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      剪切式均質機結構設計與技術分析

      剪切式均質機是一種運用在新型微米技術中的粉碎機械裝備, 其主要工作原理是利用高速的轉子與定子間的剪切作用, 將流體狀的物料進行攪勻與粉碎處理。因其相對于其他形式的傳統均質機具有較高的生產效率, 且能將物料粉碎** 2μm以下, 因此 , 在日用化學、 制藥和食品等工業得到了廣泛的應用。
       
      1 **內外均質乳化技術發展現狀
       
      工業生產中的均質乳化裝備有膠體磨、 高壓均質機、 離心式均質機、 超聲波均質機和剪切式均質機等。近年來, 隨著均質技術的迅速發展 , 剪切式均質機以其獨特的剪切分散機理和超細化、 低能耗、 高效化和性能穩定等優點在許多工業**域替代了傳統的其他均質機 , 已成為這些行業中對提高有關流體產品品質所必不可少的工藝裝備。
       
      **際上在 20世紀 30年代就在工業生產中使用均質機 , 目前已有美**、 德**、 意大利和日本等 10多個**家研制均質機 , 尤其是德**研究與制造的剪切乳化設備在**均質機械**域處于**地位。
       
      我**在 20世紀 80年代后期開始研制與制造剪切式均質機。 1987年 , 上海市輕工業研究所成功研制了 LR-ZJ系列真空剪切均質乳化機 (見圖 1), **今已經被**內千余家日化、 制藥、 食品、 涂料和印染等企業使用。
       
      目前 , 剪切式均質機發展的**技術在于對幾何要素、 性能參數和流體動力學參數變化的研究, 并在理論上從流體動力學、 熱力學等學科出發, 進行系統研究、 分析均質過程中流體的壓力場、 速度場和溫度場, 探討了流體所受的剪切和壓力作用 , 得出相關理論, 進而推動剪切式均質機的發展 , 以滿足各種工業
      不同**域的廣泛需求。
       
      相對于**外先進技術與裝備而言, **內尚處于仿制與改制生產階段 , 缺乏對均質理論的深入探討、 分析與研究和創新設計的能力。同時 , 由于剪切式均質機的均質過程的復雜性和物料的流變多樣性 , 對其機理的研究具有很大的難度, 因而**產剪切式均質機與**際先進技術的差距較大, 如下就本公司在針對適應工業生產中的各類工藝而研制的剪切式均質機的研制過程 , 嘗試從相關結構設計與技術分析上進行闡述。
       
      2 剪切式均質機結構原理與機理
       
      **外所研制的剪切式均質機采用定 -轉子型結構
       
      均質器, 在電機高速 (3 000 r/min~ 7 000 r/min)
       
      驅動下, 物料在轉子與定子間隙內高速運動 , 形成強烈的液力剪切和湍流, 同時在產生的離心、 擠壓和碰撞等綜合作用力下 , 得到充分的分散和破碎 , 并達到


      符合要求的乳化效果。其核心部件定 -轉子結構見圖
       
      2所示 。它主要由定子和同心高速旋轉的轉子組成 , 定子與轉子間隙的大小是保證這一空間的速度場和剪切力場的**因素 , 定子和轉子的間隙可以非常小 ,
      一般為 0.2 mm~ 1.0 mm。
      Fig.2  Shear-typehomogenizerset-rotorstructure
       
