IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Процесс смешения широко используется во многих отраслях промышленности, где осуществляется приготовление однородных по составу композиций, находящихся в порошкообразном, зернистом и пылевидном состоянии. Для получения таких компонентов с малым содержанием одного или нескольких компонентов рационально проводить смешивание в смесителях непрерывного действия (СНД), которые характеризуются высокой интенсивностью процесса, происходящего в тонких разреженных слоях, движущихся под действием сил инерции. Использование этих смесителей позволяет получать смеси заданного качества при пониженных материало- и энергоемкостях, по отношению к смесителям периодического действия.

Цель данной работы - создание высокоэффективного аппарата для получения сухих дисперсных материалов, в котором процесс смешивания  основан на принципе разделения входящего потока на несколько частей с их последующим многократным пересечением.

Автором предложена следующая классификация существующих центробежных смесителей, представленная на рис. 1.

В нашей работе рассматриваются центробежные СНД с горизонтальным расположением ротора, имеющим один конус. Далее приведем несколько конструкций одноконусных СНД.

На рис. 2 изображен разрез центробежного смесителя [5]  по корпусу и ротору, вид сбоку; на рис. 3 - разрез ротора смесителя с эллиптическим параболоидом.

Центробежный смесительпорошкообразных материалов работает следующим образом. Компоненты смеси непрерывно подаются через штуцеры 18 в загрузочную течку 17, где частично перемешиваются и далее попадают во внутреннюю полость ротора 3. При вращении ротора посредством двигателя 13, ременной передачи 12 и вала 10 компоненты смеси начинают ускоренно перемещаться по внутренней поверхности ротора-параболы 4, совершая спиралеобразное движение, поднимаясь вверх к верхней кромке ротора. Поскольку компоненты смеси состоят из частиц различной массы и имеют разный коэффициент трения материала по внутренней поверхности ротора, то скорость и траектории движения их по параболе 4 будет различна. В результате этого траектории движения отдельных частиц многократно перекрещиваются и смесь перемешивается.

На рис. 4 изображен разрез центробежного СНД порошкообразных материалов [9], работающий следующим образом. Компоненты смеси непрерывно подаются

посредством питателей 20, штуцеров 19 в загрузочную течку 18, где частично перемешиваются и далее попадают во внутреннюю полость ротора 3. При вращении ротора посредством двигателя 14, ременной передачи 13 и вала 11 компоненты смеси начинают ускоренно перемещаться по сложным траекториям. Первоначально поступающие из загрузочной течки компоненты разбиваются о вершину эллиптического параболоида (в сечении парабола 6) и в сочетании с вращением ротора под действием центробежных сил отбрасываются в стороны от оси вращения I - I, попадая частично в цилиндрический параболоидный желоб, образованный параболами 7 и 8, частично на стенки параболы 4 ротора. Частицы (компоненты смеси), перемещаясь по внутренней поверхности параболы 4 и совершая спиралеобразное движение, поднимаются к верхней кромке ротора 3. В результате этого траектории движения отдельных частиц многократно перекрещиваются и смесь перемешивается.

Выполнение внутренней поверхности по параболической кривой (в пространстве при вращении - эллиптический параболоид), в сочетании с указанными особенностями перехода параболоида 6 к параболе 4, способствует оптимальному разгону и оптимальной траектории движения частиц. В нижней части параболы 4, при меньшем радиусе-векторе частицы, движущая (центробежная) сила будет меньше, но из-за большего угла наклона параболы 4 к вертикали частицы будут совершать ускоренное движение (разгон). Траектория движения имеет форму спирали с различным шагом спирали и с различным (возрастающим) радиусом-вектором. Приготовленная смесь плавно переходит с параболы 4 на отбуртовку торца ротора - параболическую окантовку, образованную неполными параболами 9 и 10. В итоге частицы плавно "стекают" с внутренней поверхности ротора 3 и поступают на днище корпуса 1. Далее смесь лопастями 16 выгружается из смесителя через патрубок 15.

На рисунке 5 изображен в разрезе общий вид центробежного СНД [6].

Работа смесителя осуществляется следующим образом. Сыпучие компоненты подаются через патрубок 3 на диск 7 вращающегося ротора. Под действием центробежной силы сыпучая масса равномерно «растекается» по диску и переходит на внутреннюю поверхность полого усеченного конуса 6. Таким образом, обеспечивается тонкослойное движение сыпучего материала, что способствует частичному смешиванию компонентов. Продвигаясь по поверхности конуса 6, сыпучая масса достигает его верхней волнообразной кромки.

