ОБОРУДОВАНИЕ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Оборудование для перемешивания
Классификация оборудования для перемешивания полимеров затруднительна ввиду его разнообразия как по конструкции и назначению, так и по принципу действия. Это объясняется несколькими причинами. Во-первых, оборудование для перемешивания пластмасс было заимствовано зачастую из других отраслей промышленности химической, строительной, пищевой и др. Во-вторых, компоненты смеси могут находиться в различных начальных состояниях (жидкость, порошок, гранулят) и иметь разные физико-механические свойства. Кроме того, перемешивание часто сопровождается термодинамическими и химическими процессами. Часто требуется смешивать материалы, очень сильно различающиеся по своим физическим свойствам. Кроме того, часто процесс перемешивания сопровождается пластикацией материала. Поэтому единой классификации смесителей для пластических масс нет. Однако все же по ряду признаков смесители разделяют следующим образом;
по конструктивным признакам (барабанные смесители без перемешивающего и с перемешивающим устройством; смесители с тихоходными и быстроходными роторами; смесители-пластикаторы — одночервячные, многочервячные и дисковые экструдеры, вальцы, ко-кнеттеры);
по физическому состоянию исходных компонентов (порошок, гранулят, жидкости различной вязкости);
по характеру процесса перемешивания (периодического и непрерывного действия);
по частоте вращения перемешивающего устройства тихоходные и быстроходные смесители;
по механизму процесса перемешивания (с конвективным, диффузионным и конвективно-диффузионным перемешиванием);
по режиму работы машины (с турбулентным и ламинарным смешиванием);
по способу воздействия на смесь (гравитационные, центробежные, сдвиговые смесители);
по степени автоматизации (ручные, полуавтоматические и автоматические);
по способу перемешивания (статические и динамические смесители);
Обычно следуют классификации смесителей по конструктивному признаку, хотя на практике каждый из приведенных выше признаков может быть использован. В процессе развития техники переработки пластмасс созданы универсальные смесители, которые могут быть применены для различных процессов перемешивания.
В промышленности пластмасс часто применяются быстроходные смесители с вертикальным или горизонтальным расположением привода, а также смесители закрытого типа и экструдеры.
В некоторых смесителях наряду с перемешиванием можно осуществлять процесс формования полимеров (например, получение агломератов в скоростных смесителях, получение гранул).Перемешивание можно совмещать с удалением летучих веществ.
Кроме механических, применяются и другие смесители, прежде всего пневматические, пересыпные, а также смешивающие дозаторы, питатели и транспортеры.
К смесителям наряду с обеспечением заданного качества смешения предъявляются следующие требования: кратковременность пребывания материала в смесителе; обеспечение полной выгрузки или самоочистки.
При выборе смесителя для определенных технологических задач следует учитывать следующие параметры: габаритные размеры смесителя, его производительность, затраты на обслуживание, ожидаемые отходы производства, численность обслуживающего персонала, а также стоимость смесителя.
Процесс перемешивания в каждом смесителе зависит не только от его конструктивных особенностей, но и в значительной степени от свойств исходных компонентов смеси. Для интенсивного перемешивания частиц необходимо конструктивными средствами обеспечить двух или трехмерное движение компонентов смеси. Движение частиц (перемешивание частиц) должно происходить с как можно большей скоростью. При конструировании смесителя и его перемешивающего устройства необходимо обеспечить отсутствие «мертвых» (застойных) зон, в которых смесь находилась бы без движения. При приготовлении смесей «порошки- порошки» или «гранулы — порошки» часто применяют связывающие вещества (например, клей) с тем, чтобы предотвратить процесс сепарации компонентов при транспортировке. Большое применение нашли смесители барабанного типа. Эти смесители представляют собой вращающийся барабан, внутри которого смонтированы устройства (горизонтальные полоски, параллельные оси барабана), улучшающее перемешивание в осевом направлении. Качество смеси при данной продолжительности перемешивания зависит от частоты вращения барабана (рис.1). При заданной частоте вращения частицы материала под действием центробежных сил прижимаются к внутренней поверхности барабана, обрушиваются и снова вовлекаются в движение. При некоторой частоте вращения Гб смесительное воздействие максимально. При больших значениях частоты вращения определенные слои материала не участвуют в процессе перемешивания. Движение частиц происходит по наклонной поверхности или по параболической траектории, а также по перекрещивающимся траекториям, причем движение частиц — двухмерное. Характер движения частиц зависит от степени заполнения барабана. Путем установки специальных полочек или выбора формы барабана достигается и трехмерное движение частиц. Барабанные смесители (рис.2) преимущественно являются смесителями периодического действия, однако при со-ответствующей модернизации (например, наклонном расположении оси вращения) могут работать как смесители непрерывного действия.