      定子結構有:圓孔式———用于高黏度物料的循環分散乳化 ;網孔式 ———用于低黏度精細乳液的制備及微小顆粒在液體中的迅速分散、 細化;長方孔式 ———
       
      用于中高黏度物料的混合分散。
       
      轉子結構有:二葉槳式 ———適用于各種黏度的物料;梳狀式———可根據各種物料的黏度大小調節梳狀條間距;渦輪式———按物料黏度的不同設計滿足各種黏度要求的轉子。
      懸浮液是一種液體分散體系, 均質混合的作用十分重要。因為 , 只要分散相尺度上達到膠體狀, 可能出現內外相分層的現象 , 分層主要是分散物在重力或離心力作用下懸浮的結果, 懸浮物穩定性不僅與浮力有關 , 還應與布朗運動有關 , 分散體系中分散相的顆粒愈小, 懸浮液就愈穩定;而從熱力學的角度看 , 一般的乳化產品都是不平衡的混合物 , 油和水終有**會分離, 因此很難預測產品的儲存壽命。
      但是 , 化妝品中的懸浮穩定性是一項極為重要的性能指標。懸浮液的懸浮穩定性與分散相粒度成反比, 其乳液粒度決定了懸浮穩定性 , 粒度愈大穩定性愈差 , 產品保質期就愈短。所以化妝品制造過程中存在乳化不完全的問題, 產品出貨 3個月后產品開始油水分離或者腐敗, 那將產生很嚴重的產品質量問題。
      因此 , 化妝品都需要均質乳化, 使產品粒度減小, 分布均勻 , 體系穩定, 以防止物料分層 , 提高產品保質期 , 一般**少需要 3年的儲存期 , 而乳化產品
       
      的儲存期不但與配方有關, 還與制備工藝, 如乳化溫度、 攪拌方法和冷卻速度等 “過程可變因素” 有很重要的關系。
       
      均質原理即是物料通過機械作用迫使其以很大的速度通過十分狹窄的間隙, 在流體力學效應的作用下, 由于轉子高速旋轉所產生的高切線速度在轉子與定子間的狹窄間隙中形成極大的速度梯度, 以及由于高頻機械效應帶來的強勁動能, 使物料在定 -轉子的間隙中受到強烈的液力剪切、 離心擠壓、 液層摩擦、撞擊撕裂和湍流等綜合作用 , 使不相容的固相、 液相和氣相在相應成熟工藝和適量添加劑的共同作用下 , 瞬間均勻精細地分散均質, 再經過高頻的循環往復而使分散相顆?;蛞旱纹扑檫_到均質乳化目的 , **終得到相對穩定的高品質乳化產品。
       
      同時 , 從均質機理講, 引起顆粒破裂的主要是剪切與壓力作用 , 而引起剪切與壓力作用的流體力學效應分別是湍流效應和空穴效應, 一般粗顆粒的破裂主要靠剪切作用。進入均質機內的物料中 , 分散相顆粒相對粗大 , 且分散不勻。根據 Stokes定理 , 顆粒沉降速度與兩相比重差成正比, 與粒徑平方成正比, 與物料黏度成反比 , 故此時的物料極不穩定 , 沉淀分層嚴重, 為了達到混合均質目的 , 剪切式均質機**對物料進行充分攪拌混合, 同時使粗顆粒破裂成較小顆粒, 由定子內高速旋轉的轉子提供機械能 (見圖 3), 而在轉子區域產生足夠的湍流張力。
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
      圖 3  剪切式均質機轉子
       
      Fig.3  Shear-typerotor
       
      3 均質機轉子參數分析與結構設計
       
      由于剪切式均質機是在高速旋轉下工作 , 在設計轉子時**考慮其變形、 應力和振動等力學性能 , 同時還要考慮到整個轉子系統的臨界轉速 , 所以, 轉子與其有關的整個均質機結構參數 , 如直徑、 齒圈數、齒高及齒厚、 結構厚度、 軸承支撐跨度和均質機上部壓板在裝置的鍋體底部位置等都有關, 這里存在尋找**佳結構的參數優化設計問題。
      沒剪切就不會有混合, 一般對工業中常用的剪切式均質機按物料流動方向來說, 高速徑向流渦輪產生了**大的剪切速率 , 其次是渦流葉輪, **慢的是軸向流葉輪。因此 , 美**和德**等認為 , 徑流式的分散效果優于軸流式 , 這也是進行設計的**要選擇。
       
      轉子的作用可看作流動泵中的葉輪作用。轉子的輸入功率能產生流量 Q與壓頭 H, 流量決定了定子內的循環流動和泵送能力 , 而壓頭耗散在定子內液體的流動上, 決定了湍流強度。因此, 轉子的混合均質是受到湍流強度 (壓頭 )和循環流量 (泵送流量)兩個因素影響的 , 轉子設計將保證軸的輸入功率提供合適的流量與壓頭。
       
