CN202398318U - 双螺旋轴式自清洁搅拌装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及物料搅拌混合领域，具体来说是一种能同时适用于不同粘稠度物料，尤其是适用于粘度变化范围较大的物料的双螺旋轴式自清洁搅拌装置，包括电机、料缸以及安装在料缸内的螺旋轴搅拌器，螺旋轴搅拌器的数量为两个，每个螺旋轴式搅拌器包括中心轴、斜支撑轴、螺旋轴和底斜桨，中心轴下端通过斜支撑轴连接螺旋轴上端，螺旋轴下端与底斜桨连接，螺旋轴的横截面形状为水平线与垂直线及斜弧线组成的三角形或梯形，螺旋轴的水平宽度w为螺旋外沿半径R的四分之一至二分之一，两中心轴间距d为螺旋外沿半径R的二分之一至五分之四。本实用新型的优点在于可以实现对各种粘度物料体系的搅拌，尤其是适合于的短时间内粘度变化范围巨大的物料体系。

Description

双螺旋轴式自清洁搅拌装置

技术领域

本实用新型涉及物料搅拌混合领域，具体来说是一种能同时适用于不同粘稠度物料，尤其是适用于粘度变化范围较大的物料的双螺旋轴式自清洁搅拌装置。

背景技术

搅拌器是使液体、气体介质强迫对流并均匀混合的器件。搅拌器的类型、尺寸及转速，对搅拌功率在总体流动和湍流脉动之间的分配都有影响。搅拌器广泛应用于化工、石油、制药、轻工及仪器加工等领域。不同形态的物料在搅拌器作用下相互分散、均匀混合，实现传质、传热的强化，使化学反应过程得到有效控制。

而流体粘度是指流体对流动的阻抗能力，其定义为：液体以1cm/s的速度流动时，在每1cm²平面上所需剪应力的大小，称为动力粘度，以Pa.s为单位。 粘度是流体的一种属性。流体在管路中流动时，有层流、过渡流、湍流三种状态，搅拌设备中同样也存在这三种流动状态，而决定这些状态的主要参数之一就是流体的粘度。在搅拌过程中，一般认为粘度小于5Pa.s的为低粘度流体，例如：水、蓖麻油、饴糖、果酱、蜂蜜、润滑油重油、低粘乳液等；5-50Pa.s的为中粘度流体，例如：油墨、牙膏等；50-500Pa.s的为高粘度流体，例如口香糖、增塑溶胶、固体燃料等；大于500Pa.s的为特高粘流体例如：橡胶混合物、塑料熔体、有机硅生胶等。  

对于高粘度物料的搅拌，特别是在本体聚合过程中粘度变化范围巨大的物料，其搅拌器设计至关重要。当聚合反应进行到后期时，物料流动性严重下降，传热传质都出现困难。普通的搅拌器会产生爬杆现象，普通的单轴双螺带搅拌器也会出现物料完全脱离容器壁而附在搅拌器上，随同搅拌器一起旋转，完全产生不了混合效果。

现有专利也有对于搅拌器的多钟改进，如专利申请号为201020614615.0，申请日为2010年11月19日，名称为“一种双螺旋混凝土搅拌机”的实用新型专利，包括搅拌机本体以及连接于搅拌机本体的搅拌装置，搅拌机本体上设有两个转轴轴端，所述搅拌装置包括内、外螺旋进给单元，内、外螺旋返回单元以及分别套接于转轴轴端的进给转动部和返回转动部，所述搅拌装置还包括一连接块，所述内、外螺旋进给单元的一端与进给转动部连接；所述内、外螺旋返回单元的一端与返回转动部连接，所述内、外螺旋进给单元和内、外螺旋返回单元的另一端均可拆卸地安装于连接块上。上述专利文件的搅拌机主要是针对混凝土的搅拌，虽然通过连接块把外螺旋返回单元、外螺旋进给单元、内螺旋进给单元以及内螺旋返回单元连接起来，能够使搅拌装置内各部件的相互作用力互相抵消，减少了搅拌装置的受力变形，但是如果把上述装置用作于粘度较高的物料搅拌时，由于物料会附着在螺旋搅拌装置上，造成物料不能充分搅拌，所以极大的影响了物料最后的搅拌效果。

