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厚浆型涂料生产设备的研制与应用 

1、前言
　　涂料生产的工艺过程是由能够满足过程能力的设备来实现的，因此设备的过程能力对于涂料品质优劣有着至关重要的作用。
　　当前随着涂料品种的不断增加，品位的不断提升，愈来愈明显地反映出一个问题，就是传统的、单一的设备，已经难以满足品种繁多的、高品位涂料生产的需要。因此新型的生产设备的研发和应用这个课题引起了人们的关注。近年来一些新设备纷纷投放市场，以适应日益发展的涂料工业的需求。厚浆型涂料生产设备的研制也就是在这个大背景下开展起来的。
2、厚浆型涂料的工艺特性
　　厚浆型涂料具有含固量高、粘稠、比重大等物理特性。由于浆料的流动性差，粘壁现象严重，粉体结团，团粒不易分散,搅拌时吸入气体产生的气泡不易释放等问题，对于产品质量产生较大影响。
3、搅拌型式的选择
　　搅拌能力是涂料生产设备的关键技术指标之一，良好的搅拌，不仅仅是提供一个好的传质条件，而且促进物料的分散，使之混合均匀，同时在容器空间制造一个良好流动条件，杜绝流场死角，减少粘壁。
就厚浆型涂料而言，良好搅拌能使物料充分分散混合，各种原料分布均匀，品质得到提高。
下面就搅拌型式及物料流动的研究分析所涉及的问题提出讨论。
3.1单轴搅拌
　　单轴搅拌尽管可采用各种不同的搅拌速度和搅拌器形式，但在厚浆型涂料的生产过程中无论采用哪一种组合形式均难以满足。比如：高速分散，采用锯齿园盘形搅拌器，在料浆粘度＜10pa.s时其分散混合效果较好，但当料浆粘稠，流动性差时，就不适合了。因为这类搅拌器在搅拌边缘2.5-5cm处，能形成强烈湍流，［1］在这个区域中，团粒受到较强的剪切和冲击作用，得以粉碎，具有良好的分散混合效果，在粘稠物料的体系中，区域以外部分，由于搅拌器作的功不易扩散，上下翻动平缓，环流作用力很小，甚至不能形成循环翻动。离盘缘较远的地方料浆几乎呈静止状态，由于盘缘周边的料浆不能很好更新，因此很难达到理想的效果。如果加大搅拌器直径则可以扩大料浆的流动范围，但功率大幅度增加，能耗加大，极不经济。
　　如低速搅拌，采用框式或螺带式或螺带—螺杆复合式等搅拌器，料浆翻动范围大，对于1-103Pa.S的高粘度物料具有较好的混合效果。但分散能力差，团粒不易破碎分散，料浆分布不均匀，且工作时间长。
3.2双轴搅拌设计
　　鉴于单轴搅拌用于厚浆型涂料所存在的问题，我们考虑了双轴搅拌的研究方案。
3.2.1偏心双轴
　　双轴转速一快一慢，分别由两个电机驱动。高速轴端部装锯齿圆盘搅拌器，其圆周速度可达20m/s左右，主要起分散作用，低速轴带动一个三翼框式搅拌器，主要起混合作用，其翼展长，流场范围大，适合于粘稠物料的拌合，边缘与容器内壁装有刮壁器，以防止物料粘壁。低速搅拌器的搅拌能使高速轴周边的料浆不断更新，促进分散、混合，另外与刮壁器的作用，使器壁上的料浆不断更新，防止流场死角。并且两轴均可采用变速，根据需要调节轴的转速。偏心双轴的安装可分为两种，一种是升降机架，另一种是固定在容器端盖上。并且可以进行密闭设计，在真空状态下搅拌，消除气泡。
3.2.2同心双轴
　　结构：双轴位于同一轴线并处于容器中心，内轴为高速轴，外轴为低速轴，分别由两台电机驱动，并可实现调速。高速轴下端装有一个锯齿园盘形搅拌器，必要时可在中部安装一个推进式搅拌器，加大中心部位的浆料循环，外轴安装一个带有刮壁器的框式搅拌器，同时在框上设置双螺带叶片。外轴可正、反变换转向。同心双轴的设计，加大了外框的机械强度，比较锚式搅拌更适合粘稠料浆的搅拌混合。
