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第四章混合
第四章混合
混合是很多工业部门的重要工序之一。
混合就是使物理、化学性质不同的两种或两种的物质相互接近。
粉体的混合操作是将混合系中任一微量成份都达到很均匀的状态,即完全混合状态,但均匀混合操作是困难的。
固体、液体、气体之间的相互移动,习惯上将同相间的相互移动叫混合;不同相之间的移动叫搅拌。
混合操作是使成份达到均匀,搅拌操作是尽可能使少量的固体和液体均匀化,又把高粘度的液体和固体相互混合的操作称捏合,还有叫“混练”。
实际上捏合和混合的操作没有区别,这种操作相当于混合及搅拌的中间程度,从广义上讲,一般称这些操作为混合。
物料的混合目的多种多样。
例如,水泥原料和陶瓷原料的混合,是为固相反应创造条件;玻璃原料和冶金原料的混合是为炉内熔融反应配制适当的化学成份;混凝土的混合是为了强化混合料的化学反应,加速混合料的传热速度,促进混合料的物理变化;绘画颜料和涂料用颜料的调剂,合成树脂用颜料粉末的混合则是为了调色;在耐火材料生产中,为了获得所需强度,要制备有紧密填充状态的混合料,并使混合料中成份和性质均匀,即在单位重量或体积内具有同样的成份和颗粒组成。
虽然物料混合的目的多种多样,对混合度的要求和评价也不一样,但粉体混合的基本原理是相同的。
混合过程是一个十分复杂的过程,固体散状物料的混合过程决定了许多因素:
混合速度及混合设备的结构、各成份的比例、混合机的装载程度、各组分的堆比重和密度、颗粒间的摩擦系数、颗粒形状、各组份的粉碎程度及混合物的水份等。
理想的完全混合状态如图4-1所示,即不同的物料的互相接触面积达到最大值,但是,这种绝对均匀化的理想完全混合状态在工业生产中是不太可能出现的。
一般工业上的混合最佳状态总是无序的不规则排列,应该认为,混合过程是一种“随机事件”,所以工业混合也可称为概率混合,它所能达到的最佳程度称为随机完全混合,即统计的完全均匀混合状态,如图4-2所示。
图4-1理想的完全均匀混合状态图4-2统计的完全均匀混合状态
第一节混合程度
由于粉体混合物为物理的混合物,因此,宏观上看是均匀的,而微观上看却并不均匀。
为了衡量混合质量,各个工业部门所用检验标准因混合目的而异,一般用混合度(或均匀度)即可,混合物的均匀度或混合度是表示其分散程度的指标。
一、混合度
确定混合的均匀程度,通常要在混合过程中任意抽取若干个试样进行分析。
为了表示粉体的混合度,将混合物中主要成份的含量用浓度表示。
至今确定浓度最合理的方法是实验统计偏差法。
表示粉体的混合度有下述一些方法:
1、用统计的方法表示A在(A+B)中均匀分布的情况时可用2表示分散度,表示标准离差。
分散度2=
式中
=
+
C1,C2……Cn(%)—试样A成份的浓度(个数或质量的百分数)
(%)—A成份的平均浓度(个数或质量百分数)
标准离差=
当A成份的试样浓度Ci等于A的平均浓度
时,标准离差值等于0,即完全混合。
当标准离差值超过给定值时,则可认为未均匀混合。
当值达到最大值时表示最不均匀混合状态。
若A、B二成份在混合前为完全分离状态(图4-3),其总量为n个或nkg,则A的平均百分含量为nA=n
;nB=n-nA=n-(1-
)。
混合前,在A中取样,则A浓度Ci=1,其B浓度Ci=0,A、B各部分的
分别为
和
,故
=
nA+
nB
故
=
=
=
图4-3混合前的状态
=
混合前的标准离差
以某时刻的标准离差和最初期的标准离差0之比称为混合度,并以I表示。
混合初期=0即I=1。
理想混合时Ci=
即=0,I=0。
在混合过程中从1—0,
I值以每次取样的数量、取样部位、混合机的形式等有关。
2、若以
=C(1-C)为混合前的分散性,
