化工機(jī)械研制膠體磨的應(yīng)用方法研究

吳敏 王怡然

摘要：膠體磨是一種用于粉碎原料的設(shè)備，具有很多性能優(yōu)勢，常常被應(yīng)用于化學(xué)工藝生產(chǎn)中。文章具體闡述了膠體磨設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理、化工機(jī)械研制方法，以及化工研制膠體磨在乳化炸藥、瀝青改性等化學(xué)工程與工藝中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：膠體磨;結(jié)構(gòu);原理;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ437文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）11-0020-04

膠體磨是一種可以將具有一定濕度的大顆粒原料粉碎形成微小粉末的常用設(shè)備。這種設(shè)備最早是在國外發(fā)明并使用的，20世紀(jì)70年代末被引進(jìn)到國內(nèi)并得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的干法粉碎要求物料中的含水量小于4%，但一般空氣干燥基煤樣中含水量都超過5%，而濕法研磨時(shí)物料中的含水量可以達(dá)到50%，且可克服粉塵飛揚(yáng)、氧化程度嚴(yán)重和自燃等問題。因此，我國引進(jìn)膠體磨并對該設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。目前，膠體磨已經(jīng)在食品、藥品、化妝品、日用品、化學(xué)工藝、印刷、涂料、油漆等多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。本文將介紹膠體磨的基本結(jié)構(gòu)及原理，并就其在乳化炸藥、瀝青改性等化學(xué)工程與工藝中的具體應(yīng)用方法進(jìn)行研究。

1化工研制膠體磨的方法

1.1膠體磨的結(jié)構(gòu)

圖1為目前化學(xué)化工生產(chǎn)中常用的膠體磨，不論是何種型號(hào)的膠體磨，其主要部分都包含以下4個(gè)部分：①磨機(jī)結(jié)構(gòu)部分：由電動(dòng)機(jī)、磨體、聯(lián)軸器和底座等組成;②冷卻部分：由冷卻水箱、冷卻泵、壓力表、溫度表、閥門和管路等組成;③潤滑結(jié)構(gòu)：由潤滑泵、油箱、散熱裝置、壓力表、溫度表、閥門和管路等組成;④控制部分：由電器元件和控制軟件組成。

圖1中膠體磨對應(yīng)的截面結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖可知，膠體磨的主要構(gòu)件包括料斗、固定板、三旋板、氣動(dòng)馬達(dá)、膠體磨機(jī)身等。膠體磨機(jī)主要由動(dòng)力部件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制閥三部分組成。其中料斗主要用于原料的投放以及混勻;固定板主要用于將料斗與膠體磨機(jī)身固定起來，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定;旋轉(zhuǎn)板位于料斗與固定板之間，在氣動(dòng)馬達(dá)的軸驅(qū)動(dòng)作用下研磨水泥漿;因此，料斗、固定板和旋轉(zhuǎn)板都屬于執(zhí)行器。氣動(dòng)馬達(dá)的動(dòng)力部分通過高壓膠管與高壓源連接，最后馬達(dá)由高壓空氣驅(qū)動(dòng)?？刂崎y在圖中未標(biāo)出，它的主要作用是改變水泥泥漿的流動(dòng)方向。

1.2膠體磨的工作原理

膠體磨的工作原理主要是利用轉(zhuǎn)子與定子之間具有細(xì)小的間隙，通過間隙將物料研磨粉碎。目前常用的膠體磨一般是采用轉(zhuǎn)子與定子均為開有槽形缺口的雙層齒圈形式臥式的結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)如圖3和4所示。當(dāng)膠體磨工作時(shí)，物料經(jīng)過轉(zhuǎn)子以很高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，在定子與轉(zhuǎn)子的間隙被研磨粉碎，最終研磨得到的物料自動(dòng)從定子的豎直方向排出，研磨的工作室如圖5所示，膠體磨的動(dòng)盤結(jié)構(gòu)如圖6所示。首先，我們將物料放進(jìn)料斗混合均勻，然后物料在重力作用下豎直掉進(jìn)轉(zhuǎn)子、定子的間隙，那么物料就會(huì)受到間隙的擠壓。這時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)的作用下，轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生很大的加速度，使物料受到的來自轉(zhuǎn)子與定子的剪切力和推動(dòng)力都增大，除了這些作用力之外，又因?yàn)槎ㄗ雍娃D(zhuǎn)子之間的小間隙加上轉(zhuǎn)子的超大加速度會(huì)形成高剪切區(qū)，所以在剪切力、推動(dòng)力等的協(xié)同反復(fù)作用下，進(jìn)人間隙中的固體物料經(jīng)過高速剪切、擠壓、撞擊多個(gè)連續(xù)工作室被研磨粉碎，從而使物料在膠體磨工藝中實(shí)現(xiàn)被混合、分散和粉碎的目的。

