Пищевое оборудование

Смесители сыпучих и порошкообразных материалов

Приготовление однородных по составу композиций из твердых материалов, находящихся в зернистом или порошкообразном состояниях, их смешивание является широко используемым процессом во многих отраслях промышленности.

Аппараты в которых происходит процесс смешения называются смесители. По принципу действия смесители можно подразделить на аппараты периодического и непрерывного действия.

Смесители периодического действия в свою очередь делятся на:

  1. смесители с ограниченным внедрением массы m в массу g с помощью различных вращающихся органов – барабанные, ленточные, червячно-лопастные;
  2. смесители с » кипящим» слоем материала – механические, пневматические, вибрационные.

Барабанные смесители с вращающимся корпусом

Смесевые барабаны выполняются с корпусом различной формы (цилиндрической, граневой, бицилиндрической, биконической), вращающимся в цапфах на горизонтальном валу. Наиболее экономичным является биконический смеситель (рисунок 1). Кроме того, качество смесей, получаемых в нем несколько выше. смесевые барабаны цилиндрической формы могут приводиться во вращение с помощью опорных роликов. В этом случае внутри цилиндра размещаются спиральные ребра и лопатки для лучшего перемешивания смесей.

К преимуществам барабанных смесителей можно отнести:

  • простоту конструкции;
  • возможность полной герметизации;
  • возможность обработки абразивных материалов;
  • сохранение формы зерна.

К недостаткам:

  • длительный цикл смешивания (1-3 часа), вследствие тихоходности;
  • большую металло- и энергоемкость;
  • сложность очистки внутренних поверхностей; низкое качество смеси
Рисунок 1 - Биконический смеситель
Рисунок 1 — Биконический смеситель

Червячно-лопастные смесители

Они относятся к универсальным смесительным машинам, т. к. позволяют смешивать не только сухие сыпучие массы, но и увлажненные материалы, а также густые и вязкие кашеобразные пасты.

Смеситель с Z-образными лопастями

Смеситель с Z-образными лопастями (рисунок 2) состоит из корпуса 1 с двумя полуцилиндрическими днищами, в котором навстречу друг другу вращаются два горизонтальных вала 2 с лопастями, перемешивающими материал.

Рисунок 2 - Смеситель с Z-образными лопастями
Рисунок 2 — Смеситель с Z-образными лопастями

Лопастный (шнековый) смеситель

В лопастных (шнековых) смесителях рабочими органами являются валы-шнеки с т-образными винтовыми лопастями (рисунок 3). В зависимости от свойств смешиваемых материалов и технологических условий процесса смесители комплектуются винтовыми лопастями различной формы.

Смесители могут работать при атмосферном давлении, под вакуумом до 150 мм ртутного столба, под избыточном давлении. Корпус имеет рубашку для нагрева или охлаждения смешиваемой массы.

К общим недостаткам червячно-лопастных смесителей относят: значительный расход энергии на единицу объема готовой смеси, большой износ лопастей, сравнительно низкое качество смешения, большое количество сальниковых уплотнений, трудность чистки, сравнительно малый полезный объем.

Рисунок 3 - Лопастной вал с Т-образными лопастями
Рисунок 3 — Лопастной вал с Т-образными лопастями

По этим причинам их нельзя рекомендовать для смешивания сухих сыпучих материалов. Более эффективны смесители данного типа при переработке увлажненных или пастообразных материалов.

Ленточный смеситель

Ленточный смеситель,  смесительный элемент которого выполнен в виде ленты самого различного профиля (рисунок 4) установленный в корытообразном корпусе с плоскими торцевыми стенками. По оси полуцилиндра корпуса через боковые стенки проходит приводной вал, на котором смонтированы по винтовой линии стержни с укрепленными на их вершинах плоскими лентами, изогнутыми по винтовым линиям с правым и левым заходами. корпус закрыт сверху плоской крышкой.

Рисунок 4 - Лопастной вал ленточного смесителя
Рисунок 4 — Лопастной вал ленточного смесителя

Если емкость ленточного смесителя большая, то смесительный элемент выполняют из 4-х лент. При этом две наружные ленты перемещают материал к центру смесителя, а две внутренние возвращают его к торцам корпуса. Число оборотов вала принимают с таким расчетом, чтобы окружная скорость наружной ленты была равна 1,2 м/сек. Так как способность винтовых лент транспортировать материал в осевом направлении крайне ограничена, то удовлетворительное качество смешения достигается за длительное время (1…3 часа).

