1. Общие положения:

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, противостарители, структурообразователи, а также другие полимеры.
Как правило процесс смешения осуществляют в следующих системах:
твердое сыпучее вещество — твердое сыпучее вещество
жидкость — жидкость
твердое сыпучее вещество — жидкость
Классификация
Применяемые в настоящее время в промышленности смесители для пластмасс можно классифицировать следующим образом:
1) по физическому состоянию исходных компонентов—смесители для сыпучих материалов (без изменения физического состояния), низковязких и высоковязких жидкостей, вязкоэластичных жидкостей (с изменением в процессе смешения агрегатного состояния смеси); 2) по характеру процесса смешения—смесители периодического и непрерывного действия; 3) по механизму процесса смешения—смесители конвективного, диффузионного и конвективно-диффузионного смешения; 4) по режиму процесса смешения — смесители турбулентного и ламинарного смешения; 5) по способу воздействия на смесь—смесители гравитационные, центробежные, сдвиговые; 6) по конструктивному признаку—смесители барабанные (без перемешивающих и с перемешивающими устройствами), с быстроходными, тихоходными, планетарными, овальными, Z-образными, червячными роторами, дисковые и т. д.
На практике при классификации смесителей определяющим обычно является признак физического состояния и конструктивный, хотя в ряде случаев, как это будет показано ниже, могут использоваться любые из перечисленных выше признаков.

Теоретические аспекты:

Смешение—это физический процесс, целью которого является получение однородной смеси, состоящей из двух и более компонентов. При этом начальное состояние системы характеризуется упорядоченным случайным распределением компонентов.
Для реализации процесса смешения смеситель должен обеспечить проведение по меньшей мере двух процессов: измельчения (диспергирования) одного из компонентов (например, при получении дисперсий несмешивающихся жидкостей), в некоторых случаях сопровождающегося изменением физического состояния компонентов (растворением, плавлением, поглощением); статистически случайного распределения ингредиентов по всему объему смеси.
В состав любой смеси обычно входят два или более компонентов. Компонент смеси, концентрация которого выше всех остальных, называется дисперсионной средой (ДС). Компоненты смеси, распределяемые в дисперсионной среде, называют диспергируемой фазой (ДФ). В многокомпонентных системах смешение рассматривается как процесс последовательного смешения каждого компонента по очереди с ранее приготовленной смесью, играющей роль дисперсионной среды.
Для статистической оценки качества процесса смешения необходимо ввести понятия «размер предельной частицы» и «размер пробы».
Предельная частица—это наименьшая по размеру частица ДФ, получающаяся в процессе смешения. Предельные частицы могут быть молекулярных, коллоидных, микроскопических и макроскопических размеров. В истинных растворах предельными частицами являются молекулы ДФ. Наибольших размеров
предельные частицы достигают при сухом смешении порошков или гранул полимеров.
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 ДФ в объеме смеси, второй—изменение размера частиц ДФ.
Гомогенность смеси можно определить, рассматривая содержание ДФ в пробах смеси. Для простоты будем считать, что ДФ состоит из частиц одинакового размера, а дисперсионная среда является жидкостью, состоящей из одинаковых частиц, размер которых равен размеру частиц ДФ. Такое допущение позволяет ввести понятие «общее число частиц в пробе», складывающееся из числа частиц ДФ и числа частиц ДС. Это допущение может быть также применено при анализе сыпучих смесей, состоящих из частиц одинаковых размеров. Если в процессе смешения достигается случайное (беспорядочное) распределение частиц ДФ по всему объему смеси, то вероятность того, что в любой точке смеси содержится частица ДФ, определяется долей частиц ДФ в общем объеме смеси.

1.1. Барабанные смесители с вращающимся корпусом.

