СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ КОМПОЗИТОВ Российский патент 1995 года по МПК B01F7/30 

Изобретение относится к химическому машиностроению, в частности к смесителям для проведения гидромеханических, механических, тепло- и массообменных процессов, и может быть применено при создании смесителей для проведения процессов смешения, гомогенизации, сушки, вакуумирования и полимеризации различных композиционных материалов.

Изобретение может найти применение в химической, нефтехимической, микробиологической, фармацевтической, парфюмернокосметической, пищевой и строительной промышленностях, порошковой металлургии, стоматологии.

Известен смеситель, содержащий корпус, планетарный привод серповидными мешалками, цилиндрические элементы которых перемещаются по взаимопересекающимся траекториям [1].

Этот смеситель характеризуется недостаточной эффективностью смешения. Серповидные мешалки создают осевые потоки смешиваемого композита. Поэтому время распределения (смешения) компонентов, прохождение тепломассообменных процессов во всем объеме композиции значительно увеличивается, что может привести к нежелательным деструктивным изменениям системы.

Известен смеситель, который содержит сосуд, планетарный привод и укрепленные на его валах мешалки с геликоидальными лопастями, выполненными в виде винтовой навивки [2].

Длительное время смешения исходных компонентов из-за применения якорной мешалки, наличие мгновенных застойных зон, которые не прорабатываются непосредственно мешалками, снижают эффективность процесса смешения и качество усреднения перемешиваемого материала.

Известен смеситель, используемый для проведения процессов смешения, гомогенизации, полимеризации и др., содержащий сосуд, планетарный привод и укрепленные на его валах мешалки с геликоидальными лопастями, выполненными в виде винтовой навивки, причем навивка одной из мешалок выполнена двухзаходной с шагом в два раза меньше шага навивки другой мешалки, при этом наружный диаметр геликоидальных лопастей равен 1,0-1,9 межосевого расстояния мешалок [3].

В этом смесителе винтовые поверхности геликоидальных элементов одной мешалки расположены в пространстве между винтовыми поверхностями элементов другой мешалки и перемещаются навстречу друг другу. Это обеспечивает создание сложных, изменяющихся от взаимного положения геликоидальных элементов мешалок интенсивных взаимопересекающихся циркуляционных осевых, тангенциальных, радиальных потоков как в центре смесителя, так и на периферии во всем объеме перерабатываемого материала, что дает возможность создать условия для постоянной переориентации поверхности раздела фаз и создания значительной степени деформирования во всем объеме смесителя, а также отсутствие отжима перерабатываемого материала вверх по стенке смесительной чаши. Все это обеспечивает качественное смешение композиции.

Однако не устраняются локальные мгновенные зоны, в которых мешалки не воздействуют на смесь. Одновременно нижние кромки мешалок подпрессовывают смешиваемые материалы. Это также снижает эффективность процесса смешения.

Известен смеситель, в котором отношение ширины лопастей мешалок к их межосевому расстоянию равно 0,1-0,45 [4]. Такая конструкция дополнительно лишь оптимизирует процесс смешения за счет взаимного действия мешалок как ножниц, которые "разрезают" объемы конгломератов из смешиваемых компонентов, заключенных между поверхностями мешалок, и разрушают конгломераты на мельчайшие смешанные объемы.

Однако при применении этих смесителей удлиняется процесс смешения за счет неэффективного воздействия мешалок на весь объем композиции. Кроме того, подпрессовываются компоненты или сама композиция в районе торцев мешалок и возможны нежелательные деструктивные изменения материалов. При этом не равномерно распределяются поля температур по объему смеси, образовываются локальные мгновенные скачки температур.

Исключение или хотя бы значительное снижение отмеченных недостатков и является целью предлагаемого изобретения.

