一种用于固体和液体混合的设备及其方法与流程

本发明涉及一种用于固体和液体混合的设备领域，特别是超细粉体与液体混合生成高粘度或高浓度液体的设备，本发明还涉及一种固体和流体混合的方法。

背景技术：

在将粉体分散并混合到液体的过程中，随着粉体技术和纳米技术的发展，粉体比表面大，表面吸附大量的气体，导致这些超细粉体与液体的浸润以及粉体在液体中分散很困难。

在zl02816085.1号的“用于混合固体和液体的设备和方法”专利(以下称“851号专利”)中，该专利采用等效喷射泵作用的压缩室，通过转子产生抽吸效应，结合两个球阀形成封闭的固体供给室、混合室和压缩室的工作区域，该工作区域形成真空状态，粉体在接触液体前，粉体表面的空气离开粉体，粉体再与液体接触实现粉体与液体的充分快速浸润。

在中国申请号201680047460.7的“用于使至少一种物质在流体中分散的装置和方法”专利申请(以下称“607号专利”)中，采用了类似851号专利的转子产生抽吸效应实现对流体的轴向和径向输送。

但是，将越来越多的超细粉体分散到少量的液体中形成高浓度或高粘度浆料的过程中，尤其是高浓度浆料中液体成分含量很少，或者浆料粘度很高的情况下，851号专利和607号专利的技术方案将会出现严重问题。具体而言，851号专利中，在第一阶段液体和固体颗粒接触之前，需要将液体旋转运动且加速到一个预定速度，同时也要将固体颗粒做旋转运动，在第二阶段固体颗粒和液体混合形成悬浮液的时候，进一步的要求悬浮液做旋转运动，并且悬浮液与第一阶段的液体旋转及固体颗粒旋转两个旋转同步，从而实现层流的效果，避免喷溅。为了维持液体、固体颗粒及悬浮液三者的旋转同步，实现层流效果，需要消耗很高的能量、机械复杂程度很高和强度要求很大、同步旋转相关设计复杂，设备运行过程中控制液体、固体颗粒及悬浮液三者的同步旋转是极难实现和控制的。但是，我们发现层流相对适当的紊流没有产生具有优势的分散和混合效果，适当的紊流会更有助于粉体在液体中的分散和混合，均匀输送固体和液体的流量控制可以有效避免严重的喷溅；此外，851号专利中固体颗粒与液体的同步旋转容易导致固体颗粒在固体供给室与混合室的交界处出现粉体搭桥的问题，尤其是固体颗粒是纯钛白粉或者碳粉时，粉体搭桥的问题更加严重。

第607号专利没有追求851号专利的层流效果，而是直接采用转子产生的泵效应，实现液体在轴向上的输送和径向上的输送以及将粉体抽吸到处理室与液体并进行混合，因此，第607号专利的转子需要实现将液体抽吸进入处理室、将粉体抽吸进入处理室，同时需要实现液体和粉体的混合，最后需要将混合液体排出处理室。第607号专利的转子在抽吸粉体和液体进入处理室的时候，由于液体流量和粉体输送速率无法控制，会导致液体不连续而出现空穴(气蚀)效应或者粉体大块被吸入的问题，两种问题分别都可以造成液体和粉体无法充分浸润和混合的问题，甚至可能会造成结块并堵塞；当然液体抽吸过多和粉体抽吸过少，也会造成混合的不均匀；同时，排出混合液也会因为上述原因造成故障。此外，转子一个器件实现抽吸、混合及排出等工作，耗能巨大，对于机械强度要求很大，尤其是在高粘度和高浓度液体的情况下，问题被剧烈放大。

