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无桨混合机内高粘塑性流体掺混规律试验研究

作者:admin来源:本网 日期:2017-10-30 9:26:31 人气: 标签:

  0前言目前化工生产常用的混合机可以根据用途、外形、容积等进行分类,而根据有、无桨叶参与搅拌可分为两种:有桨混合机和无桨混合机|1.它们在生产应用中的区别在于无桨混合机没有桨片或者叶轮,因此大大减少了生产过程中的摩擦,这样在某些对摩擦要求严格的特种行业,无桨混合机具有更加广泛的应用前景。

  无桨混合机是一种圆柱形的筒体,其几何轴线与转动轴之间存在一个夹角,在转动过程中借助重力作用形成翻滚、跌落和轴向运动实现物料混合。

  本试验中的无桨混合机应用于复合固体推进剂的混合工艺,其基本生产步骤是将还原剂固体颗粒和氧化剂固体颗粒分批、分次地加入到高粘度有机黏合剂中,不断进行掺混使其均匀分布,逐渐形成了更高粘度并具有一定塑性的流体。

  目前,利用无桨混合机混合粘性和塑性变化很大的物料,其混合机理尚不是很清楚。前苏联科研人员曾对此开展过较为系统的研究,但因涉及军事保密目前没有资料查询,而国内这方面的研究处在起步阶段,工艺编制主要依靠。

  试验台中,无浆混合机筒体长度为。8m筒底半径为0.4m筒体倾斜角度为30°混合机筒体置于支撑台架上,由三相异步电动机经过齿轮传动驱动旋转。两侧轴端对称位置上共安置四个拉压力传感器测得拉压力数据,再通过转矩平衡和力矩平衡便可以求得筒体内全部药浆在图i中所示坐标系X轴向和Z轴向的重心。测试软件用C++编写,提供了易操作的界面,将各项必要操作及计算集成于程序中。采集结束以后,可以读取数据进行相应的分析和统计处理。

  因为无桨混合机是回转机械,所以摄像头不能安置于筒内壁上。将旋转轴的一端设计成中空的形式,摄像头从该处伸入并安置固定拍摄录像,实时观察混合过程中药浆运动情况。

  试验中笔者重复了万新斌等人的工作,但由于该试验台设计的旋转轴具有很强的刚性,且筒体尺寸比实际生产中的小很多,导致药浆跌落对筒体的冲击非常有限,所以在实际振动测试的能量谱中没有能够有效说明药浆跌落导致能量集中的频段。

  2试验流程按照药浆总量占筒体体积比例共进行两次试验,药浆含量较多的那次试验的现象和数据更加明显一些,所以以下的分析主要是针对该试验。主要试验步骤参照推进剂的一般生产过程,如表1所示。药浆使用假药配方,即用氯化钾替代氧化剂高锰酸钾。试验分为多个步骤,每一个步骤开始都会添加相应的成分,中间多次停机打开筒盖拍照,停机之后通过变频仪将转速调低,混合过程中进行录像和数据采集。

  整个试验过程中,345三个步骤是关键阶逐渐呈现出塑性,黏性也进一步提升,可用其本构方程近似r=T+n来表示|3~71.其主要特点是存在切应力屈服点T当内部应力没超过屈服点时,药浆不会发生变形。该次试验中药浆塑性屈服点在1000P3左右,运动粘度在106数量级,沾在筒内壁面上的药浆跌落需要一定时间。

  表1试验步骤步骤添加成分停机次数滚筒转速/rmn1具体操作预混药浆每一次混合过剩余铝粉程进行录像和数据采集,停机后拍摄照片剩余细KCI剩余粗KCI固化剂3试验研究及分析把预混的药浆投放入筒体内混合5mn后观察,含一半铝粉的混合液虽然粘度很大,但依然呈现出流动的状态,停机后液体逐渐流回筒体下侧,筒内壁上没有沾留药浆,如(a所示。

  第一次停机与混合过程中药浆形态(步骤1)第三次停机前低速混合过程中从筒体内摄像头拍摄到的录像可以观察混合液与筒内壁之间仍有清晰的分界线,不时有药浆跌落的现象。由于粘度较大药浆下落过程中拉成长线而不间断,如(b)所示。药浆轴向运动规律如所示。中仅截取了滚筒转动三个周期过程中药浆的轴向运动。筒体内药浆重心大约在一150 150mm之间往复,其中齿轮啮合和药浆跌落使数据变化很大但并不影响整体规律,主要表现为正弦形式的往复运动。后面均对数据进行了处理,去除其它信号带来定后有更多的药浆成为黏附层。

  药浆浆“但从筒体内侧跌药浆频,藤抱说明趾峋HU图次混合向重bookmark6继续加入剩余铝粉后,药浆更加黏稠。筒内壁上开始有药浆成股流下,但流动更加缓慢。数据显示,重心与上一次相比变化情况不明显。

  进入第3个工艺步骤,把1/3细氯化钾固体颗粒和1 /2粗氯化钾固体颗粒加入筒体内后药浆黏度和塑性进一步加强,筒体侧面沾留一定厚度的药浆。停机后在筒体底面几乎没药浆,近轴端附近沾留一定量固体颗粒,这些固体颗粒将药浆与筒体侧壁分隔开来,如所示。在整个试验过程中,筒体的两个底面始终沾留固体颗粒,而且很难沾留药浆。这就要求混合机进料位置尽量远离筒底,而且需要在筒底表面形状作进一步改进。

