CN104786382B - 一种双锥面动态混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双锥面动态混合器，包括带有进料口和出料口的混合室，所述混合室内设有同轴且转动配合的静片和动片，该静片和动片之间设有相互对接的工作面；所述静片的工作面上设有进料流道以及与所述出料口连通的出料流道；所述动片的工作面上设有与所述进料口连通的引流流道；在静片和动片相对转动过程中，所述引流流道交替的与所述进料流道和出料流道导通。本发明的流道沿锥面分布，有利于延伸流道的长度，在有限距离上分布更多的动静片组合；分流效果好，自混合充分，对流体剪切力大，适用范围广，流动无死角。

Description

一种双锥面动态混合器

技术领域

本发明属于机械混合装置设计领域，具体是涉及一种双锥面动态混合器。

背景技术

在日常生活中，聚合物的使用发挥着不可替代的作用。目前全世界对纺织品的需求量有了极大的提高，棉、麻等天然纤维以及粘胶、醋酸、铜氨等化学纤维已远远满足不了人们的需要。以涤纶为代表的合成纤维占据着主导地位。随着熔体直纺工艺的成熟，单条生产线的规模已达到10万吨/年的水平。随之而来的弊端是品种的灵活性受到了极大的限制，对于抗菌、阻燃、色丝等差别化、功能性纤维无法实现小批量生产。

传统型化纤生产企业，在生产功能性纤维时通常都是将功能性母粒计量后喂入螺杆挤出机的进料口，由螺杆挤出机将颗粒状的功能母粒和聚合物切片熔融、混炼。流体中的大尺寸杂质由预过滤器除杂后经计量泵精确计量，喂入喷丝头，最后从喷丝孔中挤出冷却形成纤维。由于缺少高效的混炼手段造成断头增多，生产效率下降；纤维外观毛丝、僵丝，色差等问题。

传统解决方案是在管道中放置静态混合器。例如公开号为CN203598709U的现有文献公开了一种适用于纺前注射生产的静态混合器，包括筒状器体、X形螺旋片和至少一个用于向器体注入添加剂的喷嘴，X形螺旋片固定设置在器体内，喷嘴固定设置在器体的进液口与X形螺旋片之间，所述X形螺旋片与喷嘴之间设置有搅拌装置，所述搅拌装置包括支撑轴和搅拌叶，所述支撑轴与X形螺旋片固定连接，所述搅拌叶倾斜设置在支撑轴上，并与支撑轴转动连接。公开号为CN201386909U的专利文献公开了一种安装有多组静态混合器的PET熔体输送管道，主要用于输送纺丝原料PET熔体。它包括增压泵、PET熔体输送管道和冷却器，所述增压泵与PET熔体输送管道一端相连，冷却器安装在PET熔体输送管道上，冷却器后的PET熔体输送管道分成三条支路，所述三条支路上均安装有多组静态混合器。

上述静态混合器在一定程度上提高了纤维产品的质量，但是，由于静态混合器需要考虑流体的压力降，因而流道一般较宽，单层混合片对流体的分割数量少，混合片的层数有限，只能对流体进行有限次数的切割、分流；对流体的剪切、混炼效果不理想。

发明内容

本发明提供了一种分流效果好，自混合充分，对流体剪切力大，适用范围广，流动无死角的动态混合器。

一种动态混合器，包括带有进料口和出料口的混合室，所述混合室内设有同轴且转动配合的静片和动片，该静片和动片之间设有相互对接的工作面；所述静片的工作面上设有进料流道以及与所述出料口连通的出料流道；所述动片的工作面上设有与所述进料口连通的引流流道；在静片和动片相对转动过程中，所述引流流道交替的与所述进料流道和出料流道导通。

上述技术方案中，物料在进料推动下，首先进入到动片的引流流道内，当引流流道与进料流道导通时，物料进入到进料流道内，然后随着动片和静片的相对转动，当引流流道与出料流道导通时，物料从引流流道进入到出料流道；引流流道与进料流道再次导通时，物料在进料流道内受阻，无法继续前行，进而翻转，形成回流，进行与后续物料混合。

作为优选，所述动片的工作面上设有与引流流道独立设置的过渡流道，在静片和动片相对转动过程中，该过渡流道交替的与所述进料流道和出料流道导通。过渡通道进一步将进料流道内的物料分流，最终从出料流道中流出。

