Аппараты емкости,мешалки для смешивания паст и тестообразных масс.
Аппараты,мешалки для смешивания паст и тестообразных масс должны отвечать следующим основным требованиям :
Аппараты и мешалки должны иметь необходимую емкость и соответствующую форму.
Обеспечивать передвижение массы в область, в которой осуществляется эффективное смешивание,перемешивание.
Иметь мешалки, которые позволяют обрабатывать ,перемешивать массу таким способом и с таким к. п. д., чтобы была достигнута требуемая степень смешивания.
Емкости и аппараты должны иметь устройство для быстрого опорожнения и быть доступными для легкой очистки.
Механические мешалки (лопастная,пропеллерная,рамная,якорная,турбинная) предназначенные для перемешивания жидкостей, по отношению ко всей емкости или аппарату имеют малый объем, также невелика и площадь соприкосновения мешалки с жидкостью. При работе мешалки в емкости или аппарате возникает турбулентный режим течения жидкости, постепенно охватывающий весь объем емкости. Условия перемешивания паст и тестообразных масс существенно отличаются от условий перемешивания жидких сред. Чем выше консистенция среды, тем медленнее движется материал в емкости или аппарате и тем меньшей будет эффективная турбулентность. При центральном расположении мешалки для пасты движение массы по периферии может быть весьма медленным, и в некоторых случаях материал будет прилипать к стенкам. Поэтому аппаратура должна быть сконструирована так, чтобы или материал все время передвигался в область эффективного смешивания, или мешалки; постепенно проходила по всему содержимому емкости. Соответственно этому, в аппаратуре для смешивания,перемешивания паст и тестообразных масс, мешалка и емкость тесно взаимосвязаны и составляют как бы одно целое.
При выборе оборудования для перемешивания паст необходимо учитывать не только консистенцию готового продукта, но также условия получения пасты и тестообразной массы.
Между свойствами очень вязких жидкостей, паст и тестообразных масс нет резких переходов, и поэтому аппаратура для смешивания паст не может существенно отличаться от оборудования для перемешивания жидкостей или тестообразных масс.
За исключением специального оборудования для эмульгирования и гомогенизации ,по признаку возрастающей консистенции можно назвать соответствующее оборудование в следующем порядке:
Емкости и аппараты с лопастной мешалкой;
Емкости и аппараты с турбинной мешалкой;
шаровые мельницы;
мешатели с вращающимся сосудом и неподвижной лопастью;
мешатели с вращающимися сосудом и лопастью;
емкости и аппараты с ленточной мешалкой;
емкости и аппараты с дисковой мешалкой;
емкости и аппараты с рамной и якорной мешалкой;
емкости и аппараты с гребенчатой мешалкой
емкости и аппараты с двойными лопастными мешалками, вращающимися в противоположных направлениях;
емкости и аппараты с планетарными мешалками;
валковые машины;
смесительные бегуны;
мешатели с вертикальным винтом;
лопастные и червячные смесители;
роторные смесители.
Лопастные, турбинные, ленточные и дисковые мешалки были рассмотрены при описании механических мешалок для жидких сред, характеристики остальных типов будут приведены ниже.
По форме емкости различают следующие типы устройств для смешивании паст:
с вертикальной емкостью,
с горизонтальной емкостью,
с чашей.
Кроме того, для смешивания паст применяют:
валковые машины,
специальные эмульгационнные и гомогенизационные устройства.
Аппараты и емкости с вертикальным сосудом.
В большинстве случаев смешивания паст в аппаратах с вертикальным сосудом используют лопастные мешалки, сконструированные так, чтобы приводить в движение смесь высокой консистенции. Обычно эти мешалки имеют не только горизонтальные, но и вертикальные лопасти, так как в вязких средах плохо передается движение именно в вертикальном направлении. Очень часто эти мешалки имеют форму, соответствующую форме сосуда.
Якорная мешалка является наиболее простым типом мешалки, форма которых соответствует форме емкости или аппарата.
Простая якорная мешалка представляет собой лопасть , изогнутую по форме выпуклого дна емкости, закрепленную на вертикальном валу. Якорные мешалки применяют обычно в емкости,аппаратах с нижним подогревом для очистки дна сосуда. Их всегда устанавливают с небольшим зазором между мешалкой и дном, а также стенками сосуда.
