
3. Стохастическая модель смешивания дисперсных материалов в аппаратах лоткового типа 47
3.1. Структура и описание модели перемешивание 47
3.2. Модели перемешивания 61
3.3. Вероятностная модель переноса дисперсных частиц 68
3.4. Диффузионная модель переноса дисперсных частиц 73
4. Численное моделирование 79
4.1. Качество смешивания в аппаратах с вибрирующим слоем 79
4.2. Перенос частиц ключевого компонента по высоте вибрирующего слоя. Время смешивания . 93
4.3. Экспериментальная проверка адекватности модели. 98
4.4. Практические рекомендации по использованию результатов работы. 101
Выводы 106
Литература 108
Приложение 115
- Вибрационные аппараты для смешивания дисперсных материалов
- Стохастический подход на основе уравнения Колмогорова - Фоккера - Планка
- Вероятностная модель переноса дисперсных частиц
- Перенос частиц ключевого компонента по высоте вибрирующего слоя. Время смешивания
Введение к работе
Композиции, приготавливаемые путем смешивания дисперсных материалов, имеющих различные размеры, физико-механические и химические свойства, находят самое широкое применение. Они могут служить основой для получения новых материалов (керамики, металлокерамики, стекол, полимеров, резинотехнических изделий) со свойствами, отличными от свойств исходных материалов, что особенно ценно. Также они могут использоваться в качестве компонентов, вступающих в химическое взаимодействие или образовывать препарат, применяющийся в медицине или сельском хозяйстве.
Несмотря на то, что дисперсные материалы перерабатываются в промышленности уже долгие годы, их смешивание и в настоящее время остается одним из самых малоизученных физических процессов.
Природа дисперсные материалов не позволяет отнести их ни к твердым телам, ни к жидкостям. Способность дисперсные материалов принимать форму сосуда и возможность двигаться потоком роднит их с жидкостями. В то же время, каждая отдельно взятая частица обладает всеми свойствами твердого тела. Дисперсные материалы, состоящие из совокупности таких частиц, способны воспринимать внешние сжимающие нагрузки, что делает их похожими на твердые тела. Однако, в комплексе поведение дисперсные материалов в значительной степени отличается и от твердых тел и от каких бы то ни было жидкостей. Этим и объясняется то, что дисперсные материалы являются значительно более трудным объектом для исследования, чем твердые тела, а также жидкие и газообразные вещества.
В реальном дисперсном материале частицы в определенной степени связаны между собой и воздействуют друг на друга, поэтому на характер протекания процесса их смешивания может оказывать влияние множество различных факторов, в том числе и носящих случайный характер.
Научно обоснованный выбор конструкции смесителя, предназначенного для смешивания конкретных дисперсных материалов, должен начинаться с изучения свойств этих материалов, т. к. они существенным образом влияют на конструктивные особенности аппарата и режимы его работы. Процесс смешивания протекает во времени и его ход, а также скорость зависят от правильности подбора аппарата, причем во многих случаях при правильном подходе может быть использовано уже существующее оборудование, что исключит необходимость разработки нового.
Если с учетом свойств смешиваемых материалов данный аппарат пригоден для их переработки, то основной величиной, влияющей на окончательный его выбор, служит необходимая степень однородности смеси.
В настоящее время нет согласованного мнения о том, что понимать под термином «однородная смесь», а следовательно нет и единой модели однородной смеси. Разработка математической модели процесса смешивания, включающей в себя описание однородного состояния смеси, позволит значительно упростить оценку эффективности применения того или иного аппарата в каждом конкретном случае. При этом отпадает необходимость проведения длительных экспериментальных исследований, что особенно важно при разработке нового смесителя.
Вообще, принято считать, что если ключевой компонент случайным образом распределен по всему объему смеси, то такая смесь является однородной. Это положение подчеркивает тот факт, что в основе процесса смешивания дисперсных материалов лежат явления, вероятностные по своей природе. Стохастический характер этого процесса проявляется прежде всего в случайном распределении потоков частиц по рабочему объему аппарата.
Можно ли «запрограммировать» эти случайные колебания? Вероятно, да, если при построении модели прибегнуть к некоторым упрощениям и рассматривать не весь объем аппарата, а отдельные его ячейки, являющиеся с точки зрения макрообмена стационарными, а для описания процессов, проходящих внутри ячеек воспользоваться методами, применяющимися при описании случайных процессов.
