文/杨磊
中国海诚工程科技股份有限公司，上海200030
摘要：涂料工程调配工艺粉料系统涉及到的工序包括粉碎、分级、干燥、混合、除尘、输送、包装等。基于粉料操作工序的实际情况，给出了具体而有针对性的工程设计及解决方案。详细描述了涂料工程中，正压稀相单点取料多点下料调配系统，以及负压稀相多点取料单点下料调配系统的工程流程，并对流程中涉及的特种设备及特殊控制方案进行了相应的阐述。
关键词：调配工艺；气流输送；粉体设备；工作机理；工程设计
Powder System and Engineering Design of Coating Engineering Blending Process
Yang Lei
(China Haisum Engineering Co., Ltd., Shanghai 200030, China)
Abstract:The powder system involved in the blending process of coating engineering includes crushing, grading, drying, mixing, dust removal, conveying and packaging. Based on the actual situation of powder operation process, specific and targeted engineering design and solutions are given. This paper describes in detail the engineering process of positive pressure thin phase single point taking and multi-point discharging blending system, and negative pressure thin phase multi-point taking and single-point discharging blending system, and describes the special equipment and special control scheme involved in the process.
Keywords:blending process；air transport；powder equipment；working mechanism；engineering design
01、技术背景
涂料工程调配工艺中，需要添加各种粉体原料、辅料或助剂。而在此过程中，粉料系统实际生产的操作工序，往往是人工开袋，人工投料，人工搬运。这个过程，不仅大大造成损害操作人员身体健康等的职业卫生问题，而且还造成粉尘飞溅及粉尘爆炸等的安全问题。为解决此类难题，有必要对涂料工程调配工艺中粉料系统进行全过程通盘考虑，而其中粉料的进料、输送、除尘、进料、混合等工序，是整个工程设计的核心部分。在此工程设计中，需将多种粉体设备进行组合，以此达到长距离、大体量、无污染、及高流速输送粉料的目的。
涂料工程调配工艺粉料系统，涉及众多非标设备，各种设备实现的功能各不相同。为了应对生产操作的连续化，以及工厂工程设计的数字化转型，有必要对相关设备进行分类汇总，并阐明其工作机理。我国粉体设备制造业经过几十年的开发，已经过引进、模仿、制造，而进入自我研发的新阶段。国外主要机型，国内都有制造企业[1]。粉体工业由于它的广泛性、前沿性和实用性，在整个国民经济中具有十分重要的战略地位[2]。
02、设备选型
涂料工程调配工艺粉料系统，按照不同的功能或工段，其设备种类主要可以分为以下7大类：(1)粉碎；(2)分级；(3)干燥；(4)混合；(5)除尘；(6)输送；(7)包装。对同一功能的设备，按不同的工作原理，又可细分为不同类型的设备。