Якорная мешалка конструкции, показанной на рис., предназначена для кристаллизаторов с полусферическим дном и большим свободным пространством для выпаривания. Мешалки типа, изображенного на рис., применяют в обычных емкостях и аппаратах с обогревом через рубашку. Якорная мешалка имеет, как правило, следующие относительные размеры: диаметр dм(0,9 : 0.98)D, ширина лопасти b=0,06dм, высота вертикальной части лопасти (0,4 -0,5)dм, высота мешалки над дном hм=(0.01-0,05)dM.
Якорная мешалка типа, представленного на рис. , отличаются от предыдущих конструкций тем, что у них имеются две дополнительные вертикальные лопасти.
Гребенчатые мешалки относятся к типу мешалок с горизонтальными и вертикальными лопастями. Гребенчатые мешалки имеют несколько сравнительно длинных лопастей, которые в верхней или нижней части соединены горизонтальной лопастью в одно целое-гребень. Мешалки этой конструкции предназначены для тех случаев, когда необходимо предотвратить в аппарате возникновение кругового движения.
Первый тип мешалки предназначен в основном для тесто образных масс, второй сконструирован для разрыхления металлических шламов или осадков катализаторов, которые легко осаждаются на дне аппарата. Такие мешалки, конечно, поднимают осадки над дном реактора, но не обеспечивают равномерного распределения твердой фазы во всем перемешиваемом объеме. Гребенчатые мешалки очень давно применяют в промышленности. Они просты по конструкции и в ряде случаев вполне удовлетворяют требованиям производства. Что касается потребляемой мощности (т. е. с экономической точки зрения), то более выгодны другие мешалки (например, корзиночная мешалка).
Гребенчатые мешалки могут иметь и два гребня , устроенные так, что вертикальные лопасти одного проходят в зазоры между лопастями второго. Оба гребня вращаются навстречу один другому так, что за один оборот два раза проходят друг через друга. Очевидно, в этом случае, напряжение сдвига существенно увеличивается. Иное конструктивное решение перемешивающего устройства с гребенчатой мешалкой изображено на рис. Мешалки этого типа отличаются от предыдущих тем, что вращается только один гребень, а второй неподвижно закреплен в аппарате. На рис., можно также видеть, что крайние вертикальные лопасти вращающегося гребня имеют скребки, прилегающие к стенке сосуда. Одна из вертикальных лопастей неподвижного гребня приспособлена для очистки вала мешалки.
Рамная мешалка представляет собой сочетание нескольких вертикальных и двух горизонтальных лопастей .Преимуществом рамной мешалки является большая механическая прочность, которая позволяет применить, рамную мешалку для перемешивания высококонсистентных смесей. Естественно, что в этом случае расход энергии на перемешивание будет весьма велик. Эти мешалки,рамные мешалки, можно применять также для соскабливания прилипшего продукта с обогреваемых стенок аппарата. Рамные мешалки предназначены для улучшения перемешивания в вертикальном направлении, но следует признать, что эффект достигается очень неэкономичным способом.
Рамно-якорные мешалки, в основе конструкции имеют простую якорную мешалку, которая усилена горизонтальными лопастями, предназначенными для улучшения перемешивания и увеличения механической прочности мешалки с тем, чтобы она могла применяться для перемешивания смесей, вязкость которых превышает I н-сек/мг. Эти мешалки пригодны, например, для перемешивания при кристаллизации, когда требуется выпарить растворитель до очень большого содержании кристаллов в смеси.
Комбинированная рамно-якорная мешалка и лопастная мешалка с вращением в противоположных направлениях представляет собой якорную мешалку,усиленную несколькими горизонтальными лопастями, сочетании с лопастной мешалкой,имеющей прямые или наклонные лопасти.Применение двойного вала позволяет мешалкам вращаться в противоположных направлениях,часто с различной скоростью. Как показано на рис., можно применять лопастные мешалки с отверстиями в лопастях. Улучшение перемешивания при ис-пользовании мешалок с перфорированными лопастями достаточно убедительными опытными данными не подтверждено. Якорная мешалка может быть снабжена скребками, которые прилегают к стенкам сосуда. Эти мешалки целесообразно применять при перемешивании такой смеси, исходные вещества которой имеют малую вязкость, но в результате реакции или загустевания образуют высоко консистентные пасты или тестообразные массы.В первой фазе перемешивание производится лопастной мешалкой, а при постепенном загустевании включают также якорную мешалку.