Важно выяснить, насколько в равновесном состоянии концентрация ключевого компонента будет отличаться от идеальной. Также понять, что же главным образом влияет на характер и амплитуду случайных колебаний значений концентраций. Также необходимо знать время, по истечении которого смесь достигает равновесного состояния.
Как уже отмечалось, на эти вопросы до настоящего времени не существует однозначного ответа и лри всем многообразии существующих моделей ни одна из них не претендует на полноту и окончательность описания процесса смешивания дисперсных материалов. Это является одной из основных причин актуальности подобных исследований.
Итак, данная работа посвящена исследованиям закономерностей процесса смешивания сыпучих материалов и ставит конечной целью разработку вероятностной модели равновесного состояния смеси при ее приготовлении в вибросмесителях лоткового типа.
Цель работы. Целью настоящего исследования является разработка универсальной математической модели динамики смешивания дисперсных материалов, исследование закономерностей процесса на основе численного эксперимента и выработка рекомендаций по его совершенствованию.
Научная новизна работы. Предложена модель динамики смешивания дисперсных материалов» позволяющая прогнозировать изменение количества частиц ключевого компонента в пробе, в зависимости от ее объема, свойств сыпучих материалов и их концентраций, а также интенсивности воздействия на смесь в смесителе лоткового типа. Получена возможность определения времени достижения равновесного состояния, и предсказания качества смеси дисперсных материалов.
Разработан комплекс алгоритмов и программных средств, осуществляющих численный расчет по предложенным моделям смешивания дисперсных материалов, который может быть использован при моделировании изучаемого процесса в аппаратах различного назначения.
Практическая значимость. Разработана методика прогнозирования качества смешения — величины отклонения содержания ключевого компонента в смеси от заданного, в зависимости от времени проведения процесса. Впервые предложено использовать фазовый портрет для описания поведения смеси во времени. Даны рекомендации по улучшению качества (отсутствие комков и порошкообразных компонентов в свободном виде) и уменьшению времени смешивания сыпучих компонентов в производстве окрашиваемых полимерных композиций. Предложен к применению смеситель лоткового типа с вибратором, который обеспечивает равномерное распределение порошкообразных компонентов среди гранул полимера.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Кострома, 2004 г., и на научных семинарах кафедры «Машины и аппараты химических производств» в Санкт-Петербургском Технологическом институте (Техническом университете), Санкт-Петербург, 2003, 2004г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы и списка литературы. Материал диссертации изложен на 127 страницах, содержит 26 рисунков, 13 страниц приложений и список литературы из 68 наименований.
Вибрационные аппараты для смешивания дисперсных материалов
Промышленное применение находят аппараты, эффект смешивания в которых основан на различных физических принципах. Рассмотрим наиболее широко применяемые типы аппаратов для смешивания дисперсных материалов, в том числе и с добавкой жидкости.
