Статья: 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.

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

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.