赣工机械混合技术-了解高粘度混合知识

来源：赣工机械发布日期：2022-08-15

将混合视为一种方法，使彼此独立的单独成分由于外力而相互作用。均匀性是最可取的。然而，在混合高粘度材料的情况下，实现均匀性通常是一个困难但并非不可能的挑战。

为了更好地理解高粘度混合的后果，让我们首先回顾一个更简单的情况 - 低粘度混合中的湍流。

湍流

当涡轮式混合器在较低粘度范围内产生湍流（小于5，000厘泊）时，产生的流动是混沌的。旋转叶片的面在轴向和径向上产生显着的运动，通常距离为2到10个叶片直径。

粘度越低，湍流越大，流量越大。这种流动通常通过测量相对于平均速度的波动速度来描述强度。在极少数情况下，均方根波动速度相等，存在一种称为各向同性湍流的情况。但这种类型的湍流通常是不旋转的（即缺乏旋转或涡度）。

湍流可以用雷诺数进一步描述，雷诺数是根据流体的流速，密度和粘度计算的无量纲值。雷诺数多年来一直被用来划定湍流和稳定层流之间的边界。

湍流的程度决定了形成的涡流的大小。通常，湍流可能落在1，000至100，000或更多的雷诺数范围内，具体取决于叶轮类型。叶轮功率数字通常在湍流范围内进行比较。100，000的雷诺数已被用作计算所有叶轮功率数的基准。此外，物质的混合方式会影响是否存在各向同性或混沌湍流。

出于本讨论的目的，雷诺数2，100将被视为层流和湍流之间的边界。随着雷诺数增加到2，100以上，混合加剧。相反，当雷诺数降至2，100以下时，混合变得不那么强烈，更加流线型，并且整体流动变得更加粘稠。要记住的一个关键点是，强度本身并不能表征湍流运动。

在湍流中，一个点的流体速度通常与相邻涡流中的一个点有关，其大小随湍流的类型而变化。由于漩涡之间没有明确的界限，这些流动逐渐合并成另一个，形成新的漩涡并使混沌湍流永久化。所有这些通常意味着出色的混合和快速均匀性，但同样，在湍流条件下。

切换到粘性流动

那么，如何解决粘性流动条件下快速混合的问题呢？这提供了什么见解，可能有助于为特定应用选择合适的高粘度混合器？

高粘度混合的一个迷人方面是混合器必须准确而强烈地移动产品。首先，粘性混合系统应使用层流叶轮，而不是湍流叶轮。层流叶轮通常填充整个混合罐。在粘性范围内，涡流的形成是有限的。混合物往往主要在流线中流动，并停止在距离叶片不远的地方流动;几乎没有湍流来促进混合。因此，混合叶片传递的高能级在非常短的距离内消散，导致局部热量积聚和热交换不良。流线之间的低雷诺数和低速度差进一步证实了这一点。

考虑到这一点，这里有一些指针可以帮助选择用于给定目的的最佳粘性混合器。请考虑以下问题：

你想实现什么？

均匀混合两种或多种成分通常是混合的原因。这种均匀性（或缺乏均匀性）可以影响所得产物的反应、稳定性、耐久性、性能和其他参数。话虽如此，请考虑如何实现统一性的主要因素以及实现统一的后果。其中一些因素包括装载，混合，清洁，排放，维护停机时间，功耗和混合器设计（包括真空，压力和温度控制）的时间和技术。请记住仔细检查整个混合系统的有效性，而不仅仅是混合器的性能。

产品的流变特性是什么？

牛顿流体具有低、恒定的粘度。非牛顿流体的粘度通常高于500厘泊。以下是您可能遇到的三种类型的非牛顿流体的特征。

在瞬态体系中，在恒定剪切速率下，触变产物的粘度降低，流变产物的粘度增加。
在与时间无关的体系中，假塑性产物的粘度随着剪切力的增加而降低，膨胀产物的粘度随着剪切力的增加而增加。宾厄姆塑料流体是最简单的，在发生任何流动之前需要最小的剪切应力。例子包括岩石、谷物或下水道污泥的水悬浮液。
粘弹性流体从混合器叶片流动引起的变形中表现出弹性恢复。聚合物流体是该类中最大的一组，可能表现出魏森伯格效应，其中流体在流体中旋转地爬上轴。

