Thuyết minh máy khuấy trộn tinh bột cao lanh

Cao lanh là sản phẩm phong hóa tàn dư của các loại đá gốc chứa trường thạch như pegmatite, granit, gabro, banzan, ryolit hoặc các cuộn sỏi thềm biển đệ tứ hay đá phun trào axit như keratophyr, felsit.

CHƯƠNG 1 :

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CAO LANH :

1.1.1 Nguồn gốc tạo thành cao lanh.

Cao lanh là sản phẩm phong hóa tàn dư của các loại đá gốc chứa trường

thạch như pegmatite, granit, gabro, banzan, ryolit hoặc các cuộn sỏi thềm biển đệ tứhay đá phun trào axit như keratophyr, felsit Ngoài kiểu hình thành phong hóa tàn

dư, còn có sự hình thành do phong hóa biến chất trao đổi các đá gốc cộng sinh nhiệtdịch quarphophia, chính là quarzit thứ sinh như mỏ cao lanh Tấn mài Quảng Ninh Kiểu phong hóa tàn dư và biến chất trao đổi hình thành các mỏ cao lanh tại

mỏ đá góc – là cao lanh nguyên sinh (tức cao lanh thô) Nếu sản phẩm phong hóatàn dư, nhưng bị nước băng hà, gió cuốn đi rồi lắng đọng lại chổ trũng hình thànhnên các mỏ cao lanh hay đất sét trầm tích - còn gọi là cao lanh thứ sinh

Sự hình thành các mỏ cao lanh ngoài yếu tố cơ bản là có đá gốc chứa trườngthạch phải kể tới yếu tố địa mạo, cấu tạo nên vùng chứa đá gốc và yếu tố môi trường(độ ẩm, nhiệt độ)

Qua nhiều tài liệu đều thống nhất phần lớn các mỏ cao lanh nằm ở vùng đồinúi dốc thoải hay thung lủng giữa các núi.Qúa trình nghiên cứu sự hình thành tráiđất người ta cho rằng sự thành tạo các mỏ cao lanh xảy ra ở thời kỳ đầu đệ tứ vàmạnh nhất ở thời kỳ đệ tứ muộn Giai đoạn này khí hậu rất ẩm và mưa nhiều, thảmthực vật phát triển mạnh tạo môi trường thuận lợi cho sự phong hóa đá gốc bằng cácquá trình hóa học Mặt khác cũng chính thời kỳ này sự vận động của trái đất xãy rarất mạnh bao gồm sự nâng lên hay tụt xuống của vỏ trái đất phần tiếp xúc với khíquyển (còn gọi là lớp silicat) tạo nên nhiều nếp uốn và khe nứt (lớp silicat có chiếusâu từ 36 – 50 km)

Như vậy sự hình thành các mỏ cao lanh là do chịu sự tác dụng tương hổ củacác quá trình hóa học, cơ học (kể cả sinh vật học) bao gồm các hiện tượng phonghóa, rửa trôi và lắng đọng trong thời gian dài

Về mặt hóa học, bản chất của nó rất phức tạp nhưng để đơn giản hơn, ta coi

đá gốc trực tiếp phong hóa thành cao lanh là trường thạch.Lấy trường thạch kali làmthí dụ thì cơ chế phản ứng có thể như sau:

Nếu môi trường co độ pH = 3 – 4:

2KAlSi3O8 + 8 H2O - > 2KOH + 2 Al(0H)3 + 2 H4Si3O8 - >

Al2(OH4)Si2O5 + K2O + 4SiO2 + 6H2O

Khi môi trường có độ pH = 8 – 9 thì khoáng chính hình thành không phải docaolimit mà là momorilonit: Al1.67Mg0.33((OH)2/Si4O10)0.33Na0.33(H2O)4

Rõ ràng: H2CO3 , H2O và một số axit hữu cơ khác đóng vai trò rất quan trọngtrong quá trình phong hóa đá góc thành cao lanh

Quá trình tạo thành cao lanh có thể còn qua mức độ trung gian Thí dụ trườngthạch bị cerusit hóa tức là chuyển thành mica ngâm nước mà dạng phổ biến là: K2O3

Al2O3.6Si02.2H2O rồi mới chuyển thành caolinit

Trong nhiều trường hợp xảy ra sự thay thế đồng hình của Fe3+ thay Al3+ thì cơchế còn phức tạp hơn

1.1.2 Thành phần hóa và khoáng vật:

Theo thành phần hóa và khoáng vật cũng như cấu trúc của nó thì cao lanhbao gồm rất nhiều loại khác nhau, trong đó có 28 loại đơn khoáng phổ biến Trongthiên nhiên do thành phần khoáng vật của đá gốc khác nhau, điều kiện tạo thành caolanh cũng không giống nhau (độ pH, độ ẩm, nhiệt độ) nên sản phẩm phong hóa cũngkhác nhau

Trong thực tế, các khoáng vật của mỗi mỏ cao lanh ít khi là một đơn khoáng.Mặc dù có nhiều đơn khoáng song nếu cấu trúc hoặc tính chất của chúng gần giốngnhau thì người ta xếp chúng vào một nhóm Sau đây là một số nhóm khoáng quantrọng đối với ngành gốm sứ:

- Nhóm CAOLINIT: Phần lớn các mỏ cao lanh chứa khoáng chủ yếu là caolinit.

Khoáng caolinit có công thức là: Al2O3.2SiO2.2H2O thành phần hóa của khoáng nàylà: Al2O3: 39,48%; SiO2 : 46,60%; H2O : 13,92%

Thành phần hóa học của hầu hết các mỏ cao lanh ít khi vượt qua giới hạntrên Nếu mỏ cao lanh nào chứa chủ yếu là khoáng caolinit thì chất lượng nó rất cao

- Nhóm MONMORILONIT : Công thức hoá học là:

Al2O3.4SiO2 H2O + nH2O

Mạng lưới tinh thể khoáng này gồm 3 lớp (hai tứ diện SiO4 và một bát diệnAlO6) So với caolinit thì khoáng này có lực liên kết yếu hơn, ở đây các lớp OHnằm bên trong, 3 lớp trên tạo thành gói kiểu kín

- Nhóm khoáng chứa ALKALI:

Công thức hóa học: K2O.3AL2O3.6SiO2.2H2O

Về mặt cấu trúc các khoáng này có mạng lưới tinh thể tương tự như cácsilicat 3 lớp nên các tính chất của chúng rất giống nhau: độ phân tán cao, độ trương

nở trong nước lớn, khả năng hấp thụ trao đổi ion cũng lớn

Trong nhóm này có một số khoáng khác có cấu trúc và tính chất tương tự illit

đó là khoáng hyddrophylit, vermiculite và các dạng thủy mica khác

1.1.3 Tính chất kỹ thuật:

-Thành phần hạt: Nhiều tính chất kỹ thuật của cao lanh phụ thuộc vào kích thước,

hình dạng và tỉ lệ các cỡ hạt Nhìn chung kích thước các hạt cao lanh nằm trong giớihạn phân tán keo (60µm) Kích thước các loại tạp chất bao gồm thạch anh, trườngthạch, mica thường khá lớn

Thành phần và kích thước hạt có tác dụng rất lớn đến khả năng hấp thụ vàtrao đổi ion, tính dẻo, độ co khi sấy, cường độ cũng như diển biến tính chất củakhoáng đó theo nhiệt độ nung

Có nhiều phương pháp xác định thành phần hạt nhưng phương pháp thôngthường nhất là phương pháp lắng trong pipet kiểu Adereasen Với dụng cụ này chophép xác định hàm lượng cỡ hạt 1-2 µm một cách chính xác

- Khả năng trương nỡ thể tích và hấp thụ trao đổi ion: Nhiều tính chất của cao

lanh chủ yếu là do cấu trúc tinh thể nó quyết định Như chúng ta đã biết cấu trúc củacác đơn khoáng rất khác nhau Sự khác nhau về cấu trúc của các đơn khoáng dẩnđến sự liên kết giữa các nguyên tố nhất là mối liên kết giữa Al-OH hoặc liên kết O-

H ở các đơn khoáng sẽ khác nhau Điều này chứng minh rỏ nhất là khi nghiên cứu

sự thay đổi cấu trúc lúc đốt nóng bằng phương pháp nhiệt vi sai Caolinit mất nước

hóa học trong khoảng 550 -600 C, monmorionit với cấu trúc 3 lớp lại mất nước liênkết hóa học ở nhiệt độ cao hơn khoảng 650 – 700oC.