Планетарные мешалки представляют собой лопастные мешалки, эксцентрично расположенные в емкости. На валу мешалки закреплено зубчатое колесо, находящееся в зацеплении со вторым (обычно большим) ведущим зубчатым колесом, помещенным над центром аппарата, который оно обегает. Устройство решено так, что вал собственно мешалки описывает окружность вокруг центра сосуда, а лопастная мешалка, кроме того, вращается вокруг своей оси, совершая таким образом двойное движение, подобное движению планет. Благодаря перемещению мешалки все содержимое емкости или аппарата приходит последовательно в прямое соприкосновение с мешалкой.
Планетарные мешалки изготовляют различных конструктивных форм, которые отличаются друг от друга устройством собственно лопастной мешалки, а также установкой двух или большего количества лопастных мешалок, обегающих вокруг центра сосуда, или другими деталями.
Планетарные мешалки пригодны для перемешивания паст, кремов и суспензий, а также для изготовления эмульсий, которые легко образуются из компонентов.
М е ш а т е л ь со сменным сосудом с остоит из стойки с двигателем, редуктором и мешалкой, а также вертикального сменного сосуда-дежи. В большинстве случаев пред-усматривается возможность применения мешалок различной конфигурации, В частности Для взбивания . Если мешатель снабжен устройством для регулировки числа оборотов, могут быть использованы и мешалки, пригодные для перемешивания. Максимальное число оборотов зависит от величины емкости и колеблется в пределах от 2,5 до 8 об/сек . Очень часто мешатель снабжается специальной планетарной мешалкой. Объем сосудов (деж) обычно невелик-от 0,015 до 0,1 м3. Мощность двигателя колеблется от 0,4 до 1,5 квт. Эти устройства применяют лая производства продуктов пищевой и фармацевтической промышленности,а также косметических аппаратах их можно использовать также для эмульгирования, хотя в этом случае результат и не будет таким совершенным, как при применении специальных устройств.
Мешатели могут быть также горизонтального типа. Обычно это-продолговатые, прямоугольные (в плане) корыта с полуцилиндрическим дном, снабженные крышкой. На горизонтальном валу закреплена мешалка, представляющая собой комбинацию горизонтальных и вертикальных лопастей, а также скребков для очистки дна. Промышленностью выпускается мешатели горизонтального типа, большие по размерам, нежели вертикальные; применяются они приблизительно одинаково часто. Мешатель с вращающимися сосудом и неподвижной лопастью. Основной частью этого аппа-рата является вращающийся вокруг своей оси цилиндрический сосуд, диаметр которого обычно больше высоты. Сверху в сосуд (близко к его стенке) опушена неподвижная лопасть. В некоторых конструкциях мешателей она может периодически подниматься и опускаться. При быстром вращении сосуда содержимое его прижимается к лопасти и обтекает лопасти, благодаря чему вся масса промешивается и переминается. Одновременно лопасть очищает стенки сосуда. Эти аппараты имеют небольшие объемы (0,03-0,2 м3). Применяют их главным образом в пищевой промышленности.
Мешатель с вращающимися сосудом и лопастью. Это устройство выпускают обычно со сменными сосудами. Собственно мешалка может иметь различную форму, но в основе всегда представляет собой лопасть. На рис., изображена конструкция, состоящая из вертикальных лопастей, закрепленных на приводной головке. При смене сосуда перемешивающее устройство откидывается вверх так, чтобы оно не мешало перестановке сосуда. Во время перемешивания вращаются как сосуд, так и лопасти, которые установлены в деже эксцентрично. Сосуд приводится в движение от того же привода, что и мешалка, но вращается в противоположном направлении. Мешатель этого типа обеспечивает эффективное перемешивание паст и пластмасс средней консистенции. К преимуществам всех типов аппаратов со сменными сосудами относится возможность подготавливать во время перемешивания одной партии исходные компоненты для следующей операции в другом сосуде. Дежа с готовой смесью может быть без переливания направлена для дальнейшей обработки.
