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3.垂直螺杆式桨叶与流型 螺杆式桨叶所产生的流

  学习项目 3 混合机械设备 混合是指使两种或两种以上不同组分得物质在外力作用下由不均匀状态达到相对均匀状 态的过程,经过混合操作后得到的物料称为混合物。完成混合操作的设备叫做混合机,混合 机在精细化工生产中的作用很重要,如香粉、粉饼等化妆品的生产,涂料、油墨等的制备、 新材料的合成等都离不开混合机械。 在精细化工生产中,被混合的物料性质和状态是多种多样的,一般有以下几种类型的混 合物:液体与液体、液体与固体、固体与固体、液体与气体和固体-液体-气体三类物质构 成的混合物。得到的混合物可以是均相的,也可以是非均相的,两种不相容的液体混合,是 一种液体以一定的分散度分散于另一种液体中,这种混合操作称为乳化,如化妆品、洗发香 波等的生产,这类混合设备将在“均质与乳化设备”一章中单独讲述。 一般来说,以液体为主的物料的混合叫做搅拌,以干物料为主的固体物料的混合称为混 合,两者通称为混合。 完成混合操作的机械主要有:用于粉粒状固体物料的混合机,用于低粘度的液态物料的 搅拌机, 用于高粘度稠浆料和粘弹性物料的捏合机, 用于乳液或悬浮液的均质机和胶体磨等, 对混合设备的要求是要混合均匀度高、容器内残留物料少、设备简单、操作方便、便于清理 和清洗、运行安全等。 混合的目的主要有: 一是产物是多种原料的混合物, 所以对混合物的均匀度有一定要求, 如涂料、 胶粘剂、 油墨等; 二是为了增加物料接触表面积以促进化学反应, 原料混合越均匀, 接触面就越大,过程进行的速度就越快,如树脂生产过程中的搅拌混合,还有气液相催化反 应时,既要使固体粉状催化剂或液体催化剂(密度不同于参加反应的液体)在液体中均匀悬 浮, 又要使气体形成小气泡在液体中均匀分散; 三是加速物理变化。 例如粒状溶质加入溶剂, 通过混合机械的作用可加速溶解混匀。 1. 混合机理 混合时要求所有参与混合的物料均匀分布。混合的程度分为理想混合、随机混合和完全 不相混三种状态,如图 5-1 所示,各种物料在混合机中的的混合程度,取决于待混物料的 比例、物理状态和特性,以及所用混合机械的类型和混合操作持续的时间等因素。 图 5-1 混合状态示意图 混合机对物料的作用本质就是混合,这种混合主要是通过物料的流动才得以实现的,在 混合机中,物料的混合作用一般认为有以下三种: (1)对流混合 对流是指物料的团、块或颗粒从一个位置转移到另一个位置的过程,对流混合又称为体 积混合或移动混合,这种混合作用的强度主要决定于运动状况,作用区域比较大,混合速度 较快,但混合的均匀程度并不太高,对于粉料和高粘度液料都是如此,但低、中粘度的液料 则以对流混合为主。 (2)扩散混合 扩散是指由于颗粒在物料整体新生表面上的分布作用而引起个别颗粒的位置分散迁移过 程,扩散混合主要指相溶组分(固体与液体,液体与气体,液体与液体组分等)中的混合现 象。对于互不相溶性组分的粉粒子,在混合过程中以单个粒子为单位向四周移动(类似气体 和液体分子的扩散) ,使各组分的粒子先在局部范围内扩散,达到均匀分布。实际上,完全 不互溶是不存在的, 在混合过程中有一个由对流混合到扩散混合的过渡, 主要取决于分散尺 度的大小,在粉材料的运动个也存在扩散混合。这种方式的作用区域小,混合速率较慢,但 混合精度高。 (3)剪切混合 剪切是指在颗粒物料团内开辟新的滑移面而产生的混合作用,剪切混合主要是剪切力的 作用,使物料组分被拉成愈来愈薄的料层,使某一种组分原来占有区域的尺寸越来越小,对 于高粘度组分特别明显,例如在捏合机、螺旋挤压机等设备中,物料受到强烈的剪切力。这 种方式作用区域较小,只发生在剪切面上及其附件,混合速度较慢,但混合精度高。 实际上,在各种搅拌混合设备中,上述三种混合作用是不能截然分开,各种混合机都是 以上三种作用的某种作用起主导作用,例如,回转圆筒式混合机以扩散混合为主;双轴螺旋 混合机中对流混合速度高于扩散混合; 双轴桨叶无重力混合机中桨叶在容器内的转动, 在横 向产生对流混合,由于桨叶上下翻动,物料升落之际也会造成扩散混合,虽然,桨叶与粉粒 体相对移动时还产生剪切混合作用,但对流混合起主要作用。各类混合机的混合作用如表 5 -1 所示。 表 5-1 各类混合机的混合作用 混合机 重力式(容器旋转) 强制式(容器固定) 气力式 对流混合 大 大 大 扩散混合 中 中 中 剪切混合 小 中 小 2.不同性质物料的混合 精细化工生产中需要混合的物料多种多样,其性质也有很大不同,其主要的物料混合以 及其对应的混合方式主要有下面几种: 液体的混合主要靠机械搅拌器、气流和待混液体的射流等,使待混物料受到搅动以达到 均匀混合。搅动引起部分液体流动,流动液体又推动其周围的液体,结果在溶器内形成循环 液流,由此产生的液体之间的扩散称为主体对流扩散。当搅动引起的液体流动速度很高时, 在高速液流与周围低速液流之间的界面上出现剪切作用, 从而产生大量的局部性漩涡。 这些 漩涡迅速向四周扩散, 又把更多的液体卷进漩涡中来, 在小范围内形成的紊乱对流扩散称为 涡流扩散。 机械搅拌器的运动部件在旋转时也会对液体产生剪切作用。 液体在流经器壁和安 装在容器内的各种固定构件时也要受到剪切作用。这些剪切作用都会引起许多局部涡流扩 散。搅拌引起的主体对流扩散和涡流扩散,增加了不同液体间分子扩散的表面积、减少了扩 散距离,从而缩短了分子扩散的时间。若待混液体的粘度不高,可以在不长的搅拌时间内达 到随机混合的状态;若粘度较高,则需较长的混合时间。 对于密度、成分不同、互不相溶的液体,搅拌产生的剪切作用和强烈的湍动将密度大的 液体撕碎成小液滴, 并使其均匀地分散到主液体中。 搅拌产生的液体流动速度必须大于液滴 的沉降速度。 少量不溶解的粉状固体与液体的混合机理,与密度、成分不同,互不相溶的液体的混合 机理相同, 只是搅拌不能改变粉状固体的粒度。 若混合前固体颗粒不能使其沉降速度小于液 体的流动速度,无论采用何种搅拌方式都形不成均匀的悬浮液。 不同膏状物的混合主要是将待混物料反复分割并使其受到压、辗、挤等动作所产生的强 剪切作用,随后又经反复合并、捏合,最后达到所要求的混合程度。这种混合很难达到理想 混合,仅能达到随机混合。粉状固体与少量液体混合后为膏状物,其混合机理与膏状物料混 合的机理相同。 不同的热塑性物料以及热塑性物料与少量粉状固体的混合,需要依靠强剪切作用反复地 揉搓和捏合,才能达到随机混合。 流动性好的颗粒状固体物主要是靠容器本身的回转,或靠装在容器内具有推动待混物料 前进或后退的运动部件的作用,反复地翻动、掺和而得以混合。这类物料也可用气流产生对 流或湍流以达到混合。固体颗粒的对流或湍流不易产生涡流,混合速度远低于液体的混合, 混合程度一般也只能达到随机混合。 