Такая ее конфигурация способствует появлению дополнительного эффекта смешивания в пересекающихся потоках материала по той причине, что общий кольцевидный поток материала сходит с поверхности конуса в разные моменты времени, разделяясь на несколько частей, которые впоследствии пересекаются друг с другом в кольцевом пространстве между ротором и корпусом смесителя. Именно такое конструктивное решение позволяет значительно повысить сглаживающую способность аппарата и интенсивность смешивания без дополнительных затрат энергии. Готовая смесь ссыпается по внутренней поверхности корпуса 1 и выводится из аппарата.

В смесителе конструкции УКРНИИХИММАШа [8], принципиальная схема которого изображена на рис.6, рециркуляция смеси обеспечивается благодаря установке шнека 6 вдоль образующей конического ротора 5. Сыпучая масса, движущаяся под действием центробежных сил инерции от центра к его периферии по поверхности конуса, частично возвращается шнеком 6 обратно к его основанию. Выгрузка готовой смеси осуществляется вращающимися лопастями 7 через патрубок 8 в днище смесителя.

В СНД [7] (рис. 7) рециркуляция смеси осуществляется благодаря наличию скребка 5,

укрепленного на загрузочном патрубке 3. При движении смеси по внутренней поверхности конического  ротора 4 под действием центробежной силы инерции, она частично снимается скребком с поверхности ротора и возвращается обратно к его центральной части, где смешивается со вновь поступающими исходными материалами. Готоваясмесь, сброшенная с поверхности кромки ротора, выводится из смесителя лопастями 7 через патрубок 8.

Приведенный обзор конструкций показал, что в них отсутствуют какие-либо опережающие и пересекающиеся потоки, поэтому частицы материала находятся относительно непродолжительное время на роторе. Вследствиеэтогоданные смесителиимеют небольшую сглаживающую способность.

Для интенсификации процесса смешения в кемеровском технологическом институте пищевой промышленности в лаборатории смесительно-дозировочного оборудования кафедры ПАПП с участием автора была разработана новая конструкция СНД центробежного типа, прототипом которому послужил смеситель [5].

На рис. 8 изображен общий вид нового центробежного смесителя непрерывного действия.

Работа смесителя осуществляется следующим образом. Сыпучие компоненты подаются через патрубок 3  на основание вращающегося конуса 8. Под действием центробежной силы частицы материала ускоренно движутся от центра к периферии, распределяясь равномерно по внутренней поверхности конуса, при этом толщина слоя на периферии уменьшается за счет увеличения поверхности распределения частиц. Потоки материала отражаются от хаотически установленных углообразных направляющих 9, различных по длине и углам наклона. Такая конфигурация способствует появлению дополнительного эффекта смешивания в пересекающихся потоках материала по той причине, что общий кольцевидный поток материала разделяется на несколько частей, которые впоследствии пересекаются друг с другом. Именно такое конструктивное решение позволяет значительно повысить сглаживающую способность аппарата и интенсивность смешивания без дополнительных затрат энергии. Далее, смесь, сбрасываясь через верхнее основание конуса 8, движется по перфорированным направляющим 10, разделяется на две части, одна из которых ссыпается к коническому основанию корпуса 8 через отверстия, а другая - на рассеивающий диск 11, на котором за счет центробежной силы частицы материала разбрасываются к стенкам корпуса 1. Компоненты  дополнительно смешиваются при пересечении образовавшихся потоков. Готовая смесь выводится из аппарата через патрубок 7.

Интенсификация процесса смешивания достигается за счет того, что на внутренней поверхности конуса установлены углообразные направляющие,  на внешней - закреплен рассеивающий диск, а на внутренней поверхности  корпуса - перфорированные направляющие.  За счет различных длин и углов наклона углообразных направляющих траектория движения частиц материала и время их пребывания в роторе увеличиваются, за счет рассеивающего диска - частицы с помощью центробежной силы разбрасываются к стенкам корпуса, а за счет наличия перфорированных направляющих - происходит дополнительное смешение компонентов, что приводит к улучшению качества готовой смеси.

На новом СНД были проведены эксперименты по определению  качества смешивания в зависимости от количества углообразных отражателей h (4-12 шт), частоты вращения ротора n (750 - 950 об/мин) и соотношения смешиваемых компонентов C (1:75 - 1:125),  с помощью коэффициента вариации Vc:

где S - выборочное среднее квадратическое отклонение содержания ключевого

компонента в пробах, взятых из смеси;

- выборочное среднее концентрация ключевого компонента в пробах.

Исследования проводились на двух смесях: соль - манная крупа, сахар - пшено.

