ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Центробежные смесители порошкообразных и гранулированных материалов»

Рекомендуемая область пременения

Техника и оборудование для качественного и высокопроизводительного смешивания нескольких компонентов - порошкообразных или гранулированных -
- в кормопроизводстве (для получения качественных сбалансированных кормовых смесей для животных);
- в химическом производстве (для тщательного смешивания ингредиентов перед их запуском в технологический процесс для получения соответствующей консистенции);
- в перерабатывающей промышленности, например, для стабильного и однородного смешивания различных сортов муки и смесей на основе муки;
- в производстве строительных материалов, в частности для предварительного смешивания (перед подачей воды) цемента, песка и различных добавок с целью получения качественного бетона;
- для смешивания компонентов для последующего получения композиционных материалов и изделий на их основе - металлических, полимерных, комбинированных и т.п.;
- для получения комплексных минеральных удобрений.

Назначение, цели и задачи проекта

Серийные смесители для смешивания порошкообразных и гранулированных материалов являются громоздкими, малопроизводительными, энергоемкими и не обеспечивают надлежащее качество смесей. В ряде производств это недопустимо, например, для получения качественных сбалансированных кормовых материалов для сельскохозяйственных животных добавляют в незначительных количествах (в микродозах) премиксы, которые несут функции микроэлементов и витаминов для животных. Некоторые отдельно взятые премиксы могут быть токсичными и вредными для животных, а после тщательного и качественного перемешивания с основными кормовыми компонентами они в комплексе составляют полнорационный сбалансированный корм.

В связи с этим основным назначением предлагаемых центробежных смесителей является высокое качество смешивания порошкообразных и гранулированных компонентов и ингредиентов при повышении производительности технологических процессов смешивания и снижении энергопотребления, а также снижение габаритов и массы конструкции.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Качественное смешивание порошкообразных (сыпучих) и гранулированных материалов покажем на примере приготовления экологически безопасных кормов для сельскохозяйственных животных. При ведении животноводства наиболее рационально и с высокой эффективностью корма используются в виде полнорационных комбикормов, сбалансированных по протеину, аминокислотам, микроэлементам, витаминам и другим биологически активным веществам. Однако решение этой задачи сдерживается из-за отсутствия современного оборудования и, прежде всего, смесителей, поскольку качество готового комбикорма зависит, в конечном счете, от операции смешивания. Скармливание разнородной по качеству продукции значительно снижает отдачу кормов, а иногда приводит к болезням и гибели животных. Такое стало возможным при введении в рецептуру комбикормов микроэлементов с нормой на одну голову в сутки от 1,5 до 1100 мг. В связи с обогащением комбикормов различными микроэлементами, витаминами и лекарственными веществами требования к качеству смешивания резко возросли. Серийные смесители тихоходны, имеют низкий коэффициент заполнения и так называемые «мертвые» зоны. Вследствие этого степень неоднократности смесей составляет всего 15-30%.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Для решения этой проблемы созданы усовершенствованные центробежные смесители непрерывного действия. Основные показатели оценки центробежных смесителей: степень однородности смеси не менее 97%; мощность и время смешивания; эксплуатационные расходы. В обобщенном виде центробежный смеситель нашей разработки включает в себя (рис. 1): корпус-кожух 1 со стойками, с загрузочной течкой 2 и выгрузным патрубком 3, рабочий орган (ротор) 4 в виде усеченного конуса с малым основанием внизу и вертикальной осью вращения, привод 5 ротора, загрузчики - дозаторы 6 и 7 для контрольного и основного компонентов с автономным приводом каждый, выгрузные лопасти 8 и другие элементы. Схема движения материала показана стрелками.

При попадании на дно ротора компонентов смеси их частицы под действием центробежных сил отбрасываются на боковую поверхность конуса. Определенные угловые скорости ротора, угол наклона, высота образующей и диаметр малого основания конуса в сочетании сообщают частице спиралеобразное движение по образующей, при этом частица поднимается в конусе и, в конечном итоге, выбрасывается в корпус. Частицы имеют различные массу, первоначальный радиус относительно оси вращения, коэффициенты внутреннего трения и трения по ротору. Вследствие этого траектории движения частиц неоднократно пересекаются, что способствует перемешиванию компонентов. Процесс перемешивания сбалансированной смеси происходит автоматически и непрерывно в соотношении, задаваемом дозаторами. Были случаи, когда масса одного из компонентов составляла всего 0,1 - 0,3 % от общей массы смеси, при этом количество компонентов достигало 8.