流动性很差的、互相发生粘附的颗粒或粉状固体,则常需用带有机械翻动和压、辗等动 作的混合机械。 3.混合设备的种类 混合设备的种类较多,分类方法也不一样,常见的有以下几种分类方法 (1)按操作方式来分:有间歇式和连续式,连续式的优点是可减少混合料在输送或储存 过程中的分料现象,缺点是价格高,维修不方便。 (2)按设备运转形式来分:有旋转容器式和固定容器式,旋转容器式混合机以扩散混合 为主,固定容器式混合机以对流混合为主,固体混合物料两种混合机都有,液体混合物料则 以固定容器式混合机为主。 (3)按工作原理来分:有重力式和强制式,重力式混合机是物料在绕轴转动的容器内, 主要受重力作用运动而相互混合, 强制式混合机是物料在旋转桨叶的强制推动下, 产生运动 而相互混合。 (4)按混合方式来分:有机械混合式和气力混合式,机械混合机在工作原理上大致可分 为重力式(容器旋转)和强制式(容器固定) ,气力式混合机是用高速气流使物料翻滚、对 流而混合。 (5) 按混合与分料机理来分: 有分料式混合机和非分料式混合机, 前者以扩散混合为主, 即重力式混合机,后者以对流混合为主,即强制式混合机。 (6)按混合物料的不同来分:有气体和低粘度液体混合器、中高粘度液体和膏状物混合 机械、热塑性物料混合机、粉状与粒状固体物料混合机械 4 大类。 低黏度液体与液体、低粘度液体与固体悬浮液的的混合机械常简称为搅拌机,它的特点 是结构简单,维护检修量小,能耗低。这类混合机械又分为气流搅拌、管道混合、射流混合 和强制循环混合等四种。 中、高黏度液体和膏状物的混合机械,一般具有强的剪切作用;热塑性的物料混合机主 要用于热塑性物料(如橡胶和塑料)与添加剂混合; 粉状、 粒状固体物料混合机械多为间歇操 作,也包括兼有混合和研磨作用的机械,如调和机,又称捏合机。 混合干燥粒状固体物料的机械设备一般简称为混合机,主要用于固体与固体的混合。 选用各种混合机械与设备时,要充分考虑混合均匀度的好坏,混合时间的长短,混合机 所需动力和生产能力、加卸料是否方便等方面,然后选择生产需要的混合机。 第一节 固体混合设备 混合两种或两种以上固体颗粒操作的主要目的是要得到组份浓度均匀的混合物。在有些 情况下,也伴有化学反应,传质或传热等过程,它广泛地用于精细化工工业中。 一、重力式混合机(容器旋转) 重力式混合机的主要特点是有一个可以转动的混合筒。混合筒安装在水平轴上(个别有 倾斜轴) ,混合筒绕轴旋转,使物料在筒内反复运动即混合与分离,而达到物料混合均匀的 目的。 这类混合机混合作用力主要是重力,按照容器外形可分为:圆筒式、鼓式、箱式、双锥 式、V 式等,这类混合机容易使粒度差和密度差较大的物料趋向分料,为减少物料结块,有 些重力式混合机(如 V 式)内还有高速旋转桨叶。重力式混合机对流动性好且物理性质相 差不大的物料可得到较好的均匀度,其中以 V 形混合机的混合均匀度较高,多用于品种多 而批量小的生产中,大多间歇生产。 重力式混合机的缺点是:混合机的加料和卸料,都要求容器停止旋转,并在固定位置上, 故需要加装定位装置,而且加料和卸料过程中容易产生粉尘,需要采用防尘措施。 (一)圆筒式混合机 筒体在轴向旋转时带动物料向上运动,物料在重力作用下往下滑落的反复运动中进行混 合,总体混合主要以对流、剪切混合为主,而轴向混合以扩散混合为主。该混合机的混合度 较低,但结构简单、成本低,适合于干粉的混合,操作中最适宜的转速为临界转速的 70% -90%,最适宜的充填比或存积比(物料容积/混合机全容积)约为 30%-50%,混合时间 与混合机型、混合物料的性质等有关,一般混合时间约为 10min。 水平圆筒形混合机如图 5-2 所示,它有旋转筒、驱动转轴、搅拌浆、机架和电动机等组 成。它的重要构件-旋转容器的形状决定了混合操作的效果,容器内表面要求光滑平整,以 减少粉料对容器壁的粘附、摩擦等影响,为加大粉料的翻腾混合,减少混合时间,可在容器 壁或旋转容器内安装几个固定抄板(搅拌桨) 。 圆筒式混合机按其回转轴线可分为水平型和倾斜型,水平型圆筒混合机操作时,物料流 动简单,但缺乏沿水平轴的横向运动,容器两端存在混合死角,且卸料不方便,混合效果不 理想,倾斜型混合机,由于容易与水平轴有一定角度,减小了水平型容器内运动的缺点,而 使混合能力增强。 图 5-2 圆筒式混合机结构示意图和外形图 (二)多面体混合机 这种机器由多面体(正方形、矩形、双锥形和正八角形等)容器及其内壁上所装的导向 板等组成,如图 5-3 所示,当容器旋转时,待混物料翻滚、掺合以达到混合目的,这种混 合机多用于干粉状、粒状物料的混合。 图 5-3 多面体混合机 其中双锥型混合机由两个圆锥型筒组成,双锥式混合机转动时,被混物料翻滚强烈,由 于其流动断面的不断变化,能够产生良好的横流效应,对流动性好的物料混合较快,且功率 消耗低,操作方便,劳动强度低,工作效率较高,适用于干粉的混合。 正方体式混合机(即箱式)的容器为正立方体,而正立方体对角线的位置,即容器旋转 的轴线,当混合机工作时,容器内物料由于收到三维方向上的重叠混合作用的影响,因而混 合速度加快,混合时间较短,同时没有死角的存在,卸料也比较容易。 (三)V 形混合机 这种混合机由两个圆筒成 V 形交叉结合而成,交叉角在 80°-81°, 直径与长度之比为 0.8-0.9,物料在圆筒顶角转向上时,分成两股流动,随后顶角转向下,物料又汇入顶角, 如此反复分开和汇合,这样不断循环,在较短时间内即能混合均匀,该混合机以对流混合为 主,混合速度快,在旋转混合机中效果最好,应用非常广泛,操作中最适宜的转速可取临界 转速的 30%-40%,最适宜的充填量为 30%。图 5-4 所示为带强化混合元件的 V 形混合 机。 图 5-4 V 形混合机及其外形图 二、强制式混合机(容器固定) 利用旋转的搅拌叶片使固定容器(个别也有容器旋转的,以加强混合作用)内的物料强 行混合,一般来说,其混合强度比重力式大,而且大大降低了物料特性对混合的影响,混合 速率较高,可得到较满意的混合均匀度。混合时可适当加水或溶剂,因此可防止粉尘飞扬和 分料。它的缺点是容器内部较难清理,搅拌部件磨损比较大。 这类混合机按轴的传动可分为:水平轴(桨叶式、带式) ,垂直轴(即盘式:定盘式和动 盘式) ,斜轴(即螺旋叶片式) 。 (一)螺带式混合机 螺带式混合机一般由单级减速机(无级变速) 、传动部分、筒盖、筒体、内螺旋、外螺带、 出料阀等部件组成。螺带有单条、双条和三条之分,螺带的螺距和直径均有不同规格。螺带 有的右旋,有的左旋,分别将待混物料推向不同的方向,造成紊乱运动,使待混物料充分混 合。这种机械常用于糕点、牙膏和药膏的原料混合,以及建筑用水泥砂浆的混合。 