  在步骤3混合机启动的数秒钟内,药浆被筒体内壁携带起,形成一定形状的团状沿着筒体内侧向下翻滚,逐渐变小,有药浆不时从上侧成块跌落。

  如所示,对第三次和第六次混合机刚启动数秒内的药浆形态进行比较可以发现:前者因为固体颗粒分布相对不够均匀,药浆团表面凸凹不平呈现明显的分形,而后者药浆团表面较为平整。混合机启动一段时间后,团状药浆大小比较均匀,存在一定量轴向的往复运动,在摄像头视角内始终存在团状在步骤4加入全部剩余细氯化钾颗粒后第一次混合过程中观察到,固体颗粒随着团状药浆强烈翻滚,在团状药浆下部被卷入,在药浆上侧翻出形成飞溅。还可以发现固体颗粒卷入药浆的方式是一层一层地沾在药浆团表面,由此区别于一般低黏度流体的固液混合方式。

  截取步骤4中第一次混合过程前200呐的药浆X轴向重心变化(如所示)该过程转速为126r/mn可以看出起始约50重心在50n位置,因为固体颗粒被团状药浆分隔集中堆积在入料口一端,在一段时间内不能移动到另一侧。

  步骤4中第一次混合过程前200内药浆重心Z由向变化(如所示),发现重心开始阶段变化幅度较大,且值偏低,随后逐渐趋于较高的值。因为在初始阶段固体颗粒分布非常不均匀,被团状药浆卷入下部在药浆团和筒体侧壁之间形成固体颗粒分隔的区域使团状药浆更难被筒内壁带起。这是每一次加料混合起始阶段都会出现的现象,从重心变化上也能够看出药浆达到基本混匀的状态所需要的时间。

  在步骤4中第二至第六次混合的启动阶段,因为固体颗粒分布明显比第一次混合均匀,所以在启动经历很短的时间之后就很难见到团状药浆。经常有大块药浆从筒体内上侧跌落,可能会瞬时形成小型的团状药浆,但翻滚几次后就很快消失。通过录像观察发现,随着每次混合速度降低,药浆跌落的频率和脱落位置没有发生明显变化。如果分别求取这几次混合过程中药浆重心Z轴向变化的平均值,会发现都在112mm附近。从统计上说明,转速的改变并没有明显影响药浆的运动形式,因为转速一直处于较低的值。它所提供的离心力在受力平衡中并不占主导地位,局部的微小变化主要是由固体颗粒分布均匀程度影响所致。

  观察步骤4中第六次混合过程中的录像发现了在滚筒转动两分多钟后有一块较大的药浆跌落,这块药浆随筒体继续运动,使得X向和Z向的数据发生相应变化。如中A位置表示该块药浆,大约在2mi1左右,在XZ两个方向上的重心数据发生波动,加上开始数据采集比筒体开始转动时刻的延迟正好能够在时间上吻合。数据及试验现象均表明,该大块药浆跌落后形成药浆团发生翻转之后仍旧有一大部分随筒体作圆周运动。

  步骤4第六次混合结束停机后打开筒盖观察药浆形态,如所示。药浆已经具有更加明显的塑性,部分药浆能够长时间保持几何外形而不跌落,部分药浆表面出现明显裂纹。

  在步骤5中加入剩余的氯化钾固体颗粒,并掺混一段时间后,药浆塑性达到最大,手感很硬。在其中一次停机后从拍摄到的药浆分布,如0所示。从形态来看,在筒内侧壁上跌落一大块药浆露出桶壁面,筒体的上侧和下侧都存在大量黏附层,这说明药浆在筒体的上侧和筒体下侧都比在桶壁中间区域更容易达到平衡,同时说明药浆从筒体的侧面中间区域开始发生跌落。

  随着步骤5中六次混合的筒体转速逐次降低,筒体内药浆团的运动形式发生很大的变化。筒体第一次以12.6rmin的转速混合过程中,药浆夹杂氯化钾颗粒发生快速翻滚,但当药浆逐渐均匀之后尤其在第二次以8.8的转速混合的过程中,药浆团出现的时间很短。而在第五次和第六次混合过程中,药浆团始终存在且相对比较稳定。第三次和第四次介于两者之间,药浆团翻滚一段时间后逐图今4第六次混合药浆轴(向与,。向重心变化步骤柯blish渐消失se间隔!定的时又会再/次出现11如1中AB和D四个位置所示,新形成的药浆团会给重心数据带来明显变化。

  1第三次混合药浆X向和Z向重心变化(步骤5)对于无桨混合机而言,药浆团如果消失说明黏附层过多,给掺混带来不利影响,这也是转速高反而不利于掺混的原因;另外转速过低本身就是耗费时间成本所以对转速的选取应该权衡这两个方面。

  在最后加入固化剂之后,药浆恢复流动状态,如2所示。筒体内壁面上只沾留很薄的一层药浆,其余的全部流回筒体下侧。

  对比步骤35最后一次混合过程中药浆轴向重心位置,发现变化幅度依次减小。一方面是因为黏性增加,药浆团运动幅度减小;另一方面是因为粘在筒内壁上的黏附层大量增加,对药浆整体的重心变化起到均衡作用。

  4总结通过测试手段和直接观察,从多个角度进行对比得到若干结论,其中主要包括:(1)塑性药浆主要以黏附层随筒体运动和药浆团的形式存在;(2)筒体稳定转动过程中,随着粘塑性增强,药浆更多地分布在筒体内侧面;(3)筒体底面很少沾留药浆,而且大量固体颗粒沾在底面上没有得到掺混,这种现象在药浆量较少的情况下更加明显;(4)药浆开始跌落的位置在筒体内侧壁的中间附近而不是上侧;(5)筒体的转速对药浆团的形式和跌落位置有作用,从而影响到掺混,选择适当的转速能提高掺混效率。

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