高速分散实用导则.doc

高速分散实用导则每年都会有一批新人加入到要使用混合机器的实验室和工厂中。在这里，许多有经验的人看起来很简单的事，却让许多新来者感到复杂和灰心。本导则的目的是对高速分散器“做什么、怎么做、什么时候做、为什么做”进行最基本的解释。本导则是为那些将来可能成为专家的新来者服务。什么是分散机？分散机是一类能将粉状物料快速打碎的搅拌器。并能将它们在液体中均匀的分布和润湿。分散机也可用来将可溶性固体溶解在液体中。分散机如何工作？分散机是根据能量转移的原理工作。将一个圆盘型刀刃安装在搅拌轴的底部，并以相对较高的稍速转动。（稍速是旋转的圆盘外部稍端或边缘的速度。分散机的稍速通常以英尺每分钟来表示，计算时是将常数3.14乘以圆盘以英尺表示的直径再乘以搅拌轴的转速。行业上表示稍速的术语是圆周速度。）旋转的圆盘通过产生吸力来抽取固体和液体。这种吸力通常会在混合物的上端向下至圆盘上端产生可见的漩涡。在圆盘的下端也会产生类似的漩涡，从罐的底部延伸至圆盘的下面。尽管一般的行业惯例是仅将上面可见的漩涡称为涡动，漩涡实际上是两个单独的涡动。当固体/液体混合物进入漩涡后会被抽吸到高速分散圆盘处，能量（用来驱动圆盘的马力）会立即从圆盘转移到混合物上。强大的集中的能量转移会在混合物内产生极大的瞬间速度变化，这样它就能更频繁地与圆盘接触。（把混合物想象成一系列单独的水平层，从上部向下和从底部向上直至旋转圆盘的表面。）当每一层从慢慢移动的漩涡进入非常高速的圆盘而接触圆盘时会被瞬间加速并射向外周和罐壁。将混合物上层快速撕开的力称为剪切力，通常称为剪切。分散机和搅拌器之间有什么差异？分散机和搅拌器都是用来混合。有时把混合器比作泵，泵的性能通常用每分钟排送多少加仑的容量所需要的马力来表示。分散机是一种需要较高马力推动的低能量的泵。如果从其处理每加仑需要较高马力的要求来考虑，分散机不是一种有效地混合器。搅拌器是一种低功率、高容量的泵-是一种效率较高的混合器。对典型的分散用途（如将颜料分散制备涂料）每10加仑需要1马力，而搅拌用途（如用溶剂稀释颜料分散体）每100加仑需要约1马力。图1举例说明了一种蹼板搅拌器和三种使用锯齿状刀刃的分散机。尽管搅拌器是效率较高的泵，它不能产生足够的剪切力来将大部分固体分散至液体中。中等剪切的分散机，以大约为高剪切力分散机正常叶片速度的一半运行，有时当需要一些剪切力时，可用中等剪切的分散机来代替搅拌器。通常该分散圆盘有较大的齿片，来更好的抽吸混合物，其所需要的马力约为高剪切力分散机的三分之一，但仍比搅拌器大三倍。我什么时候需要使用分散机而不是搅拌器？分散机能产生所需要的剪切力来快速将液体中的粉末去团块。这种去团块的过程称为分散。搅拌器是一种有效地混合器，但不管混合多长时间通常都不能产生足够的剪切力来分散粉末。这是因为将聚集体（团块）聚在一起的力比混合器试图将其分开的力要大。混合器能做好将分散开（已剪切）的混合物保持在悬浮液中的工作，但它们通常不能分散（剪切）的混合物。分散机的局限性是什么？分散机的局限性是那些有流变性的产品。这意味着为保持已分散产品的流动性需要采取一些措施。如果太稠，就不能在刀刃和罐壁之间自由移动，这样在罐内就存在未分散物料的死区。如果太稀，由于能连续地接触旋转的圆盘，产品层之间就没有足够的分散物料需要的撕裂。