关注这些特性中的哪些适合您的产品轮廓，它们创造了什么条件以及这些条件如何影响混合过程，可以帮助您选择合适的混合器。

剪切是有益的还是有害的？

剪切通常发生在低雷诺数下。这是由于各种流线的速度不同而发生的现象。热量通常是颗粒之间产生的应力的副产品。这种应力倾向于撕裂颗粒，这种情况通常与粘性流动有关。剪切有助于解凝，但在混合过程中试图维持粒径时可能是有害的。

温度边界是什么？

当温度必须保持在一定范围内时，可能需要额外的设备来加热或冷却系统。在要求苛刻的情况下，这可能包括计算机控制设备，这些设备根据命令控制热交换。这些设备中的每一个都将有额外的资本，安装，操作和维护成本。

经济边界是什么？

有时，最有效的混合系统（“梦想系统”）可能不是最经济的。系统的预计盈利能力和产品可能需要的时间长度不仅必须与系统的资本和运营成本相匹配，而且还必须与此类系统所需的预期启动时间相匹配。此外，应考虑设备的替代用途和转售价值。

如何选择混合系统？

例如，一种产品具有100微米的骨料，其对油的需求量足够高，足以使起始液体成分的粘度从500厘泊上升到成品的30，000厘泊。此外，聚集体颗粒的尺寸范围为50至200微米。它们对剪切敏感，将粒径减小到50微米以下是不可取的。温度必须保持在100°F±5°F。空气滞留是不可取的，必须避免。

混合器将仅专用于该产品，该产品是水溶性的。机器需要每周彻底清洁一次。销售估计，六个月的生产需求为每天1，000升，然后在接下来的六个月内每天生产2，000升，此后的12个月每天生产4，000升。

会计已确定两年的安装回报是可接受的最低回报。利润率设定为1美元/升，包括原材料，劳动力和间接费用，但不包括设备及其安装成本。电费覆盖在架空内。

这听起来是否足够令人困惑？

当您收集信息时，开始研究该过程。审查贸易出版物和商业登记簿中的广告。与搅拌机制造商的技术销售代表交谈。要求他们在实验室进行初步测试，并提供客户的推荐。确定当前用于相同或类似进程的系统类型。尝试找出您的竞争对手正在使用哪种类型的流程以及原因。阅读有关混合的书籍，以提高您对技术术语的熟悉程度。聘请专家在选择过程中代表您。大学工程系的教授有时可以进行研究并提供建议。

