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          我國粉體造粒技術的現狀與展望

           

          概述
            粉粒體過程處理,是指生產中工藝物料是粉粒狀及其混合物的、且以物理變化為主的諸多單元操作,包括造粒、粉碎、分級、除塵、過濾、沉淀、離心分離、干燥、結晶、混合、輸送、給料、包裝等操作過程。其裝置稱為過程處理裝置。因主要用于反應合成后的生產流程,故亦稱為后處理或后處理技術。
            粉體造粒技術作為粉粒體過程處理的一個最主要分支,隨著環保需求和生產過程自動化程度的提高,其重要性日益彰顯?!胺蹱町a品粒狀化”已成為世界粉體后處理技術的必然趨勢。對粉狀產品進行造粒的深度加工,其意義主要體現在三大方面:一是降低粉塵污染,改善勞動操作條件(包括生產過程和使用過程);二是滿足生產工藝需求,如提高孔隙率和比表面積、改善熱傳遞等;三是改善產品的物理性能(如流動性、透氣性、堆比重、一致性等),避免后續操作過程(干燥、篩分、計量、包裝)和使用過程(計量、配料等)出現偏析、氣泡、脈動、結塊、架橋等不良影響,為提高生產和使用過程的自動化、密閉操作創造了條件。
            粉體造粒技術從廣義上可分為兩大類,一類是成型加工法,主要是將粉狀物料通過特定的設備和方法,處理為滿足特定形狀、成分、密度等的團塊狀物料;另一類是粒徑增大法,主要是把細粉末團聚成較粗的顆粒。限于篇幅,本文以粉體成型加工法為中心,論述我國粉體造粒技術的現狀和今后的動向。
            一. 粉體造粒技術的現狀
            粉體技術及其裝備作為一門專門的學科和獨立技術出現,在國外可追溯到二十世紀四十年代,在我國則從八十年代中期由化工部化工機械研究院粉體工程研究所最早進行專門系統研究[1]。經過多年的努力,目前,我國粉體造粒技術已有相當的水平,其設備的規模也有較大發展,已能基本滿足粉粒體顆?;囊?。按照實現小顆粒團聚的基本原理,可以把現有的粉體處理技術分為攪拌法、壓力成型法,噴霧和分散彌霧法、熱熔融成型法等四類[2]。
            1. 攪拌法
            攪拌法造粒是將某種液體或粘結劑滲入固態細粉末并適當地攪拌,使液體和固態細粉末相互密切接觸,產生粘結力而形成團粒。最常用的攪拌方法是通過圓盤、錐形或筒形轉鼓回轉時的翻動、滾動以及簾式垂落運動來完成的。根據成型方式又可分為滾動團粒、混合團粒及粉末成團三類。典型的設備有造粒鼓、斜盤造粒機、錐鼓造粒機、盤式造粒機、滾筒造粒機、捏合機、鼓式混料機、粉末摻合機(錘式、立軸式、帶式)、落幕團粒機(鼓式、振動給料器、連續流動噴射混合系統)等。其優點是成型設備結構簡單、單機產量大、所形成的顆粒易快速溶解、濕透性強,缺點是顆粒均勻性不好,所形成的顆粒強度較低。目前這類設備單機處理能力最大可達500t/h,顆粒直徑最大可到600mm[2],多適用于選礦業、化肥、精細化工、助劑、食品等行業。圖1為YQ型圓球狀攪齒造粒機工作原理圖。
            圖1 YQ型圓球狀攪齒造粒機工作原理圖
            2. 壓力成型法
            壓力成型法是將要造粒的粉體物料限定在特定的空間中,通過施加外力而壓緊為密實狀態。壓力成型的成功與否,一方面取決于施加外力的有效利用和傳遞,另一方面也取決于顆粒物料的物理性質。
            根據所施加外力的物理系統不同,壓力成型法又可分為兩大類,即模壓法和擠壓法。典型的模壓法設備有重型壓塊機、臺式壓榨機、混凝土塊壓制機、壓磚機、重型制片機等。其優點是可制造較大的團塊,所制成的物料也有相當的機械強度,缺點是設備的適用范圍較小,對有的物料不易脫模。這類設備多用于建筑、制藥等行業。
            擠壓法是目前我國粉體工業中壓力成型法造粒的主要方法,擠壓法造粒設備根據工作原理和結構可分為真空壓桿造粒機、單(雙)螺桿擠壓造粒機、模型沖壓機、柱塞擠壓機、輥筒擠壓機、對輥齒輪造粒機等。這類設備可廣泛適用于石油化工、有機化工、精細化工、醫藥、食品、助劑、染料、農藥、飼料、肥料、催化劑等行業。具有適應能力強、產量大、造粒品粒度均勻、顆粒強度好、成粒率高等優點。以SE系列螺桿造粒機為例,該系列按機內螺桿數量可分為單螺桿和雙螺桿兩類;按出料形式可分為前擠出和側擠出。螺桿直徑最大為240mm,成品顆粒直徑可在0.8mm-15mm內選擇,顆粒強度最高可達160N,單機處理能力最大可達2t/h以上。圖2為SE系列單螺桿擠出造粒機示意圖。