图 5-5 为槽式双螺旋带混合机,在一个 U 形混合槽内,中心装置一回转轴,在轴上固 定两条螺旋形搅拌装置(螺带) ,当中心轴旋转时,螺带搅动物料上、下翻转,由于两根螺 带外缘回转半径不同,对物料的搅动速度也不同,有利于物料的径向分布,与此同时,外螺 旋将物料从右推到左,而内螺旋(外缘回转半径小的螺带)又将物料从左推到右,使物料在 混合槽轴向往复运动,产生了轴向分布混合,在 U 形槽底部开有出料口,分料可在搅拌后 放出。 图 5-5 槽式双螺带混合机 螺带式混合机除了上述槽式外,还有锥式、釜式等多种(如图 5-6 所示) ,用来混合不 同性质与状态的物料。 图 5-7 为锥式螺带混合机, 该混合机使用于粘度在 10000 厘泊以上的物料的混合, 它使 用于搅拌粘性流体或稠状、 膏状为主, 也可混合粉体、 颗粒的物料。 本机广泛应用于黏合剂、 硅橡胶、颜料、油墨、石蜡、树脂、雪花膏、药膏、洗涤剂、食品添加剂、饲料、新型建材 等领域。 它的工作原理是由减速机驱动搅拌轴,搅拌轴上的螺带驱动物料上下翻动,中心螺旋将 物料向下推动,外螺带沿筒壁将物料向上提升,使物料产生循环流,达到混合目的。 图 5-6 螺带式混合机的类型 图 5-7 锥式螺带混合机 螺带混合机中的螺带形式也有多种,常见的有连续式螺带(图 5-8a) ,这种螺带可以迅 速的达到混合均匀的效果,外螺带将物料推至中间,内螺带将物料推至两端,使物料做辐射 状的运动,混合效果好;打断式螺带(图 5-8b) ,物料的运动方式和连续式螺带相似,广 泛应用于高密度物料的混合。 (a)连续式螺带 (b)打断式螺带 图 5-8 螺带的形式 螺带式混合机的混合作用较柔和,产生的摩擦热很少,一般不需要冷却,除作一般混合, 还可作为冷却混合设备, 即将经热混合器混合后的热料排入螺带混合机中, 一边经螺带再混 合,一边冷却,使物料温度降低,用于冷却混合的螺带混合机的混合槽设有冷却夹套,这种 混合机结构简单、操作维修方便,因此应用广泛,适合于干粉或湿润粉体的混合,对香粉、 爽身粉和以滑石粉为基质的粉类一般采用螺带式混合机,效果很好。 (二)螺杆式混合机 螺杆式混合机主要是以螺杆来搅拌物料达到混合的目的,其外形也不尽相同,根据混合 室外形的不同可以分为立式螺杆混合机与锥式螺杆混合机等, 根据混合物料的性质与生产需 要,螺杆的数目可以是一条、两条或三条, 立式螺杆混合机:这种混合机由容器,以及内装的立式螺杆和混合管等组成(图 5-9) , 带有混合管的立式螺杆混合机, 螺杆旋转时将待混物料送入混合管。 待混物料被向上推动时 受到翻动而混合,然后由管上口排出,如此循环直至达到混合要求。这种机械适用于各种流 动性好的粉状、粒状固体物料和粒度相差不大的物料。它的缺点是清扫不方便。 立式螺杆混合机容器、螺杆等均可采用采用不绣钢,防止绣蚀,而且坚固耐用,直立式 操作,占地少,密封式搅拌,混料均匀,无漏料,马力小,混合量大,速度快,3-5 分钟 即可混匀,机架底部设计加注装置及排料装置,混合机整体比较耐用。 图 5-9 立式螺杆混合机 锥式螺杆混合机:这种混合机由圆锥容器(混合室)和内装的螺杆等组成(图 5-10) , 其混合室是一个倒立的锥形筒,上部装有装料口,下部有可以开闭的排料口,锥筒内装有两 根斜着的螺杆, 螺杆在驱动装置带动下绕自身轴线旋转, 同时筒内周边旋转, 即一方面自转, 一方面绕锥体的中心公转,自转速度大约为 64r/min,公转速度大约为 3r/min,当螺杆自转 时,螺杆周围的物料在螺杆螺棱作用下由锥筒底部移到顶部,然后在重力作用下落回底部, 实现垂直方向的上、下流动,与此同时,螺杆的公转搅动锥筒内的物料,使锥筒壁处的物料 流向中心。这种上、下流动与流向中心的运动形成复杂的旋涡运动,从而导致整个混合室内 各物料间充分混合。 图 5-10 锥式双螺杆混合机 锥式螺杆混合机是一种高效混合设备, 其混合时间一般不超过 5min, 功率消耗也比较少, 适用于流动性较好的粉状、粒状物料,但清扫不方便。 锥式螺杆混合机混合强度较低,物料在混合过程中因摩擦等发热不多,一般不加冷却夹 套。 (三)浆叶式混合机 桨叶式混合机(图 5-11)由卧式圆筒状容器和内装的旋转轴(轴上装有数对叶桨)等 组成。旋转桨叶翻动、搅拌待混物料使之混合。 桨叶式混合机以强烈、高效混合为特点,卧式筒体内搅拌轴旋转,主轴上特殊布置的桨 叶确保物料径向、环向、轴向三向运动,形成复合循环,在极短的时间内达到混合均匀。 桨叶式混合机适合于固体与固体、固体与液体之间的混合,混合速度快,一般只要 1- 5min,混合精度高,出料方便,易于清理,可广泛的应用于化学药品、洗涤剂、涂料、树脂、 玻璃硅、颜料、农药、化肥、饲料、饲料添加剂、小麦粉、奶粉、香料、微量成分、咖啡、 味精、食盐、塑料及各种浆料的干燥与混合。 图 5-11 桨叶式混合机结构示意图和外形图 桨叶式混合机中的桨叶也有多种形式,如图 5-12 所示,当机器用于完全或不完全的间 歇式操作时,用图中 a 形桨叶是最好的选择,在最小的负荷下可以获得最有效的混合效果, 图中 b 形桨叶适合需要刮壁的物料。 (a) (四)犁刀式混合机 (b) 图 5-12 桨叶的形式 犁刀式混合机(图 5-13)主要由传动部分、卧式筒体、犁刀组轴、飞刀组、出料阀、 喷液装置等部件组成。传动部分:由主电机和减速机传送给犁刀组轴。 卧式筒体:上部设 有进料口、 观察孔, 筒体一侧开有物料清洗门。 犁刀组轴: 犁刀根据容积大小安排犁刀数量, 安装在主轴上, 犁刀可以在同一个平面上, 也可在不同平面 (图 5-13 为不同平面上的犁刀) , 在筒体内作圆周湍动流混合物料。飞刀组:副电机直接连结飞刀(侧视图右下角为副电机与 飞刀) ,高速飞刀有强列抛散剪切的搅拌作用。出料阀:安装筒体底部,供放料用。喷液装 置:喷液装置布置在筒体上部,由管件、喷头部件组成并固定在筒体均匀分布喷散。根据混 合物料的性质和生产需要,犁刀式混合机可制备成夹套加温、冷却、干燥型等。 图 5-13 犁刀混合机及犁刀形状 1-主电机;2-犁刀;3-轴;4-容器;5-出料口 犁刀混合机,由主动轮减速机带动犁刀组轴运动,一方面将物料沿筒体圆周作径向周向 湍动,同时将物料沿犁刀两侧的法线方向抛出,另一方面被抛出物料经飞刀组时,被高速旋 转的飞刀剪切搅拌而强列的抛散,物料在犁刀和飞刀的复合作用下,不断更叠、扩散、块状 固-固(粉体与粉体) 、固-浆(粉体与胶浆液)的物料或密度差异较大的物料也能混合。 犁刀混合机广泛用于化工原料、制药原料、建筑材料、塑料、胶粘原料、食品原料、粉 沫治金、矿山材料、石油原料等行业的固-固(粉体与粉体) 、固-液(粉体与胶浆液) 、块 状-粘稠状的物料混合。 (五)螺杆混合挤出机 螺杆混合挤出机(常简称“螺杆挤出机” )由机筒、螺杆、料斗、电机、水冷却加热器和 支架等组成,如图 5-14 所示。