Trong thiên nhiên cấu trúc của các silicat rất phức tạp, do có sự thay thế đồnghình của các cation trong các lớp nên đã làm thay đổi lực liên kết giữa các nguyên

tố Điều này dẫn đến sự thay đổi tỉ lệ giữa chúng nên diện tích của các cation trungtâm trong từng lớp và giữa các lớp bị thay đổi đó chính là nguyên nhân gây nên sựkhác nhau về khả năng hấp thụ trao đổi, độ trương nở thể tích của các đơn khoáng

- Đặc tính của cao lanh khi có nước: Cao lanh là tổ hợp của nhiều hạt mịn với kích

thước hạt rất khác nhau, bề mặt riêng của chúng lớn, hệ thống ống mao quản trongchúng vừa lớn vừa phức tạp do đó có khả năng tự hút ẩm khi để trong không khí

Khi trộn thêm nước vào cao lanh, tùy thuộc hàm lượng nước thêm vào màtính chất hỗn hợp sẽ rất khác nhau (ít dẻo, rất dẻo, chảy dẻo, chảy thành dòng liêntục) Đặc tính đó gọi là độ dẻo

Theo phân loại của lưu biến học, cao lanh là vật liệu biến dạng dẻo, độ dẻocủa cao lanh khi trộn với nước là khả năng giữ nguyên hình dạng khi chịu tác dụngcủa lực bên ngoài mà không bị nứt

Độ dẻo của hỗn hợp là do ảnh hưởng của nhiều quá trình hóa lý phức tạpdưới tác dụng của nhiều yếu tố khác nhau xảy ra đồng thời, tuy nhiên chúng ta cóthể thừa nhận tính dẻo do các hiện tượng chính sau đây gây nên:

+ Hiên tượng (khả năng) trượt lên nhau của các hạt có hình dạng và kíchthước khác nhau Khả năng trượt lên nhau càng dễ dàng khi các hạt hấp thụ đủ nước

và các cation hấp thụ trao đổi (ion lạ)

+ Hiện tượng dính kết các hạt với nhau thành một khối

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ dẻo:

+ Độ lớn và đặt biệt là hình dạng các hạt

+ Cấu trúc của khoáng đặc biệt là yếu tố điện tích của các ion trung tâm vàkhả năng thay thế đồng hình của các cation trong các lớp cũng là yếu tố cơ bảnquyết định tính dẻo

Khi nghiên cứu đồng thời ảnh hưởng của hàm ẩm và lực tác động bên ngoàiđến tính chất của hệ chúng ta sẽ thu được kết quả: Ứng với một hàm ẩm nhất định

khi lực bên ngoài đạt đến một giá trị tới hạn thì hệ cũng sẽ có hiện tượng chảy, lưubiến học gọi lực tới hạn đó là giới hạn chảy Đối với cao lanh nói riêng và phôi liệugốm sứ nói chung thì lực tới hạn cần đủ lớn để khi có lực bên ngoài xuất hiện ứngsuất cắt song không xuất hiện dòng chảy Nói cách khác là lực tới hạn phải lớn hơnứng suất cắt.

Khi lượng nước đủ lớn thì hồ cao lanh lại chảy thành dòng lien tục Có thểxác định giới hạn chảy trực tiếp bằng nhiều cách khác nhau, nhưng trong côngnghiệp gốm sứ để đơn giản hơn, chúng ta chỉ xác định gián tiếp giới hạn chảy thôngqua chỉ số dẻo

Có nhiều phương pháp xác định chỉ số dẻo, trong thực tế sản xuất thường xácđịnh chỉ số dẻo theo vica chuẩn (hay côn chuẩn Ribinde) để xác định giới hạn chảy

và xác định giới hạn lăn theo phương pháp cổ điển (trộn cao lanh với nước rồi lăntrên kính bằng tay thành sợi có ø = 2 – 3 mm, để nó tự đứt thành đoạn nhỏ cỡ 1 – 3mm

Chỉ số dẻo là hiệu số độ ẩm của giới hạn chảy và giới hạn lăn Phương phápnày nhanh, đơn giản nhưng kết quả phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người làm

Ngoài ra con có thể xác định chỉ số dẻo bằng các phương pháp sử dụng dụng

cụ của Perfferkorn

- Cường độ mộc: Độ bền của mộc ở trạng thái sấy khô cũng như cường độ kéo dẻo

là những chỉ tiêu kỹ thuật rất quan trọng và biểu thị gián tiếp đặc tính dẻo của caolanh Cường độ kéo dẻo lớn tức là lực liên kết lớn điều đó có nghĩa là nguyên liệu

có độ dẻo cao

1.1.4 Sự biến đổi của cao lanh khi nung:

Mặc dù thành phần khoáng vật của cao lanh rất phức tạp, song khoáng chính

và phổ biến nhất trong chúng là: laolinit Lúc bị nung nóng ở các khoáng sẽ xãy radiển biến rất phức tạp bao gồm các quá trình lý hóa, thường xãy ra kế tiếp nhau hayxãy ra cùng lúc và chúng có lực tác dụng tương hỗ lẩn nhau Có thể xãy ra các hiệntượng chính sau:

- Biến đổi thể tích kèm theo mất nước lý học

- Biến đổi thành phần khoáng bao gồm mất nước hóa học, biến đổi cấu trúctinh thể khoáng cũ.

- Các cấu tử phản ứng với nhau để tạo ra pha mới

- Hiện tượng kết khối

Để khảo sát diển biến lúc nung của các khoáng chúng ta có thể sử dụng nhiềuphương pháp riêng biệt hay kết hợp các phương pháp để thu được kết quả với độ tincậy cao hơn Các phương pháp thường dùng là:

- Phương pháp nhiệt vi sai (DTA – DTG)

- Phương pháp nhiểm xạ Rontgen

- Phương pháp xác định đường cong co và giãn nở liên tục qua kính hiển vinhiệt độ cao hoặc bằng đilatomet

- Phương pháp thạch học dùng các loại kính hiển vi để quan sát sự thay đổicấu trúc của mẩu nung

Các phản ứng xãy ra trong quá trình nung cao lanh không những phụ thuộcvào nhiệt độ nung cực đại mà còn phụ thuộc vào tốc độ nâng nhiệt độ và cả thờigian lưu ở nhiệt độ cực đại Mặt khác lượng tạp chất cũng giữ vai trò quan trọng.Như vậy sự diễn biến lúc nung và các tính chất của sản phẩm nung đều phụ thuộcvào các dự kiến đã nói trên.Các phản ứng xãy ra lúc đầu là ở trạng thái rắn song rấtnhiều trường hợp có thể có mặt pha lỏng Phản ứng thường không thực hiện đếncùng vì ít khi đạt được sự cân bằng pha

Tính chất kỹ thuật của cao lanh quyết định khả năng và phạm vi sử dụngchúng Để sử dụng nó hợp lí cần nghiên cứu các tính chất đó một cách chính xác để

từ đó xây dựng các tiêu chuẩn nhà nước thuộc các khâu khai thác, bảo quản và sửdụng chúng trong lĩnh vực công nghiệp gốm sứ, vật liệu chịu lửa, công nghiệp giấy,chất độn cho công nghiệp nhựa, sơn, phân bón phức hợp,v.v…

