趙寒濤，李昕迪，徐秋茹

(黑龍江省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，哈爾濱 150090)

混合是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的生產(chǎn)工藝之一，凡是涉及物理和化學(xué)變化的過程都會(huì)需要混合操作，隨著中國工業(yè)的蓬勃發(fā)展，混合系統(tǒng)以及混合設(shè)備也逐漸發(fā)展起來。在當(dāng)今食品、藥品、化工、建材、化肥等諸多領(lǐng)域，大部分產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中至少有一步混合工藝?；旌显O(shè)備又被稱作攪拌設(shè)備，按作用劃分為物理混合和化學(xué)輔助混合，物理混合為單一的攪拌作用，將兩種或兩種以上的物料通過攪拌生產(chǎn)出混合物?；瘜W(xué)輔助混合是指在物理作用的同時(shí)伴隨著化學(xué)反應(yīng)，以化學(xué)反應(yīng)更加充分為主要目的，其中物理作用使物料之間接觸更加全面。

常用的混合機(jī)械分為氣體和低黏度液體混合器、中高黏度液體和膏狀物混合機(jī)械、熱塑性物料混合機(jī)、粉狀與粒狀固體物料混合機(jī)械四大類。本文主要針對(duì)中高黏度液體研制一種新的設(shè)備——超聲波工業(yè)混合均化設(shè)備。

1 裝置的工藝流程及結(jié)構(gòu)

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

以機(jī)械型超聲波發(fā)生器為核心部件，搭配靜態(tài)混合器、高剪切均質(zhì)機(jī)、液壓系統(tǒng)、混合罐和自動(dòng)控制系統(tǒng)，組成一套高效超聲波工業(yè)混合均化設(shè)備。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The device structure

1.2 工藝流程

將待混合液體按比例打入罐體，啟動(dòng)液壓泵，泵體將待混合料液從罐體中抽出送入管路，依次經(jīng)過靜態(tài)混合器和機(jī)械型超聲波發(fā)生器，再將混合后料液送入罐體中。管路中設(shè)有溢流系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)壓力(后文中2.1.3.2共振劈簧片的設(shè)計(jì)中詳細(xì)介紹了保證系統(tǒng)壓力的重要性)，同時(shí)高剪切均質(zhì)機(jī)連續(xù)處理罐體內(nèi)料液，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，液體混合完畢。全部生產(chǎn)過程自動(dòng)控制，自帶壓力報(bào)警、停機(jī)等功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機(jī)械性超聲波發(fā)生器

2.1.1 結(jié)構(gòu)

機(jī)械型超聲波發(fā)生器由助聲管、本體、噴射嘴、接口套管、刃形簧片、支桿等組成。噴射嘴前部有一矩形窄縫，刃形簧片(亦稱共振劈)的刃口對(duì)齊矩形窄縫長邊的對(duì)稱軸，簧片由本體和支桿夾住，封閉在助聲管中。超聲波發(fā)生器的助聲管是帶有料液流出孔的圓柱形套管，共振劈置于套管中心，當(dāng)簧片共振產(chǎn)生超聲波時(shí)，助聲管可以使聲能集中，增加共振劈產(chǎn)生聲波的振幅，提高混合效果。

圖2 發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Generator structure

2.1.2 工作原理

待混合的兩相或兩相以上的料液，在液壓泵的帶動(dòng)下，從入口(圖2右側(cè))進(jìn)入噴射嘴，噴射嘴外部基本沒有背壓，料液從噴射嘴的矩形窄縫(窄縫尺寸一般為20mm×0.6mm)高速噴射出，形成高速射流射向共振劈刃口。由于制造和裝配等方面的原因，共振劈刃口與射流中心一定存在偏差，這樣刃形簧片受高速射流沖擊力不均而產(chǎn)生偏彎，同時(shí)產(chǎn)生渦流和空穴氣泡?；善旧砭哂谢貜椓?，使簧片向偏彎方向進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)氣泡破裂的爆炸力也迫使刃形簧片向偏彎方向進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過程周而復(fù)始，并通過調(diào)整系統(tǒng)壓力來控制射流噴射力，使簧片按其自然頻率產(chǎn)生共振，激發(fā)出超聲波。

本設(shè)備優(yōu)于一般超聲波設(shè)備的地方在于當(dāng)料液通過噴射嘴矩形窄縫高速噴射出并沖擊刃形簧片口時(shí)，就達(dá)到了高速射流混合的效果，混合料液被破碎擠壓成更小、更均勻的液滴，為超聲波空化作用打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。然后再經(jīng)超聲波空化作用，穩(wěn)定的乳化液便會(huì)迅速形成。

2.1.3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1.3.1 噴嘴的設(shè)計(jì)

噴射嘴矩形窄縫(見圖2)的幾何尺寸與射流速度V有一定關(guān)系，一般可根據(jù)混合系統(tǒng)處理的料液的流量范圍來預(yù)設(shè)計(jì)矩形窄縫幾何尺寸。連續(xù)射流的最大壓力與射流速度符合下面公式:

式中:V—射流速度m/s;P—料液系統(tǒng)壓力，Pa;ρ—射流液體的質(zhì)量密度，Kg/m3。

2.1.3.2 共振劈簧片的設(shè)計(jì)

共振劈采用刃形簧片，簧片刃口做成約30°的尖劈狀，稍有偏心對(duì)準(zhǔn)矩形窄縫。為了使超聲波發(fā)生器能夠獲得最大效率，就要對(duì)其振動(dòng)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，在超聲范圍的頻率內(nèi)使共振劈發(fā)生共振，共振劈本身的固有頻率通常與簧片的幾何尺寸、簧片刃口的尖銳程度、固定方法、材料特性等諸多因素有關(guān)，因而調(diào)整比較繁瑣。我們將共振劈固有頻率預(yù)先設(shè)定在某一超聲波頻率上面，然后調(diào)節(jié)料液的射流激發(fā)頻率，使其射流激發(fā)頻率與簧片固有頻率相匹配。激發(fā)頻率由下式估算:

式中:f—激發(fā)頻率，Hz;V—射流速，m/s;x—噴射嘴與共振劈之間的距離，m。噴射嘴矩形窄縫的射流速度V與噴射嘴矩形窄縫到共振劈前刃口的距離x，這兩個(gè)參數(shù)都和超聲波發(fā)生頻率f有關(guān)，V與f成正比，x與f成反比。為了能夠調(diào)整距離x參數(shù)的大小，本項(xiàng)目將噴嘴設(shè)計(jì)成可調(diào)的。而對(duì)于V參數(shù)，由(1)式可轉(zhuǎn)變?yōu)橄铝斜磉_(dá)式:

由(3)式可見，只要通過調(diào)節(jié)料液系統(tǒng)壓力P，就可以使共振劈產(chǎn)生超聲波共振效果。

共振劈材料選取時(shí)應(yīng)盡量采用彈性極限較高的彈簧鋼，其固有頻率F就是超聲波發(fā)生的頻率，其公式如下:

式中:F—共振劈固有頻率，Hz;a—振型常數(shù);t—共振劈平均厚度，m;L—共振劈長度，m;E—彈性模量，Pa;ρ—密度，kg/m3。共振劈振動(dòng)頻率，在射流低速度時(shí)，由(2)式激發(fā)頻率f決定，速度加大，頻率也升高，在達(dá)到(4)式頻率F時(shí)，共振劈以其固有頻率共振，頻率就由簧片控制，不再改變。

2.2 高剪切均質(zhì)機(jī)

高剪切均質(zhì)機(jī)根據(jù)超剪切原理，實(shí)現(xiàn)液相的乳化。其工作原理有以下兩方面:

(1)機(jī)械撞擊、液力剪切作用

帶有葉片的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生比較強(qiáng)大的離心力場，在轉(zhuǎn)子中心產(chǎn)生很強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)，料液由定轉(zhuǎn)子中心被吸入，在強(qiáng)大的離心力作用下，料液向四周擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中，料液先受到葉片的攪拌，同時(shí)在葉片端面和定子齒圈內(nèi)側(cè)的窄小間隙內(nèi)受到剪切，再進(jìn)入內(nèi)圈轉(zhuǎn)齒和定齒的窄小間隙內(nèi)，產(chǎn)生非常大的剪切、摩擦與撞擊，使分散相液滴破碎。由內(nèi)圈向外圈轉(zhuǎn)齒的線速度不斷增高，料液在向外圈運(yùn)動(dòng)過程中受到越來越強(qiáng)烈的剪切、摩擦和碰撞，料液被粉碎得越來越細(xì)，最后達(dá)到均質(zhì)乳化目的。下面以符合牛頓流體為例來分析其剪切力，由牛頓黏性定律可得:

式中:τ—剪切應(yīng)力，Pa;μ—黏度，Pa·s;u—轉(zhuǎn)子邊緣速度，m/s;h—定轉(zhuǎn)子間隙，m。由式(5)可知，料液通過上述間隙時(shí)受到很大的剪切力，而且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，定子與轉(zhuǎn)子間隙越小，剪切力就越大。

(2)空穴效應(yīng)作用

在料液流動(dòng)過程中，如果某一點(diǎn)上面的壓力低于其飽和蒸汽壓時(shí)，料液開始沸騰形成氣泡，同時(shí)溶于液體中的空氣都游離出來形成氣泡，這些氣泡使料液流動(dòng)不連續(xù)，被稱為空穴現(xiàn)象。高剪切頭高速運(yùn)動(dòng)能把料液線速度提到300～500m/s，此時(shí)壓力迅速下降到低于飽和蒸汽壓力，料液中形成氣泡，出現(xiàn)空穴現(xiàn)象。但當(dāng)大量氣泡隨壓力升高而瞬間破滅時(shí)，就產(chǎn)生了高速微射流，這個(gè)高速微射流產(chǎn)生的脈沖壓力接近200MPa，這就是空穴效應(yīng)?？昭ㄐ?yīng)也是高剪切均化機(jī)均化質(zhì)量好的一個(gè)重要因素。

