Спосіб змішування сипких матеріалів у обертових апаратах та масштабування

1. Спосіб змішування сипких матеріалів у обертових апаратах та масштабування, який включає завантаження сипких компонентів у робочу камеру, що обертається відносно горизонтальної осі зі сталою частотою обертання, визначення оптимальної частоти обертання апарата, кратність змішування сипкого матеріалу за один оберт циліндричного апарата, визначення радіуса центра ваги засипки матеріалу у циліндричному апараті, тривалості процесу змішування і масу матеріалу в апараті при переході від дослідних змішувачів до промислових аналогічного типу, який відрізняється тим, що частоту обертання апарата встановлюють такою, яка забезпечує відрив частинок сипкого матеріалу від стінки апарата на верхньому рівні поверхні засипки, що займає положення під кутом природного схилу сипкої суміші, і надає частинкам рух вниз без вільного падіння, яку розраховують як оптимальну за рівнянням: 2 (19) 1 3 18256 4 10. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при шенню довжин робочих зон цих апаратів, тобто, однаковому ступені наповнення дослідного і проR2 L 2 , при однаковій насипній густині матеріамислового апаратів сипкими матеріалами, що різR1 L1 няться між собою кутом природного схилу, тривалу масу матеріалу, який засипають у промисловий лість змішування у промисловому апараті апарат, визначають із співвідношення: визначають із співвідношення: V R2 sin 2 m2 m1 2 2 . . 2 1 1 V1 R1 sin 1 16. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при 11. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при різній насипній густині сипких матеріалів і різному різних ступенях наповнення дослідного і промисступені наповнення геометрично подібних апаратів лового апаратів сипкими матеріалами, що різнятьмасу матеріалу, який засипають у промисловий ся між собою кутом природного схилу, тривалість апарат, визначають із співвідношення: змішування у промисловому апараті визначають із 3 співвідношення: 2 2 R2 m2 m1 3 k 2 R2 sin 2 2 1 1 R1 . . 2 1 2 k R1 sin 1 17. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при 1 різному співвідношенні однойменних параметрів 12. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при апаратів, наприклад, відношення радіусів дослідоднаковій насипній густині сипких матеріалів у ного і промислового апаратів не дорівнює відногеометрично подібних дослідному і промисловому шенню довжин робочих зон цих апаратів, тобто, апаратах і однаковому ступені наповнення цих R2 L 2 апаратів масу матеріалу, який засипають у проми, при різній насипній густині матеріалу R1 L1 словий апарат, визначають із співвідношення: масу матеріалу, який засипають у промисловий R3 апарат, визначають із співвідношення: m2 m1 2 R3 . V 1 m2 m1 2 2 2 13. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при 1 1 V1 , різному співвідношенні однойменних параметрів n1; n2 - оптимальна частота обертання апарата, апаратів, наприклад, відношення радіусів дослідоб/хв..; ного і промислового апаратів не дорівнює відно1; 2 - індекси, відповідно дослідного і промисловошенню довжин робочих зон цих апаратів, тобто, го апаратів; R2 L 2 , масу матеріалу, який засипають у проR - радіус апарата (для асиметричних відносно R1 L1 осі обертання апаратів це є відстань від осі обермисловий апарат, визначають із співвідношення: тання до найвіддаленішої точки робочої камери V2 апарата), м; m2 m1 , V1 R0 - радіус центра ваги продукту в апараті, м; - кут природного схилу сипкого матеріалу, град.; V1; V2 - об'єми робочих камер відповідно досде 3 - ступінь наповнення апарата сипким матеріалідного і промислового апаратів, м . 14. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при лом (відношення об'єму матеріалу в робочій камері до об'єму робочої камери); однаковій насипній густині сипких матеріалів у геометрично подібних дослідному і промисловому - кратність змішування сипкого матеріалу (сеапаратах і різному ступені наповнення апаратів редня кількість циклічних переміщень частинок за масу матеріалу, який засипають у промисловий один оберт апарата); апарат, визначають із співвідношення: - тривалість змішування сипкого матеріалу, хв.; m - маса сипкого матеріалу в апараті, кг; R3 2 2 - насипна густина сипкого матеріалу, кг/м3; m2 m1 3 1 R1 . k R0 / R - відношення радіуса центра ваги про15. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при дукту в апараті до радіуса апарата. різному співвідношенні однойменних параметрів апаратів, наприклад, відношення радіусів дослідного і промислового апаратів не дорівнює відно Корисна модель стосується технології змішування (гомогенізації) сипких матеріалів і може знайти застосування у фармацевтичній промисловості, зокрема при виготовленні твердих лікарсь ких форм і препаратів, а також у харчовій, хімічній, металургійній і інших промисловостях. Відомий і найбільш близький спосіб змішування сипких матеріалів у обертових апаратах [1], 5 18256 6 який включає завантаження сипких компонентів у R - радіус апарата (для асиметричних відносробочу камеру, що обертається відносно горизонно осі обертання апаратів це є віддаль від осі обетальної осі зі сталою частотою, яку визначають ртання до найвіддаленішої точки робочої камери експериментально. апарата), м. Недолік цього способу є те, що частоту оберКратність змішування , тобто середню кільтання апарата (змішувача), при якій забезпечукість циклічних переміщень частинок за один ються оптимальні умови змішування, не залежно оберт апарату, змінюють ступенем наповнення від типу апарату, його розмірів і фізико-механічних апарату у переважно в діапазоні від 0,25 до 0,5 властивостей змішуваних матеріалів, визначають об'єму апарату і розраховують за рівнянням: експериментально. Такий спосіб не дає можли(2) 100,8 . вість оптимізувати процес змішування сипких маДля визначення затрат енергії на змішування у теріалів без проведення експериментальних доссиметричному відносно осі обертання апараті, ліджень, здійснювати масштабний перехід від наприклад циліндричному, радіус центра ваги дослідних до промислових апаратів, а також здійпродукту в апараті R0 визначають за формулою: снювати вибір конструкції апарату для запобігання сегрегації (розшарування компонентів) [2] при зміR0 0,18 R . шуванні компонентів, що різняться між собою за Масштабування технологічних параметрів фізико-механічними властивостями. змішування сипких матеріалів при переході від В основу корисної моделі поставлено задачу дослідних до промислових змішувачів, що включає вдосконалити існуючий спосіб змішування сипких визначення оптимальної частоти обертання апаматеріалів у обертових апаратах шляхом оберрату, тривалість процесу зміщування, масу матетання апарата з частотою, при якій здійснюється ріалу при заданому ступені засипки (наповнення) активне змішування компонентів і разом з тим міпромислового апарату аналогічного типу, здійснімізується додаткове подрібнення і стирання часнюють виходячи з умови рівності питомих затрат тинок компонентів, уникнути явище сегрегації при енергії на змішування у дослідному і промисловозмішуванні компонентів, що різняться за фізикому апаратах. механічними властивостями, а також здійснювати При змішуванні у дослідному і промисловому масштабний перехід від дослідних до промислоапаратах сипких матеріалів, що мають однаковий вих апаратів аналогічного типу без додаткового кут природного схилу, оптимальну частоту оберекспериментального визначення оптимальних тання промислового апарату визначають за співпараметрів процесу змішування у промислових відношенням: апаратах. Вирішення поставленої технічної задачі досяR1 n2 n1 . (3) гається тим, що у способі змішування сипких маR2 теріалів у обертових апаратах та масштабування, При змішуванні у дослідному і промисловому який включає завантаження сипких компонентів у апаратах сипких матеріалів, які мають різний кут робочу камеру апарата, що обертається відносно природного схилу, оптимальну частоту обертання горизонтальної осі зі сталою частотою обертання, промислового апарату визначають за співвідновизначення оптимальної частоти обертання апашенням: рату, визначення кратності змішування сипкого матеріалу за один оберт циліндричного апарату, R1 sin 2 n2 n1 . (4) визначення радіуса центра ваги засипки матеріалу R2 sin 1 у циліндричному апараті, тривалості процесу зміПри змішуванні аналогічних сипких матеріалів шування і маси матеріалу