1.1.5 Cao lanh Việt Nam và thực trạng khai thác cao lanh ở nước ta.

Cao lanh Việt Nam hình thành theo kiểu tàn dư, là cao lanh nguyên sinh nênhạt thô, thành phần hóa học khá thuần khiết (rất gần với thành phần đá gốc), đặc biệt

có mỏ có độ trắng cao như Hữu Khánh đạt độ trắng gần 90% so với BaSO4 thíchhợp cho công nghiệp gốm sứ

Cao lanh của ta khá nhiều kiềm (Na2O, K2O) không dùng được cho côngnghiệp vật liệu dầu lửa Riêng mỏ cao lanh Tấn Mùi hình thành theo kiểu biến chấttrao đổi (quarzit thứ sinh) Những vĩa sạch có thành phần caolinit, hàm lượng Al2O3

đạt 38% sử dụng cho vật liệu chịu lửa samot A rất tốt Cao lanh của ta có độ minkém, ít dẻo, không thích hợp cho công nghiệp giấy cao cấp, trừ một số vĩa đặc biệtcủa mỏ cao lanh Tân Dương

Những năm gần đây, ở nước ta, nhu cầu sử dụng cao lanh trong lĩnh vực sảnxuất vật liệu rất lớn, khoảng 400000 tấn/năm Ngoài ra các ngành sản xuất gốm sứ,thủy tinh cũng đòi hỏi phải đầu tư vào hàng nghìn tấn nguyên liệu cao lanh chấtlượng cao

Lần đầu tiên các nhà khoa học Viện khoa học vật liệu (Viện khoa học vàcông nghệ Việt Nam) đã nghiên cứu chế tạo thành công quy trình công nghệ và thiết

bị tuyển lọc cao lanh phù hợp với đặc điểm của từng mỏ cao lanh trong nước Côngnghệ này đã được ứng dụng ở mỏ A Lưới (Thừa Thiên Huế), mỏ Ngọt (Phú Thọ)mang lại hiệu quả cao, không có sản phẩm thải, tận thu tối đa nguyên liệu khoángsản Sản phẩm cao lanh sản xuất trên công nghệ dây chuyền này có chất lượng cao,

ổn định, phù hợp với tiêu chuẩn nguyên liệu trong nước và quốc tế, không phải phụthuộc vào nguồn nguyên liệu nhập ngoại với giá thành cao

Hiện nay nước ta có nhiều cơ sở sản xuất gạch ceramic, granit, sứ vệ sinh cócông nghệ tiên tiến, công suất lớn, hằng năm cần hàng ngàn tấn nguyên liệu caolanh Nhưng đáng tiếc là các cơ sở khai thác, chế biến cao lanh trong nước khôngđáp ứng được nguồn nguyên liệu chất lượng cao, nên các cơ sở sản xuất gốm sứphải nhập khẩu hàng chục nghìn tấn cao lanh mổi năm từ Pháp với giá 200USD/tấn

Nguyên nhân cơ bản của nghịch lý này là ở nước ta chưa có một cơ sở khaithác và tuyển lọc cao lanh theo quy trình công nghệ tiên tiến, chủ yếu là làm thủcông, quy mô nhỏ lẻ Tình trạng trên đã không đáp ứng được nhu cầu nguyên liệusản xuất trong nước mà còn gây lãng khí, tổn thất lớn nguồn cao lanh của đất nước

Theo dự báo của ngành xây dựng: Vào năm 2005 – 2010 nhu cầu tiêu thụ caolanh cho sản xuất gốm sứ xây dựng cao cấp sẽ tăng gấp hai nhu cầu hiện nay, do đó

vấn đề khai thác và tuyển lọc cao lanh nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, hiệusuất thu hồi và sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên càng trở nên cấp bách

Việt Nam có nguồn nguyên liệu cao lanh phong phú, hiện nay có 123 mỏ vàđiểm quặng cao lanh với trữ lượng khoảng 397,5 triệu tấn, trong đó một số mỏ đãđược đưa vào khai thác 150000 tấn/năm sau khi tuyển tách là khoáng chất côngnghiệp được sử dụng rộng rải trong nhiều ngành công nghiệp như giấy, vật liệu chịulữa, thủy tinh, gốm sứ, xi măng, cao su, chất dẻo,…

Trong tương lai, cao lanh còn được sử dụng trong xử lý nước, sinh hóa, vậtliệu tổ hợp bền nhiệt cho sản xuất ô tô, bê tông nhẹ Cao lanh trong tự nhiên lẫnnhiều đá mẹ, các tạp chất hữu cơ và oxit kim loại, vì vậy cần tuyển tách mới có cácsản phẩm cao lanh đáp ứng yêu cầu sử dụng

Không chịu bó tay trước thực tế, các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học vậtliệu đã tập trung nhiều công sức nghiên cứu tìm hiểu và thiết kế công nghệ thíchhợp cho từng mỏ cao lanh ở nước ta

Để xây dựng quy trình công nghệ tuyển lọc cao lanh phù hợp với đặc điểmcao lanh Việt nam nói chung và các mỏ nói riêng, nhóm nghiên cứu đã phối hợp vớiHội tuyển khoáng Việt Nam đi đến các vùng Quảng Ninh, Hải Dương, Lào Cai, PhúThọ, Yên Bái, Đà Lạt, Huế tìm nguồn gốc địa chất, lấy mẩu nghiên cứu Hiện nay,quy trình công nghệ tuyển lọc cao lanh đã đưa vào vận hành với công suất từ30000-90000 tấn quặng cao lanh thô/năm và có thể mở rộng theo yêu cầu sản xuấtmỗi cơ sở Từ cao lanh thô cho vào khoang chứa với nhiệm vị cung cấp cao lanhđều đặn cho dây chuyền đến thiết bị đánh tơi, chà sát, đưa đến thiết bị phân cấp từxoắn để phân loại thạch anh.Các sản phẩm này được chuyển đến bộ phận tuyểnxyclon dùng tách tạp chất loại hạt mịn ra khỏi cao lanh, đưa đến bộ phận lọc sắt rakhỏi cao lanh Sau đó tất cả sản phẩm này đưa vào hệ thống lắng lọc và máy sấy khôchuyển ra ngoài

Công nghệ hoàn thiện có giá thành chi bằng 50% - 60% so với thiết bị nhậpngoại Sản phẩm cao lanh qua công nghệ này, chất lượng sảm phẩm đạt chỉ tiêu kinh

tế, kỹ thuật cao, giá thành cao hơn từ 2-3 lần so với sản phẩm lọc bằng phương phápthủ công, chỉ bằng 1/2 giá thành nhập ngoại Việc mở rộng sản xuất đã làm tăng

ngân sách cho địa phương, chủ động nguồn nguyên liệu cho sản xuất trong nước vàgóp phần thực hiện công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước

Bảng 1.2 Chất lượng một số Caolanh của nước ta

Loại Minh TânCaolanh Hữu KhánhCaolanh

Nguồn gốc Đá mẹ là keratophyt phonghoá tàn dư Pegmatit, granit phong hoá tàndưThành phần khoáng và hoá chủ

yếu

Caolinit ít thuỷ mica và thạch

anh Caolinit điển hình

Màu sắc sau khi nung Màu vàng nhạt Rất trắng

Phạm vi sử dụng Sứ dân dụng và cách điện Sứ dân dụng cao cấp, côngnghiệp giấy

(phải nghiền thêm)

Bảng 1.1 Tính chất, thành phần hoá học trung bình của caolanh và đất sét

Thành phần

tính chất Yên Bái

Sơn Mãn (Lào Cai)

Quảng Bình

Đèo Le (Quảng Nam)

Pren (Đà Lạt)

Sóc Sơn (Hà Nội)

Hương Châu (Hà Tĩnh)

