| 联系

高效混合技术

2018-02-11

引言

随作新材料的研发和工业化应用高速发展,粉体复合材料的均匀混合设备越来越重要,新材料的多功能,多样性对混合设备的性能要求也越来越高.不论是对于粉粒体材料,还是超细粉体复合材料,其混合过程的状态和机理的试验研究对于混合设备设计制造是最关键的.本文通过对欧洲特别是德国的混合技术的分析研究以及作者在粉体处理技术领域长期的实践综合阐述粉体混合技术中的高效混合系统以及其设备的结构,选型和检测方法.

1       高效混合技术

混合机是散体物料工厂中最关键的一环,也即是工厂的"心脏".数十年来人们针对不同的物料特性和产品要求通过试验研究开发和应用了不同混合原理及设计. 对于含颗粒(<5mm)的粉粒体复合材料比如干混砂浆作者提出以下的混合技术的综合基本指标, 目前被广泛认可和采用:

 

1) 尽可能只有一个搅拌区,

2) 具备高效混合状态(对流和分散同时作用)

3) 混合时间短 40-120秒钟.

4) 卸料时残余量少,容易或不用清理

5) 卸料速度快10-30秒钟

6) 能耗低

7) 配有高速刀片(300转/分钟),能高效混合纤维和颜料.

8) 整体耐磨损设计

9) 维修保养方便,费用低

10) 备品备件库存少.


为了达到高效混合的设计, 分析了解混合的一般机理非常有帮助. 

混合的定义较广, 这里仅限于散体物料工厂生产中的混合过程. 混合的目的是降低物料中的溶度,温度,密度等的不同性或梯度.

2       原理和性能

亨维单轴多层混合机:应用相似力学和经验设计的弗鲁德数在Fr>9,属于强力高效混合范畴(通常的犁刀式或双轴无重力式, Fr<3).


图1.描绘运动状态的相似参数:弗鲁德数(Froude-Zahl)

 

混合过程的机理有宏观和微观过程. 在干混合中有两种主要的机理:

 

1)    对流混合是在机械外力作用下产生的剪切运动. 大块物料团互相剪切交换而达到均匀混合目的.

2)    分散运动是随着大块物料团的运动而产生的紊流使物料颗粒产生交换运动.

 

混合的宏观和微观机理

 

图2.混合状态

 

图3.混合机理

 

如上所述,在对流混合和分散混合彼此以一定强度同时存在的运动状态下最有可能达到高效混合效果.

 

 

图4:完全离析和均匀混合状态

 

为了能够检测所要求的混合质量, 必须确定以下情况:

 

1)    重要的产品特性E和特征表述X如质量溶度cM,密度等.

2)    混合好坏(均匀度)的检测度M (例如标准方差s和平均值的比值得到方差系数.)

3)    取样值 Mp(取样质量或取样体积)

4)    要求的混合均匀度 sF

5)    能够达到的混合均匀度 sZ(和颗粒大小有关)

6)    取样数量 k (k 决定了检测的安全性)

 

混合均匀性的描述:

 

k个取样的质量溶度波动的经验方差s

其中平均值为


和真正的方差s2是有区别的,因为,仅用到了有限取样数k < k¥. 统计学表明在测量的标准方差s其方差s落在一定的区间范围,取样数k值越大,该区间越小.实际中常采用t-分布来处理取样数据.

 3       随机混合均匀性

 混合过程是有效的, 当混合均匀度的方差随时间收敛. 也就是, 随着混合时间, 方差越来越小趋向一固定区间. 完全理想的混合过程. 其方差应趋于零. 实际中我们只能达到一个较小的值, 即随机混合过程. 一个一致的随机混合过程出现, 当一个混合元素在任何一个所观测的空间的部分区间出现的概率在任何时间点对于所有的相同部分区间都相同时.