Классификация основных типов смесителей. Смесительное оборудование, отличается большим разнообразием конструкций и различиями в принципах их действия [3 - 5]. Механические, струйные, пневматические, импульсные, вибрационные, магнитные - далеко не полный перечень аппаратов, имеющих различные принципы работы, производительность, размеры. Как правило, в каждой отрасли промышленности (фармацевтическая, химическая, строительная) используются свои традиционные аппараты, что с точки зрения механизма смешивания не имеет строгого обоснования. Теоретические разработки для расчета смесителей дисперсных материалов практически отсутствуют. Поэтому проектируют и подбирают тип смесителя, используя результаты экспериментов на модельных аппаратах и вводя различные коэффициенты при переходе к смесителям большего объема. Можно выбрать основной признак, характеризующий смеситель, который в данных конкретных условиях эксплуатации, расчета, моделирования и конструирования является наиболее важным. В зависимости от определяющего классификацию признака один и тот же смеситель может быть причислен к различным группам. Ниже приведен один из вариантов классификации основных типов смесителей [3, 6]: - по режиму работы (периодического или непрерывного действия); - по способу установки (передвижные, стационарные); - по скорости вращения рабочего элемента (тихоходные, скоростные); - по механизму смешивания (конвективного смешивания, диффузионного смешивания, конвективно-диффузионного смешивания); - по способу силового воздействия на смесь (гравитационные, центробежные, пневматические); - по характеру движения частиц (циркуляционные, с хаотическим перемещением частиц); - по конструктивному признаку (с вращающимся корпусом, со стационарным корпусом и вращающимся рабочим элементом, с вертикальным валом, с горизонтальным валом, червячные, лопастные, планетарные, дисковые и т.д.); - по способу разгрузки (при помощи пневматического привода, при вращающейся мешалке). Классификация проводится на основе конструктивных особенностей того или иного аппарата. При обращении к рис. 1.3 необходимо учитывать условность любой классификации, поскольку в нее вошли далеко не все известные смесители. В данной классификации, например, отсутствуют вибрационные смесители, которые могут быть как с подвижным, так и неподвижным корпусом. В промышленности находят применение смесители самых различных конструкций, подробное их описание можно найти в литературе [1,]. Остановимся более подробно на конструктивных особенностях вибрационных смесителей, которые являются объектом нашего исследования. Вибрационные смесители. По принципу действия вибрационные смесители делят на принудительные и гравитационные. В смесителях принудительного действия на смесь оказывается силовое воздействие, в результате которого траектория частиц резко отличается от их движения под действием силы тяжести. Силовое воздействие может быть либо только под действием вибрации, либо в сочетании с механическим или пневматическим.
В гравитационных смесителях траектории движения частиц смеси определяются действием на них сил тяжести. Вибрационное воздействие лишь усиливает гравитационный характер движения, уменьшая силы трения, ликвидируя застойные зоны и т. д. Смесители принудительного действия значительно производительнее и эффективнее гравитационных и получили наибольшее распространение.
Смесители принудительного действия бывают барабанными и лотковыми. В отечественной практике из смесителей принудительного действия большее распространение получили барабанные (трубные) вибросмесители (рис. 1.1). Барабанные смесители представляют собой цилиндрический корпус, установленный на опорных амортизаторах и снабженный дебалансным вибратором. Вибратор может быть расположен внутри смесительной камеры или вне ее. Приводной электродвигатель располагается отдельно и соединен с вибратором карданной или клиноременной передачей.
Для смешивания сухих дисперсных материалом рекомендованы смесители ДВС-Н и трубные вибрационные смесители [3, 7, 8], схемы которых представлены на рис. 1.4. В вибрационных смесителях масса материала непрерывно перемещается вдоль вибрирующего корпуса смесителя. Корпус колеблется по круговой или эллипсоидной траектории с ускорением, обеспечивающим отрывание от него обрабатываемого материала. Основная масса обрабатываемого материала циркулирует в поперечных сечениях корпуса в сторону, обратную вращению вибратора. В вибрационных смесителях ДВС-Н (рис. 1.4, а) вращение лопастей еще более усиливает циркуляцию материала, приводит к высоким скоростям процесса радиального перемещения и его смешивание.
Конструкция смесителя проста и надежна, в ней отсутствуют трущиеся и вращающиеся в рабочей камере части, смесительная камера легко герметизируется. Однако ей присущ ряд органических недостатков, а именно, быстрое затухание амплитуды колебаний по мере удаления от стенки камеры, ограниченная область применения (только для легко транспортируемых материалов), необходимость качественной амортизации, как всякой одномасснои вибромашины. Из-за затухания колебаний в толще смешиваемой массы центральные области, наиболее удаленные от стенки, перемешиваются медленно, а примыкающие к стенке — быстрее, поэтому возникают принципиальные сложности при создании виброустановок большого объема.
В вибрационных смесителях можно достичь хорошего качества смешивания с коэффициентом неоднородности до 3% за сравнительно короткий промежуток времени при обработке материалов с размером частиц порядка 10 — 20 мкм. Смешиванию при наложении вибрации сильно препятствуют высокие адгезионные силы, влияние которых увеличивается с увеличением высоты слоя. При использовании вибрационных смесителей необходимо учитывать [8] то обстоятельство, что при объединенном ускорении происходит не смешивание, а разделение частиц разного размера и разной плотности. При этом [8] создать интенсивное перемешивание в слое многих тонкодисперсных материалов с размером частиц менее 10 мкм не удается во всем реальном для промышленных установок диапазоне параметров вибрации из-за сильного агрегирования частиц..
