Giáo trình này chỉ trình bày các loại máy trộn thông dụng để tạo hỗn hợp vật liệu đồng nhất.. Các tính chất của vật liệu làm ảnh hưởng đến quá trình trộn Nói chung khi chọn một máy trộn
Trang 1267
CHƯƠNG 17 TRỘN VẬT LIỆU RỜI
1 CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH TRỘN
1.1 Mục đích và ứng dụng
Trộn là một quá trình tạo ra hỗn hợp đồng nhất từ các thành phần chất rắn dưới tác dụng của lực cơ học Quá trình trộn được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: làm tăng quá trình phản ứng hoá học, quá trình truyền nhiệt trong công nghệ sấy, công nghệ polymer hoá chất dẻo trong hoá chất, thực phNm, dược liệu và một số lĩnh vực khác
Giáo trình này chỉ trình bày các loại máy trộn thông dụng để tạo hỗn hợp vật liệu đồng nhất
1.2 Các tính chất của vật liệu làm ảnh hưởng đến quá trình trộn
Nói chung khi chọn một máy trộn, cần xem xét kỹ các tính chất của vật liệu đem trộn như sau:
- Sự phân bố cỡ hạt: sự phân bố cỡ hạt quá rộng sẽ ảnh hưởng đến quá trình trộn Ví dụ trộn một (kg) chất A và năm (kg) chất B sẽ khó trộn hơn so với trộn năm (kg) chất A và năm (kg) chất B
- Khối lượng riêng của vật liệu càng khác biệt nhau càng khó trộn Ví dụ: trộn gạo với đậu xanh thì sẽ khó trộn hơn so với trộn đậu đỏ với đậu xanh
- Hình dạng hạt càng khác biệt nhau về kích thước thì càng khó trộn Ví dụ: trộn đường cát vào bột mì để làm bánh sẽ khó trộn hơn so với khi đem nghiền đường thành bột rồi đem trộn với bột mì
- Tính chất bề mặt hạt: hạt có lực tĩnh điện lớn sẽ khó trộn so với hạt có lực tĩnh điện
bé
- Tính dính: có xu hướng kết dính hạt lại với nhau làm cản trở quá trình trộn
- Độ Nm: vật liệu có độ Nm càng cao thì trộn càng khó đều
- Khối lượng riêng xốp: trong quá trình trộn nếu khối lượng riêng xốp thay đổi càng lớn thì càng khó trộn
- Ngoài ra, còn một số tính chất khác mà trong quá trình trộn sẽ làm ảnh hưởng đến quá trình trộn như: độ dòn, góc ma sát của vật liệu v.v…
1.3 Phương pháp trộn và chỉ tiêu đánh giá mức độ trộn
Khi trộn thì các hạt chịu tác dụng của các lực cơ học có hướng khác nhau làm cho các hạt chuyển động, đồng thời xảy ra sự trộn lẫn các hạt với nhau Quá trình chuyển động của hạt phụ thuộc vào phương pháp trộn, vào máy trộn Có năm quá trình cơ bản xảy ra như sau:
- Tạo ra các lớp trượt với nhau
- Sự chuyển dịch nhóm hạt từ vị trí này sang vị trí khác
Trang 2268
- Thay đổi vị trí từng hạt riêng lẻ
- Thay đổi do va đập vào thành thiết bị trộn
- Biến dạng và nghiền nhỏ từng bộ phận
Để đánh giá độ đồng đều sản phNm sau khi trộn ta dùng khái niệm “Mức độ trộn – S”
Khi trộn khối lượng a của chất A với khối lượng b của chất B để tạo hỗn hợp đồng nhất
AB thì thành phần của chất A và chất B trong hỗn hợp đó là:
b a
a
CA
+
b a
b
CB
+
Để gọi là hỗn hợp lý tưởng thì CA, CB sẽ như nhau ở mỗi phần thể tích Muốn đạt hỗn hợp lý tưởng thì thời gian trộn là vô hạn và không có các yếu tố làm ảnh hưởng đến quá trình trộn
Trong thực tế thời gian trộn là có hạn, do đó thành phần CA, CB ở các phần thể tích khác nhau sẽ không giống nhau, nếu khác nhau càng ít thì càng gần với hỗn hợp lý tưởng
Để đánh giá độ đồng đều của hỗn hợp (mức độ trộn) ta dùng đại lượng “độ sai lệch bình phương trung bình S”, nghĩa là trong thể tích hỗn hợp thực Vi có thành phần chất A
là CiA, chất B là CiB thì độ sai lệch bình phương trung bình của hỗn hợp thực đó là:
1 N
C C S
N 1 i
2 iA A
−
=
∑
1 N
C C S
N 1 i
2 iB B
−
=
∑
Trong đó CA, CB: thành phần chất A và chất B trong hỗn hợp lý tưởng
CiA, CiB: thành phần chất A và chất B trong hỗn hợp thực N: số thể tích mẫu Vi
Kết luận
