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厚漿型涂料生產(chǎn)設(shè)備的研制與應(yīng)用 

1、前言
　　涂料生產(chǎn)的工藝過(guò)程是由能夠滿足過(guò)程能力的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此設(shè)備的過(guò)程能力對(duì)于涂料品質(zhì)優(yōu)劣有著至關(guān)重要的作用。
　　當(dāng)前隨著涂料品種的不斷增加，品位的不斷提升，愈來(lái)愈明顯地反映出一個(gè)問(wèn)題，就是傳統(tǒng)的、單一的設(shè)備，已經(jīng)難以滿足品種繁多的、高品位涂料生產(chǎn)的需要。因此新型的生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用這個(gè)課題引起了人們的關(guān)注。近年來(lái)一些新設(shè)備紛紛投放市場(chǎng)，以適應(yīng)日益發(fā)展的涂料工業(yè)的需求。厚漿型涂料生產(chǎn)設(shè)備的研制也就是在這個(gè)大背景下開展起來(lái)的。
2、厚漿型涂料的工藝特性
　　厚漿型涂料具有含固量高、粘稠、比重大等物理特性。由于漿料的流動(dòng)性差，粘壁現(xiàn)象嚴(yán)重，粉體結(jié)團(tuán)，團(tuán)粒不易分散,攪拌時(shí)吸入氣體產(chǎn)生的氣泡不易釋放等問(wèn)題，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。
3、攪拌型式的選擇
　　攪拌能力是涂料生產(chǎn)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，良好的攪拌，不僅僅是提供一個(gè)好的傳質(zhì)條件，而且促進(jìn)物料的分散，使之混合均勻，同時(shí)在容器空間制造一個(gè)良好流動(dòng)條件，杜絕流場(chǎng)死角，減少粘壁。
就厚漿型涂料而言，良好攪拌能使物料充分分散混合，各種原料分布均勻，品質(zhì)得到提高。
下面就攪拌型式及物料流動(dòng)的研究分析所涉及的問(wèn)題提出討論。
3.1單軸攪拌
　　單軸攪拌盡管可采用各種不同的攪拌速度和攪拌器形式，但在厚漿型涂料的生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)論采用哪一種組合形式均難以滿足。比如：高速分散，采用鋸齒園盤形攪拌器，在料漿粘度＜10pa.s時(shí)其分散混合效果較好，但當(dāng)料漿粘稠，流動(dòng)性差時(shí)，就不適合了。因?yàn)檫@類攪拌器在攪拌邊緣2.5-5cm處，能形成強(qiáng)烈湍流，［1］在這個(gè)區(qū)域中，團(tuán)粒受到較強(qiáng)的剪切和沖擊作用，得以粉碎，具有良好的分散混合效果，在粘稠物料的體系中，區(qū)域以外部分，由于攪拌器作的功不易擴(kuò)散，上下翻動(dòng)平緩，環(huán)流作用力很小，甚至不能形成循環(huán)翻動(dòng)。離盤緣較遠(yuǎn)的地方料漿幾乎呈靜止?fàn)顟B(tài)，由于盤緣周邊的料漿不能很好更新，因此很難達(dá)到理想的效果。如果加大攪拌器直徑則可以擴(kuò)大料漿的流動(dòng)范圍，但功率大幅度增加，能耗加大，極不經(jīng)濟(jì)。
　　如低速攪拌，采用框式或螺帶式或螺帶—螺桿復(fù)合式等攪拌器，料漿翻動(dòng)范圍大，對(duì)于1-103Pa.S的高粘度物料具有較好的混合效果。但分散能力差，團(tuán)粒不易破碎分散，料漿分布不均勻，且工作時(shí)間長(zhǎng)。
3.2雙軸攪拌設(shè)計(jì)
　　鑒于單軸攪拌用于厚漿型涂料所存在的問(wèn)題，我們考慮了雙軸攪拌的研究方案。
3.2.1偏心雙軸
　　雙軸轉(zhuǎn)速一快一慢，分別由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。高速軸端部裝鋸齒圓盤攪拌器，其圓周速度可達(dá)20m/s左右，主要起分散作用，低速軸帶動(dòng)一個(gè)三翼框式攪拌器，主要起混合作用，其翼展長(zhǎng)，流場(chǎng)范圍大，適合于粘稠物料的拌合，邊緣與容器內(nèi)壁裝有刮壁器，以防止物料粘壁。低速攪拌器的攪拌能使高速軸周邊的料漿不斷更新，促進(jìn)分散、混合，另外與刮壁器的作用，使器壁上的料漿不斷更新，防止流場(chǎng)死角。并且兩軸均可采用變速，根據(jù)需要調(diào)節(jié)軸的轉(zhuǎn)速。偏心雙軸的安裝可分為兩種，一種是升降機(jī)架，另一種是固定在容器端蓋上。并且可以進(jìn)行密閉設(shè)計(jì)，在真空狀態(tài)下攪拌，消除氣泡。
3.2.2同心雙軸
　　結(jié)構(gòu)：雙軸位于同一軸線并處于容器中心，內(nèi)軸為高速軸，外軸為低速軸，分別由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。高速軸下端裝有一個(gè)鋸齒園盤形攪拌器，必要時(shí)可在中部安裝一個(gè)推進(jìn)式攪拌器，加大中心部位的漿料循環(huán)，外軸安裝一個(gè)帶有刮壁器的框式攪拌器，同時(shí)在框上設(shè)置雙螺帶葉片。外軸可正、反變換轉(zhuǎn)向。同心雙軸的設(shè)計(jì)，加大了外框的機(jī)械強(qiáng)度，比較錨式攪拌更適合粘稠料漿的攪拌混合。