再如专利申请号为201020614273.2，申请日为2010年11月18日，名称为“一种双螺旋搅拌器和具有该搅拌器的单锥干燥器”的实用新型专利，其技术方案为公开了一种双螺旋搅拌器和具有该搅拌器的单锥干燥器，该双螺旋搅拌器包括搅拌主轴、搅拌片和支撑构件，其中，搅拌片通过支撑构件固定在搅拌主轴上；搅拌片呈螺旋状且数量为两个，两个搅拌片环绕搅拌主轴从搅拌主轴的上部螺旋延伸至搅拌主轴的下部，并且两个搅拌片的螺旋半径从上至下逐渐缩小。但是上述专利主要的改进目的是针对物料的干燥，虽然将搅拌器的结构改进为双螺旋结构，但是这个双螺旋结构是固定在一根转动轴的两端，每根螺旋为倾斜设置，但是对于两螺旋的位置关系没有进一步的介绍，所以两螺旋结构只能简单的实现搅拌或者加速干燥的功能，并不能解决分子量大、粘度高物料存在的附着在搅拌装置上的问题，由于上述原因，所以也不能用作本体聚合反应的反应器。

又例如专利申请号为200710134494.2，申请日为2007年10月30日，名称为“一种低羟值高温硫化硅橡胶生胶的制备方法”的实用新型专利，其技术方案为：采用在制备前将所有原料先进行脱水，再聚合反应；在催化剂分解失去活性后再加入能与SiOH基团反应的物质反应的方法，以及还公开了一种双对螺带刮壁式搅拌器。这里的双螺带搅拌器虽然能够解决物料在分子量还不够大、还有一定流动性时的搅拌，但是在硅生胶合成的最后阶段，需要升温破媒并且真空脱低，物料平均分子量高达50万甚至更高，基本上没有流动性，物料会完全附在双螺带搅拌器及搅拌轴上，脱离与釜壁的接触，几乎完全失去了表面更新和直接传热，造成脱低不尽、分子量分布不匀的不良后果。

发明内容

为了克服现有的搅拌装置对于分子量高以及粘度高的物料，以及在搅拌混合中粘度会产生较大突变的物料存在的物料会附着在搅拌器的搅拌结构上，影响搅拌效果，导致物料失去了表面更新和直接传热，造成脱低不尽、分子量分布不匀的不良后果问题，现在特别提出一种能同时适用于低粘度物料、高粘度物料以及在短时间内粘度变化范围巨大的物料体系的、并且能够实现自清洁功能的、可以用作本体聚合反应的反应器的双螺旋轴式自清洁搅拌装置。 

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种双螺旋轴式自清洁搅拌装置，包括电机、料缸以及安装在料缸内的螺旋轴搅拌器，其特征在于：所述螺旋轴搅拌器的数量为两个，每个螺旋轴式搅拌器包括中心轴、斜支撑轴、螺旋轴和底斜桨，中心轴下端通过斜支撑轴连接螺旋轴上端，螺旋轴下端与底斜桨连接，螺旋轴的横截面形状为水平线与垂直线及斜弧线组成的三角形或梯形，螺旋轴的水平宽度w为螺旋外沿半径R的四分之一至二分之一，两中心轴间距d为螺旋外沿半径R的二分之一至五分之四。