螺杆的结构形式可根据加料、输送、挤压、捏合和混合的要 求做成相应的独立分离元件,螺杆的形式可以多种多样,也可以是单螺杆、双螺杆或者三螺 杆, 生产中以双螺杆型螺杆混合挤出机较多。 使用时按工艺要求将所需要的分离元件套在轴 上组合成目的螺杆,也叫组合螺杆。螺杆加工成固定型式居多。待混物料经过挤压、捏合和 混合分离元件的作用,混合均匀之后可挤压成所需要的形状(由模具和后续工序决定) ,例 如将塑料加工成板、管等各种制品。 螺杆混合挤出机主要用于用于热塑性物料(如橡胶和塑料)与添加剂、各种粉体(如碳 酸钙、二氧化钛、碳黑等)的混合。针对各种热塑性物料的性质差别,对应的螺杆挤出机种 类较多,形式也不尽相同,在此不多述,可参考塑料挤出方面的书籍。 此外,除了上述提到的几种混合机械以外,第四章中提到的很多粉磨机械,兼有混合和 研磨作用,这些粉磨机械大多用于染料、涂料、粉类化妆品、油墨和药物生产方面,常用的 有球磨机、砂磨机等(见第四章相关内容) 。第一章中提到的气力输送装置在某些场合也具 有混合粉料的功能。 图 5-14 螺杆混合挤出机原理图及其外形图 三、混合机的选择 固体粉料混合机的种类比较多,其混合性能存在一些差异,对于精细化工生产中,选择 好合适的混合机,有利于产品的加工,具体来说,混合机械设备的选型要考虑下面几点: (1)要根据产品的生产工艺过程的要求及操作目的来选择,包括混合物料的性质,混合 过程中是否有化学反应,以及最终产品的物理、化学性能等,此外还有生产能力,操作方式 等(间歇式、连续式等) 。 (2)根据固体粉料的物性分析对混合操作的影响:包括粉粒大小、形状、分布、密度、 流动件、粉体附着性、凝聚性、润湿程度等,同时也要考虑各组分物件的差异程度,以及相 互直接的影响。 (3)要考虑混合机的操作条件,包括混合机的转速、装填率、原料组分比、各组分加入 方法法、加入顺序、加入速率、混合时间等,根据固体粉料物性及混合机型式来确定操作条 件与混合速度(或混合度)的关系,以及混合规模。 (4)要根据生产的产品的种类、规模,生产车间的大小、高度来选择,如生产中经常要 更换搅拌的物料用以生产不同产品,则要选择容易清洗的混合机。 (5)要考虑混合机所需的功率,操作的经济性,包括装料、混合、卸料等操作,此外还 有考虑设备使用的经济性,包括设备费用、维持费用和操作费用等。 第二节 流体混合设备 在精细化工生产中,存在大量的流体混合物,包括固体与液体,液体与液体、固体-液 体-气体等混合形式,其中以两种混合形式最多,而不同物料的混合,形成的流体粘度相差 也较大,因而混合过程采用的混合机械设备也不尽相同。 中低粘度的流体混合物,如液体与液体混合、固体与液体悬浮液的混合、以及气体与液 体的混合,这类混合物常采用的混合机械设备为搅拌机。 高粘度的糊状物料混合物,如液体与液体混合,固体与液体混合过程中伴随有充气、传 热、改性等物理或化学变化,这类混合物常采用的混合机械设备为捏合机等。 一、流体的类型 搅拌物料的种类主要是指液体。在流体力学中,把流体分为牛顿型和非牛顿型。在搅拌 设备中,由于搅拌器的作用,而使流体运动。没有如图 5-15 所示相距为 dy 的两块板,板 问充满液体,若下层不动,而在上层加一剪切力 F 时,就发生了运动。在稳态下,此力必与 流体内由于粘度而产生的内摩擦力相平横, 如剪切应力 τ 与速度梯度 (亦称剪切率) γ (du/dy) 成比例,即: τ=μ du/dy=μ γ 比例常数μ 即为粘度。 图 5-15 流体流动示意图 (一)牛顿流体 对于牛顿流体,无论搅拌程度激烈或缓和,它的粘度和静止时相同,在同一搅拌设备中, 各处的粘度也是一致的,如图 5-16 所示,牛顿型流体的关系曲线,而 直线的斜率为粘度μ ,即剪切应力与速度剃度成正比,而粘度为其比例系数。所有的气体和 低分子量物质(非聚合的)液体或溶液、普通的油类、醇类等都属于牛顿流体。 图 5-16 流体示意图 1-假塑性流体;2-胀塑性流体;3-牛顿流体;4-宾汉塑性流体 (二)非牛顿流体 凡是粘度随着剪切应力及速度梯度的不同而有变化时,即不符合式图 5-16 中曲线 的 线性关系的流体,称为非牛顿流体,非牛顿型流体的搅拌比牛顿型流体复杂。 在非牛顿型流体中,按其性质,随着时间而变化的称为与时间有关的非牛顿型流体,未 成型的塑料, 分子量大于百万的聚环氧乙烷均属这一类。 其性质不随时间而变化的非牛顿型 流体,称为与时间无关的非个顿型流体,与时间无关的非牛顿型流体又可分为假塑性、宾汉 塑性与胀塑性三种,其剪切应力-剪切率曲线.假塑性流体 假塑性流体是非牛顿型流体中最重要的一种,大多数非牛顿型流体均属于此类。在算术 坐标系中, 假塑性流体 (图 5-16 中曲线) 的剪应力和速度梯度的曲线是下弯的曲线形状。 假塑性流体在工程上有时候也教 “剪切变稀流体” , 利用这类特性可以制备一些含大量粉 体的流体,如涂料、油墨等,静止时粘度比较大,有利于产品的问题,可以防止颜填料的沉 降,刷涂时粘度较小,则有利于涂层的涂布,刷完后,流体粘度又变大,则有利于涂层的成 膜,可防止涂层的流挂等。属于假塑性流体的还有有高分子溶液、醋酸纤维、纸浆、葡萄糖 以及羧甲基纤维素水溶液等。 2.胀塑性流体 和假塑性流体相反,胀塑性流体的表观粘度随着速度梯度的增大而增加。由图 5-16 中 曲线 可以看出, 胀塑性液体的关系曲线是通过原点的向上弯曲的曲线, 其斜率随剪切应力 的增加而变大。 属于胀塑性的流体包括含有淀粉、硅酸钾、阿拉伯树胶的水溶液等,以及沙子等一类物 质的高浓度悬浮液。 3.宾汉塑性流体 从 5-16 中曲线 可看出,它的关系曲线是不通过原点的直线。这种非牛顿型流体和牛 顿型流体间的差别在于剪切应力和速度梯度的直线关系不通过原点,与 τ 轴相交于某一点 τ。 ,这一点称为屈服应力,即当搅拌剪切应力未达到一定值前,流体不会运动,但当剪切应 力达到一定程度,大于 τ。时,流体才能引起流动,并和牛顿型流体具有相同的流动特性。 属于这一类的流体如含有固体颗粒的白垩、岩粒的悬浮液,以及污水泥浆等。 实际上,高粘度液体几乎多数表现为非牛顿型流体,粘度又随温度而显著变化。知道这 些非牛顿型流体与温度的关系,就可以对搅拌设备采取有效措施。 二、搅拌机(低粘度流体混合设备) 在精细化工生产中,液体混合主要用于互溶或互不相溶的液体与液体之间的混合体,固 体悬浮液的制备,以及液体中固体的溶解、强化热交换的操作中。比如水性建筑涂料丙烯酸 乳液的制备, 液态洗涤用品的生产, 表面活性剂的合成等过程都需要用到液体混合形成流体。 精细化工生产中的液体混合的目的在于促进物料的传热,使物料温度均匀化,促进互溶 物料中各成分混合均匀,使不相溶的另一液相能充分悬浮或乳化,促进溶解、结晶、吸附、 吸收等过程的进行,促进化学反应过程的进行,通常此类液体的粘度比较低,这类低粘度液 体的混合也称为搅拌。 