Смеситель

Смесители – это периферийное оборудование, которое по заданной рецептуре смешивает компоненты в различном агрегатном состоянии до получения гомогенной массы. Смесители используются в различных отраслях промышленности, в том числе, в сфере производства изделий из полимерных композиционных материалов.

В полимерной промышленности выполняется смешивание исходного полимера (дисперсионная среда, матрица) с различными добавками (диспергируемая фаза). В их числе красители, стабилизаторы, антипирены, пластификаторы, смазочные материалы. Дисперсионная среда преобладает в составе смеси, диспергируемая фаза имеет небольшой процент содержания. Целью смешивания компонентов сырья, которое будет использоваться на стадии производства, является улучшение товарного вида будущего изделия (окрашивание), придание ему определенных физико-механических свойств. Кроме того, смешивание необходимо для добавления в материал первого сорта вторичного сырья. Такой прием позволяет снизить себестоимость гранул и изменить отдельные физико-химические свойства полимерного композита.

От качества смешивания напрямую зависит качество готового изделия, способности к формованию. При равномерном распределении второстепенного компонента в массе базового полимера можно контролировать такие параметры, как вязкость, пластичность, твердость. Смешиванию можно подвергать материалы с различным гранулометрическим составом, плотностью, вязкостью. При смешивании полимеров могут протекать следующие процессы: плавление, растворение, диспергирование, образование химических связей (сшивание полимеров).

Важно понимать, что после смешивания масса будет подвергаться плавлению и формованию на вспомогательном оборудовании типа гранулятора. В процессе гранулирования при нагреве некачественно смешанная или быстро охлажденная ранее масса может разделиться на фазы в результате коалесценции (слияния капель жидкости или пузырьков газа в дисперсной среде или на твердой поверхности). Явление расслоения часто наблюдается при соединении несовместимых или частично совместимых полимеров. Такая смесь непригодна для дальнейшего использования. Чтобы избежать расслоения в массу при смешивании вводят специальные компоненты, которые обеспечивают совместимость в пограничных слоях между фазами.

Конструкция смесителя

В общей схеме смесителя можно выделить следующие основные узлы:

• Станина;

• бункер загрузки;

• зона смешивания;

• зона выгрузки.

Бункер смесителя чаще всего выполняют из нержавеющей стали, устойчивой к воздействию различных химически активных веществ. Нержавеющая коррозионностойкая сталь легко поддается очистке в случае залипания сырья.

Станину, на корой закреплены все рабочие узлы миксера, выполняют из углеродистой стали. Для предотвращения загрязнения воздуха частицами полимеров и наполнителей используют фильтр, через который пропускается отработанный воздух при сушке для удаления пыли. В процессе смешивания сброс летучих компонентов может выполняться через воздушный клапан.

Загрузка компонентов и их выгрузка может осуществляться в ручном режиме или автоматически при помощи вакуумных загрузчиков. Для полной автоматизации процесса экструзии или литья под давлением смеситель может быть встроен в производственную линию перед экструдером или термопластавтоматом.

Классификация смесителей

Все миксеры-смесители можно разделить на несколько видов по осевой ориентации, виду основного рабочего узла, принципу работы, типу перерабатываемых материалов и конструктивным особенностям.

По принципу работы смесители можно разделить на две общих категории:

• Смесители периодического действия;

• Смесители постоянного действия.

По типу расположения рабочих узлов выделяют смесители следующих видов:

• Горизонтальные.

• Вертикальные.

По способу смешения смесители делятся на две категории:

• Статистические.

• Динамические.

По типу перерабатываемого материала смесители делятся на три категории с учетом вязкости компонентов:

• Для жидких материалов.

• Для сыпучих материалов.

• Для вязких материалов.

По виду перемешивающего устройства смесители делятся на четыре категории:

• Барабанные смесители (с перемешивающим устройством или без него).

• Роторный смеситель (тихоходного или быстроходного типа).

• Шнековый смеситель (одночервячный или многочервячный).

• Валковый смеситель.

Смесители периодического и непрерывного действия

Выбор смесителя периодического или непрерывного действия обусловлен типом смешиваемых материалов и количеством компонентов. При приготовлении многокомпонентной смеси дозирование каждого отдельного компонента в смесителе непрерывного действия выполнить сложнее, чем в циклично работающем смешивающем агрегате.

Смесители периодического действия

К смесителям периодического действия относятся агрегаты, которые работают в цикличном режиме. Они, как правило, используются для перемешивания твердых сыпучих материалов в виде порошка, гранулята. Конструктивно периодические миксеры представляют собой барабаны, которые необходимо загружать и выгружать после каждого цикла смешивания. При этом компоненты смеси могут быть загружены единовременно или поочередно.