因此，在固体(粉体)和液体混合的领域，尤其是液体与超细粉体混合形成高粘度和高浓度悬浮液的领域亟需一种结构简单、能耗低、控制简单、不易堵塞的混合设备。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构简单、能耗低、控制简单、不易堵塞的混合设备，特别是超细粉体与液体混合生成高粘度或高浓度液体的设备。本发明除上述优点之外，还进一步具有保证在设备工作过程中不会产生混合的物质泄露问题，保证设备运行安全，清理和维护简单的优点。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明涉及一种用于固体和液体混合的设备，所述设备包括至少一个固体供给装置；至少一个液体供给装置；液体分配室所供给的液体在其中以预定流量进行分配；固体输送室通过螺杆喂料装置将所述固体从固体供给装置输送到混合室；混合室用于所供给的固体与所述液体混合以形成悬浮液；以及转子室，所述悬浮液在该转子室中被旋转并从所述转子室的出口输出，从而在所述转子室的进口区产生抽吸效应，该抽吸效应基本上将所供给的固体表面的空气排出。通过上述装置，可以实现连续、均匀的输入固体，控制液体流量，防止液体出现空穴。

优选地，所述设备的转子室包括环形间隙，所述环形间隙由截锥转子和所述环形壁限定构成。通过该转子室实现液体加速，产生抽吸效应等效的喷射泵。

为了防止混合的物质的泄露，优选地，所述截锥转子上端连接主轴，所述主轴带动所述截锥转子旋转。

优选地，所述主轴上有螺纹，所述主轴和所述主轴上螺纹构成所述螺杆喂料装置。

优选地，所述转子室、混合室及固体输送室的两个连接处全部或者部分是可分离的连接结构。

作为与主轴和主轴螺纹组成的螺杆喂料装置并存或者独立存在的螺杆喂料装置，优选地，所述固体输送室包括输送轴，所述输送轴上有螺纹，所述输送轴和所述输送轴上螺纹构成所述螺杆喂料装置。

为了实现在不同时间对固体采用不同的输送速度，实现更好的固体和液体的浸润和混合，优选地，所述输送轴和所述输送轴上螺纹构成的螺杆喂料装置的喂料速度是可变化的。

优选地，所述液体分配室包括至少一个进口喷嘴和一个多孔环，实现所述液体分配室对液体的流量控制。

为实现固体与液体接触前进一步的分散固体，优选地所述螺杆喂料装置输出端的固体输送室内还包括分散锥体、筛网、粉体打散盘或分散销钉。

本发明也提供一种用于固体和液体混合的方法，供给液体以及以预定流量进行分配所述液体；通过螺杆喂料装置供给固体；将所述固体与所述液体混合以形成悬浮液；将所述悬浮液在所述转子室中旋转并从所述转子室的出口输出，从而在所述转子室的进口区中产生抽吸效应，该抽吸效应基本上将所供给的固体颗粒表面的空气排出。

优选地，所述螺杆喂料装置的喂料速度是可变化的。

附图说明

图1为本发明一实施方式中固体和液体混合设备的示意图；

图2为本发明另一实施方式中固体和液体混合设备的示意图；

图3为本发明另一实施方式中固体和液体混合设备的示意图；

图4为本发明另一实施方式中固体和液体混合设备的示意图；及

图5为在图2基础上改进的另一实施例的示意图。

主要元件符号说明

具体实施方式

为了使发明的目的、原理、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，正如本发明内容部分所述，此处所描述的具体实施例用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要特别说明的是，根据说明书的文字或者技术内容可以确定的连接或位置关系，为了图画的简洁进行了部分的省略或者没有画出全部的位置变化图，本说明书未明确说明省略的或者没有画出的位置变化图，不能认为没有说明，为了阐述的简洁，在具体阐述时不再一一进行说明，在此统一说明。

请参见图1，图1为本发明一实施方式中固体和液体混合设备10的示意图，所述设备10包括至少一个固体供给装置101，至少一个液体供给装置102，液体分配室103，固体输送室104及螺杆喂料装置1041，混合室105和转子室106。

在本实施方式中，需要混合的固体通过所述固体供给装置101存储并供给所述固体输送室104；若需要混合的固体有多种类型时，可以将多种固体通过一个固体供给装置101存储，也可以通过多个固体供给装置101存储。液体供给装置102用于存储并供给液体，其中，所述液体包括指悬浮液的情况，所述悬浮液是指液体与固体混合后的液体。在另外的实施例中，液体供给装置102可以是多个，一部分液体供给装置供给液体，一部分液体供给装置用于液体变成悬浮液之后的悬浮液的供给。在本发明的所有实施例中，以液体包括悬浮液的情况进行说明。举例而言，设备10开始工作一段时间，将液体和固体在转子室106内混合成悬浮液，然后通过转子室106的排出口1064排出转子室106，如果该悬浮液尚未达标或者设备10需对固体和液体进行循环混合，则排出口1064可以连接上述液体供给装置102，悬浮液通过液体供给装置102再次供给至液体分配室。