Барабанные смесители с вращающимся корпусом без перемешивающих устройств относятся к наиболее распространенным машинам для смешения сыпучих материалов.
Процесс смешения складывается из следующих элементарных процессов:
- перемещение группы смежных частиц из одного места смеси в другое внедрением, вмятием, скольжением слоев (процесс конвективного смешения);
- постепенное перераспределение частиц различных компонентов через вновь образовавшуюся границу их раздела (процесс диффузионного смешения);
- сосредоточение частиц одинаковой массы в соответствующих местах смесителя под действием гравитационных или инерционных сил (процесс сегрегации).
Процесс сегрегации по своему действию на смесь противоположен двумя первым процессам: он ухудшает качество смеси. При перемешивании сыпучих материалов в смесителе одновременно протекают все указанные элементарные процессы, однако доля их влияния в различные периоды смешения неодинакова.
Процесс конвективного смешения в первые моменты идет с большой скоростью, что видно из графика зависимости Vc=f(t), приведенного на рис. 1. Процессу конвективного смешения соответствует участок I кривой. На этом участке скорость процесса почти не зависит от физико-механических свойств смеси, так как процесс смешения протекает на уровне макрообъемов. Главное влияние на скорость процесса смешения в эти моменты оказывает характер движения потоков частиц в смесителе.
После того как компоненты в основном распределены по объему смесителя, процессы конвективного и диффузионного смешения становятся сопоставимыми по их влиянию на общий процесс смешения. В это время процесс перераспределения частиц протекает на уровне микрообъемов.
Начиная с некоторого момента, процесс диффузионного смешения становится преобладающим (участок II кривой).
Более заметное влияние на ход процесса смешения начинает оказывать сегрегация частиц. Два противоположных процесса— сегрегация и диффузионное смешение могут уравновеситься в определенный момент времени, зависящий от конструкции смесителя и физико-механических свойств смеси. После этого момента дальнейшее перемешивание компонентов смеси не имеет смысла, так как качество смеси не изменяется (участок III кривой 1). В некоторых случаях равновесие противоположных процессов наступает несколько позже того момента, в который качество смеси было наилучшим. Этому случаю соответствует кривая 2.
Для некоторых смесителей при перемешивании сыпучих материалов, состоящих из однотипных частиц, участок II минимальный, т. е. предельное состояние смеси достигается только конвективным смешением. В этом случае время окончательного конвективного смешения tк совпадает со временем topt
Простейший смеситель 1 представляет собой цилиндрический барабан, расположенный горизонтально, с цапфами на концах. Ось вращения барабана, как правило, расположена горизонтально — либо наклонно к образующей 5,6,7, либо в плоскости образующих барабана 1,2,(3),4, либо в плоскости, перпендикулярной к образующей барабана 1,4.
Смеситель V-образной и сдвоенной V-образной формы 0005, состоящий из двух или четырех цилиндров, установленных под углом 90°, обеспечивает качественное смешение материала за счет его периодического деления на две части и интенсивного встряхивания при вращении барабана.
Барабанный смеситель с цапфами, расположенными по диагонали цилиндра 5, обеспечивает более качественное смешение материала, чем упомянутые выше смесители. Для интенсификации процесса смешения применяют также комбинированное вращение цилиндра (чаши) 8.
В зависимости от степени заполнения в барабанных смесителях с- цилиндрическим корпусом можно наблюдать три режима движения сыпучей массы.
1. При очень малой степени заполнения (3%) материал совершает колебательное движение, скользит по поверхности барабана как одно целое без перераспределения.
2. Сыпучий материал скользит по поверхности барабана как одно целое, оставаясь неподвижным в состоянии равновесия на некотором достигнутом уровне. Этот режим наблюдается при степени заполнения 3—10%.
3. При степени заполнения барабана 30—70% сыпучий материал непрерывно обрушивается и перемешивается.
Барабанные смесители почти всех типов работают в третьем режиме. Степень их заполнения составляет 30— 70% объема смесителя.
Для механизации загрузки и разгрузки компонентов смеси часто в барабанных смесителях применяют специальные транспортирующие шнеки. На рис. 2 показан барабанный смеситель СБУ-1600, выпускаемый Бердичевским заводом химического машиностроения «Прогресс». Смеситель представляет собой вращающийся на четырех катках 1 барабан 4, к которому присоединено шнековое загрузочно-разгрузочное устройство 5, приводимое во вращение электродвигателем 6. Привод катков состоит из электродвигателя 3 и редуктора 2, укрепленных вместе с барабаном 4 на станине 7. Для улучшения условий выгрузки предусмотрено заборное устройство 8.
Смесь загружается и выгружается соответственно через люки А и Б устройством 5 без остановки смесителя.
После окончания операции смешения готовый продукт выгружается при вращении шнека в обратную сторону; при этом продукт со стенок корпуса смесителя-ссыпается в устройство 8, откуда он транспортируется через люк Б в приемную тару.
В смесителе предусмотрены вытяжной штуцер для удаления летучих компонентов, смотровой люк В и лаз Г для профилактического осмотра внутренней поверхности барабана.
В цилиндрическом смесителе с горизонтальной осью нет сил, которые заставили бы перемещаться частицы вдоль оси барабана, хотя медленное продольное перемешивание частиц в нем происходит. Это можно объяснить тем, что скользящая по плоскости частица за счет случайных столкновений с другими частицами может отклониться от прямого пути, лежащего в плоскости сегмента, в ту или иную сторону. Процесс подобных осевых перемещений частиц развивается медленно.
Для увеличения продольных перемещений частиц в цилиндрических смесителях с горизонтальной осью вращения внутри их корпуса монтируют специальные устройства. Например, в смесителях СБК-4000 и СБУ-4000 завода «Прогресс» на внутренней стенке цилиндрического корпуса закреплены металлические спиральные ленты и наклонные лопатки. Витки спирали при вращении корпуса смесителя перемещают материал в одну сторону, а наклонные лопатки перебрасывают его в другую сторону. Это обеспечивает более быстрое смешение всего материала, загруженного в смеситель. Такие смесители предназначены для смешения как нейтральных, так и коррозионных сред при атмосферном давлении.
В барабанах с биконическим 4, с бицилиндрическим 6,7 и наклонным 5 корпусом осевые перемещения частиц осуществляются за, счет скольжения материала по наклонным поверхностям корпуса. В них даже без специальных внутренних устройств возможно удовлетворительное смешение компонентов во всем объеме.
Барабанные смесители относятся к тихоходным машинам. Линейная скорость вращения барабана обычно составляет 0,17—1 м/с.
Рабочая частота вращения, обеспечивающая оптимальное качество смеси, зависит в основном от типа смесителя и физико-механических свойств перемешиваемых компонентов. Т. Яно (Япония) предлагает находить оптимальную рабочую частоту вращения барабана по следующей эмпирической формуле:

где d - среднее арифметическое значений диаметра частиц смешиваемых компонентов; R - максимальный радиус вращения корпуса смесителя.
Мощность, затрачиваемая на перемешивание сыпучих материалов в барабанных смесителях без перемешивающих устройств, зависит от формы и геометрических размеров корпуса, частоты его вращения и степени заполнения материалом, физико-механических свойств перемешиваемой смеси. Мощность (кВт) можно рассчитать по формулам:
для цилиндрического горизонтального барабана

для цилиндрического биконического барабана с горизонтальной осью, заполненного материалом наполовину,

для цилиндрического наклонного барабана

где Gm - масса материала в барабане, кг; w - угловая скорость барабана, рад/с; R0- радиус центра тяжести массы материала в сегменте, м; ? - угол естественного откоса перемешиваемого материала, град; ?н - насыпная плотность перемешиваемого материала, кг/м3; lц и lк - длина соответственно цилиндрической и конической части барабана, м; Rв - внутренний радиус цилиндрической части барабана, м; Rм - внутренний наименьший радиус конической части барабана, м; R0’ - расстояние от центра тяжести массы в продольном сечении барабана до оси вращения, м; ? - угол, образованный в рассматриваемый момент времени радиусом R0’ с вертикалью, град.
Смесительные барабаны,заводы пластмасс за исключением цилиндрического горизонтального, устанавливают на цапфы, в которые монтируют подшипники качения или скольжения. Цилиндрические горизонтальные барабаны можно устанавливать, кроме того, и на опорные катки (ролики). В последнем случае на корпусе барабана жестко закрепляют два бандажа, которые опираются на ролики. Один из бандажей, имеет внутреннее зубчатое зацепление, которое соединяется с зубчатым колесом, насаженным на приводной вал. Последний через редуктор связан с электродвигателем.
При проектировании цилиндрических сварных стальных барабанов рекомендуют принимать внутренний диаметр обечаек из следующего ряда (мм): 400,500,600,700,800,900,1000, 1100, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000.
Для литых обечаек из черных и цветных металлов необходимо принимать следующие значения внутренних диаметров (мм): 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400.
Толщину стенки обечайки барабана смесителя определяют по эмпирической формуле с учетом прибавки на износ: h=(0,007-0,011)D; здесь D- диаметр обечайки.
Фланцы, плоские и конические днища могут быть конструктивно аналогичны таковым для химических емкостных аппаратов. По техническим условиям изготовления сварные барабаны смесителей аналогичны химическим аппаратам. Смесительные барабаны изготовляю из хорошо свариваемой стали марки ВСт3. При наличии агрессивной среды эти барабаны рекомендуют изготовлять из листовой двухслойной стали с основным слоем из стали марок Ст3, 20К и слоем из коррозионно-стойкой стали.
Цапфы барабанов выполняют литыми из углеродистой стали 25.
Тихоходные барабаны на цапфах изготовляют с точностью, определяемой их назначением. Технические условия изготовления зависят от типа и размеров барабана.