Большинство типов ленточных смесителей снабжены рубашками для обогрева и охлаждения смешиваемой массы и штуцерами для вакуумного отсоса, что позволяет совмещать процессы смешивания и подсушки увлажненных материалов.

Общий недостаток ленточных смесителей — длительный цикл смешения, доходящий до нескольких часов, при сравнительно низком качестве готовой смеси.

Смеситель с дисковым ротором

В скоростных смесителях данного типа переход материала в «кипящее» состояние осуществляется быстровращающимся дисковым ротором (рисунок 5). В цилиндрическом корпусе 1 смонтирован ротор, состоящий из верхнего 3 и нижнего 4 дисков, жестко насаженных на верхний конец консольного вала 2, проходящего через центр выпуклого днища. Нижний диск сплошной с загнутыми вверх краями, выполненными по форме днища. Верхний диск 3 плоский, с прорезями около центра через которые материал и поступает на нижний диск 4.

1 – корпус, 2 – вал, 3 – верхний диск, 4 – нижний диск Рисунок 5 - Смеситель с дисковым ротором
1 – корпус, 2 – вал, 3 – верхний диск, 4 – нижний диск
Рисунок 5 — Смеситель с дисковым ротором

При вращении ротора с окружной скоростью 5…8 м/сек (по наружному диаметру дисков), в смесителе создается интенсивная циркуляция смешиваемых материалов, которые при этом образуют «кипящий» слой. Время смешения в аппаратах данного типа 2…3 мин. при хорошем качестве получаемой смеси.

Циркуляционные смесители центробежного типа

Одним из перспективных методов переработки сыпучих материалов основан на использовании их тонкослойного движения и разреженного состояния. В этом случае удается значительно увеличить поверхность контакта между смешиваемыми компонентами и существенно уменьшить энергозатраты. Кроме того, для смесителей этого типа характерна интенсивная циркуляция сыпучего материала, позволяющая существенно улучшить качество смеси.

 Смеситель центробежного типа с вращающимся конусом

Смеситель центробежного типа с вращающимся конусом работает следующим образом (рисунок 6). В корпусе 1 на валу 2 закреплен полый усеченный конус 3 с двумя симметрично расположенными окнами 4. При вращении конуса 3 частицы материала под действием центробежной силы движутся по его внутренней поверхности вверх и попадают в кольцевое пространство между конусом и корпусом 1. Новые порции материала поступают внутрь конуса из кольцевого пространства через окна 4. Лопастная мешалка 5, вращаясь вместе с конусом, увеличивает подвижность материала, находящегося в нижней части корпуса 1, способствуя его проходу через окна 4 во внутрь конуса. Для плохосыпучих материалов в корпусе устанавливают свободно вращающуюся раму 6 с лопастями и скребком, входящим во внутрь конуса. Рама 6, под влиянием сил, действующих со стороны движущегося материала на скребок и лопасти, начинает вращаться. Скорость этого вращения регулируют с помощью ленточного тормоза 7. рама 6, благодаря меньшей скорости вращения, по сравнению с конусом, создает дополнительную турбулентность в движущемся материале, что способствует его лучшему смешению.

1 – корпус, 2 – вал, 3 – конус, 4 – окна конуса, 5 – лопастная мешалка, 6 – вращающаяся рама, 7 – ленточный тормоз. Рисунок 6 - Центробежный смеситель с вращающимся конусом
1 – корпус, 2 – вал, 3 – конус, 4 – окна конуса, 5 – лопастная мешалка, 6 – вращающаяся рама, 7 – ленточный тормоз.
Рисунок 6 — Центробежный смеситель с вращающимся конусом

Основная часть процесса смешения материала протекает при его подъеме по внутренней поверхности конуса вследствие разных траекторий движения частиц и в кольцевом пространстве благодаря их перераспределения во время полета, опускания и вращения под действием конуса и лопастной мешалки.

