另一方面,高强度混合在相对较短的时间内完成了混合,但以粒子降解(剪切)和机械能积聚造成的热输入为代价。简而言之,剪切的应用通常随着混合作用的强度而增加,因此出现了缺点。
理论
机械流化犁式混合器开创了一个新纪元,它提供了一种无需应用高剪切力即可快速、剧烈混合的方法。这是通过一种称为颗粒流化的方法实现的。颗粒流化,顾名思义,是指利用上升的工艺气体流分离和搅拌固体颗粒。机械流化是一种利用产品撞击旋转元件来分离和搅拌颗粒的过程。这通常在一个包含旋转轴的圆柱形水平容器中完成。旋转轴上有一系列旋转元件(犁)其设计用于提升和分离容器内的产品。叶片的设计、元件的数量和间距以及速度都有助于流态化。如果操作得当,所有颗粒都会在一个圆环中旋转,在悬浮状态下混合,同时向三个方向移动。
这种技术的总合是,给定适当的叶片设计,产品以如此温和的方式提升,很少发生剪切(即使混合作用非常强烈)。
这比气体流化有许多优点。在气体流化器内部,气体成为控制因素,带来了复杂流体力学问题。此外,使用可压缩流体悬浮粒子在粒子推进和推进剂气体调节方面效率低下。在机械流化器内部,流化直接由搅拌器的转速控制;这就变成了一个简单的机械变量。
应用程序
这项技术的应用有很多。由于温和而强烈的混合作用在一个封闭的独立环境中,存在一个完美的条件,各种化学过程发生。
就其本质而言,这种环境提供了最激烈的混合行动。这一行动是优秀的固体和多相混合。混合比例可达1:20 000。混合发生在很短的时间内,通常是几分钟。混合超过60万厘泊是可能的。这样做的原因有两个:混合物是流态化的(因此吸收了流体的力学),同时在三维空间中快速搅拌。三种最受欢迎的应用;颗粒造粒、干燥和反应,占整个行业的大多数安装。
粒子造粒
因为粒子是悬浮的,所以有一个最大的粒子表面积暴露在过程中。可以注入少量液体,以精确和一致的方式覆盖颗粒。可以使用粘合剂液体使颗粒凝聚。这种团聚方法的主要优点是产生了更多的剪切和颗粒对颗粒的接触;因此使用的粘结剂较少,生成的粘结剂更强。另一个优势是加工粘性产品的能力。高速研磨机迅速将液体均匀地分散到整个混合物中。典型的批处理周期通常少于10分钟。然后可以在同一容器中干燥造粒(见下文)。
真空干燥
三个变量,传热,表面积和蒸汽压,影响固体中水分的去除。真空干燥是已知的最有效的产品干燥形式。通过降低蒸汽压,水分可以在较低的温度下蒸发,比在大气中沸腾使用的热能更少。在气体流化床干燥机中干燥是困难的,因为必须提高蒸气压才能使颗粒悬浮。在机械流化床干燥器中,颗粒的运动和悬浮与蒸汽压无关。因此,通过正确地密封容器,可以实现低蒸气压(高真空)。
在低强度搅拌器中的真空干燥是缓慢的,因为颗粒(或膏体)没有有效地暴露在低蒸汽压或传热介质中。因为滚筒烘干机,真空烘干机,带状搅拌机,只是搅拌产品,只有特定的区域暴露在低蒸汽压在任何给定的时间。在流化床中,所有的颗粒都悬浮着,最大表面积暴露在低蒸气压下。
传热是最终变量。气体流化床烘干机利用推进剂气体以及加热的容器壳,将热量转移到产品中。这种转移由于耐受气体接触的产品,是高效的。然而,必须首先通过蒸汽线圈加热气体,该蒸汽线圈在传热方程中添加另一步。在低强度搅拌机中,搅拌产品,最终将与加热的容器壁接触。产品颗粒在机械流化床烘干机中,由于强烈的混合动作,“访问”船的壁以高速速度,因此快速拾取热量。
干燥过程中必须处理的最后一个因素是在干燥过程中结块的形成。当这种情况发生时,团聚体的外壳变得干燥,并且在一定程度上不透水,从而保护内部的水分不受低蒸汽压和可用热量的影响。此时的干燥过程趋于平稳,几乎没有水分被去除。容器内的自然机械作用最终会破坏这些结块,使内部水分暴露在低蒸汽压力下。不幸的是,这个过程是以牺牲时间和精力为代价的。一些机械流化床制造商提供高剪切式粉碎机(切碎机),该粉碎机以与旋转气流成直角的方式插入混合物中。这些磨机具有正确的叶片设计,可用于在结块形成时破碎结块,保持水分暴露,从而降低整体干燥时间。根据产品性质,这些磨坊可能相当有价值。
反应
在流化床混合机内,最大的颗粒混合和最大的传热可用,一个完美的反应环境存在。同样,这种作用完全与蒸汽压无关;因此,压力可以通过注气或放热反应来增加。在保持这些条件的同时改变压力的能力使这种类型的混合器成为一个非常有效的化学反应器。产品在混合机内可经历各种流变阶段,对混合作用影响不大。液体、固体和气体可以在反应器内以最亲密的方式在最适宜和准确的温度下结合。在正确的设计下,蒸汽压可以降低,使容器干燥和反应。在许多情况下,产品可以完全从其基本成分不离开工艺容器制造。如果某些成分对环境有害或有害,这一点就变得越来越重要。
设计
