Оборудование для смешения

Смешение широко применяют в различных отраслях промышленности, в том числе в производстве и при переработке пластмасс. В подавляющем большинстве случаев чистый полимер не обладает нужным комплексом свойств и не может использоваться для изготовления изделий, поэтому смешение применяют для введения в базовый полимер различных добавок. Это могут быть пластификаторы, наполнители, стабилизаторы, красители, пигменты, а также другие полимеры.

По оценкам зарубежных специалистов примерно 80% всех выпускаемых пластмасс перед переработкой проходили подготовку в смесительном оборудовании.

Как правило, процесс смешения осуществляют в следующих системах:

• • твердое сыпучее вещество — твердое сыпучее вещество;
• • жидкость — жидкость;
• • твердое сыпучее вещество — жидкость.

Современные смесительные установки выполняют следующие операции:

• • введение и диспергирование добавок целевого назначения;
• • введение в полимер волокнистых наполнителей;
• • наполнение полимеров мелкодисперсными наполнителями;
• • получение сплавов полимеров;
• • гомогенизация расплавов пластмасс и получение заданных характеристик текучести;
• • дегазация компонентов;
• • повышение концентрации полимерных растворов;
• • гранулирование;
• • проведение химических реакций.

Смешение — это механический процесс, целью которого является превращение исходной системы, характеризующейся упорядоченным распределением компонентов смеси, в систему с неупорядоченным, статистически случайным распределением.

Степень смешения определяется следующими факторами:

• • методом смешения (распыление, пересыпание и т. д.);
• • конструктивными особенностями смесителя и режимом его работы;
• • физико-механическими характеристиками смеси компонентов (сыпучесть, зерновой состав компонентов и т. д.).

В зависимости от механизма смешения различают распределительное (простое) и диспергирующее смешение.

Распределительным смешением называют процесс, в результате которого увеличивается случайность пространственного смешения частиц без изменения их размеров. Распределение достигается приложением больших деформаций, в результате чего увеличивается поверхность контакта фаз и уменьшается толщина их слоев.

Диспергирующим смешением называется процесс, в результате которого происходит как уменьшение размеров частиц, так и увеличение статистического беспорядка их распределения. В этом случае приложенная деформация не столь важна, как приложенное напряжение, которое вынуждает систему делиться на более мелкие частицы.

В состав любой смеси обычно входят два или более компонентов. Компонент смеси, концентрация которого выше всех остальных, называется дисперсионной средой или основным компонентом. Компоненты смеси, распределяемые в дисперсионной среде, называют диспергируемой фазой или ключевыми компонентами.

Морфология образования смеси связана с тремя конкурирующими механизмами: распределительным смешением, диспергирующим смешением и коалесценцией.

По результатам смешения условно можно выделить три типа смесей:

• • гомогенная смесь;
• • однофазная смесь;
• • многофазная смесь.

Для статистической оценки качества процесса смешения используют понятия «размер предельной частицы» и «размер пробы».

Предельная частица — это наименьшая по размеру частица диспергируемой фазы, получающаяся в процессе смешения. Предельные частицы могут быть молекулярных, коллоидных, микроскопических и макроскопических размеров.

Размер пробы обычно определяется размером предельной частицы. Если размер пробы соизмерим с размером предельной частицы, то в отобранной пробе окажется сравнительно мало таких частиц, и по внешнему виду рассматриваемая смесь может быть отнесена к крупнозернистым смесям. Если размер пробы много больше размера предельной частицы, то экспериментатору будет казаться, что в пробе содержится много таких частиц, и рассматриваемая смесь будет отнесена к мелкозернистым смесям.

Для статистического описания смеси используют два статистически определяемых показателя: степень неоднородности (гомогенность смеси) и степень измельчения; первый характеризует изменение концентрации диспергируемой фазы в объеме смеси, второй — изменение размера частиц диспергируемой фазы.

Гомогенность смеси можно определить, рассматривая содержание диспергируемой фазы в пробах смеси. Для простоты будем считать, что диспергируемая фаза состоит из частиц одинакового размера, а дисперсионная среда является жидкостью, состоящей из одинаковых частиц, размер которых равен размеру частиц диспергируемой фазы. Такое допущение позволяет ввести понятие «общее число частиц в пробе», складывающееся из числа частиц диспергируемой фазы и числа частиц дисперсионной среды. Это допущение может быть также применено при анализе сыпучих смесей, состоящих из частиц одинаковых размеров. Если в процессе смешения достигается случайное (беспорядочное) распределение частиц диспергируемой фазы по всему объему смеси, то вероятность того, что в любой точке смеси содержится частица диспергируемой фазы, определяется долей частиц диспергируемой фазы в общем объеме смеси [1].

