Краткий анализ средств дозирования сыпучих материалов малыми объемами

Обзор _________________________ Юсупов И.В., Енейкина Т.А., Хацринов А.И., Гатина Р.Ф. и Тихонова Е.А.

Размещено на http://www.allbest.ru//

60 _______________ http://butlerov.com/ ______________ ©--Butlerov Communications. 2009. Vol.16. No.4. P.58-66.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Краткий анализ средств дозирования сыпучих материалов малыми объемами

Юсупов Ильгис Вагизович

Аннотация

В обзоре проводится анализ работ по дозирующим устройствам, который показал, что в перспективных дозаторах совмещаются несколько функций: ворошение, предварительное формование дозы и дозирование материала. Направления в области создания дозирующих устройств в основном связаны с определением режимов побуждения материала и решением задачи истечения материалов из бункеров, не увязывая характеристики дозаторов с характеристиками дозируемого материала. Поэтому при проектировании дозаторов обычно применяются механические побудители, которые наиболее эффективны для любого, даже высокодисперсного материала, по сравнению с вибрационными и пневматическими.

Введение

Выбор метода дозирования (объемного или весового) определяется требованиями ведения процесса. Весовой метод основан на принципе предварительного взвешивания дозы материала и далее - его подачи в аппарат. Процесс весового дозирования включает в себя следующие операции: первоначально материал по принципу объемного дозирования подается на «грубое» взвешивание, затем производится корректировка дозы материала по массе и затем в соответствии с требуемой точностью осуществляется подача его на следующую фазу. Поэтому технологическая схема дозирования по весовому методу содержит питатели типа объемного дозатора.

Хотя весовое дозирование дает более точные результаты по сравнению с объемным, но оно малопроизводительно, так как на предварительное взвешивание и корректировку дозы продукта по массе затрачивается значительное время. Отсюда следует, что весовой метод дозирования оправдывает себя в основном при подаче материалов большими порциями, измеряемыми или отмеряемыми в процессах затаривания готовой продукции или при сборках изделий, но не приемлем для подачи материалов малыми дозами. Процесс дозирования этого типа намного сложнее объемного как по технологии, так и по конструкции аппаратов, эксплуатации и, следовательно, ремонту оборудования.

Дозировочное оборудование объемного принципа является простым по конструкции и не сложным при эксплуатации. В зависимости от поставленной задачи оно может обеспечить непрерывную или дискретную подачу материалов. Кроме того, процесс объемного дозирования скоротечен по времени и, как подчеркнуто в работе Орлова [1], наиболее эффективен. Это особенно необходимо при массовом производстве продукции с дозированной подачей материалов со средним размером частиц менее 100 мкм небольшими порциями, порядка 1-200 г/мин. В этих случаях разница в погрешностях объемного и весового методов дозированной подачи материалов по абсолютной величине весьма мала. Поэтому в дальнейшем рассматривается технология дозирования с использованием дозаторов только объемного типа.

Технология объемного дозирования классифицируется по типам подачи материалов и, соответственно, по конструкциям питающих механизмов. При выборе технологии и типа питающего механизма основными определяющими условиями являются периодичность процесса дозированной подачи и количество одновременно вводимого материала, точность дозирования, а также рабочие условия в помещении (категория здания), где ведется процесс дозирования и технологический процесс в целом. Питающие механизмы, применяемые в технологических процессах объемного дозирования и обеспечивающие равномерную подачу сыпучих материалов, приведены в таблице [1, 2]. В дальнейшем дозаторы будут называться по типу их питателя.

Таблица. Питающие механизмы дозаторов

Анализ конструктивных и функциональных особенностей дозаторов

Отечественные транспортные или ленточные дозаторы, например, ПТ-400, ПТ-500 нашли широкое применение в горнодобывающей промышленности и в основном исполь-зуются для подачи кусковых материалов (рис. 1).

Рис. 1. Дозатор ПТ-400: 1 - лента; 2 - барабан приводной;

3 - барабан с натяжением; 4 - бункер с заслонкой

дозатор сыпучий конструктивный

Рабочим органом дозатора является лента 1, огибающая приводной барабан 2 и натяжной барабан 3. Над лентой расположен питающий бункер 4 обычно с большим выходным отверстием, не оказывающим препятствия гравитационному истечению материала. Подача регулируется заслонкой на выходе из бункера. Производительность более 5 м3/час. Ленточные дозаторы взрывобезопасного исполнения имеют производительность до 1 м3/час.