Барабанные смесители применяются в основном для предварительного приготовления порошкообразных рецептур смеси.
На рис. 3 представлены барабанные смесители с перемешивающими устройствами различных типов. Они применяются для сухого перемешивания и в общем случае не обогреваются. Перемещение частиц смеси осуществляется перемешивающим устройством в радиальном и аксиальном направлениях Смесители с вертикальным расположением оси вращения перемешивающего устройства (рис. 4-6) в технике переработки пластмасс занимают особое место, так как представляют собой универсальный высокопроизводительный тип машин. Эти смесители называют скоростными (центробежными) или тур-булентными смесителями. Перемешиваемая масса быстроходным перемешивающим устройством отбрасывается к стенкам смесителя. По стенке аппарата она поднимается вверх и перемещается вновь к центру смесителя. В вертикальное движение смеси вовлекается весь объем материала, благодаря этому масса материала интенсивно перемешивается и разогревается под воздействием диссипативного тепловыделения. Такая картина наблюдается в случае горячего перемешивания в обогреваемой камере, при этом время разогрева смеси невелико. При холодном перемешивании, частоту вращения необходимо выбирать такой, чтобы компенсировать тепловые потери за счет непрерывного контакта частиц материала с холодными стенками смесителя. Это достигается в смесителях центробежного типа (рис.4).Объем смесителя составляет 10-2500 л при производительности до 5000 кг/ч. В промышленности пластмасс такие смесители используются в двух вариантах: с обогреваемыми (смесители горячего перемешивания) и охлаждаемыми (смесители холодного перемешивания) камерами, а иногда применяют смесительные агрегаты, в состав которых входят смесители как горячего, так и холодного смешивания .
Камеры смешения в этом случае снабжены рубашками, в которые подаются теплоноситель или хладагент, благодаря чему поддерживается необходимый температурный режим (см. рис.5) В этом случае рекомендуется следующее соотношение характеристик смесителей холодного и горячего смешения (индекс «1» относится к смесителям холодного, а индекс «2» — к смесителям горячего смешения):Vt/Vx = 2,5; d2/d1 =1,5; n1/n2 =5-15;Рn1/Pn2 =3-8;M1/M2 = 3-8
Где n1и n2- частоты вращения мешалок, М1 и М2- крутящие моменты на валу мешалок, V1 и V2-объемы смесительных камер, d1 d2 — диаметр камер смесителей, Pn1 и Рп2 — мощности на валах мешалок.
Смеси из твердых веществ и жидкости, приготавливаются в аппаратах с мешалкой, в вибрационных машинах, в многоячеистых червячных ко-киеттерах, в корытообразных смесителях различных типов.
Существует группа аппаратов с мешалками в корытообразных смесителях с перемешивающими устройствами различной конфигурации для изготовления растворов, паст и отверждающихся смесей. В последнем случае, особенно при больших размерах перемешивающих устройств, требуется охлаждение камеры смешения, чтобы увеличить срок эксплуатации смесителей.Вертикальное движение вязких жидкостей обеспечивается лопастями перемешивающего устройства (рис.6,а, в). Интенсивное перемешивание достигается в таких смесителях, в которых перемешивающее устройство наряду с вращением вокруг собственной оси совершает круговое движение в камере смешения (см. рис.6,6, в, г). Такая картина наблюдается в планетарных смесителях, где в стационарной камере смешения с помощью специального привода вращаются одно (см. рис.6,б) или несколько (см. рис.6, г) перемешивающих устройств вокруг центральной оси камеры смесителя (емкостью от 5 до 1600 л).