液体的搅拌操作分为机械搅拌和气流搅拌。气流搅拌是利用气体鼓泡通过液体层,对液 体产生搅拌作用, 或使气泡群以密集状态上升借所谓气升作用促进液体产生对流循环。 与机 械搅拌相比,气流搅拌无运动部件,所以在处理腐蚀性液体,高温高压条件下的反应液体的 搅拌是很便利的,但是气流搅拌对液体搅拌作用比较弱,对于几千毫帕· 秒以上的高粘度液 体是难于适用的。在精细化工工业生产中,大多数的搅拌操作均系机械搅拌,因此本节主要 叙述的是常见的机械搅拌。 机械搅拌设备在精细化工工业生产中应用范围很广,很多的精细化学品的生产都或多或 少地应用着搅拌操作。 精细化学工艺过程的种种化学变化, 是以参加反应物质的充分混合为 前提的,对于加热、冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程,也往往要采用搅拌操作 才能得到好的效果, 搅拌设备在许多场合是作为反应器来应用的, 例如在合成树脂与表面活 性剂的生产中,搅拌设备作为反应器约占反应器总数的 90%,其他如染料、医药、农药、 油漆、油墨、洗涤用品、化妆品等行业,搅拌设备的使用也很广泛。 (一)搅拌机的形式 搅拌机械与设备的种类很多,但其基本结构是一致的,典型的搅拌机结构如图 5-17 所 示,主要由搅拌装置、传动装置和搅拌罐三大部分组成,通常,典型搅拌设备还有进出口管 路、夹套、温度计插孔、挡板等附件。 搅拌装置由搅拌轴、搅拌器等组成,主要作用是通过自身的运动使液体按某种特定的方 式流动,从而达到某种工艺要求,所谓特定方式的流动(流型)是衡量搅拌装置性能最直观 的重要指标。 搅拌罐有时又称搅拌容器,它的作用是容纳搅拌器与物料在其内进行操作,对精细化学 品生产中的搅拌机来说,搅拌罐要满足无污染、易清理等专业技术要求。 传动装置是赋予搅拌装置及其它附件运动的传动组合体,一般由电机、轴承等组成,在 满足生产需要的前提下,传动装置要求转动链短、传动件少、电功率小,以降低成本。 搅拌机中搅拌器的安装方式不同, 可以产生不同的流体流型, 使搅拌效果也有很大差别, 常用的搅拌器的安装形式主要有下面几种: 1.立式容器中心搅拌 图 5-17 立式搅拌机结构图 1-电动机;2-传动装置;3-罐体;4-料管; 5-挡板;6-出料口;7-搅拌器;8-温度计插管 如图 5-17 所示,立式容器中心搅拌机将搅拌装置安装在立式设备简体的中心线上,驱 动方式一般为皮带传动和齿轮传动, 用普通电机直接联接或与减速机直接联接。 从功率方面 看,可从 0.1kW 到数百千瓦。但在实际应用中,常用的功率为 0.2-22kw,一般认为功率 3. 7kW 以下为小型, 55—22kW 为中型, 转速低于 100r/min 为低速, 100-400r/min 称中速, 大于 400r/min 称高速。桨叶的形状,根据用途可以考虑各种各样的组合方式,以三叶推进 式、混轮式为主体,而组合各种形式。 2.偏心式搅拌 如图 5-18 所示,偏心式搅拌机将搅拌装置在立式容器的偏心位置,这种安装方式能防 止液体在搅拌器附近产生“圆柱状回转区” ,可以产生与加挡板时相近似的搅拌效果。偏心 搅拌过程中流体的流动情况如图所示, 搅拌中心偏离容器中心, 会使液流在各点所处压力不 同,因而使液层间相对运动加强,增加了液层间的湍动,使搅拌效果得到明显的提高。偏心 搅拌的缺点是容易引起振动,一般用于小型设备上比较合适。 图 5-18 偏心搅拌 3.倾斜式搅拌 为了防止涡流的产生,对简单的圆筒形或方形敞开的立式容器,可将搅拌器用夹板或卡 盘直接安装在设备筒体的上缘,搅拌轴斜插入容器内直接搅拌(如图 5-19 所示) 。 这种安装形式的搅拌设备比较机动灵活、使用维修方便、结构简单、轻便、使用范围较 广,一般用于小型没备上。采用的功率为 0.1-2.2kW,使用一层或两层桨叶的搅拌器,转 速在 36-300 r/min 范围内。 图 5-19 倾斜式搅拌 4.底部式搅拌 底部式搅拌设备,其搅拌器安装在容器的底部。底搅拌设备的优点有:搅拌轴短、细、 无中间轴承,可用机械密封,易维护、检修、寿命长,底搅拌比上搅拌的轴短而细,轴的稳 定性好,既节省原料又节省加工费,而且降低了安装要求。 图 5-20 底部式搅拌 此外,搅拌器安装在下封头处,有利于上部封头处附件的排列与安装,特别是上封头带 夹套,冷却气相介质时更为有利。由于把笨重的减速装置和动力装置安放在地面基础上,从 而改善了封头的受力状态,同时也便于这些装置的维护和检修。底搅拌也有利于底部出料, 可使出料口处得到充分的搅动,使出料管路畅通。 对于大型聚合釜搅拌设备的结构,在设计上有很多实际困难,通常聚合釜的搅拌铀是通 过釜的顶盖伸入设备内的,若是 100m3 的聚合釜所需的搅拌轴,必然是很粗、很长,而且费 用昂贵,搅拌器必须装在接近聚合釜底部,才能使放料期间达到有效混合,但若采用底搅拌 就可以解决这些问题。 此类搅拌设备的缺点是,桨叶叫轮下部至轴封处常有固体物料粘积,容易变成小团物料 混入产品而影响产品质量。 底部搅拌设备如图 5-20 所示,搅拌器的型式有涡轮式、螺带式、推进式、三叶后掠式 等。 5.卧式容器搅拌 如图 5-21 所示,卧式容器搅拌为卧式容器上安装四组搅拌器装置的结构,这种安装方 式,可降低设备的安装高度,提高搅拌设备的抗震性,改进悬浮液的状态等。可用于搅拌气 液非均相系的物料, 例如充气搅拌就是采用卧式容器搅拌设备的。 搅拌器可以立装在卧式容 器上,也可以斜装在卧式容器上。 图 5-21 卧式容器搅拌机 1-容器;2-支座;3-挡板;4-搅拌装置 6.旁入式搅拌 旁入式搅拌设备是将搅拌装置安装在没备容器筒体的侧壁上,在消耗同等功率情况下, 能得到最高的搅拌效果,这种搅拌器的转速一般是 360-450r/min,驱动方式有齿轮和皮带 两种。 (a) (b) (c) 图 5-22 旁入式搅拌装置旋桨位置与流动状态 旁入式搅拌,一般用于大型储存罐中各种液体的混合和防止沉降等,投入少量的功率便 可以得到适当的搅拌效果,因而被广泛采用。设备缺点是轴封比较困难。 图 5-22 是旁入式搅拌装置旋桨位置与流动状态示意图:图小(a)为旋桨与容器中心线°时流体的流动状态; (b)为旋桨与容器中心线°时的流动状 态; (c)为旋桨与容器中心线相垂直时的流动状态。 7.组合式搅拌 有时为了提高混合效率,需要将两种或两种以上形式不同、转速不同的搅拌器组合起来 使用,称为组合式搅拌设备。 图 5-23 锚-齿片-螺杆组合型搅拌设备 1-螺杆;2-齿片;3-锚 图 5-24 框-涡轮组合型搅拌设备 1-电机;2-框式搅拌器;3-刮板;4-双层涡轮 图 5-23 是—台用于生产牙膏、涂料等的锚-齿片-螺杆组合型搅拌设备,通过三种叶 轮的协同作用,将固体粉末均匀地分散到粘稠性液体中。