螺旋轴为反时针向下倾斜的螺旋结构，螺旋段无中心轴。

所述螺旋轴垂直方向的厚度t与螺旋外沿半径R、中心轴间距d、螺旋轴对水平面的斜角α的计算关系为                                               

，其中Δ为螺旋外沿交汇处上螺旋轴的下沿与下螺旋轴的上表面的设计间隙，为1~5mm，螺旋轴与水平面的斜角α为15~30度。

所述两螺旋轴搅拌器平行安装，同步同向转动，螺旋轴的转动空间相互交叠。

所述各螺旋轴搅拌器的中心轴穿过料缸上盖并采取机械密封或填料密封，通过上轴承和下轴承固定，顶端与同步齿轮箱连接实现同步同向转动，电机具体为变频电机驱动同步齿轮箱。

所述料缸的横截面为扁圆形、底部为锥型，料缸底设计有出料口、测温口和下开式平接釜底阀。

所述料缸外表设计夹套，夹套外表设置支耳，料缸内长径为2R+d加大2~10mm，内短径为2R加大2~10mm。

本实用新型的原理为：

料缸内加入一定粘度物料搅拌时，启动电机带动同步齿轮箱转动，同步齿轮箱带动两中心轴、斜支撑桨、螺旋轴及底斜桨作同向同步转动。螺旋轴的斜面带动物料作横切向和纵向向下运动，同时迫使物料从轴间空隙上翻，起到混合及表面更新作用。由于螺旋轴相互交叠时的错位剪切运动，相互剔除了搅拌轴上附着的粘稠物料，起到自清洁作用。底斜桨起到搅拌料缸锥底物料的作用，斜面向上推物料，并且在料缸长径方向相互交叠时相互剪切，实现自清洁。由于搅拌器的自清洁功能及贴合料缸壁，整个料缸无死角，达到解决粘稠物料均匀混合的目的。

本实用新型的优点在于：

1、可以实现对各种粘度物料体系的搅拌，尤其是适合于的短时间内粘度变化范围巨大的物料体系。

2、本实用新型的双螺旋轴结构设计，中心轴间距d与螺旋外沿半径之间的关系、螺旋轴厚度t与中心轴间距d、螺旋轴的螺旋外沿半径R及倾斜角度α之间的关系，决定两螺旋轴交叠时上螺旋轴的下沿与下螺旋轴的上表面之间的间隙Δ，使搅拌轴之间交汇剪切，并使粘附在搅拌轴上的粘稠物料被及时剔除，实现自清洁。

3、螺旋轴的尺寸（螺旋半径、螺旋轴厚度和斜角）及其与料缸结构和尺寸的严密配合，使整个料缸内无死角，特别适合于高粘稠物料的混合、有机硅生胶合成过程的后期分子量增长及脱低、脱挥。

4、料缸设计为锥形底是为了便于向下卸料，底斜桨为配合锥形底而设计，结构形状如图6，其横截面为下平上斜的三角形，是为了转动时产生向上推料的推力。贴合缸底部位留一缺口，避开测温点探头。

附图说明

图1是本实用新型整体结构示意图。

图2是双螺旋轴俯视与正视对照示意图。

图3为螺旋轴两种横截面形状放大视图。

图4是料缸结构及其配置的下开式平接釜底阀俯视图及正视图。

图5是料缸结构及其配置的下开式平接釜底阀俯视图及侧视图。

图6是底斜桨四面结构示意图。

其中附图标记：中心轴1，斜支撑轴2，螺旋轴3，底斜桨4，料缸5，机械密封或填料密封6，上轴承7，下轴承8，固定支撑座9，同步齿轮箱10，变频电机11，出料口12，釜底测温口13，下开式平接釜底阀14，螺旋轴交汇处15。

具体实施方式

实施例1

双螺旋轴式自清洁搅拌装置包括电机、料缸以及安装在料缸内的螺旋轴搅拌器，螺旋轴搅拌器数量为两个，每个螺旋轴式搅拌器包括中心轴、斜支撑轴、螺旋轴、底斜桨，中心轴下端通过斜支撑轴连接螺旋轴上端，螺旋轴下端与底斜桨连接，螺旋轴的横截面形状为水平线与垂直线及斜弧线组成的三角形或梯形（如图2所示），横截面就是如果把螺旋轴垂直截断所看见的截面。这里的三角形即单指它有三个角，其中横（上平）竖（螺旋外侧）两条线是直线，斜线可以是圆弧线也可以是直线。如果为梯形，则在螺旋轴的内侧就还有一段垂直线，构成了四个角。即左右垂直线，上水平线，下斜线或斜弧线，螺旋轴的水平宽度w为螺旋外沿半径R的四分之一，两中心轴间距d为螺旋外沿半径R的五分之四。螺旋轴垂直方向的厚度t取决于螺旋外沿半径R、中心轴间距d、螺旋轴对水平面的斜角α，其计算关系为