Для приготовления растворов наряду с аппаратами с мешалками применяются вибрационные смесители. Движение компонента смеси передается с помощью колебаний С переменной амплитудой и частотой (от 10 до 500 мин-1). Источником вибраций служат эксцентрики или гидро и пневмоцилиндры с пульсирующей подачей жидкости или воздуха. Интенсивное перемешивание вязких жидкостей достигается в смесителях вибрационного типа (рис.7).
В некоторых смесителях применяются конические волчки и скребки, приводимые во вращение силами трения. Благодаря относительному движению волчка, смеси и скребка, а также гомогенизатора обеспечивается интенсивный сдвиг, растирание, суспендирование, растворение или эмульгирование компонентов смеси.
Смесители-пластикаторы для пластмасс обеспечивают получение гомогенной смеси компонентов с различными физическими свойствами. Процессы смятия и диспергирования могут быть проведены в смесителях различных конструкций. Пластикация полимеров достигается за счет теплопередачи от внешних нагревателей за счет внутреннего разогрева из-за диссипативного тепловыделения. Перемешивание осуществляется в вязко-пластическом состоянии, причем благодаря значительному сдвигу достигается высокая степень диспергирования. Такой же эффект перемешивания достигается в настоящее время и непосредственно в процессах переработки наполненных полимеров (например, при экструзии и литье под давлением).
В качестве смесителей непрерывного действия применяются как экструдеры различных конструкций (одночервячные, много-червячные и дисковые), так и валковые машины (рис.8-10). Предпочтение при этом отдают двухчервячным экструдерам благодаря их высокой производительности. Однако из-за вынужденного характера движения перерабатываемого материала в таких экструдерах смесительное воздействие в них ограничено. В связи с этим для различных типов материалов необходимо подобрать соответствующую конструкцию червяков. Смешивание в двух-шнековых экструдерах осуществляется как в самих винтовых каналах, так и в каналах зацепления червяков.
В смесителях типа «Ко-кнеттер» червяк наряду с вращательным совершает и возвратно-поступательное движение
(рис.11).Благодаря возвратно поступательному движению червяка, в процессе которого зубья на цилиндре многократно проходят через специальные продольные пазы в нарезке червяка, намного увеличивается эффективность смешивания и смятия полимера.
Оборудование для диспергирования.Измельчитель.
Важнейшими машинами для измельчения в промышленности пластмасс являются ножевые дробилки,измельчители (дробилки), применяемые как для производства гранул, так и для дробления отходов производства (бракованных полуфабрикатов и изделий). При этом требуется иногда предварительное измельчение отходов с помощью гильотинных ножниц, ленточной или дисковой пилы. В ножевых измельчителях материал измельчается или режется неподвижными ножами и горизонтально или вертикально вращающимися ножевыми головками. По достижении определенных размеров частицы материала через сита попадают в специальную приемную тару. Большая же часть частиц остается в измельчителе до достижения определенной степени измельчения. Для производства определенных фракций порошкообразных материалов применяются мельницы различных типов (конические, шаровые и другие мельницы ударного действия).
Разогрев материала при измельчение обусловливает значительные трудности, особенно при измельчение вязких, высокоэластических и термочувствительных материалов. Эти трудности можно преодолеть, если материал охладить до температуры ниже температуры хрупкого разрушения (например, жидким азотом до 77 К). При холодном измельчение происходит хрупкое разрушение с образованием частиц одинаковых размеров с относительно гладкими поверхностями.
Измельчение красителей и пигментов осуществляется в пастообразной форме на краскотерках. Применяются два типа краскотерок — одновалковые и трехвалковые.