Смеситель-диспергатор центробежного типа

Смеситель-диспергатор центробежного типа  (рисунок 7) работает следующим образом. Исходные компоненты через загрузочный патрубок поступают в верхнюю часть смесителя, имеющего форму обратного усеченного конуса. На его внутренней поверхности закреплены несколько рядов неподвижных пальцев, а на центральном валу – соответствующее число тарелей с секторными отверстиями, режущие кромки которых имеют угол атаки 30…45°. Компоненты, по мере прохождения между пальцами и вращающимися тарелями, турбулизируются, диспергируются и движутся по спиральной траектории с возрастающей скоростью вследствие уменьшения радиуса вихря. Это приводит к надежному разрушению конгломератов частиц, имеющихся в исходных компонентах. Затем смесь поступает в нижнюю часть аппарата, образованную днищем и отражательной перегородкой, имеющей форму шарового сегмента. Здесь требуемое качество смеси обеспечивается за счет интенсивной циркуляции ее внутри смесительной камеры под действием рельефных лопастей с режущими кромками.

Рисунок 7 - Центробежный смеситель-диспергатор
Рисунок 7 — Центробежный смеситель-диспергатор

Конструкции смесителей непрерывного действия

В настоящее время весьма актуальной является задача перевода стадии смешивания сыпучих материалов на непрерывную схему, что позволит увеличить производительность смесительного агрегата при значительном снижении энергопотребления и материалоемкости, а также себестоимости смеси. Однако в серийно выпускаемых СНД рекомендуется смешивать только хорошо сыпучие материалы, не склонные к образованию конгломератов, при условии комплектования их высокоточными дозаторами с системой автоматического управления, которые сложны в эксплуатации и имеют высокую стоимость. Но даже при выполнении этих условий в существующих СНД затруднительно получить смесь хорошего качества при соотношении смешиваемых компонентов 1:100 и выше.

Поэтому новые конструкции СНД должны обладать способностью сглаживать флуктуации мгновенных расходов входных потоков за счет направленной организации их движения внутри аппарата и обеспечивать надёжное разрушение образующихся конгломератов из частиц. Это позволит использовать в составе смесительного агрегата без ущерба для качества смеси дозаторы объемного типа с пониженной точностью, которые имеют невысокую стоимость, более просты в изготовлении и эксплуатации.

В КемТИППе под руководством проф. Иванца В.Н. был разработан ряд новых конструкций СНД центробежного типа. Рассмотрим некоторые конструкции  СНД и принцип их работы.

СНД для смешения сыпучих материалов  с добавками жидкости

СНД для смешения сыпучих материалов  с добавками жидкости  (рисунок 8) работает следующим образом. Сыпучие компоненты дозаторами подаются через загрузочные патрубки 4 и попадают на поверхность приемно-направляющего устройства 2. Жидкая фаза подается через патрубок 5 и попадает на распылительный диск 14. Так как диск 14 вращается, то жидкая фаза под действием сил инерции распыляется в тонкослойный поток сыпучих компонентов, которые ссыпаются через отверстие направляющей воронки 2 на приёмно-распределительное устройство 8. Под действием вращающихся лопастей 15 в приёмно-распределительном устройстве 8 происходит предварительное смешивание компонентов с достаточно интенсивной циркуляцией материалов, которые находятся в псевдоожиженном состоянии. При этом происходит хорошее сглаживание пульсаций входных потоков, разрушение конгломератов, которые могут образоваться при распылении жидкой фазы в поток сыпучих компонентов. В результате на первой ступени смешивания образуется достаточно однородная смесь. На второй ступени смешивание осуществляется в тонких разряженных слоях на внутренних поверхностях полых вращающихся конусов 18 и 19 ротора 16. Происходит это следующим образом. Смесь, находящаяся в приёмно-распределительном устройстве 8, непрерывно просыпается через отверстия 9 на внутренней поверхности направляющих конусов 10 и 11. При этом часть смеси, которая находится на плоской горизонтальной части приёмно-распределительного устройства 8, просыпаясь через отверстия 9, попадает на внутренний направляющий конус 10. По нему она направляется к центру диска  ротора 16 и далее попадает на поверхность внутреннего вращающегося конуса 18. Под воздействием сил инерции смесь тонким разряженным слоем движется по его внутренней поверхности снизу вверх. При таком движении происходит перераспределение (смешивание) отдельных частиц и микрообъемов материалов в потоке. Далее смесь сбрасывается с верхней кромки внутреннего конуса 18 на поверхность внешнего направляющего конуса 10, куда через отверстия 9, опережающим по отношению к нему  потоком, ссыпается смесь, находящаяся на конической части приёмно- распределительного устройства 8. Суммарный поток ссыпается с поверхности внешнего направляющего конуса на внутреннюю поверхность  конуса 19 ротора 16. На поверхности внешнего конуса 19 происходит тот же процесс, что и на поверхности внутреннего конуса 18. Смесь, сошедшая с верхней кромки внешнего конуса 19, ссыпается на днище 6 смесителя. Из смесителя смесь выгружается разгрузочными лопастями 17 через патрубок 7. При этом происходит дополнительное перемешивание смеси, что улучшает качество готовой композиции.