Простейшие рабочие органы (роторы) в виде усеченного конуса (рис. 1 и 2, а), как правило, не обеспечивают качественное смешивание, что объясняется противоречием между углом наклона образующей конуса и длиной его поверхности. Более совершенными являются двух- и трехкаскадные конические роторы (рис. 2, б, в),в которых углы наклона образующей и её высота для каждого конуса различны, при этом общая высота ротора снижается. Здесь частицы, начиная спиралеобразное движение с внутреннего конуса, перебрасываются в последующий конус с большим радиусом малого основания, что способствует увеличению скорости движения частиц и более интенсивному пересечению траекторий их движения.

Рис. 1.

Рис.2.

Перспективными являются роторы с параболическими (с отсеченной вершиной) образующими в сечении (рис. 2, г-е) или с эллиптическим параболоидом, если рассматривать ротор как объемное образование. В одном из вариантов (рис.2, е) внутри ротора вершиной вверх помещен дополнительный параболоид меньшего размера, благодаря чему поступающие внутрь ротора компоненты разбиваются, частично перемешиваются уже на этом этапе, частицы начинают спиралеобразное движение с большего первоначального радиуса. Рациональный диапазон коэффициента а в уравнении параболы у = ах²составляет 0,05 - 0,20 (рис. 2, д). Наиболее сложная и вместе с тем доведенная до совершенства внутренняя поверхность ротора (рис. 2, ж, и, к) образуется фрагментом центральной («большой») параболической кривой Б и несколькими параболами меньшего, но одинакового, размера. Показаны возможные конфигурации ротора в зависимости от коэффициента а в уравнении «большой» параболы Б.

Качество смешивания существенно зависит от угловой скорости w вращения ротора и конструктивных особенностей рабочей поверхности. При переходе от двухкаскадного конического ротора (рис. 3, а; кривая 2) к трехкаскадному (кривая 1) качество смешивания возрастает с 95 до 98 %, это достигается только при w = 40 с^-1 и определенных углах наклона и длинах образующих конусов. В параболических смесителях качество смеси возрастает до 99,0 - 99,5% при других значениях w. В простейшем и широко распространенном одноступенчатом коническом роторе (рис. 2, а) степень однородности смеси не превышает 85%.

На рис. 3, б в полярной системе координат (вид сверху на ротор) представлены теоретическая 3 и экспериментальная 4 траектории движения частицы в коническом роторе. Хорошая сходимость расчетных и экспериментальных данных свидетельствуют о правомерности трактовки смешивания и о штатном протекании технологического процесса. Обе траектории соответствуют определенному углу конуса, w = 40 с^-1 и коэффициенту трения f= 0,2.

Рис. 3.

Центробежные смесители (с нашими усовершенствованиями рабочих органов) относятся к перспективным, простым по устройству и принципу действия, малогабаритным, высокопроизводительным и эффективным аппаратам непрерывного действия. Привод ротора должен предусматривать изменение передаточного отношения. Это позволит варьировать угловой скоростью ю при работе с различными смесями. Рациональная мощность этого привода незначительна и не превышает 0,4 кВт. Для таких мощностей приемлема простая схема бесступенчатого регулирования, если применить в качестве двигателя электрогенератор, работающий в режиме электродвигателя.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Технико-экономические показатели и технико-экономическое обоснование применения новых центробежных смесителей порошкообразных и гранулированных материалов зависит от конкретной области использования, количества смешиваемых компонентов, желательной производительности установки, её мощности и т.п. Раскроем с этих позиций приведенный пример приготовления комбинированного сбалансированного корма для сельскохозяйственных животных.

В упомянутом, морально устаревшем, аналоге смесителя неоднородность кормовых смесей составляет всего 15 - 30%. После наших разработок и усовершенствований степень неоднородности смеси > 97%, а в ряде случаев, как показано выше, может достигать 99,0 - 99,5%. Это означает, что сбалансированный полнорационный корм становится не только экологически безопасным, но и содержит оптимальное количество протеина, аминокислот, микроэлементов, витаминов и биологически активных добавок. Если такой смесью кормить молодняк крупного рогатого скота, то ежедневные привесы повышаются на 25 — 40% по сравнению с контролем. При скармливании приготовленными на наших центробежных смесителях кормовыми смесями молочных пород крупного рогатого скота, удои повышаются на 15 - 20%, при этом качество молока (по показателям жирности, наличию  полезных микроэлементов, вкусовым показателям) повышается. Весьма важно, что названные показатели достигаются при снижении на 8 - 10% обычного корма.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Более совершенное и стабильное протекание процесса. Технологический процесс происходит в автоматическом и непрерывном режиме. Настрой смесительных агрегатов заключается в определении необходимого количества добавок, поступающих от дозаторов, и выставлении оптимальной угловой скорости w рабочего органа (ротора), которая в большинстве случаев составляет 40 с^-1. Для упрощения этой «процедуры» разработаны соответствующие номограммы, благодаря которым исключаются предварительные настройки и регулировки при переходе на другой состав кормой смеси.

