工业粉体处理设备之混合技术

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1、 工业粉体处理设备之工业粉体处理设备之- -批次混合技术批次混合技术 蔡兵(德国工学博士 Dr.-Ing. Bing Cai) 德国杰斯(JCI)工业技术有限公司 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

2、效混合技术高效混合技术 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(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 agitators agitatorsIngredients Ingredients Quality RequirementsQuality RequirementsMixing Tasks Mixing Tasks RecipesRecipesMixer Selecting Criteria Mixer Selecting Criteria

3、混合机选择准则混合机选择准则图图 9. 混合机选型准则混合机选型准则 图图 10. 10. 高效混合机结构高效混合机结构- -亨维亨维(H+V)(H+V)的多层混合的多层混合 机机 SKHSKH 系列内部结构系列内部结构. . 7 高效混合和普通混合机的比较分析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

4、机 6000 67% 3600 105% WZ混 合 机 (双轴) 6000 82% 3600 127% SKH2000 2000 100% 1500 100% 高效混合特征01020304050607080901000510152025时间功率比%犁刀混合机 WZ混合机 SKH2000图图 11. 11. 混合性能比较混合性能比较 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, SKH1200 容积 V=1200 升 普通搅拌机 容积 V=4000 升 图图 12. S-12. S

5、-系列高效多层混合机系列高效多层混合机 SKH1200 SKH1200 等价等价 4 4 立方米的普通搅拌机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

6、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. SKH3000 SKH1200 SKH600 图图 13. SKH13. SKH 系列高效混合机系列高效混合机 型号: SSH1200 - 双开门满清仓单轴混合机, 卸料时间 10 秒钟, 无残余 - 总容积 1200 升. - 配置在线取样器DN40和安

7、 全开关. - 采用大功率变频技术控制. - 所有混合叶片可以方便调整 和更换, 和物料接触部分为耐 磨材质. - 整体耐磨设计. - 高速刀片为气封. 转速 3000 转/分种. - 所有轴承和密封为进口部 件. 图图 14. 14. 无无残余卸残余卸料料-SSH-SSH 系列高效混合机系列高效混合机 8 普通普通低低效搅拌机的效搅拌机的升级升级和和改造改造 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

8、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/

9、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,

10、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. 双轴叶片混合机 CIP 螺带混合机 锥形混合机 图图 15. 15. 其它升级其它升级混合机混合机 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. 图图 1616 改进改进型的型

11、的螺带螺带混合机混合机 hvRM2000 无 死 区卸 料口 尺 寸: 口120*160 法 兰 连接DN25012图图 17. 17. 国产螺带国产螺带混合机混合机改造改造方方案案 9 实实验验室室混合机混合机 标准配置 I 标准配置 II 高标配置 CIP 清理方便, 卸料阀自锁 操作模板 图图 18. 18. 粉体粉体实实验验室室混合机混合机 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 万万 维嘉维嘉 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，

12、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 混合均匀度混合均匀度 一一. . 混合混合质量指标质量指标 可以用统计学中的三个量来表述混合过程的质

13、 量: 1) 经验方差 s2 (或方差2) 其中: x - 检测的溶度 xm- 检测所有样品的溶度平均值 通过测量的经验方差 s 可以用统计的方法确 定其可信度 95% 的期望(expected value ). 取样数越多, 其可信度越高, 即经验方差s2和期 望值2的差越小. 通常采用15-20个取样点. 通 常采用 15-20 个取样点. 2) 标准偏差 s 或 (如上标示). 标准偏差常用 %表示. 3) 如果将标准偏差除于测量值的平均值, 我 们得到所谓的方差系数 V, 以%表示. 它表 明样品溶度相对于平均值上下的偏离的百 分比. 二二. . 分析方分析方法法 分析方法的选择必须使

14、同一种组分自身的混合 能够测定, 比如采用筛分两种不重叠的粒径组 份. 如果没有给定物理或化学特征而只能作为单一组份, 则必须找出一特征, 它一方面已包含 在混合组份里, 另一方面是相对混合组份中非 常低的方差组份的溶度. 对于水泥和粉煤灰的混合体的分析, 有可能测 定样品含 CaO 的比率, 比如在水泥中证明溶度 x=66.05 %, 其标准偏差 s=0,3 % , 在粉煤灰中 表明 x=4,52 % s=0,009 %. 采用取样样品变换, 根据测量的特征(例如 CaO 的比率)还可以获得样品的成分(比如水泥 占的份额), 由此可以判断混合质量. 常使用的分析方法有以下几种: a) 在粒径

15、不同的组份时采用筛分分析. b) 化学分析法, 例如 x-射线荧光. c) 测定样品的水化溶剂的传导力比如含盐的 产品 d) 测量混合技术特征如温度过程, 测定曲线, 被测系统的稠度等. 通过选择分析方法, 样品的大小也决定精度限 制. 取样大小: a) 10 - 1000 g b) 1 - 10 g c) 10 - 100 g d) 1000 - 2000 g 因为取样大小对测量的方差有影响, 所以必须 确定和指明除取样数之外的样品的大小来描述 混合过程或保证陈述. 统计学表明, 样品越小, 越容易发现非均匀性, 所以混合结果变的越来越差, 分析的缺陷(失真) 以及在准备样品时出现的缺陷必须

16、被首先确定, 并且, 所有的方差必须和混合检验值比较. 它们 的值应该比被验证的混合质量的方差要小. 三三. . 检检验方验方 一) 确定分析方法的失真 sA 20 个样品用实验室天平称量. 它们相对于混合 产品中的一个成分必须检验, 也就是, 所有的组 份被包含在相应的百分比中. 仅仅将小于 1%的 组份去掉. 通过样品分析可以确定如何确定一个混合组份 相对其它组份的比率 Pi. 从得到的 20 测量值中, 其失真标准方差 sA如下计算: =nimixxns122)(11() = =nimiAPPns12 11其中: Pi - 被测组份在第 i 个样品占的比率 Pm - 被确定组份比率的平均值 N - 取样数 (20) 以下的