1.3膠體磨的化工研制設(shè)計(jì)

1.3.1工作室組數(shù)的選取

針對某化工廠對固體試劑顆粒大小和工藝的要求，所投入法物料只需要經(jīng)過膠體磨作用粉碎后達(dá)到粒徑要求，就可以直接得到成品，不需要進(jìn)行篩分。工廠產(chǎn)品合格要求：投人物料的平均粒徑約6mm，經(jīng)過膠體磨作用后的成品粒徑92%在5um以內(nèi)?；诖耍瑸榱吮ＷC產(chǎn)品合格率，但又盡可能節(jié)約成本，我們選取了4組如圖5所示的工作室進(jìn)行組裝，使進(jìn)入膠體磨的物料出來后能夠達(dá)到工廠對產(chǎn)品的要求。

1.3.2轉(zhuǎn)子線速度的選取

在膠體磨對物料進(jìn)行研磨粉碎過程中，物料主要受到粒子間相互撞力、與膠體磨之間的摩擦力、轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力等作用。要想提高研磨的效果，就需要使物料受到是這些作用力都增大，其中最為有效的方法是提高轉(zhuǎn)子的線速度。但是在實(shí)際生產(chǎn)中除了考慮盡可能提高效率，我們還應(yīng)該考慮機(jī)器的使用壽命，如果線速度過大，會(huì)使膠體磨超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致膠體磨定子與轉(zhuǎn)子的磨損，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，選取線速度時(shí)需要在保證合格率的情況下盡可能提高膠體磨的使用壽命。膠體磨的線速度一般為13～40m/s。我們通過多次線速度的測定試驗(yàn)，最后選取的線速度為25m/s，因?yàn)樵谶@個(gè)速度下經(jīng)過膠體磨的作用后得到的產(chǎn)品能夠滿足工藝要求，并且在這個(gè)線速度下膠體磨的磨損較小。

1.4膠體磨的性能測試

我們對最終研制出的膠體磨進(jìn)行了性能測試，隨機(jī)選取了14組物料樣品進(jìn)行研磨得到產(chǎn)品，并膠體磨研磨前后粒徑進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。從表中結(jié)果可以看出，除了第一組中膠體磨研磨后粒徑比5um稍大之外，其他各組的粒徑均符合產(chǎn)品要求。除此之外，我們還對選取的線速度對轉(zhuǎn)子、定子磨損的影響進(jìn)行了探究，最終結(jié)果如表2所示。我們對轉(zhuǎn)子和定子使用前后的厚度進(jìn)行檢測，計(jì)算出差值并記錄在表2中，由表可知當(dāng)我們選取線速度為25m/s時(shí)，膠體磨磨損較小甚至沒有磨損。

2化工研制膠體磨的應(yīng)用

2.1化工研制膠體磨在乳化炸藥中的應(yīng)用

根據(jù)多年的研究結(jié)果可知乳化炸藥的性能不僅僅受到原料和配方比例的影響，還與炸藥的生產(chǎn)工藝有很大的關(guān)系。生產(chǎn)乳化炸藥必不可少的一個(gè)工序就是乳化，炸藥的乳化過程所用的設(shè)備為膠體磨。膠體磨具有很多優(yōu)異的性能：能夠?qū)⒐腆w粉碎得到幾個(gè)微米甚至更小的產(chǎn)品;能使物料混合均勻，均勻度高達(dá)95%;能夠?qū)a(chǎn)生的乳化物分散，因此生產(chǎn)得到的乳膠很細(xì)膩，穩(wěn)定性較高，能夠長期保存。由于膠體磨生產(chǎn)得到的乳膠性能優(yōu)異，因此被廣泛應(yīng)用于化學(xué)生產(chǎn)工藝中。