，其中Δ为螺旋外沿交汇处上螺旋轴的下沿与下螺旋轴的上表面的设计间隙为1mm，上螺旋轴与下螺旋轴是指当两个螺旋轴转动至交汇处，必有一个（左或右）螺旋轴在上，另一个螺旋轴在下。但实际上螺旋轴转动到任何一个角度都总有一段处于交汇位置，螺旋轴与水平面的斜角α为30度。两螺旋轴搅拌器平行安装，同步同向转动，螺旋轴的转动空间相互交叠。各螺旋轴搅拌器的中心轴穿过料缸上盖并采取机械密封，通过上轴承和下轴承固定，顶端与同步齿轮箱连接实现同步同向转动，电机具体为变频电机驱动同步齿轮箱。螺旋轴为反时针向下倾斜的螺旋结构，螺旋段无中心轴。

料缸的横截面为扁圆形、底部为锥型，料缸底设计有出料口和下开式平接釜底阀。料缸外表设计夹套，夹套外表设置支耳，料缸内长径为2R+d再加大4mm，内短径为2R再加大4mm。

如图1~6所示，具体设计时，根据所需设备容积大小确定料缸高度和搅拌器螺旋半径R及两搅拌器之间的螺旋中心距d，再由料缸高度决定螺旋轴对水平面的倾斜角α，料缸高度决定了螺旋高度，即料缸高度略大于斜支撑轴的垂直高度加螺旋的垂直高度加底斜桨的垂直高度之和。如果设计为单层螺旋，螺旋总高度为h，螺旋外沿半径为R，则倾斜角α＝arc tg(h/2πR)。n层螺旋的话，则α＝arc tg(h/2nπR)），。

具体工作时，依靠同步齿轮箱输出的动力实现同向同步转动。转动时两螺旋外沿相交的两处位置是搅拌器间最小间隙位置，因螺旋轴间运动方向的差异产生剪切，相互剔除螺旋轴上的物料，实现自清洁。螺旋轴的螺旋倾斜和下斜弧面，给物料向下向内的推力，迫使其翻动，实现强制混合及表面更新。底斜桨刮擦锥底物料，其斜面朝上，把锥底的物料向上挤压，消除了锥底死角。两底斜桨在料缸长径方向上出现交汇，实现相互剪切运动的自清洁功能。

料缸盖上设计有进出口，用以添加物料和抽真空脱除低沸份。料缸的锥底设计便于放出物料。

实施例2

双螺旋轴式自清洁搅拌装置包括电机、料缸以及安装在料缸内的螺旋轴搅拌器，螺旋轴搅拌器数量为两个，每个螺旋轴式搅拌器包括中心轴、斜支撑轴、螺旋轴、底斜桨，中心轴下端通过斜支撑轴连接螺旋轴上端，螺旋轴下端与底斜桨连接，螺旋轴的横截面形状为水平线与垂直线及斜弧线组成的三角形，螺旋轴的水平宽度w为螺旋外沿半径R的二分之一，两中心轴间距d为螺旋外沿半径R的二分之一。螺旋轴垂直方向的厚度t取决于螺旋外沿半径R、中心轴间距d、螺旋轴对水平面的斜角α，其计算关系为

，其中Δ为螺旋外沿交汇处上螺旋轴的下沿与下螺旋轴的上表面的设计间隙，为5mm，螺旋轴与水平面的斜角α为15度。两螺旋轴搅拌器平行安装，同步同向转动，螺旋轴的转动空间相互交叠。各螺旋轴搅拌器的中心轴穿过料缸上盖并采取填料密封，通过上轴承和下轴承固定，顶端与同步齿轮箱连接实现同步同向转动，电机具体为变频电机驱动同步齿轮箱。螺旋轴为反时针向下倾斜的螺旋结构，螺旋段无中心轴。

料缸的横截面为扁圆形、底部为锥型，料缸底设计有出料口和下开式平接釜底阀。料缸外表设计夹套，夹套外表设置支耳，料缸内长径为2R+d再加大10mm，内短径为2R再加大10mm。