Для этого смеситель для композитов содержит сосуд, планетарный привод с центральным зубчатым колесом и входящими в зацепление с ним сателлитами и не менее двух заходящих друг в друга мешалок, одна из которых быстроходная, а другие тихоходные. Мешалки выполнены с геликоидальными лопастями в виде разнозаходной винтовой навивки с разным шагом и установлены на валах, соединенных с соответствующими сателлитами привода.

В отличие от прототипа каждая из мешалок имеет верхнюю и нижнюю группы встречно направленных установленных по высоте сосуда лопастей. Количество лопастей верхней группы быстроходной мешалки больше или равно количеству лопастей ее нижней группы. Количество лопастей верхних групп тихоходных мешалок больше, чем количество лопастей их нижних групп. Отношение количества лопастей верхних групп любой тихоходной мешалки к быстроходной находится в пределах 2-4. Отношение величины шагов винтовых навивок лопастей верхних групп мешалок равно отношению величины шагов винтовых навивок лопастей, соответствующих им нижних групп. При этом величина шагов винтовых навивок верхней группы лопастей каждой из мешалок больше, чем величина шагов винтовых навивок лопастей нижней группы, а центральное зубчатое колесо и сателлит наиболее тихоходной мешалки установлены с возможностью вращения в одну сторону.

При этом в частных случаях, например при четном количестве лопастей верхних групп тихоходных мешалок, количество лопастей верхней группы быстроходной мешалки в два раза больше или равно количеству лопастей ее нижней группы, количество лопастей верхней группы каждой из тихоходных мешалок в два раза больше количества лопастей нижней группы, а шаг винтовых навивок лопастей верхней группы каждой из мешалок в два раза больше шага винтовых навивок лопастей нижней группы.

В другом частном случае, когда смеситель содержит быстроходную мешалку и одну тихоходную, имеющую в верхней группе три лопасти, количество лопастей верхней группы быстроходной мешалки равно количеству лопастей ее нижней группы, количество лопастей верхней группы тихоходной мешалки в три раза больше количества лопастей ее нижней группы, а шаг винтовых навивок лопастей верхней группы каждой из мешалок в три раза больше шага винтовых навивок лопастей нижней группы.

При смешении композиции в предлагаемом смесителе за счет применения не менее двух-трех специальных планетарно движущихся мешалок энергия смешения распределяется равномерно по всему объему композиции. Конгломераты разрываются, дробятся. Величина мгновенных пассивных объемов минимальна и не оказывает влияния на время смешения.

При применении одной планетарно движущейся мешалки мгновенный активный объем (ею образованный) очень мал. Смешение композиций идет медленно, возможно образование так называемых непромесов (комов слипшихся компонентов). Величина мгновенного активного потока (О) не значительна.

Применение четырех или пяти планетарно движущихся мешалок дает значительные осевые эффекты, что положительно сказывается на скорости смешения. Однако наличие столь большого количества мешалок значительно усложняет и утяжеляет привод, увеличивает потребляемую им мощность, что делает невозможным его реальное применение.

Наличие двух групп лопастей (нижней и верхней) на каждой мешалке обеспечивает создание взаимопересекающихся тангенциальных, радиальных и значительных разнонаправленных осевых потоков. Нижняя группа лопастей спрофилирована так, что рыхлит смесь в данной части и поднимает ее вверх по сложной траектории.

Одновременно с этим верхняя и нижняя группы лопастей каждой из мешалок должны создавать разные по величине осевые потоки компонентов. Для исключения подпрессовки композиции в районе торцев мешалок осевые потоки сверху вниз должны быть больше, чем снизу вверх. Это достигается за счет разного количества лопастей в верхней и нижней группах мешалок за счет разной величины шагов винтовых навивок верхней и нижней групп лопастей. Так как лопасти мешалок выполнены заходящими друг в друга, необходимо обеспечить свободное движение лопастей одной мешалки в пространстве, между лопастями других мешалок. Это условие выполнимо, если отношение величин шагов винтовых навивок верхних групп лопастей мешалок равно отношению величин шагов винтовых навивок соответствующих нижних групп лопастей.

