混合机械设备

学习项目3 混合机械设备混合是指使两种或两种以上不同组分得物质在外力作用下由不均匀状态达到相对均匀状态的过程，经过混合操作后得到的物料称为混合物。

完成混合操作的设备叫做混合机，混合机在精细化工生产中的作用很重要，如香粉、粉饼等化妆品的生产，涂料、油墨等的制备、新材料的合成等都离不开混合机械。

在精细化工生产中，被混合的物料性质和状态是多种多样的，一般有以下几种类型的混合物：液体与液体、液体与固体、固体与固体、液体与气体和固体－液体－气体三类物质构成的混合物。

得到的混合物可以是均相的，也可以是非均相的，两种不相容的液体混合，是一种液体以一定的分散度分散于另一种液体中，这种混合操作称为乳化，如化妆品、洗发香波等的生产，这类混合设备将在“均质与乳化设备”一章中单独讲述。

一般来说，以液体为主的物料的混合叫做搅拌，以干物料为主的固体物料的混合称为混合，两者通称为混合。

完成混合操作的机械主要有：用于粉粒状固体物料的混合机，用于低粘度的液态物料的搅拌机，用于高粘度稠浆料和粘弹性物料的捏合机，用于乳液或悬浮液的均质机和胶体磨等，对混合设备的要求是要混合均匀度高、容器内残留物料少、设备简单、操作方便、便于清理和清洗、运行安全等。

混合的目的主要有：一是产物是多种原料的混合物，所以对混合物的均匀度有一定要求，如涂料、胶粘剂、油墨等；二是为了增加物料接触表面积以促进化学反应，原料混合越均匀，接触面就越大，过程进行的速度就越快，如树脂生产过程中的搅拌混合，还有气液相催化反应时，既要使固体粉状催化剂或液体催化剂（密度不同于参加反应的液体）在液体中均匀悬浮，又要使气体形成小气泡在液体中均匀分散；三是加速物理变化。

例如粒状溶质加入溶剂，通过混合机械的作用可加速溶解混匀。

1.混合机理混合时要求所有参与混合的物料均匀分布。

混合的程度分为理想混合、随机混合和完全不相混三种状态，如图5－1所示，各种物料在混合机中的的混合程度，取决于待混物料的比例、物理状态和特性，以及所用混合机械的类型和混合操作持续的时间等因素。

图5－1 混合状态示意图混合机对物料的作用本质就是混合，这种混合主要是通过物料的流动才得以实现的，在混合机中，物料的混合作用一般认为有以下三种：（1）对流混合对流是指物料的团、块或颗粒从一个位置转移到另一个位置的过程，对流混合又称为体积混合或移动混合，这种混合作用的强度主要决定于运动状况，作用区域比较大，混合速度较快，但混合的均匀程度并不太高，对于粉料和高粘度液料都是如此，但低、中粘度的液料则以对流混合为主。

（2）扩散混合扩散是指由于颗粒在物料整体新生表面上的分布作用而引起个别颗粒的位置分散迁移过程，扩散混合主要指相溶组分（固体与液体，液体与气体，液体与液体组分等）中的混合现象。

对于互不相溶性组分的粉粒子，在混合过程中以单个粒子为单位向四周移动（类似气体和液体分子的扩散），使各组分的粒子先在局部范围内扩散，达到均匀分布。

实际上，完全不互溶是不存在的，在混合过程中有一个由对流混合到扩散混合的过渡，主要取决于分散尺度的大小，在粉材料的运动个也存在扩散混合。

这种方式的作用区域小，混合速率较慢，但混合精度高。

（3）剪切混合剪切是指在颗粒物料团内开辟新的滑移面而产生的混合作用，剪切混合主要是剪切力的作用，使物料组分被拉成愈来愈薄的料层，使某一种组分原来占有区域的尺寸越来越小，对于高粘度组分特别明显，例如在捏合机、螺旋挤压机等设备中，物料受到强烈的剪切力。