Стохастический подход на основе уравнения Колмогорова - Фоккера - Планка
Данное уравнение широко используется при описании смешения диспесных материалов в аппаратах непрерывного и периодического действия. Еще одна перспективная область применения уравнения Фоккера-Планка - описание совмещенных процессов, например смешивания с одновременным их измельчением или агломерацией. Решение уравнения (2.18) при соответствующих начальном и граничном условиях полностью характеризует кинетику смешивания.
Указанные уравнения следуют одно из другого при более жестких ограничениях. Для смесителей непрерывного действия (СНД), по-видимому, достаточным будет использование уравнения (2.19). В работе [43] перечислены основные подходы к математическому моделированию смешивания дисперсных материалов, среди которых в проблемном плане указывается на совокупность методов механики гетерогенных сред, статистической механики, неравновесной термодинамики, а также ставится вопрос о разработке методов решения систем уравнений, описывающих исследуемый процесс.
Описание смешивания с математической точки зрения требует постановки некоторой граничной задачи К- Ф-П, которая должна быть адекватной смесителю или группе аппаратов данного типа и отражать его конструктивные и режимные особенности. В дальнейшем ограничимся СНД, имеющими, внутренние устройства, образующие зоны задержки потоков дисперсных материалов, в которых непосредственно и происходит смешивание. В частности, к указанному типу СНД относятся аппараты, приведенные в работе [18, 44].
Имеется ряд подходов в математическом моделировании смешивания в указанных смесителях [11, 35, 44]. В некоторых случаях более конструктивной будет постановка граничной задачи К-Ф-П на полуограниченном в направлении движения транспортирующего потока отрезке или части поверхности, которые моделируют возможность уноса ключевого компонента из зоны смешения. В частности, для описания многокаскадного смесителя возможен подход, базирующийся на последовательном соединении зон смешения.
Третий уровень должен заканчиваться решением поставленной граничной задачи и аналитическим (если это возможно и целесообразно) или численным определением (и графическим представлением) критерия качества смеси. Последний может быть изображен в виде кривой или поверхности смешения, являющейся основной характеристикой проектируемого смесителя. При вычислении и построении поверхности смешения необходимо пользоваться средними по зоне смешения значениями концентрации ключевого компонента и ее дисперсии. Из третьего этапа следует вывод о возможности классификации СНД по поверхностям смешения и сравнительного анализа топологии этих поверхностей.
Четвертый уровень описания процесса смешивания состоит в перечислении множества параметров - {а}, проектируемого СНД и физико-механических свойств перерабатываемых материалов. С последующей их идентификацией с параметрами поверхности смешения, а также с проверкой адекватности математической модели опытным данным. Возвращаясь к исходному кинетическому уравнению (2.3), отметим, что коэффициент макро диффузии D{a) является, с точки зрения вывода этого уравнения, статистическим средним на множестве параметров {а} ос {K\R\FM}, состоящим из подмножеств конструктивных {К}, режимных {R} параметров аппарата и физико-механических свойств {FM} перерабатываемых материалов. Этот кинетический коэффициент модели в соответствии с основными положениями статистической физики [45] и теории массооб-менных процессов [46] может быть представлен в следующем виде где DQ,D{ - опытные безразмерные параметры; W - хаотическая скорость частиц ключевого компонента в зоне смешения. Она должна являться мерой энергии, подводимой к элементарному объему смеси со стороны рабочего органа аппарата или силового поля, в котором находится этот элемент.