Рисунок 8 - СНД центробежного типа для смешения сыпучих материалов с добавками жидкости
Рисунок 8 — СНД центробежного типа для смешения сыпучих материалов с добавками жидкости

На второй ступени смешивания происходит движение материалов с опережающим потоком, чему способствует конструкция приёмно-распределительного устройства 8. Таким образом, на второй ступени смешиванию подвергается сначала часть потока, поступающего из приёмно-распределительного устройства 8, а затем, полученная смесь разбавляется другой его частью, и вновь подвергается смешиванию. Через отверстия в плоской горизонтальной части приёмно-распределительного устройства и в конической его части просыпается одинаковое количество материала, поэтому коэффициент опережения a » 0.5 (50%). Такая схема организации материальных потоков на второй ступени смешивания позволяет добиться примерно одинаковой толщины слоя материала на конусах ротора, а также существенно снизить неоднородность, чего можно добиться и при рециркуляции, но при этом, со значительно большей производительностью и меньшими удельными энергозатратами. Таким образом за счёт распыления жидкой фазы в тонкослойный поток сыпучих компонентов, а также в следствие проведения процесса  смешивания сыпучих материалов и жидкой фазы в два этапа удаётся интенсифицировать процесс смешивания и получать качественные смеси сыпучих материалов и жидкости при соотношении компонентов до 1:200.

СНД работающий по методу последовательного разбавления смеси

СНД работающий по методу последовательного разбавления смеси (рисунок 9) работает следующим образом. Исходные компоненты смеси дозаторами подаются через загрузочные патрубки 3, 4 на крестообразные лопасти 13. Под действием центробежных сил инерции сыпучий материал отбрасывается на внутреннюю поверхность приёмно-направляющего устройства 11, попадая в зазор между пальцами 14. Затем разрыхлённые и измельчённые компоненты равномерно ссыпаются на диск верхнего ротора, через кольцевой зазор между выходным отверстием устройства 11 и полым валом 9. Под действием сил инерции частицы материала движутся по поверхности диска, при этом траектория потока относительно последнего и конусов закручена в сторону, противоположную направлению вращения. Перепускные окна 20, ограниченные снизу поверхностью диска, способствуют тому, что только часть потока переходит на поверхность конуса (внутреннего 17), а другая через окна 20 движется ко второму конусу (среднему 18). Дошедший до него поток материала опять разделяется на две части. Одна из них проходит через окна 20 и двигается дальше, а другая переходит на поверхность второго конуса 18. Прошедший через окна 20 поток попадает на поверхность третьего (внешнего 19) конуса. За счёт того, что окна 20 ограничены снизу поверхностью диска, при определённых условиях пропускная способность будет постоянной.

Рисунок 9 - СНД работающий по методу последовательного разбавления смеси
Рисунок 9 — СНД работающий по методу последовательного разбавления смеси

Часть входного потока, перешедшая на поверхность внутреннего конуса 17, движется по ней снизу вверх, при этом происходит смешивание компонентов. Поток, дошедший до первого сплошного отражательного кольца 21, под действием сил инерции движется по его внутренней поверхности и равномерно ссыпается на нижнюю часть последующего конуса. Здесь он внедряется в поток, перешедший на этот конус с диска. Далее суммарный поток движется по поверхности второго конуса 18, доходит до второго отражательного кольца, после его прохождения материал равномерно ссыпается на третий конус 19, внедряясь в поток, перешедший на этот конус с диска нижнего ротора.

