Сыпучие материалы используются практически во всех отраслях промышленности и в сельском хозяйстве [3, 4, 11, 27, 28]. Процесс смешивания является одной из ключевых операций многих технологических процессов. Смешивание всегда сопровождается процессом дозирования компонентов, поэтому эти два процесса целесообразно рассматривать вместе. Интенсивность процесса смешивания и качество готовой смеси существенно зависят от физико-механических свойств компонентов и характера их движения в рабочем объеме смесителя. Таким образом, при анализе научных исследований процессов дозирования и смешивания необходимо также рассматривать исследования физико-механических свойств сыпучих материалов и их движение в рабочем объеме смесителя.
Физико-механические характеристики сыпучих материалов
Обычно выделяют четыре группы свойств: механические, физические, химические, технологические. Углы и коэффициенты трения, которые оказывают наиболее сильное влияние на движение сыпучего материала можно отнести, как к физико-механическим, так и к технологическим характеристикам. В настоящее время на практике наиболее часто используют следующие углы и коэффициенты трения: угол естественного откоса; угол обрушения; угол трения движения; угол трения покоя; статический коэффициент внешнего трения; кинематический коэффициент внешнего трения; коэффициент внутреннего трения.
Углом естественного откоса называется угол между горизонтальной поверхностью и образующей конуса насыпанного на нее сыпучего материала. Углом обрушения называется угол, образующийся при обрушении слоя в результате удаления подпорной стенки. Широкое использование этих характеристик в технике для определения наклона стенок при конструировании бункеров, контейнеров, воронок, течек, желобов, хранилищ [28] объясняется простотой и наглядностью их измерения. Основной недостаток большинства приборов заключается в том, что формирование углов естественного откоса и обрушения происходит на жестком гладком основании, а не слое частиц. Кроме этого сложно обеспечить постоянную скорость движения частиц при формировании конуса из сыпучего материала. Указанные недостатки устранены специально разработанных способах и устройствах [37, 38].
Достаточно часто для расчетов параметров движения сыпучего материала используют углы и коэффициенты трения покоя и движения [24]. Эти углы определяют на устройстве [39], которое состоит из барабана, на прозрачной торцовой стенке которого установлен подвижный флажок, а на основании - угловая шкала. Барабан приводится во вращение приводом. Внутри барабана установлена лопасть, ссыпающий край которой совпадает с осью вращения барабана. Анализируемый материал засыпают в барабан и включают привод вращения. После того, как барабан совершает 2-3 оборота, привод вращения выключают в тот момент, когда начинается ссыпание материала с лопасти. По окончанию ссыпания материала с лопасти по шкале определяют угол наклона открытой поверхности материала к горизонту - угол трения движения a д. Далее, перемещают флажок в точку пересечения линии открытой поверхности с обечайкой барабана и повторно включают привод барабана. Привод выключают в тот момент, когда начинается ссыпание материала с лопасти. По положению флажка определяют угол наклона открытой поверхности материала к горизонту, при котором началось ссыпание материала - это угол трения покоя a п. Эти углы можно определять и во вращающихся непрерывно лабораторных установках [40, 41]. Коэффициенты трения движения и покоя используются: при описании движения во вращающихся барабанах как круглого [19], так и произвольного поперечного сечения [20]; при моделировании процессов смешивания [21, 22], гранулирования [14], классификации [23], дозирования [14].
Для определения внутреннего трения зернистого материала используют прибор Дженике [9], который состоит из трех кольцевых секций, установленных одна на другую. Материал засыпают в секции и выравнивают по краю верхней секции. Далее на материал через прижимную плиту передают усилие для его уплотнения, равное последующей нагрузке затем 10-15 раз поворачивают прижимную плиту вокруг вертикальной оси на угол 30-45 градусов, добиваясь однородного уплотнения материала в секциях. После этого верхнюю секцию сдвигают вместе с материалом. Далее на материал укладывают опорную плиту, на которую устанавливают гирю с определенным весом. В результате действия вертикальной нагрузки Р, в зернистом материале возникают определенные нормальные напряжения. Посредством винтового привода на верхнюю секцию передают сдвигающее усилие, величина которого фиксируют динамометром. В результате действия горизонтальной нагрузки G, в зернистом материале возникали касательные напряжения. Величину усилия G увеличивают до тех пор, пока верхняя секция сдвинется относительно нижней. Коэффициент внутреннего трения рассчитывают исходя из соотношений горизонтальной и вертикальной нагрузок.
Для определения кинематического коэффициента внешнего трения разработана информационно-измерительная система [42], в которой секция устанавливается на тележку и соединяется через пружину и датчик силы с неподвижной опорой. Тележка соединена с лебедкой, которая обеспечивает скольжение сыпучего материала относительно тележки с постоянной скоростью, что является необходимым условием при определении кинематического коэффициента трения.