液体分配室103用于将液体供给装置102所供给的液体以预定流量进行分配。在本实施例中，所述将液体以预定流量进行分配液体可以使得液体分配室103中的液体流量充足，并且液体在液体分配室103中分布均匀，从而保证液体在液体分配室103中不产生气蚀的破坏作用，液体分配室103中的液体也不会出现空穴现象，从而避免设备10被损坏，也实现液体进入混合室105与固体接触时不会出现空穴，避免固体进入液体空穴形成结块，造成设备堵塞。举例而言，可以通过液体分配室103的进口喷嘴1031数量调整、液体供给装置102连接的液体输送泵(省略未画出)的转速分别改变或者两者结合改变实现液体流量的分配。举例而言，通过增加进口喷嘴1031的数量，实现液体进入液体分配室103后的流量充足和分布均匀；此外，通过对进口喷嘴1031增加液体输送泵，控制喷射压力实现液体分配室103中液体的流量充足和分布均匀。当然，可以通过调整进口喷嘴1031的角度来控制液体的流向，实现液体流量的控制。此外，图5也给出了一种采用多孔环1032实现液体流量控制的方式，所述多孔环1032位于液体分配室103内，进口喷嘴1031之下，所述多孔环1032上有多个透孔，液体流过透孔后可以实现液体的分布均匀和流量充足。

固体输送室104通过螺杆喂料装置1041将所述固体从固体供给装置101输送到混合室105。螺杆喂料装置1041可以将固体连续的、均匀的送入混合室105，从而避免固体与液体在混合室105接触的时候，出现固体过多或者过少的情况，固体过多则容易造成固体结块和堵塞的情况，也带来固体和液体浸润和均匀混合难度增加的问题；固体过少则会造成同一批所有固体和液体混合均匀难度大，需要增加循环混合次数实现同一批所有固体和液体的均匀混合。851号专利和607号专利都没有控制固体连续的、均匀的供给与液体混合，该两专利都会出现固体供给过多或者过少的情况。

举例而言，851号专利中第二球阀开启的时候，中间室中的松散固体清空到固体供给室中，全部的松散固体同时到达固体供给室使得粉碎叶片难以粉碎松散固体，进而可能导致过多松散固体送入混合室与液体接触，形成团块或造成堵塞，此外，压缩室的抽吸效应对松散固体的抽吸也会加剧该问题；与此同时，在851号专利要求松散固体在固体供给室中达到与加速室中的液体、压缩室中悬浮液三者同步旋转实现层流效果的要求之下，当全部松散固体同时到达固体供给室时，会使得松散固体达到三者同步旋转变得更加困难，即使实现同步旋转也需要复杂的结构和强度，增加大量的能耗，加剧设备磨损。并且松散固体达到悬浮液的同步旋转十分困难，如果达到了与悬浮液的同步旋转，则在此速度下旋转的松散固体由于离心力都集中在固体供给室的桶壁上，过分集中后容易导致结块和堵塞，尤其是在固体供给室与混合室连接处的桶壁上形成结块或堵塞或者粉体搭桥问题，如果固体是单纯的钛白或者是碳粉，粉体的架桥问题将会进一步的剧烈放大，在设备中极容易形成的粉体的搭桥。并且由于混合设备是高速运转的设备，受限于机械强度等因素，不能不断扩大压缩室的空间，混合设备在单位时间内处理的固体和液体的数量很大，同一批次的固体和液体需要循环混合才能达到均匀，851号专利存在在同一批次的前面工作阶段，松散固体过多进入混合室与液体浸润和混合，需要增加循环次数才能实现同一批次的固体和液体的浸润和均匀混合。此外，851号专利对于液体的流量没有控制，当液体流量不均匀或者流量不足时，液体在加速室中的旋转将会加剧对加速室产生的气蚀破坏，这样的情况下，当然也影响了松散固体与液体的浸润和均匀分散。

