一种丝网填料剪切乳化机的制作方法

本发明涉及乳液加工设备技术领域，具体涉及一种丝网填料剪切乳化机。

背景技术：

乳液是一种由两种或两种以上互不相溶的液体经混合、乳化后形成的分散体系。乳液体系在化工生产中有着重要的地位，日化产品生产、药物载体设计、相变乳液制备等都与乳液体系的尺寸和稳定性相关。

相变乳液是一种高效的冷却介质，其原理是将特定温度范围内高相变潜热的物质破碎为相变微粒分布在连续介质中形成稳定的分散系。由于相变微粒具有较高的相变潜热，因此相变乳液的热携带能力相对于单相液体大幅提升。

相变乳液的工业化生产需要高效的混合及剪切分散设备。液滴及微粒的破碎机理包括剪切破碎、拉伸破碎、湍动破碎、真空破碎、撞击破碎等，合理设计设备结构可以综合利用多种破碎机理，实现高效混合、分散。现有相变乳液的分散主要通过传统的剪切乳化机进行处理，主要利用剪切头转子与定子间狭窄缝隙内的高剪切力破碎液滴。这种设备虽然剪切作用强，但处理效率较低，制备小粒径分布的样品需要剪切处理的时间较长，难以满足相变乳液大规模连续化制备过程中高效混合、分散制备以及相变乳液在冷却系统应用中在线循环分散的要求。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中剪切乳化设备在制备小粒径分布的样品时、剪切处理的耗时较长，难以满足相变乳液大规模连续化制备要求的技术问题，从而提供一种丝网填料剪切乳化机。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种丝网填料剪切乳化机，包括：

混合腔室，包括相通的湍动混合区和剪切破碎区、至少两个供流体通向所述湍动混合区的进料管路和至少一个供混合流体从所述剪切破碎区排出的出料管路；

搅拌元件，在动力机构驱动下，在所述湍动混合区内形成湍动区域以使流体混合并为流体提供轴流动力；

剪切破碎元件，包括在所述动力机构作用下旋转、以对所述剪切破碎区内混合后的流体进行一次剪切乳化的丝网填料床，以及设置在所述剪切破碎区外侧的、对流体进行二次剪切乳化的动静态剪切环。

进一步地，所述丝网填料床由孔隙率90％－95％的细丝网构建而成。

进一步地，所述细丝网的直径为0.1－0.5mm。

进一步地，所述动静态剪切环包括：

静态环，包括若干周向间隔的静环剪切部件，相邻两所述静环剪切部件之间具有静环间隙；

动态环，绕其轴线方向活动设置在所述静态环的内周，包括若干周向间隔的动环剪切部件，相邻两所述动环剪切部件之间具有动环间隙；所述动态环与所述静态环之间具有环间缝隙。

进一步地，所述环间缝隙的大小为0.3－1.0mm。

进一步地，所述丝网填料床和所述搅拌单元均连接在所述动力机构的输出轴上。

进一步地，所述搅拌单元在所述动力机构作用下的旋转方向与所述湍动混合区内混合流体的旋流方向相反。

进一步地，所述搅拌元件为轴流叶轮，所述轴流叶轮的叶轮上设有孔洞。

进一步地，所述至少两个进料管路进入所述湍动混合区的方向均为所述湍动混合区的切向方向。

进一步地，所述进料管路进入所述湍动混合区的方向与混合流体的轴流方向之间的倾斜角为120－150度。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的丝网填料剪切乳化机，待乳化的至少两种流体分别通过进料管路进入湍动混合区后，动力机构驱动搅拌单元旋转，在湍动混合区及搅拌单元附近形成剧烈运动的湍动区域，至少两种流体实现湍动混合并发生湍动破碎。同时，搅拌单元为流体提供轴向输送的动力，初步混合后的流体通过搅拌单元输送到剪切破碎区，混合后的流体在剪切破碎区被高速旋转的丝网填料床剪切分割、撞击、拉伸完成一次的剪切乳化；最后，一次剪切乳化后的混合流体流经动静态剪切环，流体在动静环中间的狭缝内受到高剪切力的作用，进一步分散破碎为乳液，最终从出料管路流出。这种丝网填料剪切乳化机综合利用混合机理及分散机理，通过合理的机械结构设计，实现了混合及分散的一体化集成，相对于传统剪切乳化设备，该设备简化了工艺流程，降低了设备数量，提高了生产效率，可以完成相变乳液的高效混合及分散，实现相变乳液的规模化制备。

2.本发明提供的丝网填料剪切乳化机，采用孔隙率为90％－95％的细丝网构建而成丝网填料床，可以降低液体的流通阻力，减小能量损耗；同时细丝网高速旋转，可以对流体造成连续剪切破碎。

3.本发明提供的丝网填料剪切乳化机，当动态环与静态环发生相对运动时，流体在环间缝隙内，受到动环剪切部件和静环剪切部件的剪切力作用，流体可以进一步分散破碎，提高了至少两种流体的剪切乳化效果和生产效率。

