Шаровой смеситель

Шаровые смесители — это смесительные машины, с помощью которых можно гомогенизировать или смешивать сухие, влажные или мокрые порошки. Они также могут смешивать жидкости. Как правило, они используются для смешивания партий. Внутренняя часть шара образует так называемую смесительную камеру. В ней вращается смесительный инструмент, который перемешивает смешиваемый материал в трех измерениях. Этот процесс потока обеспечивает очень высокую эффективность смешивания, если ось вращения смесительного инструмента не расположена ни горизонтально, ни вертикально. Наилучший эффект смешивания достигается при наклонном расположении. Шаровые смесители также могут использоваться в качестве синтетических реакторов или вакуумных смесительных сушилок.

В этом случае шаровой смеситель имеет двойные стенки. Через двойную оболочку проходит теплоноситель. Таким образом происходит обмен веществ и тепла. Шаровые смесители оснащены как минимум одним вращающимся смесительным инструментом. Это гарантирует полное перемешивание всей партии. Опционально могут быть предусмотрены дополнительные смесительные инструменты.

Как правило, это быстро вращающиеся измельчающие или режущие инструменты. Они имеют меньший рабочий диаметр и вызывают дезагломерацию во время процесса смешивания. Они создают эффект трения и удара. Таким образом, разбиваются комки и агломераты.

Кроме того, они очень эффективны, когда порошок необходимо увлажнить или покрыть оболочкой, или когда это необходимо для всех частиц. Их мощность примерно равна 3,5-кратной мощности частоты вращения.

Производители шаровых смесителей представили на рынке различные конструкции. Некоторые производители размещают смесительный вал под углом вверху шара, другие — под углом внизу. Третьие располагают смесительный вал под наклоном под шаром. Еще другие располагают вал смесительного механизма под наклоном вверху, а дополнительный дезагломерационный инструмент под наклоном внизу. Некоторые производители, в свою очередь, располагают как основной смесительный инструмент, так и дезагломерационный инструмент над шаром.

Основные смесительные инструменты в шаровых смесителях

Производители шаровых смесителей используют различные геометрические формы инструментов. Некоторые из них выполняют основной смесительный инструмент в виде пространственно изогнутого якоря. Другие используют винтообразные спирали. Третьи используют лопатообразные инструменты. Решающим фактором является то, что вращающиеся в шаре смесительные инструменты всегда находятся на одинаковом расстоянии от стенки шара, независимо от их положения. Это расстояние должно соблюдаться даже при смешивании тяжелых или прилипающих смешиваемых материалов. В связи с этим смесительные инструменты должны быть особо устойчивыми к деформации.

Заполнение смешиваемым материалом

Смешиваемые компоненты загружаются в смесительную камеру сверху. Для этого требуется как минимум один заливной патрубок. Некоторые шаровые смесители имеют несколько заливных отверстий. Запорная арматура может быть выполнена в виде поворотной заслонки, плоского затвора или шарового сегментного затвора. В отличие от арматуры для опорожнения, арматура для заполнения не должна иметь мертвых зон. На верхней стороне шара также имеется патрубок для стравливания воздуха.

Опорожнение смешиваемого материала

В нижней части шаровидной смесительной камеры находится запорная арматура. В закрытом состоянии она должна иметь форму вырезанного шара. Только такая конструкция не имеет мертвых зон. Это означает, что весь объем в шаре перемешивается, в том числе непосредственно над запорной арматурой.

Очистка и осмотр смесительной камеры

Некоторые шаровые смесители имеют две полусферы, которые можно открыть для осмотра. Другие производители устанавливают в смесительную камеру круглые или овальные смотровые люки. Они также должны быть без мертвых зон. Особенно хорошо зарекомендовала себя конструкция OmgaSeal^®. Для влажной очистки в смесительную камеру устанавливаются вращающиеся форсунки для промывки резервуара. Существуют также конструкции, в которых устройства для мокрой очистки остаются в смесителе на постоянной основе.

Вопрос: Какие преимущества имеет шарик в качестве смесительного резервуара?

Объем шарика с радиусом r можно рассчитать по следующей формуле:

V = 4/3 ⋅ r³ ⋅ π

Площадь поверхности шара с радиусом r можно рассчитать по следующей формуле:

O = 4 ⋅ r² ⋅ π

Если сравнить между собой различные тела с осевой симметрией, то шар имеет наименьшую удельную поверхность. Это позволяет предположить, что шарообразная смесительная камера легче очищается, чем цилиндрическая или коническая. С другой стороны, можно предположить, что конусообразная смесительная камера лучше удаляет остатки порошкообразных смесей, чем шаровая. Производители стремятся изготавливать свои смеси с минимальным уровнем загрязнения. При этом все более важную роль играет полное опорожнение смесительной установки.

Если шаровой смеситель заполнен водой и необходимо рассчитать объем воды в зависимости от уровня наполнения, то приблизительно можно использовать следующую формулу:

V(𝑧) = π ⋅ z²⋅ (3 ⋅ r – 𝑧) /3

V: объем воды

z: уровень наполнения

r: внутренний радиус полой шайбы

Поскольку наличие смесительного инструмента не учитывается, формула дает только приблизительное значение. Фактический объем воды немного меньше.

Очистка и осмотр смесительного инструмента

Особо важным аспектом является очистка смесительного инструмента, подверженного динамическим нагрузкам. Эта часть шарового смесителя значительно сложнее, чем смесительная камера. В связи с этим к ней предъявляются особые требования. Ее форма должна соответствовать гидродинамическим требованиям к смесительным лопастям. Кроме того, она должна соответствовать гигиеническим требованиям EHEDG.

