Общие сведения о смесителях непрерывного действия
Смесители непрерывного действия представляют собой технологическое оборудование, предназначенное для постоянного смешивания различных компонентов без остановки производственного процесса. В химической промышленности такие агрегаты обеспечивают бесперебойную работу производственных линий при изготовлении лакокрасочных материалов, клеевых составов, полимерных композиций и других продуктов.
Основное преимущество непрерывных смесителей заключается в одновременном осуществлении загрузки исходных компонентов и выгрузки готовой смеси. Материал непрерывно поступает в смесительную камеру через дозирующие устройства в заданных пропорциях, подвергается интенсивному перемешиванию и выводится из аппарата в виде гомогенной массы. Время пребывания материала в зоне смешения контролируется регулировкой скорости вращения рабочих органов и производительности транспортирующих систем.
Применение смесителей непрерывного действия позволяет повысить производительность технологических процессов, обеспечить стабильное качество выпускаемой продукции и снизить удельные энергозатраты на единицу объема смеси. Современные агрегаты оснащаются программируемыми системами управления на базе контроллеров типа Simatic S7, что обеспечивает точное дозирование компонентов и поддержание оптимальных режимов смешения.
Преимущества непрерывного смешивания
Технология непрерывного смешивания обладает рядом существенных преимуществ перед периодическим методом. В первую очередь, отсутствие простоев на загрузку и выгрузку обеспечивает высокую производительность оборудования. При непрерывной работе рабочий объем смесительной камеры постоянно заполнен материалом в оптимальной степени, что обеспечивает эффективное использование установленной мощности привода.
Постоянство условий смешения в непрерывном режиме способствует получению продукта с более стабильными характеристиками. Колебания параметров процесса, неизбежные при периодическом смешивании, минимизируются за счет непрерывной подачи компонентов через калиброванные дозирующие системы. Коэффициент неоднородности готовой смеси при правильно настроенном процессе не превышает трех процентов.
Интеграция непрерывных смесителей в автоматизированные производственные линии упрощается благодаря возможности синхронизации работы оборудования с другими технологическими агрегатами. Смеситель может функционировать в едином технологическом потоке с дозаторами сыпучих материалов, насосами-дозаторами жидких компонентов, нагревательными устройствами и упаковочными машинами.
Классификация и конструктивные типы смесителей
Смесители непрерывного действия классифицируются по нескольким признакам. Основным критерием разделения служит тип рабочего органа и принцип воздействия на смешиваемые компоненты. В химической промышленности наибольшее распространение получили динамические смесители с механическими перемешивающими устройствами и статические смесители без движущихся частей.
Шнековые смесители
Шнековые смесители представляют собой горизонтальные аппараты с одним или несколькими винтовыми транспортерами, размещенными в цилиндрическом корпусе. Одновальные конструкции применяются для смешивания относительно простых композиций из двух-трех компонентов с производительностью до двух тонн в час. Рабочий орган выполнен в виде полого ленточного шнека с установленными на нем лопатками различной конфигурации.
Двухвальные шнековые смесители обеспечивают более интенсивное перемешивание благодаря наличию двух синхронно вращающихся валов с лопатками. Валы вращаются навстречу друг другу или в одном направлении с различными скоростями. Современные конструкции позволяют регулировать угол наклона лопаток, что дает возможность оптимизировать процесс смешения для конкретных материалов. Производительность двухвальных агрегатов достигает тридцати тонн в час при работе с сухими порошкообразными материалами.
Для смешивания влажных и пастообразных материалов применяются двухшнековые смесители с камерой предварительного и окончательного смешивания. Подача жидких компонентов осуществляется непосредственно в рукава шнеков через форсунки, что обеспечивает равномерное распределение связующего по объему сыпучего материала. Вихревая головка на выходе из смесителя обеспечивает финальную гомогенизацию потоков.
Лопастные смесители
Лопастные смесители непрерывного действия характеризуются наличием одного или нескольких валов с закрепленными на них лопатками специальной формы. Корпус смесителя выполняется горизонтальным с корытообразным или цилиндрическим поперечным сечением. Лопатки изготавливаются сменными и крепятся к граням шестигранного вала, что упрощает их замену при износе.
Для работы с абразивными материалами применяются лопатки с твердосплавным покрытием, что значительно увеличивает срок службы рабочих органов. Облицовка из износостойких сплавов на основе железа наносится на рабочие поверхности корпуса смесителя в зонах интенсивного контакта с перемешиваемым материалом. Такая конструкция обеспечивает ресурс работы до капитального ремонта на уровне двух-трех лет при непрерывной эксплуатации.