实施例3

双螺旋轴式自清洁搅拌装置包括电机、料缸以及安装在料缸内的螺旋轴搅拌器，螺旋轴搅拌器数量为两个，每个螺旋轴式搅拌器包括中心轴、斜支撑轴、螺旋轴、底斜桨，中心轴下端通过斜支撑轴连接螺旋轴上端，螺旋轴下端与底斜桨连接，螺旋轴的横截面形状为水平线与垂直线及斜弧线组成的梯形（如图2所示），螺旋轴的水平宽度w为螺旋外沿半径R的三分之一，两中心轴间距d为螺旋外沿半径R的五分之三。螺旋轴垂直方向的厚度t取决于螺旋外沿半径R、中心轴间距d、螺旋轴对水平面的斜角α，其计算关系为

，其中Δ为螺旋外沿交汇处上螺旋轴的下沿与下螺旋轴的上表面的设计间隙，为3mm，螺旋轴与水平面的斜角α为22度。两螺旋轴搅拌器平行安装，各螺旋轴搅拌器的中心轴穿过料缸上盖并填料密封，通过上轴承和下轴承固定，顶端与同步齿轮箱连接实现同步同向转动，电机具体为变频电机驱动同步齿轮箱。螺旋轴为反时针向下倾斜的螺旋结构，螺旋段无中心轴。

料缸的横截面为扁圆形、底部为锥型，料缸底设计有出料口和下开式平接釜底阀。料缸外表设计夹套，夹套外表设置支耳，料缸内长径为2R+d再加大6mm，内短径为2R再加大6mm。

实施例4

双螺旋轴式自清洁搅拌装置包括电机、料缸以及安装在料缸内的螺旋轴搅拌器，螺旋轴搅拌器数量为两个，每个螺旋轴式搅拌器包括中心轴、斜支撑轴、螺旋轴、底斜桨，中心轴下端通过斜支撑轴连接螺旋轴上端，螺旋轴下端与底斜桨连接，螺旋轴的横截面形状为水平线与垂直线及斜弧线组成的梯形（如图2所示），螺旋轴的水平宽度w为螺旋外沿半径R的三分之一，两中心轴间距d为螺旋外沿半径R的五分之三。螺旋轴垂直方向的厚度t取决于螺旋外沿半径R、中心轴间距d、螺旋轴对水平面的斜角α，其计算关系为，其中Δ为螺旋外沿交汇处上螺旋轴的下沿与下螺旋轴的上表面的设计间隙，为3mm，螺旋轴与水平面的斜角α为22度。两螺旋轴搅拌器平行安装，各螺旋轴搅拌器的中心轴穿过料缸上盖并填料密封，通过上轴承和下轴承固定，顶端与同步齿轮箱连接实现同步同向转动，电机具体为变频电机驱动同步齿轮箱。螺旋轴为反时针向下倾斜的螺旋结构，螺旋段无中心轴。

料缸的横截面为扁圆形、底部为锥型，料缸底设计有出料口和下开式平接釜底阀。料缸外表设计夹套，夹套外表设置支耳，料缸内长径为2R+d再加大2mm，内短径为2R再加大2mm。

实施例5

本实用新型搅拌装置螺旋外沿半径R＝60mm，螺旋轴宽w=20mm，螺旋轴外沿厚度t=20mm，螺旋斜角α＝24度，单层螺旋，螺旋段垂直高度h=168mm，螺旋轴横截面为三角形，中心轴间距d=48mm，料缸内长径为172mm，内短径为124mm。两螺旋轴搅拌器平行安装，各螺旋轴搅拌器的中心轴穿过料缸上盖并机械密封，通过上轴承和下轴承固定，顶端与同步齿轮箱连接实现同步同向转动，电机具体为变频电机驱动同步齿轮箱。螺旋轴为反时针向下倾斜的螺旋结构，螺旋段无中心轴。料缸上出口连接冷凝器、接收罐和真空泵。物料投料量及工艺操作过程同对照例。本实用新型搅拌装置不但能适应本反应的全过程，而且在减压脱低阶段，因两个螺旋轴的相互剪切作用，物料不可能附着在搅拌轴上，传热及表面更新能够正常进行。产物分子量分布均匀，取不同部位物料测试平均分子量差距在正常测试误差范围内（51~52万），GPC曲线无不良拖尾。挥发份脱除干净（低于1%）。