Khi SA, SB càng nhỏ thì càng gần với hỗn hợp lý tưởng, nó phụ thuộc vào thời gian trộn, quan hệ đó biểu diễn trên hình (H17.1)
Trang 3269
Ngoài ra ta có thể dùng một đại lượng khác để đánh giá mức độ trộn là “chỉ số trộn –
I S”
S
IS = σe
(17 – 3)
σe: độ lệch chuNn lý thuyết
n
C
CA B
e =
Thay các biểu thức của công thức (17 – 2), (17 – 4) vào công thức (17 – 3) ta có:
( )
∑
−
1 i
2 iA A
B A S
n C C
1 N C C
n: số hạt trong một thể tích mNu của hỗn hợp
Kết luận
Khi IS càng lớn thì càng gần với hỗn hợp lý tưởng, nó phụ thuộc vào thời gian trộn, quan hệ đó biểu diễn trên hình (H17.2) cho quá trình trộn cát và muối dùng trong máy trộn thùng quay Qua hình ta thấy thời gian 40 phút đầu IS tăng đến gần 0,7, sau đó IS giảm dần Trong các yếu tố làm ảnh hưởng đến quá trình trộn có lực tĩnh điện là đáng kể nhất Vì thời gian trộn càng kéo dài thì các vật liệu có cùng bản chất sẽ có khuynh hướng tách rời khỏi hỗn hợp và liên kết lại
1.4 Thời gian trộn
Theo định nghĩa chỉ số trộn, công thức (17 – 3) thì tại thời điểm ban đầu τ =0 là hỗn hợp chưa được trộn tương ứng với IS, 0 và σ0 vì n = 1 nên σo = CA.CB Công thức (17 –
Trang 4270
4) gọi là độ lệch chuNn tại thời điểm “zero”, và chỉ số trộn tại thời điểm “zero” là thời điểm trước khi bắt đầu trộn tính theo:
n
1 I
0
e 0 ,
σ
σ
Mức độ trộn có thể biểu diễn theo mối quan hệ thực nghiệm với thời gian trộn
( S)
S K1 I d
dI
−
=
Ở đây τ: thời gian trộn
IS: chỉ số trộn K: hằng số trộn Trong quá trình trộn, thì chỉ số trộn thay đổi từ IS = IS,0 đến IS = IS, τ biến đổi công thức (17 – 7) rồi lấy tích phân ta sẽ có thời gian trộn
S
I 1 n
1 1 ln K
1
−
−
=
Công thức (17 – 8) có K là hằng số trộn, phụ thuộc vào độ sai lệch bình phương trung bình S, tính chất vật liệu trộn và cấu tạo máy trộn
) , H , d , D , S (
S: Độ sai lệch bình phương trung bình
D: đường kính thùng trộn; m
d: đường kính cánh trộn; m
H: chiều cao vật liệu chứa trong thùng trộn; m
ρ: khối lượng riêng vật liệu trộn; kg/m3
Giá trị K thường xác định bằng thực nghiệm, có thể chọn như sau:
• Máy trộn thùng quay: K = (200 ÷ 300)
• Máy trộn trục vít: K = (200 ÷ 300) với đường kính trục vít dt = (0,90 ÷ 0,96).D
và chiều dài trục vít L = (8 ÷ 10).D
• Máy trộn loại cánh: K = (300 ÷ 400) với đường kính cánh trộn d = (0,85 ÷ 0,95).D và chiều cao lớp vật liệu trong thùng trộn H = (0,7 ÷ 0,8).D
2 PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO MÁY TRỘN
Ngày nay máy trộn vật liệu hạt được chia làm ba nhóm sau đây:
• Máy trộn thùng quay
• Máy trộn trục vít
• Máy trộn loại cánh
2.1 Máy trộn thùng quay
Trang 5271
Gồm thùng rỗng, bên trong chứa vật liệu cần trộn, thùng được gắn trên hai gối đỡ có cơ cấu truyền động, khi thùng quay sẽ nâng vật liệu lên gần đỉnh thùng và rơi xuống phía dưới thùng tạo nên sự đảo trộn trong khối vật liệu đó Thùng có nhiều cấu tạo và góc quay khác nhau Hình (H17 3) giới thiệu các loại thùng quay thường gặp
Hình (H17 4a) là cấu tạo máy trộn thùng hình trụ đáy bằng, hình (H17 4b) là máy trộn hình trụ đáy nón, trục quay thường theo chiều đường kính thân trục hoặc dọc thân Đối với máy trộn hình trụ đáy nón, hiệu quả trộn được tăng lên nhờ vật liệu trộn chuyển động dọc theo bề mặt thay đổi của thùng Các loại máy trộn này có thể sử dụng để trộn các loại vật liệu khô hoặc ướt
Các thông số chính của máy trộn thùng quay:
• Số vòng quay của thùng
Trang 6272
D
30 20
D: đường kính thùng; m
• Đối với máy trộn làm việc liên tục, chiều dài thùng là
m
; tan D '
m K
K: hằng số trộn (200 ÷ 300) m’: tỉ số giữa chu vi và tiết diện vật liệu trong thùng
α: góc nghiêng của thùng
• Năng suất máy làm việc gián đoạn
τ
ϕ ρ
= 60.V. .