在充分理解并掌握设备的工作原理条件下，才能针对不同的工段、工况及需要实现的功能，来选择合适的设备类型。以下是有关涂料工程粉体系统，8种大类及其细分类型设备的工作原理阐述。
2.1 粉碎
粉碎设备主要包括以下5种：(1)气流粉碎机；(2)砂磨机；(3)搅拌磨；(4)锤式粉碎机。
2.1.1 气流粉碎机
工作原理：多个相对布置喷嘴形成高速的气流，同时利用高速的气流，将物料加速到音速，并在喷嘴的交汇点，进行对撞，从而实现粉料的破碎。
2.1.2 砂磨机
工作原理：粉料被输送进设备筒体后，在筒体内研磨介质的撞击下，一起旋转搅动并分散。在此过程中，大颗粒的粉料，被强烈的碰撞、研磨、挤压，从而形成更小的颗粒，最终达到分散大块料团的目的。
2.1.3 搅拌磨
工作原理：粉料通过泵从设备的筒底进入，设备的筒内设置磨剥结构，磨剥器会在转轴的带动下，进行高速的旋转。通过磨盘的强力，进行搅拌和分散。在此过程中，大颗粒的粉料，被强烈的碰撞、研磨、挤压，从而形成更小的颗粒，最终达到分散大块料团的目的。
2.1.4 锤式粉碎机
工作原理：粉碎通过进料装置进入粉碎腔的中央，经高速多频次的交叉敲击转刀碰撞达到细化的颗粒，一旦样品颗粒尺寸小于筛网孔径，它们便进入到接收容器中。转刀通过加料通道吸入大量空气，由此加快粉碎好的样品离开粉碎腔的速度。
2.2 分级
粉碎设备主要包括以下5种：(1)气流分级机；(2)振动筛；(3)分样筛；(4)旋流器。
2.2.1 气流分级机
工作原理：充满粉粒的主气流先进入分级机底部的涡卷室，涡卷室主气流产生的漩涡力，与预分级室次气流产生的离心力，相互作用下进行预分级，较粗粉粒先行分出。其余含更细的粉磨气流则被带入终分级区，分级机出口装有三个或多个转子的自动分级机，以进行终分级选粉工作。
2.2.2 振动筛
工作原理：设备上设置有连轴干，轴杆的上部为运动发生器，而轴杆的下部为偏心重量块。通过轴杆上下运动，从而产生不同频次的振动。粉料在振动过程中，通过不同层级的筛孔，筛分出不同粒径的粉料。
2.2.3 分样筛
工作原理：由立式振动电机作为整机振动源，通过振动电机带动上部振动盘振动，再通过振动盘传导至安放在振动盘上部的筛框上，然后由需要检测目数的筛框把小于筛网孔径的物料颗粒筛分至下层筛框，如此层层筛选，使每层试验筛内只留相同粒度的物料，达到不同粒度的分离并确定此物料的粒度组成。
2.2.4 旋流器
工作原理：将需要分离的两相混合液，以一定的压力从旋流器柱体上部的入料口，送入旋流器后，产生强烈的三维椭圆形强旋转剪切湍流运动。由于重相与轻相之间的密度差，物料受到的离心力、向心浮力、流体曳力等大小不同。受离心沉降作用，大部分粗颗粒经旋流器底流口排出，而大部分细颗粒由溢流管排出，从而达到分离分级的目的。
2.3 干燥
干燥设备主要包括以下5种：(1)喷雾干燥机；(2)干燥箱；(3)带式干燥设备；(4)流化床干燥设备。
2.3.1 喷雾干燥机
工作原理：外界的空气，经过加热设备加热后进入到干燥塔内，在塔内设置有喷嘴，可以将液态的料液进行雾化，形成微小的液滴。雾化料液与热空气充分换热，进而蒸发出液料中的水分。
2.3.2 干燥箱
工作原理：当温度低于或高于箱内设定的温度时，温度控制器会控制加热器的开停，从而控制箱内的温度。自带的鼓风机使箱内的空气进行流动，湿空气流动到加热器后，再进入到工作室。在工作室内，加热后的空气与含水物料进行热量交换，进而蒸发出液料中的水分，最终达到干燥物料的目的。
2.3.3 带式干燥机
工作原理：物料由加料器均匀地铺在网带上，网带在干燥机内循环往复进行移动。加热的空气，从不同的方向，流过铺满了湿物料的网带，热空气与含水物料进行热量交换，进而蒸发出液料中的水分，最终达到干燥物料的目的。