Смесители непрерывного действия

В современной промышленности в условиях автоматизированного производства полимерных изделий чаще используются смесители непрерывного действия. В них материал загружается постоянно. По мере выгрузки он добавляется в количестве, при котором рабочий объем загрузочной зоны полностью заполнен компонентами смеси в определенной пропорции согласно рецептуре. Смешивание также осуществляется в постоянном режиме. К смесителям непрерывного действия относятся, например, шнековые агрегаты.

Горизонтальные и вертикальные смесители

И вертикальные, и горизонтальные смесители используются в полимерной промышленности. Но наибольшей популярностью пользуются вертикальные смесители шнекового типа или барабанные вертикальные миксеры.

Вертикальные смесители

При вертикальном смешивании материал поступает в бункер, откуда под собственным весом просыпается в зоны смешивания. Перемешивание компонентов осуществляется в двух направлениях: в аксиальном и радиальном. К вертикальным относятся турбулентные или центробежные смесители, обеспечивающие перемешивание составов на высоких скоростях.

В процессе перемешивания масса под действием быстро вращающегося рабочего органа отбрасывается к стенкам корпуса, поднимается вверх и снова перемещается к центру смесителя. В отдельных типах вертикальных миксеров перемешиванию подвергается материал не в полном объеме. Наиболее тяжелые фракции, например, меловой наполнитель, могут оседать на дне, что отрицательно сказывается на качестве готовой смеси. Окрашивающие пигменты в вертикальных смесителях также могут распределяться неравномерно, что приводит к частичному непрокрасу. В шнековых вертикальных смесителях перемешивание выполняется максимально качественно.

Готовое перемешанное сырье высыпается через выгрузочное окно с заслонкой в бункер-накопитель. Откуда отправляется в зону растаривания или непосредственно в бункер загрузки производственного оборудования. Условно вертикальные смесители делятся на полупромышленные (производительность до 200 кг/цикл) и промышленные (производительность от 300 до 3000 кг сырья за цикл).

Горизонтальные смесители

Горизонтальные смесители обеспечивают перемешивание на достаточно высоком уровне. Они имеют небольшой загрузочный объем, за счет чего компоненты смешиваются более равномерно.

Бункер, в котором осуществляется процесс смешивания, расположен не четко горизонтально относительно пола, а с отклонением порядка 10 градусов. Это необходимо для облегчения выгрузки смешанной массы.

Горизонтальные смесители обеспечивают смешивание до 200 кг сырья за цикл. Они относятся к полупромышленному оборудованию, подходят для небольших цехов. Агрегаты могут устанавливаться автономно или быть встроенными в производственную линию с прямой подачей сырья из смесителя в загрузочный бункер термопластавтомата.

Статические и динамические смесители

Статические и динамические смесители принципиально отличаются типом смешиваемых компонентов, принципом работы, наличием микширующего элемента в конструкции. Также отличается производительность каждого типа оборудования.

Статические смесители

К статическим смесителям относятся агрегаты, в которых функция смешивания выполняется без участия перемешивающих элементов конструкции. По типу внутреннего смесительного элемента они делятся на перегородчатые, винтовые, насадочные и форсуночные.

Статические смесители относятся к устройствам непрерывного действия. Компоненты смеси в них принудительно продавливаются насосами от зоны загрузки к зоне выгрузки, за счет чего перемешиваются и расплавляются. В конструкции статического смесителя предусмотрены неподвижные смешивающие элементы, которые перераспределяют поток смеси несколько раз, принудительно меняя направление движения. За счет этого компоненты перемешиваются.

Статические смесители компактны, надежны, долговечны, легко монтируются, не требуют сложного и дорогостоящего технического обслуживания.

Они обеспечивают высокую степень гомогенизации, за счет чего исключаются такие дефекты, как непрокрас готового изделия, разнотолщинность стенок полых изделий, неоднородность ячеистой структуры вспененных изделий. Статические смесители могут быть встроены как в экструзионную линию, так и в линию литья под давлением.

Динамические смесители

В динамическом смесителе основную функцию перемешивания выполняет подвижный вращающийся элемент конструкции: шнек, лопасти, ротор, вальцы. Он закреплен в корпусе смесителя и приводится в движение при помощи привода.

По скорости вращения динамические миксеры делятся на тихоходные (около 1 м/с) и быстроходные (около 10 м/с). Конструкционно динамические смесители часто выполняются вертикальными. При этом ось вращения подвижного элемента совпадает с осью агрегата.