При оценке качества перемешивания наиболее надежным способом является лабораторный метод. В этом случае должны быть известны пределы допустимых отклонений концентрации отдельных ингредиентов, содержащихся в элементарных объемах отобранных проб, по сравнению с составом исходной смеси.

Наиболее просто оценить качество механических смесей можно при помощи коэффициента неоднородности по формуле.

где с, — — значение концентрации одного из компонентов в пробах, %; с₀ — значение концентрации этого же компонента согласно рецептуре в смеси, %; i — число групп проб; i = п / щ; п, — число проб в каждой группе одинаковых значений с,; п — общее число проб.

Величина к_с определяется обычно по компоненту, концентрация с₀ которого является наименьшей.

Очевидно, указанным способом можно определять качество смешения смесей, состоящих из двух компонентов. Если же число компонентов более двух, то оценку качества смеси можно упростить, рассматривая процесс как смешение каждого компонента в отдельности со всей остальной системой компонентов.

Оценка качества перемешивания и, следовательно, определение времени перемешивания могут быть осуществлены различными способами.

Наиболее простой способ — окрашивание жидкостей или твердых компонентов.

В этом случае можно определять не только конечные результаты, но и визуально наблюдать линии тока при перемешивании, что важно с точки зрения оценки интенсивности работы определенного типа перемешивающего устройства.

Применение «меченых» атомов также дает возможность оценить интенсивность работы перемешивающего устройства по линиям тока и скоростям движения отдельных частиц.

Следует отметить, что прогнозирование качества перемешивания и, следовательно, длительности перемешивания, особенно при периодических циклах смешения, весьма затруднительно. В этом случае используется иногда модельный метод исследований, но он недостаточно надежен. Поэтому оценка качества смешения производится в основном на действующем оборудовании и тогда же уточняется длительность смешения и, следовательно, производительность технологической линии [1].

В связи с расширением областей применения смесителей в промышленности переработки пластмасс увеличилось количество их видов, оборудование стало более универсальным, а в ряде случаев — более специальным.

Классификация оборудования для смешения полимеров в настоящее время проводится по целому ряду показателей.

По конструктивным признакам:

• • смесители с вращающимся резервуаром;
• • смесители с перемешивающим устройством;
• • двухроторные смесители, которые в свою очередь можно подразделить на лопастные смесители и закрытые роторные смесители;
• • валковые смесители;
• • смесители-пластикаторы непрерывного действия, которые в свою очередь можно подразделить на червячные смесители и дисковые смесители.

По физическому состоянию исходных компонентов:

• • смесители для сыпучих материалов;
• • смесители для жидкостей различной вязкости;
• • смесители-пластикаторы (при смешении изменяется агрегатное состояние).

По характеру процесса смешения:

• • смесители периодического действия;
• • смесители непрерывного действия.

По частоте вращения перемешивающего устройства:

• • тихоходные смесители;
• • быстроходные смесители.

По способу воздействия на смесь:

• • гравитационные смесители;
• • центробежные смесители;
• • сдвиговые смесители.

По интенсивности смешения:

• • смесители низкой интенсивности — 1 кВт мощности на 90—200 кг смеси;
• • смесители средней интенсивности — 1 кВт мощности на 12—18 кг смеси;
• • смесители высокой интенсивности — 1 кВт мощности на 1,2— 1,4 кг смеси.

Требования, предъявляемые к конструкции смесителя:

• • обеспечение необходимого качества смешения;
• • кратковременность пребывания материала в смесителе;
• • обеспечение полной выгрузки или самоочистки смесителя.

Решение проблемы смешения состоит в том, чтобы правильно выбрать смесительную машину, наиболее пригодную для данной конкретной цели.

На рис. 5.1 представлена зависимость вязкости смеси от объемной доли твердых частиц и типа смесителя.

Рис. 5.1. Зависимость вязкости смеси от объемной доли твердых частиц.

и типа смесителя При выборе смесительного оборудования следует учитывать следующие факторы:

• • технологию (непрерывный или периодический процесс и т. д.);
• • количество смешиваемых материалов;
• • свойства смешиваемых материалов (размер частиц, их форму и т. д.);
• • потребление энергии;
• • время смешения;
• • возможный износ оборудования;
• • требования по чистоте к продуктам смешения и количество отходов;
• • издержки (затраты на оборудование и обслуживание);
• • конструктивные особенности оборудования (защитные решетки и др.);
• • габаритные размеры оборудования.