      根據功率概念, 轉子的功率 P與流量 Q及壓頭
       
      H的關系如下 :P=ρgPH
       
      式中 , ρ為料液密度, g為重力加速度。由泵的相似關系知 :Q∝ nd3;H∝ n2d2
       
      式中, n為轉子轉速, d為轉子直徑, 故:P∝ n3d5 上式可知 , 轉速加倍流量加倍 , 而功率將增加 8
       
      倍, 說明功率的大部分將用于湍動。
       
      要獲得良好的混合均質效果, 物料離開轉子的速度**足夠大 , 速度愈大, 宏觀攜帶愈多, 微觀湍動愈強烈, 混合均質效果就愈好。這樣, 轉子的動壓頭(速度頭)就成為剪切力和湍動強度的度量 。
      要達到快速高度的粒子分散與破裂, 要求 Q/H 小, 即有較大的 H和較小的 Q。 Q/H∝ d/n
       
      因此 , 在輸入功率一定時, 可通過改變轉子轉速和直徑來調整流量與壓頭的比例, 采用小直徑、 高速轉子 , 大量功率消耗于提高剪切力 , 產生強烈的湍
       
      動 , 以達到混合均質效果。
       
      轉子高速旋轉提供了湍動所需要的壓頭 , 轉子區
       
      的液體處于強烈的湍流狀態 , 由于液體內不斷變化的流動速度和由此產生的脈動壓力, 從而產生了分裂顆粒的張力 , 致使顆粒變形或破裂。
       
      均質的基本要素是存在一定的速度梯度 (即剪切速率 )。轉子區**大剪切速率是轉子轉速與直徑的函數, 且趨向于隨葉端速度而變化,葉端速度決定了轉子區的**大剪切速率 ,是衡量攪拌區流體動力學狀態的重要指標 ,也是轉子的一個重要參數。因為所有顆粒將**終進入轉子端部,受**大剪切應力作用 ,轉子區的混合均質效果**終由該處的剪切力作用決定??梢?, 在轉子直徑確定后 ,轉速則是一個重要參數 ,對小直徑轉子而言 ,由于轉子與定子固定,其轉速將影響定轉子間隙內的剪切作用 ,轉速愈高 ,剪切作用愈大。
       
      轉子高速旋轉 , 物料受到湍流應力和**大剪切力的作用, 同時葉端液體的靜壓強有所提高, 并以高速

      (F31/2 lg(1 +2F31 /2 /D2))} =0.186 Q=3.14D2b2ψ2U2ηvψ=0.020 6 m3 /s=74 m3 /h
       
      5)功率計算
       
      N軸 =rQH/ (1 000η) =4.32 kW (注:揚程按
       
      1.2倍計算, 并按清水計算 )
       
      6)強度計算 。 **小軸徑確定 , τ=0.15σ =
       
      3.15 ×107 Pa, 材料為 Cr1Ni18 Ti9;電機配用功率 : 11 kW;扭矩: Mn =9 550 N/n=35 N· m;d≥
      (Mn/0.2τ)1/3 =0.017 7 m=17.7 mm, 取葉輪處的軸徑:22 mm。
       
      7)葉片厚度計算: S=AD2   (H/Z)1/2 =
       
      0.88 mm。式中 A=5, 考慮轉子外圈焊接在葉輪上 , 取葉片外徑處的厚度5 mm。
       
      4 均質機其他部件設計與器件選擇
       
      攪拌鍋體 (容器)。人們往往都是從均質混合裝置中驅動部件 (均質機等 )著手進行設計研究, 而忽視了對混合容器的結構設計和理論研究。球形混合容器在形狀設計方面解決了流體的 “萬向 ” 流動 , 避免了液體形成停滯而在拐角處形成死角, 可以充分均質混合 , 以減少均質機轉子的功率消耗。
       
      在均質裝置中 , 均質機的內徑 d與容器外徑 D 之比 D/d一般取 3 ~ 4, 伸出部分將取決于不同的物料黏度和相關工藝 , 理日牌均質機大多采用在定 -轉子結構上部設計有浮動壓板 (該壓板可與裝置底部