2.3.4 流化床干燥机
工作原理：空气经加热净化后，由引风机从下部导入，并穿过工作室内料斗的孔网板。在工作室内，物料经搅拌和负压作用形成流态化，湿组分快速蒸发后随着排气带走，从而使物料快速干燥。
2.4 混合
混合设备主要包括以下5种：(1)锥形双螺旋混合机；(2)无重力双轴桨叶混合机；(3)螺带混料机；(4)高剪切乳化机。
2.4.1 锥形双螺旋混合机
工作原理：该机主要由对称双螺旋、传动机构、锥形筒体及出料装置等组成。运转时由变速传动机构使锥形筒体内两根螺旋快速自转[3]。螺旋搅拌轴在转动的同时，整个设备筒体，也可做上下旋转运动。通过螺旋的自转、以及设备的公转，物料在设备内经过反复的提升、剪切、扩散等相互运动，最终实现混合目的。
2.4.2 无重力双轴桨叶混合机
工作原理：卧式筒体内两根搅拌等速反向旋转，工作室内特殊布置的桨叶，确保物料径向、环向、轴向三向运动，从而形成复合循环，最终在短时间内使物料达到均匀混合。
2.4.3 螺带混料机
工作原理：由安装于搅拌轴上的内外径螺旋杆，带动物料在桶体内做较大范围的翻转运动。搅拌轴上的螺杆，设计成内外、左右互为反螺旋杆。搅拌器工作时，内螺旋杆带动靠近轴心处的物料做轴心旋转，轴向由内至两侧推动；外螺旋杆带动靠近桶壁物料做轴心旋转，轴向由两侧至内推动，于是造成物料在桶体内对流循环、剪切渗混，最终完成物料在较短时间内快速均匀混合。
2.4.4 高剪切乳化机
工作原理：利用特殊转子的高速旋转产生真空，把粉末均匀地吸入工作腔，并将其均匀地分布在快速流动的液流中。在液流中，粉末被瞬间完全湿润，从而使液体和粉体瞬间达到快速分散或溶解目的。为避免粉体直接投入产生团块难以分散溶解，工作室内设有一个高剪切定转子结构，使得聚块物最终得以完全湿润和分散均匀。
2.5 除尘
除尘设备主要包括以下5种：(1)湿式除尘器；(2)旋风除尘器；(3)滤筒式除尘器；(4)静电除尘器。
2.5.1 湿式除尘器
工作原理：被真空泵吸入的含尘气体从设备底部进入，设备顶部设有喷头，从喷头中喷出的水在设备中自上而下运动，雾态喷液与自下而上的含尘气体进行充分的混合。在此过程中，气相中的粉尘不断被水相所捕集，最终达到除尘的目的。
2.5.2 旋风除尘器
工作原理：含尘气体从设备上入口进入，气流在筒体内做圆周运动。旋转的气流，沿筒体内壁自上而下运动。气体中的含尘颗粒，在离心力的作用下被抛向器壁。抛向器壁的粉尘在接触器壁后，便失去了惯性力，最后在重力的作用下沿筒体内壁滑落进底部的集尘器。
2.5.3 滤筒式除尘器
工作原理：设备内设置有众多竖直或水平状的滤筒，滤筒由滤布卷制而成，含尘气体在进入设备后，通过滤布的拦截，粉尘被捕集在滤筒上，清洁的空气则由设备顶部排出。过滤筒长期操作后，积累的粉尘将影响正常的过滤效果，设备设有定期空气反吹除尘附件。
2.5.4 静电除尘器
工作原理：含尘气体通过电除尘器主体结构前的气体通道时，使含尘气体带正电荷，然后含尘气体进入设置多层阴极板的电除尘器通道。由于带正电荷粉尘与阴极电板的相互吸附作用，使含尘气体中的颗粒粉尘吸附在阴极上。
2.6 输送
输送设备主要包括以下5种：(1)罗茨真空泵；(2)粉体输送专用隔膜泵；(3)斗式提升机；(4)螺旋输送机；(5)管链输送机。
2.6.1 罗茨真空泵
工作原理：设备中的转子进行不断的旋转，带动气体不断被吸入转子和泵壳间的腔体内，同时，通过出气口气体得以排出。在罗茨真空泵设备内，设置有一对平行的轴，该轴由一对齿轮皮带，带动转子向朝反向做旋转的运动。
2.6.2 粉体输送专用隔膜泵
工作原理：粉体输送专用隔膜泵系统堆加了一组特殊的阀，在每个泵循环中，根据一定的时间顺序，将压缩空气同引入泵的腔体，使在粉体的泵送过程中保持流动状态。流化气体和泵的马达驱动气体可以分离，避免物料空气接触氧化和潮解。
2.6.3 斗式提升机
