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剪切式均质机结构设计与技术分析

剪切式均质机是一种运用在新型微米技术中的粉碎机械装备, 其主要工作原理是利用高速的转子与定子间的剪切作用, 将流体状的物料进行搅匀与粉碎处理。因其相对于其他形式的传统均质机具有较高的生产效率, 且能将物料粉碎** 2μm以下, 因此 , 在日用化学、 制药和食品等工业得到了广泛的应用。
 
1 国内外均质乳化技术发展现状
 
工业生产中的均质乳化装备有胶体磨、 高压均质机、 离心式均质机、 超声波均质机和剪切式均质机等。近年来, 随着均质技术的迅速发展 , 剪切式均质机以其独特的剪切分散机理和超细化、 低能耗、 高效化和性能稳定等优点在许多工业领域替代了传统的其他均质机 , 已成为这些行业中对提高有关流体产品品质所必不可少的工艺装备。
 
国际上在 20世纪 30年代就在工业生产中使用均质机 , 目前已有美国、 德国、 意大利和日本等 10多个国家研制均质机 , 尤其是德国研究与制造的剪切乳化设备在世界均质机械领域处于**地位。
 
我国在 20世纪 80年代后期开始研制与制造剪切式均质机。 1987年 , 上海市轻工业研究所成功研制了 LR-ZJ系列真空剪切均质乳化机 (见图 1), **今已经被国内千余家日化、 制药、 食品、 涂料和印染等企业使用。
 
目前 , 剪切式均质机发展的关键技术在于对几何要素、 性能参数和流体动力学参数变化的研究, 并在理论上从流体动力学、 热力学等学科出发, 进行系统研究、 分析均质过程中流体的压力场、 速度场和温度场, 探讨了流体所受的剪切和压力作用 , 得出相关理论, 进而推动剪切式均质机的发展 , 以满足各种工业
不同领域的广泛需求。
 
相对于国外先进技术与装备而言, 国内尚处于仿制与改制生产阶段 , 缺乏对均质理论的深入探讨、 分析与研究和创新设计的能力。同时 , 由于剪切式均质机的均质过程的复杂性和物料的流变多样性 , 对其机理的研究具有很大的难度, 因而国产剪切式均质机与国际先进技术的差距较大, 如下就本公司在针对适应工业生产中的各类工艺而研制的剪切式均质机的研制过程 , 尝试从相关结构设计与技术分析上进行阐述。
 
2 剪切式均质机结构原理与机理
 
国外所研制的剪切式均质机采用定 -转子型结构
 
均质器, 在电机高速 (3 000 r/min~ 7 000 r/min)
 
驱动下, 物料在转子与定子间隙内高速运动 , 形成强烈的液力剪切和湍流, 同时在产生的离心、 挤压和碰撞等综合作用力下 , 得到充分的分散和破碎 , 并达到


符合要求的乳化效果。其核心部件定 -转子结构见图
 
2所示 。它主要由定子和同心高速旋转的转子组成 , 定子与转子间隙的大小是保证这一空间的速度场和剪切力场的关键因素 , 定子和转子的间隙可以非常小 ,
一般为 0.2 mm~ 1.0 mm。
Fig.2  Shear-typehomogenizerset-rotorstructure
 
定子结构有:圆孔式———用于高黏度物料的循环分散乳化 ;网孔式 ———用于低黏度精细乳液的制备及微小颗粒在液体中的迅速分散、 细化;长方孔式 ———
 
用于中高黏度物料的混合分散。
 
转子结构有:二叶桨式 ———适用于各种黏度的物料;梳状式———可根据各种物料的黏度大小调节梳状条间距;涡轮式———按物料黏度的不同设计满足各种黏度要求的转子。
悬浮液是一种液体分散体系, 均质混合的作用十分重要。因为 , 只要分散相尺度上达到胶体状, 可能出现内外相分层的现象 , 分层主要是分散物在重力或离心力作用下悬浮的结果, 悬浮物稳定性不仅与浮力有关 , 还应与布朗运动有关 , 分散体系中分散相的颗粒愈小, 悬浮液就愈稳定;而从热力学的角度看 , 一般的乳化产品都是不平衡的混合物 , 油和水终有**会分离, 因此很难预测产品的储存寿命。
但是 , 化妆品中的悬浮稳定性是一项极为重要的性能指标。悬浮液的悬浮稳定性与分散相粒度成反比, 其乳液粒度决定了悬浮稳定性 , 粒度愈大稳定性愈差 , 产品保质期就愈短。所以化妆品制造过程中存在乳化不完全的问题, 产品出货 3个月后产品开始油水分离或者腐败, 那将产生很严重的产品质量问题。
因此 , 化妆品都需要均质乳化, 使产品粒度减小, 分布均匀 , 体系稳定, 以防止物料分层 , 提高产品保质期 , 一般**少需要 3年的储存期 , 而乳化产品
 