Лопастные смесители способны работать как в непрерывном однонаправленном режиме, так и в реверсивном режиме с периодическим изменением направления вращения валов. Реверсивное перемешивание обеспечивает более равномерное распределение компонентов при работе с материалами, склонными к сегрегации. Производительность современных лопастных смесителей достигает ста тонн в час для песчано-смоляных формовочных смесей.
Статические смесители
Статические смесители представляют собой трубопроводные устройства без движущихся частей, в которых смешение достигается за счет многократной перестройки поля скоростей потока. Внутри трубопровода размещаются неподвижные элементы различной конфигурации - винтовые, перегородчатые, насадочные или форсуночные. При прохождении через эти элементы поток смешиваемых жидкостей многократно делится, меняет направление движения и рекомбинируется.
Эффективность статического смесителя определяется конструкцией смесительных элементов и параметрами потока. Винтовые элементы обеспечивают эффективное смешение как в ламинарном, так и в турбулентном режимах течения. Поток многократно рассекается плоскостями элементов, расположенными под различными углами к продольной оси аппарата, что приводит к радиальному перемешиванию компонентов.
Статические смесители характеризуются высокой экономической эффективностью благодаря низкой металлоемкости, отсутствию необходимости в электроприводе и минимальным эксплуатационным расходам. Рабочее давление современных конструкций достигает десяти с половиной мегапаскалей, условный диаметр варьируется от пятидесяти до тысячи двухсот миллиметров. Применяются для смешения взаиморастворимых жидкостей, суспензий и эмульсий в нефтехимии, производстве полимеров и лакокрасочных материалов.
Принцип работы и режимы функционирования
Работа смесителей непрерывного действия основана на постоянном поступлении исходных компонентов в смесительную камеру и одновременном выводе готовой смеси. Процесс смешения протекает в установившемся режиме при поддержании постоянного объема материала в рабочей зоне. Степень заполнения камеры регулируется соотношением скоростей подачи исходных материалов и скорости выгрузки готового продукта.
В шнековых и лопастных смесителях перемешивание осуществляется за счет механического воздействия вращающихся рабочих органов на материал. Лопатки захватывают порции смеси, поднимают их на определенную высоту и создают условия для свободного падения и циркуляции материала во всех направлениях внутри камеры. Непрерывная циркуляция обеспечивает быстрое и равномерное распределение компонентов по объему смеси.
Режимы работы смесителей
Современные смесители непрерывного действия функционируют в трех основных режимах, управляемых с пульта оператора. Ручной режим используется при наладке оборудования и проведении технологических испытаний. Оператор вручную управляет скоростью вращения валов, подачей компонентов и другими параметрами процесса, контролируя качество смеси визуально или по результатам экспресс-анализа проб.
Автоматический режим обеспечивает работу смесителя по заданной программе без участия оператора. Программируемый контроллер поддерживает установленные параметры процесса - расход компонентов, скорость вращения приводов, температуру смешения. Система автоматического управления корректирует режимы работы на основании показаний датчиков и обеспечивает получение продукта с заданными характеристиками.
Тестовый режим применяется для проверки работоспособности всех систем смесителя перед началом производственного цикла. В этом режиме осуществляется пошаговое тестирование приводов, дозирующих устройств, систем контроля и блокировок безопасности. Выявленные неисправности устраняются до перехода в рабочий режим.
Параметры процесса смешения
Качество смешения в непрерывных смесителях определяется совокупностью технологических параметров. Скорость вращения валов выбирается в зависимости от свойств обрабатываемых материалов и требуемой интенсивности перемешивания. Для сыпучих материалов в формовочных смесителях частота вращения составляет от семидесяти до девятисот шестидесяти оборотов в минуту согласно техническим характеристикам промышленного оборудования.
Время пребывания материала в смесительной камере рассчитывается исходя из рабочего объема смесителя и производительности по готовому продукту. Минимальное время смешения для достижения требуемой степени однородности устанавливается экспериментально и обычно составляет от тридцати секунд до пяти минут. Недостаточное время пребывания приводит к повышению коэффициента неоднородности, избыточное время увеличивает энергозатраты без улучшения качества.
Температура процесса смешения влияет на реологические свойства компонентов и скорость протекания химических реакций. Для термопластичных материалов нагрев снижает вязкость и облегчает гомогенизацию. Системы терморегулирования смесителей обеспечивают поддержание температуры в диапазоне от комнатной до двухсот пятидесяти градусов Цельсия в зависимости от технологических требований.