本发明中，所述动片和静片之间的相对转动，作为优选，所述双锥面动态混合器还包括：

设于所述混合室内且同轴设置的转轴；

驱动所述转轴转动的驱动机构；

所述静片与混合室相对固定，所述动片与转轴相对固定，静片和动片之间为间隙配合。

上述技术方案中，转轴带动动片在驱动机构作用下，发生转动，实现物料的送料，同时与静片配合，实现对物料的多次分流和切割。静片与混合室之间、动片与转轴之间可选用多种固定方式固定，例如可以采用键固定、螺纹固定等。

作为优选，所述工作面为锥面结构，所述引流流道、过渡流道在动片周向间隔布置，且开口朝向相反；所述进料流道、出料流道在静片周向间隔布置，且靠口朝向相反于。锥面结构变相增加了物料流道长度，提高了混合效果。

本发明中，静片和动片一般成对使用，混合室内可以设置一组也可以设置多组。动静片元件设置可以由2～10个单元组合。

作为进一步优选，所述动片为具有对称锥台结构的双锥体；所述静片至少为两个，两个相邻静片对接的一端分别设有与双锥体的两个锥面配合的锥槽；所述动片一侧锥面的引流流道与动片另一侧锥面的引流流道的开口处对接连通；所述静片一端的锥形槽的出料流道与静片另一端的锥形槽的出料流道的开口处对接连通。该技术方案中，由于各流道的对接连通，使得物料在每一个折弯处的空间突然变大，流体的流速发生变化，从而改变流体的平稳流动，产生较强的湍流，改善流体的混合。

作为优选，在母线方向上：所述引流流道或过渡流道的长度为锥面长度的2/3～4/5；所述进料流道或出料流道的长度为锥槽槽壁长度的2/3～4/5。本发明的动片和静片的流道长度占锥面长度的2/3～4/5，保证动片旋转过程中流体从动片翻转到静片有一个体积的变化，增强扰流作用，保证物料分流。

作为进一步优选，所述引流流道、过渡流道、进料流道或出料流道的流通面积基本不变。流道的深度在1～5mm。实际加工时，流道的宽度从锥面的外围向中心收窄，流道的深度从锥面外围向中心加深，使槽的横截面近似不变，避免物料压力的波动。

作为优选，在同一锥面上，相邻引流流道和过渡流道之间或者相邻进料流道和出料流道之间形成的脊部沿锥面周向宽度的优选尺寸为1mm～3mm。在动片转动过程中，脊部对物料施加高强剪切作用力，有利于分散局部团聚的高浓度功能粉体物料。

作为优选，相邻两个静片之间为平面密封，相邻两个动片之间为平面密封，相邻静片和动片的工作面之间的间隙为0.1mm～2mm。动片与动片、静片与静片之间用平面密封，保证流体流动不存在死角。

作为进一步优选，相邻两个静片之间设有用于调节两个静片之间距离的静片调节片；相邻两个动片之间设有用于调节两个动片之间距离的动片调节片。调节片一组为两片，分别与动片和静片配套，放置在相邻动片和动片之间、静片和静片之间；其厚度为0.1mm～5.6mm，每一组的调节片厚度相同；其材质为紫铜(加工后镀镍处理)或不锈钢板材，用线切割或冲压而成；通过更换不同规格的调节片来增加动/静片工作面的间隙。通过调节片的设置，使得本发明的混合器适应不同粘度流体的需要；同时起到密封圈的作用，阻断流体对静片间或动片间的渗透。

本发明中，所使用的“引流流道”、“过渡流道”、“进料流道”、“出料流道”等部件名称主要是为了清楚说明本发明，其名称本身对本发明的保护范围没有限定性作用。

本发明中，根据需要可设置调节环，调节环可以表面没有沟槽的双锥面，也可以是表面镶有菱形排布钉梢或简单开有沟槽的圆筒；动片调节环的钉梢镶在圆筒外壁，静片调节环的钉梢镶在圆筒内壁，两者钉梢不重叠。调节环也是两个一组，分别为动片和静片配套，其厚度和动/静片相同。其作用是填补因减少动静片组合留下的空缺或与动/静片组合配合使用，形成间歇混炼改善流体的混合。

本发明中，动片和静片上的流道是单端开口的凹槽，相邻的流道开口方向相反。动片和静片的流道尺寸可以相同也可以不同，为减小运行时的流体压力波动振幅在转动中处于重合状态的前端封闭的流道对数最多只占总对数的20％。

本发明双锥面动态混合器是单臂悬挂在混合室内的可旋转装置，既可以是连接在挤出螺杆头部的附件，替代螺杆的钉梢混炼头；也可以是作为独立的混合设备串联在流体管道中，以提高功能粉体和染料粒子在高粘度熔体中的分散效果。