Винтовые или шнековые дозаторы, примером которых может служить питатель В1-10 [3] производительностью 0.61-3.65 м3/час, применяются в основном для дозирования хорошо сыпучих материалов (рис. 2). Подача материала в шнековом дозаторе производится за счет самопроизвольного поступления материала из питающего бункера 1 на лопасти вращающегося винта шнека 2, заключенного в кожухе 3, и перемещения его винтом на выгрузку. Транспортирование обеспечивается за счет подпора для каждого материала зазора «винт-кожух». Винтовой дозатор с введением в бункер ворошителя и механизма протирки применяется для подачи нитратов целлюлозы в смеситель [4].

Рис. 2. Дозатор шнековый: 1 - бункер; 2 - винт шнека;

3 - кожух; 4 - сетка для отделения посторонних предметов

Известны шнековые дозаторы с вертикальной и наклонной установкой шнеков [5, 6]. Дозаторами такого типа осуществляется непрерывная подача обычно хорошо сыпучих материалов. Но, хотя в этих дозаторах подача материала идет непрерывно, автоматической регулировке она не поддается в силу конструктивных особенностей привода, а также неравномерного заполнения и разной плотности сыпучего материала по длине винта. Они сложнее в изготовлении и обслуживании, требуют соблюдения определенного зазора «винт-корпус» и точности их обработки.

Представляют интерес тарельчатые дозаторы (рис. 3), которые применяются для подачи материалов с различной производительностью. Примером таких дозаторов являются питатели СМ-179, СМ-274 как большой производительности (от 3 м3/час и выше), так и малых производительностей (0.0006-0.018 м3/час) типа ТI-025 [3]. Процесс дозирования материала в этих дозаторах производится за счет отсечения скребком 1 материала с вращающегося диска 2 на периферию. Поступление материала на диск из бункера 3 обеспечивается за счет его большого диаметра и захвата материала центробежными силами, возникающими при вращении диска. Процесс дозирования идет в закрытом объеме. Известны такие устройства для непрерывного дозирования сыпучих материалов, склонных к комкованию [7], с использованием рыхлителей для обеспечения заданной точности дозирования.

Рис. 3. Дозатор тарельчатый: 1 - скребок; 2 - вращающийся диск; 3 - бункер

Недостатком данного типа дозатора является сложность конструкции и невозможность регулирования подачи материала без проведения регулировки в приводе.

Заслуживают особого внимания камерные или плунжерные дозаторы, о которых, кстати, приведено очень мало сведений в технической и патентной литературе и нет информации о серийном изготовлении. Они просты в эксплуатации. Процесс объемного дозирования такими дозаторами легко поддается регулировке, достаточно точно поддерживается установленный режим подачи материала, так как в качестве привода используется пневмопривод 1 (рис. 4). Поэтому дозаторы камерного типа можно устанавливать на пожаро-взрывоопасных производствах.

Рис. 4. Дозатор камерный плунжерного типа: 1 - пневмопривод;

2 - бункер; 3 - мерная камера; 4,5 - отсекатели

Подача материала (рис. 4) производится в закрытом объеме за счет поступления материала из бункера 2 в мерную камеру 3, расположенную между отсекателями 4 и 5, и перемещения мерной камеры с материалом под выгрузку. Подача материала дискретная, но ее можно приблизить к непрерывной. Основным недостатком является то, что выходное отверстие бункера обычно, учитывая данные, приведенные в работе [8], составляет 1.1-1.2 от диаметра мерной камеры и при малых производительностях и, следовательно, дозах составляет 30-50 мм. Эти дозаторы в основном применяются для подачи сыпучих материалов малыми дозами. При таких размерах отверстия могут возникнуть сопротивления гравитационному истечению материала в мерную камеру.

Широкое применение нашли дозаторы камерного типа в фармацевтической промышленности для хорошо сыпучих материалов. Камеры расположены на вращающемся диске. При повороте диска и постановке камеры под загрузку последние поворачиваются в диске. Так, на дозаторах камерного типа, применяемых для подачи графита, в нижнюю часть подвешенного бункера устанавливали вибраторы [9], воздушно-импульсные побудители в виде труб с отверстиями. Практика показала, что применение таких побудителей для подачи гигроскопических компонентов со средним размером частиц dср ? 100 мкм малоэффективно из-за создания устойчивых сводов за счет образования агломератов или уплотнения материала, которые препятствовали его истечению из бункера.

