一种用于制备高固含量浆料的制浆设备及浆料混合系统的制作方法

本发明涉及粉体与液体混合领域，特别是涉及一种用于制备高固含量浆料的制浆设备及浆料混合系统。

背景技术：

在电池制造、食品、医药、涂料油墨等领域，需要将大量粉体颗粒与少量液体混合以制备高固含量的浆料，由于粉体中含有纳米材料和超细粉体，其比表面大，表面吸附大量的气体，导致这些超细粉体材料在液体中很难浸润，在液体中混合分散不均匀，容易分层和容易发生团聚沉淀等问题。

因此，为了实现粉体颗粒与液体的混合，现有技术主要采用有批次式以及连续式工艺。对于批次式制浆工艺，通常采用的典型设备是双行星搅拌机，其制浆工艺过程通常包括：粉体混合、加入部分液体后在高粘状态下进行捏合、继续逐次加入液体进行稀释和分散。其优势是设备简单、对物料的适应性强、品种切换容易，劣势是所需要的时间长、能耗高，且设备放大后难以保证浆料的均匀性和一致性。对于连续式制浆工艺，通常采用双螺杆结构，如中国专利cn103268931b公开的一种锂电池正负电极浆料生产工艺及系统，这种制浆工艺是将粉体和液体以精确控制的流量投入到螺杆的不同位置，在螺杆的不同区域完成粉体混合、捏合、稀释等工艺过程，从而连续输出成品浆料。但是双螺杆结构对粉体的混合效率低，进一步地，如中国专利cn206715709u公开的一种多种粉体与液体混合的浆料生产系统，其设置独立的粉体混合机对粉体进行混合。此类采用双螺杆的制浆机的优势在于连续化生产、能耗低、浆料一致性好，劣势是螺杆结构复杂、磨损大、动态计量精度要求高、对物料的适应性差(可能需要根据物料的不同来调整螺杆上的各种元件)、品种切换困难。

因此，为了解决上述的问题，浆料混合领域亟需一种用于制备高固含量浆料的制浆设备以及浆料混合系统，兼具批次式制浆以及连续式制浆工艺的优点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于制备高固含量浆料的制浆设备及浆料混合系统，通过采用半连续式制浆工艺，兼具批次式制浆工艺和连续式制浆工艺的优势，即结构简单、对物料的适应性强、能耗低、浆料的一致性好，并且磨损小、不需要高的动态计量精度。

本发明第一方面提供了一种用于制备高固含量浆料的制浆设备，其特征在于，包括竖直设置的转子以及位于转子外侧的定子，沿所述转子轴向在转子表面设置有第一凸出结构、在定子表面设置有第二凸出结构，所述第一凸出结构与第二凸出结构相互交错排列，所述定子与转子的间隙由上至下依次划分为粉体进口区、粉体打散区、捏合区以及稀释分散区，所述捏合区与稀释分散区设置有至少一个进液口，所述捏合区的液体流量小于稀释分散区的液体流量，稀释分散区连接制浆设备外部的缓存单元的一端，进液口与缓存单元的另一端连接。

该方案中，针对制浆过程的工序，对制浆设备大致划分为粉体打散区、捏合区以及稀释分散区等三个区域。粉体从粉体进口区连续投入时，转子上设置的第一凸出结构将粉体打散成弥散状态；随后在重力和转子上设置的第一凸出结构的作用下，粉体先在捏合区与从进液口进入的少量液体接触，形成高固含量高粘度的固液混合物。在定转子上设置的第二凸出结构以及第一凸出结构的搅拌作用下进行捏合，促进液体对粉体的润湿，并进行高强度的分散；然后让初步分散的高固含量的固液混合物在重力和转子上设置的第一凸出结构的作用下进入稀释分散区与从进液口进入的大量液体接触，被稀释并被定转子上的凸出结构进一步分散，从而使稀释分散区的固液混合物的固含量小于捏合区。随后位于稀释分散区的固液混合物被排出制浆设备，进入到与制浆设备连接的外部缓存单元，此时缓存单元中固液混合物的固含量小于捏合区的固含量，缓存单元将该低固含量的固液混合物重新输送至制浆设备内，以此使固液混合物中的固含量不断提高，直至粉体以及待混合的液体原料均投入完毕，固液混合物的固含量达到预定值，再进一步循环使得固液混合物的粘度、细度等指标达到预定值。

这种制浆工艺的优势在于：既保留了批次式制浆工艺的适应性强的优势，又结合了连续性制浆工艺效率高、能耗低的优势，且不需要连续式制浆工艺所要求的很高的动态计量精度，从而有利于降低成本。

