ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРЦЕССА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕЯ И СВОЙСТВА

ПЕНОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

Кузнецов С.В., аспирант

Ростовский государственный строительный университет

Интенсификация процесса перемешивания компонентов всегда связана с увеличением затрат энергии и стоимости оборудования. Поэтому выбору конструкции и расчету смесителя должно предшествовать уяснение целесообразной степени интенсивности перемешивания в конкретном технологическом процессе. Обоснованность требований к однородности смешения во многом предопределяет технологическую работоспособность и экономическую эффективность пенобетоносмесителя. В то же время излишнее ужесточение требований к степени однородности смеси сопряжено с необоснованным увеличением затрат энергии. Например, уменьшение разности плотности пенобетонной смеси в верхней и нижней частях турбулентного смесителя, с 10 до 5 % может потребовать повышения мощности привода в 8 раз. В большинстве случаев наиболее экономичным оказывается применение турбулентных смесителей, серийно выпускаемых. Подбор и проверка других вариантов конструктивного оформления целесообразна, когда серийные смесители не могут быть использованы из-за несоответствия материального исполнения, рабочих пределов по скорости вращения активатора и мощности или из-за недостаточно высокой интенсивности перемешивания. В этих случаях конструирование специального смесителя не является единственным решением. Нередко рациональным оказывается внесение изменений в технологию процесса, изменение объема смесителя и т.д. При перемешивании пенобетонной смеси в ряде случаев оказывается выгодней уменьшить дисперсность заполнителя, чем повышать частоту вращения и размеры мешалки для обеспечения поддержания круп­ных частиц во взвешенном состоянии.

В результате исследований, проведенных в РГСУ, определены зависимости параметр критической скорости от времени перемешивания. Результаты представлены на рис.1.

Рис.1. Зависимость времени перемешивания от скорости вращения
мешалки при постоянной массе твердой фазы:

1- пенобетонная смесь; 2- чистая жидкость;

3- общий случай; х – концентрация, масса %.

В общем случае, при наличии твердой фазы время перемешивания увеличивается. В точке А (кривая 1) все частицы находятся на дне смесителя; по линии АВ все большее число частиц распределяются по всему объему смеси; в точке В все частицы распределены и скорость в этой точке считается критической. С дальнейшим ростом числа оборотов мешалки (по линии ВС) время смешивания продолжает меняться.

Чтобы учесть влияние типа активатора, измерения времени перемешивания выполнены в смесителе с внутренним диаметром 0,57м. и трехлопастным активатором. Время перемешивания было измерено при различной концентрации твердых компонентов твердой фазы. Эксперименты показали, что для достижения одной и той же степени перемешивания трехлопастной активатор потребляет меньшее количество энергии, чем пропеллерный и турбинный.

Предварительный анализ промышленных вариантов позволил оценить реально достижимые пределы скорости процессов, степени однородности поля концентраций и т. д. Задача пилотных экспериментов при таком подходе состоит в проверке возможности проведения изучаемого процесса в предварительно выбранном смесителе, в уточнении технологических параметров процесса и требований к перемешиванию.

Анализ существующих конструкций смесителей, как по отрасли производства строительных материалов, так и по тематически смежным областям, в частности нефтехимическое машиностроение [5], показал большое разнообразие типов смесителей и конструкций активаторов. При этом, эксплуатационные характеристики приблизительно одинаковые. Особый интерес вызывают смесители турбулентного типа. Расчет турбулентного потока представляет собой нерешенную теоретически задачу, поэтому имеются только качественные показатели, полученные экспериментальным путем. Установлено, что при возбуждение среды активатором формируется трехмерное поле скоростей, из которого следует, что окружная составляющая  значительно превышает радиальную и мередианальную составляющие скорости. При этом отмечено наличие двух зон с разными циркуляционными характеристиками, что на наш взгляд является одной из причин расслоения пенобетонной смеси еще на стадии перемешивания. Также это приводит к низкой степени поризации смеси.

По итогам проведенной работы был спроектирован и изготовлен турбулентный смеситель открытого типа с рабочим объёмом 1 м3, что превышает рекомендуемый объём смесителя для приготовления пенобетонов. Время  приготовления 1 м3 пенобетонной смеси в этом смесителе составляет от 3 мин. до 8 мин. в зависимости технологической схемы производства. Мощность, потребляемая смесителем на приготовления 1м3 пенобетона, составляет от 2.5-3.5 кВт в зависимости от плотности пенобетона. Получаемая плотность пенобетонной смеси от 300 до 1100 м3/кг. Высокая однородность пенобетонной смеси подтверждается лабораторными испытаниями образцов на прочность, морозостойкость и т.д..

Несмотря на то, что в последнее время разработано большое количество новых конструкций смесителей для приготовления ячеистых бетонов, реализация стабильного процесса перемешивания связана с значительными трудностями и достигается, в основном опытным путем для конкретного типа смесителя, состава и даже – объёма перемешиваемых материалов, т.е. практически без сколько-нибудь достоверной степени обобщения.

В настоящее время определены ряд факторов, оказывающих существенное влияние на процесс перемешивания [1,2,3], однако формализация процесса находится в зачаточном состоянии. Так, чтоб получить количественные характеристики потоков смеси численными методами необходимы ещё не достигнутые мощности ЭВМ [4].

В связи с этим в рамках проводимой работы выделен ряд параметров, оказывающих существенное влияние на качество получаемой смеси. Например, если увеличить содержание твердой фазы от 3,4% до 37,31% по весу [2], то параметр критической скорости, (скорость при которой частицы твердой фазы распределяются по массе объему смеси), возрастет на 27%, а время смешения увеличивается на 70,5%. Этот пример отчетливо показывает влияние циркуляционного расхода смеси (параметр скорости движения смеси в объеме смесителя).

В свою очередь параметр циркуляции указывает на четкую зависимость диаметра смесителя и время перемешивания смеси.

Дальнейшая работа предполагает получение качественных зависимостей по всем параметрам, существенно влияющим на характеристики перемешиваемой среды.

Список литературы:

1.           Макро- и микроперемешивание в реакторе с мешалкой // А.В. Pandit and J.D. Joshi // Chem. Eng. Sci. – 1989. - №38. - С.1189-1210.

2.           Роль турбулентных пульсаций в перемещении частиц в водных системах // C.M. Chapman, A.M. Nienow, M. Cooke and J.C. Middleton // Chem. Eng. Res. Des. – 1983. - №61. – С.345-356.

3.           Жидкофазное смешение в сосудах с мешалкой для систем жидкость-твердое // J.D. Joshi // Chem. Eng. J. - 1998. - 39. - №2. – С.111-124.

4.           Новая мешалка с продольным перемешиванием для диспергирования газа в жидкости // A.M. Nienow, M. Cooke // Chem. Eng. Res. Des. – 1989. – 61. - №2. - С.152-154.

5.          Чапман К.М., Борщевский В.Г. Реакторы и смесители. - М.: «Машиностроение», 1986. - С.236.

http://conf.bstu.ru/conf/docs/0029/0595.doc