为完全混合时的分散度,2为混合过程中的分散度,其混合度m可写为
m=(
-2)/(
-
)
或m=1-(2-
)/(
-
)
混合初期2=
,m=0;完全混合时,2=
,在混合过程中m从0—1。
3、对于不同粒径的混合,其混合度m可用容积变化来表示,完全分离时的容积最大,用Vmax表示,理想混合时小颗粒填在大颗粒间隙中,故容积最小,用Vmin表示,V为混合过程中的容积,某瞬时的混合度m可写为
m=
混合初期m=1,理想混合时,m=0,混合过程中m从1—0。
4、对于连续混合,在连续混合机出口,以随机的或一定时间间隔内采取n个样品,分析其组成(Ci)随时间的变化,则混合度Mc可表示为
Mc
式中Ci—某组分出口浓度(或体积比);
C0—某组分入口浓度(或体积比);
C—某组分出口平均浓度
二、混合速度
混合速度用混合度与混合时间的关系表示,或用混合度和混合机的转速之间的关系表示,各种混合机的混合速度如图4-4所示,纵轴为混合机内各点主要成份的浓度,横轴为混合机的转数。
在混合初期,主要成份的浓度变化很大,其后达到一定的混合度。
因此,如果用标准偏差表示混合度,则其与混合时间t的关系如下:
图4—4主要成份的浓度和总转数的关系。
若用离散度表示则为:
式中为混合速度系数。
三、耐火材料混合料的均匀性
耐火材料混合的均匀性,表现在整个混合料的任何一部分,取出很小体积的混合料,它所包含的相同的各个组分之间的差别具有最小值。
混合料混合的均匀性,可通过测定混合料组分的某些物理—化学性质来评定。
通常检测混合料的灼减,粒度,水份等指标来评定。
例如混练熟料和结合粘土时,可测定所取泥料试样的灼减量。
混合的均匀性主要取决于粉料的分散能力,而整个混合料中的某一小体积内某组分的含量与此组分在混合料中的数量、比例、分散能力和颗粒大小的比例有关。
混合均匀程度(或混合效率)可用混合指数表示。
在整个混合料的不同部位取出试样,并测定某一组分的含量,就可计算出整个混合料的混合指数。
当c<50%时,按
计算;
当c>50%时,按
计算。
在取个试样时,混合指数为
式中C—由实验测得的试样中某组分含量(%);
C0—该成分在试样中理论庆有的含量(%);
x—混合百分率。
I愈接近于1,表示混合愈均匀,或混合效率越高。
第二节混合原理
一、混合过程机理
粉体自身由于没有离子、分子的扩散作用,混合操作则必须通过外力进行移动。
在混合机内,粒子的移动随混合机种类及粉体种类而有差别。
依粒子在混合机内的混合运动状态,混合过程的机理一般认为有下列三种:
对流混合(或移动混合)由于混合机外壳或混合机内的叶轮、螺带等内部构件的旋转运动,促使粒子群大幅度地移动位置,形成环形流动,同时进行混合。
剪切混合由于粒子群内有速度分布,各粒子相互滑动或碰撞。
搅拌叶轮尖端和机壳壁面、底面间的间隙较小,对粉体凝聚体的压缩力、剪切力的作用,使粉体凝聚体碎裂等原因引起的混合。
对于普通混合,剪切不是决定因素,而是捏和操作中重要的因素。
扩散混合相邻近的二粒子相互改变位置引起的局部混合。
与对流混合相比,混合速度显著降低。
但由扩散混合最终可达完全混合。
各种混合机内,这三种机理都同时存在,只不过依处理物料的物性和混合机型式不同,对混合操作的影响程度各异。
各类混合设备的混合过程机理的组成,见表4-1。
这些机理对混合速度影响的定量关系,还很不实用,因而,固体的混合操作,迄今仍带有很大的经验性。
混合设备的混合机理组成表4-1
混合设备类型
对流混合
扩散混合
剪切混合
重力式(容器旋转)
大
中
小
强制式(容器固定)
大
中
中
气力式
大
小
小
二、影响混合质量的因素
在耐火材料生产中,混合料质量的好坏直接影响到耐火材料的成型性能,进而对制品的最终质量产生影响,混合质量好的混合料应该是