Время релаксации частиц ключевого компонента т при их макродиффузии в транспортирующем потоке под действием случайных пульсаций связано с обобщенной длиной свободного пробега этих частиц / выражением:
В соответствии с основными положениями статистической теории массооб-менных процессов, учитывая столкновения частиц ключевого компонента с конструктивными элементами СНД, частицами транспортирующего потока, с други-ми частицами ключевого компонента, с возможными динамическими неоднород-ностями зоны смешения, а также учитывая другие возможные механизмы рассеяния, получаем зависимость: 1// = 2 4 Разработка математической модели смешивания сыпучих материалов для указанных выше смесителей непрерывного действия состоит в: - постановке и решении граничной задачи вида (2.2); - установлении отношения между ії и мерой энергии, подводимой к элементарному объему смеси; - вычислении / на множестве {а} с целью идентификации параметров физи ко-механической системы и аппарата с поверхностью смешения. При решении задачи по определению явного вида D(a) необходимо привлекать методы механики гетерогенных сред для расчета гидромеханической обстановки в зоне смешения [47, 48]. При моделировании смешивания с использованием математического аппарата теории марковских процессов следует иметь в виду следующее. Оценка качества смеси через плотность вероятности является наиболее полной, однако имеются трудности решения дифференциальных уравнений К-Ф-П при соответствующих постулатах о детерминированной составляющей случайного процесса. Сказанное можно распространить и на случаи применения уравнений Колмогорова — Феллера. Параметры модели определяются и обобщаются по экспериментальным данным. Использование марковских цепей для описания смешивания позволяет определить функцию распределения времени пребывания, оценить качество смеси через выборочные статистики. Однако в этом варианте описания возникает трудность определения матрицы переходов и учета явления сегрегации.
Математические модели смешивания позволяют анализировать процесс и управлять им, поставить и решить задачу оптимизации работы существующего оборудования, а на стадии разработки их отработать и применять рабочие узлы оптимальной конструкции. На стадии предварительных исследований процесса графический образ кривых смешения определяет методику и объем проводимого эксперимента, существенно сокращая его. Моделирование различных технологий смешивания позволяет рационально реализовать их в промышленных условиях, выбрать в конкретных случаях оптимальные схемы их осуществления.
Вероятностная модель переноса дисперсных частиц
Термин перемешивание используется применительно к описанию явлений переноса дисперсных частиц, явно не отличающихся своими свойствами. В таком случае, дисперсная система представляет собой совокупность частиц, отличающихся по цвету, форме, плотности или влажности. Такие задачи имеют место при усреднении больших партий дисперсных материалов с целью стабилизации их физических свойств.
Проведенная в предыдущем разделе концепция построения модели процесса смешивания обладает значительной общностью и при анализе процесса перемешивания в рамках решаемой в работе задачи может быть упрощена. При этом она должна быть дополнена соотношениями для расчета отдельных параметров модели, что делает возможным проведения конкретных расчетов.
Основные допущения, принятые при построении модели [67]. Модель перемешивания дисперсной системы построена с использованием двух основных допущений, связанных с движением слоя дисперсных частиц в аппарате: - слой обрабатываемого материала может быть представлен как совокупность элементарных групп частиц, сохраняющих в процессе обработки определенную пространственную связность; - подводимая в процессе обработки к материалу энергия равномерно распределяется по объему системы. Как показывают исследования, проведенные различными авторами [20 -23], первое допущение выполняется для большинства используемых в настоящее время аппаратов для смешения сыпучих материалов. Однако второе выполняется только для аппаратов, сочетающих как макроскопическую циркуляцию материала, путем приведения его в движение перемешивающими органами, так и мелкомасштабное воздействие путем механического или пневматического взвешивания. Отсюда вытекает область применения предложенной модели. Допущение о равномерности распределения энергии по объему смеси может нарушаться, если смешиваются компоненты, частицы которых сильно отличаются по размеру. Для описания перемешивания частиц одного размера на микроуровне рассмотрим статистический ансамбль, состоящий из ограниченного числа частиц. Структура уравнения эволюции смеси должна быть инвариантна относительно изменений энергетики процесса. При этом функция интенсивности изменения состояния определяется топологией объекта и размером статистического ансамбля. Пусть Nx - функция состояния микроканонического ансамбля, или пакета частиц, характеризует значение контролируемых параметров, изменяющихся