      齊平 ), 在均質機高速旋轉時, 將形成強有力的內循環狀態而產生高效的均質乳化效果。
       
      電機選擇。選用二極交流電動機通過變頻器調速, 可以按工藝要求在 3 000 r/min~ 4 000 r/min選
       
      擇合適的均質轉速 (如采用變頻電機等可達到更高的轉子轉速)。
       
      密封機構。一般采用機械密封以保證剪切式均質機裝置密封與真空度, 同時根據不同物料的特性 , 機械密封間可有陶瓷、 石墨、 合金銅和不銹鋼等組合。另外 , 通過冷卻液的循環以保證較長的均質時間。
       
      外循環結構。均質機內循環可延長均質時間以保證所有物料都被有效均質, 但由于均質機位于裝置底部, 在生產流程中物料通過時間短 , 不能保證每一液滴或顆粒都被有效均質 , 所以理日牌均質機設計成外循環結構 , 其均質乳化效果和效率明顯提高。
      離開轉子外緣。轉子不僅起到混合均質的作用, 還具有泵送作用, 為物料進一步均質提供了能量 , 另外還可以有助于出料。
       
      轉子設計時除了要考慮轉速與直徑外, 還要考慮轉子的結構形狀, 因為這一要素也將影響流量與壓頭的匹配。
       
      研究表明 , 渦輪式轉子與旋漿式比較, 具有流量小、 壓頭高的特點, 能在排料區產生較高的剪切應
       
      力 , 更適合于物料的混合均質。
       
      一般渦輪式轉子葉片數大于 4, 不同的類型其剪
       
      切與排出性能也不同, 如彎葉式轉子與平直式轉子相比, 剪切性能稍低而排出性能好, 考慮到轉子區實現預混合均質 , 物料還將通過其他剪切與壓力作用均質, 所以 , 選擇彎葉式轉子。葉片曲面設計為漸開線, 彎曲方向與旋轉方向相反, 類似于離心泵中的葉輪設計。
       
      以下將以剪切均質機為提高泵送功能而進行轉子相關參數選擇與計算為例, 說明剪切式均質機轉子的設計過程。
       
      1)剪切均質機葉輪參數選擇。葉輪外徑 D2  =
       
      112.5 mm;葉片數 Z=7;出口角 β2 =50°;葉輪出口寬度:24 mm;**高轉速 :5 000 r/min;
       
      2)比轉速計算 。設流量度 Q=50 m3 /h;揚程 H =14.3 m;ns=3.65NQ1/2 /H3/4 =175.5;
       
      3)各種效率估算。水力效率 ηh =1 +0.083 5 × lg(Q/n)1/3 =0.85;考慮到葉輪外圈的水力損失取為
      0.8, 容積效率 ηv = (1 +0.68ns-2 /3 )-1  =0.97;考
       
      慮其他損失取為 0.85, 機械效率 ηm =1 -0.07 /
       
      (ns÷100)7/6 =0.96;考慮其他損失取為 0.85, 總效率:η=ηh×ηv×ηm =0.578
       
      4)揚程及流量計算。零流量揚程計算 , 出口圓周轉速:U2 =D2 ×3.14 n/60 =17.67 m/s;滑移系數
       
      σ=1 -3.14 ×sinβ2 /Z=0.656;出口排擠系數 ψ2 = 1 -ZSU/ (D23.14) =0.87 (SU 為出口圓周厚度 );
       
      出口過水面積 F0 =3.14D2b2=0.008 48m2;出口有效過水面積 :F=F0ψ2 =0.007 39 m2 ;出口軸面轉速 :
      m2 1 88 零流量揚程 t 2
      2
      V =Q/F= . m/s; :H0 =σU/g=
      20.9 m;H=Ht0ηh=17.7 m
       
      設計點揚程 H計算:
       
      Ht=U2 (σU2 -Vm2 /tgβ2 )/g=18.04 m H=Htηh=15.3 m
       
      流量 Q估算 :
       
      殼體面積 :F3 =0.009 24 m2
       
      流量系數:ψ=σ/ {ctgβ2 +2 ×3.14b2ηvψ2 / · 29·

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