Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция №10
Смешение компонентов сыпучих строительных смесей (масс). Перемешивание компонентов и общие закономерности гомогенизации масс.
Смешение (перемешивание) - это технологический процесс образования однородных систем путём приведения в тесное соприкосновение твёрдых и вязко-пластичных тел, жидкостей, газов или их сочетаний.
Смешение твёрдых тел, вязко-пластичных, жидких и других сред осуществляется механическим, гидравлическим, пневматическим, комбинированным и другими способами.
Машины, применяемые для смешения компонентов строительных смесей, называются смесителями (миксерами) и реже мешалками.
Практически любой строительный материал состоит как минимум из двух, а большей частью из нескольких компонентов. Качество смеси, из которой формуется изделие, во многом определяется качеством перемешивания. В практике производства строительных материалов широко применяется перемешивание сухих компонентов, приготовление полусухих, пластичных и литых масс.
Способы перемешивания и выбор аппаратуры для его проведения определяются целью перемешивания и агрегатным состоянием перемешиваемых материалов. Смешивание масс — процесс, зависящий от многих параметров и факторов.
Основной задачей этого технологического передела в производстве строительных материалов является получение однородной смеси компонентов, т.е. гомогенизация составляющих смеси. Скорость и результат смешения во многом определяются формой и величиной частиц, общим зерновым составом и каждого компонента в отдельности, числом смешиваемых компонентов и соотношением их количеств, плотностями смешиваемых компонентов и их коэффициентами трения, степенью увлажнения и способностью к слипанию отдельных частиц, степенью измельчения зернового состава в процессе перемешивания. Перемешивание осуществляется в специальных аппаратах — смесителях, конструкция которых зависит от характера смеси и требуемой производительности.
В зависимости от физического состояния перемешиваемых веществ различают:
1) машины для перемешивания жидких смесей (шлама, красителей и т. п.) — шламовые, пропеллерные, турбинные, планетарные, грабельные и др.;
2) машины для приготовления грубодисперсных суспензий (бетонных смесей, строительных растворов, керамических масс и т. п.);
3) машины для перемешивания сухих порошковых и зернистых материалов зачастую с последующим увлажнением — лопастные, бегунковые, планетарные и другие смесители механического типа принудительного действия (рис. 8.1).
Наиболее важной характеристикой перемешивающих устройств, являющихся основой для их сравнительной оценки, является эффективность аппарата и интенсивность его действия. Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса перемешивания и в промышленности строительных материалов определяется степенью гомогенизации массы, т.е. степенью равномерности распределения компонентов в объеме полученной смеси. Интенсивность перемешивания определяется временем достижения заданного технологического результата.
Так как основным назначением операции смешения является максимальная однородность состава, то в случае двухкомпонентной смеси это требование идентично максимальному увеличению первоначальной поверхности раздела между компонентами смеси. Для осуществления этого требуется некоторое минимальное время.
Рис. 8.1. Принципиальные схемы основных типов смесителей:
а – глиноболтушка: 1 - траверса; 2 – рама; 3 – резервуар; 4 – бороны на цепной подвеске; б – горизонтальный лопастной смеситель для роспуска глины: 1 – корпус; 2 – вал с пропеллером; г – гравитационный смеситель периодического действия: 1 – барабан; 2 – венцовая шестерня; 3 - лопасти; д – бетоносмеситель принудительного действия: 1 – чаша; 2 – лопасти; 3 – выгрузочное отверстие; е – горизонтальный двухвальный смеситель непрерывного действия: 1, 3 – загрузочные и выгрузочные воронки; 2 – вал с винтовыми разрезными лопастями; 4 – корыто; ж – растворосмеситель: 1 – корпус; 2 – вал с лопастями; з – бегуны: 1 – чаша; 2 – катки; 3 – лопасти.
глиноболтушка горизонтальный лопастной смеситель
а) б)
бетоносмесители гравитационного (а) и принудительного (б) действия
горизонтальный двухвальный смеситель растовросмеситель
бегуны
8.1. Смешение компонентов сыпучих строительных смесей (масс)
При производстве таких строительных материалов, как силикатный и строительный кирпич, камни, блоки, плиты, плитки, сухие строительные смеси и т. п. важное место отводится технологическому процессу подготовки сырьевых формовочных смесей (масс.) влажностью не более 10 %. От качества подготовки смесей зависит и качество готовых изделий.