这种方式作用区域较小，只发生在剪切面上及其附件，混合速度较慢，但混合精度高。

实际上，在各种搅拌混合设备中，上述三种混合作用是不能截然分开，各种混合机都是以上三种作用的某种作用起主导作用，例如，回转圆筒式混合机以扩散混合为主；双轴螺旋混合机中对流混合速度高于扩散混合；双轴桨叶无重力混合机中桨叶在容器内的转动，在横向产生对流混合，由于桨叶上下翻动，物料升落之际也会造成扩散混合，虽然，桨叶与粉粒体相对移动时还产生剪切混合作用，但对流混合起主要作用。

各类混合机的混合作用如表5－1所示。

表5－1 各类混合机的混合作用2．不同性质物料的混合精细化工生产中需要混合的物料多种多样，其性质也有很大不同，其主要的物料混合以及其对应的混合方式主要有下面几种：液体的混合主要靠机械搅拌器、气流和待混液体的射流等，使待混物料受到搅动以达到均匀混合。

搅动引起部分液体流动，流动液体又推动其周围的液体，结果在溶器内形成循环液流，由此产生的液体之间的扩散称为主体对流扩散。

当搅动引起的液体流动速度很高时，在高速液流与周围低速液流之间的界面上出现剪切作用，从而产生大量的局部性漩涡。

这些漩涡迅速向四周扩散，又把更多的液体卷进漩涡中来，在小范围内形成的紊乱对流扩散称为涡流扩散。

机械搅拌器的运动部件在旋转时也会对液体产生剪切作用。

液体在流经器壁和安装在容器内的各种固定构件时也要受到剪切作用。

这些剪切作用都会引起许多局部涡流扩散。

搅拌引起的主体对流扩散和涡流扩散，增加了不同液体间分子扩散的表面积、减少了扩散距离，从而缩短了分子扩散的时间。

若待混液体的粘度不高，可以在不长的搅拌时间内达到随机混合的状态；若粘度较高，则需较长的混合时间。

对于密度、成分不同、互不相溶的液体，搅拌产生的剪切作用和强烈的湍动将密度大的液体撕碎成小液滴，并使其均匀地分散到主液体中。

搅拌产生的液体流动速度必须大于液滴的沉降速度。

少量不溶解的粉状固体与液体的混合机理，与密度、成分不同，互不相溶的液体的混合机理相同，只是搅拌不能改变粉状固体的粒度。

若混合前固体颗粒不能使其沉降速度小于液体的流动速度，无论采用何种搅拌方式都形不成均匀的悬浮液。

不同膏状物的混合主要是将待混物料反复分割并使其受到压、辗、挤等动作所产生的强剪切作用，随后又经反复合并、捏合，最后达到所要求的混合程度。

这种混合很难达到理想混合，仅能达到随机混合。

粉状固体与少量液体混合后为膏状物，其混合机理与膏状物料混合的机理相同。

不同的热塑性物料以及热塑性物料与少量粉状固体的混合，需要依靠强剪切作用反复地揉搓和捏合，才能达到随机混合。

流动性好的颗粒状固体物主要是靠容器本身的回转，或靠装在容器内具有推动待混物料前进或后退的运动部件的作用，反复地翻动、掺和而得以混合。

这类物料也可用气流产生对流或湍流以达到混合。

固体颗粒的对流或湍流不易产生涡流，混合速度远低于液体的混合，混合程度一般也只能达到随机混合。

流动性很差的、互相发生粘附的颗粒或粉状固体，则常需用带有机械翻动和压、辗等动作的混合机械。

3．混合设备的种类混合设备的种类较多，分类方法也不一样，常见的有以下几种分类方法（1）按操作方式来分：有间歇式和连续式，连续式的优点是可减少混合料在输送或储存过程中的分料现象，缺点是价格高，维修不方便。

（2）按设备运转形式来分：有旋转容器式和固定容器式，旋转容器式混合机以扩散混合为主，固定容器式混合机以对流混合为主，固体混合物料两种混合机都有，液体混合物料则以固定容器式混合机为主。

（3）按工作原理来分：有重力式和强制式，重力式混合机是物料在绕轴转动的容器内，主要受重力作用运动而相互混合，强制式混合机是物料在旋转桨叶的强制推动下，产生运动而相互混合。