本发明中，由于各个流道是单向封闭，当静片和动片上流道的开口方向相同的瞬间，流体在前进运动中受阻，产生反作用力冲击后续的流体，从而使流体加速混合；同时流体在动片和静片的流道中不断的翻转、分流，进行多次的体积变化，有利于流体的湍流流动，达到高效混合聚合物材料目的，以此提高生产效率及产品质量。

本发明的动态混合器可以通过调节转速和动静片组合对数，对流体的分散、混合有了几个数量级的提高，有效地保证了敏感色的差异；而且由于棱背间窄缝的高强剪切作用，能够对团聚的功能粉体进行二次分散。

本发明的流道可以是斜的流道，可以是直道或曲线形弯道。动片正面流道顺转动的方向由内向外上升，反面流道顺转动方向由外向内下降。对应的静片流道与动片的流道方向相反。当动片旋转时，对流体有一个向前的推进力，以补偿流体通过本混合器的阻力损失。此形式对流体的剪切作用不大，但分流效率高，适合于纯粹的颗粒分散。

本发明的流道沿锥面分布，与现有技术相比，有五个明显的优势：

1、有利于延伸流道的长度，在有限距离上分布更多的动静片组合；

2、由于是曲折形分布，使流体直线运动受阻，不断受到反作用力的冲击，从而使团聚的功能粉体被分散。

3、在每一个折弯处的空间突然变大，流体的流速发生变化，从而改变流体的平稳流动，产生较强的湍流，改善流体的混合。

4、由于在锥面上分布流道，两面都参与流体的分配组合，分流效率高。

5、双锥面布置有利于流体运行顺畅，不留流动死角，降低流动阻力。

6、增加了调节环，灵活安排混炼元件，形成间歇混炼。

7、通过设置弯曲沟槽和斜线沟槽补偿流体运动带来的阻力损失。

附图说明

图1为本发明的双锥面动态混合器结构示意图；

图2为本发明的双锥面动态混合器的静片的结构示意图；

图3为本发明的双锥面动态混合器的动片的结构示意图；

图4为本发明的双锥面动态混合器的静片调节片的结构示意图；

图5为本发明的双锥面动态混合器的动片调节片的结构示意图。

上述附图中：

1、混合室；2、动片；3、静片方梢；4、静片；5、静片调节片；6、动片调节片；7、转轴；8、动片方梢；9、动片挡片；10、动片紧固螺钉；11、端盖；12、端盖坚固螺钉；13、管路接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-3所示：一种双锥面动态混合器，包括带有进料口和出料口的混合室1，混合室1内设有转轴7，与转轴7同轴设有转动配合的静片4和动片2；两个相邻静片4之间设有静片调节片5，两个相邻动片2之间设有动片调节片6。该混合器中转轴7由一台减速电机传动，转轴7转速控制在5～150rpm。

混合室1两端均设有法兰面结构，用于与两侧端盖11安装固定。混合室1两侧的端盖11上根据需要设置进料口和出料口，一端进料，一端出料，端盖11上一般设有管路接头13，用于与外部管路的连接。

动片2为两面向外凸起形成两个对称锥台结构的双锥体，即相当于两个同轴大小相同的锥台的大径端对接固定，小径端背对设置，两个锥台结构上流道结构完全对称。以朝向出料口一侧的锥台为例，该侧锥台与静片的锥槽配合，该锥台的台面上分别设有与进料口连通的引流流道21和过渡流道22。引流流道21和过渡流道22为开设在锥面上的凹槽，长度方向沿锥台母线方向设置。引流流道21和过渡流道22开口方向相反，引流流道21的开口延伸至锥台底缘，同时与另一侧锥台的引流流道21的开口在锥台底缘处对接。过渡流道22的开口开设于锥台的小径段周缘，朝向出料口方向，且过渡流道22与引流流道21沿锥台周向交错设置。

动片2套设在转轴7上，动片2内壁设有键槽，利用动片方梢8实现动片2与转轴7周向固定，此时转轴7上设有对应的键槽。过渡流道22与引流流道21长度占锥面斜长的2/3～4/5，保证动片旋转过程中流体从动片翻转到静片有一个体积的变化，保证物料分流。引流流道21和过渡流道22的宽度从锥面的外围(靠近锥底)向中心收窄，引流流道21和过渡流道22的深度从锥面外围向中心(靠近锥顶)加深，使引流流道21和过渡流道22的横截面(流通面积)近似不变；相邻引流流道21和过渡流道22之间的脊部宽度相等，根据需要一般在1mm～3mm。两个相邻动片2之间的距离可通过动片调节片6调整。动片调节片6外缘设有与引流流道21开口对应的避让口。动片调节片6两侧壁与相邻两动片2为平面密封。靠近进出料口的两个动片2两端设有动片挡片9，通过动片紧固螺钉10实现两端动片2的固定。端盖11通过端盖坚固螺钉12与混合室1固定。