            進料口
            變螺距螺桿
            出料口
            圖2 SE系列單螺桿擠出造粒機示意圖。
            在SE系列單螺桿造粒機的基礎上研制成功的DLJ系列解碎造粒機可很好地解決膠狀體物料的破碎問題,可廣泛適用于高分子量聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉等膠狀體物料的解碎造粒,拓寬了擠壓法造粒的應用范圍。
            對于要求特殊形狀顆粒(如環狀、三葉草形、多孔狀等)的物料(如催化劑載體)造粒,一般采用柱塞擠出機來實現。這類設備多采用液壓傳動,根據活塞原理進行擠條造粒。液壓系統所產生的壓力,推動活塞將布料筒中的物料從特殊設計的模頭強行擠出,即可制得強度更高,表面更光滑的料條。目前對柱塞擠出機的研究已趨完善,柱塞直徑在50-250mm范圍,顆粒直徑在2-20mm范圍內可選,機頭壓力超過100t,可實現的顆粒形狀超過二十種。
            3. 噴霧和分散彌霧法
            噴霧和分散彌霧法是在特定的設備中使處于高度分散狀態的液相或半液相物料直接成為固體顆粒。這種造粒設備有噴霧干燥塔、噴霧干燥器、造粒塔、噴動床和流化床干燥器以及氣流輸送干燥器等。在噴霧時,液態進料(液體、膠質液、膏狀物、乳化液、泥漿液或熔融物)彌散在氣體(一般為空氣)中通過熱量傳遞或質量傳遞(或者兩個傳遞過程同時進行)而生成固體顆粒。有關顆粒生成的機理包括液態進料形成小滴而硬化成固體顆粒、液料沉敷在已有的粒核表面而形成固體顆粒、許多小粒子在噴入的粘結劑作用下粘聚在一起而形成團粒等。
            這種噴霧和分散彌霧造粒法的共同的特性為:
            a. 液態進料必須是可用泵輸送的和可彌散的;
            b. 造粒過程通常應為連續的、自動化的以及大規模的操作;
            c. 造粒系統必須設計成能回收或循環使用料末,以解決物料的磨損消耗和粉末夾帶現象;
            d. 產品粒度一般限制在5mm以下。
            這類設備的優點在于物料的造粒過程和干燥過程同時進行,可廣泛應用于各種行業的物料造粒,如制藥、食品、化工、礦業以及陶瓷工業等。其缺點是顆粒強度較低,粒度較小。
            目前這類設備可制備的顆粒直徑可小到50-500μm[2],甚至更小。產量最大可超過30t/h(如尿素造粒塔等)。
            4.熱熔融成型法
            熱熔融成型法是利用產品的低熔點特性(一般低于300℃),將熔融的物料,通過特殊的冷凝方式,使其冷凝結晶成所要求的片狀、條狀、塊狀、半球狀等形狀。根據成型設備的工作原理,主要可分為轉鼓結片機和回轉冷帶落模成型裝置。
            轉鼓結片是一個冷卻結晶過程,料盤中熔融料液與冷卻的轉鼓接觸,在轉鼓表面形成料膜,通過料膜與鼓壁間的熱交換,使料膜冷卻、結晶,結晶的料膜被刮刀刮下,成為片狀產品。
            轉鼓結片機具有設備緊湊,轉鼓精度高,冷卻效果好,適用范圍廣,既可結片又可干燥等優點??蓮V泛應用于石油樹脂、聚乙烯低聚物等高分子類產品以及苯酐、順酐、高級脂肪醇等有機化工產品。轉鼓結片機在我國粉體工業中的應用已較普遍,技術也較成熟。以DZ型轉鼓結片干燥機為例,轉鼓最大規格2300×3000(mm),單機生產能力最大超過4000kg/h,制片厚度在0.5-3mm之間。
            回轉冷帶落模成型裝置是利用產品的低熔點特性,將熔融的物料,根據其粘度范圍,通過特殊的布料裝置,將熔融液均布在勻速移動的鋼帶上。依物性和使用要求,可選擇連續滴落、連續出條和全寬度溢流等布料方式,以形成半球狀、條狀和薄片狀產品。在移動的鋼帶下設有噴淋冷卻裝置,使均布在鋼帶上面的物料邊移動邊冷卻、固化,從而定型。
            圖3是回轉冷帶落模成型裝置示意圖
            回轉冷帶落模成型裝置的性能特點:
           ?。?) 采用薄鋼帶傳熱和霧化噴淋冷卻,傳熱效果好,冷卻效率高,物料固化成形快;
           ?。?) 物料適用范圍廣,可實現的物料形狀多,半球狀、條狀、塊狀、薄片狀產品等均可實現;
           ?。?) 采用布料器與鋼帶雙調速驅動裝置,可根據生產能力及物性參數調節,易實現自動控制;
           ?。?) 整個生產過程無污染,產品純度高,無雜質帶入,易實現連續化作業;
           ?。?) 由于鋼帶在卸料端的換向彎曲,使固化料層與鋼帶的貼合面分離,因此卸料時粉化少,卸料容易,顆粒形狀易于保持。
            我國對回轉冷帶落模成型裝置的研究始于二十世紀八十年代中期,化工部化工機械研究院粉體工程研究所在吸收SANDVIK公司Rotoform系統先進技術的基礎上,自主開發了內旋布料系統,打破了國外公司專利保護和技術壟斷,實現了回轉冷帶落模成型裝置的國產化。目前,國內從事回轉冷帶落模成型裝置設計、研究、制造的單位有四、五家,多由該所衍生發展。設備已采用模塊化積木式設計,形成了鋼帶寬度從0.5m-1.6m,設備長度從2m-20m五個系列的產品??商幚淼奈锪辖?、七十種,單機產量超過6t/h,可生產直徑1.5mm-6mm的顆粒產品和0.4mm-5mm厚度的片狀及其它形狀產品。這一技術已工業化推廣應用100余臺套,取得了多項發明專利,技術水平已接近國際先進水平。
            二. 粉體造粒技術的展望
            隨著全球技術、經濟競爭的日益加劇及我國加入WTO的臨近, 人們對有效利用資源、提高產品質量和加強環境保護等的意識進一步加強,對粉體造粒技術要求也越來越高;另一方面,隨著高新技術與傳統粉體工業的融合,特別是計算機輔助設計/制造技術(CAD/CAM)在粉體造粒設備設計、制造中的運用,計算機DCS控制系統在粉體造粒設備操作運行中的運用,以及一些新材料(如鈉米材料)、新工藝等的采用都為粉體造粒技術的發展提供了良好的契機。目前我國粉體造粒技術發展的趨勢是向設備大型化,結構緊湊化,加工工藝高技術化,功能多樣化,效率高效化,控制系統自動化方向發展。
            1. 設備大型化
            隨著科學技術的進步和技術的發展,生產裝置大型化的優點越來越明顯,同時,CAD/CAM技術和精確應力分析技術的應用促進了機械結構設計和加工制造技術的發展,為粉體造粒設備的大型化提供了堅實的技術保障。目前,粉體造粒設備向著大型化方向發展,超大型的螺桿擠出機單機處理能力可達25~30t/h[3]。以SE系列螺桿造粒機為例,現有的設備螺桿直徑最大為240mm,單機處理能力超過2t/h。螺桿直徑為380mm,單機處理能力超過4t/h的超大型螺桿造粒機正在研制中;又如回轉冷帶落模成型裝置,研制中的冷凝鋼帶寬度超過1.5m,設備長度超過20m,單機處理能力超過6t/h。
            2. 結構緊湊化
            粉體造粒設備的另一個發展趨勢是結構緊湊化。設備的結構設計更合理,更緊湊,更符合人體工學原理,從而降低了制造成本,減少了占地面積,提高了勞動效率。以SE系列螺桿造粒機為例,采用電機直聯取代了傳統的皮帶傳動,使設備更緊湊,傳遞扭矩更大;采用變螺距設計,將物料輸送段、捏合和擠出段設計在一根軸上,使輸送、捏合、造粒一次完成。這些設計理念都代表著粉體造粒設備的發展方向。
            3. 加工工藝高技術化
            隨著粉體造粒設備應用領域的拓展,傳統的機械加工手段已不能滿足粉體設計技術的需要。未來粉體設備的加工工藝將向著高技術化方向發展。如采用計算機輔助設計/制造(CAD/CAM)技術進行螺桿螺紋型線的設計、加工,采用專用深孔加工設備加工冷帶落模機布料器細長孔,采用五坐標數控床實現空間扭曲葉片型線加工,采用激光、電火花加工微小孔徑模板,采用鈉米技術(鈉米涂料)處理擠出螺桿、回轉鋼帶以解決物料抱桿、產品脫模等。
            4. 功能多樣化