Такие перемешивающие устройства сравнительно широко используются в промышленности и выпускаются различных размеров и типов.
На рис.,изображен мешатель с вращающимися в противоположных направлениях сосудом и мешалкой, вал которой расположен под углом к горизонту, а сама мешалка рамного типа имеет не прямоугольную,а ромбическую форму .При работе аппарата все содержимое сосуда приходит постепенно в соприкосновение мешалкой, которая почти касается стенки и дна и непрерывно очищает их от прилипшего материала. Выпускаются такие меша тели емкостью от 0,02 до 0,5 л*. Применяются для перемешивания паст и пластмасс средней консистенции.
Фрикционный мешатель также имеет вращающиеся сосуд и мешалку. Мешатель состоит из цилиндрического бака, внутренняя стенка которого снабжена зубьями. Мешалка представляет собой зубчатое колесо, зубья которого западают в зубья стенки сосуда. При вращении мешалки, которая установлена в баке эксцентрично, вращается и сосуд. Смешивание и переминание вызываются как вращением мешалки в сосуде, так и растиранием материала между зубьями мешалки и бака. Кроме того, в сосуд опушена неподвижная лопасть, которая способствует перемешиванию, так как масса должна обтекать ее при вращении бака. Эта лопасть обеспечивает также очистку стенки сосуда.
Фрикционный мешатель целесообразно использовать для приготовления паст, когда требуется тонкий размол и диспергирование твердого вещества.
Мешатель для паст с конической мешалкой и диспергирующим приспособлением изображен на рис. В центре бака находится полый усеченный конус, меньшим основанием обращенный к дну. Центробежной силой, которая воз растаете увеличением диаметра конуса, материал подсасывается внизу конуса и выбрасывается по периметру его верхнего среза.
Нижний край мешалки имеет концентрические канавки, в которые входят такие же выступы статора, укрепленного на дне сосуда. Материал, засасываемый в конус, должен пройти через уз-кую извилистую щель между статором и ротором. Возникающее при этом высокое напряжение сдвига вызывает растирание массы. Это устройство пригодно для изготовления малоконсистент-ных паст.
Диспергирующий мешатель сконструирован по тому же принципу, что и предыдущее устройство.
У дна емкости находится профилированный ротор, над которым укреплен статор. Промежуток между ротором и статором по направлению к периферии постепенно сужается. Материал подсасывается в мешалку сверху в центре и выталкивается по сторонам. Диспергирующее устройство может работать в комбинации с другой мешалкой, например планетарной. Аппарат пригоден для изготовления суспензий и подвижных паст.
Винтовая мешалка в диффузоре представляет собой бесконечный винт, или винт Архимеда, помещенный в направляющем цилиндре несколько большего диаметра, чем диаметр винта. Перемешивающее устройство обычно выполнено так, что винт забирает материал снизу и поднимает его вверх. Аппарат пригоден дли изготовления паст малой и средней консистенции и широко распространен в мыловаренной промышленности. Основным недостатком этого мешателя является малая скорость движения материала в кольцевом пространстве между диффузором и стенкой сосуда. Этот недостаток можно устранить, комбинируя винт с системой лопастей, вращающихся в противоположном направлении . Лопасти обычно вращаются медленно (приблизительно 0,25 об/сек), тогда как винт имеет сравнительно высокую скорость (1,5-2 об/сек).
Этот улучшенный тип мешателя позволяет обрабатывать материалы большей консистенции, нежели материалы, которые можно смешивать простым винтом. Применяется в основном также в мыловаренной промышленности.