Согласно матрице плана, с соблюдением рандомизации, принимались режимные и конструктивные параметры аппарата. Затем устанавливали требуемую частоту вращения ротора и подавали ингредиенты. После выхода смесителя на стационарный режим работы, осуществляли отбор проб (в количестве 30 штук для каждого эксперимента). Далее, на выходе из аппарата  анализировали качество смеси с помощью ситового анализа, по различию гранулометрического составаи химическим способом, который представлен с помощью поляриметрического и ионометрического методов [2].

Ионометрический метод определяет содержания соли в смеси и проводится измерением ЭДС гальванической цепи, составленной из ион-селективного электрода, обратимого относительно ионов Сl‾, и хлорсеребряного электрода сравнения. Измерения проводятся на иономере-кондуктомере АНИОН-4100.Концентрацию ионов хлора  рассчитывают по уравнению Нернста.

Поляриметрия -  оптический метод исследования сред с естественной или наведённой магнитным полем оптической активностью, основанные на измерениях величины вращения плоскости поляризации света с помощью поляриметров и спектрополяриметров. Поляриметрическоеисследования сред с естественной оптической активностью используется для измерения концентрации оптически активных молекул в растворах, в данном случае - сахарозы.

Для получения более  точного значения измеряемого параметра на каждом режиме работы проводилась серия опытов (от 3 до 5), из которой исключались результаты. Усредненные результаты коэффициента неоднородности для исследуемых смесей: соль - манная крупа, сахар - пшено, приведены в таблице 1.

Из таблицы видно, что наиболее худшее качество полученных смесей обусловлено тем, что на роторе аппарата, состоящем всего из одного конуса, установлено  всего 4 углообразных направляющих, и максимальным соотношением смешиваемых компонентов 1:125. Кроме того, при больших частотах вращения ротора, частицы исследуемых материалов подвергаются частичному измельчению. Под действием воздушных потоков, образовавшиеся мелкие компоненты начинают витать над ротором, что приводит к сегрегации смеси и как следствие к  ухудшению конечного продукта.  

Таблица 1.

Результаты экспериментов на новой конструкции смесителя

Названия факторов и их значения			Коэффициент неоднородности Vc, % для смесей
C	n	h	Соль - манная крупа	Сахар - пшено
1:75	750	4	15,24	13,16
1:125	750	4	17,93	21,34
1:100	750	4	16,84	15,77
1:75	950	4	14,36	12,35
1:125	950	4	17,16	19,54
1:100	950	4	15,52	14,15
1:75	850	4	14,94	12,97
1:125	850	4	17,36	20,35
1:100	850	4	15,88	14,94
1:75	750	8	11,7	10,17
1:125	750	8	13,75	16,83
1:100	750	8	12,67	11,72
1:75	950	8	9,16	10,01
1:125	950	8	11,5	17,07
1:100	950	8	10,11	11,46
1:75	850	8	9,76	9,65
1:125	850	8	11,91	14,84
1:100	850	8	11,29	10,98
1:75	750	12	10,37	9,6
1:125	750	12	13,6	13,59
1:100	750	12	12,45	11,46
1:75	950	12	9,87	9,2
1:125	950	12	11,93	13,59
1:100	950	12	10,53	11
1:75	850	12	9,47	9,52
1:125	850	12	12,55	13,83
1:100	850	12	9,66	11,27

Наилучшие показатели качества исследуемых смесей получились в результате смешения при частоте  вращения ротора 900 об/мин., количестве углообразных отражателей равных 12 и соотношении смешиваемых компонентов 1:75.

Дальнейшие результаты обработки опытных данных для исследуемых смесей, проводились в интегрированной системе комплексного статистического анализа «Statistica» по методике [4]. Для того, что бы узнать какие из независимых переменных (С, n или h) дают больший вклад в предсказание коэффициента неоднородности необходимо изучить регрессионные (или В) коэффициенты, для примера представим в таблице 2 результаты множественной регрессии полученной для смеси соль - манная крупа.

Таблица 2.

Результаты множественной регрессии для смеси соль - манная крупа

	Beta	Std. Err.	В	Std. Err.	t(23)	p-level
Свободный член			19,3	3,41	5,67	0,000003
X1 - переменная С	0,27	0,06	0,062	0,014	4,32	0,000138
X2 -переменная n	-0,10	0,06	-0,005	0,003	-1,60	0,119085
X3 -переменная h	-0,88	0,06	-0,92	0,06	-14,1	0,000000

Величина Beta коэффициентов позволяет нам сравнить соответственные вклады каждой из независимой переменной в предположение зависимой переменной Vc. Как видно из таблицы результатов статически значимыми являются переменные С и h (их значения представлено курсивом), значения которых  самые большие, т.е. стремятся к единице. Именно они оказывают сильное влияние (в особенности h, при котором Beta = 0,8 - 0,9) на коэффициент неоднородности. Причем, для обеих смесей регрессионный коэффициент h отрицателен; т.е. чем больше количество углообразных отражателей, тем меньше Vc. Вклад в регрессию для С положителен, поэтому, чем меньше соотношение смешиваемых компонентов, тем меньше коэффициент неоднородности Vc. Частота вращения ротора  оказывает очень маленькое влияние на качество смешивания, по крайней мере, в исследуемом диапазоне, поэтому данная величина Х2 была исключена из  регрессионного анализа.

