Гомогенизация многокомпонентных порошкообразных смесей

Содержание
Гомогенизация многокомпонентных порошкообразных смесей
Введение
Физико-химические процессы при смешивании гетерогенных смесей
Характеристика порошкообразных смесей
Физико-химические свойства дисперсных тел. Специфика дисперсных систем
Оборудование для смешивания порошкообразных смесей
Наиболее распространенное оборудование для смешивания
Дезинтеграция
Заключение
Список использованной литературы
Доклад по теме «Гомогенизация многокомпонентных порошкообразных смесей»

Гомогенизация многокомпонентных порошкообразных смесей

Широкое применение в промышленности для смешивания порошков нашел двухступенчатый центробежный смеситель. Образующаяся при смешивании и додрабливании пыль улавливается установленным на крышке смесителя рукавным фильтром. На первой ступени процесса происходит гомогенизация смеси порошкообразных материалов; вторая ступень смесителя предназначена для охлаждения. В смесителе установлен скоростной комбинированный ротор, который состоит из трехлопастной мешалки и комбинации ножей. Разгрузка готовой смеси после смешивания-гомогенизации производят через нижний затвор, управляемый пневмоцилиндром. Роторы, обеспечивающие смешивание, приводятся во вращение через ременную передачу (5).
Смесители, использующие принцип действия псевдоожиженного слоя, имеют быстровращающийся ротор. Частота вращения рабочего органа смесителя, в зависимости от модели и объема смешиваемого материала, находится в диапазоне от 300 до 3000 мин.-1. В этой виде смесителей при вращении рабочего органа смесителя материал отбрасывается к стенкам смесительной емкости и перемещается вверх с образованием циркулярного контура. Расчет скоростей сделан таким образом, что восходящий поток материала препятствует прилипанию материала на стенки смесительной емкости. Для того, чтобы очищать застойные зоны в смесителях этого типа, предусмотрена схема самоочищения лопаток ротора двух- или трехрядными ножевыми лопастями, расположенными либо горизонтально, либо загнутыми вверх.
Тихоходные смесители предназначены для смешивания не сыпучих, но и влажных материалов. Они могут быть ленточными, лопастными или с псевдоожиженным слоем. Тихоходные смесители имеют цилиндрическую или корытообразную форму с закрывающимися крышками. Внутри корпуса смесителя расположен вал, на котором установлены плоские ленточные и спиральные лопасти. Для интенсификации процесса смешивания, в тихоходном смесителе лопасти выполнены с левой и правой навивками лопастей. В ленточном смесителе большой вместимости смесительный элемент сконструирован из четырех лент с окружной скоростью 1,2 м/с.
Промышленность выпускает аппарат, предназначенный также для гомогенизации смесей, который называют разработчики диспергатор. Диспергатор предназначен для дробления материалов, требующих получения определенной степени дисперсности и равномерного распределения материала по размерам. Это достигается благодаря наличию в рабочем элементе аппарата ленточной спирали со скребками. В аппарате обеспечивается возникновение турбулентного потока, вращающаяся ленточная спираль разгоняет материал вдоль стенок корпуса диспергатора до крышки и затем, отражаясь от крышки, материал проходит по центральной оси аппарата. Эта схема обеспечивает равномерный размер частиц. Очевидно, что смешивание порошков, диспергированных таким образом и имеющих довольно однородный зерновой состав имеет ряд преимуществ при получении гомогенных смесей (5).
Дезинтеграция
Наиболее интересными для гомогенизации многомпонентных смесей являются смесительные дезинтеграторы. Дезинтеграторы сочетают интенсивность воздействия на материал для его диспергирования, оптимальную энергонапряженность процесса смешивания. Дезинтеграторы были разработаны в 60-е годы прошлого века, но не сразу нашли области применения. Сейчас смесители и помольной оборудование по принципу дезинтеграторов применяется очень широко практически во всех отраслях производящих порошкообразные смеси от пищевых до строительных. Применение дезинтеграторов обеспечивает равномерное распределение компонентов смесей, даже, если содержание этих компонентов в смесях незначительно. Благодаря таким возможностям многокомпонентные смеси после смешивания в дезинтеграторах имеют высокие качественные эксплуатационные показатели.
Учитывая, что для получения требуемого комплекса свойств материалов, относящихся к любой отрасли, составы материалов постоянно усложняются. Причем достижение нужных результатов добиваются введением в состав нескольких активных, так называемых, легирующих добавок, а содержание этих добавок бывает незначительным. Поэтому ранее используемое для получения гомогенных смесей оборудование не обеспечивает достаточного уровня однородности материалов и, следовательно, их качества.
Кроме того в последние годы нашло практическое применение такое направление как глубокая переработка сырьевых материалов, имеющая целью максимальное использование природных свойств материалов. Это относится к микрогетерогенным процессам смешивания в микробиологической промышленности. Возможности процесса дезинтеграции особенно хорошо просматриваются при рассмотрении, особенно активно развиваемого направления, в биотехнологии. Дезинтеграция в биотехнологии применяют для проведения процессов анатомического нарушения целостности клеток, измельчения, раздробления и дезинтеграции вирусов. Клетки микроорганизмов характеризуют геометрическими размерами, плотностью, прочностью и упруговязкими свойствами оболочки клетки. В микробиологической отрасли дезинтеграторы позволяют реализовать глубокую переработку сырьевых материалов, обеспечивающую эффективное использование всех смешиваемых компонентов и даже усилить степень воздействия добавок-модификаторов.
