CN105664777B - 一种流体混合方法及高速离心流体混合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种流体混合方法及流体混合装置，具体涉及一种利用脉冲压力和高速离心力来混合多组分流体的方法及装置。本发明提出了一种高速离心流体混合装置，由带有径向流道(12)和环形流道(13)的离心剪切混合圆盘(11)，机筒(10)，螺杆(9)，机头(8)和端盖(7)组成。传动系统由变频电机(3)、同步带(5)、同步带带轮(2)组成。其他的流道系统由导入A组分的旋转接头(1)、连接B组分管路的大孔(6)、环形流道(13)、B组分进入径向流道(12)的小孔(14)组成。本发明可提高流体混合的质量和效率，尤其适合于微米、纳米尺度材料的混合，提高了微纳尺度材料在连续相中的分散质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种流体混合方法及流体混合装置，具体涉及一种利用脉冲压力和高速离心力来混合多组分流体的方法及装置。
背景技术
目前,传统的流体混合装置有叶片式搅拌、螺杆混合等。这些传统混合方式虽然能完成多组分物料的充分混合，但具有耗时长、能耗高、混合质量差的缺点。随着人们对物料混合质量要求的提高，尤其是微米、纳米尺度材料的出现，使得微纳尺度的填料如何更均匀地分散到连续相中成为一个难题。因此，传统混合方式已经不能满足时代的技术发展要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种流体混合方法的思路和对应的高速离心流体混合装置。它在传统螺杆式混合的基础上，增加了高速离心剪切式混合圆盘，利用带有脉冲压力的分散相流体去切断连续相的流体，构成交替分布的小液滴，这样可提高流体混合的质量和效率，尤其适合于微米、纳米尺度材料的混合，提高了微纳尺度材料在连续相中的分散质量。
如图1和图2所示，本发明涉及的高速离心流体混合装置由带有径向流道(12)和环形流道(13)的离心剪切混合圆盘(11)，机筒(10)，螺杆(9)，机头(8)和端盖(7)组成。传动系统由变频电机(3)、同步带(5)、同步带带轮(2)组成。其他的流道系统由导入A组分的旋转接头(1)、连接B组分管路的大孔(6)、环形流道(13)、B组分进入径向流道(12)的小孔(14)组成。若B组分为微纳米尺度的材料，则可将小孔(14)加工为多个微米级别的微孔。
本发明中的旋转接头(1)外接管路并通过中孔(4)导入A组分。同步带带轮(2)与旋转接头同轴，其上安装同步带(5)，并与变频电机(3)连接，提供给装置扭矩，实现离心剪切混合圆盘的高速旋转，且可以无级调速。盖板(7)放置于机筒上，开设连接B组分管道的两个大孔(6)，管道外接流体脉冲射流泵，通过脉冲压力使B组分进入开设在离心剪切混合圆盘上的环形流道(13)，然后分别通过环形流道上的12个小孔(14)进入径向流道(12)，具有较高脉冲压力的B组分会将径向流道中的A组分切断，形成A和B两种组分交替分布的小液滴，然后在离心力的作用下沿着径向流道(12)流出，从而完成第一次初步混合。离心剪切混合圆盘(11)的圆柱面与机筒(10)直径较大处的内壁之间存在环形的狭小间隙，同时离心剪切混合圆盘(11)底部与机筒(10)的锥面部分存在锥形间隙。A和B交替分布的小液滴进入由离心剪切混合圆盘(11)与机筒(10)组成的狭小环形间隙，由于圆盘的高速旋转，导致狭小间隙具有很大的剪切力，实现两种组分的第二次混合。经过第二次混合的流体，在压力和重力的作用下流入由离心剪切混合圆盘底部锥面与机筒组成的锥形间隙，然后在高速旋转螺杆(9)的作用下进入由螺杆中的螺槽和机筒组成的螺旋形间隙，依靠螺槽内的旋转混合和螺杆与机筒间隙之间的剪切作用，完成第三次混合。最后，经过三次混合好的分散均匀的物料在螺杆推力的作用下，被挤入机头(8)中的流道，可以实现后续的注射成型工艺。
本发明中，A组分为液体状的连续相，也是比重较大的组分；B组分可以为经过预处理的微纳尺度材料的溶液或熔体，构成分散相，是比重较小的组分。A、B组分各自的组成可以是单一物质也可以是混合物。