如图2和图3中，静片4为环状柱形结构，两面均呈锥状向中间凹陷，形成对称的锥槽，两个锥槽分别与两侧的动片2的锥台配合，即两个相同锥槽小径端对接固定，大径端相互背离。静片4外壁设有键槽，通过静片方梢3实现静片4与混合室1内壁周向的固定，此时混合室1内壁面上设有对应的键槽。以朝向进料口一侧的锥槽为例，静片4的锥槽上设有进料流道41和出料流道42，进料流道41和出料流道42均沿锥槽母线方向延伸，进料流道41开口位于静片4两端面处，出料流道42开口相反，并与另一侧锥槽上的出料流道的开口对接。在同一锥槽内，进料流道41和出料流道42沿静片周向间隔布置。两个相邻静片4之间的距离通过静片调节片5调整；静片调节片5内缘设有与进料流道41开口部分对应的避让口，静片调节片5两侧与相邻两个进料流道41端面为平面密封。进料流道41和出料流道42的宽度从锥槽的大径端向中心收窄，进料流道41和出料流道42的深度从锥槽的大径端向中心加深，使进料流道41和出料流道42的横截面(流通面积)近似不变；相邻进料流道41和出料流道42之间的脊部宽度相等，根据需要一般在1mm～3mm，当动静片上的棱背正对时，其相互间的微小间隙对流体有一个圆周方向的强烈剪切作用。

相邻两个静片调节片5和动片调节片6为一组，厚度相同，均为0.1mm～2.5mm其材质为紫铜(加工后镀镍处理)或不锈钢板材，用线切割或冲压而成；通过更换不同规格的调节片来增加动/静片的间隙。动片和静片之间存在着0.1mm～2mm的间隙。实现对聚合物流体在圆周方向上进行强烈的剪切，打散流体中团聚的高浓度的功能粉体物料。

动片2和静片4之间配合的锥面为工作面，动片2相对静片4转动时，引流流道21交替的与进料流道41和出料流道42导通。当与引流流道21导通时，引流流道21与进料流道41对正，形成封闭的进料通道，同时出料流道42与过渡流道22对正，形成封闭的出料流道。引流流道21与出料流道42导通时，两者部分对正，使得引流流道21中部分物料进入到出料流道内，此时过渡流道22与进料流道41导通，且部分对正，实现部分物料的传输。

如图4和图5中，本实施例中，动片2、静片4分别为独立的元件，端面研磨达到平面密封的精度；以一个动片和一个静片为一个组合依次放置，组合的数量可以根据需要配置。用动片方梢8将动片连接在转轴7上，同时对动片2起到定位的作用。静片4通过静片方梢3固定和定位在混合室内壁上。混合室内动片2、静片4可设置一组或者多组。由于流道对称设置，所以安装时不需要区分动静片的方向，安装方便。

本发明中动静片上流道形状和尺寸根据流量的大小而设计改变，流体流量增加时流道的横截面(即流通面积)相应变大，在运行过程中，流体所受的压力降相应减小。确保流体通过本装置时的压力降控制在2～3MPa的范围内。本发明的流量范围在280～2800cc/min。

本发明中，流体在遇到第一个动片时，沿着锥面挤向外围，通过顶端的开口分流、翻入该动片的反面，进入引流流道内。在旋转过程中，动片上同一个引流流道出来的流体不断被分割，进入到静片不同的进料流道、出料流道中，形成新的流体束。在后续流体的推动下，流体束进入下一个动片时再次被动片的引流流道和过渡流道分割重组，形成新的流体束。流体在经过混合器时不断的被分流，分割，重组如此往复，功能性组份被迅速分散到基体材料中，同时流体中局部高浓度功能粉体受到动片圆周方向上较高线速运动，在锥面棱背的窄缝处受到高强度剪切作用而分散。

流体在进入各流道的时候，除了后续流体的推动有一个向前的运动外，还会受到动片的带动，在流道内有一个横向流动；同时脊部的窄缝对流体的高强剪切作用分散局部团聚的高浓度功能粉体物料。