Аппараты с горизонтальным сосудом
Шаровая мельница, вообще говоря, предназначена для тонкого измельчения твердых материалов. В тех случаях, когда необходимо измельчить твердый материал и смешать его с жидкостью, эти две операции можно совместить и использовать шаровую мельницу не только для измельчения, но и как устройство для смешивания. Шаровая мельница обычно представляет собой закрытый горизонтальный цилиндрический барабан, вращающийся вокруг горизонтальной оси . Барабан на 2/а заполняют мелющими телами (шары или стержни) и материалами, предназначенными для смешивания. При вращении мельницы шары перемалывают и смешивают содержимое барабана. В зависимости от скорости вращения мельницы, ее диаметра и заполнения барабана шары могут перемещаться четырьмя способами [254]:
а) перекатываться но наклонному слою остальных шаров и смешиваемой массы;
б) перелетать через свободное пространство на противоположную стенку, не соприкасаясь с остальными шарами и мате
риалом;
в) сползать вниз слоями;
г) вращаться вместе с барабаном.
Для хорошего смешивания желателен первый тип движения шаров.
Число оборотов шаровой мельницы определяется главным образом диаметром барабана. При критическом числе оборотов центробежная сила, действующая на шары, будет равна их весу, и шары, прижатые центробежной силой к стенке барабана, будут вращаться вместе с барабаном.
На практике наиболее удовлетворительные результаты дает число оборотов, равное 60 -65% критического числа оборотов. При слишком малом числе оборотов шары только скользят. Этот способ пригоден в случае, когда шаровая мельница применяется для проведения химической реакции.
Заполнение барабана шарами не должно превышать 30-50% его объема. Большое количество шаров не улучшает ни смешивание, ни размол, а только увеличивает потребление энергии. В зависимости от свойств обрабатываемых материалов шары изготавливают из фарфора, камня, стали или специальных масс, напри мер окиси циркония, которая имеет больший удельный вес. чем фарфор, и более* высокую сопротивляемость коррозии, чем сталь. Шары из материала с большей плотностью эффективнее, однако при смешивании некоторых материалов нельзя применять металл, и в этом случае используют только фарфор, камень или специальные массы. Барабан, как правило, футеруют тем же материалом, из которого изготовлены шары. Размер шаров может быть различным в зависимости от величины кусков материала, предназначенного для смешивания. Вообще же можно сказать, что шары меньшего диаметра при том же объеме имеют больше точек соприкосновении, однако на их поверхности налипает больше материала, и очистка таких шаров представляет определенные трудности. Применять шары разного диаметра в цилиндрических мельницах не рекомендуется, так как меньшие шары будут быстро истираться. Допускаемая вязкость материала обусловливается сортом применяемых шаров, их величиной и главным образом диаметром барабана. Для ориентировки можно сказать, что небольшие лабораторные устройства (объемом приблизительно 4 дм) имеют верхний предел вязкости приблизительно I нсек1мв мельницах диаметром 1,5 можно хорошо смешивать массы вязкостью до 20 н сек/м2.
Шаровые мельницы успешно применяют для смешивания жидких или средних по консистенции паст, например в лакокрасочной промышленности. Иногда их применяют для смешивания твер-дых сыпучих материалов.
Роторные смесители. Смесители с вращающимися лопастями (роторами) многочисленных конструктивных типов специально предназначены для смешивания тестообразных масс.
Собственно переминанне и смешивание материала осуществляются роторами, которые могут быть различной формы . В химической промышленности чаще всего применяют лопасти, пока-занные на рис. Для жидких паст используют лопасти, показанные на рис. Для диспергирования красок и пигментов в консистентных пластических массах или для создания водных дисперсий каучука успешно применяют лопасти Z-образной формы . Для переминания высококонсистентных масс в небольших количествах применяют роторы, а для смешивания больших количеств -роторы, показанные на рис. Для гомогенизации волокнистого материала предназначены лопасти с зубчатыми скребками по краям . Для переминания каучука следует пользоваться массивными роторами, которые изображены на рис.
Лопасти вращаются друг против друга с одинаковой или с различной скоростью (отношение чисел оборотов до I : 3). Роторы могут быть размещены так, что траектории их движения либо
пересекаются, либо нет. В первом случае обе лопасти вращаются с одинаковой скоростью или скорости их относятся как целые числа-практически только 1 : 2. Схематически оба случая изображены на рис. Иногда в зависимости от требований, предъявляемых к процессу перемешивания, роторы вращаются не «на себя», а «от себя». В некоторых конструкциях предусматривается возможность изменения направления вращения лопастей. Перемена направления вращения лопасти может быть использована при опорожнении корыта. Для опорожнения смесителя после снятия (или откидывания) крышки корыто переворачивают.