Vt: thể tích thùng trộn; m3
ρ: khối lượng riêng vật liệu; kg/m3
ϕ: hệ số chứa đầy – xem bảng (17 1)
τ: thời gian một chu kỳ trộn gồm nhậpliệu, tháo liệu, trộn ; phút
• Năng suất máy trộn làm việc liên tục
α ρ
ϕ
=60.n .m'.D.A tan
n: số vòng quay; v/phút
ϕ: tra bảng 17 – 1
ρ: khối lượng riêng vật liệu; kg/m3 m’, α, D: sách đã dẫn
At: diện tích tiết diện ngang của thùng trộn; m2
• Tính công suất
K N N N
η
+ +
10
n r f g m 04 , 1 N
4 1
Σ
= : công suất thắng lực ma sát ổ trục
( );kW
10
cos 1 R g m N
r 3
r 0
vl 2
α
α
−
kW
; 10
sin R g m N
3
r 0 vl
3
α ω
Ở đây Σm: tổng khối lượng vật liệu và thùng; kg
f = (0,05 ÷ 1) hệ số ma sát ổ trục r: bán kính ổ trục; m
n: số vòng quay thùng trộn; v/phút
mvl: khối lượng vật liệu trộn; kg
K = (1,2 ÷ 1,3); η = (0,7 ÷ 0,8)
Trang 7273
ω: vận tốc gốc của thùng trộn; S-1
α
−
= α α
=
cos 1
h d
sin
h
R0 2 1 ;m : bán kính nâng vật liệu (xem hình H17.5)
αr: góc nâng vật liệu
Bảng 17.1
Loại máy trộn Hệ số
chứa đầy ϕ
Tỉ số giữa chiều dài
và đường kính D/L
Số vòng quay n
v/phút
Máy trộn thùng quay Trục ngang 0,35 ÷ 0,50 1,0 ÷ 1,5÷
D
30
20÷ Trục chéo 0,35 ÷ 0,50 1,0 ÷ 1,5÷
Chữ V 0,30 ÷ 0,40 1,5 ÷ 2,0 Máy trộn có cánh gián
đoạn không liền nhau 0,30 ÷ 0,40 2 ÷ 2,5
t
d
20
10÷
Máy trộn vít tải liên
tục cánh liền nhau 0,30 ÷ 0,40 5 ÷ 25
t
d
40
20÷
D: đường kính thùng trộn hay máng chứa, m
dt: đường kính cánh trộn hay vít trộn; m
2.2 Máy trộn trục vít
Máy trộn gồm một vít tải quay bên trong thùng, đồng thời xảy ra sự đảo trộn vật liệu,
ưu điểm loại máy trộn này là vừa trộn vừa vận chuyển vật liệu, do đó được sử dụng nhiều trong các nhà máy xay xát lúa gạo và chế biến thức ăn gia súc Nhìn chung với vật liệu dạng hạt thì hiệu quả sử dụng cao nhất Còn đối với vật liệu dạng sợi thì không sử dụng được Hình (H17 6) mô tả máy trộn trục vít
Trang 8274
Các thông số chính của máy trộn trục vít
• Số vòng quay của vít
t
d
40 20
dt: đường kính vít tải; m
• Xác định chiều dài máy trộn, chiều dài vít
(d d)sin ;m n
K 5 , 1
K1 = 1: hệ số vít liên tục
K1 = (0,6 ÷ 0,7): hệ số vít không liên tục
τ: thời gian trộn; phút n: số vòng quay của vít; v/phút
dt, d: đường kính vít, trục; m
• Tính năng suất vít tải
α α
π ρ ϕ
2
d d d K 75 , 0
ϕ: hệ số chứa đầy, xem bảng 17 1
ρ: khối lượng riêng của vật liệu; kg/m3
α: góc đNy tới của cánh vít Các đại lượng khác đã dẫn
• Tính công suất máy trộn vít tải
ω
ρ
= − Z.h.A .r cos fsin 0,75.K sin2 sin fcos
2 45 tan
g
10
Z: bước vít liên tục h: độ nhúng sâu trung bình của cánh trong khối hạt, hình (H17 – 7) r: khoảng cách từ tâm vít đến khối hạt (bán kính trọng tâm), hình (H17.7) f: hệ số ma sát ổ trục
A: diện tích bề mặt vít chìm trong hạt; m2
Trang 9275
Các đại lượng khác đã dẫn
2.3 Máy trộn cánh