 

故实际的混合均匀度方差为s为混合过程的方差sM以及随机混合过程的方差sz和:

 


 

图5.混合均匀度方差曲线

 

通过方差的曲线可以确定所需的混合时间. 通常, 混合系统应具备在线取样装置. 特殊配方的混合时间通过混合试验测定.

 

图6 .彩色粉末涂料混合试验结果

4       散体物料的特性

 散体物料是指粉状,颗粒状松散堆积的材料. 在建筑材料干混砂浆中常用的颗粒直径为0-5毫米. 散体物料的物理特性由散体物料力学来描述. 主要的特性有:

 

-流动性

-流化性

-密度

-颗粒大小分布

-颗粒的形状

 

这些特性决定着在散体物料工厂生产工艺流程及方案的设计,设备的选型, 比如干砂机, 筛分机的选型,物料的输送, 料仓卸料是否顺利, 结桥如何处理, 计量装置中如何考虑解决时压效应给计量精度带来的负作用. 除此之外, 考虑产品中常常加入纤维如何分散, 包装机的选型等等.

 

流化性是散体物料的最重要的特性之一. 不是所有的物料都能均匀流化. 而且均匀流化状态也需要一定的时间才能达到. 不均匀流化的坏处是密度不均匀, 从而导致通过计量器的物料的量随时间波动大(所谓的计量一致性差). 如水泥以及添加剂等在筒仓储存时间长后都有可能产生不均匀流化. 在这种情形下机械的分散作用往往是必要的.

 

a) 均匀流化     b) 不均匀流化

 

图7.流化状态

5       离析现象的分析

 

粉体材料混合后通过运动可能会产生离析现象. 它对干混砂浆的生产工艺设计和产品的物流(储存,运输,工地的气力输送等)以及施工都有重要的影响. 当混合物中的组分在a) 颗粒大小b)比重有差异时均可能产生离析. 比如保温砂浆中的粉体黏结剂和聚苯颗粒在受到振动等运动是, 轻质的聚苯颗粒必能会浮向表面, 所谓的浮起现象. 故人们只在施工现场将两种材料和水混合, 在施工. 由于颗粒大小不一或比重不同的颗粒的空气中沉降速度不同, 因此, 在物料的筒仓进料, 卸料, 输送均产生不同程度的离析. 当然, 离析给产品质量的影响需通过取样检测来确定, 所使用的生产工艺, 施工方法是否正确.

 

高效化学添加剂如高分子聚合物等通常是固体粉末状,比重轻,其化学性能和流动性和温度压力有关. 这些材料均以微量加入. 必须均匀分散,可极大地提高了最终产品的性能. 除粉状化学添加剂之外市面上还有液体的. 液体添加剂必须以喷雾式加入混合. 添加剂是以微量来进行计量的,通常是以一比一千至十万的比例进行混合. 所以计量和混合的精确均匀和高效率是非常关键的。

 

我们所看见的那些绚丽多彩,富有个性建筑物还需要用到彩色装饰砂浆.在配制这些干粉砂浆时主要使用对人体无害, 自然的矿物颜料粉末.质量好的颜料颗粒微小均匀. 所以颜料粉末颗粒吸附在一起,必须使用特殊的搅拌方法使之均匀分散在其他骨料颗粒上,形成鲜艳的色彩.

6       混合机的类型

 

混合机的原理有多种, 粉体材料中常用的是

 

-       重力混合

-       强制式动力混合

-       气力混合

 

现代粉体物料的混合技术是建立在相似力学和试验的基础上. 考虑众多粉体复合材料中组分特性的差异, 强制式的动力混合原理得以进一步应用. 一些具有很强附着力粉体材料如颜料需要足够的剪切力方能分散, 使得微细颜料颗粒通过分散混合以及 van-der-Waals力附着在其他颗粒外表, 而形成鲜艳的色泽. 高速分散还能混合短纤维及难混合的材料. 图8中列举了一些混合机的形式.

 

图8.混合原理和结构

 

选择混合机是一相艰难的工作. 必须考虑到所用物料的特性,产品的市场质量要求, 经济性和可靠性等等. 同时, 还要进行设备整体布置, 考虑综合成本等.