при перемешивании. Переход к микроканоническому ансамблю частиц приводит к потере информации о макромасштабных флуктуациях функции состояния Nx. Изменение функции состояния во времени описывается дифференциально-разностным уравнением (3.23), которое с учетом принятых в данном разделе допущений и записанное для независимой переменной ср, (цвет, плотность, влажность) имеет вид: Функция Dx является аналогом коэффициента диффузии и имеет смысл условной вероятности перехода частиц из пакета в пакет. Разность значений функции состояния N х в соседних пакетах частиц в момент времени Т характеризует движущую силу перемешивания. Интенсивность перехода системы из одного состояния в другое связана со случайным перемещением частиц внутри элементарных объемов. Она должна зависеть от величины вероятности p(i,j} перехода j частиц /-го компонента между элементарными объемами смеси Dx = Dx(p(i j)). Вид функции Dx (І, j3 УІ) может быть определен из соображений о существовании встречного движение потоков частиц между пакетами, и D {i j n) имеет смысл условной вероятности перехода частиц из пакета в пакет. Тогда получаем: Вероятность одновременного движения группы из j частиц і-то компонента рассчитывается по формуле биномиального распределения вида: Для одиночной частицы компонента /, вероятность р{г) совершить за время Ат полный цикл осцилляции в заданном направлении, либо остаться в своем пакете, может быть определена через число возможных направлений ее перемещения R: Коэффициент R учитывает различие в свойствах частиц компонентов и возможную анизотропию в свойствах слоя материала в различных направлениях, вызванную, в частности, силой тяжести. При определении R исходили из принятых допущений о том, что в смесителе обеспечивается равномерное энергичное воздействие на обрабатываемый материал, объем аппарата изотропный и равновероятно перемещение частицы в любом из направлений. Величину вероятности перехода отдельной частицы pQi необходимо рассчитывать с учетом различия плотностей компонент. Функция DT(iijin) заданная в виде (3.35), позволяет определить потоки частиц даже при достижении системой равновесного состояния. При нулевом значении этой функции динамические условия не обеспечивают реализацию процесса перемешивания. Частицы совершают незначительные колебания внутри пакета и вероятность покинуть его пренебрежимо мала. Модели, основанные на уравнении диффузии, не обладают такой возможностью. Достижение равновесной концентрации в них равносильно прекращению потока вещества, что для перемешивания дисперсных материалов лишено физического смысла.
Изменения, происходящие в дисперсной системе, определяются совокупностью внешних энергетических воздействий на нее, и ее внутренними физико-механическими свойствами. С целью исключения влияния сил тяжести и физико-химических свойств дисперсных частиц рассмотрим перемешивание частиц одной плотности, которые отличаются только цветом.
Несмотря на то, что дисперсная система претерпевает самые сложные изменения и деформации, некоторые малые его объемы имеют тенденцию к сохранению определенной идентичности. Общее число частиц в них остается приблизительно постоянным, несмотря на то, что они участвуют в макромасштабнои циркуляции по всему аппарату, при этом обмениваясь частицами с соседними микрообъемами. Здесь мы подошли к еще одному допущению - число частиц внутри микрообъемов постоянно, а их перемещение равновероятно в любом направлении.
Перенос частиц ключевого компонента по высоте вибрирующего слоя. Время смешивания
Исходя из характеристик смешиваемых компонентов и требований к смеси, очевидно, что применение быстроходных лопастных, а также пневмо- и вибросмесителей нецелесообразно. Среди тихоходных смесителей интенсивным воздействием на смешиваемый материал отличаются вибрационные смесители лоткового типа. Как уже указывалось, колебательное движение рабочего органа значительно интенсифицирует процесс смешения, так как при этом создаются дополнительные зоны обмена между материалом, находящимся непосредственно вблизи рабочего органа и остальным материалом в бункере [2,3].
На основании проведенного анализа существующих конструкций смесителей для переработки дисперсных материалов и проведенных экспериментальных исследований, очевидно, можно рекомендовать к применению лотковый вибрационный смеситель непрерывного действия (рис. 4.15).
Благодаря высокой надежности и способности обеспечивать высокую степень однородности при приготовлении практически любых смесей, очевидно, данный смеситель может с успехом применяться для приготовления сложных смесей. Характер воздействия на смесь в таких аппаратах отличается равномерностью и интенсивностью, что как раз и необходимо в данном случае.
Характер движения материала в смесителе таков, что создаются предпосылки для налипания порошка двуокиси титана на гранулы полимера. Гранулы как бы "обкатываются" одна об другую во время их движения. Исходя из вышесказанного следует отдать предпочтение именно этому аппарату.
