CN115193288B - 一种连续式高剪切混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续式高剪切混合器，包括圆筒状外壳、转子、定子和传动轴，在圆筒状外壳上设置有出料口，圆筒状外壳左端的端壁上设置有第一进料管，在第一进料管内设置有第二进料管，定子的中部和左端部设置有左侧开口的凹槽，定子的左端通过圆环形垫圈与圆筒状外壳左端的端壁连接，定子的右端部贯穿圆筒状外壳设置，转子为圆柱体或圆台体，传动轴的左端与转子固定连接，传动轴的右端部贯穿所述定子的右端部设置；在定子近左端处设置有孔。本发明减弱齿合型高剪切混合器中液体的返混、减小齿合型定子齿间液体的回流量，实现更均匀的乳化、得到液滴尺寸分布更窄的乳液。

Description

一种连续式高剪切混合器
技术领域
本发明为一种连续式高剪切混合器的定转子结构和装配方式，可用于乳化过程。
背景技术
高剪切混合器是一种独特的过程强化设备，其核心部件是由定子和转子构成的剪切头。高剪切混合器具有剪切间隙窄和转子尖端线速度高的突出特点，混合器中极大的速度梯度和强劲的动能使物料在定转子的间隙中受到强烈的剪切、挤压、摩擦、撞击、研磨、湍流和空化等综合作用，已被广泛用于溶解、乳化、解聚和化学反应等过程。其中，高剪切混合器目前最重要的工业应用之一是乳化，在高剪切混合器中，乳化可以在各种粘度和相分数的介质中进行，且乳化产品具有分散相尺寸小、分布窄、保存期长等优点。
高剪切混合器可被分为间歇式和连续式两种操作模式。间歇式高剪切混合器中，可大体将剪切头分为径流式、轴流式和捷流式三种结构。在径流式高剪切混合器中，转子是一个径向的叶轮，流体通过定子上的槽或孔从剪切头径向排出；轴流式高剪切混合器的转子的叶片有一定的倾角，在转子旋转过程中能够将流体轴向推进；捷流式高剪切混合器结合了径流式和轴流式高剪切混合器各自的优点，可以根据转子叶片的倾角和定子上的开孔结构来调控局部能量耗散和轴向循环速率，以满足不同的需求。连续式高剪切混合器的剪切头主要可分为齿合型和叶片-网孔型两种结构，连续式高剪切混合器还可以在不同的需求下选择以单程或循环回路模式进行操作。此外，还可以采用多圈或多级的剪切头结构以增强高剪切混合器的分散能力和混合效果。
在已公开的专利中，已有多种针对改善乳化性能的乳化装备。其中，专利CN210993807U设计了一种高剪切混合器，包括对偶咬合布置的进料定子和转子，且定子和转子之间的径向游隙沿搅拌轴的进料端向出料端的方向逐渐减小。该高剪切混合器中靠向进料端较大的径向间隙可以使得原始粗细不一的物料更为顺畅得进入定转子之间的径向游隙中，提高生产效率。然而，在商业上常用的齿合型高剪切混合器中，齿合型转子中有明显的回流，且这种回流在高转子转速下更加强烈，这加强了两相之间的碰撞，但也导致了更宽的液滴尺寸分布。此外，在连续式高剪切混合器的混合腔室内，从定子开孔处流出的部分流体返回到定转子前面的区域从而受到剪切头的多次破碎，且还有部分流体没有经过剪切直接从定子***排出，这些都导致了更宽的液滴尺寸分布。
发明内容
为了解决乳化过程中现有高剪切混合器存在的液体返混情况严重、乳液液滴尺寸分布较宽等问题，提供一种连续式高剪切混合器。
本发明的技术方案概述如下：
一种连续式高剪切混合器，包括圆筒状外壳3、转子7、定子9和传动轴5，在圆筒状外壳上设置有出料口4，圆筒状外壳左端的端壁上设置有第一进料管1，在第一进料管内设置有与第一进料管同心的第二进料管2，其特征是所述定子的中部和左端部设置有左侧开口的凹槽10，定子的左端通过圆环形垫圈6与圆筒状外壳左端的端壁连接，所述定子的右端部贯穿圆筒状外壳设置，定子的中部和左端部外径小于圆筒状外壳的内径；所述转子为圆柱体或圆台体，转子的外径小于所述凹槽的内径，传动轴的左端与转子固定连接，传动轴的右端部贯穿所述定子的右端部设置；在定子近左端处设置有孔8。
所述孔为单排孔，单排孔的个数为3-48个。
圆环形垫圈6的侧壁外表面与圆筒状外壳的内表面活动连接；圆环形垫圈侧壁内表面与所述凹槽的内径相同。
转子7高度h1为凹槽高度h2的28％-62％。
优点：
本发明通过改善高剪切混合器的结构，从而减轻齿合型高剪切混合器中液体的返混、减小齿合型定子齿间液体的回流量，并减少经过多次破碎以及未经破碎的液滴，实现更均匀的乳化、得到液滴尺寸分布更窄的乳液。本发明的一种连续式高剪切混合器设计了实心转子和圆环形垫圈，以减少回流、实现更加均匀的乳化。
附图说明
图1为连续式高剪切混合器过中心线剖面示意图。
图2为圆柱形实心转子(圆柱体)示意图。
图3为圆台形实心转子(圆台体)示意图。
图4为定子示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
一种连续式高剪切混合器，见图1，包括圆筒状外壳3、转子7、定子9和传动轴5，在圆筒状外壳上设置有出料口4，圆筒状外壳左端的端壁上设置有第一进料管1，在第一进料管内设置有与第一进料管同心的第二进料管2，其特征是所述定子的中部和左端部设置有左侧开口的凹槽10，定子的左端通过圆环形垫圈6与圆筒状外壳左端的端壁连接，所述定子的右端部贯穿圆筒状外壳设置，定子的中部和左端部外径小于圆筒状外壳的内径；所述转子为圆柱体或圆台体，转子的外径小于所述凹槽的内径，传动轴的左端与转子固定连接，传动轴的右端部贯穿所述定子的右端部设置；在定子近左端处设置有孔8，如图4所示。
所述孔为单排孔，单排孔的个数为3-48个。
圆环形垫圈6的侧壁外表面与圆筒状外壳的内表面活动连接；圆环形垫圈侧壁内表面与所述凹槽的内径相同。
转子7高度h1为凹槽高度h2的28％-62％。
优选地：
圆筒状外壳的内径为27.34mm，轴向长度为43.16mm。
第一进料管1和第二进料管2的内径分别为9.78mm和2mm。
出料口4的内径为9.78mm。
转子7可以为具有不同的转子高度的圆柱形或圆台形实心转子，分别如图2和图3所示。
凹槽10的外径和内径分别为25和20mm，凹槽高度h2为30mm。
圆环形垫圈的外径与圆筒状外壳的内径相同，27.34mm；圆环形垫圈的内径与凹槽的内径相同，20mm，轴向长度7mm。
连续相溶液由99.49％(质量分数，下同)的去离子水、0.50％的聚乙烯醇和0.01％的十二烷基硫酸钠组成；
分散相溶液由76.63％的甲基丙烯酸甲酯、22.99％的异辛烷和0.38％的三甘醇二-2-甲基丙烯酸酯组成。
连续相溶液通入第一进料管1，分散相溶液通入第二进料管2，经高剪切混合器的乳化后在出料口4处收集乳液(进行乳化性能的评估)。
Sauter平均直径(d32)和跨度(span)是评估乳化性能的关键参数。其中，d32是最常用的平均粒径之一，其意义是直径为d32的假想的单分散液滴群具有与实际液滴群相同的总体积和总表面积；span是衡量液滴尺寸分布宽度的常用指标，span越小，说明乳液越均匀。d32和span的计算式(1)和(2)分别如下：
Figure BDA0003748940570000031
Figure BDA0003748940570000032
其中，m是描述液滴尺寸分布中液滴尺寸区间的数量，ni是区间i中液滴的数量，di是区间i中液滴的直径，d10、d50和d90分别为液滴尺寸累积分布为10％、50％和90％时的液滴直径。
实施例1-7的乳化效果见表1
实验中，连续相溶液和分散相溶液分别在室温下由蠕动泵输入，经高剪切混合器的乳化后，在出料口处收集乳液进行测量。为了确保结果的准确性，每个实施例都重复了三次。实施例1-7的乳化效果如表1所示：
表1实施例1-7的乳化效果
Figure BDA0003748940570000033