В биотехнологических процессах дезинтеграция клеток связана с проблемой комплексной переработки биомассы для получения белковых веществ пищевого и кормового назначения, а также биологически активных продуктов. Использование для измельчения биоматериалов уже существующих аппаратов показало их полную неприменимость из-за высокой механической прочности клеточных стенок и крайне малых размеров этих объектов. Прочность клеточных стенок сопоставима с прочностью стали. Для разрушения биоструктур, по расчетам, нужны воздействия порядка 10-7 мин.-1, но применение таких воздействий оказалось в то же время приводит к деградации нужных компонентов (4).
Оболочка клеточной системы всех микроорганизмов обеспечивает ее устойчивость к воздествиям внешней среды и явяляется межфазым граничным образованием. В механических расчетах принято считать, что оболочка имеет радиус, превышающий его толщину в 100 раз. Для анализа воздействия механических нагрузок на клеточную оболочку вводится параметр концентатор напряжений. Измерение модуля упругости и прочности клеточных оболочек применяют специальную экспериментальную технику и специально разработанные методы. Данных об упругих показателях клеточной оболочки получено немного из-за трудностей проведения этих экспериментов, но имеющиеся подтверждают высокую прочность клеточных оболочек всех микроорганизмов.
Одним из широко применяемых приемов при помоле биоматериалов известный метод охлаждения. В этом случае разрушение клеток происходит под действием сил удара, раздавливания и среза. Основной причиной разрушения клеток в дезинтеграторах сдвиговое течение твердой среды. Учитывая, что в дезинтеграторах большую роль играет пластично-хрупкое разрушение возможно применение в дезинтеграторах мелющих тел из полимерных материалов.
При расчете дезинтеграторов рассмотрение этих процессов с точки зрения неравновесной термодинамики является основой. В этих расчетах стараются учесть влияние температур, концентрации давлений, но все-таки следует указать, что для проведения точных термодинамических расчетов еще нет достаточного количества справочных материалов, подтвержденных практикой. Поэтому, учитывая быстрый рост потребностей в дезинтеграторах, обеспечивающих хорошую гомогенизацию порошковых материалов, большая роль при конструировании аппаратов гомогенизации отводится экспериментальному подбору режимов смешивания и дезинтеграции.
Теория механизма дезинтеграции показала, что дезинтеграция является совокупностью физических, физико-химических и чисто химических процессов. Сейчас разрабатываются на этой теоретической основе пути инженерных расчетов, учитывающих специфику всех случаев гомогенизации многокомпонентных смесей. Создание теоретической базы для расчета дезинтеграторов, выполняющих одновременно функции гомогенизации, проводятся параллельно с производством опытных и промышленных установок.
Одним из таких аппаратов является баллистический дезинтегратор ФУГ-1. Принцип его действия основан на послойном перемешивании полимерных мелющих шаров с материалом, движущихся в мощном потоке центробежных сил. Измельчающее действие создается фрикционным контактом мелющих тел. На рис. показан общий вид установки и схема контакта мелющих тел и частиц.
а) б)
Рис. 1. а) - Внешний вид баллистического дезинтегратора ФУГ-1;
б) - схема контакта частиц с мелющими телами.
Экспериментальные исследования в связи с развитием комплексной переработки биомассы для получения белковых веществ пищевого и кормового назначения выявили, что интенсивность воздействий, необходимых для разрушения клеток биоматериалов и их внутренних структур составляет около 3-5 порядков. Это явилось толчком к развитию дезинтеграторов, основанных на ультразвуковм принципе. Основным преимуществом ультразвуковых установок является легкость производства. причем ультразвуковые поля могут быть сформированы в любых конфигурациях и размерах. Энергонапряженность и производительность процесса ультразвуковой дезинтеграции также может находиться в широких пределах.
Ультразвукове воздействие обусловлено в данном случае кавитационной природой газовых пузырьков в звуковом поле. Движение таких пузырьков приводит к появлению высокоградиентных потоков, ударных волн, локальных скачков давления и температуры. Основным узлом ультразвукового дезинтегратора является камера, в которой ультразвуковые колебания создают с помощью пьезоэлектрического диска и передают их специальной иглой. На рис. 2 приведена схема ультразвукового лабораторного дезинтегратора фирмы MSE.
Более мощным устройством являются дезинтеграторы, работающие по принципу электрогидроударных. Но они предназначены для приготовления гомогенных смесей содержащих жидкость, т. е. для суспензий.
Рис. 2 Схема ультразвукового лабораторного дезинтегратора.
В пищевой, биохимической, химической промышленности и в производстве строительных материалов применяют для получения хорошо гомогенизированных многокомпонентных смесей спиральные смесители-дезинтеграторы. Технические данные их приведены в таблице 1., из которой следует, что на одной принципиальной схеме работают смесители, рассчитанные на разные партии смешиваемых материалов. Схема спирального смесителя представлена на рис. 3. Он состоит корпуса, в котором находится спираль, осуществляющая перемешивание. Смешиваемая смесь подается через загрузочную воронку и после прохождения цикла гомогенизации смесь разгружают через разгрузочный патрубок.
Таблица 1.
Технические данные: 
 