齿片力叶轮以大于 1500r/min 的高 速进行回转, 具有打散粉团和打碎固体颗粒的作用; 螺杆式叶轮以每分钟几十转至效百转的 速度旋转,它造成强有力的轴向流动;锚式叶轮以每分钟十多转至数十转的低速转动,把罐 内液体输送至齿片式叶轮造成的高剪切区和螺杆式叶轮形成的轴向流区。 由于这三个叶轮的 旋转轴互不重合,故称作非同轴组合式搅拌设备。 图 5-24 中的组合搅拌设备把框式搅拌器与另一个涡轮搅拌器进行组合,由于两个搅拌 叶轮安置在同一轴线上, 故称作同轴组合式搅拌设备。 框式搅拌器上可带刮板也可不带利板; 中心搅拌器可以是高速旋转的齿片, 也可如图所示的双层涡轮, 也可以是适合于更高粘度的 不规则四边形叶轮等。 这种组合搅拌设备适合于非牛顿型流体和热敏性液体的混合,也适合于作为中、高粘度 物料的反应器。 最大适用粘度为 3000Pa· s, 其最大的容积达 25m3, 最大输入功率为 250kW。 (二)搅拌器类型 搅拌器是搅拌设备中主要的工作部件,搅拌设备对流体搅拌效果的好坏与搅拌器的形状 有着直接的关系,尽管某种流动状态与搅拌容器的结构及其附件有一定关系,但是,搅拌器 的结构形状与运转情况可以说是容器内流体流动状态最重要的因素。 搅拌过程有赖于搅拌器的正常运转,当然搅拌器的结构才是最主要的影响因素,由于搅 拌操作的流体种类多种多样, 有固体与液体、 液体与液体, 还有相溶与不相溶等物料的混合, 有高粘度的流体,也有低粘度的流体,所以针对不同类型和性质的流体,搅拌器的结构存在 着许多种类型。 桨式 弯叶开启涡轮式 折叶开启涡轮式 推进式(旋桨式) 布鲁马金式 齿片式 直叶圆盘涡轮式 锚式 框式 螺带式 螺杆式 图 5-25 搅拌器的类型 通常的搅拌器按照形状可以分为两大类: (1)小面积叶片高转速运转的搅拌器,属于这种类型的搅拌器有桨式、涡轮式、推进式 (旋桨式) 、布鲁马金式、齿片式等,多用于粘度低的物料; (2) 大面积叶片低转速运转的搅拌器, 属于此类型的搅拌器有框式、 锚式、 垂直螺旋式、 螺杆式等,多用于高粘度的物料。 各种搅拌器在配合各种可控制流动状态的附件后,便能使流动状态以及供给能量的情况 出现多种变化,更有利于强化不同的搅拌过程,以满足不同加工工艺的要求。图 5-25 为典 型的搅拌器的类型。 (三)搅拌流型 搅拌器的功能就是提供搅拌过程所需要的能量和适宜的流动状以达到搅拌混合各类流体 的目的。搅拌器的形状与运转情况可以说是决定搅拌容器内流体流动状态的最基本的因素。 搅拌器的形状和结构多种多样,安装搅拌器的运动方向与桨叶表面的角度,可以将搅拌 器分为三类:平叶、折叶和螺旋面叶搅拌器。桨式、涡轮式、框式、锚式等的叶轮都是平叶 或折叶,而旋桨式(推进式) 、螺杆式、螺带式的叶轮则为螺旋叶面。 平叶的桨向与运动方向垂直,即运动方向与桨面法线方向一致。折叶的桨面与运动方向 成一个倾斜角度,一般为 45°或 60°等。螺旋面叶是连续的螺旋或着是其中一部分,叶片 曲面与运动方向的角度逐渐变化,如推进式叶片的根部曲面与运动方向一般可为 40°- 70°,而其叶端的曲面与运动方向的角度较小,一般为 17°左右。 不同类型得搅拌器其搅动液体的流动有各自的特点,为了区分叶轮排液的流向特点,根 据主要排液方向将典型叶轮分成径流型和轴流型两种,平叶的桨式、祸轮式是径流型,螺旋 面叶片的螺杆式、推进式是轴流型。折叶桨则居于两者之间,一船认为它更接近于轴流型。 下面就几种典型的搅拌器桨叶形状及产生的流动状态做一个简单介绍: 1.平直桨叶与流型 图 5-26 所示为平直叶圆盘涡轮搅拌器工作时产生的流动状态图,这种高速旋转的小面 积桨叶搅拌器所产生的液流方向主要为垂直于罐壁的径向流动, 通常称径流型桨叶。 由于平 直叶的运动与液流相对速度方向垂直,当低速运转时,液体主要流动为环向流,当转速增大 时,液体的径向流动就逐渐增大,桨叶转速愈高,由平直桨叶排出的径向流动愈强烈。 图 5-26 平直桨叶流型 图 5-27 螺旋面桨叶流型 单靠平直桨叶本身,它造成的轴向流动还是很弱的。有时可采用折叶形式,折叶由于桨 面与运动方向成一定倾斜角,所以在叶轮运动时,除有水平环流外,还有轴向分流,在叶轮 转速增大时,还有渐渐增大的径向流。 2.螺旋面桨叶与流型 旋桨式搅拌器所产生的流型如图 5-27 所示,其桨叶类似于通常的推进式螺旋桨形状, 此类桨叶又称推进式桨叶,当桨叶旋转时,产生的流动状态不但有水平环流、径向流,而且 也有轴向流动,其中以轴向流量最大。因此,此类桨叶又称轴流型桨叶。 3.垂直螺杆式桨叶与流型 螺杆式桨叶所产生的流动状态如图 5-28 所示,螺旋面可以看成是许多折叶的组合,这 些折叶的角度逐渐变化。 所以, 此型螺旋面桨叶产生的流型有水平环向流、 径向流和轴向流, 其中以轴向流量最大。 图 5-28 垂直螺杆式桨叶流型 (四)搅拌器的特点 搅拌目的的多样性,物料性质的多样性,以及搅拌设备形式的多样性再加上物料在搅拌 设备内流动的复杂性, 使搅拌设备的选型、 搅拌器的选择与设计难以在一个严密的理论指导 下完成,仍在很大程度上依赖于经验。为此有必要在明确搅拌目的和物料性质的基础上,对 搅拌设备的各个要素,例如搅拌器叶轮的形状、叶轮直径、叶轮的层数、叶轮的安装位置、 转速、设备的形状、挡板的尺寸和个数等进行优化。 了解各种搅拌器的特点以及应用场合,对选择合适的搅拌设备和搅拌器都很重要,下面 就简单的介绍几种比较典型的搅拌器的特点: 1.齿片式叶轮 在所有搅拌器叶轮中,齿片式叶轮使用的转速最高,通常其转速为 500-3000r/min,相 当与叶端线m/s, 齿片式叶轮外周的锯齿状叶片的高速旋转使之具有高的剪切力, 投入的能量 75%在叶片近旁以剪切的形式消耗掉。 用齿片式叶轮时,搅拌容器中一般不安装挡板。特别当处理密度小的、浮于液面的粉末 时,更以无挡板为好。有时对于低粘度液体,为防止旋涡过高而使液体溢出罐外,或防止向 液体中卷入气体, 亦可使用挡板。 还有, 当液体粘度较高时, 若不能产生全罐范围内的流动, 则可采用与锚式叶轮进行组合的方法。 使用齿片式叶轮时投入的能量密度较高,这些能量全部变成热量使容器内温度上升,因 此若所处理的液体不允许温度上升的场合,必须用夹套进行冷却。 齿片式叶轮的应用领域有:液-液分散体系,如树脂的混合;固-液体系.如使高岭土、 粘土、氯化钙和颜料等达到高度分散。 对于低粘度液体,齿片式叶轮的叶径与罐径之比为 0. 25-0.35,随着粘度的增加,叶径 增大,但叶径与罐径之比不会超过 0.5,该叶轮的粘度适用范围为小于 50Pa·s。 2.涡轮式叶轮 涡轮式叶轮随叶片形状和安装的角度不同其名称和用途也不同。从形式上看有两类:一 类是有一个圆盘安装在轮殻上,叶片再安装在圆盘上,称圆盘涡轮式,另一种是叶片直接安 装在轮殻上,称开启涡轮式。