 

图9.混合机选型准则

 

 

图10.高效混合机结构-亨维(H+V)的多层混合机SKH系列内部结构.

 

7       高效混合和普通混合机的比较分析

 

S-系列高效混合机的高效特征是和普通混合机比较而言.比如S-系列2000升的混合机在同一均匀度标准下,其产能相当于6000升的双轴搅拌机或普通单轴犁刀式混合机.计算比较结果 见以下图表:

 

混合机类型

总容积(升)

功率比

有效容积(升)

相同产能功耗比

普通犁刀混合机

6000

67%

3600

105%

WZ混合机(双轴)

6000

82%

3600

127%

SKH2000

2000

100%

1500

100%

图11.混合性能比较

 

通过对比计算可以归纳为:

 

SKH600相对于2方普通搅拌机,

SKH1200 相对于4方的普通搅拌机,

SKH2000相对于6方的普通搅拌机,

  

图12. S-系列高效多层混合机SKH1200等价4立方米的普通搅拌机.

 

由此可见,亨维SKH型混合机相对于普通双轴或单轴犁刀式搅拌机,效率提供2倍以上,同时保证最终产品质量并排混合时间过长可能出现的除离析.

 

所有S-系列混合机标准配置安全操作装置,变频器节能装置,在线取样器,排气呼吸装置,转速监控单元,集成电气路接线盒.也可以根据用户的需求特制. S-系列混合机支持标准的接口法兰.对于非标接口,或提供适配件或按照具体要求配制.所以,对于所有用户不存在接口问题.对于各材料生产企业来说,S-系列混合机不仅仅意味着生产力的提升,还能够帮助企业更为高效科学地研发生产高度分散和更多组份的新产品.完善优化企业的产品系列.提高产品的附加价值.

 

S-系列高效混合机是根据成熟技术和散体物料经验数据库为基础研发的先进工业粉体混合设备,是现代高效散体物料过程整个生产工艺实现的可靠保证.同时,有效地降低了总成本.


图13. SKH系列高效混合机

 

图14.无残余卸料-SSH系列高效混合机


8       普通低效搅拌机的升级和改造 

犁刀混合机是由德国罗帝格(Loedige)公司发明:视物料特性和混合机大小不一主轴转速60-280r/min,高速分散(飞刀)1440-3000r/min,混合时间在5分钟以内. 国内的犁刀式搅拌机外形和国外接近, 但是在尺寸系列化中采用相同的动力参数(没有进行各类试验测试), 所以混合效果达不到罗帝格混合机的效果, 通常需要10-15分钟混合时间. 在卸料阀方面, 没有考虑物料的交叉污染, 内部有死区. 高速分散目前只能够做到1500r/min. 对于超细无载体物料混合需要时间更长.

 

双轴无重力混合机早期由挪威的Forberg主导产品, 主要用于饲料等行业. 现代的Forberg混合机在轴的布置和混合腔现状以及叶片形状上有很大的改进.

 

国产WZ系列无重力搅拌机是参照的Forberg混合机演变的. 同样, 在尺寸系列化中没有按照试验数据确定动力参数, 主轴转速44r/min,飞刀1440r/min,需要在混合机两侧安装.混合时间通常要求15分钟以上.

 

螺带式混合机主要用于易碎物料的混合和膏状物料混合. 目前国产的螺带混合机主要缺陷在混合卸料阀有死区, 导致物料交叉污染.

 

锥形搅拌机在许多地方特别是在干混砂浆生产中由于其混合卸料和死区逐步被淘汰. 但是,在一些化工材料的混合中, 特别是带化学反应的地方和混合线速度受到限制时,通常使用锥形混合机. 为解决混合死区, 锥形混合机也在不断的改进: 1) 在混合腔形状方面 2) 在配套的卸料阀方面.