Имеются также технические предложения [10] по обеспечению нормального дозирования высокодисперсных материалов за счет установки несимметричного бункера и вибратора на мерную камеру, работающего в момент выгрузки, но они эффективны, как показала практика, только при дозировании частиц с размерами более 100 мкм. Так, по литературе [1, 11] для подачи порошковых (высокодисперсных) материалов, называемых еще и связными, рекомендуются аэрационные питатели, правда, в основном в пневмотранспорте, в которых подача материала производится за счет подвода сжатого воздуха в герметичную емкость воздуховодами [12]. Предлагаются конструкции питателей, например, тип К 1 [3], которые обладают производительностью Q = 0.2 м3/час и выше. Основными недостатками таких дозаторов являются необходимость дополнительной очистки воздуха и невозможность регулировки и поддержания заданной точности дозирования материала в определенном интервале времени, что недопустимо при подаче сыпучего материала в смесителе.

Известны шлюзовые или барабанные дозаторы Ш1-15, Ш2-15, Ш3-15 и др. [3] производительностью 0.14-1.3 м3/час и выше (рис. 5), но их применимость оговорена только для хорошо сыпучих материалов. Так, в дозаторах сыпучих материалов, приведенных в работе [13], форма дозировочного барабана представляет собой ветви гипоциклоида, а в остальном конструктивные исполнения обычны, т.е. дозатор состоит из бункера 1, ротора с ребрами 2 и барабана 3.

Рис. 5. Дозатор шлюзовый или барабанный типа Ш1-15, Ш2-15:

1 - бункер; 2 - ротор с ребрами; 3 - барабан

Анализ отечественных технологий дозирования и конструкций дозаторов позволяет заключить, что приведенные дозаторы в основном применяются для хорошо сыпучих материалов и нет устройств, применяемых для дозирования малых объемов высокодисперсных материалов. Имеются попытки решения вопроса дозирования высокодисперсных связных материалов малыми дозами за счет пневмоимпульсных и вибропобудителей, используемых для обеспечения свободного обрушения материалов в бункере. Однако данные предложения не увязаны с характеристиками материалов, поэтому такие побудители не эффективны при применении их в случае дозирования малых объемов, и тем более - высокодисперсных трудносыпучих материалов, способных к изменению реологических характеристик.

Таким образом, наиболее оптимальными являются технологии объемного дозирования дозаторами камерного типа с пневмоприводом, так как они являются наиболее простыми как в изготовлении и эксплуатации, так и в ремонте. А технология дискретной подачи материалов в смеситель малыми порциями, близкая к непрерывной, согласно работы [14] считается наиболее благоприятной для ведения процесса смешения.

Был проведен также анализ патентной информации, касающейся дозирования сыпучих материалов в основных зарубежных странах: США, Германии, Великобритании, Японии. По результатам исследований, а также обзорной информации [15] можно заключить, что после 1980-х годов разработка объемных дозаторов проводились в основном в США (почти половина всей патентной документации) и частично в России (30%).

Так, дозаторы по патентам США [16-18], которые можно отнести к тарельчатым дозаторам (рис. 6), имеют две неподвижные горизонтальные пластины 1, установленные в корпусе, чередующиеся с вращающимися вокруг вертикальной оси поворотной лопастью 2 (между пластинами) и дозирующим лопастным ротором 3, направляющим материал к центральному выходному отверстию. Стабильность работы и точность дозирования достигаются за счет большого диаметра бункера, поворота материала поворотной лопастью на 180о и направления его к периферии за счет центробежной силы и силы тяжести при образовании угла естественного откоса, а также придания дозирующей лопасти ротора профиля специальной направляющей 4 для подформовки кромки сыпучего материала.

Технические решения по дозированию материалов фирмы «Wьrttemberische Mettallwa-renfabrie» по патенту ФРГ [19] и Японской фирмы «Matsushita Industry.LTD» по патентам [20, 21] в отличие от рассмотренных выше проще (рис. 7). Камеры 1, установленные в горизонтальном дозирующем диске 2, экранируются к верху пластинчатыми сегментами 3. Имеется блокировочный механизм 4. Подача материала производится аналогично отечественным. Недостатком этих конструкций является малый диапазон регулирования. Для использования их во взрывоопасном производстве требуется модификация и создание нового безопасного привода.