苦叶片垂直安装的称径向流涡轮,叶片倾斜安装的称轴向流涡 轮。若叶片呈弯曲形的还可称作弯曲叶涡轮。 径向流涡轮旋转起来把液体从轴方向吸入而向与轴垂直的方向(径向)排出。当容器内 有挡板时,排出流遇到容器壁则向上下分开,使容器内形成上下循环的流型。这种叶率 消耗大,剪切力强,又具有排出能力,因此它适用于既要有强的剪切,又要有一定循环流量 的场合,如在液-液体系用于乳化、乳液聚合、悬浮聚合、萃取等;在固-液体系则用于把 干的和湿的滤饼再捣碎成浆状以及使固体一面破碎一面溶解; 对于气-液体系则用于氧化反 应那样的气体分散和伴有化学反应的吸收等。 轴向流涡轮使液体沿与轴平行的方向排出, 使其进行有效的轴向循环。 产生同样的排量, 这种叶轮所需的功率仅占径向流涡轮的一半, 所以对容器内循环流占重要地位的场合, 它是 有效的叶轮。这种叶轮主要用于液-液系和固-液体系中需要强循环的场合,如均一混合、 反应、传热等。 涡轮式叶轮的叶径与罐径之比通常为 0.25-0.5,叶轮的转速一般为 50-300r/min,适应 的最高粘度为 30Pa·s 左右。 3.桨式叶轮 桨式叶轮通常仅有二枚叶片,是搅拌叶轮中最简单的一种。与涡轮式叶轮一样,根据叶 片的垂直或倾斜安装可分成径向流型和轴向流型。 桨式叶轮主要用于排出流是必要的场合,由于在同样的排量下,轴向流叶轮的功耗比径 向流低,故轴向流叶轮使用较多。由于结构简单,即使叶径大,造价也不高,故往往用于大 叶径、 低转速的场合。 其主要用途为: 在液-液系用于防止分离和使温度均一; 在固-液系, 多用于防止固体沉降。如制成大叶轮,则可用于高粘度流体的搅拌,某些场合还可用多层叶 轮。 在立式搅拌机中,使用桨式叶轮的占大约 50%左右。对于低粘度液体,桨式叶轮的叶径 与罐径之比为 0. 35-0.5,对于高粘度液体为 0. 65-0.9;使用的转速为 20-100r/min;适应 的最高粘度为 50Pa· s 4.推进式叶轮 作为搅拌用的推进式叶轮、其叶片不像船舶推进器那样都由立体曲面所组成,通常出钢 板扭曲而制得。推进入叶轮在旋转时使液体向前方成轴向流排出、使之在罐内形成循环,然 而,推进式叶轮安装在搅拌容器中间时,容易形成水平回转流,回降低搅拌混合效果,为防 止水平回转流,可在罐内装挡板,也可将搅拌铀偏心或倾斜安装,这样搅拌混合效果更好。 推进式叶轮的能力特征是排出液体的能力强,而不适用于要求较高剪切力的各种分散和 反应等操作。它主要用于液-液系的混合、使温度均一化、在低浓度固-液体系中防止淤浆 沉降等, 特别是它具有单位功率排量大和搅拌机本身造价较低的优点、 因此常被用于大容量 的搅拌。 推进式叶轮所用的转速一般为 200-400r/min,在此转速范围内搅拌机易做得很小巧,故 可制成便携式的。叶轮直径与罐径之比为 0.1-0.3,是比较小的,因此推进式叶轮不能用于 过高的粘度,最多到 2-3Pa·s。 5.锚式、框式叶轮 锚式、框式叶轮属于同一类、这些叶轮的桨径对罐径之比较大,通常在低速下运行,在 搅拌低粘度液体时不产生大的剪切力,因此它不适用于液-液和气-液分散;另一方面,这 些叶轮在罐内移动的流量大,水平回转流占支配地位,不具有良好的混合均一性。 锚式、框式叶轮的特点是在罐壁附近的流速比其他叶轮大,能得到大的传热膜系数,故 常用于传热、晶析操作,另外、由于其叶径较大,且与罐底贴近,也常用它来搅拌高浓度淤 浆和沉降性淤浆,还有它也常用于高粘度流体的搅拌。为适合一些特殊的流体,其叶轮形状 也可以改变。 锚式、框式叶轮使用于低粘度液体时,式叶轮的叶径与罐径比为 0.7-0.9,对于高粘度 液体则为 0.8-0.95。转速通常为 10-50 r/min,适用的最高粘度为 200-300 Pa·s。 6.螺带式叶轮 螺带式叶轮的叶片是把细长形的金属卷成螺旋状而制成的,它是搅拌高粘度流体时不可 缺少的一种叶轮形式。螺带的宽度约为叶径的 5%-15%,通常为 10%,螺带的条数一般为 2,称之为双螺带叶轮,也有用一条螺带的单螺带叶轮,有时将一条螺带放在外侧,另一枚 螺带放在中间,并使叶轮转动时,内外两条螺带推动液体前进的方向相反,没计时使得两条 螺带推动液体的排量相同, 这种螺带称为内外单螺带。 与内外单螺带类似的还有螺带-螺杆 式叶轮。 由于螺带式叶轮是用来搅拌高粘度流体, 故其叶径与罐径之比应取得大, 至少应等于 0.9, 大的可使叶轮与罐之间几乎无间隙,而且为了提高传热能力,极力减少罐壁上的附着物,还 可在螺带上装刮板,螺带的高度通常取罐底至液面的高度。 使用螺带式叶轮的场合有:制造合成橡胶、合成树脂的聚合反应等,对液体与粉体形成 的湿泥状液也能使用。对于膏状物、粘性低的淤浆液和粘性低的易剪断物,螺带式叶轮不宜 使用。 (五)搅拌器的选择 由于搅拌过程以及搅拌器性能具由许多共性,所以,各种搅拌器的通用性较强,同一种 搅拌器可用于几种不向的搅拌过程。 一般选择搅拌器时主要应从介质的粘度高低、 容器的大 小、转速范围、动力消耗以及结构特点等几方面因素综合考虑。 1.根据流体粘度的高低选型 由于流体的粘度对搅拌状态有很大影响,所以根据搅拌流体粘度大小来选择是一种基本 的方法,图 5-29 就足这种方式选择搅拌器的曲线图,如图所示,随着粘度的增高,各种搅 拌器选用的顺序为旋桨式、涡轮式、桨式、锚式和螺带式等,对旋桨式搅拌器,在大容量液 体时用低转速,小容量液体时则用高转速。这种选用方法各种搅拌器的使用范围有重叠性, 例如桨式搅拌器出于其结构简单,用挡板后可以改善流型,所以,在低粘度时也是应用得较 普遍的。而涡轮式由于其对流循环能力、湍流扩散和剪切力都较强,几乎是应用最广泛的一 种搅拌器。 图 5-29 根据粘度选型 1-锚式、螺带式;2-桨式;3-涡轮式;4,5,6-涡轮式、旋桨式 1gal=3.78541L 2.根据搅拌过程和目的选型 这种方法是通过搅拌过程和目的,对照搅拌器造成的流动状态作出判断来进行选择。 表 5-2 的选型,其使用条件比较具体,不仅涉及了桨型与流动状态和搅拌目的关系,还 推荐了介质粘度范围、搅拌转速范围和罐的容量范围。 低粘度均相液体混合,是难度最小的一种搅拌过程,只有当容积很大且要求混合时间很 短时才比较困难。由于推进式的循环能力强且消耗动力少,所以是最合用的,而涡轮式因其 动力消耗大,虽有高的剪切能力,但对于这种混合过程并无太大必要,所以若用在大容量液 体的混合时就不合理了。桨式搅拌机因其结构简单,在小容量液体混合中仍广泛地应用,但 用在大容量液体混合时,其循环能力就不足。 对分散操作过程,涡轮式因具有高剪切力和较大循环能力,所以最为合用,特别是平直 叶涡轮的剪切作用比折叶和后弯叶的剪切作用大,更为合适。