的储存期不但与配方有关, 还与制备工艺, 如乳化温度、 搅拌方法和冷却速度等 “过程可变因素” 有很重要的关系。
 
均质原理即是物料通过机械作用迫使其以很大的速度通过十分狭窄的间隙, 在流体力学效应的作用下, 由于转子高速旋转所产生的高切线速度在转子与定子间的狭窄间隙中形成极大的速度梯度, 以及由于高频机械效应带来的强劲动能, 使物料在定 -转子的间隙中受到强烈的液力剪切、 离心挤压、 液层摩擦、撞击撕裂和湍流等综合作用 , 使不相容的固相、 液相和气相在相应成熟工艺和适量添加剂的共同作用下 , 瞬间均匀精细地分散均质, 再经过高频的循环往复而使分散相颗粒或液滴破碎达到均质乳化目的 , **终得到相对稳定的高品质乳化产品。
 
同时 , 从均质机理讲, 引起颗粒破裂的主要是剪切与压力作用 , 而引起剪切与压力作用的流体力学效应分别是湍流效应和空穴效应, 一般粗颗粒的破裂主要靠剪切作用。进入均质机内的物料中 , 分散相颗粒相对粗大 , 且分散不匀。根据 Stokes定理 , 颗粒沉降速度与两相比重差成正比, 与粒径平方成正比, 与物料黏度成反比 , 故此时的物料极不稳定 , 沉淀分层严重, 为了达到混合均质目的 , 剪切式均质机必须对物料进行充分搅拌混合, 同时使粗颗粒破裂成较小颗粒, 由定子内高速旋转的转子提供机械能 (见图 3), 而在转子区域产生足够的湍流张力。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 3  剪切式均质机转子
 
Fig.3  Shear-typerotor
 
3 均质机转子参数分析与结构设计
 
由于剪切式均质机是在高速旋转下工作 , 在设计转子时必须考虑其变形、 应力和振动等力学性能 , 同时还要考虑到整个转子系统的临界转速 , 所以, 转子与其有关的整个均质机结构参数 , 如直径、 齿圈数、齿高及齿厚、 结构厚度、 轴承支撑跨度和均质机上部压板在装置的锅体底部位置等都有关, 这里存在寻找**佳结构的参数优化设计问题。
没剪切就不会有混合, 一般对工业中常用的剪切式均质机按物料流动方向来说, 高速径向流涡轮产生了**大的剪切速率 , 其次是涡流叶轮, **慢的是轴向流叶轮。因此 , 美国和德国等认为 , 径流式的分散效果优于轴流式 , 这也是进行设计的首要选择。
 
转子的作用可看作流动泵中的叶轮作用。转子的输入功率能产生流量 Q与压头 H, 流量决定了定子内的循环流动和泵送能力 , 而压头耗散在定子内液体的流动上, 决定了湍流强度。因此, 转子的混合均质是受到湍流强度 (压头 )和循环流量 (泵送流量)两个因素影响的 , 转子设计将保证轴的输入功率提供合适的流量与压头。
 
根据功率概念, 转子的功率 P与流量 Q及压头
 
H的关系如下 :P=ρgPH
 
式中 , ρ为料液密度, g为重力加速度。由泵的相似关系知 :Q∝ nd3;H∝ n2d2
 
式中, n为转子转速, d为转子直径, 故:P∝ n3d5 上式可知 , 转速加倍流量加倍 , 而功率将增加 8
 
倍, 说明功率的大部分将用于湍动。
 
要获得良好的混合均质效果, 物料离开转子的速度必须足够大 , 速度愈大, 宏观携带愈多, 微观湍动愈强烈, 混合均质效果就愈好。这样, 转子的动压头(速度头)就成为剪切力和湍动强度的度量 。
要达到快速高度的粒子分散与破裂, 要求 Q/H 小, 即有较大的 H和较小的 Q。 Q/H∝ d/n
 
因此 , 在输入功率一定时, 可通过改变转子转速和直径来调整流量与压头的比例, 采用小直径、 高速转子 , 大量功率消耗于提高剪切力 , 产生强烈的湍
 
动 , 以达到混合均质效果。
 
转子高速旋转提供了湍动所需要的压头 , 转子区
 
的液体处于强烈的湍流状态 , 由于液体内不断变化的流动速度和由此产生的脉动压力, 从而产生了分裂颗粒的张力 , 致使颗粒变形或破裂。
 
均质的基本要素是存在一定的速度梯度 (即剪切速率 )。转子区**大剪切速率是转子转速与直径的函数, 且趋向于随叶端速度而变化,叶端速度决定了转子区的**大剪切速率 ,是衡量搅拌区流体动力学状态的重要指标 ,也是转子的一个重要参数。因为所有颗粒将**终进入转子端部,受**大剪切应力作用 ,转子区的混合均质效果**终由该处的剪切力作用决定。可见 , 在转子直径确定后 ,转速则是一个重要参数 ,对小直径转子而言 ,由于转子与定子固定,其转速将影响定转子间隙内的剪切作用 ,转速愈高 ,剪切作用愈大。
 
转子高速旋转 , 物料受到湍流应力和**大剪切力的作用, 同时叶端液体的静压强有所提高, 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)功率计算
 
N轴 =rQH/ (1 000η) =4.32 kW (注:扬程按
 
1.2倍计算, 并按清水计算 )
 
