现在国内外典型乳化器主要有三种类型:胶体磨、均化器、静态混合器。胶体磨能产生强力剪切使物料在磨内除受到很大的剪切力与摩擦力, 使物料被有效地分散、破碎、混合直到乳化。但从结构及功能来看, 胶体磨不适用作乳化器, 因为设备没有冷却水, 容易造成定子和转子咬死, 安全性受很大影响。
均化器的工作原理是将初混后的两相, 在很高压力下自一小孔挤出, 经突然失压而膨胀和高速冲击碰撞的双重作用, 将混合液破碎成微粒, 使其分散乳化。但从结构及功能来看, 均化器不太好。因为设备的能源利用率极低。
静态混合器的流体通过静态混合器每个单元时被分成几份, 再流到下一单元时, 分份……直到将粒子分散到1μm～3μm。静态混合器没有运动部分, 提高了管道化程度, 虽然消除了许多中间环节不稳定因素, 但是它的主动性太差, 一定要选对型号, 才能处理低粘度的液体[1]。
从典型乳化器可知, 现有乳化设备存在大量缺点如胶体磨没有冷却水的结构、均化器能源利用率极低、静态混合器只能处理低粘度的液体、搅拌器线速度小的缺点, 但由于现有的生产设备已经建成, 管路的改装相当复杂, 使得许多乳化生产的工效低, 无法在短时间内完成预定指标。而新型高剪切混合乳化泵正是结合这几特点, 无需复杂的管路改造就能简单的实现分散、均一、混合与乳化。
新型高剪切混合乳化泵的进出口使用标准法兰来实现与现有生产工艺管线直接连接。最主要的是新型高剪切混合乳化泵正是通过特有的三层转定子结构集合了各类的优点, 其独特的间隙使其具有了胶体磨所具有的强大的剪切力, 独特的封闭式定子孔使其具有了均化器所具有失压而膨胀和高速冲击碰撞的双重作用, 中心处的入口和切线处的出口所配的标准法兰让它具有了静态混合器的管道化程度, 同时转定子的强大的相对线速度使其拥有了像搅拌器那样能产生强烈湍流脉冲。同时该产品生产的乳化性能优良, 对于石油化工生产中加入的各种添加剂不溶物都有很好的粉碎作用。
新型高剪切混合乳化泵整体结构, 整体结构固定在底座上, 底座上面刚性连接着三相异步电动机、冷却结构、“s”型三层转子、三层定子头。转子由三相异步电动机带动转子、中间有机封冷却结构部分、确保其装置在高速运转下机封装置的安全性, 冷却腔水结构与转子之间用机械密封进行密封, 在冷却结构的前面装有转子, 定子。新型高剪切混合乳化泵中心处为进料口, 切线处为出料口, 进口方向与轴线重合, 转向从驱动向泵头端方向看为顺时方向[2]。
定子由三层定子头和一个定子套组成, 进料口在与轴中心处重合, 出料口在切线处, 三层定子头由不同的三种定子头组成, 三种定子头其差别在于开孔的形状和孔的大小不同。
(1) 长孔定子头:适用于一般的混合或大颗粒的粉碎, 在长孔定子头上的长形开孔, 提供了所有定子中最好的循环, 适用于处理较高粘度的物料。
(2) 圆孔定子头:适用于中等固体颗粒的迅速粉碎及中等粘度液体的混合, 圆孔为表面剪切提供了最大面积和良好的循环。
(3) 网孔定子头:适用于低粘度液体混合, 其剪切速率最大, 最适宜于乳液的制作及小颗粒在液体中的粉碎、溶解过程[2]。
故将三层定子头结合到一起, 里层为长孔, 中层为圆孔, 外面的为网孔, 物料进口放在中心处吸料, 让物料在转子和定子间受到三层的高速剪切、离心摩擦、相互研磨以及物料在高速循环下自身的液力剪切、液层摩擦和相互碰撞作用, 被撕裂、粉碎、混合、分散。让物料受到是普通胶体磨3倍的剪切力而被粉碎。出料口为旋开式设计, 从而减小出料口损失, 便于物料的流动。