工作原理：料斗把物料从下面的储藏中舀起，随着输送带或链提升到顶部，绕过顶轮后向下翻转，斗式提升机将物料倾入接受槽内。链传动的斗式提升机装有两条平行的传动链，上或下面有一对传动链轮，下或上面是一对改向链轮。
2.6.4 螺旋输送机
工作原理：当物料从装载口进入螺旋输送机内时，螺旋轴开始转动，物料与槽体壁相互挤压产生摩擦力，使物料在叶片的推送下沿着输送机的槽底向前移动。物料一般缓存于投料缓存仓中，当目标设备需要物料时，通过螺旋输送机和切断阀将物料输送至不同的带除尘装置和计量装置的缓存仓[4]。
2.6.5 管链输送机
工作原理：依托齿轮翻滚管链，再由管链上的碟片带动物料完成整个运送过程。
2.7 包装
包装设备主要包括以下3种：(1)全自动粉剂包装机；(2)全自动阀口包装机；(3)敞口型定量包装机。
2.7.1 全自动粉剂包装机
工作原理：主要由计量装置、传动系统、横封装置、纵封装置，切断装置、成型器，光电监测系统等几部分构成。物料从加料斗进入，在螺旋供料器的作用下不断混合，自动卸料至螺旋提升机的缓存料仓。缓存料仓通常是容积固定的量杯，因此可以完成定量。然后提升机自动提升已经被定量的物料，充填到已经自动制袋成型的包装袋中，包装机完成自动封切，得到成品。
2.7.2 全自动阀口包装机
工作原理：自动阀口包装袋精确设置在包装机出料口，机械手根据系统指令自动升降，机械手升降到位后，抓包机会自动伸直，抓取包装袋。接下来夹紧筒将包装袋从两个方向夹紧。完成包装过程后，机械手自动回复到位，包装袋自动设定在包装机出料口。
2.7.3 敞口型定量包装机
工作原理：由定量称重系统、预送带和封口机、缝包机、输送带等组成。物料在包装机上，先后经过计量、夹袋、充填、封口、缝包、传送等工作。
03、工艺流程设计
粉体输送技术设备主要有机械输送设备和气力输送设备两种，二者在设计、制造、输送工艺上都有着显著差异，相较而言，气力输送设备综合经济效益更好，因此得到了广泛的应用[5]。本文针对涂料系统粉料特点，拟采用气力输送方式，对调配工艺中的粉料系统进行工程设计。
气力输送又可称为气流输送，其机理是利用气流产生的能量，在管道内沿运动方向推动颗粒状的物料进行运动。气力输送也是一种流态化应用技术。气力输送装置有如下特点：流程简单、结构简易、调控方便。而且粉体物料在管道内，即可水平方向，又可垂直方向，还可倾斜方向进行流动。粉料在管道的输送过程中，还可进行多种单元操作，如干燥、加热或冷却、分级等物理或化学操作。装卸料方式上，既可以在一处装料，然后在多处卸料，又可以在多处装料，然后在一处卸料。
工程上常见的两种粉体气力输送方式为稀相输送和密相输送。稀相输送一般适用于粉体质量和粒度较小、干燥和易流动、输送距离不大(通常几百米)的场合[6]。本文根据工程设计中所遇到的设计案例，将涂料工程调配工艺按粉料系统气力输送方式不同，分为以下两大类：即正压稀相单点取料多点下料调配系统，负压稀相多点取料单点下料调配系统。
3.1 正压稀相单点取料多点下料调配系统
正压稀相单点取料多点下料调配系统，是用高于大气压力的压缩空气推动粉体物料进行输送。
外界空气经过滤器F101初级过滤后，由罗茨风机压缩进管道输送系统。涂料工程调配工艺涉及到的粉体原料、辅料及助剂，通过卸料站密闭卸料后，落入粉体原料仓V101中，原料仓V101中粉体在旋转进料阀RV101的连续旋转拨动下，密闭进入输送管道系统。粉料在罗茨风机鼓入的压缩空气推动及冲击下，旋转翻滚后与空气形成流化态，从而达到流动目的。气流化的粉体进入进料仓V102、V103、V104，进料仓设置多个的目的，是为了便于切换不同的粉料。进料仓的进出口切换，是通过入口的气动阀及出口的旋转阀来实现。进料仓V102、V103、V104上下口设置有料位计，料位计连锁控制罗茨风机P101及进出口阀门的启停或开闭。进料仓V102~104筒体顶部带有过滤筒，轻质粉料随空气进入过滤筒，粉料粘附在过滤筒上，清洁的空气则从过滤筒中排出。过滤筒长期操作后，积累的粉尘将影响正常的过滤效果，因此需要定期空气反吹除尘。