粘稠的物料也可能会抑制刀刃在罐内产生合适的流动的能力。正确的流动就像以刀刃作为洞口的圆环图。物料绕着罐壁作圆周状流动，同时向内翻滚与刀刃接触。这种类型的流动有时称为圆环图滚动。如果未分散的粒子黏在罐壁，或流动不充分，不能将整个分散体翻滚至刀刃，就不能得到彻底的分散。不流动，就不会有滚动。增加辅助的搅拌装置有助于为分散机刀刃送料，能扩展分散机的运行范围。这种类型的机器通常称为双轴或三轴的混合器。它既有装有慢速移动的平铲刀刃的轴，将物料送至罐壁或从罐壁上铲下来促进物料的流动，又有一个或多个装有分散机刀刃的混合轴来产生高的剪切。有多少不同类型的分散机，哪一种最适合我？现在市面上有一种速度、两种速度和变速混合轴的分散机。有些直接安装在罐的顶上并只在安装刀刃的固定位置运行。其它安装在罐内的分散机在不移出罐的情况下能升高或降低刀刃几英尺运行（用来更好地控制漩涡）。另一种设计，也许是最常见的，将分散机安装在水压起重机的上端，类似于加油站的用于提起汽车的那种设备，起重机安装在地上。起重机能帮助操作者将刀刃完全抬至混合容器外部，并换至另一个容器中。这种工艺采用小型能用轮子移走的便携式桶（最多500加仑），或用叉车叉走。较大的固定的罐其中心通常位于起重机中心至混合轴中心的旋转圆弧的内部。选择最佳设计的结构，既是功能上的需要，也是从经济上考虑更合理。雇佣熟悉分散机的有经验过程工程师或顾问是一种很好的投资。图2和图3举例说明了两种不同类型的分散机。我如何选择合适尺寸的分散机？分散机的大小通常从马力上来考虑。然而，有一些分散机尺寸很大但使用的马力数却相对较小。这些仅是特例。分散机的马力与叶片直径和以固定速度和阻力运行时的叶片的预期载荷有关。阻力是分散体流变性、黏度和密度的函数。然而，当叶片的直径增加，所需马力将不成比例地增加。例如，如果一个直径为12英寸的叶片在非牛顿性体系（黏度随剪切运动而改变）中需要20马力，将叶片直径翻倍所需马力将增加为5倍。这意味着采用相同设计的直径为24英寸的叶片在相同的物料中运行将需要100马力。较大的叶片能抽吸相对更多的物料，因此可在更大的罐（也许是5倍体积的罐）内工作，在相同时间内能产出更多的成品。马力要求与叶片直径、罐的直径、批量大小、流变性、黏度和密度有关。改变建议的运行参数，通常会影响最终性能，如粒子分离得很差、要延长分散时间和最终产品质量的下降。我如何为我的分散机选择合适大小的罐？大多数分散机理想的罐式高度比宽度略大。中凹或碗型的底部有助于防止固体聚集在锐角边缘，通常平底的会有这种情况。同样重要的是流向中央的中凹底部要安装一个卸料阀。焊接在中凹底部中央的底部清洗球阀能进一步增强放料和清洗的便利性。罐的最佳几何结构是对这几个方面进行综合考虑，在本文中会进一步列出。我如何为我的分散机选择合适大小的叶片？叶片的大小是基于物料的流动性和所要求的分散度。物料越稠，叶片直径与罐的直径比值越大。相反，物料越稀，叶片直径与罐的直径比值越小。这种比值称为叶片和罐的比值。粘稠的物料像重的可流动的浆料要求的比值为0.5:1。中等稠度的物料如涂料要求的比值为0.33:1，而稀的物料像着色剂能工作的比值最高为0.125:1。例如，如果叶片和罐的比值为0.33:1，罐的直径为6英尺，那么叶片的直径为2英尺。我如何知道什么时候更换叶片？