需要考虑的几点

在最一般的术语中，以下是您可能认识的一些参数，在选择间歇式高粘度混合器时可能需要考虑：

旋转型高粘度混合器往往以低速运行（叶片尖端速度从200到800英尺/分钟）。
剪切力可以通过刀片通过产品的简单运动产生。它受产品粘度，刀片宽度，刀片速度，刀片设计，刀片数量，刀片与罐壁的接近度以及刀片彼此之间的接近度的影响。
在牛顿体系中（剪切速率与剪切应力线性相关），剪切是速度的直接函数，对粘度没有影响。
在非牛顿体系中，剪切会降低假塑料的粘度并增加膨胀剂材料的粘度。触变性和流变性材料的粘性受时间影响，因为剪切力恒定。颗粒结构本身也可能随着恒定剪切而改变;触变性产物的剪切应力和粘度降低，而流变性材料的剪切应力和粘度增加。
功率需求和剪切力往往随着粘度的增加而增加，并随着混合叶片和罐壳之间间隙的增加而下降。
如果除了适当的叶片几何形状外，产品流变性和粘度允许在混合室内进行翻滚运动，则卧式混合器可以提供出色的混合性能。或者，如果产品不会翻滚并且倾向于与刀片一起旋转，双臂Z型刀片将强制配混和挤出作用，但价格要高得多。
如果产品被刀片移动，则立式混合器可提供出色的混合效果，从而产生涡流，这些涡流在机械上被强制进入相邻的涡流或波浪中，因为批次通过刀片旋转或刀片在批次中旋转。
除了更常见的慢速、高扭矩、大质量运动叶片外，许多卧式和立式混合器都可配备高速斩波器或锯齿式分散叶片。高速铲刀（刀尖速度从 2，000 到 5，000 英尺/分钟）将产生比单独的低速铲刀高得多的剪切力。然而，问题再次是，高速叶片在粘性材料中仅产生非常有限的距离的流动。因此，通常需要使用低速刀片将产品送入高速刀片中，以帮助提高混合物均匀性，并最大限度地减少产生混合不良和高温区域的倾向。这在批量粘度在开始时和堆积时较低，或者当难以溶解的固体需要连续切碎以将更多表面积暴露在液体中时，这一点尤其重要。
螺旋分料器改善了立式搅拌机中的轴向批次移动。但是，如果不在管状壳内操作，它们的大部分垂直效率可能会丢失。许多不是，因为外壳通常难以清洁。
当旋转尖端的排放损失产生有利于混合的垂直翻滚作用时，开放式螺旋叶片在水平面上工作良好。这有助于促进轴向混合，这在混合粘弹性流体时尤为重要，粘弹性流体自然表现出大部分切向运动。
在垂直平面上运行的开放式螺旋叶片在与螺旋内的补充搅拌结合使用或通过升高和降低叶片时更有效。如果没有这种辅助性搅拌，通常会产生固定的环形涡旋。这些静止涡流和随后通过涡流的轴向流减少了可用于流体流动的面积，因此降低了泵送能力并增加了所需的批量混合。内部飞行可以提高非牛顿流体的性能，但不能提高牛顿流体的性能。保持马力和圆周速度恒定，60度以内的转弯次数越大，每转的垂直速度/周转次数越低。此外，螺旋的宽度与其转弯次数一样重要。更宽的叶片泵送更多，需要更多的马力。然而，在高粘弹性流体中，最大切向速度以叶片半径与罐半径的0.7至0.8的比值发生。
当刮刀添加到锚铲或螺旋叶片时，传热系数加倍。但马力要求也翻了一番。此外，一些产品必须不断从罐壁上扫出，以保持均匀混合。
在剪切稀化流体中，典型的轴向流叶轮可以与垂直螺旋叶片的混合能力相当，但需要大约四倍的马力。
对于那些可以流动并从高剪切中受益的产品，辅助高速叶片可以提高混合质量，并减少达到所需混合水平所需的时间。
多轴混合器通常采用高速轴和低速轴。添加第三个中速轴（使用浇口式搅拌器）可能会加剧混合。
在同心或同轴混合器上将居中高速轴和叶片与轨道锚式扫掠相结合，使它们能够使用更大直径的高剪切叶片（与偏心安装的高速轴相比）。较大直径的锯片可以完成更多的工作，并且需要更多的马力。
最后，牢记这三个目标，以实现良好的经济混合：低功耗输入，输入功率的快速分配以及相位之间的良好接触和流动。所有这些都与混合物的流动特性有关。还要记住，良好的混合和高马力消耗并不一定相关。糟糕的设计会浪费功率。

利用技术发挥您的优势

由于当今的环境和安全问题，对闭环工艺系统的需求大幅增加。对于大多数混合和研磨操作，现在存在的技术可以满足这些需求并提高质量，生产率和耐用性。计算机控制系统提供精确的重量和测量，并对批次条件（包括温度、粘度、真空和压力）进行在线连续监控。结果：混合系统可以设计为安全、有利可图地产生精确的结果。一些系统甚至可以自行清洁并回收废物。

毫无疑问，这些先进的系统具有更高的资本支出。但是，当您停下来考虑所有财务方面时 - 包括保险费用以支付泄漏，工人赔偿和变质批次 - 较高的初始成本可能很容易通过避免未来的责任和诉讼成本来证明。

没有一种混合器可以满足所有混合需求。虽然粘性混合并不简单，但通过了解混合的基础知识，提出正确的问题并应用科学确认的测试结果，可以使其更容易。