6)强度计算 。 **小轴径确定 , τ=0.15σ =
 
3.15 ×107 Pa, 材料为 Cr1Ni18 Ti9;电机配用功率 : 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, 取叶轮处的轴径:22 mm。
 
7)叶片厚度计算: S=AD2   (H/Z)1/2 =
 
0.88 mm。式中 A=5, 考虑转子外圈焊接在叶轮上 , 取叶片外径处的厚度5 mm。
 
4 均质机其他部件设计与器件选择
 
搅拌锅体 (容器)。人们往往都是从均质混合装置中驱动部件 (均质机等 )着手进行设计研究, 而忽视了对混合容器的结构设计和理论研究。球形混合容器在形状设计方面解决了流体的 “万向 ” 流动 , 避免了液体形成停滞而在拐角处形成死角, 可以充分均质混合 , 以减少均质机转子的功率消耗。
 
在均质装置中 , 均质机的内径 d与容器外径 D 之比 D/d一般取 3 ~ 4, 伸出部分将取决于不同的物料黏度和相关工艺 , 理日牌均质机大多采用在定 -转子结构上部设计有浮动压板 (该压板可与装置底部

齐平 ), 在均质机高速旋转时, 将形成强有力的内循环状态而产生高效的均质乳化效果。
 
电机选择。选用二极交流电动机通过变频器调速, 可以按工艺要求在 3 000 r/min~ 4 000 r/min选
 
择合适的均质转速 (如采用变频电机等可达到更高的转子转速)。
 
密封机构。一般采用机械密封以保证剪切式均质机装置密封与真空度, 同时根据不同物料的特性 , 机械密封间可有陶瓷、 石墨、 合金铜和不锈钢等组合。另外 , 通过冷却液的循环以保证较长的均质时间。
 
外循环结构。均质机内循环可延长均质时间以保证所有物料都被有效均质, 但由于均质机位于装置底部, 在生产流程中物料通过时间短 , 不能保证每一液滴或颗粒都被有效均质 , 所以理日牌均质机设计成外循环结构 , 其均质乳化效果和效率明显提高。
离开转子外缘。转子不仅起到混合均质的作用, 还具有泵送作用, 为物料进一步均质提供了能量 , 另外还可以有助于出料。
 
转子设计时除了要考虑转速与直径外, 还要考虑转子的结构形状, 因为这一要素也将影响流量与压头的匹配。
 
研究表明 , 涡轮式转子与旋浆式比较, 具有流量小、 压头高的特点, 能在排料区产生较高的剪切应
 
力 , 更适合于物料的混合均质。
 
一般涡轮式转子叶片数大于 4, 不同的类型其剪
 
切与排出性能也不同, 如弯叶式转子与平直式转子相比, 剪切性能稍低而排出性能好, 考虑到转子区实现预混合均质 , 物料还将通过其他剪切与压力作用均质, 所以 , 选择弯叶式转子。叶片曲面设计为渐开线, 弯曲方向与旋转方向相反, 类似于离心泵中的叶轮设计。
 
以下将以剪切均质机为提高泵送功能而进行转子相关参数选择与计算为例, 说明剪切式均质机转子的设计过程。
 
1)剪切均质机叶轮参数选择。叶轮外径 D2  =
 
112.5 mm;叶片数 Z=7;出口角 β2 =50°;叶轮出口宽度:24 mm;**高转速 :5 000 r/min;
 
2)比转速计算 。设流量度 Q=50 m3 /h;扬程 H =14.3 m;ns=3.65NQ1/2 /H3/4 =175.5;
 
3)各种效率估算。水力效率 ηh =1 +0.083 5 × lg(Q/n)1/3 =0.85;考虑到叶轮外圈的水力损失取为
0.8, 容积效率 ηv = (1 +0.68ns-2 /3 )-1  =0.97;考
 
虑其他损失取为 0.85, 机械效率 ηm =1 -0.07 /
 
(ns÷100)7/6 =0.96;考虑其他损失取为 0.85, 总效率:η=ηh×ηv×ηm =0.578
 
4)扬程及流量计算。零流量扬程计算 , 出口圆周转速:U2 =D2 ×3.14 n/60 =17.67 m/s;滑移系数
 
σ=1 -3.14 ×sinβ2 /Z=0.656;出口排挤系数 ψ2 = 1 -ZSU/ (D23.14) =0.87 (SU 为出口圆周厚度 );
 
出口过水面积 F0 =3.14D2b2=0.008 48m2;出口有效过水面积 :F=F0ψ2 =0.007 39 m2 ;出口轴面转速 :
m2 1 88 零流量扬程 t 2
2
V =Q/F= . m/s; :H0 =σU/g=
20.9 m;H=Ht0ηh=17.7 m
 
设计点扬程 H计算:
 
Ht=U2 (σU2 -Vm2 /tgβ2 )/g=18.04 m H=Htηh=15.3 m
 
流量 Q估算 :
 
壳体面积 :F3 =0.009 24 m2
 
流量系数:ψ=σ/ {ctgβ2 +2 ×3.14b2ηvψ2 / · 29·

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