Sơn Dương (Lâm Đồng)

Eo Gió (Đà Lạt)

1.1.6 Khái niệm và thành phần tinh bột cao lanh:

Cao lanh (kaolin) là một khoáng sản phi kim được hình thành do quá trìnhphong hoá của phenpat, chủ yếu là octodaz và anbit Quá trình phong hoá trên đượcgọi là quá trình cao lanh hoá

Thành phần hoá học cao lanh:

- Công thức hoá học Al2O3.2SiO2.2H2O

- Thành phần lý thuyết : Al2O3: 39,48% , SiO2 : 46,60%, H2O : 13,92%

1.1.7 Tính chất tinh bột cao lanh :

Kích thước hạt: dài rộng khoảng 0,1 – 1; dày khoảng 0,02 – 0,1, axit silic có công thức: H2AlSiO8H2O trộn với nước, cao lanh biến thành một dạng bùnnhão, dẻo dạng hồ, hoà loãng để khuếch tán trong H2O

nhôm-Dưới góc độ hoá học, phepat phân giải thành cao lanh theo phương trìnhphản ứng sau:

K2O.Al2O3.6SiO2 + CO2 + H2O - > Al2O3.2SiO2.2H2O + K2O3 + 4SiO2

CaO.Al2O3.6SiO2 + CO2 + H2O - > Al2O3.2SiO2.2H2O + CaCO3 + 4SiO2

Trong quá trình phong hoá, do tác động của CO2 và H2O liên kết giữa Al2O3

và SiO không bị bẻ gãy và rất bền vững, do đó phân tử cao lanh chịu thuỷ phân cao,

không hòa tan trong H2O và trầm tích thành mỏ có lẫn SiO2 Đối với phenpat kiềmthổ, ngoài SiO2 còn lẫn CaCO3 (nếu pH của môi trường phong hoá nhỏ hơn 7 thìCaCO3 từ từ phân giải cho CaO và cho CO2 Chính CO2 này lại là tác nhân tiếp tụcphong hoá phenpat).

Ứng dụng cao lanh: được sử dụng trong các lĩnh vực sau

- Công nghiệp dược, mỹ phẩm, giấy, gốm sứ, vật liệu chịu lửa, luyện kim

- Sản xuất gạch ceramic, chất tẩy trắng dầu mỡ, sứ cách điện, tổng hợpZeolit…

1.2 GIỚI THIỆU QUI TRÌNH QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TINH BỘT CAO LANH:

Việc tuyển khoáng là tổ hợp các quá trình gia công khoáng sản và phân táchkhoáng vật Quặng cao lanh là một khoáng vật, có nhiều phương pháp tuyển lọc caolanh, một trong số đó là phương pháp thủy lực Dây chuyền này đã tự động hóa đến70%

Quy trình tuyển lọc cao lanh bằng thủy lực trải qua nhiều công đoạn khácnhau Nguyên lý chung sử dụng lực của dòng nước chảy để loại bỏ tạp chất, trong

đó phương pháp đánh tơi và chà xát và phân cấp xyclon thủy lực kết hợp với tuyển

từ ướt là những bước cơ bản Có thể chia quy trình này thành 3 công đoạn chính là :công đoạn đập nghiền sàn phân cấp, công đoạn tuyển phân tách và công đoạn phụtrợ, cụ thể ở đây là cô đặc và sấy khô sản phẩm

Đầu tiên quặng cao lanh được chà xát thủ công rồi qua băng tải cấp liệu 1 đổvào phiễu cấp liệu đĩa, với tốc độ quay từ 20 - 30 v/p, dưới tác dụng của lực văng lytâm vật liệu đựợc chuyển qua băng tải cấp liệu 2, từ đây dòng cao lanh tiếp tục đượcđưa vào đánh tơi, từ đó qua lưới của sàn quay, các hạt vật chất có đường kính > 3

mm bị thải ra ngoài Hòa trộn với dòng nước các hạt mịn nhỏ hơn tiếp tục chảy vàovết xoắn phân cấp, thiết bị này gồm vết xoắn đặt trong lòng máng Khi vít quaychúng thực hiện sự phân loại Những hạt nhỏ dưới 0,25 mm cùng với nước tràn quacuối máng, còn hạt to hơn được vít xoắn đẩy lên đầu máng ra ngoài theo máng thảicát

Từ vít xoắn phân cấp, dòng liệu được đổ vào bể chứa trung gian và từ đây nóđược hút lên các xyclon thủy lực bằng hệ thống máy bơm Hệ thống máy bơm vàxyclon thủy lực là thiết bị phân cấp vật liệu dạng tinh lọc, cỡ hạt từ 5-150 μm, đểm, đểlàm đặc bùn cao lanh, tách cát trong quá trình tuyển lọc Dòng liệu được chia làm 2dòng, các hạt to hơn do chịu lực ly tâm văng vào dòng bùn ngoài, các hạt mịn ởdòng bên trong do đó sản phẩm trào ra ở các xyclon gồm hai dòng cát thô và chảymịn Dòng nước mịn này được đưa vào máy khử sắt để tuyển từ Các tạp chất có từtính bị giữ lại ở đế sắt, còn khối liệu sạch được đổ vào bể cô đặc Tại bể các khốiliệu cao lanh từ từ lắng xuống, và công nghệ tuyển cao lanh tinh chất cơ bản hoànthành

Công đoạn tiếp theo là loại bỏ nước ra khỏi khối liệu lắng ở bể chứa bằng hệthống bơm bùn bơm hút khối liệu bằng áp lực cao đến máy ép khung bản nhằm épnước ra khỏi cao lanh Cao lanh được ép thành từng bánh có độ ẩm từ 22-27%, tùytheo yêu cầu sử dụng các bánh cao lanh thành phẩm tiếp tục giữ nguyên độ ẩm hayđược sấy khô

1.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHUẤY TRỘN CAO LANH

1.3.1 Lý thuyết khuấy trộn:

1.3.1.1 Khái niệm chung về khuấy trộn :

Quá trình khuấy hệ lỏng là quá trình rất thường gặp trong công nghiệp (nhất

là trong công nghiệp hoá chất và những ngành công nghiệp tương tự: công nghiệpthưc phẩm, công nghiệp luyện kim, công nghiệp vật liệu xây dựng, công nghiệp hoádược, công nghiệp nhẹ ) và trong đời sống hằng ngày Quá trình khuấy có thể đượcthực hiện trong các ống có dòng chất lỏng chảy qua, trong các bơm vận chuyển, trênđĩa của các tháp tinh luyện,v.v cũng như trong các thiết bị khuấy hoạt động nhờnăng lượng cơ học đưa vào qua cơ cấu khuấy hoặc nhờ năng lượng của dòng khínén

Quá trình khuấy nhằm mục đích:

1.Tạo ra các hệ đồng nhất từ các thể tích lỏng và lỏng, khí rắn có tính chấtthành phần khác nhau : dung dịch, nhũ tương, huyền phù, hệ bọt,…

2 Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt

3 Tăng cường quá trình trao đổi chất bao gồm quá trình chuyển khối và quátrình hoá học

Thiết bị dùng để khuấy trộn vật liệu gọi là máy khuấy Bộ phận để khuấy trộnvật liệu trong máy khuấy và trong các thiết bị phản ứng gọi là cánh khuấy

1.3.1.2 Chỉ tiêu đánh giá quá trình khuấy:

a Mức độ khuấy (I): là sự phân bố tương hỗ của hai hay nhiều chất sau khi

khuấy cả hệ Mức độ khuấy trộn chính là một loại chỉ tiêu để đánh giá hiệu quảkhuấy và cũng có thể được sử dụng để đánh giá cường độ khuấy

Có thể dùng nhiều công thức khác nhau để tính mức độ khuấy trên cơ sởphân tích các mẩu thử lấy từ thể tích được khuấy, trong số đó công thức của Hixon

và Tenny là thông dụng hơn cả:

I n Xi n

i

/1





 (1.1)Trong đó:

n - số mẩu thử

Xi - nồng độ mẩu thử lần i

Nồng độ mẩu lần thứ i xác đinh theo công thức:

N ếu Φi <Φii <ΦiΦi <Φii

io

i Xi







(1.2a)Nếu Φi <Φii >Φi <Φiio:

io

i Xi

Sm

S Xi







(1-3)Trong đó ΔS, ΔSm -lượng tăng entropi của chất lỏng được khuấy sau thời S, ΔS, ΔSm -lượng tăng entropi của chất lỏng được khuấy sau thời Sm -lượng tăng entropi của chất lỏng được khuấy sau thời gian khuấy và sau khi kh ấy hoàn toàn  =∞

Dạng cụ thể của hàm (1-3) đối với cơ cấu khuấy tuabin được thiết lập nhờ khuấy thực nghiệm hai thể tích một chất lỏng có nhiệt độ khác nhau:

I ek



 1 (1-4)Trong đó:  là thời gian khuấy

K: là hệ số phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds và đại lượng để đocường độ khuấy (k càng lớn thời gian khuấy càng nhỏ)

b.Cường độ khuấy trộn : Người ta dùng một trong các đại lượng dưới đây để

biểu thị cường độ khuấy trộn :

* Số vòng quay n của cánh:V/ph

* Vận tốc vòng v của đầu cánh khuấy: m/s

* Chuẩn Reynolds Rek: đặc trưng cho quá trình khuấy



2

Rek nd (1.5)(d- đường kính cánh khuấy (mm); - độ nhớt động học của môi trường khuấytrộn)

* Công suất khuấy trộn riêng :

- công suất chi phí để khuấy trộn một đơn vị thể tích:

N V V N (1.6)

- công suất chi phí để khuấy trộn một đơn vị khối lượng:

N m V N. (1.7)Trong đó:

N-công suất khuấy trộn (kW)

V- lưu lượng khuấy trộn (m3/s)

- khối lượng riêng của môi trường khuấy trộn (kg/m3)

Bốn chỉ tiêu trên không phải là chỉ tiêu vạn năng mà ứng dụng chỉ tiêu nàotuỳ trường hợp cụ thể Nhưng chỉ tiêu thể hiện đúng đắn nhất cho cường độ khuấy

trộn chính là mức độ khuấy trộn trong đơn vị thời gian

c Hiệu quả khuấy : Được xác định bằng năng lượng tiêu hao để đạt được

hiệu ứng công nghệ cần thiết Đây là chỉ tiêu cơ bản để đánh giá sự làm việc và tínhhoàn thiện của thiết bị khuấy trộn, đồng thời là chỉ tiêu chủ yếu dùng chọn trạng tháilàm việc tối ưu và kích thước tối ưu của máy khuấy

Tuy nhiên để tính hiệu quả khuấy trộn, cần thiết phải biết phương trình xácđịnh công suất chi phí cho khuấy trộn, cho cấp nhiệt và cho chuyển khối ở trong cácloại thiết bị khuấy trộn

2.1 YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI MÁY CẦN THIẾT KẾ :

Ngoài các yêu cầu về độ cứng, độ bền, rung động, hiệu quả kinh tế cao còn

có phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Khả năng thực hiện quá trình tiên tiến, giảm nhỏ nhất những tổn thất khôngtránh khỏi có thể được Tính công nghệ của máy và phương pháp chế tạo tối ưutheo qui mô sản xuất với mọi cách tiết kiệm vật liệu

- Độ bịt kín tốt và sự di chuyển cao lanh trong quá trình khuấy phải đảm bảo

an toàn Những yêu cầu đối với máy và thiết bị đảm bảo an toàn và vệ sinh sảnxuất Tiếng ồn phát sinh trong máy không được vượt quá mức cho phép

- Sự hoàn chỉnh kỹ thuật là thời hạn mà thiết bị đáp ứng mức kỹ thuật hiện đạitheo những chỉ tiêu cơ bản của nó Độ tin cậy đó là tính chất của máy thực hiệnchức năng đã biết bảo toàn được các chỉ tiêu sử dụng của nó trong thời hạn làmviệc yêu cầu

2.2 CÁC LOẠI CƠ CẤU KHUẤY:

Các cơ cấu khuấy trong trường hợp chung nhất có thể chia thành cơ cấukhuấy chậm và cơ cấu khuấy nhanh

-Loại quay nhanh gồm cơ cấu khuấy tuabin (hình k,l) cơ cấu khuấy chân vịt(hình h,i) và các kiểu cơ cấu khuấy chuyên dùng, thí dụ loại đĩa, loại bản…Tuỳthuộc vào hình dạng cánh và phương pháp xếp đặt mà các cơ cấu này có thể tạothành các dòng lỏng hướng kính, hướng trục và hướng trục-kính

Cơ cấu khuấy nhanh thường làm việc trong thiết bị có tấm chắn, tấm chắn sẽ tạo ra

sự chảy xoáy trong thiết bị và không cho hình thành phễu

-Loại quay chậm gồm cơ cấu khuấy loại bản (hình b, d) loại tấm (hình a) loại

mỏ neo (hình f) và loại khung (hình m) Chúng chu yếu tạo ra dòng lỏng vòng (dòngchảy tiếp tuyến), có nghĩa là chất lỏng quay quanh truc thiết bị Trong nhóm này có

cả cơ cấu khuấy băng và cơ cấu khuấy vít tải

-Ngoài các cơ cấu nêu trên còn có một số cơ cấu khuấy có cấu trúc đặc biệt, thí

dụ như cơ cấu khuấy tạo ứng suất cắt lớn (thực ra là một dạng riêng của cơ cấukhuấy tuabin), cơ cấu khuấy chán động và cơ cấu khuấy cào

Hình 2.1: Các loại cánh khuấy

2.3.1 Phương án máy khuấy cánh có tiết diện hình chữ nhật :(Hình 2.2)

- Là thiết bị trộn cơ khí có cánh tiết diện hình chữ nhật, cơ cấu cánh khuấythẳng phân bố hướng kính Các cánh có thể gắn vào các đĩa tròn bằng cách hàn hoặcbằng bulông Để tạo dòng lỏng hướng trục các cánh phẳng cần nghiêng đi một góc

 xác định so với mặt phẳng quay của cơ cấu, thường là 450

- Khi lắp một cánh khuấy lên trục có thể lấy: ([5]-2.9-38)

d d

d d

d

Hình 2.2 Sơ đồ máy khuấy cánh

Đặc trưng môi trường khuấy : khối lượng riêng  = 800-1900kg/m3; độ nhớtcủa môi trường khuấy  = 0,001 – 4 Pas

- Vận tốc vòng thích hợp của đầu cánh: 12- 3,5 (m/s)

- Phạm vi sử dụng: hoà tan và nhũ tương hoá các chất lỏng; huyền phù hoá vớinồng độ tới 80%;

- Ưu điểm: chúng đơn giản và rẻ tiền nên được sử dụng rộng rãi

- Nhược điểm: chất lỏng dịch chuyển hướng trục không đáng kể, tạo thànhdòng và khả năng ứng dụng của chúng chỉ đối với chất lỏng có hệ số độ nhớt độnglực  đến 1N.S/m2

- Theo cấu tạo, của máy khuấy cánh lại được chia ra máy khuấy có thùng chứanằm ngang và thẳng đứng loại tấm, hình lược, khung, liên hợp của các loại khác

- Máy khuấy cánh có thùng chứa nằm ngang là hình trụ nằm ngang, dọc tâmthùng là trục có lắp vài dãy cánh hướng tâm (đôi khi là những cánh định hình) Tăng