 10С3
 4С8
 10С2
 Объем камеры смесителя, л
 100
 200
 1200
 Инсталлированная мощность, kW
 0,75
 1,5
 7,5
 Скорость вращения мешалки, мин-1
 35
 50
 30 - 40
 Количество спиралей
 1 - 2
 1 - 2
 2
 Габаритные размеры, мм
 
 
 
 - диаметр камеры
 500
 600
 1150
 - высота
 1280
 2350
 1850
 Масса, кг
 85
 150
 650
 Уровень шума, dB
 50
 55
 70
Рис. 3. Спиральный смеситель.
Еще один вид смесителей-гомогенизаторов, используемых в пищевой, биохимической, химической примышленности и в производстве строительных материалов называют смеситель типа «пьяная бочка». Технические характеристики этого типа смесителей представлены в таблице 2. Он представляет собой цилиндрическую емкость, вращающейся в горизонтальной плоскости по сложной траектории. Загрузка материала производится через верхнее отверстие при повороте барабана в вертикальное положение.
Таблица 2.
 
 4С4
 4С6
 Объем барабана смесителя, л
 250
 400
 Инсталлированная мощность, kW
 2,2
 3,0
 Частота вращения барабана, мин-1
 25 - 40
 25 - 40
 Габаритные размеры, мм
 
 
 - длина