为检验反应搅拌器的实际运行效果，将其应用于甲基苯基硅生胶的间歇式合成反应。这一反应过程具有以下步骤：

1、初始反应原料为

（甲基苯基环硅氧烷）、DMC（二甲基环硅氧烷）、VMC（甲基乙烯基环硅氧烷）、二乙烯基四甲基二硅氧烷和少量四甲基氢氧化铵碱胶催化剂和混合物。初始粘度低于100mPa.s。

2、升温至100~115℃后，随着反应的进行，物料粘度逐渐上升。3小时后物料粘度升高至1000Pa.s以上，搅拌已经比较困难，反应也已经到达终点。之后再升温至150~180℃破媒30分钟。随后减压脱低，维持搅拌速度20~50rpm。

3、在脱低过程中，随着小分子成分被减压蒸出，物料平均分子量进一步增大，粘度进一步增大，物料流动性进一步降低。同时还需要维持向物料传热和使物料表面更新，以利于小分子成份的脱除。

对照例：若在单轴双螺带搅拌5L装置中进行此反应，加入物料

580g，DMC1780g，VMC 5g，加热减压脱水后再加入二乙烯基四甲基二硅氧烷0.7g，1%四甲基氢氧化铵碱胶20g，升温至100~115℃聚合3小时，再升温至150~180℃破媒30分钟，再减压至100~300Pa脱低，维持搅拌速度20~50rpm。则在脱低阶段出现物料完全附着在搅拌器上随搅拌器旋转，脱离釜壁的现象，使传热受阻，表面更新停止，物料中心部位的低分子物脱除不尽。最终产物分子量分布不均匀，挥发份偏高。一般挥发份高于1%，表面部位和中心部位物料的分子量相差明显（如表面物料分子量大于50万，而中心部位物料平均分子量小于46万），中心部位物料测试GPC曲线拖尾严重。

Claims (7)

1.一种双螺旋轴式自清洁搅拌装置，包括电机（11）、料缸（5）以及安装在料缸（11）内的螺旋轴搅拌器，其特征在于：所述螺旋轴搅拌器数量为两个，每个螺旋轴式搅拌器包括中心轴（1）、斜支撑轴（2）、螺旋轴（3）和底斜桨（4），中心轴（1）下端通过斜支撑轴（2）连接螺旋轴（3）上端，螺旋轴（3）下端与底斜桨（4）连接，螺旋轴（3）的水平宽度为螺旋外沿半径R的四分之一至二分之一，两中心轴间距d为螺旋外沿半径R的二分之一至五分之四。

2.根据权利要求1所述的双螺旋轴式自清洁搅拌装置，其特征在于：螺旋轴（3）为反时针向下倾斜的螺旋结构，螺旋段无中心轴，螺旋轴（3）的横截面为三角形或梯形。

3.根据权利要求2所述的双螺旋轴式自清洁搅拌装置，其特征在于：所述螺旋轴（3）的垂直方向的厚度t与螺旋外沿半径R、中心轴间距d、螺旋轴对水平面的斜角α的具体关系为                                                

，其中Δ为螺旋外沿交汇处上螺旋轴（3）的下沿与下螺旋轴（3）的上表面的设计间隙，为1~5mm，螺旋轴（3）与水平面的斜角α为15~30度。

4.根据权利要求3所述的双螺旋轴式自清洁搅拌装置，其特征在于：所述各螺旋轴搅拌器为平行安装，同步同向转动，螺旋轴（3）的转动空间相互交叠。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的双螺旋轴式自清洁搅拌装置，其特征在于：所述各螺旋轴搅拌器的中心轴（1）穿过料缸（5）上盖并采取机械密封或填料密封（6），通过上轴承（7）和下轴承和（8）固定，顶端与同步齿轮箱（10）连接实现同步同向转动，电机（11）为变频电机，驱动同步齿轮箱。

6.根据权利要求5所述的双螺旋轴式自清洁搅拌装置，其特征在于：所述料缸（5）的横截面为扁圆形、底部为锥型，料缸底设计有出料口(12)、测温口（13）和下开式平接釜底阀（14）。

7.根据权利要求6所述的双螺旋轴式自清洁搅拌装置，其特征在于：所述料缸外表设计夹套，夹套外表设置支耳，料缸内长径为2R+d加大2~10mm，内短径为2R加大2~10mm。

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