в промисловому апараті у дослідному і промисловому апаратах і при однапри переході від дослідних змішувачів до промисковому ступені наповнення цих апаратів тривалових аналогічного типу, згідно корисної моделі, лість процесу змішування у промисловому апараті частоту обертання апарату підтримують такою, визначають за співвідношенням: яка забезпечує відрив частинок сипкого матеріалу R2 від стінки апарату на верхньому рівні поверхні за. (5) 2 1 сипки, що займає положення під кутом природного R1 схилу сипкої суміші, і надає частинкам рух вниз по При змішуванні сипких матеріалів, що різнятьповерхні засипки без вільного падіння. Така частося між собою кутом природного схилу, і при одната обертання забезпечує активне змішування комковому ступені наповнення апаратів тривалість понентів і не призводить до додаткового подрібзмішування у промисловому апараті визначають нення істирання частинок, що у переважній за співвідношенням: більшості вважають важливою вимогою при зміR2 sin 2 . шуванні сипких матеріалів. (6) 2 1 R1 sin 1 Таку частоту обертання розраховують за рівПри змішуванні сипких матеріалів, що різнятьнянням: ся між собою кутом природного схилу і при різному sin ступені наповнення дослідного і промислового (1) n 30 обх / хв., R апаратів, тривалість змішування у промисловому де n - оптимальна частота обертання апарата, апараті визначають за співвідношенням: об/хв.; - кут природного схилу сипкого матеріалу, град.; 7 k 2 R2 sin 2 2 . (7) 1 2 k R1 sin 1 1 k = R0 / R - відношення радіуса центра ваги продукту в апараті R0 до радіуса апарату R, k1 = R01 / R1; k2=R02 / R2; (8) R01= 0,18 1 R1; R02 0,18 2 R2. R0 0,18 R . При змішуванні однакових за насипною густиною сипких матеріалів у геометрично подібних дослідному і промисловому апаратах і однаковому ступені наповнення цих апаратів, масу матеріалу, який засипають у промисловий апарат, визначають за співвідношенням: R3 m2 m1 2 . (9) R3 1 однак, якщо співвідношення однойменних параметрів апаратів не є величина постійна, наприклад, відношення радіусів дослідного і промислового апаратів не дорівнює відношенню довжин R L2 робочих зон цих апаратів, тобто 2 , то масу R1 L1 матеріалу, який засипають у промисловий апарат, визначають за співвідношенням: V m2 m1 2 , (10) V1 де V1; V2 - об'єми робочих камер відповідно дослідного і промислового апаратів, м3. При змішуванні однакових за насипною густиною сипких матеріалів у геометричнo подібних дослідному і промисловому апаратах і різному ступені наповнення цих апаратів, масу матеріалу, який засипають у промисловий апарат, визначають за співвідношенням: 3 2 R2 m2 m1 , (11) R3 1 1 2 R L2 якщо 2 , то масу матеріалу, який засиR1 L1 пають у промисловий апарат, визначають за cпіввідношенням: V m2 m1 2 2 . (12) 1 V1 При змішуванні різних за насипною густиною сипких матеріалів у геометричнo подібних дослідному і промисловому апаратах і різному ступені наповнення цих апаратів, масу матеріалу, який засипають у промисловий апарат, визначають за співвідношенням: 3 2 2 R2 m2 m1 . (13) 3 1 1 R1 R L2 якщо 2 , то масу матеріалу, який засиR1 L1 пають у промисловий апарат, визначають за співвідношенням: V m2 m1 2 2 2 . (14) V1 1 1 18256 8 При змішуванні полі компонентних сипких матеріалів, схильних до сегрегації (розшарування компонентів), в обертовому апараті забезпечують замкнутий цикл циркуляції частинок у радіальній і осьовій площинах за кожен оберт апарату. Для цього використовують асиметричні відносно осі обертання апарати типу "п'яна бочка" , V-подібний, спарені конуси і інші. Приклад здійснення способу змішування сипких матеріалів, відмінних за фізико-механічними властивостями, у обертових дослідному і промисловому апаратах. В дослідний апарат барабанного типу симетричний відносно осі обертання засипають m1=2кг сипких компонентів: хлорид натрію (сіль) у кількості c=0,04 (4%); mc=m1 0,04=2 0,04=0,08кг; двоокис кремнію (пісок) у кількості n=0,96 (96%); mn= m1 0,96=2 0,96=1,92кг; насипна густина солі c 940кг/м3, насипна густина піску n 1500кг/м3, кут природного схилу солі c=38°, кут природного схилу піску n=33°. Розміри дослідного апарату: діаметр робочої камери ---------d1=260мм=0,26м; (R1)=0,13м), довжина