1.2. Барабанные смесители неподвижным корпусом с перемешивающими устройствами.

В некоторых конструкциях барабанных смесителей с горизонтальной осью процесс смешения интенсифицируют с помощью различных вращающихся устройств. В этом случае торцовые стенки барабана выполняют неподвижными, что вызывает необходимость установки подвижного уплотнения между вращающимся ротором и боковыми стенками.
На рис. 3 приведена конструкция барабанного смесителя СЛК-200 Бердичевского завода химического машиностроения «Прогресс».
Смеситель представляет собой цилиндрический барабан 1, установленный на станине 6. Внутри барабана 1 расположено, перемешивающее устройство (ротор) 2, на валу которого закреплены два ряда спиральных металлических лент. Наружные ленты перемещают материал в центральную часть барабана, а внутренние - к торцовым стенкам. Привод Рис. 3. Барабанный смеситель СЛК-200 с ленточной мешалкой

Для загрузки и выгрузки смеси предназначены люки А и Б. В смесителе предусмотрен также технологический люк В, который можно использовать для увлажнения смеси.
Отечественная промышленность выпускает барабанные смесители с ленточными мешалками при рабочей емкости аппарата 2 и 6,3 м3.
В барабанных смесителях СЛЛ-630 в качестве перемешивающего устройства применена лемехообразная мешалка. Смеситель (Рис. 4) представляет собой горизонтальный цилиндрический сосуд 4, установленный на двух стойках 2. В сосуде 4 смонтирован ротор с лемехообразными мешками 1 и две ножевые головки 3, приводимые во вращение специальными двигателями 7. Ножевые головки предназначены для разрушения комков материала. Мешалка 1 приводится от электродвигателя 6, связанного с понижающим редуктором 5
Смесь загружается через люк А, готовая масса выгружается через люк Б. Для подачи жидких компонентов предусмотрены штуцера Г и В; люк Д предназначен для контроля за состоянием внутренней поверхности барабана и мешалки. Смеситель СЛЛ-630 служит для смешения сыпучих материалов и может быть использован для смешения сыпучих материалов с небольшой добавкой жидких компонентов.

1.3. Планетарные турбосмесители.

Планетарный турбосмеситель (рис. 5.) периодического действия представляет собой цилиндрическую камеру 5, внутри которой по круговой траектории движется вращающийся ротор 4, укрепленный заводы пластмасс на планетарной кулисе 7. На другом конце кулисы расположен отражатель 6, разбивающий поток отбрасываемых ротором частиц смеси на два встречных вихря. Кулиса укреплена на валу 1, который приводится во вращение от электродвигателя.
Вращение ротора 4 является следствием обегания шестерней 3, установленной на роторе, шестерни 2, которая также может иметь самостоятельный привод. Скорость вращения кулисы в планетарном смесителе составляет от 100 до 3000 об/мин, продолжительность смешения композиций на основе ПВХ—от 3 до 10 мин.

1.4. Шнековый планетарный смеситель.

Планетарные смесители применяются в производствах, где нет необходимости часто производить очистку корпуса преимущественно для смешения увлажненных материалов.
В шнековом планетарном смесителе (рис. 6) шнек 1 вращается вокруг своей оси и одновременно вокруг оси 2 конического корпуса 3. При этом смешиваемый материал поднимается вверх, а затем падает под действием силы тяжести. Планетарный шнековый смеситель обеспечивает заводы пластмасс хорошее смешивание при незначительном расходе энергии. В нем можно смешивать вещества, имеющие различную плотность и размеры зерен. Планетарный шнековый смеситель может быть комбинированным, состоящим из двух смесителей, корпусы которых частично перекрывают один другой, или одинарным.

1.5. Смесители с быстровращающимися роторами.

В смесителях с быстровращающимися роторами используется эффект псевдоожижения порошкообразных материалов, основанный на том, что при большой скорости движения частиц кинетическая энергия отдельной частицы оказывается больше работы, необходимой для преодоления сопротивления сил трения и сил тяжести. Благодаря заводы пластмасс этому каждая частица приобретает высокую подвижность, и движение ансамблей частиц оказывается подобным движению частиц жидкости.
При быстром вращении ротора с несколькими лопастями в массе сыпучего материала последний переходит в псевдоожиженное состояние. Можно выделить несколько промежуточных этапов, которым соответствуют различный характер движения материала и разные формы его свободной поверхности.
Этап 1. При скоростях ротора (V<<1 м/с) материал в камере смесителя начинает уплотняться. Высота его уровня по сравнению с исходным уровнем уменьшается.