一旦物料的工艺进行最优化后，达到最大分散通常需要的时间是最后一种组分加入后20至30分钟。较长的时间并不一定总能得到较好的分散体，有时在某种情况下可能是不利的，因为高剪切分散机的叶片会产生较高的物料温度。随着叶片开始磨耗，需要越来越长的批处理时间来达到最佳的分散体标准的要求。对于锯齿形分散机叶片，当叶片稍端磨至起始高度的一半时应更换。我的分散机上哪种类型的叶片运转最好？有各种尺寸和类型的高剪切分散机叶片供应（图4）。它们通常分为两大类，敞开式锯齿形和环形。在适当的运行条件下两类叶片都能很好地工作。敞开式锯齿形叶片由于其成本低、容易清洗和通用型是最受欢迎的叶片。有多种齿状设计的该类叶片。叶齿的大小增加就更具侵略性，从而叶片的抽吸能力也增加。然而，随着抽吸能力（湍流）的增加，剪切作用下降。一种高抽吸能力的锯齿叶片所产生的剪切力仍比低剪切蹼板搅拌器要大。当决定最终产品确切需要达到什么情况时，这是需要着重考虑的一个方面。环形叶片是一种优化分散机性能的一种强有力的工具。购买时价格较贵，且需要比锯齿型叶片消耗更多的马力。它通常以较高的稍速运转（大于5700英尺每分钟），其行为更像是转子和定子。不像锯齿形叶片完全依靠圆盘的面和锯齿形构造进行剪切和流动，许多环状叶片的运行时用液压驱动，因为离心力使环内外物料产生速度差，里面的高压区瞬间向环外的低压区释放，产生一种膜爆裂的喷射效应。产生多余的热是高剪切的副产物。然而，在某些情况下，这种高剪切力消除了或大大减少了随后需要的研磨过程。有哪些其他因素会影响分散机的性能？用分散机配制是获得最佳方案的一个重要部分。当不能接受基本配方的改变时有时需要去做有较多工作来优化配方，即何时加入组分，怎么加？在大多数情况下，在液体漆料中快速加入约为总量一半的粉末是可以接受的，尽管对每一种配方开始时必须仔细观察以确保粉末不悬浮在该批物料的上面超过几秒钟。太快加入干粉可能会阻塞叶片并导致分散不完全、分散体不稳定。后面一半的粉末需慢慢加入直到配方的全部量都加入。应随时调整叶片速度，从刚开始加入粉末时为最终稍速的二分之一这个最小值到当批料稠度增加、流速减慢时的最大最终稍速。该程序能防止飞溅和产生过多的漩涡，这不利于分散，可能会导致分散体中夹带过量的空气。确保已遵循了罐尺寸、马力、叶片大小等规律，大多数分散过程能在最后的粉料正确加入后20至30分钟内完成。超过这一时间继续进行分散是徒然的，实际上如果温度持续升高可能会对某些组分产生有害的影响。在中等黏度（1500至5000厘泊）时，当流动图案为圆环形、叶稍速以约5000英尺每分钟的速度运转时通常分散机运行最佳。在最高黏度时较低稍速可能是能接受的，在较低黏度时较高稍速可能也是能接受的，以获得相同的剪切速度和应力。换句话说，剪切是叶片稍速和物料流变性的函数。我如何运转分散机以获得最佳性能？下面是前面段落提到的相关方面的概述。最佳性能需要以下准则：1） 开始时罐是干净的。2） 正确的叶片和罐的比值。3） 合适的配方。4） 合适的状况良好的叶片。5） 最合适的叶片稍速。6） 正确的罐的结构（长度和宽度的比值）。7） 足够的马力。8） 加入原材料的合适的方法。9） 固有的流变性。我必须采取哪些安全措施，为什么？阅读由生产商提供的操作和安全说明。如果没有，打电话给生产商要求获得这样的说明书。确保所有的操作人员对于如何使用分散机已经过适当培训，对于