độ nhớt của sản phẩm trộn thì số dãy cánh hướng tâm tăng lên

- Máy khuấy cánh có thùng chứa thẳng đứng là thùng có trục thẳng đứng gắncánh quạt Để cải tiến việc khuấy trộn thì cánh đặt nghiêng với mặt nằm ngang mộtgóc 30o – 45o, đồng thời mỗi cặp cánh bố trí lệch đi một góc vuông đối với cặp cánhbên cạnh Do kết quả đó mà chất lỏng trộn ở trong thùng khuấy được hình thànhdòng hướng trục Số vòng quay của những máy trộn cánh tương tự được chọn tronggiới hạn từ 20 – 100 vòng/phút Trị số nhỏ của số vòng quay được dùng đối với máykhuấy có kích thước lớn

2.3.2 Phương án máy khuấy mỏ neo (hình 2.3):

- Là máy khuấy cánh có hình dạng phù hợp với thùng chứa và thường là hìnhcầu Máy khuấy mỏ neo gồm thùng chứa hình trụ, cánh mỏ neo trên trục thẳng đứng

và bộ dẫn động

- Cánh của máy khuấy mỏ neo có thể có hình dạng phức tạp Những cánh nhưthế có thể đúc bằng gang, song với mục đích tránh ăn mòn kim loại trong môitrường hoạt tính, trong đa số chúng được phủ men hay những chất phủ bảo vệ khác.Đôi khi người ta có thể chế tạo cách mỏ neo bằng gốm hay vật liệu cao phân tử.Cánh mỏ neo co hình dạng phức tạp có độ bền cơ học cao, có thể dùng để khuấytrộn sản phẩm có hệ số nhớt động lực vượt quá 1N.s/m2 .

- Máy khuấy mỏ neo có những kích thước tương ứng cơ bản sau: ([5]-2.9-38)

Hình 2.3 Sơ đồ máy khuấy mỏ neo

- Đặc trưng môi trường khuấy: khối lượng riêng  = 800-1900kg/m3; độ nhớt

 = 0,001 – 10 Pas

- Phạm vi sử dụng: Khuấy chất lỏng nhớt và nặng, kể cả các chất lỏng phiNiutơn Số vòng quay thấp thường 20-80v/p, vận tốc vòng không vượt quá 0,5-1,5m/s

- Ưu điểm: độ hở giữa các cánh và thành thùng thường trong khoảng

e = (0,0050,1)D nên tránh được sự đốt nóng cục bộ (khi trao đổi nhiệt nhờ vỏ bọc)hay tránh được sự lắng đọng cặn ở đáy thùng

2.3.3.Phương án máy khuấy chân vịt (hình 2.4):

- Đặc điểm khuấy trộn chất lỏng bằng cánh khuấy chân vịt làm tất cả chất lỏng ở

trong thùng chứa được khuấy trộn nhiều lần qua cánh chân vịt

Máy khuấy chân vịt có cánh khuấy dạng giống như hai cánh quạt máy bay hay

ba cánh quạt của chân vịt tàu thuỷ Trong đa số trường hợp, người ta dùng chân vịt 3cánh quạt để khuấy trộn chất lỏng trong thùng chứa có thể tích đến 200m3 Đối vớinhững thùng chứa nhỏ thể tích đến một trăm m3 dùng chân vịt 2 cánh quạt, songtrong trường hợp đó hệ số nhớt động lực cho phép lớn nhất của chất lỏng khôngvượt quá 0,5-0,7 N.s/m2.Đối với chất lỏng khuấy trộn có thể tích lớn và những quátrình đòi hỏi có áp suất lớn thì người ta dùng chong chóng (chân vịt) có 4 cánh haynhiều hơn nữa Cánh chân vịt là một bề mặt xoắn ốc, nghiêng đối với mặt phẳngnằm ngang một góc  thay đổi theo hướng từ trục quay đến mép cánh từ 0  900, đểđảm bảo tạo ra dòng chất lỏng hướng trục rất lớn và tạo nên hiệu ứng bơm, rút ngắnthời gian khuấy trộn

- Phụ thuộc vào góc quay của cánh chong chóng (đường vít trái hay phải)người ta phân biệt 2 loại cánh chân vịt:

a- Cánh khuấy hút chất lỏng từ đáy và đẩy lên bề mặt (<Φiα>90>900)

b- Cánh khuấy hút chất lỏng từ bề mặt và đẩy nó về phía đáy (<Φiα>90 <Φi90o)

- Khi khuấy chất lỏng có hệ số độ nhớt µ đến 0,5 N.s/m2 người ta thường quyếtđịnh số vòng quay của cánh khuấy chân vịt trong giới hạn từ 400 đến 1750vòng/phút

- Để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt lớn và những chất lỏng có chứa chất lơlửng tạo thành bọt, thì người ta chọn số vòng quay từ 150 đến 400 vòng/phút

- Các kích thước của máy khuấy chân vịt: ([5]-2.9-37)

t- Bước của cơ cấu khuấy chân vịt, xác định theo công thức

t= 2..rk.cotg với  là góc nghiêng tại bán kính rk so với trụcquay của cơ cấu

B

D

Hình 2.4 Sơ đồ máy khuấy chân vịt

- Phạm vi sử dụng: hoà tan và tạo nhũ tương hoá các chất lỏng, huyền phù hoávới nồng độ hạt rắn tới 50%, khuấy đảo bùn có nồng độ hạt rắn tới 10% và kíchthước hạt tới 0,1 mm; khuấy các vật liệu sợi: san bằng nhiệt độ; tăng cường quátrình trao đổi nhiệt

- Đặc trưng của môi trường khuấy: khối lượng riêng  = 800-1900kg/m3; độnhớt  = 0,001 – 4 Pas

- Máy khuấy chân vịt: sự tính toán thiết kế và chế tạo chúng phức tạp Thùngchứa có đáy lồi vì thùng chứa có đáy phẳng và đáy lõm thì sự khuấy trộn kém Phụthuộc chiều cao mực chất lỏng khuấy trộn trong thùng chứa, máy có thể là một tầnghay nhiều tầng

2.4 PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.

Cho tới nay chưa có một tiêu chuẩn vạn năng để lựa chọn cơ cấu khuấytương ứng cho quá trình đã cho Cho nên khi lựa chọn cơ cấu khuấy cần phải lưu ýđến các kinh nghiệm thu lượm được ở các hệ thống công nghiệp cũng như ở thiết bịthí nghiệm Cách lựa chọn này rõ ràng không tối ưu và thường không loại trừ đượccác yếu tố chủ quan do tập quán đã dẫn đến làm phức tạp công nghệ hiện hành Cáctham số vật lí của chất lỏng mà trước hết độ nhớt đóng vai trò quan trọng khi lựachọn cơ cấu khuấy Nói chung thường dùng cơ cấu khuấy vận tốc cao để khuấy trônchất lỏng có độ nhớt thấp và sử dụng cơ cấu khuấy quay chậm để khuấy trộn chấtlỏng có độ nhớt cao

Máy khuấy trộn cao lanh có dung tích (5x5x5)m Ta chọn loại máy khuấycánh chân vịt, với chiều dài cánh khuấy 2m, số lượng cánh 2, kiểu thùng khuấy đặtthẳng đứng để thiết kế.

Thỏa mản các điều kiện của máy khuấy cánh chân vịt

Chọn cánh có hình dạng và kích thước như sau:

Hình 2.5:cánh khuấy chân vịt

Máy khuấy có thùng chứa đứng có nhiều kiểu truyền động khác nhau, nên taphân tích để chọn phương án thiết kế bộ truyền hợp lý với yêu cầu kỹ thuật của máyxét trên tính ưu việt và tính kinh tế

2.4.1 Phương án 1 :

Ø

120

10 10

50 30

= 10

d

gân

Là phương án công xôn, máy khuấy trộn có thùng chứa với bộ truyền bánhrăng côn, bộ truyền đai và hộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp, động cơ đặt nằmngang.