由于各流道为单边开口，当静片和动片的开口方向相同的瞬间，流体在前进运动中受阻，流体改变运动方向，产生反作用力冲击后续的流体，使得物料翻转到配对的流道中形成一个纵向的回流。从而使流体加速混合；同时流体在动片和静片的流道中不断的翻转、分流，进行多次的体积变化，有利于流体的湍流流动，达到高效混合聚合物材料目的，以此提高生产效率及产品质量。

本发明对流体的分流数和混合度可以用下式表达：

以动片上的某一个流道上的流体为分析对象，动片旋转一周，流体被静片上的流道分割，形成新的Z_j份混合流体束；动片上Z_d个流道就产生(Z_j·Z_d)个流体混合组合。在后续流体的推动下，混合的流体束进入下一个动片/静片组时再次被相同分割重组，不断形成新的流体束。分流数可以用数学统计来表达：

S_f＝(Z_d×Z_j)^2P

S_f：分流数

Z_d：动片的流道数量；

Z_j：静片的流道数量；

P：动片/静片的组合对数(以静片数量为准)，动片比静片多一片；动片在进料和出料两面没有参与分配组合，所以一个组合对数有两次分配组合。

流体的混合、分流同时也受到转速和流量的影响。因此我们引入分流混合度M：

$M=S_f\×{(n\×\frac{V_j+V_d}{Q})}^{2P}={(Z_j\×Z_d\×n\×\frac{V_j+V_d}{Q})}^{2P}$

n:动片的转速(r/min)；

Q:流体的流量(cc/min)；

V_j:静片上单面流道的总容积(cm³)；

V_d:动片上单面流道的总容积(cm³)。

由此可见，动片/静片的组合对数对分流的效果呈指数级增长，这是静态混合器所不能比拟的。

Claims (10)

1.一种双锥面动态混合器，包括带有进料口和出料口的混合室，其特征在于：

所述混合室内设有同轴且转动配合的静片和动片，该静片和动片之间设有相互对接的工作面；

所述静片的工作面上设有进料流道以及与所述出料口连通的出料流道；所述动片的工作面上设有与所述进料口连通的引流流道；在静片和动片相对转动过程中，所述引流流道交替的与所述进料流道和出料流道导通。

2.根据权利要求1所述的双锥面动态混合器，其特征在于，所述动片的工作面上设有与引流流道独立设置的过渡流道，在静片和动片相对转动过程中，该过渡流道交替的与所述进料流道和出料流道导通。

3.根据权利要求2所述的双锥面动态混合器，其特征在于，还包括：

设于所述混合室内且同轴设置的转轴；

驱动所述转轴转动的驱动机构；

所述静片与混合室相对固定，所述动片与转轴相对固定，静片和动片之间为间隙配合。

4.根据权利要求3所述的双锥面动态混合器，其特征在于，所述工作面为锥面结构，所述引流流道、过渡流道在动片周向间隔布置，且开口朝向相反；所述进料流道、出料流道在静片周向间隔布置，且开口朝向相反。

5.根据权利要求4所述的双锥面动态混合器，其特征在于，所述动片为具有对称锥台结构的双锥体；所述静片至少为两个，两个相邻静片对接的一端分别设有与双锥体的两个锥面配合的锥槽；所述动片一侧锥面的引流流道与动片另一侧锥面的引流流道的开口处对接连通；所述静片一端的锥形槽的出料流道与静片另一端的锥形槽的出料流道的开口处对接连通。

6.根据权利要求5所述的双锥面动态混合器，其特征在于，在母线方向上：所述引流流道或过渡流道的长度为锥面长度的2/3～4/5；所述进料流道或出料流道的长度为锥槽槽壁长度的2/3～4/5。

7.根据权利要求5所述的双锥面动态混合器，其特征在于，所述引流流道、过渡流道、进料流道或出料流道的流通面积基本不变。

8.根据权利要求5所述的双锥面动态混合器，其特征在于，在同一锥面上，相邻引流流道和过渡流道之间或者相邻进料流道和出料流道之间形成脊部，该脊部沿锥面周向的宽度为1mm～3mm。

9.根据权利要求5所述的双锥面动态混合器，其特征在于，相邻两个静片之间为平面密封，相邻两个动片之间为平面密封，相邻静片和动片的工作面之间的间隙为0.1mm～2mm。

10.根据权利要求9所述的双锥面动态混合器，其特征在于，相邻两个静片之间设有用于调节两个静片之间距离的静片调节片；相邻两个动片之间设有用于调节两个动片之间距离的动片调节片。