После этого поток, под действием центробежной силы сбрасывается на приёмно-направляющее устройство 12, откуда равномерно, тонким слоем ссыпается на диск нижнего ротора, на котором происходит наложение полученной смеси, сошедшей с верхнего ротора, на поток исходного компонента, проходящего через отверстия 10 полого вала 9, т.е. осуществляется процесс последовательного разбавления смеси. Далее, под действием сил инерции, суммарная смесь равномерно распределяется по трём конусам, на которых  происходит аналогичный процесс смешивания материалов, что и на конусах верхнего ротора. Не большим отличием является лишь то, что над каждым конусом расположено по два отражательных кольца — сплошного 21 и кольца с окнами 22. Часть  входного потока, перешедшая на поверхность внутреннего конуса 17 нижнего ротора, движется по ней снизу вверх, при этом происходит смешивание компонентов. Материал, дошедший до первого отражательного кольца 22, в котором есть окна, начинает скользить по его внутренней поверхности. Через некоторое время смесь, через окна в отражательном кольце 22, направляется ко второму (сплошному) кольцу 21 и пересекается с потоком, движущимся по его внутренней поверхности. Пересечение потоков создаёт дополнительное смешивание компонентов. Материал, дошедший до сплошного отражательного кольца 21, скользит по его внутренней поверхности и равномерно ссыпается на нижнюю часть среднего конуса 18 нижнего ротора. Аналогичное пересечение потоков сыпучих материалов происходит  над средним 18 и внешним 19 конусами нижнего ротора. Так как потоки материалов являются разреженными, это способствует эффективному смешиванию компонентов и улучшению сглаживающей способности смесителя. После этого смесь сбрасывается на днище смесителя 5, из которого материал выгружается при помощи разгрузочных лопастей 16 через выгрузочный патрубок 6. При этом  происходит дополнительное диспергирование и перемешивание материала, что улучшает качество готовой композиции.

Интенсификация процесса смешивания сыпучих компонентов с последующим их разбавлением достигается за счёт разделения входного потока на несколько частей, с последующим их пересечением и добавлением исходного компонента в смесь, полученную на верхнем конусе, а так же за счёт создания пересекающихся потоков над конусами с помощью отражательных колец с окнами.

СНД с осевым вентилятором

СНД с осевым вентилятором (рисунок 10) работает следующим образом. Сыпучие компоненты дозаторами подаются в питатель 1 через загрузочные патрубки 2 и попадают на днище вращающегося конуса 3. Под действием центробежных сил частицы материала ускоренно движутся от центра к периферии, распределяясь равномерно по внутренней поверхности конуса, при этом толщина слоя на периферии уменьшается за счет увеличения поверхности распределения частиц. Часть смешиваемых материалов движется через окна 4, после чего разреженным, опережающим потоком попадает на поверхность среднего конуса 5, имеющего большую высоту и угол наклона образующей к основанию. Другая часть движется по образующей внутреннего конуса 3 и сбрасывается через верхнее основание на поверхность среднего, где происходит наложение основного и опережающего потоков (т.е. происходит процесс усреднения компонентов). На среднем конусе 5 процесс повторяется. Пройдя внутренний 3 и средний 5 конуса смесь поступает на наружный конус 6. За счет действия центробежных сил компоненты смешиваются при     движении по внутренней поверхности конуса 6 и выбрасываются через верхнее основание. Далее смесь попадает на коническое днище 7 откуда разгрузочными лопастями 8 удаляется через патрубок 9.

Рисунок 10 - СНД с осевым вентилятором
Рисунок 10 — СНД с осевым вентилятором

За счет установленных на среднем конусе лопаток рабочего колеса осевого вентилятора 10 образуется направленная организация движения пылевоздушных потоков. В результате взаимодействия воздушных потоков с дисперсным материалом происходит хаотичное турбулентное движение частиц, что способствует лучшему смешиванию последних. В полостях внутреннего и среднего конусов образуется избыточное давление, причем, во внутреннем конусе его величина больше чем в среднем. Разность этих давлений характеризуется дополнительной движущей силой, которая сообщает частице материала опережающего потока некоторую скорость.