工业粉体处理设备之混合技术

双轴立式混合机
重力筒仓混合 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.
混 合机选择准则
Mixer Mixer Selecting Selecting Criteria Criteria
mixing time混混时间
mixing duration 混合过程
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.
均匀的混合体, 各种颜料均匀分散
非均匀, 多种颜料没有分散
图 6 . 彩色粉末涂料混合试验结果 4 散体物料的特性
Ingredien ts Ingr edients
• • • • • • • • • • Bulk density Particle size, Particle Particle size Particle size distribution Moisture Moistur e content Flowability Fluidisation Fluidisation Compressibility Temperature influenwk.baidu.come Corrosion Abrasion Abrasion
合机
混合机
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
工业粉体处理设备之-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
完 全 分离
有序
无 序 ,随机
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.
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).
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 σ 为 混合过 程 的 方 差σ M 以及随机混合过程的方差σz 和:
Recipes
• Number Number of ingredients ingredients • Quantity Quantity of ingredients ingredients • Supplied Supplied form form in :: • bags • drums • containers container s • big bags bags • tankers • silos silos etc etc • Addition Addition of of liquids liquids • Crushing Crushing of of agglomerates and and lumps-lumps--> > agitators
对流混合 分散混合
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
Qualit y Req Requireme nts Quality uirements
Determined by the the distribution of different of different ingredient concentrations and is is a measure of of the the quality quality of of the end Pr Product. oduct. The mixing is defined by mixing quality is the variance var iance with with respect respect to the empirical standard standar d deviation depending on: on: • the the number number of of samples samples • sample size size • sampling method method
收敛的混合过程 收敛的混合过程 可能离析的混合过程
Variance of random samples σ²
随机取样方差
confidence confidence interval( interval(可 信区 信 区间 间)
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 c M 的比值得到方差 系数. V = s/c M ) 3) 取样值 M p (取样质量或取样体积) 4) 要求的混合均匀度 σ F 5) 能够达到的混合均匀度 σ Z (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 :
图 9. 混合机选型准则
混合机的原理有多种, 粉体材料中常用的是
2 σ2 =σM + σ z2
用往往是必要的.
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.
流化空气
a) 均匀流化 图 7. 流化状态 5
b) 不均匀流化
单 轴 卧 式强 制 混 合机
离析现象的分析
双轴 卧 式强 制 混 椎 形 螺 旋
Mixing Mixing Tasks
•• Total output •• Batch time •• Shift •• Power consumption •• Cr Creating eating or or avoiding avoiding shear forces •• Heat transfer transfer •• Mixing time •• Mixer Mixer size size •• Feeding and discharging discharging
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
k 个取样的质量溶度波动的经验方差 s s2 = 其中平均值为 1 cM = ∑ c M, i k 和真正的方差σ2 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σ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. 1 (c M, i − c M )2 k −1∑