Движение сыпучего материала
В настоящее время при описании движения сыпучего материала во вращающемся барабане используется либо "одночастичный" подход, при котором рассматривается равновесие отдельной частицы, либо метод "вязких течении" [24], согласно которому движение сыпучего материала рассматривается как течение вязкопластичной среды. Первый подход дает хорошие результаты только при описании свободного движения, а основной недостаток второго подхода - необходимость определения эмпирических коэффициентов на лабораторных установках. Для устранения этих недостатков была выдвинута гипотеза [19] о том, что система, состоящая из большого числа контактирующих друг с другом частиц, находящихся в поле потенциальных сил, стремится, а при установившемся режиме движения достигает такого состояния, при котором ее потенциальная энергия минимальна. Экспериментально данная гипотеза была проверена, как для вращающихся смесителей, так и для вибрирующих.
Смешивание сыпучих компонентов
Первая, научно обоснованная монография по смесителям была написана профессором Макаровым Ю.И. [12], которая фактически положила начало использованию математического аппарата случайных марковских процессов при моделировании процессов смешивания. Данный подход успешно развивается и используется, как для периодических [16, 17], так и непрерывных [24, 25, 32, 43] процессов смешивания. Математические модели, построенные на основе марковских цепей легко реализуются на ЭВМ, что позволяет организовывать численные эксперименты и определять рациональные режимные и геометрические параметры смесителей [1, 33].
Особое место в исследовании и моделировании процесса смешивания занимает сегрегация, т.е. разделение компонентов. До недавнего времени сегрегация при смешивании считалась однозначно отрицательным явлением, но в конце прошлого века принципиально новые решения в организации процессов смешивания, в которых явление сегрегации используется для интенсификации процесса смешивания и гарантированного повышения качества готовой смеси [44, 45]. Основная идея данных способов и устройств заключается в том, что загрузку ключевого компонента (компонента склонного к сегрегации) осуществляют в область рабочей камеры, расположенную диаметрально противоположно той области, где в результате длительного смешивания концентрируется этот компонент. Указанные способы могут быть реализованы в циркуляционных смесителях, как с вращающейся рабочей камерой [31, 35, 43], так и с неподвижной камерой, вращающимися рабочими органами [5, 6, 7, 8].
Еще одним перспективным направлением повышения качества смешивания и снижения энергозатрат является упорядоченное смешивания, когда компоненты загружаются в строго определенном порядке, например слоями [29, 30].
Особо следует отметить, что математические модели процесса смешивания входят в модели процессов гранулирования и классификации [13, 18, 36].
Дозирование сыпучих материалов
Изменение интенсивности загрузки компонентов и организация упорядоченного смешивания требует принципиально новых решений в способах и устройствах для непрерывного весового дозирования [14]. Кроме высокой точности дозатор должен обеспечивать требуемое изменение производительности. Серийно выпускаемые дозаторы не удовлетворяют данным требованиям, поэтому был предложен способ двухстадийного дозирования [46]. Сущность данного способа заключается в том, что на первой стадии порционным весовым дозатором формируются отдельные порции сыпучего материала весом ΔР, а на второй стадии эти порции через промежутки времени ΔТ подаются в устройство, которое преобразует эти порции в непрерывный поток. Производительность непрерывного дозирования Q = ΔР / ΔТ. Повышение точности дозирования происходит за счет того, что при формировании порций нет динамических воздействий на весоизмерительный датчик. Поскольку производительность непрерывного дозирования зависит от веса одной порции и промежутка времени можно легко и практически в любое время ее изменить. Для реализации способа разработан ряд конструкций [48, 49, 50].
Выводы
Для повышения эффективности процессов дозирования и смешивания сыпучих материалов необходимо:
- разрабатывать новые способы и устройства для экспериментального определения кинематических коэффициентов внутреннего трения сыпучих материалов;
- совершенствовать энергетический подход к описанию движения сыпучих материалов в сложных силовых полях;
- продолжить исследования по организации упорядоченного смешивания компонентов склонных к сегрегации;
- провести исследования весового порционного дозирования с целью повышения точности двухстадийного весового непрерывного дозирования сыпучих материалов и упрощения аппаратурного оформления данной технологии.
Рецензенты:
Рухов А.В, д.т.н., зам. генерального директора по науке ООО «Нанотехцентр», г.Тамбов;
Ярцев В.П., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Конструкции зданий и сооружений», ФГБОУ ВПО Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов.
Библиографическая ссылка
Осипов А.А., Першина С.В. ДОЗИРОВАНИЕ И СМЕШИВАНИЕ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ: КРАТКИЙ ОБЗОР РОССИЙСКИХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=16105 (дата обращения: 19.02.2025).