此外，607号专利存在与851号专利中过多或者过少粉体与液体混合结块或堵塞的相同问题。具体而言，607号专利没有实现851号中层流的要求，607号专利通过转子旋转产生的抽吸效应，在轴向和径向上对液体的输送会导致输送的液体流量不稳定，液体容易形成空穴，同时粉体也被转子产生的抽吸效应抽吸进入处理室与液体浸润和混合，进入处理室的液体流量不稳定以及粉体进入量不稳定极容易造成结块或者堵塞或者混合不均匀的问题。此外，这样的情况下，液体流量的不稳定同样也会出现液体对设备的气蚀破坏，进而进一步加剧液体中空穴的增加，从而加剧了结块或者堵塞等问题。

在图1所示实施例中，本发明使用螺杆喂料装置1041输送固体实现轴向的输送固体，不会产生与液体同步旋转的固体旋转；在图2所示实施例中，本发明使用的螺杆喂料装置1041由输送轴108和输送轴螺纹1081构成，输送的固体不会与液体同步旋转；当然，如果图1中主轴107和主轴螺纹1071构成的螺杆喂料装置1041和图2中的螺杆喂料装置1041同时在设备10中存在，也不会产生输送的固体与液体同步旋转。本发明通过螺杆喂料装置1041对固体的输送，实现固体不与液体同步旋转，一方面可以避免转子室106的抽吸效应对固体的抽吸产生不稳定，一方面可以连续的、均匀的将固体输送进入混合室105与液体混合，实现同一批的固体和液体的浸润和混合的均匀，减少混合的循环次数。

需要特别注意的是，图1和图2螺杆喂料装置1041的主轴107和输送轴108在附图中显示为圆柱体的形式，但是在本发明中，不应当将螺杆喂料装置1041限制解释为圆柱体形式的螺杆，更加不应该限制为一根螺杆。举例而言，参见图3和图4中的螺杆喂料装置1041采用的是两个以上的圆轮驱动扁平输送带，其中输送带上分若干区域，输送带上的分区可以实现固体的均匀和连续的输送。当然，即使将图3和图4中螺杆喂料装置1041称为链条输送带、链板输送带或者皮带输送带，该等输送带也属于本发明螺杆喂料装置1041的范围内。

此外，在存在多种类型的固体需要浸润和混合的情况下，本发明采用多个固体供给装置101及多个螺杆喂料装置1041分别对多种固体进行输送的方式也是本发明保护的范围之内的技术方案。

在发明的其他实施例中，螺杆喂料装置1041的喂料速度是可以调节和变化的。举例而言，图1中的螺杆喂料装置1041在不同批次的固体和液体混合过程中喂料速度是不同的，当然在同一批次的固体和液体混合的不同时间段内也可以采用不通过的喂料速度。在图2、图3、图4和图5所示的输送轴108和输送轴螺纹1081构成的螺杆喂料装置1041的喂料速度调节更加的灵活。对于螺杆喂料装置1041的喂料速度调整，可以与液体流量、液体的粘度、固体和液体混合均匀度等参数进行匹配后进行调整，从而实现更快和更均匀的固体和液体浸润和混合。

混合室105用于所供给的固体与所述液体混合以形成悬浮液。在本发明中，为使得设备10的固体输送室104和混合室105与外界空气隔离，以便形成真空或者接近真空的工作环境，可以通过在固体供给装置101设置阀门的方式实现与设备10外部空气隔离。固体通过螺杆喂料装置1041连续的、均匀的输入混合室105，液体分配室103以预定的流量将液体足量、连续和均匀的输入混合室105。由于螺杆喂料装置1041及其输入口的密封，当转子室106旋转使得液体加速通过转子室106并从转子室1064的排出口排出时，转子室产生了抽吸效应，等效于喷射泵的作用，该抽吸效应使得固体输送室104和混合室105中的空气随着液体进入转子室106并排出转子室，从而使得输送室104和混合室105进入接近真空的状态，同时也使得液体分配室103的液体喷射进入混合室105的动力更强。在本实施例中，在接近真空的状态下，使得固体输送室104中的固体表面的空气在真空环境中脱离固体表面，从而固体在与液体接触之前排除了固体表面的空气，固体与液体接触时不会被固体表面的空气阻碍两者接触，从而使得液体更加容易浸润固体。