            粉體后處理工程是一個包括多學科、多門類的諸多單元操作的系統工程,要求粉體造粒設備的選用最好能減少中間工序,以節約投資;同時,產品的市場化需求也要求生產廠家能提供多種形式的產品。這就要求粉體造粒設備功能的多樣化。以QDL系列催化劑專用擠條切粒機為例,該機在普通單螺桿造粒機的基礎上,經過特殊改進設計,有擠條、切粒兩部分組成,可使擠條、切粒一機完成,同時,通過更換機頭模板,可得到不同粒徑、不同形狀的顆粒產品;又如RF型回轉帶式成型裝置,可通過更換布料器、溢流堰等部件,分別實現半球狀、薄片狀、塊狀、條狀等不同形狀的產品生產,極大地方便了用戶,真正實現了功能的多樣化。
            5. 效率高效化
            隨著人們節能意識的提高,對粉體造粒設備的效率提出了更高的要求。要求這類設備不但要滿足功能需求,而且還要節能、耐用,使用、保養、維修費用低,以降低產品成本。以DLJ240解碎造粒機為例,若采用傳統的電磁調速電機,用普通調速器調速,電機功率需45KW。若采用變頻調速電機,用變頻器調速,實際使用時可節能30%以上;再如NH系列雙軸差速式連續捏合機,由于采用特殊設計的高效捏合元件,和普通螺桿捏合機相比,操作時間縮短一半,效率提高一倍以上。這些技術的采用,都預示著高效率已成為粉體造粒設備設計追求的一個主要目標之一。
            6. 控制系統自動化
            隨著科學技術的進步和自控技術的發展,是否采用流水線作業和自動化控制已成為衡量粉體后處理技術先進與否的重要指標??刂葡到y采用自動化控制,不但可保證生產工序的流水作業,減輕操作人員勞動強度,更重要的是可保證生產過程的精確化和實時反饋,提高產品質量,降低設備故障率。以RF型回轉帶式成型裝置為例,若采用計算機DCS集散控制系統,不但可實現加料、造粒、輸送、包裝等流程的自動化操作,而且可通過各種溫度、壓力、流量、速度等傳感器,實時監控系統狀態,當系統狀態和工藝參數發生變化時,及時反饋變化情況,發出報警信號,并根據予設狀態調整參數,自動調整系統狀態,保證設備的正常運行??梢灶A見,控制系統的自動化必將極大地提高我國粉體造粒設備的技術水平,成為粉體造粒設備發展的必然方向。
            三.建議
            1. 由于造粒的過程本身就是一個復雜的物理變化過程,涉及到多個專業的協作,我國粉體造粒技術的發展除向本文所述六個方向發展外,還應該注重將設備的發展和工藝的研究結合起來,促使多個專業的交叉和融合。
            2. 粉體造粒作為一個新興的行業,正越來越受到人們的重視,其技術和造粒設備的發展日新月異,應用范圍也越來越廣,其范圍已超越了原來的粉體技術的定義[4],應將其從粉體技術的范疇中分離,歸入成型(造粒)技術的范疇。
            *李建平,男,1966年6月生,高級工程師,碩士生導師。
            參 考 文 獻
            1.粉體工程研究所.粉粒體技術及裝備.化工部化工機械研究院.1990
            2.(加)C.E.CAPES著.造粒技術.化學工業出版社.1992
            3.盧壽慈.粉體加工技術.中國輕工業出版社.1999
            4. (日)坂下攝等著,李克永等譯.實用粉體技術.中國建筑工業出版社.1983
            Present Situation and Progress in Powder Granulation Technology
            Li Jianping Li Chengzheng Wang Tianyong Tian Xian Yu Ailan
            Abstract The paper summarized present methods and equipments of Powder granulation technology and made a forecast for its progress.
            Key Word Powder Granulation technology Present Situation Progress
            http://info.plas.hc360.com/2008/06/17144835405.shtml

          【本文抄錄自網絡,謹向原作者表示感謝】


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