　　原理：高速攪拌的鋸齒園盤形葉輪其操作狀態(tài)下，流體為徑向流動(dòng)狀態(tài)，作高速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，在齒端及盤緣處產(chǎn)生高剪切力，能使液體產(chǎn)生微型渦流，并受瞬時(shí)速度波動(dòng)而出現(xiàn)湍動(dòng)，從而使物料局部混合和物料層間界面的更新，促進(jìn)了物料的混合，分散，傳質(zhì)和傳熱，同時(shí)在高剪切力的作用下使物料團(tuán)粒破碎，形成均勻的固液混合物。由于鋸齒葉輪使用時(shí)投入的能量密度較高，這些能量全部變成熱量使罐內(nèi)溫度上升，通常在容器上裝有水冷卻夾套進(jìn)行冷卻。
低速攪拌，具有攪拌范圍大，促進(jìn)高速區(qū)域的料漿循環(huán)更新和熱量傳遞，同時(shí)刮去器壁滯流的物料，促進(jìn)傳質(zhì)、傳熱。低速攪拌器同時(shí)還起到擋板的作用，可防止旋渦過(guò)高吸入大量的空氣，產(chǎn)生氣泡，并且消除死角。
　　綜上所述采用兩種不同轉(zhuǎn)速，不同形式，不同流向的攪拌形式同時(shí)作用在同一體系中，既可滿足粉體在漿料中的分散又得到了良好的混合效果，同時(shí)可以大大縮短拌合時(shí)間，通常拌合時(shí)間比單軸形式的攪拌可減少三分之一甚至一半。產(chǎn)品的品質(zhì)明顯改善。
4、軸系密封的選擇和設(shè)計(jì)
　　為使系統(tǒng)處于真空狀態(tài)下操作，避免氣體夾帶產(chǎn)生氣泡。必須對(duì)攪拌軸進(jìn)行密封，對(duì)于偏心雙軸攪拌選擇一般的機(jī)械密封即可滿足設(shè)計(jì)要求。但對(duì)于同心雙軸來(lái)說(shuō)，內(nèi)外軸都需密封，因此無(wú)論從形式上，結(jié)構(gòu)上都超出了一般機(jī)械密封的范圍，并且內(nèi)外軸同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至有時(shí)同向，有時(shí)反向，且內(nèi)軸需要承受相當(dāng)高的轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)上具有一定的難度。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，采用集裝式內(nèi)外軸雙層雙端面密封裝置，可靠地保證了密封要求。
5、攪拌功率的計(jì)算
　　厚漿型涂料屬于非均相粘彈性流體，有關(guān)該體系的攪拌功率的計(jì)算，報(bào)道不多，況且雙軸攪拌的轉(zhuǎn)速不同，攪拌型式不同，使體系中流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)極為復(fù)雜，功率計(jì)算的難度甚大。本研究采用了分部—疊加的計(jì)算方法，分別求出各類攪拌器在操作狀態(tài)下所需的功率。
5.1慢速攪拌的功率計(jì)算：
　　即把攪拌器分為錨+刮板（無(wú)檔板）刮壁式攪拌器及雙螺帶攪拌器兩種形式，以公式P錨刮板=NpρN3d3 Np=203Re -1.0 2≤Re≤60 [2]
Np=45Re 0.52 200≤Re≤200
P雙螺帶=KpN2d3μa
Kp=NpRe=246.32(d/c)0.266(w/d)0.296(p/d)-0.479(L/d)0.852 [2]
式中Np為功率準(zhǔn)數(shù)，Kp為功率常數(shù)，Re為雷諾準(zhǔn)數(shù)，N為轉(zhuǎn)速，
d為槳徑，μa為表觀粘度，ρ為密度，C為葉端與罐壁的間隙，
p為螺距，w為螺帶寬，L為螺帶高；
　　進(jìn)行計(jì)算，得到兩種攪拌器的攪拌功率，因?yàn)閮煞N攪拌器同時(shí)按裝在一支軸上，轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速相同，相互作用，僅采用簡(jiǎn)單的疊加顯然不合理。本研究對(duì)功率配置，分別以500L、1000L、1500L、2000L、3000L五種罐進(jìn)行了試驗(yàn)，得到疊加系數(shù)F，即為
P總=F（P錨+刮壁+P雙螺帶）以上計(jì)算方法通過(guò)實(shí)踐證明是可行的。
5.2、高速軸攪拌功率計(jì)算：
　　由于本研究體系中的慢速攪拌器有類似檔板的作用，因此在高速軸攪拌功率計(jì)算的問(wèn)題上考慮了檔板存在的情況，根據(jù)實(shí)踐，計(jì)算式為P=1.16NpρN3d3滿足功率配置的要求。
6、結(jié)論
　　涂料工業(yè)的發(fā)展進(jìn)步不僅需要*的科學(xué)合理的配方和工藝，也離不開*專業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備，我們將上述研究已成功運(yùn)用在厚漿型涂料的生產(chǎn)設(shè)備上，并已開發(fā)了500L—5000L容積的系列產(chǎn)品。運(yùn)行結(jié)果證明本項(xiàng)目的研制開發(fā)是成功的，技術(shù)是可靠成熟的。得到了用戶的信任和支持。但我們的研究成果是非常有限的，涂料專業(yè)設(shè)備的研制改進(jìn)還有很多的空間，值得我們繼續(xù)探索，繼續(xù)努力。