转子由内而外的3层不同的“S”型刀片结构组成, 在相同的径向尺寸下, 可加大剪切刃口长度;根据处理介质的不同, 一般采用4～8个剪切刃, 因为其切断介质时的状态是点接触而非线接触将所需的剪切力逐渐输出, 避免剪切力的较大幅度波动。这一点对剪切模型的工作效果, 以及整机设备的运转平稳性均具有重要意义, 故设计每层刀片与定子间的间隙是0.12mm～0.08mm, 提高其剪切力, “s”型刀片, 加快了液体的出料速度和液体撞击定子的动能, 提高了剪切力。
新型高剪切混合乳化泵是乳化、改性成套设备的核心部件, 它的粉碎效果直接影响其乳化效果, 同时对于产量也起着重要的作用, 因此对这一核心部件乳化泵结构、种类、转速、乳化微粒细度、功率等参数应做严格的选择, 不但要求乳化的质量与产量达到工程要求, 而且乳化泵具有经久耐用与防腐蚀的特性, 它和胶体磨相比, 虽然工作原理有相似之处, 但也有很大的差别。如新型高剪切混合乳化泵的工作面特征为转定子之间间隙小而胶体磨为转定子间隙大;在作用原理上乳化泵以剪切为主、摩擦揉搓为辅而胶体磨以摩擦揉搓为主、剪切为辅;在作业盘上乳化泵为三层作业盘、多次剪切而胶体磨为单层作业盘、剪切次数少;在应用范围上乳化泵以硬颗粒、橡胶质软体都能进行粉碎应用范围广而胶体磨对胶质软体的乳化比较困难应用范围明显不足;在能源利用上乳化泵有散发热量少、能源利用率高环保而胶体磨散发热量大、能源利用率低。
对100kg的某型号的分子筛进行充分混合, 并搅拌均匀后, 放到两台同容积反应釜中, 其中一台由胶体磨研磨;另一台由乳化泵完成, 具体数据见表1。从表1可知, 乳化泵用了不到胶体磨2/3的时间就达到了同样的效果, 并且产生热量小。
转、定子之间间隙的大小直接决定着生产出产品的质量, 为确保转子与定子之问间隙最小, 进行分体式转、定子结构, 可大大提高了乳化泵的机械剪切力, 从而提高产品效果。整体式转定子加工方式为车加工而分体式转定子为磨加工;在表面精度上整体式转定子为Ra3.2而分体式转定子为Ra0.8;在表面硬度上整体式转定子不高而分体式转定子比较高;在内外层齿槽分布上整体式转定子不均匀而且只能同时加工而分体式转定子均匀并且各层可以分开加工。
在工作过程中由于定子受径向力的作用从而导致定子易变形, 使转、定子之间间隙加大, 为了使变形量减小, 确保转、定子间隙, 因此使用了封闭式定子孔见结构, 确保在使用过程中转、定子间隙不受影响。封闭式齿槽具有不变形、间歇小、剪切效率高、微粒分布比较均匀;而开放式齿槽易变形、间隙大、剪切效率低、微粒分布不均匀。
综上所述, 本产品在突破传统的设计思维, 集成优良技术的基础上再创新, 使乳化泵具有高实用、高效率、低能耗的特点。同时, 本产品在本人现有的国家专利200820041056.1—s型三级粉碎乳化机上进行修改, 保证了技术的自主产权。从乳化设备的发展方向看, 该产品更具有市场前景, 必将取得显著的经济效益和社会效益。
摘要：乳化机在石油化工, 医药, 食品等行业有着越来越广泛的应用前景。本产品通过新型高剪切混合乳化泵独特的设计, 在传送、混合、乳化为一体的基础上, 消除了胶体磨没有冷却水的结构、均化器能源利用率极低、静态混合器只能处理低粘度的液体、搅拌器线速度小等缺点, 使所处理的物料得到理想的乳化效果。文章论述了新型高剪切混合乳化泵的总体设计思想、机械结构、产品优势等。
关键词：乳化泵,高剪切混合,机构分析,破碎机理
[1] 陈飞, 肖才榕.乳化器中搅拌结构及参数对乳化作用的影响[J].爆破器材, 2002, 31 (4) .
[2] 胡长鹰.高剪切均质机湍流均质机理研究[J], 2001.
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