Применение в производстве ЛКМ и клеев
В производстве лакокрасочных материалов смесители непрерывного действия применяются на стадии приготовления пастообразных смесей пигментов со связующими. Шнековые смесители обеспечивают предварительное смешение компонентов перед их подачей в диспергирующее оборудование. Статические смесители встраиваются в линии подачи жидких компонентов для гомогенизации растворов и эмульсий.
Двухступенчатые смесители непрерывного действия с дискозубчатой мешалкой устанавливаются после бисерных мельниц для финальной гомогенизации лакокрасочных суспензий. Объем таких смесителей составляет один-два рабочих объема обслуживаемых диспергаторов. Вращение дискозубчатой мешалки с высокой скоростью обеспечивает разрушение агломератов пигментных частиц и равномерное распределение всех компонентов по объему связующего.
Технологические особенности производства клеев
Производство клеевых композиций на основе синтетических смол требует применения смесителей с возможностью работы под вакуумом и при повышенных температурах. Вакуумные смесители эмульсионного типа используются для приготовления эпоксидных, полиуретановых и акриловых составов. Мешалка рамно-скребкового типа предотвращает оседание продукта на стенках и днище емкости, обеспечивает равномерное перемешивание до получения однородной стабильной массы.
Быстроходная фреза, установленная в рабочей зоне вакуумного смесителя, обеспечивает интенсивное диспергирование вводимых наполнителей и модификаторов. Вакуумирование процесса смешения позволяет удалить воздух из композиции, что критически важно для клеев, применяемых в условиях высоких механических нагрузок. Остаточное содержание воздуха не должно превышать одного процента от объема готового продукта.
Для смешения реактивных систем с отвердителями используются статические смесители, встроенные в напорные линии дозирующих насосов. Два компонента подаются отдельными насосами в статический смеситель, где происходит их интенсивное перемешивание непосредственно перед нанесением на склеиваемые поверхности. Такая схема обеспечивает использование материала с оптимальной жизнеспособностью и исключает преждевременное отверждение композиции в дозирующем оборудовании.
Производство бытовой химии
В производстве моющих средств и других продуктов бытовой химии применяются роторные и статические смесители для приготовления эмульсий и суспензий. Процесс смешения поверхностно-активных веществ с активными компонентами, отдушками и консервантами должен обеспечивать получение стабильных систем с длительным сроком хранения. Статические смесители обеспечивают тонкое диспергирование несмешивающихся жидкостей и формирование устойчивых эмульсий.
Турбулентные статические смесители с особой формой камеры создают завихрения потока, способствующие равномерному распределению компонентов в объеме жидкости. Отсутствие движущихся частей упрощает санитарную обработку оборудования и соблюдение гигиенических требований. Корпус смесителя и внутренние элементы изготавливаются из коррозионностойких материалов - нержавеющей стали марки AISI 316 или полимерных композиций.
Технологические параметры процесса смешения
Эффективность работы смесителей непрерывного действия определяется правильным выбором и поддержанием технологических параметров процесса. Основными контролируемыми величинами являются производительность, степень однородности смеси, удельные энергозатраты и время пребывания материала в рабочей зоне. Оптимальные значения параметров устанавливаются экспериментально для каждого конкретного вида смешиваемых материалов.
Производительность и коэффициент заполнения
Производительность смесителя непрерывного действия определяется объемом смесительной камеры, скоростью вращения рабочих органов и свойствами обрабатываемых материалов. Номинальная производительность современных стационарных смесителей для формовочных смесей достигает ста тонн в час согласно каталогам промышленного оборудования. Фактическая производительность может отличаться от номинальной в зависимости от требований к качеству смешения.
Коэффициент заполнения рабочего объема смесителя поддерживается в диапазоне от нуля целых четырех десятых до нуля целых восьми десятых. При недостаточном заполнении снижается эффективность использования установленной мощности привода и увеличиваются удельные энергозатраты. Переполнение камеры приводит к ухудшению условий перемешивания и повышению нагрузки на привод.
Степень однородности смеси
Качество смешения количественно оценивается коэффициентом неоднородности, который определяется статистической обработкой результатов анализа проб, отобранных из различных точек выходящего потока. Для большинства применений в химической промышленности допустимое значение коэффициента неоднородности не должно превышать трех процентов. Достижение более высокой однородности требует увеличения времени смешения или применения более интенсивных режимов работы.
Современные смесители непрерывного действия обеспечивают соотношение смешивания до одного к ста тысячам, что позволяет равномерно распределять микродобавки в больших объемах основного материала. Такая точность достигается применением прецизионных дозирующих систем с весовым контролем подачи компонентов и автоматической корректировкой расходов по обратной связи.