Экспериментально установлено, что, если отношение количеств лопастей верхних групп любой тихоходной мешалки к быстроходной больше 4, то быстроходной мешалке задается приводом такая частота вращения, при которой лопасти быстроходной мешалки не захватывают композицию, а работают как сплошное тело и не создают взаимопересекающихся тангенциальных, радиальных и осевых потоков компонентов.

Если же отношение количеств лопастей верхних групп любой тихоходной мешалки к быстроходной меньше 2, то эффект смешения незначителен за счет уменьшения величины радиальных, тангенциальных и осевых потоков.

Для создания равномерного температурного поля композиции, исключения ее локального разогрева, минимизации времени смешения и гомогенизации необходимо создание в каждой из мешалок равномерных (близких по величине) осевых, радиальных и тангенциальных потоков. Для этого центральное зубчатое колесо и сателлит наиболее тихоходной мешалки установлены с возможностью вращения в одну сторону. Тогда вектора относительных скоростей наиболее тихоходной мешалки складываются с векторами скоростей центрального зубчатого колеса планетарного привода, и абсолютная скорость вращения наиболее тихоходной мешалки становится близка к абсолютной величине скорости вращения других мешалок, тем самым создавая радиальные, осевые и тангенциальные потоки близкие по величине к одноименным потокам компонентов, создаваемых другими мешалками.

На чертеже изображен смеситель для композитов.

Смеситель содержит сосуд 1, планетарный привод с центральным зубчатым колесом 2 и входящими в зацепление с ним сателлитами 3-5, на валах которых установлены быстроходная 6 и тихоходные 7 и 8 мешалки.

Каждая из мешалок 6-8 имеет верхнюю 9 и нижнюю 10 группы встречно направленных геликоидальных лопастей в виде разнозаходной винтовой навивки с разным шагом. Количество лопастей в верхней группе 9 тихоходных мешалок 7 и 8 в два раза больше, чем количество лопастей в их нижней группе 10. Быстроходная мешалка 6 имеет в верхней группе 9 одну геликоидальную лопасть, содержащую один виток винтовой навивки.

Тихоходная мешалка 7 имеет в верхней группе 9 две геликоидальные лопасти, содержащие полвитка винтовой навивки, каждая с шагом в два раза больше шага винтовой навивки мешалки 6, и в нижней группе 10 - одну геликоидальную лопасть, содержащую один виток винтовой навивки.

Наиболее тихоходная мешалка 8 имеет в верхней группе 9 четыре геликоидальных лопасти, содержащие одну четверть витка винтовой навивки каждая с шагом в два раза больше шага винтовой навивки мешалки 7, и в нижней группе 10 - две геликоидальных лопасти, содержащие полвитка винтовой навивки каждая с шагом в два раза больше шага винтовой навивки тихоходной мешалки 7.

Быстроходная мешалка 6 имеет в нижней группе 10 одну геликоидальную лопасть, содержащую полвитка винтовой навивки с шагом в два раза меньше шага винтовой навивки тихоходной мешалки 7. Отношение количеств лопастей верхних групп любой тихоходной мешалки к быстроходной находится в пределах 2-4.

Центральное зубчатое колесо 2 и сателлит 5 наиболее тихоходной мешалки 8 установлены с возможностью вращения в одну сторону.

Работа смесителя осуществляется следующим образом.

В сосуд 1 загружают исходные компоненты или их предварительные смеси в выбранной последовательности. При включении электродвигателя 1 планетарный привод осуществляет сложное планетарное движение мешалок 6-8, и производится смешение композиций по выбранному режиму.

Конструкция мешалок обеспечивает создание взаимопересекающихся потоков компонентов, отсутствие застойных зон. Кроме того, отсутствует отжим перерабатываемого материала вверх по стенке сосуда 1, что увеличивает степень использования его объема. При этом отсутствует подпрессовок компонентов в районе торцев мешалок, создаются равномерные температурные поля в композиции, исключается ее локальный разогрев и минимизируется длительность смешения.