2.3 靜態(tài)混合器

靜態(tài)混合器是由按一定方式裝填在管道內(nèi)的混合單元所組成，每個(gè)混合單元都起著分割液流的作用［1］。工作中，靜態(tài)混合器的內(nèi)部元件保持靜止?fàn)顟B(tài)，料液在混合器內(nèi)流動(dòng)時(shí)受混合單元的作用，發(fā)生分流、合流、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，使料液達(dá)到良好的混合。在不同的料液流動(dòng)狀態(tài)下，混合原理是有所差別的。層流時(shí)，是利用“分割——位置移動(dòng)——重新匯合”三步對(duì)料液進(jìn)行有規(guī)則重復(fù)混合;在湍流時(shí)，除上述三步外，因?yàn)榱弦涸诹鲃?dòng)的橫斷面上產(chǎn)生劇烈的湍流，這樣就有很強(qiáng)的剪切力作用于料液，使料液再進(jìn)一步被分割而達(dá)到混合［2］。靜態(tài)混合器發(fā)展至今已經(jīng)比較成熟，達(dá)到30多種，本文不再贅述。

3 國內(nèi)外同類產(chǎn)品比較

3.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

超聲波的發(fā)生通常有三種途徑，即通過機(jī)械系統(tǒng)、磁控振蕩器和壓電晶體振蕩器。激勵(lì)壓電換能器與磁致伸縮換能器的電氣設(shè)備價(jià)格高昂，而且處理料量也少，因而上述這兩種超聲混合一般只用于實(shí)驗(yàn)室藥物的特殊應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)中很少應(yīng)用。機(jī)械型超聲系統(tǒng)的發(fā)展，使經(jīng)濟(jì)上對(duì)料液進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)處理成為可能。

國外機(jī)械型超聲波發(fā)生器研制已有報(bào)道，德國、英國正處于實(shí)驗(yàn)室階段，他們借助超聲循環(huán)處理可獲得每t含20%石蠟的乳化液，過去不用超聲加工，僅能獲得每t含5%石蠟的乳化液;日本用超聲處理乳化液以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鞋油，此外，為紡織業(yè)研制出多種防腐液等。

我國較早就開始機(jī)械型超聲波發(fā)生器的研制，同時(shí)結(jié)合靜態(tài)混合器、高剪切均質(zhì)機(jī)、液壓系統(tǒng)、混合罐和控制系統(tǒng)，組成一套高效超聲波工業(yè)混合均化設(shè)備，用于液液相混合。

3.2 同類設(shè)備比較

對(duì)混合設(shè)備好壞的評(píng)估主要有下面四個(gè)方面:混合均勻度是分析料液混合好壞的物理量，通過概率論獲得，混合均勻度是由混合設(shè)備種類確定;死角指料液在混合容器中不能參與混合的物理現(xiàn)象，死角百分比是評(píng)價(jià)混合設(shè)備制造好壞的物理量;混合時(shí)間是評(píng)價(jià)混合速度的物理量，指不同料液開始混合到混合達(dá)到均勻度要求內(nèi)的時(shí)間，混合時(shí)間是由混合設(shè)備種類及型號(hào)確定;混合消耗的能耗，由于不同設(shè)備采用技術(shù)路線不同，其能耗差別很大。下面從混合效果和消耗能耗兩方面進(jìn)行比較。

表1 不同設(shè)備混合乳化效果Tab.1 The effect of different mixed emulsifying equipment

表2 不同設(shè)備所消耗能量Tab.2 The energy consumption of different equipment

一些原用高壓均質(zhì)機(jī)進(jìn)行均質(zhì)的產(chǎn)品，應(yīng)用超聲波發(fā)生器處理后，亦可獲得相同細(xì)度效果，但大大降低了所需壓力，從而使所需功率降低，所需能耗僅為高壓均質(zhì)機(jī)的1/10。

3.3 超聲波工業(yè)混合均化設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)

(1)產(chǎn)生有亞微米的乳化粒子并且較均勻。

(2)乳化液極其穩(wěn)定。

(3)產(chǎn)生穩(wěn)定乳化需要的表面活性劑少。

(4)所消耗能量非常少。

4 結(jié)束語

這種超聲波工業(yè)混合均化設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、連續(xù)操作、處理量大、性能可靠、安全方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，并已成功應(yīng)用于柴油乳化、納米活性炭涂料制備等領(lǐng)域。

［1］J·Y·歐舒.流體混合技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1991:34－39.

［2］吳英樺.黏性流體混合及設(shè)備［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，1993:46－55.