超聲波工業(yè)混合均化設備的研制

趙寒濤，李昕迪，徐秋茹

(黑龍江省科學院自動化研究所，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變化的過程都會需要混合操作，隨著中國工業(yè)的蓬勃發(fā)展，混合系統(tǒng)以及混合設備也逐漸發(fā)展起來。在當今食品、藥品、化工、建材、化肥等諸多領域，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備又被稱作攪拌設備，按作用劃分為物理混合和化學輔助混合，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。化學輔助混合是指在物理作用的同時伴隨著化學反應，以化學反應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械、熱塑性物料混合機、粉狀與粒狀固體物料混合機械四大類。本文主要針對中高黏度液體研制一種新的設備——超聲波工業(yè)混合均化設備。

1 裝置的工藝流程及結構

1.1 裝置結構

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

圖1 裝置結構圖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共振劈簧片的設計中詳細介紹了保證系統(tǒng)壓力的重要性)，同時高剪切均質(zhì)機連續(xù)處理罐體內(nèi)料液，經(jīng)過一段時間運行，液體混合完畢。全部生產(chǎn)過程自動控制，自帶壓力報警、停機等功能。

2 關鍵技術

2.1 機械性超聲波發(fā)生器

2.1.1 結構

機械型超聲波發(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)的刃口對齊矩形窄縫長邊的對稱軸，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，當簧片共振產(chǎn)生超聲波時，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)生器結構圖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，在液壓泵的帶動下，從入口(圖2右側(cè))進入噴射嘴，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，同時產(chǎn)生渦流和空穴氣泡。簧片本身具有回彈力，使簧片向偏彎方向進行反向運動，同時氣泡破裂的爆炸力也迫使刃形簧片向偏彎方向進行反向運動。這個過程周而復始，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。

本設備優(yōu)于一般超聲波設備的地方在于當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，就達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良好的基礎。然后再經(jīng)超聲波空化作用，穩(wěn)定的乳化液便會迅速形成。

2.1.3 關鍵部件設計要點

2.1.3.1 噴嘴的設計

噴射嘴矩形窄縫(見圖2)的幾何尺寸與射流速度V有一定關系，一般可根據(jù)混合系統(tǒng)處理的料液的流量范圍來預設計矩形窄縫幾何尺寸。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 共振劈簧片的設計

共振劈采用刃形簧片，簧片刃口做成約30°的尖劈狀，稍有偏心對準矩形窄縫。為了使超聲波發(fā)生器能夠獲得最大效率，就要對其振動頻率進行調(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，因而調(diào)整比較繁瑣。我們將共振劈固有頻率預先設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，這兩個參數(shù)都和超聲波發(fā)生頻率f有關，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，本項目將噴嘴設計成可調(diào)的。而對于V參數(shù)，由(1)式可轉(zhuǎn)變?yōu)橄铝斜磉_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。

共振劈材料選取時應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。共振劈振動頻率，在射流低速度時，由(2)式激發(fā)頻率f決定，速度加大，頻率也升高，在達到(4)式頻率F時，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

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

(1)機械撞擊、液力剪切作用

帶有葉片的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生比較強大的離心力場，在轉(zhuǎn)子中心產(chǎn)生很強的負壓區(qū)，料液由定轉(zhuǎn)子中心被吸入，在強大的離心力作用下，料液向四周擴散，在擴散過程中，料液先受到葉片的攪拌，同時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，料液在向外圈運動過程中受到越來越強烈的剪切、摩擦和碰撞，料液被粉碎得越來越細，最后達到均質(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)空穴效應作用

在料液流動過程中，如果某一點上面的壓力低于其飽和蒸汽壓時，料液開始沸騰形成氣泡，同時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不連續(xù)，被稱為空穴現(xiàn)象。高剪切頭高速運動能把料液線速度提到300～500m/s，此時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。但當大量氣泡隨壓力升高而瞬間破滅時，就產(chǎn)生了高速微射流，這個高速微射流產(chǎn)生的脈沖壓力接近200MPa，這就是空穴效應?？昭ㄐ彩歉呒羟芯瘷C均化質(zhì)量好的一個重要因素。

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)部元件保持靜止狀態(tài)，料液在混合器內(nèi)流動時受混合單元的作用，發(fā)生分流、合流、旋轉(zhuǎn)等運動，使料液達到良好的混合。在不同的料液流動狀態(tài)下，混合原理是有所差別的。層流時，是利用“分割——位置移動——重新匯合”三步對料液進行有規(guī)則重復混合;在湍流時，除上述三步外，因為料液在流動的橫斷面上產(chǎn)生劇烈的湍流，這樣就有很強的剪切力作用于料液，使料液再進一步被分割而達到混合［2］。靜態(tài)混合器發(fā)展至今已經(jīng)比較成熟，達到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，即通過機械系統(tǒng)、磁控振蕩器和壓電晶體振蕩器。激勵壓電換能器與磁致伸縮換能器的電氣設備價格高昂，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驗室藥物的特殊應用，工業(yè)生產(chǎn)中很少應用。機械型超聲系統(tǒng)的發(fā)展，使經(jīng)濟上對料液進行大規(guī)模工業(yè)處理成為可能。

國外機械型超聲波發(fā)生器研制已有報道，德國、英國正處于實驗室階段，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。

我國較早就開始機械型超聲波發(fā)生器的研制，同時結合靜態(tài)混合器、高剪切均質(zhì)機、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)混合均化設備，用于液液相混合。

3.2 同類設備比較

對混合設備好壞的評估主要有下面四個方面: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，死角百分比是評價混合設備制造好壞的物理量;混合時間是評價混合速度的物理量，指不同料液開始混合到混合達到均勻度要求內(nèi)的時間，混合時間是由混合設備種類及型號確定;混合消耗的能耗，由于不同設備采用技術路線不同，其能耗差別很大。下面從混合效果和消耗能耗兩方面進行比較。

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

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

一些原用高壓均質(zhì)機進行均質(zhì)的產(chǎn)品，應用超聲波發(fā)生器處理后，亦可獲得相同細度效果，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)機的1/10。

3.3 超聲波工業(yè)混合均化設備的優(yōu)點

(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 結束語

這種超聲波工業(yè)混合均化設備具有結構簡單、堅固耐用、連續(xù)操作、處理量大、性能可靠、安全方便、經(jīng)濟實用等優(yōu)點，并已成功應用于柴油乳化、納米活性炭涂料制備等領域。

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

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