在一种可能的实施方式中，所述捏合区与稀释分散区分别设置有一个进液口。

进一步的，结合第一种可能的实施方式，一部分待混合的液体原料预先投入缓存单元，其余部分的液体原料连接所述捏合区的进液口，且液体原料的流量与粉体的投入流量相匹配，使得捏合区中固液混合物的固含量维持在预定值附近；所述稀释分散区的进液口连接缓存单元，缓存单元中较低固含量的固液混合物输送到稀释分散区，提高固含量后又返回至缓存单元，如此循环，直至粉体与待混合液体全部投完，固液混合物的固含量达到预定值，再进一步循环使得固液混合物的粘度、细度等指标达到预定值。

在另一种可能的实施方式中，所述捏合区与稀释分散区共用一个进液口，该进液口覆盖捏合区和稀释分散区，但是捏合区的流道小于稀释分散区的流道。

进一步的，结合第二种可能的实施方式，所述缓存单元连接所述进液口，此时，待混合的液体原料全部投入缓存单元，通过进液口将该液体原料输入捏合区以及稀释分散区。从粉体打散区落下的粉体原料在捏合区与少量液体混合形成高固含量的固液混合物，在捏合区进行混合分散后，该高固含量的固液混合物进入稀释分散区并被大量的液体稀释成低固含量的固液混合物，并被进一步分散，随后该低固含量的固液混合物被排出至缓存单元中，缓存单元中的低固含量固液混合物又通过进液口进入制浆设备的捏合区以及稀释分散区，如此循环，直至粉体全部投完，固液混合物的固含量达到预定值，再进一步循环使得固液混合物的粘度、细度等指标达到预定值。在一种可能的实施方式中，为了使粉体与液体混合更充分，位于捏合区和稀释分散区的转子上的第一凸出结构与相邻的定子上的第二凸出结构在轴向上的间隙为1毫米至10毫米。

在一种可能的实施方式中，所述转子上第一凸出结构的横截面的长轴方向相对于转子的轴向方向存在一定的倾角，使得转子旋转时能够对物料形成向下的推动力。

在一种可能的实施方式中，稀释分散区中除了定转子上的凸出结构之外，还可以设置挡板在定转子之间形成小间隙的分散结构，进一步加强分散。所述的定转子上的挡板之间的间隙在1毫米至5毫米。

在一种可能的实施方式中，在稀释分散区的下方或者外侧还可以设置排料区，其中设置有与转子本体固定连接的排料叶片，排料叶片推动排料区中的浆料旋转运动，并且在离心力作用下大致沿切线方向将浆料排出，通过管道进入缓存单元。

第二方面，提出一种浆料混合系统，包括如第一方面以及第一方面可能实施方式的制浆设备，以及缓存单元、粉体输入设备、液体输入设备，粉体输入设备连接制浆设备的粉体进口区，液体输入设备用于在缓存单元与制浆设备之间输送液体。

附图说明

图1为本发明一实施方式中制浆设备剖视图；

图2为本发明一实施方式中制浆设备外部立体视图；

图3为本发明一实施方式中的制浆设备稀释分散区俯视剖面图；

图4为本发明一实施方式中的转子以及排料叶片示意图；

图5为本发明一实施方式中转子俯视图；

图6为本发明一实施方式中定子俯视图；

图7为本发明另一实施方式中制浆设备剖视图；

图8为本发明另一实施方式中制浆设备外部立体视图；

图9为本发明另一实施方式中的制浆设备稀释分散区俯视剖面图；

图10为本发明另一实施方式中的转子以及排料叶片示意图；

图11为本发明另一实施方式中转子俯视图；

图12为本发明另一实施方式中定子俯视图；

图13为本发明一实施方式浆料混合系统示意图；

图14为本发明一实施方式浆料混合系统示意图。

主要部件符号说明

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，在本发明创造的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。

根据背景技术部分的说明，本申请提出的制浆设备以及制浆系统特别适用于大量超细粉体与少量液体混合的场景，兼具批次式制浆以及连续式制浆的优点，并对制浆设备主体结构进行设计，使之与循环制浆的过程更加适应。