Смесительный инструмент должен иметь простую геометрию.

• Смесительный инструмент должен способствовать распределению смешиваемых продуктов и предотвращать эффект уплотнения.
• Это должно в равной степени относиться как к мелкодисперсным порошкам, так и к хлопкообразным или агломерированным сыпучим материалам.
• Это также относится как к сухим, флюидизируемым материалам, так и к влажным, труднотекучим порошкам.
• Смесительный инструмент должен иметь как можно меньшую поверхность.
• Он должен быть сконструирован таким образом, чтобы все области были легко доступны и эргономичны.

Для каждой категории задач смешивания можно найти оптимальный тип смесителя. Для этого рекомендуется посетить компанию amixon^®, где вы сможете опробовать имеющиеся пробные смесители (цилиндрические, шаровидные, конические, циклоидальные).

• amixon^® предлагает вам первоклассные возможности для смешивания, увлажнения, сушки и разгрузки самых разнообразных смешиваемых материалов.
• amixon^® рекомендует, помимо испытаний смешивания, продемонстрировать также очистку смесителя после испытания.

В зависимости от типа смешиваемых материалов и отрасли должны применяться соответствующие режимы очистки. Это касается:

1. сухой очистки
2. очистки влажными салфетками
3. ручную влажную очистку
4. ручную мокрую очистку
5. автоматическую мокрую очистку.

Типы очистки (2) до (5) также включают в себя важный вопрос сушки остаточной воды.

Нередко в смесительном производстве применяются 2 или 3 режима очистки поочередно. В зависимости от степени загрязнения и допустимой степени загрязнения

Охлаждение после мокрой очистки теплой водой

Часто клиенты из пищевой промышленности хотят, чтобы автоматическая влажная очистка проводилась только горячей водой. Они хотят отказаться от использования любых поверхностно-активных веществ. Это возможно, если повысить температуру моющей воды и отрегулировать давление струи (расход и давление). После очистки смеситель должен как можно быстрее высохнуть. Чем теплее была нагрета вода для очистки, тем быстрее это происходит.

Как правило, после этого следует продолжить смешивание. Однако это возможно только после охлаждения смесителя. Из-за шарообразной конструкции охлаждение занимает немного больше времени, чем у смесителей других типов. Тепло отпускается полым шаром посредством теплового излучения Q˙. Его можно приблизительно рассчитать по закону Стефана-Больцмана.

Q˙ = ε ⋅ σ ⋅ A ⋅ (T_s⁴ − T_u⁴)

Q˙: излучаемая тепловая мощность в ваттах [Вт]

ε: коэффициент излучения поверхности (безразмерный, от 0 до 1)

σ: константа Стефана-Больцмана = 5,67 × 10⁻⁸ Вт/(м² K⁴)

A: внешняя поверхность шара в квадратных метрах [м²]

T_s: абсолютная температура поверхности шара в кельвинах [K]

T_u: абсолютная температура окружающей среды в кельвинах [K]

Оценка скорости охлаждения полого шара

Диаметр шара: 1000 мм

Материал: нержавеющая сталь 1.4404 (аустенитная, V4A), снаружи и внутри отполированная до блеска

Толщина стенки: 15 мм

Коэффициент эмиссии поверхности: 0,25

Начальная температура: 70 °C

Температура окружающей среды: 15 °C

Охлаждение до заданной температуры: 25 °C.

Следует учитывать два механизма теплопередачи: тепловое излучение и конвекция с воздухом. Их общая охлаждающая способность составляет около 2 кВт. По чисто математическим расчетам время охлаждения составляет от 4 до 5 часов. Поскольку относительная разница температур становится все меньше, кривая охлаждения протекает асимптотически. Этот факт можно хорошо проиллюстрировать с помощью следующей экспоненциальной функции:

T(t) = T_amb + (T_start − T_amb) ⋅ e^−kt

T: изменение температуры

t: время

T_amb: температура окружающей среды

T_start: начальная температура

k: коэффициент охлаждения, примерно 8,59 × 10⁻⁵ 1/с

Смесительный инструмент в полой сфере также нагревается промывочной водой. Он может быстро остыть только при открытии смесительной камеры. При этом выходящий пар может негативно повлиять на производственную среду, если система кондиционирования не удаляет влагу из воздуха достаточно быстро. В связи с этим может быть целесообразно целенаправленно удалять пар с помощью сухого свежего воздуха.

Добавление и распределение жидкости в шаровом смесителе

На практике, помимо смешивания самых разных порошков, важно также обеспечить их однородное смачивание. Так называемые ланцы для добавления жидкости впадают в зону действия быстро вращающегося измельчающего инструмента. Таким образом быстро получается однородный конечный продукт без агломератов.

amixon опубликовал множество статей в блоге на эту тему. Речь идет о поверхностном натяжении жидкостей и их реологических свойствах при изменении температуры и сдвиговых нагрузках. Кроме того, важную роль играет пористость сыпучих материалов. Не менее важны характеристики фазовой границы между твердыми веществами и жидкостями с их проявлениями в виде гидрофобности и гидрофильности.

Примечание к названию «шаровой смеситель».

На самом деле, название «смеситель с полыми шарами и динамически движущимися смесительными инструментами» было бы более точным, чем «шаровой смеситель».

Название «шаровой смеситель» также используется в сантехнике. Речь идет о модифицированном смесителе для крана. Шарик с несколькими отверстиями соединен с рычагом и может смешивать и регулировать поток холодной и горячей воды.