4.本发明提供的丝网填料剪切乳化机，搅拌单元和丝网填料床安装在同一根输出轴上，实现了混合、剪切分散设备的一体化，简化了设备结构，克服了现有技术中混合及剪切分散需要至少在两台设备上完成的问题，提高了生产效率。

5.本发明提供的丝网填料剪切乳化机，搅拌单元的旋转方向与湍动混合区内混合流体的旋流方向相反，混合流体经过搅拌单元的叶轮时，与叶轮具有较大的相对速度，能使混合流体在湍动混合区内发生剧烈的运动，从而提高流体的混合效果。

6.本发明提供的丝网填料剪切乳化机，在轴流叶轮的叶轮上设有孔洞，一部分混合流体被叶轮泵送进剪切破碎区内侧的空腔，同时部分混合流体又经过叶轮上的孔洞从剪切破碎区内侧空腔回流进湍动混合区，在此过程中，两股混合流体进一步混合并破碎，可以进一步提高剪切分散效率。

7.本发明提供的丝网填料剪切乳化机，流体通过进料管路以湍动混合区的切向方向进入湍动混合区内，同时与混合流体的轴流方向形成倾斜角，可以使进入湍动混合区内的至少两股流体形成旋流并逆轴流方向撞击腔壁，然后形成回流；在此区域流体反复混合，湍动增强，两股流体能更快地实现初步混合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中混合剪切分散机构的结构示意图；

图2为本发明实施例中进料管路切向入口的结构示意图；

图3为本发明实施例中细丝网的结构示意图；

图4为本发明实施例中动静态剪切环的结构示意图。

附图标记说明：1、混合腔室；11、湍动混合区；12、剪切破碎区；13、进料管路；14、出料管路；2、轴流叶轮；3、电动机；4、丝网填料床；5、动静态剪切环；51、静态环；511、静环剪切部件；512、静环间隙；52、动态环；521、动环剪切部件；522、动环间隙；53、环间缝隙；6、密封件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示的一种丝网填料剪切乳化机，包括混合腔室1和安装在混合腔室1上的动力机构、以及安装在混合腔室1内部的由动力机构提供旋转动力的搅拌元件和剪切破碎元件。

其中，混合腔室1包括相通的湍动混合区11和剪切破碎区12、至少两个供流体通向湍动混合区11的进料管路13和至少一个供混合流体从剪切破碎区12排出的出料管路14。搅拌元件在动力机构驱动下，在湍动混合区11内形成湍动区域以使流体混合并为流体提供轴流动力。剪切破碎元件包括在动力机构作用下旋转、以对剪切破碎区12内混合后的流体进行一次剪切乳化的丝网填料床4，以及设置在剪切破碎区12外侧的、对流体进行二次剪切乳化的动静态剪切环5。

在本实施例中，进料管路13有两个，分别供连续相和分散相进入湍动混合区11内进行混合，出料管路14有一个，设置在混合腔室1的上方。当需要混合三种或以上的流体时，进料管路13还可以根据需要设置三个或以上。

在本实施例中，连续相和分散相分别通过各自的进料管路13进入湍动混合区11后，动力机构驱动搅拌单元旋转，湍动混合区11及搅拌单元附近形成剧烈运动的湍动区域，连续相和分散相实现湍动混合并发生湍动破碎。同时，搅拌单元为混合后的混合流体提供轴向输送的动力；初步混合后的混合流体通过搅拌单元输送到剪切破碎区12，被高速旋转的丝网填料床4剪切分割、撞击、拉伸完成一次的剪切乳化；最后，一次剪切乳化后的混合流体流经动静态剪切环5，混合流体在动静环中间的狭缝内受到高剪切力的作用，进一步分散破碎为乳液，最终从出料管路14流出。这种丝网填料剪切乳化机综合利用混合机理及分散机理，通过合理的机械结构设计，实现了混合及分散的一体化集成，相对于传统剪切乳化设备，该设备简化了工艺流程，降低了设备数量，提高了生产效率，可以完成相变乳液的高效混合及分散，实现相变乳液的规模化制备。

在本实施例中，丝网填料床4的外壁和混合腔室1的内壁之间设有密封件6，密封件6可以防止混合流体不经过丝网填料床4和动静态剪切环5直接沿混合腔室1的内壁流出，确保混合流体的剪切乳化效果。

在本实施例中，结合图2所示，丝网填料床4由孔隙率90％－95％的细丝网构建而成，其中，细丝网的直径为0.1－0.5mm。这种高孔隙率的细丝网可以降低液体的流通阻力，减小能量损耗；同时细丝网高速旋转，可以对流体造成连续剪切破碎。而且，是首次将丝网填料床4用于低粘度相变乳液的制备。进一步的，细丝网采用高强度耐磨金属材料制成，以保证机械强度及使用寿命。