Корыто может быть сделано с рубашкой для обогрева паром или охлаждения водой. В специальных случаях смеситель закрывается герметично, чтобы процесс можно было вести под вакуумом (что способствует быстрому выделению воздуха на твердых частицах) или при повышенном давлении Герметичные смесители применяют также при обработке летучих или вредных для здоровья веществ.
Работа смесителя обычно протекает следующим образом: сначала в корыто загружают часть жидкого компонента, а затем при вращении лопастей прибавляют твердые компоненты и такое количество жидкости, которое необходимо для образования массы требуемой консистенции. В первой фазе обработки происходит только смешивание жидких и твердых компонентов и образование тестообразной массы. При дальнейшей работе смесителя под влиянием большого напряжения сдвига в результате противоположно направленного движения лопастей и прижимания материала к дну крупные агрегаты, находящиеся в тестообразной массе, начинают постепенно разрушаться, а образующиеся мелкие частицы распределяются в смеси (при обработке массы в смесителе диаметр отдельных твердых частиц не уменьшается, а происходит только разрушение агрегатов). Очень важно, чтобы консистенция массы была относительно высокой, так как иначе не будут возникать тангенциальные усилия, величина которых окажется достаточной, чтобы разрывать связи между агрегированными твердыми частицами. Большие напряжения сдвига благоприятствуют также смачиванию твердых частиц жидкостью. Существующие многочисленные конструкции роторных смесителей разделяются на два основных типа:
а) легкий тип предназначенный для переминания тестообразных масс низкой или средней консистенции.
б) тяжелый тип для высоко консистентных масс, как например каучук.
Смесители обоих типов различных модификаций бывают разных размеров от лабораторных, объемом до больших промышленных аппаратов.
Противоточный ч ервячно-лопастнойсмес и т е л ь представляет собой длинное горизонтальное корыто, вдоль которого параллельно расположены два вала с пло-скими укрепленными на равных расстояниях лопатками, образующими прерывистый ВИНТ (червяк). При помощи колесного передаточного механизма оба червяка вращаются в противоположные стороны с различной скоростью. Первый вал подает материал по направ-лению к другому, который вращается с большим числом оборотов и отбрасывает материал на первый вал. В результате противодействия возникающих при этом сил и интенсивного возвратно поступательного движения материала обеспечивается хорошее смешивание. Валы вращаются со скоростью 0.1 0.2 об/сек.
У некоторых типов лопастных смесителей лопатки имеют форму и выполняют функции ножей, которые разрезают массу. Смешивание благодаря этому облегчается, так как меньшие куски легче переворачиваются и переминаются.
Противоточные червячно-лопастные смесители применяют для смешивания высококонсистентных паст и тестообразных масс, особенно часто в керамической промышленности.
Винтовой смеситель непрерывного действия состоит из вала с прерывистой нарезкой (червяка) и цилиндра, на внутренней поверхности которого имеются неподвижные спиральные лопатки При крашении винта в цилиндре материал прижимается к неподвижным лопаткам, благодаря чему возникает значительное напряжение сдвига, происходит растирание и распределение компонентов в смеси.
Червячный смеситель состоит из длинного закрытого корыта, которое в поперечном сечении имеет форму двух пересекающихся цилиндров. В корыте водном направлении вращаются два профилированных червяка, заходящих друг в друга. При каждом обороте червяки счищают друг с друга прилипший материал. Вращение червяков обеспечивает интенсивное разминание массы и ее перемещение к разгрузочному отверстию, которое находится на противоположном конце от места ввода компонентов.
Эти устройства пригодны не только для переминай и высококонсистентных паст и тестообразных масс, но также для растворения, а в некоторых случаях и для проведения химических реакций .
Смесители непрерывного действия применяют в тех случаях, когда необходимо обрабатывать большое количество материала.
У смесителей непрерывного действия типа СН (выпускаемых машиностроительным заводом «Тамбовхимммаш») червяки делаются с правой и левой нарезкой , а также с эксцентриковыми кулачками , линзовидными и самоочищающимися трехгранными , Два последних типа предназначаются главным образом для смешивания сыпучих материалов.