膠體磨是進(jìn)行高效乳化的常用設(shè)備，它具有眾多優(yōu)勢：體積較小、出產(chǎn)率高、設(shè)備操作簡單易學(xué)、設(shè)備維護(hù)比較方便等。但是乳化炸藥的生產(chǎn)工藝與其他化學(xué)品不同，因此不能簡單將膠體磨應(yīng)用于乳化炸藥直接生產(chǎn)。造成乳化炸藥工藝特殊性的原因有：①乳化炸藥配方水相油相比例大，一般水相與油相比例為（96-93）：（4-7），因此在進(jìn)膠體磨之前的油、水相如果混合不均勻，就無法保證形成100%油包水基質(zhì);②直接乳化最容易造成膠體磨乳化過程中等重力或壓力擊穿。為了適應(yīng)乳化炸藥對乳膠基質(zhì)的要求，采用預(yù)乳和精乳的兩級(jí)乳化方案是成功利用膠體磨的最佳途徑。這里我們將膠體磨應(yīng)用于乳化炸藥的生產(chǎn)，采用的是半連續(xù)式生產(chǎn)工藝。

如圖7所示為膠體磨在乳化炸藥中的應(yīng)用流程圖。設(shè)計(jì)乳化炸藥的生產(chǎn)工藝流程時(shí)，預(yù)乳器選用的是普通的間斷式乳化罐，這種乳化罐可以將油和水兩相進(jìn)行初步混合，形成粒徑約為40um的油包水的粗乳小液滴，然后在泵的作用下推入到膠體磨中，進(jìn)行進(jìn)一步粉碎和均勻成乳。國內(nèi)很多乳化炸藥生產(chǎn)廠都是利用這種工藝流程。影響這種乳化工藝的因素很多，主要有油水的比例、乳化的溫度、時(shí)間以及液體流速等。由于在粗乳由泵抽人到膠體磨，再經(jīng)膠體磨作用形成精乳的過程有明顯間斷，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)該適當(dāng)提高油水兩相的溫度。通常，水相溫度應(yīng)該控制在120-125℃，油相溫度應(yīng)該控制在108-113℃，當(dāng)然具體的溫度設(shè)定還要根據(jù)具體的油水兩相的比列來調(diào)整。在乳化罐中形成的粗乳并不是很均一，因此在加入油水兩相的物料后需留5min左右的時(shí)間讓粗乳均化，同時(shí)粗乳的線速度不宜過大，以免破壞油包水的結(jié)構(gòu)。當(dāng)粗乳進(jìn)入膠體磨后，膠體磨轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速都會(huì)對產(chǎn)品造成影響，如果間隙和速度不合適，很容易破壞粗乳的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生破乳現(xiàn)象。

利用圖7的工藝流程進(jìn)行乳化炸藥的生產(chǎn)，設(shè)備需求少、操作簡單，不僅可以解決油、水比例不當(dāng)?shù)娜秉c(diǎn)，同時(shí)還能利用這種半連續(xù)的生產(chǎn)方式提高最終乳膠基質(zhì)的質(zhì)量。但是實(shí)際生產(chǎn)中也存在一些問題，由于是半連續(xù)性的工藝，因此不能進(jìn)行自動(dòng)化處理，那么就需要更多的人力，因此產(chǎn)出率相對較小。

2.2化工研制膠體磨在瀝青改性中的應(yīng)用

隨著我國公路建設(shè)迅猛發(fā)展與改性瀝青技術(shù)在公路建設(shè)上的廣泛采用，公路建設(shè)部門對改性瀝青技術(shù)指標(biāo)要求不斷提高，這里提到的改性瀝青是指高分子聚合物改性瀝青。膠體磨研磨的方法是瀝青改性的主要方法之一，該方法可以將與瀝青混合的改性劑在膠體磨的作用下粉碎成小顆粒，使其與瀝青的接粗面積增大，從而提高瀝青改性速度，同時(shí)改性劑均勻的分散在瀝青中還可以降低瀝青的敏感度，使軟化溫度和生韌溫度都有所改變，從而實(shí)現(xiàn)對瀝青的改性。

如圖8所示為膠體磨在瀝青改性中的應(yīng)用流程圖，以SBS改性瀝青加工為例，首先將SBS瀝青混合溶液通過泵的作用從進(jìn)料口泵入膠體磨的定動(dòng)盤中，然后，經(jīng)過多次研磨粉碎，從而完成瀝青的改性，最后將產(chǎn)品裝入成品罐中儲(chǔ)存。

3結(jié)語

膠體磨具有粉碎性能強(qiáng)，產(chǎn)出的產(chǎn)品混合均勻度高，設(shè)備操作簡單等優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于化工工藝生產(chǎn)中。文章具體闡述了膠體磨設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理、化工機(jī)械研制方法，以及化工研制膠體磨在乳化炸藥、瀝青改性等化學(xué)工程與工藝中的具體應(yīng)用。研究表明化工研制膠體磨在乳化炸藥、瀝青改性等化學(xué)工程與工藝中具有明顯優(yōu)勢。