(1)各个成份应该是均匀分布的(包括不同原料的颗粒,同一原料的不同大小的颗粒和水分等;
(2)混合料的结合性应得到充分发挥;(3)空气完全充分排除,具有最紧密堆积;(4)含水量(液相)适当,透气性好;(5)再粉碎程度小。
影响混合质量的因素有材料因素、设备因素和工艺因素三个方面。
1、材料因素
粉体的混合由于外力而产生如前所述的三种混合作用,而粒子群大幅度或局部移动时不断分离、混合,粉粒体的物理性能对混合度和混合速度影响极大。
粉体的流动状态主要受内摩擦角、粒度分布、粒子形状、密度、充填性质、附着性、水份等的影响。
粉料颗粒形状不同,混合的时间和效果都不一样,如近似球形颗粒的内摩擦小,在混合过程中的相对运动速度大,故容易混合均匀;而棱角状颗粒料的内摩擦力大,不易均匀混合,与前者相比混合时间相对要长些。
粒度是个很重要的因素,粒度分布影响粒子的运动,大小粒子会在其几何位置上相互错动,大粒子向下,小粒子向上,微小的粒子甚至扬尘而离开物料本体。
这种现象即为离析,它是反混合的。
粒子密度必须予以考虑,指的是多种原料之间的粒子密度差。
当粒子密度差显著时,就会在混合料中出现类似于上述粒度差而发生的那种离析作用。
只有当粒度很小的时候,这种有害的离析程度才会减轻。
粒子水份含量也是个影响因素,含水粘性的粒子将会使其流动迟缓,进而阻碍了混合的进行。
特别是它们粘着在混合机的内壁上或是本身团块,更不利于混合程度的改善,但是混合的粉料中,加大适量的水份有利于混合的进行,因为水在粒子间起着润滑剂的作用,减小粒子间的摩擦力。
总之,密度差小、粒径小(但200目)而粒度分布均匀,片状少,含水量小的材料容易混合均匀。
对于少量液体与固体的混合,用润湿性大的材料容易于混合均匀。
2、设备因素
当原材料及配合比一定时,混合设备的类型及转速对混合质量有一定的影响。
混合机的类型影响粒子的流动式样及速度,如用湿碾机混合的泥料,均匀致密,可塑性好;而用双轴搅拌机混合的泥料质量就差些。
混合机的转速影响粒子的运动和混合速度,转速过低会降低生产效率。
因此,混合机应有一个适当的转速。
3、工艺因素
在原材料、配合比、混合设备都不变时,适宜和工艺条件可提高混合质量和缩短混合时间。
在一般情况下,混合时间长,混合料就越均匀。
混合初期,均匀性增加很快,当混合到一定后,再延长混合时间对均匀性影响就不明显了。
混合时间对均匀性影响如图4-5所示。
一般对加入物种类多或分散性差的泥料、混练时间要长些。
例如粘土砖泥料用湿碾混合,时间为4~10分钟;硅砖15分钟左右;镁砖泥料则需要20~25分钟。
混合时间也不宜过长,否则会出现情况
(1)粒度组成被再破碎而改变;
(2)泥料发热而影响水份含量,或由于泥料太热,以至成型时会增大加压时的弹性后效而出现层裂。
图4-5混合时间与混合均匀性的关系
加料顺序对物料混合均匀性影响很大,若粗细粉同时加入,易出现细粉集中成小泥团及出现“白料”。
普遍采用的加料顺序为:
(1)粗颗粒水和纸浆废液细粉
(2)部份粗颗粒水和纸浆废液细粉剩余粗颗粒。
另外,合理地选择结合剂,并适当控制其加入量等,也有利于泥料混合均匀性。
三、混合过程中的离析
混合过程一般如图4-6所示。
在前期进行迅速的混合,达到最佳混合状态以后,要向反方向进行,使混合状态变坏,混合与离析一反一正,反复进行,一般再也不可能达到最初的最佳混合状态。
后期的混合过程称为逆混合。
混合离析可以认为是平衡的。
1、离析作用
当颗粒性质差异导致颗粒优先向混合机的某些区域运动时,混合物中就会出现离析。
离析是与混合相反的过程,妨碍良好混合,也可使已混合好的混合物重新分层,降低混合物的混合程度。
故在混合操作中应充分注意。
颗粒的很多性质的差别,都能在一定情况下引起粒子的非随机运动。
但是造成离析的主要性质,按其重要性排列顺序为,粒度差别>形状差别>回弹性质差别。
