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通過更高效的分散減少原材料的使用

ystral 2022-01-05 | 閱讀：2116

通過更高效的分散減少原材料的使用

無論是在化工,醫(yī)藥,化妝品和食品行業(yè)，原材料的成本在全世界范圍和所有領(lǐng)域里一直在增長。

生產(chǎn)型企業(yè)通過尋求新的工藝和新的機(jī)會(huì)來保持競爭性和與其競爭對(duì)手的差異性。在有些情況下，例如，他們會(huì)通過使用更便宜的原材料來代替昂貴的原材料獲得成功。

另外一種節(jié)省的可能性是在生產(chǎn)中減少原材料的使用量，但是為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，一般需要對(duì)工藝步驟的改變或和改善。

許多類型的產(chǎn)品，如油漆和涂料、膠水和粘合劑、嬰兒食品和飲料、洗滌劑和洗發(fā)水，以及藥物和乳霜，都是基于多種分散相的生產(chǎn)。一種普遍的分散漿料是懸浮液，它由成分混雜的各種液體和精細(xì)分散的顆粒組成。這兩種成分不會(huì)相互溶解或化學(xué)結(jié)合，如果不加以處理，最終會(huì)沉淀下來。對(duì)于懸浮液的生產(chǎn)，現(xiàn)有的團(tuán)聚體和集聚體必須被粉碎，尺寸減小，在液體中分布、潤濕和穩(wěn)定。目標(biāo)就是使這些顆粒均勻地分布到液體容積中的各元素。分散是懸浮液質(zhì)量的強(qiáng)制性要求。如果粉末（分散相）分散到一種基礎(chǔ)液體(連續(xù)相)中，固體的徹底均勻潤濕是懸浮質(zhì)量的最重要因素。如果原材料即相應(yīng)的膠體完全潤濕，就可能在工藝過程中減少原材料使用量。分散或產(chǎn)生懸浮液有不同的技術(shù)解決方案:

1. 批次分散機(jī)：混合攪拌機(jī)、高速分散機(jī)和轉(zhuǎn)子定子系統(tǒng)

混合攪拌機(jī)由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，一根帶密封的軸和混合或攪拌部件組成。攪拌或混合元件可以制作成一個(gè)簡單的槳葉或者讓槳葉在定子內(nèi)部旋轉(zhuǎn)(如捷流攪拌機(jī))。這類攪拌機(jī)只是將固體顆粒均勻在液體中，由于幾乎不存在剪切能量，它對(duì)團(tuán)聚體和集聚體是不起研磨作用的。這種攪拌機(jī)可用于分散易濕、不粘和不結(jié)塊的原料和粉末，或保持懸浮均勻。

高速分散機(jī)的設(shè)計(jì)與混合攪拌機(jī)的原理相同，但使用一個(gè)齒狀的攪拌盤用于分散。這種圓盤產(chǎn)生更強(qiáng)的沖擊效果。它的工藝目標(biāo)是粉碎團(tuán)聚體和集聚體，以實(shí)現(xiàn)更細(xì)的懸浮。然而，它的剪切效果是受限制的，剪切梯度強(qiáng)烈地依賴于液體的粘度。一旦液體開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，沖擊擊和剪切效果就會(huì)顯著降低。

轉(zhuǎn)子定子系統(tǒng)的功能取決于轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙。一般來說，兩個(gè)部分(旋轉(zhuǎn)部分和靜態(tài)部分)都帶齒形。由于給定的形狀，剪切梯度保持恒定，幾乎與液體的粘度無關(guān)。

在實(shí)際生產(chǎn)中懸浮液的制備有時(shí)是特別困難。上述所有類型的機(jī)器，都是直接安裝在容器中，或通過升降機(jī)降入容器中。通常情況下，基本液體被灌進(jìn)容器，原料粉被簡單地倒入液體表面上。粉末具有相當(dāng)大的比表面，在極端情況下(例如細(xì)顏料、納米粉末或硅酸鹽)，比表面積計(jì)算約為30萬m2/kg粉末。在大多數(shù)生產(chǎn)情況下，這些粉末直接添加到液體的表面。由于液體的面積只有幾平方米，很明顯粉末比表面積和液體比表面積之間存在著不利的關(guān)系。其結(jié)果是單個(gè)顆粒不會(huì)被潤濕，只有團(tuán)聚體和集聚體被粗略的潤濕。