推进式、桨式出于其剪切力比 平直叶涡轮式的小, 所以只能在液体分散量较小的情况下可用, 而其中桨式很少用于分散操 作,分散操作都有挡板来加强剪切效果。 对于固体悬浮操作,涡轮式搅拌器使用范围最大,其中以开启涡轮式为最好,它没有中 间的圆盘部分,不致阻碍桨叶上下的液相混合,而且弯叶开启涡轮的优点更突出,它的排出 性能好,桨叶不易磨损,所以用于固体悬浮操作更为合适。桨式的速度较低,仅适合于固体 粒度小、固液密度差小、固相浓度较高、沉降速度低的固体悬浮。推进式的使用范围较窄, 固液密度差大或固液比在 50%以上时不适用,使用挡板时,要注意防止固体颗粒在挡板角 落上的堆积,一般固液比低时,才用挡板,而折叶桨、折叶开启涡轮、推进式都有轴向流, 所以也可以不用挡板。 表 5-2 搅拌器适用条件表 搅拌器 流动状态 搅拌目的 罐容 转速 最高 对流 循环 湍流 扩散 剪切 流 低粘液 体混合 高粘 液体 混合 分 散 溶 解 固体 悬浮 气 体 吸 收 结 晶 传 热 液相 反应 积 m3 r/min 粘度 Pa·s 涡轮式 桨式 推进式 折叶开启 涡轮式 布鲁马金 式 锚式 螺杆式 螺带式 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 1-100 1-200 1-1000 1-1000 1-100 1-100 1-50 1-50 10-300 10-300 100-500 10-300 10-300 1-100 0.5-50 0.5-50 50 50 2 50 50 100 100 100 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●为适用,空白为不详或不适用 ● ● ● 固体溶解过程要求搅拌器有剪切流和循环能力,所以涡轮式是最合适的。推进式循环能 力大但剪切流小,所以用于小容量的溶解过程比较合理。桨式的需借助挡板提高循环能力, 一般是在容易悬浮起来的溶解操作中使用。 气体吸收过程以圆盘式涡轮最合适, 它的剪切力强, 而且固盘的下面可以存住一些气体, 使气体分散更平稳, 而开启式涡轮就没有这个优点。 桨式及推进式对气体吸收过程基本上不 合用,只有在少量易吸收的气体要求分散度不高时还能应用。 带搅拌的结晶过程是很困难的,特别是要求严格控制晶体大小的时候。一般是小直径的 快速搅拌,如涡轮式,适应于微粒结晶;而大直径的慢速搅拌,如桨式,可用于大晶体的结 晶。 (六)搅拌附件 搅拌附件通常指在搅拌罐内为了改善流动状态而增加的零件,如挡板、导流筒等,在某 地场合,这些附件是个可缺少的,采用哪种附件要结合搅拌器的选型综合考虑,以达到预期 的搅拌流动状态,增设附件会使液体的流动阻力增大,要影响搅拌器的功率。 有时,搅拌罐内的某些零件不是专为改变流动状态而设的,但因为它对液流也有一定阻 力,也会起到这方面的部分作用,如传热蛇管、温度计套管等就属此类零件。 1.挡板 挡板一般是指长条形的竖向固定在罐壁上的板,主要是在湍流状态时为了消除罐中央的 “圆柱状回转区” (液面下陷现象,如图 5-30 所示)而增设的。显然这种挡板适用于径流 型叶轮在湍流区的操作, 而层流状态时不能用这种挡板来改变流型, 挡板还可提高叶轮的剪 切性能,如有的悬浮聚合的搅拌装置,在设有挡板时可使颗粒细而均匀。 挡板的数量及其大小以及安装方式都不是随意的,它们都会影响流型和动力消耗。 挡板的上缘一般可与静止液而齐平,当液面上有轻而易浮不易润湿的固体物料时,则需 在液而上造成旋涡,这时挡板上缘可低于液面 100-150mm。挡板的下缘可到罐底,有时利 用挡板的高度来改变流型, 如在罐底希望使较重物料易于沉降而分离出来时, 就可将挡板下 端取在叶轮之上,这样可使罐底出现水平回转流,有利于物料的沉降。 图 5-30 液面下陷现象 搪玻璃搅拌罐中多采用三叶后掠式搅拌器,同时采用一种指状或叫梳状的挡板。这种挡 板具有节约动力,又有利于出现上下循环流的特点。由于指状挡板的形状不同、配置位置不 同, 还可以有不同的效果, 指状挡板因不同的操作目的可以有不同的配置方法 (如图 5-31) 。 混合 2.导流筒 传热 悬浮 气体吸收 乳化 图 5-31 指状挡板的配置方法 导流筒主要用于推进式、螺杆式搅拌器的导流,涡轮式搅拌器有时也用导流筒。导流筒 是一个圆筒形,紧包围着叶轮。可以使叶轮排出的液体在导流筒内部与外部(导流筒与罐的 环隙内)形成上下的循环流动。应用导流筒可使流型得以严格控制,还可得到高速涡流和高 倍循环。 导流筒可以为液体限定一个流动路线,防止短路;也可迫使流体高速流过加热面以利于 传热。对于混合和分散过程,导流筒也都能起到强化作用。根据推进式、螺杆式的旋向和转 向,可使液体有个同的循环方向。较多的流向是导流筒内液体向下、外面环隙内液体向上。 在涡轮式所用的导流筒内侧, 设有与桨叶同等数目或更多的折叶片, 折叶角度随操作目的而 异,例如气-液相操作中,折叶使气-液相在导流筒内向下流动;在固-液相操作中,折叶 使固-液相在导流筒内向上流动。 螺杆式叶轮的导流筒上下均不带喇叭口,其直径为罐径的 0.7 倍,以使导流简内面积与 外环隙的面积相等, 使粘滞液体的流动不受阻碍, 其高度可与螺杆式搅拌器的高度相同或略 高一些。 三、捏合机(高粘度流体混合设备) 固体和液体物料混合可以形成一类粘度很高的桨体或塑性固体,这类混合物不能用一般 的粉体混合机或液体搅拌机加工,高粘度的桨体和塑性固体的粘度高、流动性差,它的混合 需要用到一些专门的混合机械设备, 常用的为捏合机, 它的基本原理及其性能依赖混合元件 与物料的接触, 即搅拌元件的移动必须遍及混合容器的各部分, 或者由工作部件对物料先是 局部混合,进而达到整体混合称为捏合、揉合或调合。 图 5-32 双臂捏合机原理图和外形图 捏合机具有混合搅拌的功能,以及对物料造成挤压力、剪切力、折叠力等综合作用,因 此, 捏合机的叶片要格外坚固, 能承受巨大的作用力, 容器的壳体也要有足够的强度和刚度。 捏合机的构件大小、 转速等随混合物的粘稠度而异, 稠度越高, 桨叶的直径越大, 转速越慢。 图 5-32 为典型的双臂捏合机,它主要由两根搅拌臂做回转运动,主要由转子、混合室 及驱动装置等组成。 混合室为鞍形底部的钢槽,上部有盖和加料口,下部设有出料口。钢槽呈夹套式,夹套 内可设计成电加热、 汽加热或水冷却形式, 出料方式有液压翻缸、 螺杆挤出及下出料等形式。 转子是捏合机的主要工作部件,转子在旋转时对物料的搅动、翻转、剪切作用能有效促进物 料各组分的混合。 捏合机被广泛用于化工、纤维素、硅橡胶、香皂、胶基、塑料、油漆、油墨、磁带、涂 料、医药、食品等行业,是对高粘度和超高粘度物料进行搅拌、捏合的理想设备。

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