相对851号专利而言，851号专利的固体供给室中固体颗粒做与加速室中的液体的旋转运动同步的旋转运动，同时要求混合室中的悬浮液与固体供给室中的固体颗粒、加速室中的液体同步旋转，从而在混合室中形成层流，此外，可以使得液体由加速室到混合室中时可避免液体的喷溅。但是，我们发现在本发明中，适当的紊流有助于液体和固体的浸润和混合，并且可以避免851号专利中固体颗粒在固体供给室与混合室的交界处形成粉体搭桥的问题。如果是单纯的钛白或者是碳粉，粉体的架桥是很容易在设备中形成的。正如607号专利不再要求达到层流要求一样，但607号专利对于液体的流量不予控制以及对粉体输入的不控制，导致固液比瞬间过大或者液体出现空穴，固体进入太多或者液体进入太少都会造成结块和堵塞等问题。

本发明的液体分配室103对液体流量控制，液体分配室103中的液体可以旋转也可以不旋转，即使液体分配室103中液体旋转也不用保持与固体和悬浮液同步的旋转。具体而言，当液体分配室103中的液体旋转时，固体输送室104通过螺杆喂料装置1041连续的、均匀的输送的固体不会与液体分配室103中的液体同步旋转，更加不会在混合室105中形成层流。连续的、均匀输送的固体使得不旋转的固体或者不与液体同步旋转的固体，在接触到预定流量输入的液体时候会产生适当的紊流，固体与液体相对于层流时产生更好的浸润和更快速和均匀的混合，与此同时，也不会产生607号专利中液体空穴或固液比瞬间过大后产生的结块和堵塞问题；再结合适当的紊流以及螺杆喂料装置1041强行的轴向输送固体，也避免了出现粉体搭桥的问题。在本实施例中的设备10，由于上述固体和液体输送的量可以控制且稳定，从而能够形成合理的固液比，从而可以承受超过30000cps高粘度浆料的混合而不会出现堵塞、结块或者粉体搭桥。当然，本发明的液体流量控制，保证液体输送量的充足和连续可以避免851号专利和607号专利中出现气蚀破坏作用。

本发明还包括转子室106，所述悬浮液在该转子室106中被旋转加速并从转子室106的排出口1064排出，从而在所述转子室106的进口区产生抽吸效应，该抽吸效应可以基本上将所供给的固体表面的空气排出。在本实施例中，所述转子室106包括环形间隙1061，其中所述环形间隙1061由截锥转子1062和所述环形壁1063限定构成。截锥转子1062的截面直径，沿着从转子室106的入口到排出口1064的方向整体逐渐增加，截锥转子1062在主轴107带动下，截锥转子1062表面的悬浮液实现从转子室106的入口到排出口1064的加速运动，在此加速运动过程中一方面产生转子室106的进口区的抽吸效应，另一方面也使得悬浮液中固体表面空气进一步的离开固体，实现固体和液体更加均匀的混合。

更进一步的，本发明的截锥转子1062上端连接一根主轴107，所述主轴107带动所述截锥转子1062旋转。本发明中固体和液体的混合设备10的固体和液体都是从上端添加下端输出，因此设备10的整体重心偏高，通常而言，将电机110等动力器件放置于设备10的下部是有利于设备10的重心稳定的。在本实施例中，将驱动主轴107的电机110放置于设备10的上端，主轴107从转子室106上部连接截锥转子1062，这样转子室106的底部是完整的一体，不需要为主轴107穿过转子室106的底部连接截锥转子1062进行开孔，当然不存在主轴107与转子室106底部之间的密封问题。