Рис. 6. Дозатор тарельчатый производства США: 1 - горизонтальные пластины;

2 - поворотные лопасти; 3 - ротор лопастной дозирующий;

4 - направляющая подформовки кромки материала

Рис. 7. Дозатор камерный с вращающимся диском производства ФРГ:

1 - камера дозирующая; 2 - диск; 3 -экранирующая пластина; 4 - блокировочный механизм

Так, когда необходимо дозировать материалы, имеющие склонность к образованию сводов, уплотнению (высокодисперсных), в дозаторах (рис. 8) фирмы США используют ворошители 1 в виде спиралей, закрепленных на диске 2 и вращающихся вокруг оси бункера [22]. В дозаторах японской фирмы «Minolta Camera Kabushiki Kaisha» применяются щетки, вращающиеся вокруг оси, вертикальной потоку материала, а в канале установлены дополнительные ворошители 3 [23]. В конструкции аппарата по патенту США [24] так же, как и в указанных дозаторах, используют механические ворошители в виде лопастей, совершающие колебательные движения, с дополнительно установленным узлом предварительной подготовки дозы материала в виде ротора с канавками, расположенными между смещенными относительно друг друга элементами.

Перечисленные дозаторы [22, 23, 24] сложны в конструктивном исполнении самих приводов и ворошителей, в них не полностью исключено влияние изменения плотности материала на точность дозирования и во всех случаях диаметры сечений бункеров значительны и подобраны с учетом обеспечения свободного гравитационного истечения сыпучего материала. Кроме того, роль ворошителей в них сводится только к обеспечению обрушения материала (высыпанию) из бункера.

В последнее время за рубежом все чаще предлагаются дозаторы камерного типа. Это обусловлено их сравнительной простотой, широкой областью применения. Так, в конструкциях дозаторов ФРГ [26, 27], Японии [28] (рис.9) предусмотрено перемещение мерной камеры 1 как поступательно, так и за счет вращения. При этом истечение материалов из бункера обеспечивается за счет профиля бункера 2, имеющего одну сторону вертикальную, а противоположную - наклонную, и гарантированного зазора между диском 3 с мерной камерой, бункером и скребковой перегородкой 4. Такие бункера эффективны до определенных размеров выходного сечения и неэффективны при использовании их с высокодисперсными материалами («связные»). Кроме того, эти конструкции усложнены всевозможными толкателями, мембранами.

Рис. 8. Дозатор с вращающимся диском и ворошителями производства США: 1- спиральный ворошитель; 2 -диск; 3 - дополнительный ворошитель

Рис. 9. Дозатор камерного типа с вращающимся диском производства

США, ФРГ, Японии: 1 - мерная камера; 2 - бункер; 3 - диск; 4 - перегородка

Представляют интерес дозаторы барабанного типа для малых объемов фирмы США «Xerax Corporation» [29] и Японской фирмы «Minolta Camera Kabushiki Kaisha» [30], в которых для обеспечения предварительной подготовки поступления материала в мерник применяются ворошители в виде сферы или рамки. Но указанные дозаторы имеют ряд недостатков, а именно, имеют слишком сложную приводную часть и недостаточно эффективны при использовании их для дозирования материалов с изменяющимися характеристиками (плотность).

Предлагаются дозаторы [31, 32], в которых используются концентрично установленные один в другом «контурные шнеки» или ленточный питатель. Данные конструкции применимы для свободно истекающих сыпучих материалов, но в них не решены вопросы по дозированию «связных » материалов.

Особый интерес представляет дозатор ФРГ (рис. 10) [33], включающий четыре последовательные ступени обработки сыпучих материалов: свободообрушение, две ступени кондиционирования материала с направлением однородного материала на дозирование и дозирование кондиционного материала. При этом материал при движении четыре раза меняет направление. Первая ступень, расположенная в бункере, представляет собой вращающийся диск 1 со спиральными выступами, под которым в ступени кондиционирования находятся поочередно два перфорированных диска 2 с шиловидными горизонтально расположенными ворошителями, причем, последний диск имеет трубчатые сборники 3, направляющие материал к оси устройства, откуда он спиральными лопатками 4 дозирующего диска отводится к периферии и через окна 5 собирается в выходной воронке 6. Диски закреплены на валу, соединенным с приводом 7.