粉料通过进料仓V102~104底部的旋转进料阀RV101~104，进入反应器R101，与此同时，罐区中的液体原料A/B/C，通过泵输送进入反应器R101。液体原料和粉体原料，在反应器R101配套的分散机A101的搅拌下，充分混合、分散、均匀。在此搅拌的过程中，反应器R101中物料根据反应条件，需要进行相应的加热或冷却操作。加热或冷却过程，通过循环水进入反应器R101外壁的半管夹套来实现。反应器R101在操作过程中，需要抽真空，以加速水分的挥发及脱除。真空度根据反应过程所需要的条件进行设定。
反应器R101中物料，在经过搅拌一段时间后，需要静置一段时间，此后再投入另一批粉料或液体原料，再继续搅拌、加热/冷却、静置等。如此工序，循环往复操作多次，才能完成一批次产品的生产。
3.2 负压稀相多点取料单点下料调配系统
负压稀相多点取料单点下料调配系统，是将空气与粉料一起吸入管道内，用低于大气压的气流进行粉料的输送，该输送过程又可以称为真空吸送。
外界空气经过滤器F101初级过滤后，由罗茨真空泵负压吸入管道输送系统。涂料工程调配工艺涉及到的粉体原料、辅料及助剂，通过卸料站密闭卸料后，落入粉体原料仓V101、V102、V103中，原料仓设置多个的目的，是为了便于切换不同的粉料。原料仓V101、V102、V103中粉体在旋转进料阀RV101、RV102、RV103的连续旋转拨动下，密闭进入输送管道系统。粉料在罗茨真空泵吸入的空气推动及冲击下，旋转翻滚后与空气形成流化态，从而达到流动目的。气流化的粉体进入旋风分离器F102，旋风分离器F102筒体顶部带有过滤筒，轻质粉料随空气进入过滤筒，粉料粘附在过滤筒上，清洁的空气则从过滤筒中排出。过滤筒长期操作后，积累的粉尘将影响正常的过滤效果，因此需要定期空气反吹除尘。
旋风分离器F102锥底的粉料，通过旋转阀RV104进入进料仓V104。进料仓V102上下口设置有料位计，料位计连锁控制罗茨真空泵P101及进出口阀门的启停或开闭。
粉料通过进料仓V104底部的旋转进料阀RV105，进入反应器R101，与此同时，罐区中的液体原料A/B/C，通过泵输送进入反应器R101。液体原料和粉体原料，在反应器R101配套的分散机A101的搅拌下，充分混合、分散、均匀。在此搅拌的过程中，反应器R101中物料根据反应条件，需要进行相应的加热或冷却操作。加热或冷却过程，通过循环水进入反应器R101外壁的半管夹套来实现。反应器R101在操作过程中，需要抽真空，以加速水分的挥发及脱除。真空度根据反应过程所需要的条件进行设定。
反应器R101中物料，在经过搅拌一段时间后，需要静置一段时间，此后再投入另一批粉料或液体原料，再继续搅拌、加热/冷却、静置等。如此工序，循环往复操作多次，才能完成一批次产品的生产。
04、结 论
(1) 涂料工程调配工艺粉料系统涉及到的工序包括粉碎、分级、干燥、混合、除尘、输送、包装等。本文对相关类型设备的工作原理进行了详细的阐述。
(2) 基于涂料工程调配工艺粉料操作工序的实际情况，给出了具体而有针对性的工程设计及解决方案。
(3) 详细描述了涂料工程中，正压稀相单点取料多点下料调配系统，以及负压稀相多点取料单点下料调配系统的工程流程，并对流程中涉及的特种设备及特殊控制方案进行了相应的阐述。
参考文献
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本文转载自《广东化工》2023年第10期第50卷
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