基于DEM法的不同混合机颗粒混合可预测性研究

Particle mixing is an essential unit operation in the manufacture of many granular products, for example, as in pharmaceutical, food and chemical engineering industries. However, the predictability of the mixing behaviour of granular materials is limited at present。 A cylindrical mixer, ribbon mixer and rotating drum will be chosen for the study, and the predictability of the mixture quality for the mixers will be investigated. The mixture quality is generally well known to be affected by particle properties such as particle size, particle density,and volume fraction , of which the predictability is sought in relation to these variables. The discrete element method was used to investigate these effects on the particle mixing behaviour. The effects of particle size, density and volume fraction on the mixing behaviour of binary mixtures,mechanism of particle mixing as well as prediction equations in these three mixers will be investigated. In the previous work,the mixture quality showed an improvement if optimum combination of particle size ,density and volume fraction. A correlation was established for predicting the effects of size, density and volume fraction on mixture quality in a wide range of each variable. The correlation predicts a global peak value at an optimum condition of size, density and volume fraction. Further, the size and density interactions were interpreted using the mechanism of the driving-force generation due to size differences and its completion with the particle weight. A cylindrical mixer can be used as a standard method in studies of particle mixing need to be further investigated.

颗粒混合对于药业、食品、化工等工业粒状产品的制造过程起着重要作用。然而对颗粒状材料颗粒混合行为的可预测性研究目前有限。本研究针对立轴式圆筒混合机、卧式螺条混合机及旋转鼓轮中进行颗粒混合的可预测性研究。颗粒材料属性如颗粒直径、密度及体积分数对颗粒混合质量起重大影响。本研究应用DEM方法研究颗粒混合行为及颗粒直径、密度和体积分数对颗粒混合质量和颗粒混合机理的影响，最后找出具有共性的可预测公式。基础工作表明，在颗粒直径、密度及体积分数的最佳组合可以提高颗粒混合质量。在立轴式圆筒混合机里可以建立预测颗粒直径，密度和体积分数对颗粒混合质量的影响公式。该公式可预测在不同颗粒直径，密度及体积分数的组合时的颗粒混合质量。颗粒直径和密度相互影响可以提高混合质量,颗粒所受动力是由颗粒之间的直径差异产生的效应与密度差异而产生的效应互相抵消而产生的。立轴式圆筒混合机颗粒混合研究是否可作为一个标准研究方法待研究。

颗粒混合对于药业、食品、化工和饲料业等工业粒状产品的混合制造过程起着重要作用。本研究针对圆筒混合机、卧式螺条混合机、V型混合机及结构进行了颗粒混合度的研究。本研究应用DEM方法研究了颗粒直径、密度、粘度及体积分数等颗粒材料属性以及混合机结构参数变化对颗粒混合质量的影响机理，具有共性的混合特性开展了分析。详细研究了轴转速对2和4叶片带式混合机中粘性混合和无粘性混合性能的影响。通过详细研究分析可知， 4叶片带式混合机的粘性混合效果比2叶片明显好，可适用于粘性颗粒的混合。在合适的混合速度范围内(本研究100rpm为最佳），提高轴转速可提高粘性和非粘性颗粒的混合度，除此之外混合度降低。从另一方面看，在两种混合机做非粘性混合时，虽然填充率对接触力的影响并不明显，但是，当粘性增加或者填充率升高时，混合速率都将急剧下降。物料颗粒在不同内部结构的滚筒中进行混合时，其混合效果各不相同。本研究同时对回转类滚筒容器内壁结构对混合度的影响进行了探讨。当滚筒壁面设置横向挡板、斜向挡板、人字形挡板时，与无挡板比较均可以提高滚筒的混合效率，其中采用人字形挡板在正向或反向旋转工况下与其他三组混合效果比较更好。为了评价V 型混料机筒壁间夹角变化对二组元颗粒间混合程度的影响， 计入V 形筒壁夹角分别为60°、70°、80°、90°、100°等5 种模型， 二组元颗粒混合过程进行数值模拟，评价了5 种V 形筒内二组元颗粒的混合程度。结果表明，在V 形筒内物料颗粒的填充率为1/3，V 形筒内无构件，相同混合时间内，转速为15rpm 的条件下，V 形筒壁夹角的变化对二组元颗粒的混合程度有着较明显的影响。通过实验和数据分析可以看出V 形筒壁夹角为60°时其混合速率较其它几组的混合速率更好。此外本研究通过总结以上研究成果，设计提供了一种在相同时间内比传统的V型混合机混合效率高的叶片式V型混合机机构（发明专利，已受理）。