 

为进一步提高目前普通混合机的性能,德国杰斯公司将国内普通的双轴无重力,单轴犁刀式,螺带式混合机,锥形混合机进行升级,主要在其动力参数,叶片,轴封,卸料等方面改进,达到无混合死区,卸料阀无交叉污染,提高混合效率以及可靠性.


图15.其它升级混合机

 

图16是改进型的螺带混合机hvRM2000,在轴封,轴承支撑,卸料阀等方面做了改进,达到无死区,卸料快,可靠性提高.在混合玻化微珠保温砂浆混混时间60秒之内完成.避免国产螺带混合机卸料速度慢,而使物料破碎严重.用于膏状物料的螺带混合机材质为不锈钢,轴封为气密封.

图16改进型的螺带混合机hvRM2000

 


 >>>


图17.国产螺带混合机改造方案

9       实验室混合机

 

图18.粉体实验室混合机

 

在粉体复合材料配方开发,打样等合理的实验室混合机不可缺少.粉体材料实验室混合机万维嘉wGarten®LM系列分两个规格:总容积15升LM15和20升LM20.整机为流线型设计.驱动采用变频调速无级变速.带数字显示,可使实验数据更加准确.视物料特性不同,批次重量在15-20kg.就彩色产品而言,除配方试验外,可以打样生产,每小时生产100-200kg,供用户试用.该实验室混合机结构和生产用主机SKH和SSH型号相配合,从而可以指导性优化具体生产参数,保证研发产品的质量.

 

技术参数:

电   源:             三相交流电, 380V

工作容积:              5-15升

材质    :               不锈钢或碳钢

颜   色:             不锈钢原色(或油漆)

重   量:             160 kg

外形尺寸:          1500X800X500 mm


10  结束语 

正确混合设备选型和生产工艺包括所有工业粉体物料处理环节是保证散体物料工厂生产的产品质量, 稳定性和可靠性的基础. 本文重点阐述了高效混合的机理和混合设备的结构以及混合过程的系统参数和要求.分析混合的均匀性是系统参数. 正确应用检测标准来衡量混合的均匀性. 检测的量化是统计参数. 

S-系列高效混合机是其基于相似力学和散体物料处理实际经验采用现代三维建模设计开发的. S-系列混合机拥有强大功率主混合叶片群和与之垂直的高速刀片辅助分散单元. 作为磨损件的叶片更换体系在设计中特别重点考虑. 构成整体耐磨设计的重要一环. 轴承支撑座以及高速刀片传动部分集成于一整体结构. 这些整体结构采用精密铸造而成, 并且企业内部最大标准化. 和轴承支撑单元相应的是主轴的密封单元. 针对不同的用途, 设计两种形式: 橡胶机械密封和低压气流密封. 密封橡胶采用硅橡胶. 整体的耐磨设计贯穿于所有部件的设计. 各种材料, 尺寸, 价格的统计学比较而确定的系列参数. 使用现代三维设计, 部件和整机的剖/立面、设计图档、参数计算等能够自动生成,便捷的方案演示和图形渲染,为设计人员提供了一个无与伦比的"所见即所得"的虚拟样机制作(virtual prototyping)。 

S-系列分为开口卸料(SKH)和满清仓卸料(SSH)两种. 内部模块标准化保证两种机型混合功能完全一样, 只是卸料方式不同. 考虑可持续发展的需求, 在SKH系列混合机设计大开门维修门, 便于更换产品时清理混合机. 因为即使是满清仓的混合机, 在更换彩色产品时都必须彻底清洗混合机和以下部件设备(包装机). 满清仓SSH机型主要是针对高端用户和特殊工艺要求的场合. 主要特点是卸料时间非常短(10s左右), 残余量极低. 卸料阀的密封条均采用耐磨型材质.

 

除均匀混合系统外, 散体物料工厂整体系统的可靠性及设备耐用直接关系到生产的成本. 从而影响到销售盈利. 所以散体物料工厂生产线的系统工程设计和制造也非常关键的.

 

Copyright © 亨维企业 rights reserved.