- Ưu điểm: do thiết kế bộ truyền đai nên hộp giảm tốc đơn giản, chạy êm Bộtruyền đai có kết cấu nhỏ gọn, đơn giản và có thể giử an toàn cho các chi tiết máykhác khi bị quá tải đột ngột

- Nhược điểm: Khó bôi trơn hộp giảm tốc Chuyển động của lượng dầu gâyrung động hộp giảm tốc gắn trên nắp thùng Trục khuấy phải lớn nên không kinh tếmặt khác do trục khuấy dài nên hệ thống sẽ rung khi hoạt động

4- Hộp giảm tốc 5- Bộ truyền đai

Là phương án có gối đỡ cụm trục khuấy và cánh khuấy ở đáy Máy có hộpgiảm tốc hai cấp, bộ truyền bánh răng nón răng thẳng và bánh răng trụ răng thẳng.

- Ưu điểm: truyền động êm , không gây ồn như bộ truyền đai Trục khuấy chỉchịu xoắn thuần tuý nên trục sẻ nhỏ hơn nên kinh tế hơn, hệ thống vững hơn

- Nhược điểm: Hộp giảm tốc cồng kềnh do có hai trục vuông góc nhau, khóchế tạo Khó bôi trơn

3

4

1 2

Là phương án có cụm trục khuấy như phương án hai, nhưng phương án này

sử dụng hộp giảm tốc hành tinh một cấp, sử dụng bộ truyền đai để truyền chuyểnđộng từ hộp giảm tốc đến cụm trục nằm ngang

- Ưu điểm: hộp giảm tốc nhỏ gọn làm, dễ bôi trơn bằng cách ngâm dầu Bộtruyền đai làm cho việc khởi động êm và giữ được an toàn cho các thiêt bị khác khiquá tải

- Nhược điểm: hộp giảm tốc khó chế tạo

1 2

Trong ba phương án trên, theo máy chuẩn, do yêu cầu của máy thiết kế cùngvới yêu cầu thực tế, máy được đặt trên cao thùng để khuấy trộn, do đó cần phải đảmbảo độ cứng vững, dễ bôi trơn hộp giảm tốc, so sánh ba phương án ta chọn phương

án 3 là hợp lý, vì phương án 3 có đầy đủ các ưu điểm của hai phương án trước vàchỉ có nhược điểm là hộp giảm tốc khó chế tao

CHƯƠNG 3 :

THIẾT KẾ MỘT SỐ CƠ CẤU CHÍNH CỦA MÁY

3.1 TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ :

3.1.1 Xác định công suất khuấy trộn cao lanh của trục khuấy :

Từ thực tế, ta chọn trục khuấy quay với số vòng quay n = 45 v/p, chiều dàicánh khuấy là 2m, áp suất tác dụng lên cánh khuấy từ mép cánh là 7 N/cm2 giảmdần vào trong cánh là 0,5 N/cm2 (cách tâm trục 6 cm)

Phương án 1:

Khi quay thì cánh của máy khuấy làm chuyển động thể tích chất lỏng nào đó.Bởi vì cánh có những phần khác nhau nằm cách trục quay các khoảng không giốngnhau, có tốc độ vòng khác nhau và do đó mà tổn thất năng lượng để làm cho chấtlỏng chuyển động cũng khác nhau, ta nghiên cứu sự tác dụng của chất lỏng lên mộtdiện tích phân tố cánh, trong giới hạn đó, tốc độ vòng coi như không đổi

Ta có đường phân bố áp suất trên cánh khuấy là tuyến tính được biểu diễnnhư sau ( hình 3.1): p(r) = a.r +b (3.1)Xét gốc tại đầu cánh cách trục 40cm, ta có hệ phương trình sau :

5 0 0

b a b a b a

Vậy p(r) = 0,0375r + 0,5 (N/cm2), 0  r  120 (cm)

Ta có : Áp suất là hàm có phương trình :

p = a.x+b (N/cm2) (3.2)Lực phân bố là:

dF = p.dS = p.(2r.dx) (cm2) (3.3)Bán kính cũng là hàm tuyến tính có dạng:

Vậy lực tác dụng lên phân tố diện tích:

dF = (ax=b).2r.(cx+d) dx (N) (3.5)

64 56

dx 9 dS

Hình 3.1 Đường phân bố áp suất

 Xét đoạn 0  r  64 (cm) : r(x) = 4 (cm)

p(x) = 0,05x + 0,5 (N/cm2)(xét gốc toạ độ cách trục 6 cm)Lực tác dụng sẽ là :

dx x

dx x

0 , 1 2 64 550

0 2

32 6 (

550 ) 6 (

 Xét đoạn 0  r  56 (cm): r(x) = -0,036x+4 (cm)

p(x) = 0,05357.x+ 4 (N/cm2)

(xét gốc toạ độ là cách trục 70 cm) Lực tác dụng sẽ là :

dx x

x dx

x x

56

0

2 3 56

0

2 ( 0 , 0436 4 )( 0 , 053573 4 ) ( 1 , 93 10 0 , 01757 16 )

57 , 710 16

2 01757 , 0 3

2

56 ).

8 4 (

4 56 2

1 56 3

1 2 56 4 2

56

2 1

2 2 1 1

S x S x

Mômen tác dụng lên cánh khuấy trong đoạn đang xét :

70  710,57.(70 25) 67504,15

M

Công suất khởi động đối với cánh khuấy :

14 , 5 10

60 6 , 1

45 2 1746443 10

60

2 10

.

.

6 6

X X

K

C

n M C

C 2

1 , 6 9 , 0 965 , 0 97 , 0

14 , 5



HGT BTD BR

K CT

N N

v – Vận tốc của chất lỏng, m/s

ρ – Khối lượng riêng của chất lỏng được khuấy, kg/m3

CH – Hệ số tính đến tiêu hao năng lượng do ma sát giữa chất lỏng và

cơ cấu khuấy và giữa chất lỏng với nhau

Công suất tiêu hao trong quá trình khuấy trộn xác định theo công thức côngsuất bơm: ([5]/3-25/73)

N = VB.H = KN ρ.n3.dk (3.13)

Trong đó:

N – Công suất khuấy trộn (W)

KN – là chuẩn số công suất hoặc còn gọi là hệ số công suất, giá trịcủa nó phụ thuộc vào các yếu tố hình học, yếu tố công nghệ của máy khuấy vàphụ thuộc vào bản chất vật lý của môi trường được khuấy (chọn KN = 3.10-3)

Ta có:

Khối lượng riêng của chât lỏng được khuấy là: 250 kg/m

N N





 (W) (3.14)Trong đó : N – Công suất khuấy, W

ηtđ - Hiệu suất truyền động

5015



hđ tđ cđ

N N



Tra trong bảng tiêu chuẩn động cơ điện ta chọn loại động cơ che kín có quạtgió, ký hiệu A02-51- 4; công suất định mức 7,5kW; số vòng quay 1460v/ph,điện áp 220/380V ( [1]- 2P-322)

3.1.2 Phân phối tỷ số truyền :

Tỷ số truyền chung ([1]- 2.9-30)

6 , 1 2 10 44

32 45

1460

BR D HGT t

n

n

Trong đó : iHGT - tỷ số truyền của hộp giảm tốc

iđ - tỷ số truyền của bộ truyền đai

iBR - tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng côn, răng cong

3.2 THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CÔN, RĂNG CONG i = 1,62 :

Truyền động bánh răng thực hiện truyền chuyển động và tải trọng nhờ sự ănkhớp của các răng trên bánh răng

So với các truyền động cơ khí khác, truyền động bánh răng có nhiều ưu điểnnổi bật:

- Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn

- Tỉ số truyền không thay đổi

- Hiệu suất cao, có thể đạt tới 0,97 – 0,99

- Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy

Bánh răng côn dùng để truyền động giữa các trục cắt nhau dưới một góc α>90nào đó, thường là góc vuông.Ít dùng truyền động bánh răng côn có trục khôngvuông góc vì công nghệ chế tạo và lắp ghép phức tạp

[]Notx-Ứng suất tiếp xúc cho phép ([1]-bảng3.9-38) khi bánh răng làm việclâu dài, phụ thuộc độ rắn HB/HRC

  Notx  2 , 6 HB (N/mm2) (3.18)Bánh nhỏ :   Notx1  2 , 6 210  546 (N/mm2)

Bánh lớn :   Notx2  2 , 6 180  468 (N/mm2)

k’N- Hệ số chu kỳ ứng suất tiếp xúc ([1]-3.2-42):

6 '

td

O N

N td  600 2. (3.20)Với n2 - Số vòng quay trong 1 phút của bánh răng đang xét: n2= 45 v/ph

T- Tổng số thời gian làm việc, giả thiết máy làm việc trong 5 năm

(360 ngày 1 năm) mỗi ngày làm việc 8h

14400 8

360



u - Số lần ăn khớp của 1 răng khi bánh răng quay 1 vòng : u = 1

Thay vào ta được :

7 5

N1  2  1 62 38888 106 

Do đó cả hai bộ truyền lấy k’N= 1

Vậy ứng suất tiếp xúc cho phép đối với bánh răng nhỏ và bánh răng lớn :

  tx1  546 1  546 (N/mm2)

  tx2  468 1  468 (N/mm2)

Ta lấy trị số ứng suất cho phép nhỏ để tính toán

2.Ứng suất uốn cho phép

Do bánh răng làm việc 1 mặt (răng chịu ứng suất thay đổi mạch động):

K K

n

K K

, 1

)

6 , 1 4

, 1 (

-1 - Giới hạn mỏi uốn trong chu kỳ, đối với thép -1= (0,40-,45)BR

Bánh nhỏ -1= (0,40-,45)600 = 240 270

-1= 250 (N/mm2)Bánh lớn -1= (0,40-,45)500 = 200 225

-1= 215 (N/mm2)

n - Hệ số an toàn , đối với thép thường hoá n = 1,5

K - Hệ số tập trung ứng suất ở chân răng, K = 1,8

K”N- Hệ số chu kỳ ứng suất uốn ([1]-3.7-44):

m td

O N

N

N

K  (3.22)

NO- Số chu kỳ cơ sở của đường cong mỏi uốn NO = 5.106

Ntd- Số chu kỳ tương đương

m - Bậc đường cong mỏi uốn m = 6

Do Ntđ > No nên 2 bánh răng lấy k”N= 1

8 , 1 5 , 1

1 250 5 , 1

1 215 5 , 1

Chọn L= 0,3

3.2.5 Xác định chiều dài côn L:

Bộ truyền bánh răng côn răng cong, ([1]-3.12-45):

θ’- Hệ số phản ánh sự tăng khả năng tải tính theo súc bền tiếp xúc của bánh răngcong so với bánh răng thẳng θ’= 1,151,35.Chọn θ’= 1,35

 

   

3

2 '

2 6

2

θ 0,85ψ

.

5 , 0 1

10 05 , 1

1

n

N K i

i L

L TX

10 05 , 1

1 62 ,

2 6

62 , 1 45 3 , 0 5 , 0 1 150 2 1

1000 60

) 5 , 0 1 ( 2 1000

.

60

.

2 2

2 1

n d

(m/s).(3.25)

Với vận tốc này tra theo ([1]-bảng3.11-46) có thể chọn cấp chính xác chế tạobánh răng: 9

3.2.7 Định chính xác hệ số tải trọng K:

Hệ số tải trọng K được xác định theo công thức: ([1]-3.19-47):

K K tt.K d (3.26)Trong đó: Ktt - Hệ số tập trung tải trọng, đối với bộ truyền có khả năng chạy mòn(HB350, v<Φi 15 m/s) tải trọng không thay đổi hay thay đổi ít, chọn

Ktt = 1,05

Kd - Hệ số tải trọng động ([1]-bảng3.14-48): chọn Kđ= 1,2

Hệ số tải trọng:

26 , 1 2 , 1 05 , 1

K tt K d

K , có ΔS, ΔSm -lượng tăng entropi của chất lỏng được khuấy sau thời = 3% <Φi 5% nên có thể chấp nhậnđược,

Cho nên chúng ta không cần tính lại chiều dài nón L

Như vậy, có thể lấy chiều dài nón là:150 mm

3.2.8 Xác định môđun (m s ), số răng (Z), chiều rộng bánh răng (b) và góc nghiêng của răng cung tròn (β) :) :

1 Môđun ngang được theo chiều dài nón L: ([1]-3.23-49):

m s 0 , 02  0 , 03.L0 , 02  0 , 03 150  3  4 , 5

(3.27)

Lấy mS = 4 (mm)

2 Sơ bộ chọn góc nghiêng của răng cung tròn β = 350 => cosβ = 0,819

Tổng số răng của hai bánh, ([1]-3.25-49):

i L

L Z

S



(răng) (3.29)

50 35 ( 1 2

1

cos

2 2

i m

3.2.9 Kiểm nghiệm sức bền uốn của răng:

Góc mặt côn lăn  ([1]-bảng3.5-37):

7 , 0 50

tbn u

b n Z m

y

N K

.85,0

10.1,19

50 5 , 0 150 4 5 , 0



L

b L m

, 103 4 , 1 45 120 35 4 492 , 0 85 , 0

1 , 6 2 , 1 10 1 , 19

1 2

492 , 0 7 , 103

2

1 1

  txqt  2 , 5   Notx (3.38)Bánh nhỏ:   txqt1  2 , 5 546  1365 (N/mm2)

Bánh lớn:   txqt2  2 , 5 468  1170 (N/mm2)

b Ứng suất uốn cho phép khi quá tải ([1]-3.46-53):

  uqt  0 , 8 ch (3.39)Bánh nhỏ:   uqt1  0 , 8 300  240 (N/mm2)

N K i

i b

2 / 3 6

85 , 0

1 ).

5 , 0 (

10 05 , 1

(3.40)

 txqt

qt tx

   (3.41)Với Kqt- Hệ số quá tải K = 2

’- Hệ số phản ánh sự tăng khả năng tải tính theo sức bền tiếp xúc của bánhrăng cong so với bánh răng thẳng.’ = 1,151,35

45 50 35 , 1 85 , 0

1 , 6 2 , 1 1 62 , 1 62 , 1 ).

50 5 , 0 150 (

10 05 ,

   (3.42)

4 , 207 2 7 , 103

1 = 340

2 = 560

- Chiều dài côn trung bình : Lm L 0 , 5 b 150  0 , 5 50  125 (mm)

- Đường kính vòng lăn (vòng chia): ([1]-bảng3.2-36):

170 819 , 0

35 4 cos

. 1



Z m

244 819 , 0

50 4 cos

. 2



Z m

- Đường kính vòng đỉnh: ([1]-3.2-36):

178 4 2 170

50 5 , 0 1

5 , 0

50 5 , 0 1

5 , 0

4 25 , 1

25 ,

34 0 0 0 1

i (3.53)

' 22 54 ' 48 1

56 0 0 0 2

i (3.54)

- Góc mặt côn đỉnh răng : ([1]-3.5-37):

' 30 35 ' 30 1

34 0 0 0 1

(3.55)

' 30 55 ' 30 1

54 0 0 0 2

1 , 6 10 55 ,

Hình 3.2 Sơ đồ tác dụng lực của bộ truyền bánh răng côn

 Lực tác dụng lên bánh răng được chia ra 3 thành phần: ([1]-3.52-54):

- Lực vòng:

56 753 66

, 141

53375 2 2

M

1400 3

, 203

142333

2 2

 P tg n