Сущность изобретения: смеситель содержит сосуд 1, планетарный привод с центральным зубчатым колесом 2 и входящими в зацепление с ним сателлитами 3-5, на валах которых установлены быстроходная 6 и тихоходные 7 и 8 мешалки. Каждая из мешалок 6-8 имеет верхнюю 9 и нижнюю 10 группы встречно направленных геликоидальных лопастей в виде разнозаходной винтовой навивки с разным шагом. Количество лопастей в верхней группе 9 тихоходных мешалок 7 и 8 в два раза больше, чем количество лопастей в их нижней группе 10. Быстроходная мешалка 6 имеет в верхней группе 9 одну геликоидальную лопасть, содержащую один виток винтовой линии и в нижней группе 10 - одну геликоидальную лопасть, содержащую полвитка винтовой линии. Тихоходная мешалка 7 имеет в верхней группе 9 две геликоидальные лопасти, содержащие полвитка винтовой линии каждая. Наиболее тихоходная мешалка 8 имеет в верхней группе 9 четыре геликоидальных лопасти, содержащие одну четверть витка винтовой линии каждая и в нижней группе 10 - две геликоидальные лопасти, содержащие полвитка винтовой линии каждая. Отношение количеств лопастей верхних групп любой тихоходной мешалки к быстроходной находится в пределах 2-4. Центральное зубчатое колесо 2 и сателлит 5 наиболее тихоходной мешалки 8 установлены с возможностью вращения в одну сторону. В сосуд 1 загружают исходные компоненты или их предварительные смеси. Планетарный привод осуществляет сложное планетарное движение мешалок 6 - 8, и производится смешение композиций по выбранному режиму. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ КОМПОЗИТОВ, содержащий сосуд, планетарный привод с центральным зубчатым колесом и входящими в зацепление с ним сателлитами и не менее двух заходящих одна в другую мешалок, одна из которых быстроходная, а другие тихоходные, выполненных с геликоидальными лопастями в виде разнозаходной винтовой навивки с разным шагом и установленных на валах, соединенных с соответствующими сателлитами привода, отличающийся тем, что каждая из мешалок имеет верхние и нижние группы встречно направленных и установленных по высоте сосуда лопастей, количество лопастей верхней группы быстроходной мешалки больше или равно количеству лопастей ее нижней группы, количество лопастей верхних групп тихоходных мешалок больше, чем количество лопастей их нижних групп, а отношение количеств лопастей верхних групп любой тихоходной мешалки к быстроходной находится в пределах 2 - 4, причем отношение величин шагов винтовых навивок лопастей верхних групп мешалок равно отношению величин шагов винтовых навивок лопастей соответствующих им нижних групп, при этом величина шагов винтовых навивок верхней группы лопастей каждой из мешалок больше, чем величина шагов винтовых навивок лопастей нижней группы, а центральное зубчатое колесо и сателлит наиболее тихоходной машалки установлены с возможностью вращения в одну сторону. 2. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что количество лопастей верхней группы быстроходной мешалки в два раза больше или равно количеству лопастей ее нижней группы, количество лопастей верхней группы каждой из тихоходных мешалок в два раза больше количества лопастей нижней группы, а шаг винтовых навивок лопастей верхней группы каждой из мешалок в два раза больше шага винтовых навивок лопастей нижней группы при четном количестве лопастей верхних групп тихоходных мешалок. 3. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что количество лопастей верхней группы быстроходной мешалки равно количеству лопастей ее нижней группы, количество лопастей верхней группы тихоходной мешалки в три раза больше количества лопастей ее нижней группы, а шаг винтовых навивок лопастей верхней группы каждой из мешалок в три раза больше шага винтовых навивок лопастей нижней группы при нечетном, равном трем, количестве лопастей верхней группы тихоходной мешалки.