Экспериментальные исследования и анализ качества получаемого продукта. Цель экспериментов - оценить принципиальную возможность и целесообразность применения лоткового вибрационного смесителя для получения смеси с 40%-м содержанием двуокиси титана. В случае положительного результата дать рекомендации по модернизации узла смешения сыпучих компонентов в производстве окрашиваемых полимерных композиций. Эксперименты проводились на лабораторном смесителе, который является уменьшенной моделью промышленного аппарата. Поэтому результаты экспериментов можно рассматривать с точки зрения применимости промышленного смесителя.
На первой стадии проведения экспериментов необходимо убедиться в том, что при соблюдении требований технологического регламента по нормам и очередности загрузки компонентов, а также по времени смешивания, будет достигнут по меньшей мере удовлетворительный результат хотя бы для смеси с 20%-м содержанием двуокиси титана. Дозирование компонентов проводилась в соответствии с технологическим регламентом. При этом стеарат, полимер (УПМ) и ДОФ предварительно смешивали в аппарате периодического действия.
Визуально оценивая качество смешивания, а точнее, качество "наполнения" гранул полистирола порошком двуокиси титана, отмечаем, что порошок в основном прочно налип на гранулы, крупные комки отсутствуют, в свободном виде находится очень незначительное количество порошка. Таким образом, качество 20%-го продукта можно признать в целом удовлетворительным. Следовательно, делаем вывод о том, что данный смеситель принципиально пригоден для осуществления операции смешивания сыпучих компонентов. Качество смешивания можно будет в дальнейшем улучшить либо подбором времени смешивания, либо изменением скорости вращения вибратора, изменением норм и порядка загрузки компонентов. При проектировании промышленного аппарата следует учесть, что масса на стенки аппарата практически полностью отсутствует, но на дне остается налипшим слой порошка, по толщине равный половина размера гранулы полистирола, то есть порядка 1,5-2 мм.
Переходим ко второй стадии экспериментов» когда в соответствии с технологическим регламентом смесь должна содержать 40% двуокиси титана. Первоначально было осуществлено прямое дозирование компонентов. Визуальное определение качества смеси показало, что значительное количество порошка, не налипло на гранулы полимера и находящегося в свободном виде, В то же время комки практически полностью отсутствуют и видно, что порошок равномерно распределен среди гранул. Имеет место качественное смешивание, но при отсутствии налипания порошка, а ведь именно налипание на гранулы является одним из основных требований к готовой смеси. Логично предположить, что увеличив подачу связующего компонента (ДОФ) и изменив порядок загрузки компонентов, мы добьемся необходимого качества продукта.
Пробуем увеличить навеску ДОФ в 5 раз по сравнению с регламентированной. Кроме того, очевидно, 40% двуокиси титана удобнее "сажать" на гранулы как бы в два приема: (20% + 20%). То есть, применить два последовательно работающих смесителя и изменить порядок загрузки компонентов.
Схема протекания процесса такова: "полуфабрикат" с 20%-м содержанием порошка, который получаем после первого смесителя (за первый проход, поскольку смеситель был один), вновь смачиваем и пропитываем связующим (ДОФ), а затем подаются остальные 20% порошка. Результат смешивания - продукт, состоящий из отдельных, одинаковых по внешнему виду гранул, с плотно налипшим порошком. Комки и порошок в свободном виде практически отсутствуют (за исключением уже упоминавшегося слоя порошка на дне аппарата). Качество смешивания можно признать хорошим, а смесь — пригоднойjuia последующего гранулирования. Таким образом, увеличив содержание связующего и изменив порядок загрузки компонентов, мы получили качественный продукт с 40% м содержанием двуокиси титана. Время смешивания составляет 3 - 3,5 мин
Дальнейшие эксперименты показали, что при соответствующем порядке загрузки компонентов и при навеске связующего, в 3 раза превышающей регламентированную, можно получить продукт с 40%-м содержанием двуокиси титана, качество которого полностью удовлетворяет предъявляемым требованиям. В случае необходимости дополнительного улучшения качества смеси следует увеличить подачу связующего до 5-ти кратной.
Таким образом, можно сделать вывод о целесообразности применения лоткового вибрационного на стадии смешивания в процессе получения окрашиваемых полимерных композиций. Использование такого смесителя вместо барабанного, применяемого в настоящее время, позволит значительно уменьшить затраты (энергетические и временные) и повысить производительность путем получения качественного продукта за один цикл смешивания.