（4）按混合方式来分：有机械混合式和气力混合式，机械混合机在工作原理上大致可分为重力式（容器旋转）和强制式（容器固定），气力式混合机是用高速气流使物料翻滚、对流而混合。

（5）按混合与分料机理来分：有分料式混合机和非分料式混合机，前者以扩散混合为主，即重力式混合机，后者以对流混合为主，即强制式混合机。

（6）按混合物料的不同来分：有气体和低粘度液体混合器、中高粘度液体和膏状物混合机械、热塑性物料混合机、粉状与粒状固体物料混合机械4大类。

低黏度液体与液体、低粘度液体与固体悬浮液的的混合机械常简称为搅拌机，它的特点是结构简单，维护检修量小，能耗低。

这类混合机械又分为气流搅拌、管道混合、射流混合和强制循环混合等四种。

中、高黏度液体和膏状物的混合机械，一般具有强的剪切作用；热塑性的物料混合机主要用于热塑性物料(如橡胶和塑料)与添加剂混合；粉状、粒状固体物料混合机械多为间歇操作，也包括兼有混合和研磨作用的机械，如调和机，又称捏合机。

混合干燥粒状固体物料的机械设备一般简称为混合机，主要用于固体与固体的混合。

选用各种混合机械与设备时，要充分考虑混合均匀度的好坏，混合时间的长短，混合机所需动力和生产能力、加卸料是否方便等方面，然后选择生产需要的混合机。

第一节固体混合设备混合两种或两种以上固体颗粒操作的主要目的是要得到组份浓度均匀的混合物。

在有些情况下，也伴有化学反应，传质或传热等过程，它广泛地用于精细化工工业中。

一、重力式混合机（容器旋转）重力式混合机的主要特点是有一个可以转动的混合筒。

混合筒安装在水平轴上（个别有倾斜轴），混合筒绕轴旋转，使物料在筒内反复运动即混合与分离，而达到物料混合均匀的目的。

这类混合机混合作用力主要是重力，按照容器外形可分为：圆筒式、鼓式、箱式、双锥式、V式等，这类混合机容易使粒度差和密度差较大的物料趋向分料，为减少物料结块，有些重力式混合机（如V式）内还有高速旋转桨叶。

重力式混合机对流动性好且物理性质相差不大的物料可得到较好的均匀度，其中以V形混合机的混合均匀度较高，多用于品种多而批量小的生产中，大多间歇生产。

重力式混合机的缺点是：混合机的加料和卸料，都要求容器停止旋转，并在固定位置上，故需要加装定位装置，而且加料和卸料过程中容易产生粉尘，需要采用防尘措施。

（一）圆筒式混合机筒体在轴向旋转时带动物料向上运动，物料在重力作用下往下滑落的反复运动中进行混合，总体混合主要以对流、剪切混合为主，而轴向混合以扩散混合为主。

该混合机的混合度较低，但结构简单、成本低，适合于干粉的混合，操作中最适宜的转速为临界转速的70％－90％，最适宜的充填比或存积比（物料容积/混合机全容积）约为30％－50％，混合时间与混合机型、混合物料的性质等有关，一般混合时间约为10min。

水平圆筒形混合机如图5－2所示，它有旋转筒、驱动转轴、搅拌浆、机架和电动机等组成。

它的重要构件－旋转容器的形状决定了混合操作的效果，容器内表面要求光滑平整，以减少粉料对容器壁的粘附、摩擦等影响，为加大粉料的翻腾混合，减少混合时间，可在容器壁或旋转容器内安装几个固定抄板（搅拌桨）。

圆筒式混合机按其回转轴线可分为水平型和倾斜型，水平型圆筒混合机操作时，物料流动简单，但缺乏沿水平轴的横向运动，容器两端存在混合死角，且卸料不方便，混合效果不理想，倾斜型混合机，由于容易与水平轴有一定角度，减小了水平型容器内运动的缺点，而使混合能力增强。

图5－2 圆筒式混合机结构示意图和外形图（二）多面体混合机这种机器由多面体（正方形、矩形、双锥形和正八角形等）容器及其内壁上所装的导向板等组成，如图5－3所示，当容器旋转时，待混物料翻滚、掺合以达到混合目的，这种混合机多用于干粉状、粒状物料的混合。