робочої камери --------L1=60мм=0,06м. 1. Об'єм робочої камери апарату: V1 R2L1 3,14 0,132 0,06 0,0031839м3 3,18дм3 1 2. Ступінь наповнення апарату: mn mc Vматеріалу Vn Vc n c 0,43 1 V1 V1 V1 3. Оптимальну частоту обертання апарату розраховуємо при значеннях кута природного схилу: піску n 30 sin n R1 61об / хв., , солі n 30 sin с R1 65об / хв. З метою більш інтенсивного процесу змішування приймаємо верхню межу оптимальної частоти обертання n1 65об/хв. Ступінь однорідності суміші визначаємо методом відмивання розчинного компоненту (солі) через кожну хвилину роботи змішувача. Однорідність суміші (із ступенем однорідності 98%) встановилася після 4 хвилин роботи апарату. Отже оптимальна тривалість процесу змішування у дослідному апараті становить 1 = 4хв. За цей час частинки матеріалу здійснили в середньому N1 циклічних переміщень у робочій зоні апарату (кратність змішування 1 і 2 розраховуємо за рівнянням (2)): N1 n1 1 1 65 100,8 1 4 609 . Одержані результати параметрів змішування у дослідному апараті використовуємо для розрахунку параметрів змішування сипких компонентів у 9 18256 10 подібному циліндричному промисловому апараті апаратах це пісок), таких розмірів: тоді 2 = 1 і тривалість процесу змішування: діаметр робочої камери d2=0,6м, (R2=0,3м), k 2 R2 0,2536 0,3 довжина робочої камери L2=0,55м. 2 4 10,2хв.; 2 1 2 Сипкий матеріал: 0,2288 0,13 k R1 1 гранульована цукрова пудра ц=0,04 (4%); б) для випадку коли розрахунок тривалості густина насипна цукру ц 810кг/м3, процесу здійснюємо по компоненту, кількість якого кутприродного схилу цукру ц=36°, не переважає у суміші, але ці компоненти різні у двоокис кремнію (пісок) n=0,96 (96%). дослідному і промисловому апаратах і кут приСтупінь наповнення промислового апарату родного схилу у цих компонентів теж різний, у наVматеріалу шому випадку це хлорид натрію - у дослідному 0,4 приймаємо 1 V2 апараті і цукор - у промисловому апараті), тоді тривалість процесу змішування: 1. Об'єм робочої камери промислового апарату: k 2 R2 sin 2 0,2536 0,3 0,58778 2 4 9,8 10хв., 2 1 2 0,2288 0,13 0,61566 V2 R2L2 3,14 0,132 0,55 0,15543м3 155,43дм3 k R1 sin 1 2 1 2. Оптимальну частоту обертання апарату розраховуємо за рівнянням (1), виходячи з граничних значень кута природного схилу компонентів: для піску n 30 sin n R2 30 0,544639 0,3 30 k2 1 40,42 40об / хв., для n де R2 / R2 01 1 k2 2 2 0,18 R2 / R2 02 2 1 R1 2 / R2 1 0,18 2 0,18 2 R2 / R2 2 0,180,43 1 2 0,18 2 2 0,180,4 0,2288, 2 цукру sin ц R2 30 0,58778 0,3 1=38 41,99 42об / хв.. Для оптимальної роботи апарату встановлюємо верхню межу частоти обертання, тобто n2 42об/хв. 3. Масу матеріалу, який потрібно засипати у промисловий апарат, розраховуємо за співвідношенням (14): V 1472,4 0,4 155,43 m2 m1 2см 2 2 2 0,96кг. 1477,6 0,43 3,18 1см 1 V1 де 1см і 2см - насипна густина суміші відповідно у дослідному і промисловому апаратах. 1см = n n + c c = 1500 0,96 + 940 0,04 = 1477,6кг/м3; 2см = n n + ц ц = 1500 0,96 + 810 0,04 = 1472,4кг/м3. Тривалість процесу змішування 2 у промисловому апараті розраховуємо згідно формули (7), яка враховує різницю ступеня наповнення і різницю кутів природного схилу компонентів у дослідному і промисловому апаратах: а) для випадку коли розрахунок тривалості процесу здійснюємо по базовому компоненту (компоненту, кількість якого переважає у суміші, у нашому випадку у дослідному і промисловому Комп’ютерна верстка Л. Купенко 2=36°; Отже оптимальна тривалість процесу змішування у промисловому апараті становить не менше десяти хвилин: 10хв. 2 За цей час частинки матеріалу здійснять N2 циклічних переміщень у робочій камері апарату: N2 n2 2 2 42 100,8 2 10 1055 Однорідність одержаної суміші становила не менше 98%. Здійснення заявленого способу дозволяє оптимізувати роботу обертових змішувачів, проводити масштабування параметрів процесу змішування при переході від дослідних до промислових апаратів. Джерела інформації: 1. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов, М: Машиностроение, 1973.С.216. 2. Вивчення розподілу компонентів у змішувачах. Модестов В.Б., Куліков Д.О., Хімічна промисловість України, 2003, №3.-С.29-31. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 0,2536,