Далее получили уравнения регрессии, описывающие влияние технологических и режимных параметров СНД на качество изготавливаемых смесей, в кодированном и натуральном виде соответственно.

Для смеси соль - манная крупа:

 

  Y=16,7458+0,0227×X1-1,679×X3+0,0003×X²1-0,0029×X1×X3+0,083×X²3;      (2)

 

  Vc=16,7739+0,19987×h-0,01684×C+0,0192×h²-0,00023×h×C+0,000008× C².      (3)

 

По данным уравнениям получили поверхность отклика, за исключением частоты вращения ротора (рис.9).

Анализируя полученные графические интерпретации можно сказать, что:

Количество углообразных направляющих h равных 8 - 12 штук, в роторе нового СНД центробежного типа, оказывает наибольшее  влияние на коэффициент неоднородности Vс, особенно при h = 12.

Наименьшее значение Vc достигается только в том случае, когда соотношение смешиваемых компонентов составляет 1:75, но и при 1:100 готовую смесь можно считать удовлетворительной, так как Vc для обеих смесей не превышал 12%. Увеличение С ведет к ухудшению качества смеси, что объясняется малым временем пребывания частиц в ротора аппарата, т.к. последний состоит всего из одного конуса.

Для выявления оптимальных режимов работы смесительного оборудования важно знать сглаживающую способность СНД на различных режимах. Известно [3], что реальные СНД можно моделировать сочетанием схем, содержащих инерционные звенья того или иного порядка и звеньями чистого запаздывания. Для количественного анализа работы СНД его динамические характеристики аппроксимируются либо одно-емкостным объектом с чистым запаздыванием, либо двух-емкостным (также с запаздыванием), то есть апериодическим звеном второго порядка.

Стояла следующая задача: проанализировать три режима работы СНД  центробежного типа (при 750 с^-1, 900 с^-1, 1200 с^-1 частотах вращения ротора) на исследуемых смесях. Передаточную функцию (ПФ) для каждого режима работы определяли по реакции системы на импульсное внешнее воздействие, а затем по интегральной кривой находили её конкретный вид графоаналитическим методом [4].

Для примера, определим ПФ для СНД, работающего при частоте вращения ротора 900 с^-1 на смеси сахар-пшено. Из кривой отклика системы на импульсное возмущение получали интегральную кривую распределения времени пребывания частиц в СНД рис. 10, а из неё находили основные исходные данные: время запаздывания t=2,35 с; постоянные времени Т₁=Т₃+Т₄=9 с, Т₃=3,9 с, Т₄=Т₁-Т₃=9-3,9=5,1 с, Т₂²=Т₃×Т₄=3,9×5,1=19,89с²; коэффициент передачи К_с=1.

Правильность нахождения Т₁ и Т₂ определяли по коэффициенту демпфирования, который должен быть равен 1,1¸1,6:

где: Т₂ - постоянная времени, характеризующая период достижения максимальной скорости изменения выходной концентрации смесителя в переходном режиме с импульсным дозирующим воздействием;

Т₁ - постоянная времени, характеризующая временной интервал за который скорость концентрации падает от максимального значения, до практически, нулевого.

Затем экспериментальные данные аппроксимировали апериодическим звеном второго порядка с запаздыванием. Тогда ПФ будет иметь вид:

Аналогично определяли ПФ для работы смесителя с частотой вращения ротора 900 и 750 с^-1. Параметры ПФ  для этих частот приведены в таблице 3.

Таблица 3

Параметры ПФ смесителя для трех режимов работы для смеси сахар-пшено

	t	Т1	Т3	Т4	Т22	ξ
750 с-1	2,45	9	3,8	5,2	19,76	1,104
900 с-1	3,5	9	2,75	6,25	17,18	1,184
1200 с-1	2,25	9	3,9	5,1	19,89	1,116

Тогда ПФ при 900 и 750 будут выглядеть следующим образом:

Для аппроксимации звена чистого запаздывания применим модель Паде второго порядка [10,11]:

- для первого режима работы (750 с^-1)ФРВП:

- для второго режима работы (900 с^-1) ФРВП:

-  для третьего режима работы (1200 с^-1) ФРВП:

Итак, общие ПФ для трех режимов работы СНД выглядят следующим образом:

Аналогично определяли ПФ для работы смесителя на смеси соль-манная крупа. Параметры ПФ  для этих частот приведены в таблице 4.