Claims (3)

1.一种连续式高剪切混合器，包括圆筒状外壳（3）、转子（7）、定子（9）和传动轴（5），在圆筒状外壳上设置有出料口（4），圆筒状外壳左端的端壁上设置有第一进料管（1），在第一进料管内设置有与第一进料管同心的第二进料管（2），其特征是所述定子的中部和左端部设置有左侧开口的凹槽（10），定子的左端通过圆环形垫圈（6）与圆筒状外壳左端的端壁连接，所述定子的右端部贯穿圆筒状外壳设置，定子的中部和左端部外径小于圆筒状外壳的内径；所述转子为圆柱体或圆台体，转子的外径小于所述凹槽的内径，传动轴的左端与转子固定连接，传动轴的右端部贯穿所述定子的右端部设置；在定子近左端处设置有孔（8）；所述转子（7）高度h1为凹槽高度h2的28%-62%；所述转子为实心转子。
2.根据权利要求1所述的一种连续式高剪切混合器，其特征是所述孔为单排孔，单排孔的个数为3-48个。
3.根据权利要求1所述的一种连续式高剪切混合器，其特征是所述圆环形垫圈（6）的侧壁外表面与圆筒状外壳的内表面活动连接；圆环形垫圈侧壁内表面与所述凹槽的内径相同。
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