请参见图1至图6，为本申请制浆设备10的一个实施例，包括竖直设置的转子105以及位于转子105外侧的定子106，沿所述转子105轴向在转子105表面设置有第一凸出结构1051，定子106表面设置有第二凸出结构1061，所述第一凸出结构1051与第二凸出结构1061相互交错排列；所述定子106与转子105的间隙由上至下依次划分为粉体进口区101、粉体打散区102、捏合区103以及稀释分散区104。优选地，所述第一凸出结构1051与第二凸出结构1061覆盖所述捏合区103以及稀释分散区104；并且，为了使粉体与液体混合更充分，在一些实施例中，位于捏合区103和稀释分散区104的转子105上的第一凸出结构1051与相邻的定子106上的第二凸出结构1061在轴向上的间隙为1毫米至10毫米。所述捏合区103与稀释分散区104分别设置有一个进液口109，所述捏合区103的液体流量大于稀释分散区104的液体流量，对应图中，在该实施例中，采用捏合区103的进液口109的直径小于稀释分散区104的进液口109的直径的方式。转子105上的第一凸出结构1051的横截面的长轴方向相对于转子105的轴向方向存在一定的倾角，使得转子105旋转时能够对物料形成向下的推动力。

稀释分散区104中固液混合物排出至与稀释分散区104连接的制浆设备外部的缓存单元40，缓存单元40与进液口109连接，可以理解，此处的缓存单元40包括一切具备存储固液混合物能力的容器，具体可以是缓存罐，“连接”可以理解为管道连接等方式。在图1的实施例中，缓存单元40与稀释分散区104的进液口109连接，即形成固液混合物由稀释分散区104至缓存单元40，再至稀释分散区104的循环路径，固液混合物在其中不断循环以达到对固含量、粘度、细度等指标的要求。

以下，结合本实施例的工作过程，对本实施例中的各个部件的连接关系以及作用进行详细说明：

粉体通过设置在粉体进口区101的粉体入口1011投入制浆设备中，可选的，该过程采用螺杆输送设备，粉体输送到制浆设备的粉体打散区102，粉体在其中被转子105上的第一凸出结构1051打散成弥散状态；

一部分液体原料预先投入缓存单元40，其余部分的液体原料按照与粉体流量相匹配的流量从设置在捏合区103的进液口109输送到捏合区103，从粉体打散区102出来的粉体进入捏合区103与液体混合，成为高固含量的固液混合物，并进行初步的分散；

应当注意，粉体输送的过程与这部分液体原料的输送过程是同步的，即粉体和液体都是逐步添加，并同时完成添加的。

随后该高固含量的固液混合物在重力作用下进入到位于捏合区103下部的稀释分散区104，稀释分散区104的进液口109液体流量大于捏合区103的液体流量，前述高固含量的固液混合物与稀释分散区104进液口109输送进来的大量液体混合成为较低固含量的固液混合物，并被进一步分散；

从稀释分散区104出来的低固含量的固液混合物(浆料)被排出制浆设备，进入缓存单元40；优选地，在稀释分散区104的下方或者外侧可以设置排料区108，其中设置有与转子105本体固定连接的排料叶片1081，排料叶片1081推动排料区108中的浆料旋转运动，并且在离心力作用下大致沿切线方向将浆料排出，通过管道(可以理解，此处的管道与进液口109并非同一结构)进入缓存单元40。在一种实施例中，位于稀释分散区的定转子上还设置有挡板107，特别地，所述挡板107为波浪形，且挡板107之间形成1毫米至5毫米的间隙。

缓存单元40中的低固含量浆料又从设置在稀释分散区104的直径大的进液口109输送到制浆设备的稀释分散区104，与从捏合区103下来的高固含量的固液混合物再混合，进一步提高固含量后再回到缓存单元40，如此循环，直至粉体和液体原料全部投完，浆料固含量达到设定值。

继续将浆料从缓存单元40中输送到制浆设备的稀释分散区104，在定转子的作用下进一步分散，再回到缓存单元40，如此循环，直至浆料的粘度、细度等指标达到设定值。

应当注意，对于制浆设备各个区域的划分并且不同区域设置不同的结构是必要的，是与制浆的过程对应的。并不只是按照功能对区域的划分，而是结合结构的划分。举例说明，在捏合区103上部设置粉体打散区102是必要的，由于本申请的制浆设备一般用于超细粉体的混合，超细粉体由于比表面积大，而且捏合区103主要是对粉体与少量的液体原料捏合，如果没有设置粉体打散区102，粉体在进入捏合区103时，与液体原料的混合并不充分，容易出现结块的现象。而现有技术中采用双螺杆结构的制浆设备，由于双螺杆对粉体的打散混合效果并不好，通常采用外置的粉体混合和打散设备，先对粉体进行混合或打散，随后再输送至双螺杆设备中进行捏合，这样整套设备变得复杂且占用空间大。