Энергетические характеристики процесса
Удельная мощность смешения характеризует энергозатраты на единицу объема обрабатываемого материала и служит критерием экономической эффективности процесса. Для смешения сыпучих материалов удельная мощность обычно находится в диапазоне от половины до пяти киловатт на кубический метр. Высоковязкие пасты и пластичные массы требуют большей удельной мощности - до пятнадцати киловатт на кубический метр.
Снижение энергозатрат достигается оптимизацией конструкции рабочих органов и режимов их работы. Применение лопаток с переменным углом наклона позволяет адаптировать смеситель к изменяющимся свойствам материалов без замены деталей. Регулирование скорости вращения приводов частотными преобразователями обеспечивает плавное изменение интенсивности перемешивания в соответствии с текущими требованиями процесса.
Система технического обслуживания и ремонта
Надежная работа смесителей непрерывного действия обеспечивается соблюдением регламента технического обслуживания, установленного нормативными документами. Основные требования к организации системы технического обслуживания изложены в межгосударственном стандарте ГОСТ 18322-2016, введенном в действие с первого сентября 2017 года, который устанавливает термины, определения и общие принципы поддержания работоспособности технических объектов.
Виды технического обслуживания
Система технического обслуживания смесителей включает несколько уровней с различной периодичностью и объемом выполняемых операций. Ежедневное техническое обслуживание выполняется операторами оборудования в начале и конце каждой рабочей смены. Проводится визуальный осмотр смесителя, проверка герметичности соединений, контроль показаний контрольно-измерительных приборов и очистка загрузочных узлов от остатков материала.
Техническое обслуживание первого уровня проводится еженедельно силами обслуживающего персонала цеха. Выполняется проверка надежности крепления всех резьбовых соединений, смазка подшипниковых узлов, очистка смесительной камеры от налипшего материала, осмотр и при необходимости подтяжка сальниковых уплотнений валов. Результаты осмотра фиксируются в журнале технического обслуживания оборудования.
Техническое обслуживание второго уровня проводится ежемесячно с привлечением механиков ремонтной службы предприятия. Осуществляется замена смазки в редукторах и подшипниковых узлах согласно картам смазки, измерение износа рабочих лопаток с составлением дефектной ведомости, диагностика состояния электропривода и калибровка датчиков технологических параметров. По результатам технического обслуживания второго уровня планируется замена изношенных деталей при последующих ремонтах.
Система планово-предупредительных ремонтов
Плановые ремонты смесителей непрерывного действия выполняются в соответствии с годовым графиком ремонтов, разрабатываемым на основе нормативов межремонтных периодов и фактического технического состояния оборудования. Текущий ремонт проводится один раз в полгода с остановкой смесителя на срок до трех суток. Выполняется ревизия привода с заменой изношенных муфт и подшипников, проверка центровки валов, замена уплотнительных элементов и испытания на холостом ходу.
Капитальный ремонт смесителей осуществляется один раз в два-три года в зависимости от условий эксплуатации и характера обрабатываемых материалов. Производится полная разборка смесителя с дефектовкой всех деталей, замена валов и подшипниковых узлов, восстановление защитной футеровки корпуса путем наплавки износостойких сплавов. При необходимости выполняется замена электродвигателей и редукторов на более современные модели с улучшенными характеристиками.
Диагностика технического состояния
Техническое диагностирование смесителей в процессе эксплуатации позволяет выявлять зарождающиеся дефекты и предотвращать аварийные отказы оборудования. Вибродиагностика подшипниковых узлов и валов проводится не реже одного раза в квартал с применением портативных виброанализаторов. Превышение допустимых уровней вибрации сигнализирует о развитии дефектов подшипников, нарушении балансировки валов или ослаблении крепежа.
Термографическое обследование электродвигателей и редукторов выявляет участки локального перегрева, свидетельствующие о повышенном трении в механических узлах или проблемах с охлаждением обмоток. Периодический контроль потребляемой мощности привода в одинаковых режимах работы позволяет оценить изменение энергетических характеристик и своевременно выполнить регулировочные работы. Увеличение потребляемой мощности указывает на рост механических потерь вследствие износа деталей или загрязнения смесительной камеры.
Требования к материалам конструкции
Выбор материалов для изготовления деталей смесителей непрерывного действия определяется характером воздействия обрабатываемых сред и условиями эксплуатации оборудования. Детали, контактирующие с химически агрессивными материалами, изготавливаются из коррозионностойких сталей или специальных сплавов. Наиболее распространенными материалами служат нержавеющие стали аустенитного класса типа AISI 304L (российский аналог 03Х18Н11) и AISI 316 (аналог 08Х17Н13М2) с повышенной стойкостью к коррозии в агрессивных средах.