这些因素中,粒度差别最为重要,其次是密度差别,而且几乎总是造成离析的主要原因。
其它因素影响一般都比较小,不太重要。
图4-6混合过程的典型曲线
在混合机内,在相同的条件下,混合大小均一、密度相同的固粒物料,其中任一固粒的混合运动状态都是相同的。
但若混合两种物性相差较大的固粒时,在混合机内,不同的粒子会有不同的混合运动状态,有相互分离的倾向。
对于容器固定型混合机,粒径比(dA/dB)或密度比大于(A/B)大于0.8~1.3范围时,较小或较重的粒子将透过较大或较轻的粒子,沉积于容器的底部上,产生分离问题。
对于容器旋转的混合机,因可以防止粉体附着和凝聚,此(dA/dB)或(A/B)可达1.5左右,若转速不当,则小而重的粒子会包在大而轻的粒子团中心,团聚成团,形成一个分离带。
表4-2为在V型转鼓式混合机中不同性质的物料对混合程度的影响。
此表可看出,固体粒子比重差越大,混合时间越短,混合程度就小;视比容差大,混合时间长,混合度良好;休止角对混合度的影响甚小。
V型转鼓式混合机表4-2
-100/+100目粒子,回转数60rpm,装填容积30%
固粒物系
比重差
(g/cc)
视比容差
休止角
(度)
混合时间
,s
%(容积)
砂—Na2CO3
0.07
0.56
2.5
5.7
0.6
玻璃粉—Na2CO3
0.33
0.55
12.1
5.0
0.8
PVC粉—Na2CO3
1.16
0.24
2.0
2.8
2.6
铝石粉—Na2CO3
1.30
0.36
3.8
4.0
2.2
在实际操作过程中,会引起混合料的离析,主要有:
(1)倾注堆料过程中的离析:
当颗粒混合倾注成堆时,大颗粒倾向于滚落到堆的边缘。
当物料倾注在堆顶时,在堆的表面会形成一个移动颗粒层,其厚度相当于若干个颗粒的直径和。
这一移动层构成一个有效的筛网,除了最大的颗粒之外,所有其他颗粒均能通过它达到下面的静止区。
是否容易通过取决于粒度。
这样在堆内就导致了彻底的粒度离析。
(2)剪切离析:
当在粉体的流动过程中形成速度梯度时,则某一粒度层就会相对于邻近的另一层有一个相对速度。
只要有机会,颗粒就可能落入或滚入一个新的颗粒层中。
仍然是小颗粒的移动性大,容易导致离析。
(3)振动引起的离析:
粉体物料的振动会形成空隙,细颗粒要比粗颗粒更容易掉入这些空隙中。
除了这一渗透效应之外,还有另一种离析机制,后者出现在一批不同的粒度的颗粒物料受振动的场合下。
如果将一个大颗粒放在一层小颗粒床的底部并加以振动,则大颗粒就会升到表面上来,这一现象很容易得到验证。
其解释是,大颗粒使紧挨它下面的颗粒互相团聚在一起,阻碍大颗粒沉降回底层。
同时大颗粒的向上运动又使小颗粒的渗透到下面去。
等大颗粒再要降下时,这些小颗粒已经聚在一起了。
只要振动具有适当的形式,大颗粒可以一直上升到表面上来。
2、离析的防止措施
混合过程的离析现象,应尽力抑止,一般的方法有:
(1)从混合的机理来看,显然对流混合离析最小,而扩散混合最有利于离析的产生,对于具有离析倾向较大的物料,选择以对流混合为主的混合机,如选择容器固定的连续式混合机。
(2)混合料从混合机卸出后,运输中应尽量减少振动和落差。
在工厂设计中应量缩短混合机和成型设备的距离,另外,在混合料的贮存时也应力求避免离析。
(3)改进配料方法,使物性相差不大。
(4)在干物料中加入适当液体,如用水(可以用表面活性剂)润湿粉体,适当降低其流动性,有利于混合。
这种方法,有时也用在离析倾向较大的固体混合物,以保持其良好的混合状态。
(5)改进加料方法,粒子层的重叠方式,应在混合机内混合时,下层粒子向上层移动,上层粒子向下移动,降低离析程度。
(6)如果混合物料为团块形式,应该采用某些破坏团块的装置,以防止与其它混合物料分离,并保证这些物料在混合机内完全分散。