8.1.1. Закономерности смешения
Механизм действия смешения компонентов сыпучих смесей (масс) является очень сложным и зависит от большого количества факторов, в том числе от параметров смесителя и режимов его работы.
Смешение сыпучих строительных материалов складывается из следующих механических операций: перемещение групп частиц материала из одного места в другое, так называемое конвективное смешение (I); перераспределение частиц при их перемещении, так называемое диффузионное смешение (II); сосредоточение частиц в отдельных местах, так называемая сегрегация частиц (рис. 8.1.).
В результате смешения происходит взаимное перемещение частиц различных компонентов смеси, находящихся до перемешивания либо отдельно, либо в неоднородном состоянии.
Идеально в результате смешения должна получиться такая смесь компонентов, что в любой её точке (пробе) к каждой частичке одного из компонентов примыкают частички другого компонента в количестве, определяемом соотношением 1:1. Например, если смесь состоит из трёх компонентов, массы которых соотносятся как числа А:В:С, то в любом достаточно малом объёме (пробе), взятом случайно в произвольном месте (точке), после смешения массы этих компонентов тоже должны отно ситься как числа а:Ь:с.
Рис. 8.1. Зависимость коэффициента неоднородности от времени смешения
Однако такое идеальное смешение, т. е. равномерное расположение частиц в смеси в реальных условиях не наблюдается.
Чтобы оценить качество смешения одной случайной величиной, смесь условно считают двухкомпонентной. Для чего из смеси выделяют какой-либо один компонент, называемый условно основным (ключевым). Остальные компоненты, входящие в смесь, объединяют во второй (общий) компонент. По степени распределения ключевого (основного) компонента в смеси, т. е. во втором условном компоненте, судят о качестве смешения. Выбор компонентов при этом является субъективным.
Разработано довольно много формул (эмпирических зависимостей) для расчета критерия качества смешения. Например, при непрерывном увеличении поверхности раздела между компонентами за счет внедрения (диффузии) процесс смешения описывается следующим уравнением
S = So(l-e-kl),
где S - текущая величина поверхности раздела; So - максимально возможная поверхность раздела; е - основание натурального логарифма, е = 2,71; k - коэффициент пропорциональности; l - время смешения.
Иногда процесс смешения связывается с влиянием размера и плотности частиц отдельных компонентов смеси, т. е. с явлением сегрегации (расслоения). Степень смешения без учёта расслоения смеси описывается зависимостью
где А - постоянный коэффициент, учитывающий свойства смесей (материала), тип и режим работы смесителя; l - время смешения e = 2,71 - основание натурального логарифма.
Наибольшее распространение для оценки качества смешения компонентов сыпучей строительной смеси получил коэффициент неоднородности (вариации)
где σ - среднее квадратическое отклонение концентрации ключевого компонента в пробах; с - среднеарифметическое значение концентрации ключевого компонента в пробах; сi - значение концентрации ключевого компонента в i-ой пробе; п - число анализируемых (отобранных для анализа) проб.
Чем меньше значение ϑс, тем выше качество смешения компонентов смеси и её однородность.
Под кинетикой смешения понимается закономерность протекания процесса во времени.
Закономерность изменения концентрации вещества в потоке при смешении описывается уравнением.
где Q - расход компонентов; Сн, С - концентрация индикатора соответственно на входе и на выходе смесителя; дτ - время смешения; Vc - объём рабочего органа смесителя.
Левая часть уравнения (5.4) выражает количество индикатора, поступающего в смеситель. В правой части уравнения первое слагаемое представляет собой количество индикатора, выведенного из смесителя, второе - количество индикатора, находящегося в смесителе с учётом изменившейся концентрации его за время дτ.
Среднее время пребывания частиц в смесителе τср означает, что объём вещества, поступающего в смеситель за время τср, численно равен его вместимости и является случайной величиной.
Среднее время пребывания частиц в условных ячейках (зонах) смесителя, определяющее качество смешения, зависит от конструкции и режима работы смесителя и физико-механических и технологических свойств перемешиваемых компонентов смеси и определяется экспериментально. В большинстве промышленных смесителей можно получать смеси с качеством смешения не ниже 20 %.