Рис. 10. Дозатор производства ФРГ: 1 - диск вращающийся; 2 - диск перфорированный; 3 - сборник материала; 4 - лопатки спиральные; 5 - окно; 6 - выходная воронка; 7 - привод

В предлагаемом аппарате исключено влияние изменений реологических характеристик материалов на процесс истечения и, следовательно, дозирования. Возможно его применение для дозирования связных сыпучих материалов. Но конструкция дозатора сложна в изготовлении, эксплуатации и особенно в ремонте, что обусловлено наличием сложных приводов и на что, особенно в последнее время, в США при разработке оборудования начинают обращать внимание.

В результате исследования патентной литературы можно отметить, что, в перспективных дозаторах объемного типа совмещаются несколько функций: ворошение, предварительное формование дозы и дозирование материала. Направления в области создания дозирующих устройств в основном связаны с определением режимов побуждения материала и решением задачи обеспечения истечения материалов из бункеров, не увязывая характеристики дозаторов с характеристиками дозируемого материала. Поэтому при проектировании дозаторов обычно в качестве побудителей применяются механические ворошители, которые, как указаны в работе [34], наиболее эффективны для любого, даже высокодисперсного материала, по сравнению с вибрационными и пневматическими.

Заключение

Таким образом, по результатам проведенного анализа существующих отечественных и зарубежных конструкций дозаторов следует отметить, что основной задачей при создании дозаторов для подачи связанных сыпучих материалов, особенно малыми объемами, является обеспечение нормального истечения материала из бункера в мерную емкость и исключение влияния изменения характеристик материала на точность дозирования. Решению этой задачи в настоящее время почти не было уделено должного внимания, проектирование дозаторов базируется в основном на экспериментальных данных конкретного материала и не связывается с характеристиками других применяемых сыпучих материалов.

Каждая из рассмотренных конструкций дозирующих устройств обладает определенными преимуществами и недостатками. Однако требования к разрабатываемым дозаторам должны обосновываться, исходя из конкретных условий производства.

Литература

Орлов С.П. Дозирующие устройства. 3 изд. М.: «Машиностроение». 1966.

Алферов К.В. Бункерные устройства. М.: Машгиз. 1955. 307с.

Объемные питатели. Каталог. М.: ЦИНТИ «Химнефтемаш». 1979.

Авт.св 218265 (СССР). Устройство для дозирования. Г.С. Клетнев, Н.А. Саломатина, А.В. Гагарин, И.В. Юсупов, И.И. Гайнуллин. Заявка №3059924 от 13.04.83. Б.И. 1985. №5.

Авт.св 590607 (СССР). Шнековый дозатор. А.А. Мироненко, А.Ш. Киясбейли и Н.Л. Макаров . Заявка от 23.04.77. Б.И. 1978. №4.

Авт.св. 771469 (СССР). Устройство для дозирования сыпучих материалов. И.Р. Дударев, В.Н. Петров, В.Ф. Петько и Н.И. Шевченко. Б.И. 1980. №38.

Авт.св. 794381 (СССР). Устройство для непрерывного дозирования сыпучих материалов. А.В. Козлов, М.З. Купершмидт, А.Б. Розенфельд и И.В. Тув. Б.И.

Карпин Е.Б. Средства автоматизации для измерения и дозирования массы. Расчет и конструирование. 2е изд. М.: «Машиностроение». 1971. 467с.

Прозоровский В.В. Современные объемные дозаторы сыпучих материалов и системы управления ими. М.: ЦНИИТЭН легпищепром. 1970. 519с.

Авт.св. 593060 (СССР). Устройство для дозирования порошковых материалов. В.Ф. Лурье, А.Ф. Николаев, В.П. Проценко, С.В. Рябинов и А.М. Саблин. Б.И. 1978. №6.

Виденеев Ю.Д. Дозаторы непрерывного действия. М.: «Энергия». 1978. 183с.

Авт.св. 617686 (СССР). Устройство для дозирования и подачи порошковых материалов. О.Р. Юркевич и А.И. Боркон. Б.И. 1978. №28.

Авт.св. 861952 (СССР). Дозатор сыпучих материалов. Н.Т. Куян, Ф.С. Беллин и Б.И. Шнапер. Б.И. 1981. №33.

Виденеев Ю.Д. Автоматическое непрерывное дозирование сыпучих материалов. М.: «Энергия». 1974. 120с.

Максягин Г.М. Дозаторы сыпучих материалов. М.: ВНИИПИ. 1984. 68с.

Размещено на Allbest.ru