也即，本申请中对区域的划分并不需要很精确，满足每个区域具备实现对应功能的结构，便落入本申请的保护范围。

图7至图12为本申请制浆设备10的另一个实施例。与图1的实施例区别在于，在本实施例中，减少了外部进液口109的设置，只设置有一个进液口109，所述进液口109覆盖捏合区103和稀释分散区104，此时捏合区103与稀释分散区104依然可以理解为二者均有进液口109连接。应当注意，为了保证捏合区103的液体流量小于稀释分散区104的液体流量。在该实施例中将进液口109设计成覆盖捏合区103和分散区，并通过控制进液口109的尺寸使得少部分液体进入捏合区103，大部分液体进入稀释分散区104，可选的，在一种可能的实施方式中，捏合区103的液体流道小于稀释分散区104的液体流道。

对应的，该制浆设备的工作过程与图1的实施例的工作过程也存在区别，具体的，结合图7所示实施例的工作过程对各个部件的连接以及工作方式进行说明：

位于制浆设备外部的粉体输送设备30将粉体从粉体进口区101的粉体入口1011输送到制浆设备的粉体打散区102，粉体在该区域内被转子105上的第一凸出结构1051打散成弥散状态；

液体原料投入缓存单元40，将缓存单元40中的液体通过进液口109输送到捏合区103和稀释分散区104，从粉体打散区102出来的粉体进入捏合区103与液体混合，成为高固含量的固液混合物，并进行初步的分散；

从捏合区103出来的高固含量的固液混合物进入稀释分散区104进一步与液体混合，成为较低固含量的固液混合物，并被进一步分散；

从稀释分散区104出来的固液混合物(浆料)进入排料区108后被排出制浆设备，进入缓存单元40；

缓存单元40中的浆料又从进液口109输送到制浆设备中的捏合区103和稀释分散区104，进一步提高固含量后再回到缓存单元40，如此循环，直至粉体全部投完，浆料固含量达到设定值。

继续将浆料从缓存单元40中输送到制浆设备，在定转子的作用下进一步分散，再回到缓存单元40，如此循环，直至浆料的粘度、细度等指标达到设定值。

可以理解，图1的实施例与图7的实施例由于进液口109的设置位置不同，采用的工作方式也不同，位于图1的实施例的捏合区103的进液口109是用于投入液体原料的，其流量需要与粉体的流量相匹配，但这里对动态计量的精度要求不高，只需要保证捏合区103中的固液混合物的固含量稳定在一个设定值附近就行。图7的实施例的捏合区103和稀释分散区104共用一个大的进液口109，液体原料直接投入缓存单元40，然后让液体在制浆设备和缓存单元40之间循环，捏合区103中固液混合物的固含量不是固定的，而是随着粉体的投入逐渐升高的。但图1的实施例与图7的实施例的相同点是捏合区103中固液混合物的固含量始终大于稀释分散区104中固液混合物的固含量，并且缓存单元40都是和进液口109相连接的。

本申请的制浆设备所结合的制浆工艺的优势在于：既保留了批次式制浆工艺的适应性强的优势，又结合了连续性制浆工艺效率高、能耗低的优势，且不需要连续式制浆工艺所要求的很高的动态计量精度，从而有利于降低成本。

对于制浆设备本身的结构，本申请的制浆设备采用一种简单的带有第一、第二凸出结构的定转子结构，且定转子之间的间隙较大，通常大于2毫米，对尺寸精度的要求不高。但这种带有凸出结构的定转子之间的相对运动足以对固液混合物进行充分的搅拌，形成复杂的流场，从而实现物料的高效混合分散。相比之下，双螺杆机虽然也能实现混合分散，但是螺杆上的螺片结构复杂，且间隙很小，通常小于1毫米。加上螺杆的轴很长，对尺寸精度的要求很高，导致整体设备成本很高。

如上所述，在图1以及图7实施例的基础上，本申请提出了一种浆料混合系统，包括粉体输送设备30、液体输送设备20、缓存单元40以及图1以及图7的实施例所示的制浆设备，制浆设备的稀释分散区104排出的固液混合物输送到缓存单元40，缓存单元40内的固液混合物通过液体输送设备20、进液口109，进入到制浆设备中。应当注意，对于图1的实施例，该进液口109为位于稀释分散区104的进液口109，对应的浆料混合系统如图13所示；对于图7的实施例，该进液口109为覆盖捏合区103以及稀释分散区104的进液口109，对应的浆料混合系统如图14所示。所述粉体输送设备30与制浆设备的粉体入口1011连接，优选为螺杆喂料装置，所述液体输送设备20优选为输送泵。值得注意，无论是图13的实施例或者图14的实施例，固液混合物均存在稀释分散区104与缓存单元40之间的循环；但相较图13，图14的实施例在少一个进液口109的情况下，同时存在捏合区103和缓存单元40之间的循环。

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。