Таблица 4

Параметры ПФ смесителя для трех режимов работы для смеси соль-манная крупа

	t	Т1	Т3	Т4	Т22	ξ
750 с-1	3,5	9	2,75	6,25	17,19	1,185
900 с-1	4,5	9	1,75	7,25	12,68	1,26
1200 с-1	2,55	9	3,7	5,3	19,61	1,101

 

Тогда ПФ при 1200, 900 и 750 об/мин будут выглядеть следующим образом:

Для аппроксимации звена чистого запаздывания применим модель Паде второго порядка [9,10]:

- для первого режима работы (750 с^-1)ФРВП:

- для второго режима работы (900 с^-1) ФРВП:

- для третьего режима работы (1200 с^-1) ФРВП:

Итак, общие ПФ для трех режимов работы СНД выглядят следующим образом: 

Сглаживающая способность смесителя может предварительно оцениваться по виду ПФ. Постоянная времени смесителя характеризует эффективность сглаживания колебаний состава потока при его прохождении через СНД. Анализ постоянных времени Т₂² и Т₁, при различных режимах работы СНД (таблицы 3 и 4) показал, что при частоте вращения ротора 900 об/мин, их величины имеют наибольшее значение, а следовательно и сглаживающая способность смесителя будет высокой.

В заключении можно представить следующие выводы:

• 1. Для приготовления смесей сыпучих материалов с соотношением смешиваемых компонентов от 1:75 до 1:100 целесообразно применять новую конструкцию одноконусного СНД центробежного типа, при частоте вращения ротора 850 об/мин, и двенадцати углообразных направляющих.
• 2. На основе анализа множественной регрессии определены исследуемые переменные оказывающие влияние на качество конечной смеси в новом аппарате. Например, наибольшее влияние на коэффициент неоднородности оказывает число углообразных направляющих (Beta = 0,8 - 0,9), меньшее - соотношение смешиваемых компонентов (Beta = 0,2 - 0,5) и фактически не оказывает влияние частота вращения ротора, в исследуемом диапазоне.
• 3. При смешивании обоих смесей с частотой вращения ротора 1200 об/мин, сглаживающая способность смесителя имеет наивысшее значение, поскольку постоянные времени Т₁ и Т₂ максимальны.
• 4. Цель данной работы - создание высокоэффективного аппарата для получения сухих дисперсных материалов, в котором процесс смешивания основан на принципе разделения входящего потока на несколько частей с их последующим многократным пересечением, - достигнута.

Список литературы

• 1. Божко В.П. "Информационные технологии в статистике",учебник. - «статистика и финансы», 2011. - с.110-112
• 2. Гельфман М.И, Кирсанов Н.В., О.В.Ковалевич. Практикум по физической химии: учебное пособие для студ. технолог. спец. вузов по программам курса «Физическая химия». - СПб.:Лань, 2004.- 256 с. - (Учебники для вузов. Специальная литература).
• 3. Иванец Г.Е., Ратников С.А., Бородулин Д.М. Разработка и исследование центробежного смесителя с прямым рециклом. // Материалы III международной научно-практ. конф. «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания». - Орел, 2000. - С.355-357.
• 4. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Химия, 1976. - 464с.
• 5. Патент РФ RU 2121870, Россия МПК В01F 7/28, 1998 г
• 6. Патент РФ RU 2149681, Россия МПК В01F 7/28, 2000 г
• 7. Патент РФ RU 2361653, Россия МПК В01F 7/28, 2006 г.
• 8. Патент РФ RU 586923, Россия МПК В01F 7/26, 1978 г.
• 9. Патент РФ RU 644518, Россия МПК В01F 7/28, 1979 г.
• 10. Ратников С.А., Бородулин Д.М. Моделирование процесса непрерывного смешивания сыпучих материалов. // В сб. докл. первой региональной научно-пракическойконф. «Информационные недра Кузбасса», Часть 2. - Кемерово: КемГУ, 2001. - С.119-121
• 11. Berruti F., Liden A.G., Scott D.S. Measuring and Modeling Residence Time Distribution of Low Density Solid in a Fluidized Bed Reator of Sand Particles./ Chem. Eng. Scien., 1988, vol.43, p.739-748.

Код для цитирования: Скопировать