本发明在传统螺杆混合物料的基础上，因为增加了带有径向流道、一个环形流道以及多孔纵向进料结构的高速离心剪切混合圆盘，利用具有脉冲高压的B组分切断径向流道中的A组分，使得A和B组分交替分布形成小液滴，实现初步混合，这也是实现微纳尺度材料混合的关键所在。在实际运用中，还可以通过改变环形流道上小孔的内径大小和进料速度，达到控制B组分小液滴尺寸大小的目的，从而提高微纳尺度材料的混合效率和分散质量。初次混合后接着流体在圆盘离心力的作用下抛离径向流道，并进一步在离心剪切混合圆盘与机筒之间实现二次混合，更有利于高分子材料的剪切塑化。因此，通过上述两种混合方式的相互补充，尤其是第一种靠脉冲压力切断形成小液滴的混合方式非常有利于微纳尺度材料的混合，更能有效促进尺度差别较大材料的混合质量的提高。经过三次不同作用力下的混合，多组分流体完成高效和高质量的混合，并满足微纳尺度材料混合的要求。本发明的装置适用范围较广，高分子溶液、高分子熔体和生物流体以及其他低粘度的液体都可使用。
附图说明
图1为本发明流体混合装置的B-B剖面图；
图2为本发明流体混合装置的A-A剖视图；
标注说明：1-旋转接头，2-同步带带轮，3-电机，4-中孔，5-同步带，6-大孔，7-端盖，8-机头，9-螺杆，10-机筒，11-离心剪切混合圆盘，12-径向流道，13-环形流道，14-小孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明中高速离心流体混合装置的具体实施方式进行说明。
(1)A组分的传输管路外接到旋转接头1上，并通过中孔4导入，随后流入如图2所示的12条径向流道12。
(2)同步带带轮2与旋转接头同轴，其上安装同步带5，并与变频电机3连接，提供给装置扭矩，启动电机后实现离心剪切混合圆盘的高速旋转。
(3)开启流体脉冲射流泵，利用脉冲压力使B组分通过盖板7上开设的两个大孔6，进入开设在离心剪切混合圆盘上的环形流道13，然后通过小孔14进入径向流道与A组分相遇，具有较高脉冲压力的B组分会将径向流道中的A组分切断，形成A和B两种组分交替分布的小液滴，然后在离心力的作用下沿着径向流道流出，从而完成第一次初步混合。
(4)A和B交替分布的小液滴进入由离心剪切混合圆盘11与机筒10组成的狭小环形间隙，由于圆盘的高速旋转，导致狭小间隙具有很大的剪切力，实现两种组分的第二次混合。
(5)经过第二次混合的流体，在压力和重力的作用下流入由离心剪切混合圆盘底部锥面与机筒10组成的环形贮料室，然后在高速旋转螺杆9的作用下进入由螺杆中的螺槽和机筒组成的螺旋形间隙，依靠螺槽内的旋转混合和螺杆与机筒间隙之间的剪切作用，完成第三次混合。
(6)最后，经过三次混合好的分散均匀的物料在螺杆推力的作用下，被挤入机头8中的流道，可以实现后续的注射成型工艺。
Claims (7)
1.一种高速离心流体混合装置，其特征在于：包括机筒(10)、设置在机筒(10)上部的离心剪切混合圆盘(11)及带动离心剪切混合圆盘(11)高速旋转的动力装置，离心剪切混合圆盘(11)中心处的上方设置导入第一组分的中孔(4)，离心剪切混合圆盘(11)上设置径向流道(12)和环形流道(13)，环形流道(13)上方设置导入第二组分的大孔(6)，环形流道(13)与径向流道(12)的交汇点上开设有小孔(14)；离心剪切混合圆盘(11)的圆柱面与机筒(10)直径较大处的内壁之间存在环形的狭小间隙，同时离心剪切混合圆盘(11)底部与机筒(10)的锥面部分存在锥形间隙。
2.如权利要求1所述的高速离心流体混合装置，其特征在于：还包括设置在机筒下部、连接在离心剪切混合圆盘(11)底部的螺杆(9)。
3.如权利要求2所述的高速离心流体混合装置，其特征在于：还包括设置在机筒的最下方的机头(8)，混合完成的流体物料在螺杆推力的作用下被挤入机头(8)中流道，进入下一步工艺流程。
4.如权利要求3所述的高速离心流体混合装置，其特征在于：螺杆(9)与机头(8)、机筒(10)之间存在螺旋形间隙。
5.如权利要求1所述的高速离心流体混合装置，其特征在于：还包括位于离心剪切混合圆盘(11)正上方的旋转接头(1)，中孔(4)设置在旋转接头(1)上，旋转接头(1)外接输送第一组分的管路，并通过中孔(4)连通离心剪切混合圆盘(11)的径向流道(12)。
6.如权利要求5所述的高速离心流体混合装置，其特征在于：动力装置由同步带带轮(2)、变频电机(3)和同步带(5)组成，同步带带轮(2)与旋转接头(1)同轴，同步带带轮(2)上安装同步带(5)，并与变频电机(3)连接。
7.如权利要求1所述的高速离心流体混合装置，其特征在于：还包括位于离心剪切混合圆盘(11)上方的端盖(7)，大孔(6)设置在端盖(7)上，同时外接输送第二组分的流体脉冲射流泵，通过脉冲压力使第二组分经过小孔(14)进入离心剪切混合圆盘的环形流道(13)。
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