Повышение производительности. Процесс смешивания, если считать от подачи частиц в течку 2 (рис. 1) до выгрузки готового продукта через патрубок 3, происходит за 0,6 - 1,0 сек. Это на порядок меньше по сравнению с серийными смесителями, которые, к тому же, не обеспечивают надлежащее качество смешивания.

Энергосбережение. Мощность привода, как отмечалось, не превышает 0,4 кВт, а с учетом высокой производительности аппарата достигается снижение энергозатрат в 15-20 раз на единицу готовой продукции.

Простота регулирования угловой скорости ротора. Это достигается элементарным способом - посредством изменения сопротивления в цепи электрогенератора, работающего в режиме электродвигателя.

Снижение металлоёмкости. Достигается за счет простоты конструкции, простого привода и элементарного принципа действия.

Снижение материальных и трудовых затрат. Это следствие указанных простых решений, высокой производительности и низкой энергоемкости.

Новые потребительские свойства продукции

- высокое качество смешивания (однородность получаемой смеси);
- многократное снижение энергозатрат;
- высокая производительность аппарата;
- простота технологического процесса смешивания;
- экологичность получаемой смеси;
- снижение металлоёмкости и трудоёмкости производства;
- снижение материальных и трудовых затрат.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Соответствует современным государственным стандартам.

Стадия и уровень разработки

Центробежные смесители порошкообразных и гранулированных материалов разработаны в нескольких модификациях (рис. 2), часть из них изготовлена в экспериментальных образцах и подвергнута всесторонним испытаниям. Конструктивно-экспериментальная отработка подтвердила целесообразность двух или трех каскадов конических роторов, и их рациональные углы раствора и длину образующих (рис. 2, б, в), а также оптимальную угловую скорость ? ротора по критерию качества смеси (для большинства смешиваемых кормовых материалов ? ? 40 с-1).
Остальные типы роторов (рис. 2, г-к) прошли предварительные испытания, при этом наибольший эффект получен в параболических роторах (рис. 2, д при а = 0,10; рис. 2, е, и); остальные варианты параболических роторов несущественно уступают названным. Для каждого параболического ротора и для конкретных компонентов смеси требуется разовая контрольная проверка для установления или подтверждения оптимальной угловой скорости. Но это обычная процедура, поэтому конструкторскую документацию рабочих органов смесителей (роторов) можно считать отработанной.

Предлагаемые инвестиции

0,6 млн. руб.

Рынки сбыта

Центробежные смесители порошкообразных и гранулированных материалов нового поколения (представленные на рис. 2) имеют достаточно высокую степень отработки, а ряд типоразмеров проверены опытно-промышленной эксплуатацией, с их помощью существенно повышается качество (однородность смеси) при смешивании разнообразных компонентов. Новые смесители, дополнительно к этому, работают в непрерывном автоматическом режиме, имеют крайне низкую энергоёмкость, простую, надёжную и долговечную конструкцию, элементарную систему регулирования угловой скорости ротора. Смесители могут встраиваться в технологические линии.
Эти смесители незаменимы, прежде всего, в животноводстве для приготовления сбалансированных полнорационных кормовых материалов для крупного рогатого скота, свиней, птицы и других сельскохозяйственных животных.
Наряду с этим эффективно применение новых смесителей в мукомольном производстве, на предприятиях строительных материалов, в химической промышленности, в технологических процессах получения композиционных материалов, в сельском хозяйстве для приготовления комплексных минеральных удобрений и т.п.
Это относится к российским предприятиям и соответствующим производствам ближнего зарубежья - стран СНГ.

Возможность и эффективность импортозамещения

Несмотря на низкий технический уровень серийных отечественных смесителей, зарубежные смесители приобретаются, как правило, в составе комплекта оборудования, вычленять оттуда смесители нецелесообразно.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

28.11.2006