虽然基本动作保持不变,但需要使用混合器作为造粒机,干燥器,反应器等。对于大多数应用,这些涉及叶片变化,轴密封变化,容器结构变化(以适应压力和真空)),以及辅助附件,如真空过滤器堆叠和溶剂回收系统。
对于造粒和涂层,混合器必须配备有非堵塞的注射器,设计用于将液体成分正确分散到流化床云中。许多次高剪切厂用于帮助分散这种液体。为了正确应用液体,喷射器和磨机的正确设计和定位是至关重要的。
当使用这种型混合器作为干燥器时,尽可能地密封容器是非常重要的,以保持高水平的真空(低蒸气压)。这些干燥器通常需要少于0.1atm(784mmHg)的蒸汽压力。因此,需要主轴机械密封甚至机械研磨密封以防止过度的空气泄漏。门禁门和排放阀设计也大大影响了干燥机内可实现的真空水平。
值得注意的是,通过这些区域的泄漏,随着可实现真空的总体水平的降低,也会影响下游溶剂回收设备的设计。进入容器的大气泄漏的百分比等于通过液体冷凝器的不凝性气体的百分比。过多的泄漏率使其负荷下降,需要真空泵和冷凝器的尺寸更大,以处理等量的溶剂。如果不考虑这些泄漏,就会产生低效的溶剂回收系统,使未冷凝的溶剂进入大气。
工艺目标还定义了不同的搅拌器风格。一些叶片设计最大限度地提高混合效率,当需要低混合次数和高混合比时使用。这些通常是两个方向的犁风格,旨在分离和推动粒子在两个独立的方向。另一种型式是传热式,或刮刀式。它们只在一个方向推进,但提供更多的刮擦作用,并倾向于加强传热。
制造
该行业有多家此类设备的制造商;这些制造商在设计和结构上存在明显差异。在采购时,注意其中的一些差异非常重要。
许多混合机吹嘘自己是“流化床混合机”。有些只是重新设计的带式搅拌器或桨式搅拌器。桨叶或带子已被一系列犁代替,但速度和马力没有提高。由此产生的配置比最初的设计效率更低(尽管更干净和更吸引人)。当搅拌器在物料中旋转时,物料只是被来回搅拌。一些混合器称其行为为“流态化区混合”。通常这是一个典型的双元件桨叶混合器,设计用来将物料向上抛,使物料在混合器的上部中心处于悬浮状态。在任何给定时间,产品只有一部分流化,这就是使用这种设计取得的效率较低的原因。真正的流化床混合机将整个产品流化床化,这是其效率高的原因。这表明了更高的应用马力和转速,以及整个船的坚固的结构。 Even among the true fluidized bed manufacturers there exists a hierarchy.
建设
由于涉及到更高的马力和扭矩,良好的设计实践要求比通常在搅拌机中看到的更厚的壁厚和更强的轴承支撑。许多制造商倾向于采用不锈钢复合碳钢容器壁和搅拌轴作为降低成本的方法。由于所需的接头和涉及的薄量规,在机器的使用寿命期间,铁氧化污染的可能性非常大。更好的制造商仅在这些区域使用固体不锈钢。
制造商提供机械密封件吗?包装腺体,虽然在搅拌机行业使用多年,是一种恒定的维护问题,不能密封船只足以产生干燥所需的高真空。如何使用密封件,制造商提供快速转变,应该失败吗?制造商提供什么类型的放电?大多数融合器使用桨式放电。这种风格虽然易于制造,但需要弹性体来密封,这通常会随着阀门的开启和关闭而损坏。最佳这个阀门只能停止流动;它不是节流阀或控制阀。更好的阀门是半球形或球阀。
这些阀门采用剪切方式关闭,无需使用弹性体,并通过其动作实现自然节流。这些阀门的问题是,它们必须正确地设计,以便安装在尽可能靠近容器内部的地方。更好的制造商设计和制造他们自己的阀门,努力减少这种死区。
另一个存在设计差异的地方是加热(冷却)夹套结构。许多制造商使用波纹管或半管套来加热容器的外壳。这确实是一个较低成本的夹克比其他设计。问题在于热传递。窝形夹套中20%到50%的区域被用来将夹套焊接到血管壁上。可用热面积的减少大大降低了整体效率。一个更好的方法(尽管更昂贵)是使用一个折流罩设计来控制整个罩壁的流动。没有任何其他设计能与这种设计的效率相媲美。
这些是在设计和施工中存在差异的许多领域中的一些。这些差异导致不同制造商之间的价格差异很大。然而,相对于购买较小设计所付出的持续维护、性能和能量消耗,最初的价格往往是次要的。
总结
一个机械流化床过程系统的整体成功在很大程度上取决于设备的正确应用,以及为完成工作而设计的机器的最终配置。搅拌器设计,密封设计,充放电配置,马力,传热装置,辅助设备都有助于实现良好的安装。这类设备的最终配置在很大程度上取决于制造商的建议。这方面的许多信息可以通过中试工厂的试验得到开发。与购买机械流化床犁式搅拌机相关的很大一部分品牌决策来自于处理器在与某个制造商合作时的舒适度。在这种类型的购买中,通常需要大量的开发工作和对细节的关注;与制造商一起处理这些细节的能力会极大地影响项目的成功。