Миксеры для жидких, сыпучих, вязких материалов

Для перемешивания вязких материалов применяются двухлопастные смесители с лопастями Z-образной формы, планетарные смесители с одной лопастью Т-образной или П-образной формы, смесительные вальцы периодического или непрерывного действия.

При работе с сыпучими материалами и жидкостью используются роторные смесители. Они обеспечивают смешивание компонентов до пастообразного или комкообразного состояния.

Для легкосыпучих материалов чаще применяются вращающиеся барабанные или транспортирующие червячные смесители. Они перемешивают порошок с порошком, гранулы с порошком, гранулы с гранулами. Смесители для сыпучих материалов в большинстве случаев представляют собой агрегаты периодического действия, в которые осуществляется единовременная или последовательная загрузка компонентов будущего композита.

Шнековые, роторные, валковые, барабанные смесители

Конструктивные особенности миксера – главный критерий классификации. В зависимости от типа перемешивающего устройства выделяют шнековые, лопастные роторные, валковые и барабанные смесители.

Шнековые смесители

Шнековые (червячные) смесители обеспечивают перемешивание компонентов без мертвых зон и максимально равномерно. Они подходят для переработки термоактивных масс, чувствительных к перегреву. При этом к основному гранулированному полимеру можно дозированно добавить меловой концентрат, красящий пигмент, вторичное сырье, различные процессинговые добавки.

К шнековым смесителям относятся агрегаты для смешивания различных компонентов, оснащенные вертикальным или горизонтальным шнеком. Крутящий момент шнеку передается от привода через ременную передачу. В конструкции может быть один или два шнека. Отдельные модели шнековых смесителей дополнительно оснащаются узлами сушки для просушивания полученного сырья.

К разновидностям шнековых агрегатов относятся, в первую очередь, одношнековые смесители. Их используют для смешивания высоковязких компонентов. В конструкции предусмотрен один шнек, вращающийся в осевом направлении, и неподвижные стержни или ромбические элементы на цилиндре. Стержни обеспечивают процесс самоочистки шнека и способствуют более равномерному перемешиванию, измельчению крупных частиц материала. При смешивании в полости цилиндра с внутренними стержнями в потоке материала наблюдается переориентация направления движения.

Двухшнековые смесители применяют для смешивания компонентов с различными показателями вязкости. Они делятся на агрегаты с зацепляющимися и незацепляющимися, сонаправленными и противонаправленными шнеками. Зацепляющиеся шнеки относятся к самоочищающимся, прилипший полимер счищается лопастями одного шнека с поверхности другого в процессе вращения. При этом между винтовой нарезкой шнеков сохраняется небольшой конструктивный зазор для беспрепятственного вращения.

Сонаправленные шнеки обладают высокой нагнетающей способностью. Противонаправленные шнеки создают высокие напряжения за счет каландрирующего эффекта между ними. Потому шнековые миксеры активно используют при смешивании смазочных материалов и красителей.

Валковые смесители

Смесители со сдвиговыми вальцами образуют открытую систему для смешивания компонентов. Она используется для смешивания, расплавления материалов с высоким показателем вязкости в диапазоне температур от 20⁰С до 280⁰С. Миксеры данного типа могут оснащаться одним валом с лопастями, установленным под углом к оси смесителя, или двумя валами.

В двухвалковых моделях вальцы вращаются противонаправленно, но оси вальцов находятся в одной плоскости. На вальцах имеются противоположно направленные вращению канавки, которые сдвигают материал и способствуют смешиванию компонентов. Между вальцами есть небольшой зазор, сужающийся к концу, куда и попадают частицы материала.

Внутри валков предусмотрены полые каналы, через которые подается теплоноситель для поддержания заданной температуры композита. Смесительные вальцы интенсивно перемешивают материал, одновременно перемещая его от зоны загрузки к зоне выгрузки. Смешанный композит формуется в ленту или дополнительно гранулируется.

Барабанные смесители

Барабанные установки используются для смешивания базового полимера с красителем и иными добавками. Могут работать как с гранулятом, так и с порошком или крошкой. Чаще всего конструктивно они представляют собой барабанные смесители с вращающимся корпусом, во внутренней полости которого происходит многократное пересыпание компонентов.

По принципу работы барабанные смесители делятся на устройства непрерывного и периодического действия; с перемешивающим устройством и с вращающимся корпусом без перемешивающего элемента (ось вращение совпадает с осью корпуса, находится перпендикулярно или под углом к ней); с конической, цилиндрической или шестигранной камерой.