Có cấu tạo gồm một thùng trộn trong đó đặt các cánh đảo, cánh đảo gắn với trục quay nhờ cơ cấu truyền động Khi trục quay thì cánh đảo quay và xảy ra quá trình trộn trong thùng Nếu máy hoạt động gián đoạn thì cánh đảo gắn vuông góc với trục, còn hoạt động liên tục thì cánh đảo gắn hình xoắn để dễ đNy vật liệu chuyển động Hình (H17 – 8)
mô tả các loại cánh đảo
Các thông số chính của máy trộn cánh
• Số vòng quay của cánh đảo
t
d
20 10
• Tính năng suất
η ϕ ρ
= 47.d n .K
Trang 10276
dt: đường kính đầu mút của cánh đảo, t: bước vít của cánh; m
ϕ: hệ số chứa đầy; bảng 17.1
8 , 0 7 , 0 L
K1= ∑ℓc = ÷ : hệ số cánh liền
Σℓc: tổng chiều dài của cánh chiếu lên trục; m L: chiều dài thùng trộn; m
η = 0,85 ÷ 0,95
• Tính công suất:
K N N
η
+
Trong đó:
N1: công suất thắng trở lực của vật liệu gây ra theo phương tiếp tuyến
θ
+ θ
ω ρ
−
−
i
i t N
1 i
r 0 2 i i i
3 1
cos 2
b cos R 2 2 45 tan r A h g 10
N2: công suất thắng lực dọc trục khi vật liệu di chuyển
θ
+ θ α
− α
ω ρ
=
cos 2
b cos R 2 K 5 , 1 cos f sin 2 45 tan r A h g
10
N
N
1
i t 1 i
i r
0 2 i i 3
Ởđây K = (1,2 ÷ 1,4): hệ số dự trữ
η = (0,8 ÷ 0,9) hiệu suất
i: vật liệu tác dụng lên cánh đảo thứ i
Rt, hi, b, αi, θi: xem hình (H17 9)
ω: vận tốc góc của trục trộn; rad/s
αr: góc nâng vật liệu (góc nghiêng tự nhiên của vật liệu); độ(0)
Ai: diện tích nhúng chìm của cánh thứ i vào vật liệu; m2
f = (0,01 ÷ 0,2): hệ số ma sát của vật liệu với cánh, thùng
K1: hệ số liền nhau của cánh đảo
hi: độ sâu của cánh thứ i vào vật liệu; m
αi: góc nghiêng (góc đNy) cánh thứ i so với trục quay; độ (0)
Rt: chiều dài cánh đảo; m
θi: góc cánh thứ i so với mặt phẳng đứng; độ (0)
b: khoảng cách từ tâm đến mặt thoáng của vật liệu; m
Các đại lượng còn lại đã dẫn
Trang 11277
Hình (H17 10) mô tả máy trộn thùng quay có cánh đảo, loại máy này làm việc rất có
hiệu quả Cấu tạo gồm thùng 1 có dạng hình lập phương, đường tâm quay trùng với đường chéo của nó Sở dĩ thùng có hình lập phương vì mục đích là dễ trộn đều hơn so với thùng dài, thời gian trộn nhanh hơn, mặc khác nhờ dùng kết hợp với cánh đảo 3 có thể quay cùng chiều hay ngược chiều với thùng nên hiệu suất càng cao
Hình (H17 11) mô tả cấu tạo máy trộn băng xoắn, loại máy này vừa trộn vừa vận chuyển vật liệu, thùng trộn có thể dạng máng hoặc ống trụ kín, cánh đảo có thể bố trí vận chuyển cùng chiều hoặc ngược chiều nhau Cấu tạo cơ bản giống như máy trộn vít tải, chỉ khác là máy trộn loại này cho phép trộn các loại vật liệu dạng sợi, rời rạc Cánh đảo xoắn có nhiều dạng khác nhau (xem hình H17.8)
Trang 12278
3 CÂU HỎI ÔN TẬP
1 Mục đích và ứng dụng quá trình trộn?
2 Các yếu tốảnh hưởng đến quá trình trộn?
3 Các phương pháp đánh giá mức độđồng đều của sản phNm trộn?
4 Tính thời gian trộn?
5 Cấu tạo, nguyên lý và các thông số kỹ thuật của máy trộn thùng quay?
6 Cấu tạo, nguyên lý và các thông số của máy trộn trục vít?
7 Cấu tạo, nguyên lý và các thông số kỹ thuật của máy trộn cánh?