　　原理：高速搅拌的锯齿园盘形叶轮其操作状态下，流体为径向流动状态，作高速圆周运动时，在齿端及盘缘处产生高剪切力，能使液体产生微型涡流，并受瞬时速度波动而出现湍动，从而使物料局部混合和物料层间界面的更新，促进了物料的混合，分散，传质和传热，同时在高剪切力的作用下使物料团粒破碎，形成均匀的固液混合物。由于锯齿叶轮使用时投入的能量密度较高，这些能量全部变成热量使罐内温度上升，通常在容器上装有水冷却夹套进行冷却。
低速搅拌，具有搅拌范围大，促进高速区域的料浆循环更新和热量传递，同时刮去器壁滞流的物料，促进传质、传热。低速搅拌器同时还起到挡板的作用，可防止旋涡过高吸入大量的空气，产生气泡，并且消除死角。
　　综上所述采用两种不同转速，不同形式，不同流向的搅拌形式同时作用在同一体系中，既可满足粉体在浆料中的分散又得到了良好的混合效果，同时可以大大缩短拌合时间，通常拌合时间比单轴形式的搅拌可减少三分之一甚至一半。产品的品质明显改善。
4、轴系密封的选择和设计
　　为使系统处于真空状态下操作，避免气体夹带产生气泡。必须对搅拌轴进行密封，对于偏心双轴搅拌选择一般的机械密封即可满足设计要求。但对于同心双轴来说，内外轴都需密封，因此无论从形式上，结构上都超出了一般机械密封的范围，并且内外轴同时运转，甚至有时同向，有时反向，且内轴需要承受相当高的转速，设计上具有一定的难度。经过反复研究，采用集装式内外轴双层双端面密封装置，可靠地保证了密封要求。
5、搅拌功率的计算
　　厚浆型涂料属于非均相粘弹性流体，有关该体系的搅拌功率的计算，报道不多，况且双轴搅拌的转速不同，搅拌型式不同，使体系中流体的运动状态极为复杂，功率计算的难度甚大。本研究采用了分部—叠加的计算方法，分别求出各类搅拌器在操作状态下所需的功率。
5.1慢速搅拌的功率计算：
　　即把搅拌器分为锚+刮板（无档板）刮壁式搅拌器及双螺带搅拌器两种形式，以公式P锚刮板=NpρN3d3 Np=203Re -1.0 2≤Re≤60 [2]
Np=45Re 0.52 200≤Re≤200
P双螺带=KpN2d3μa
Kp=NpRe=246.32(d/c)0.266(w/d)0.296(p/d)-0.479(L/d)0.852 [2]
式中Np为功率准数，Kp为功率常数，Re为雷诺准数，N为转速，
d为桨径，μa为表观粘度，ρ为密度，C为叶端与罐壁的间隙，
p为螺距，w为螺带宽，L为螺带高；
　　进行计算，得到两种搅拌器的搅拌功率，因为两种搅拌器同时按装在一支轴上，转向，转速相同，相互作用，仅采用简单的叠加显然不合理。本研究对功率配置，分别以500L、1000L、1500L、2000L、3000L五种罐进行了试验，得到叠加系数F，即为
P总=F（P锚+刮壁+P双螺带）以上计算方法通过实践证明是可行的。
5.2、高速轴搅拌功率计算：
　　由于本研究体系中的慢速搅拌器有类似档板的作用，因此在高速轴搅拌功率计算的问题上考虑了档板存在的情况，根据实践，计算式为P=1.16NpρN3d3满足功率配置的要求。
6、结论
　　涂料工业的发展进步不仅需要*的科学合理的配方和工艺，也离不开*专业的生产设备，我们将上述研究已成功运用在厚浆型涂料的生产设备上，并已开发了500L—5000L容积的系列产品。运行结果证明本项目的研制开发是成功的，技术是可靠成熟的。得到了用户的信任和支持。但我们的研究成果是非常有限的，涂料专业设备的研制改进还有很多的空间，值得我们继续探索，继续努力。