5.1.2. Параметры, влияющие на качество смешения
Из многочисленных факторов, которые влияют на процесс смешения сыпучих строительных смесей, в первую очередь следует назвать концентрацию ключевого компонента, влажность и модуль крупности смеси, обрабатываемого материала, время смешения и конструктивно-технологические параметры смесителя. Понятно, что рассмотреть все случаи смешения строительных сыпучих смесей здесь невозможно. Поэтому ограничимся только теми, которые представляют научный и практический интерес.
Как показали исследования, концентрация ключевого компонента в смеси существенно влияет на критерий качества смешения (рис. 8.2).
С увеличением концентрации ключевого компонента значение коэффициента неоднородности смешения уменьшается, достигает минимально возможной величины и далее не снижается. График зависимости имеет нелинейный вид. Установлено, что при концентрации компонента более 10 % можно добиться минимального значения коэффициента неоднородности смешения в двухвальных смесителях непрерывного действия. В том случае, когда в смеси находится ключевого компонента менее 10 %, то потребуется дополнительное время на обработку смеси и, возможно, смеситель циклического действия. Однако ввиду малой концентрации и случайного характера процесса коэффициент неоднородности получается большим.
Влажность смеси также влияет на критерий качества смешения. С увеличением влажности смеси коэффициент неоднородности смешения увеличивается (рис. 8.2). Очевидно, что при наличии влаги процесс смешения проходит менее эффективно, чем при сухих компонентах смеси. Поэтому на практике иногда применяют двухступенчатое (двухстадийное) смешение. Вначале смешивают сухие компоненты, а затем производят смешение с добавлением воды до заданной влажности.
Рис 8.2. Зависимость коэффициента неоднородности смешения от влажности (1) смеси и концентрации компонента (2).
Рис. 8.3 Зависимость коэффициента неоднородности смешения от высоты смеси (1) и частоты вращения лопастей (2).
Из технологических факторов, влияющих на эффективность смешения, следует назвать количество (объём) сырьевой смеси, подвергающейся обработке. В одновальных и двухвальных смесителях непрерывного действия количество смеси можно характеризовать высотой смеси в лотке (корыте). С увеличением высоты смеси коэффициент неоднородности смешения сначала снижается, достигает минимально возможной величины, а затем снова начинает расти (рис. 8.3). У одновального смесителя этот рост проявляется незначительно, а у двухвального - более существенно. Оптимально возможные значения коэффициента неоднородности смешения силикатной формовочной массы у этих смесителей разные.
Частота вращения смесительных лопастей в лотковых смесителях влияет на качество смешения неоднозначно. Коэффициент неоднородности смешения силикатной смеси с увеличением частоты вращения лопастей вначале снижается, достигает минимальной величины, а затем снова начинает увеличиваться (рис. 8.3). Зависимость носит нелинейный характер и наблюдается как на одновальных, так и двухвальных смесителях. Можно считать, что в области регулирования частоты вращения лопастей от 1,5 до 2,1 с-1 коэффициент неоднородности смешения в двухвальных смесителях непрерывного действия мало изменяется и достигает почти минимальной величины.
Почти такая же закономерность и при исследовании зависимости коэффициента неоднородности смешения от угла установки лопастей на смесительных валах. В диапазоне изменения угла наклона лопастей от 35 до 60° достигается минимально возможная величина коэффициента неоднородности смешения по ключевому компонент). Максимальная производительность достигается при угле наклона 45° (рис. 8.4).
Рис. 8.4. Зависимость производительности (1) и коэффициента неоднородности смешения (2) от угла наклона лопастей на валу
Изменение производительности и коэффициента неоднородности по обе стороны от угла 45°, примерно одинаковое и небольшое, т. е. равную производительность можно получить, устанавливая лопасти под углом в 30 и 60°. Этим частично можно объяснить многообразие значений углов наклона лопастей в смесителях непрерывного действия.
Момент силы на смесительных валах в одновальных и двухвальных смесителях непрерывного действия при смешении, например, силикатных формовочных смесей изменяется неоднозначно в зависимости от изменения основных параметров (рис. 8.5). Так, например, момент силы растёт с увеличением объёма смеси в лотке.