需要注意的是，对于本发明权利要求中没有限制主轴107位于截锥转子1062上端时，这些权利要求的的技术方案是可以采用电机110位于设备10下端的方式。

在本发明的实施例中，当电机110和主轴107位于截锥转子1062上端时，所述转子室106、混合室105及固体输送室104的两个连接处全部或者部分是可分离的连接结构。举例而言，在一种实施方式中，转子室106与混合室105之间采用螺纹的方式进行连接，同时，混合室105和固体输送室104之间采用螺纹的方式进行连接。在另一种实施方式中，转子室106与混合室105之间采用法兰件进行连接，同时混合室105和固体输送室104之间采用固定连接。螺纹连接和法兰件的连接方式使得被连接的器件可以被分离，有利于设备10的器件的清洗和维修。

参见图2为本发明另一实施方式中固体和液体混合设备10的示意图。在本实施例中，固体输送室104的范围向侧面进行扩展，固体输送室104中的螺杆喂料装置1041在侧面，螺杆喂料装置1041由输送轴108和输送轴螺纹1081构成，通过螺杆喂料装置1041上端的电机110带动输送轴108旋转，进而实现了螺杆喂料装置1041的旋转喂料。相对图1而言，螺杆喂料装置1041上端的电机可以与主轴107的电机110速度相同或者不相同，图1与图2的其他技术特征是相同的技术思路。在本实施例中，螺杆喂料装置1041的速度可以独立的进行调整，使得不同批次的固体输送速度，或者同一批次不同时间的固体输送速度都可以独立调整。

参见图3为本发明另一实施方式中固体和液体混合设备10的示意图。在图3所示实施例中，螺杆喂料装置1041是两个以上的圆轮驱动扁平输送带，其中输送带上分若干区域，输送带上的分区可以实现固体的均匀和连续的输送。当然，即使将图3中螺杆喂料装置1041称为链条输送带、链板输送带或者皮带输送带，该等输送带也属于本发明螺杆喂料装置1041的范围内。

图4为本发明另一实施方式中固体和液体混合设备10的示意图。在图3所示的固体输送室104侧面螺杆喂料装置1041存在的情况下，同时保持图1中主轴107和主轴螺纹1071构成的螺杆喂料装置1041。

图5为在图2基础上改进的另一实施例的示意图。在本实施例中，设备10的螺杆喂料装置1041输出端的固体输送室104还包括分散椎体、筛网、粉体打散盘、螺钉或分散销钉109。螺杆喂料装置1041对固体的轴向输送室强制性的，使得固体被挤压通过上述分散椎体109等，实现了固体的打散，也有利于固体输送室104中固体表面的空气脱离固体，从而有利于固体与液体在混合室的均匀混合。图1中螺杆喂料装置1041当然也可以设置类似的分散椎体109等器件。

在图5所示实施例中，进一步的包括多孔环1032，实现液体分配室103对液体的流量控制。具体而言，液体分配室103包括至少一个进口喷嘴1031用于液体的输入液体分配室103，进口喷嘴1031的数量可以为多个，进口喷嘴1031要实现足够流量的液体进入液体分配室103。在液体分配室103内，进口喷嘴1031下方安装有多孔环1032，多孔环1032可以均匀分布或者以特定形状和角度分布透孔，液体通过多空环后均匀分布于液体分配室103中。足量和均匀分布的液体避免了气蚀和液体空穴问题的出现。当然，在其他实施例中，多孔环1032上可以采用条形、菱形的形式的孔，而不必局限于圆形的孔。

本发明也提供了一种用于固体和液体混合的方法，以图5为例说明，固体供给装置101供给固体，并通过固体输送室104的螺杆喂料装置1041对固体进行连续的、均匀的轴向挤压输送，通过分散椎体109等分散所述固体；同时，液体供给装置102供给液体，并由液体分配室103以预定流量进行分配所述液体，保证液体不会出现空穴和气蚀现象；固体颗粒与所述液体在混合室105中混合以形成悬浮液；所述悬浮液在所述转子室106中旋转加速并从排出口1064排出，以在所述转子室106的进口区产生抽吸效应，该抽吸效可以基本上将所供给的固体颗粒表面的空气排出。

在另一实施例中，螺杆喂料装置1041的喂料速度可以改变，在同一批次的固体与液体的混合中不同时间段采用不同的喂料速度，具体的喂料速度可以参考液体流量、液体粘度、悬浮液的粘度、悬浮液中固体和液体的混合均匀度等进行改变。

值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。