Материалы рабочих органов
Лопатки смесителей, работающих с абразивными материалами, подвергаются интенсивному износу и требуют применения износостойких материалов или защитных покрытий. Рабочие поверхности лопаток облицовываются твердыми сплавами на основе карбидов вольфрама или хрома, обеспечивающими увеличение срока службы в пять-десять раз по сравнению с необлицованными деталями. Толщина слоя твердого сплава составляет от трех до пяти миллиметров в зависимости от интенсивности износа.
Валы смесителей изготавливаются из легированных конструкционных сталей с последующей термической обработкой для достижения требуемой твердости и прочности. Поверхности валов в местах установки уплотнений дополнительно защищаются керамическими покрытиями или наплавкой коррозионностойких материалов. Применение многоканавочных лабиринтных уплотнений в комбинации с сальниковой набивкой обеспечивает надежную герметизацию при минимальном износе поверхности вала.
Футеровка корпуса смесителя
Внутренние поверхности корпуса смесителя в зонах интенсивного контакта с абразивным материалом защищаются износостойкой футеровкой. Футеровка выполняется из износостойких сплавов на основе железа с высоким содержанием хрома и углерода, наносимых методом электродуговой наплавки. Альтернативным решением служит применение съемных футеровочных плит из закаленной стали или композиционных материалов на основе резин с минеральными наполнителями.
Выбор типа футеровки определяется характером обрабатываемых материалов и экономическими соображениями. Наплавленная футеровка обеспечивает максимальный срок службы, но требует квалифицированного выполнения работ и специального оборудования. Съемные футеровочные плиты упрощают ремонт, но имеют меньший ресурс и могут создавать проблемы с герметичностью соединений.
Автоматизация и системы управления
Современные смесители непрерывного действия оснащаются автоматизированными системами управления на базе программируемых логических контроллеров. Применение микропроцессорных систем управления обеспечивает точное поддержание заданных параметров процесса смешения, автоматическую корректировку режимов работы при изменении свойств материалов и сбор данных о ходе технологического процесса для последующего анализа.
Структура системы автоматического управления
Система автоматического управления смесителем включает контроллер, датчики технологических параметров, исполнительные механизмы и операторскую панель. Программируемый контроллер из конструктивного ряда Simatic S7 обрабатывает сигналы от датчиков расхода, уровня, температуры и вибрации, формирует управляющие воздействия на частотные преобразователи приводов и регулирующие клапаны дозирующих систем.
Операторская панель с сенсорным дисплеем обеспечивает визуализацию текущих параметров процесса, ввод заданий и настроечных параметров, управление режимами работы смесителя. Графический интерфейс отображает схему технологического процесса с анимацией состояния оборудования, тренды изменения контролируемых величин и сообщения о возникающих нештатных ситуациях. Все действия оператора и события в работе оборудования регистрируются в энергонезависимой памяти контроллера.
Функции системы управления
Основной функцией системы управления является поддержание заданной производительности смесителя при обеспечении требуемого качества смешения. Контроллер регулирует скорости подачи отдельных компонентов через весовые дозаторы, поддерживая установленное соотношение расходов с точностью до нуля целых пяти десятых процента. При отклонении фактических расходов от заданных значений система автоматически корректирует производительность питателей.
Система температурного контроля поддерживает оптимальную температуру процесса смешения путем регулирования подачи теплоносителя в рубашку корпуса смесителя. Применение пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования обеспечивает точность поддержания температуры в пределах плюс-минус два градуса Цельсия. При превышении допустимой температуры система автоматически снижает производительность или останавливает подачу компонентов для предотвращения термической деградации материалов.
Системы диагностики и защиты
Автоматизированная система непрерывно контролирует параметры, характеризующие техническое состояние оборудования. Датчики вибрации, установленные на подшипниковых узлах, сигнализируют о превышении допустимых уровней колебаний. При достижении предупредительного уровня вибрации система выдает сообщение оператору о необходимости проведения технического обслуживания. Превышение аварийного уровня приводит к автоматической остановке смесителя с выдачей сигнала в диспетчерскую службу.
Контроль потребляемой мощности электроприводов позволяет выявлять отклонения в работе механической части смесителя. Резкое увеличение потребляемой мощности может свидетельствовать о заклинивании рабочих органов или попадании посторонних предметов в смесительную камеру. Система защиты мгновенно отключает привод при превышении уставки по току, предотвращая повреждение оборудования.