Рис. 8.5. Зависимость момента силы на валах от высоты смеси в лотке (1), угла наклона лопастей (2) и влажности обрабатываемой смеси (3).
График зависимости имеет линейный вид. А увеличение угла наклона лопастей приводит к уменьшению момента силы. Зависимость носит также линейный характер. С увеличением влажности смеси момент силы на валах сначала уменьшается, достигает минимальной величины, а затем снова начинает увеличиваться. График зависимости имеет нелинейный вид. Изменение влажности от 5 до 7 % не сказывается существенно на изменении момента силы на валах смесителя. Следовательно, зная оптимальные значения основных параметров смешения, можно рассчитать момент силы на валах, мощность электродвигателя и производительность смесителя.
Производительность лопастных смесителей непрерывного действия можно рассчитать по формуле
где D, d - соответственно наружный и внутренний диаметры лопастей; SB - шаг винтовой линии установки лопастей; п - частота вращения лопастей; b’л - количество лопастей, установленных на одном шаге винтовой линии; ZB - количество смесительных валов; Кп - коэффициент, учитывающий взаимное перекрытие лопастей в поперечном сечении лотка (корыта); Кн - коэффициент, учитывающий степень заполнения лотка (корыта) смесью.
Мощность привода двухвальных смесителей непрерывного действия
где р - удельное сопротивление смеси при вращении смесительных лопастей; ZB - количество смесительных валов; Si - площадь проекции i-той лопасти на направление вращения; Ri - расстояние от оси вращения до центра тяжести i-той лопасти; ω - угловая скорость смесительного вала; η - КПД привода смесителя.
Использование оптимальных значений параметров смешения и конструктивно-технологических параметров смесителей даёт возможность их оптимального конструирования и эффективного использования в промышленности строительных материалов для обработки многокомпонентных формовочных строительных смесей.
5.1.3. Диспергированное смешение сыпучих материалов
Изменение физико-механических и технологических свойств сырьевых формовочных смесей (масс) спекания, грануляции, гашения, сегрегации, увлажнения и т. п. требуют совершенствования технологии смесеприготовления. Одним из способов эффективной переработки формовочных строительных смесей является диспергированное смешение, т. е. одновременное измельчение и смешение. Диспергирование - это тонкое измельчение твёрдых тел, приводящее к образованию дисперсных систем. Диспергированное смешение может осуществляться в специальных машинах: быстроходных двухвальных смесителях непрерывного действия; барабанных стержневых растирателях-гомогенизаторах, дисковых и щеточных смесителях и др.
Известно, что химические реакции проходят по поверхности веществ, т. е. по поверхности контактов между частицами материала. Поэтому для повышения интенсивности химических реакций веществ требуется увеличить число контактов между частицами (компонентами). Эту цель преследует процесс измельчения и процесс смешения. Однако невозможно обеспечить достаточное число контактов смеси, если эту смесь только измельчить или, наоборот, только смешать. Следовательно, одновременное измельчение и смешение должны характеризоваться единым обобщенным критерием обработки. Таким критерием, например, может служить число контактов между компонентами смеси, измеряемое косвенным способом на основе моделирования.
Моделирование процесса позволяет одновременно для каждого состояния условного объёма элементов определить число контактов элементов разных видов и дисперсию содержа ния элементов одного вида.
Интенсивность обработки силикатной смеси в барабанном стержневом растирателе-смесителе рекомендуется определять по формуле
где Q - производительность измельчителя-смесителя, кг/ч; с - коэффициент проскальзывания стержней; φ - коэффициент заполнения барабана стержневой загрузкой; N1 и N2 - соответственно мощность, затрачиваемая на подъём и удержание стержневой загрузки и на сообщение энергии стержням, кВт; k - относительный коэффициент скатывания и подъёма стержней; ψ - коэффициент относительной частоты вращения барабана. Уравнение кинетики измельчения - смешения
где п - текущее значение качества обработки смеси; пм - максимально возможное качество обработки смеси; по - качество смеси до её обработки; λ - постоянный коэффициент, характеризующий технологическую эффективность обработки; t - время обработки смеси.
Интенсивность обработки смеси λ необходимо определить опытным путём, для чего смесь подвергается двукратной обработке.