在本实施例中，结合图3所示，动静态剪切环5包括围绕在丝网填料床4外侧的呈环状布置的静态环51和动态环52。其中，静态环51安装在混合腔室1的内壁上，包括多个周向均匀间隔的静环剪切部件511，相邻两静环剪切部件511之间具有静环间隙512；动态环52绕其轴线方向活动设置在静态环51的内周，包括多个周向均匀间隔的动环剪切部件521，相邻两动环剪切部件521之间具有动环间隙522；动态环52与静态环51之间具有环间缝隙53。动环剪切部件521和静环剪切部件511均具有刃口和斜导面；混合流体沿动环剪切部件521的斜导面进入环间缝隙53内，经过剪切加工后通过静环剪切部件511的斜导面流出到出料管路14。当动态环52与静态环51发生相对运动时，流体在环间缝隙53内，受到动环剪切部件521和静环剪切部件511的剪切力作用，流体可以进一步分散破碎，提高了连续相和分散相的剪切乳化效果和生产效率。在其他实施方式中，静态环51不一定是固定在混合腔室1上静止不动的，静态环51还可以以高于或低于动态环52的旋转速度转动，或者向相反的方向转动。

在本实施例中，动态环52和静态环51的相对运动速度优选为1000rpm－3000rpm，环间缝隙53为0.3－1.0mm。具体的环间缝隙53根据工艺要求的剪切强度确定，不同的产品对剪切率要求不同，可以参照剪切率公式：(其中，v为动静环的相对运动速度，δ为动静环之间的间隙)；设计动态环52和静态环51之间的环间缝隙53大小及运行中动态环52的旋转速度。

在本实施例中，动力机构为电动机3，电动机3通过变速机构驱动输出轴转动，搅拌单元和丝网填料床4安装在电动机3的同一根输出轴上。这种结构设置，实现了混合、剪切分散设备的一体化，简化了设备结构，克服了现有技术中混合及剪切分散需要至少在两台设备上完成的问题，提高了生产效率。

在本实施例中，搅拌单元为轴流叶轮2，在轴流叶轮2的叶轮上设有孔洞，一部分混合流体被叶轮泵送进剪切破碎区12内侧的空腔，同时部分混合流体又经过叶轮上的孔洞从剪切破碎区12内侧空腔回流进湍动混合区11，在此过程中，两股混合流体进一步混合并破碎，可以进一步提高剪切分散效率。

在本实施例中，轴流叶轮2在电动机3驱动下的旋转方向与湍动混合区11内混合流体的旋流方向相反，混合流体经过搅拌单元的叶轮时，与叶轮具有较大的相对速度，能使混合流体在湍动混合区11内发生剧烈的运动，从而提高连续相和分散相的混合效果。

在本实施例中，结合图4所示，两个进料管路13进入湍动混合区11的方向均为湍动混合区11的切向方向；同时与混合流体的轴流方向之间的倾斜角为45度。混合流体通过进料管路13以湍动混合区11的切向方向进入湍动混合区11内，同时与混合流体的轴流方向形成倾斜角，可以使进入湍动混合区11内的两股混合流体形成旋流并逆轴流方向撞击混合腔室1的腔壁，然后形成回流；在此区域流体反复混合，湍动增强，两股流体能更快地实现初步混合。

下面以一种低粘度相变冷却液的生产为例介绍本实施例提供的丝网填料剪切乳化机在相变乳液生产中的作用。选用十六酸十六酯作为相变材料，选用硬脂醇聚醚－100作为乳化剂，将有机分散相的混合物(相变材料+乳化剂)及连续相去离子水分别预热至相变材料的熔点以上(75℃)，然后利用泵送，分别将其通入分散相入口及连续相入口，通过该丝网填料剪切乳化机进行混合及乳化，剪切速率24，000s^－1。所制备的相变流体平均粒径(d50)为3－10μm。

综上，本发明实施例提供的丝网填料剪切乳化机，连续相和分散相分别通过各自的进料管路13进入湍动混合区11后，电动机3驱动轴流叶轮2旋转，湍动混合区11及轴流叶轮2附近形成剧烈运动的湍动区域，连续相和分散相实现湍动混合并发生湍动破碎。同时，轴流叶轮2为混合后的混合流体提供轴向输送的动力；初步混合后的混合流体通过轴流叶轮2输送到剪切破碎区12，被高速旋转的丝网填料床4剪切分割、撞击、拉伸完成一次的剪切乳化；最后，一次剪切乳化后的混合流体流经动静态剪切环5，混合流体在动静环中间的狭缝内受到高剪切力的作用，进一步分散破碎为乳液，最终从出料管路14流出。这种丝网填料剪切乳化机综合利用混合机理及分散机理，通过合理的机械结构设计，实现了混合及分散的一体化集成，相对于传统剪切乳化设备，该设备简化了工艺流程，降低了设备数量，提高了生产效率，可以完成相变乳液的高效混合及分散，实现相变乳液的规模化制备。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。