(7)降低混合机中的真空度或破碎程度,减少粉尘量。
第三节混合设备
一、混合设备的型式
固体粒子混合机型式,依构造分类有容器旋转型和容器固定型;依操作分类则有间歇式和连续式,间歇式混合机易控制混合质量,适应固体物料的配比经常改变的情况,故应用最多。
表4-3给出了混合机械的分类,表头给出了特征,表中给出的某些机械如图4-7所示。
固体混合机的型式表4-3
转筒式
(1)
具有内部团块破碎器的转筒式
(2)
静止外壳或槽式
(3)
外壳及内部装置均转动(4)
撞击式混合器
(5)
影响混合的过程工序(6)
无挡板:
筒式,水平或
球磨
带式
逆流,辗轮塔架和底盘以相的方向旋转
锤式
料斗装料
倾钭
石磨机
双锥式
棒磨
静止底坐,旋转辗轮塔架
撞击式
流态化
双外壳式
振动石球磨
垂直螺旋器
行星式
笼式磨
螺旋加料器
立方体式
蘑菇式
双锥式
单转子
喷射磨
带式运输机装料
双外壳式
双转子
磨蚀磨
箱式提升机装料
立方体式
透平式
风力输送
括板式混合器
有挡板:
水平筒式
筛机(透平筛机)
绕长轴旋转
的双锥式
1、转筒式混合机
如图4-7(a、b、c、d)所示,机壳形状有园筒形,双园锥形或V形。
机壳在最适宜的转速下绕轴旋转。
随着转筒外形改变,改善了机内的粒子的运动状况,增强了混合能力。
视物料及过程的要求不同,机内可增加破碎装置,加液装置或档板,如图中虚线或直线所示。
图4-7固体混合器的几种类型
2、螺带式混合机
如图4-7(e)所示,容器为固定的。
机内轴上有二条螺带(也可以是间断的螺带)。
螺带的截面积、节距、与筒内壁面间隙、螺带圈数等参数,依处理物料而异。
它可以处理低密度的细料、纤维状物料或粘稠物料。
如有需要,也可以加装喷嘴,直接喷入液体。
3、轮辗机
如图4-7(g.h)所示。
(g)为间歇操作;(h)为连续式操作。
除物料流动性过大,或过分胶粘物外,大多数物料到都可选用轮辗机。
依过程需要,物料可在干的或润湿状态下操作。
对于简单的固粒混合过程,不宜采用轮辗机,因其设备费用高,功率消耗大,而且混合不很均匀。
4、双轮子混合机
如图4-7(i)所示,转子上设置螺旋,或依螺旋形排列的叶片,两转子相向转动,依物料性质和要求混合程度,选用不同的转速,最高可过390m/min。
这类混合设备可用于不能自由流动的固粒的连续混合。
如有需要可加装喷液装置,加热或冷却装置。
对产品的磨损小。
5、气力混合机
如图4-8所示,该系统需要比转筒等混合机需要更多的设备。
鼓风机或压缩机用以造成空气流动,而且,在混合容器后面,需要设置某些装置由气流分离出所携带的颗粒。
气力混合机在一个闭循环中操作,因此,任何一种气体均可作为流化介质。
气体经过锥形混合端,进入混合器腔内,该混合端在混合器中产生旋涡、湍动作用。
图4-8空气混合器
对混合物的鼓风过程周期约为5-30s,随后颗粒以相似的周期沉降。
这一循环的长度频率可由所设控制阀调节变化。
该装置与等容积的机械混合机相比较,所需投资较高。
但可由极快的混合时间得到补偿。
一般地讲,在机械混合气中需求15min才能达到平衡的混合物质量,而在气力混合机中仅需1-2min。
二、混合机的性能
混合机性能大多在特定的固粒和操作条件下,由实验求得的。
由于固粒物性对混合机性能的影响极难建立起相关的联系,迄今还未得到一般的结论。
下面仅就几种混合机的重要特征加以说明。
1、转筒式混合机性能
对于转筒式混合机有一最适转数。
在此转数下,粒子在机内的混合状态良好。
均一粒径的最适转数可由下式计算:
Nopt=
式中Nopt—最适转数,rpm;
D—混合机转鼓直径,m;
x—转筒内粒子装填率,%体积;
c—常数,约为54—70,依物性而定。
在转筒混合机内,粒子的混合状态,由Fr准数判定(
)。