粉末漂浮在液體表面的頂部時(shí)，必須應(yīng)用強(qiáng)烈的混合效果來濕潤所有的顆粒。當(dāng)使用高速分散機(jī)時(shí)，在液體中形成一個(gè)漩渦，除了粉末外，空氣也被帶入產(chǎn)品中。

很多情況下，不同的原料必須被分散到液體中，這給不同的包裝系統(tǒng)(如需要移動(dòng)和清空的袋子、桶和容器)的處理帶來了很高的工作量。

這些粉末中有許多是粘性的，大多數(shù)容易形成粉塵。在容器壁上和安裝在容器內(nèi)的其他設(shè)備上形成一層層的結(jié)殼和結(jié)塊。這些結(jié)塊在以后的過程中很難破壞，需要大量的能量和時(shí)間。產(chǎn)品的質(zhì)量受到一個(gè)粗顆粒的影響以及不同批次的質(zhì)量不穩(wěn)定的結(jié)果。由于原料的使用效率低下，為了達(dá)到預(yù)期的效果，需要添加比通常要求更多的原料。一部分原材料以粉塵的形式“消失”在環(huán)境、排氣系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)中?？偟膩碚f，這導(dǎo)致了較高的生產(chǎn)成本和總成本。

2. 基于轉(zhuǎn)子-定子原理的粉末濕潤設(shè)備

Conti-TDS粉料潤濕分散機(jī)的功能原理

不同于上述設(shè)備，Conti-TDS粉末濕潤分散機(jī)安裝在容器之外，并通過一個(gè)簡單的管道系統(tǒng)連接。

基本液體在循環(huán)管路中進(jìn)行循環(huán)，在機(jī)器的分散腔內(nèi)形成真空。這種真空是用來吸粉體實(shí)現(xiàn)無塵和無損失，可以直接從袋，容器，大袋，筒倉，甚至從槽車中導(dǎo)入。粉體在不需要漏風(fēng)情況下以密相輸送，并在真空下直接分散到液體里。由于真空，粉料夾帶的空氣膨脹，打開了粉末的表面，具備了濕潤條件。同時(shí)，分散區(qū)液體的表面積也被極大地增大。只有在這一節(jié)點(diǎn)時(shí)，粉末才與液體相接觸(見對(duì)應(yīng)圖片)，并以最有效的方式變得濕潤。在這個(gè)區(qū)域，剪切梯度比高速分散機(jī)高1000倍。由于泵送過程中產(chǎn)生的爆炸波，膠體得到徹底潤濕。粘附在顆粒表面的微氣泡被分離、凝固并聚集在液體表面，形成一層粗糙的泡沫，即使在被認(rèn)為難以脫氣消泡的產(chǎn)品中也是如此。

在分散腔體中制備的懸浮液作為“制成”產(chǎn)品返回到容器中。取決于粉末的數(shù)量和所需的固體裝載量，粉末的導(dǎo)入可通過關(guān)閉粉末入口而中斷。還可以通過循環(huán)管路進(jìn)行額外的分散以實(shí)現(xiàn)特定的粒徑分布或均勻性，此過程也用于產(chǎn)品的脫氣。與粘度、容器類型和批量大小無關(guān)，一個(gè)穩(wěn)定的懸浮液的生產(chǎn)只需傳統(tǒng)混合分散系統(tǒng)幾分之一的時(shí)間就能完成。

例如:40噸的二氧化鈦漿料在不到2小時(shí)內(nèi)完成。在溶劑或水性涂料中可節(jié)約5~15%的TiO2消耗的可能性已被證實(shí)。由于分散區(qū)液體比表面極大增加，可達(dá)100萬倍以上，因此甚至可不用潤濕劑，同時(shí)高剪切梯度及真空可使得增稠劑和消泡劑用量減少。