Объем барабана в зависимости от формы бункера достигает 30 м³ для конически смесителей и до 100 м³ для неконических. Скорость вращения перемешивающего устройства в барабанных смесителях варьируется от 0,2 м/с до 50 м/с. Чем выше скорость вращения, тем лучше измельчаются смешиваемые компоненты. Однако важно не допустить вращения на предельных скоростях.

При вращении барабана частицы компонентов вовлекаются в движение, под действием центробежных сил достигают стенки, обрушиваются и вновь вовлекаются в движение. При сильном вращении в процессе смешивания участвуют не все слои материала. Центробежная сила в этом случае сравнима по величине с силой тяжести, отчего частицы прекращают движение.

В процессе работы смесителя в бункере происходят следующие процессы:

• конвективное смешение (смежные частицы перемещаются из одного объема массы в другой за счет скольжения слоев, вмятия, внедрения);

• диффузионное смешение (частицы компонентов перераспределяются на новой границе их раздела);

• сегрегация (частицы с аналогичной массой концентрируются в одном месте под действием сил гравитации и инерции).

Эти процессы протекают в смеси одновременно. От степени влияния каждого из процессов зависит качество смешивания.

Степень заполнения барабана также напрямую влияет на качество смешивания. При заполнении около 10% материал скользит по внутренней поверхности барабана, не перемешиваясь. Оптимально загружать бункер на 30-80% в зависимости от типа сырья. Для гранулированных компонентов рекомендуемое заполнение 70-80%, для порошкообразных – от 30% до 40%. При соблюдении условий смешивания на выходе из барабанного миксера можно получить сырье с коэффициентом неоднородности не более 15%.

Роторные смесители

Роторные смесители используются для смешивания плохо сыпучих компонентов, приготовления пастообразных смесей. В частности, роторные центробежные смесители обеспечивают растворение твердых масс в жидкости, смешивание сыпучих масс между собой и с жидкостью, измельчение нежестких масс, окрашивание порошкообразных масс пигментами, замешивание суспензий и эмульсий из твердых масс и жидкостей.

Вращение роторов обеспечивает электродвигатель, связанный с приводными шестернями через цепную передачу. Поддержание определенного температурного режима обеспечивает теплоноситель. Существуют модели с охлаждением перемешиваемых компонентов. Для удаления летучих компонентов из рабочей камеры в процессе смешивания предусмотрен воздушник.

Смесители данного типа делятся на однороторные и двухроторные. Во внутренней камере установлены два Z-образных, четырехкрыльчатых или зубчатых ротора, вращающихся навстречу друг другу с различной скоростью. Средняя скорость вращения 180-200 об/мин. Объем камеры может составлять 5-4000 м³. Дополнительно роторные смесители делятся по мощности на три вида: малой мощности до 25 кВт, средней мощности до 60 кВт, высокой мощности до 150 кВт.

Двухроторные лопастные смесители с Z-образными лопастями принято считать универсальными. Они смешивают между собой высоковязкие массы или перемешивают их с жидкостью. Для измельчения и смешивания волокнистых материалов больше подходят зубчатые роторы. При необходимости перемешивания материалов с одновременной дегазацией используют четырехкрыльчатые роторы. Роторы могут быть скрещенными или тангенциально расположенными.

Более эффективное смешивание достигается скрещивающимися роторами. Однако они же и более энергозатратные в сравнение с тангенциальными перемешивающими устройствами.

С целью перемешивания вязких полимеров с наполнителями, приготовления полимерных композиций, введения в состав пластификаторов, стабилизаторов, красителей используют двухроторные смесители закрытого типа. Их конструктивная особенность – большие полые цилиндры, сообщающиеся между собой таким образом, что в сечении образуют восьмерку. Это смесители типа Банбери. Они нашли широкое применение в сфере производства резитотехнических изделий при добавлении сажи в резиновые смеси.

В закрытом смесителе Банбери возникают сложные сдвиговые напряжения, которые способствуют диспергированию твердых частиц компонентов по полимерной матрице. Большое количество энергии, образующейся при этом, переходит в тепло и разогревает смесь. Температура нагрева регулируется скоростью вращения роторов и системой охлаждения.

Степень дисперсии зависит от времени перемешивания, скорости вращения ротора, геометрии лопастей ротора и температуры нагрева.

Каскадные миксеры-смесители

В отдельную категорию следует выделить каскадные двухступенчатые смесители. Они используются для смешивания различных полимеров и компаундирования массы с целью подготовки для дальнейшего гранулирования.

В данном агрегате процесс смешивания проходит два этапа: нагревание и смешивание. При нагревании полимеры частично плавятся. Далее они перемешиваются и продавливаются через формующую головку – фильеру.