放大时,如果保持Fr相等,就能得到相同的粒子混合运动状态,
即
=
或
所以,两混合机内的转数比约为直径比的0.5次幂。
最适转数下,固粒平均直径
,与Fr准数的关系,近似地表示为:
=
式中Rmax—混合机的最大尺寸;
—实验常数。
上式表明,平均直径
与
成比例。
这个关系在
=100~1000m范围都较适合,但实际上,在150m后,随粒径增大混合时间缩短,混合状态不太好。
对水平转筒式混合机和双重圆锥形混合机的混合实验表明;在
=100~500m范围内,粒子增大也能得以良好的混合状态,混合度几乎无变化。
对于转筒式混合机,达到良好的最终混合状态所需混合时间都很长。
若混合时间短,最终混合状态很差。
因之,如产品的混合度要求高,宜选用双重圆锥型,如要求混合时间短,则宜采用正方体型混合机。
2、容器固定型混合机的特性
转筒混合机虽比螺带式混合机更快达到平衡混合状态,但混合状态要差些。
离析倾向大的粒子,或凝集性较强的粒子的混合,选用容器固定型的螺带式混合机,操作性能都要好些。
卧式螺带式混合机:
最适旋转数受
的影响较小,而直立螺带式混合机之最终混合度受
之影响较大。
3、混合机所需功率
固体粒子混合操作中,加入功率很大,不一定得到最好的混合状态。
故在设计或选择混合机时,功率值不如物性或产品的要求的影响重要。
混合机所需功率的计算公式不多,且因物性,混合机型式和几何尺寸的影响,而局限性很大。
三、混合机型式的选择
1、一般原则
固体粒子混合机选型时,一般要考虑下列各点:
(1)给定过程要求和操作目的包括混合产品的性质,要求的混合度,生产能力,操作为间歇式或连续式。
(2)根据粉体物料的物性如粒子形状、大小及其分布、密度和视密度、休止角、流动性、粉体的附着性或凝集性、润湿程度等,以及各组分物性的差异程度,分析对混合操作的影响。
(3)由上二项,初步确定适合给定过程之混合机型式。
(5)混合机的操作条件包括混合机旋转速度、装填率、原料组分比、各组分加入方法、顺序和加入速率、混合时间等。
结合物性和混合机型式,确定操作条件和混合速度(或最终混合度)的关系,以及混合的规模;
(5)所需功率
(6)操作可行性如装料,混合,卸料和清冼操作;
(7)经济性包括设备费,维持费和操作费用大小。
2、小型试验和中试
在固体混合操作中,经常进行小试和中试。
小试一般都在小型装置上,用尝试误差法,进行试验。
测定某种混合机的操作性能,离析问题,最适混合状态下的操作范围和扩大操作范围的方法,如改变原料物性,加润湿剂抑制离析倾向,微粉造粒,增大流动性等。
在小试中,可先用几种定型混合机,进行对比实验。
如果没有适当的定型设备,则根据经验和理论分析,对预先选定的混合机的某些构件,加以修改,以便适当地改进混合机的性能。
从这些实验数据和下列原则,最终选定混合机:
(1)该混合机的产品质量符合过程要求,而且混合所需时间,一般小于是15min。
对大多数情况,仅需几分钟。
(2)选用混合机的设备费用和操作费用最小。
固体粒子混合操作复杂,其理论研究又落后于实用;物料性质对固体粒子混合操作效果的影响很大,特别是随着混合机的大型化,物料性质,如固体粒子的压缩性、摩耗、结块、流动性、离析、偏流、着火性等也有较大的变化。
故现用的相似放大法,不太可靠。
在很多情况下,如有可能,应在小试的基础上,进行中试。
中试时应注意以下各点:
(1)中试设备规模越大,对预计大型设备操作性能越可靠。
大小型设备应尽可能几何相似。
(2)固体粒子混合机的放大数据发表甚少。
一般由制造厂提供放大的判定数据。
如几何相似的大小型转筒式混合机,当调整转速,使大小型混合机内,粒子运动流型相同,装填率相同,则放大结果很
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