技術乾貨｜一文瞭解9種表面改性設備及其選擇原則！
時間：2018年01月20日、21日、22日
地點：中國地質大學（北京）
講師：中國礦業大學（北京），鄭水林教授
詳詢：1 3 7 1 8 2 0 2 8 5 7
授課內容：礦物粉體表面改性的應用需求、方法、試劑、設備選型，碳酸鈣、石英表面改性案例解析......
工藝與設備是最終實現按應用需要改善粉體表面性能的關鍵因素之一，而粉體表面改性設備的類型很多，既有幹法改性設備，也有濕法改性設備。瞭解設備的結構、原理及適用範圍是正確選擇表面改性設備的基礎。
今天，粉體技術網與大家分享9種表面改性設備的結構、工作原理、適用範圍及其選擇原則。
一、幹式粉體表面改性設備
1、SLG型連續式粉體表面改性機
（1）結構組成
SLG型連續式粉體表面改性機主要由溫度計、出料口、進風口、風管、主機、進料口、計量泵和餵料機等組成。
其系統組態一般包括給料裝置、改性劑計量添加裝置、主機、旋風集料器、布袋收塵器等。
（2）工作原理
待改性物料經餵料機給入，經與自動計量和連續給入的表面改性劑接觸後，
在改性腔中，特殊設計的高速旋轉的轉子和定子與粉體物料的衝擊、剪切和摩擦作用，產生其表面改性所需的溫度，該溫度可通過轉子的轉速、粉料通過的速度或給料速度以及風門大小來調節，
同時轉子的高速旋轉強制粉體物料鬆散並形成渦流二相流，使表面改性劑能迅速、均勻地與粉體顆粒表面作用，包覆於顆粒表面。
（3）性能特點
對粉體及表面改性劑的分散性好，不僅改性產品無團聚顆粒，而且對原料中的團聚體顆粒有一定的解聚作用；
連續計量匹配進料和進藥（改性劑），粉體與表面改性劑的作用計畫均等，粉體表麵包覆均勻，
能耗低，以SLG-3/600型機為例，用於超細輕質碳酸鈣改性的單位產品能耗不大於35KW·h/t；
無粉塵污染，系統閉路和負壓運行且配有高效除塵裝置；
連續生產，自動化程度高，操作簡便；
運行平穩。
（4）適用範圍
適用於連續大規模生產各種表面有機化學包覆的無機粉體，如重質碳酸鈣、輕質碳酸鈣、高嶺土、氧化鋅、氫氧化鎂、強氧化鋁、絹雲母、硫酸鋇、白炭黑、鈦白粉、滑石、矽微粉等無機活性填料或顏料。
既可以與幹法制粉工藝（如超細粉碎工藝）配套，也可單獨設置用於各種超細粉體的表面改性以及納米粉體的解團聚和表面改性。2、高速加熱式混合機
（1）結構組成
高速加熱式混合機主要由回轉蓋、混合鍋、折流板、攪拌裝置、排料裝置、驅動電機、機座等組成。
（2）工作原理
當混合機工作時，高速旋轉的葉輪借助表面與物料的摩擦力和側面對物料的推力使物料沿葉輪切向運動。同時，由於離心力的作用，物料被拋向混合室內壁，並沿壁面上升到一定高度後因重力作用又回到葉輪中心，接著又被拋起。這種上升運動與切向運動的結合，使物料實際上處於連續的螺旋狀上、下運動狀態。
由於轉輪速度很高，物料運動速度也很快。快速運動著的顆粒之間相互碰撞、摩擦，使得團塊破碎，物料溫度相應升高，同時迅速地進行交叉混合。這些作用促進了物料的分散和對液體添加劑（如表面改性劑）的均勻吸附。
混合室內的折流板進一步攪亂物料流態，使物料形成無規運動，並在折流板附近形成很強的渦流。對於高位安裝的葉輪，物料在葉輪上下形成了連續交叉流動，使混合更快、更均勻。混合結束後，夾套內通冷卻介質，冷卻後物料在葉輪作用下由排料口排出。
（3）適用範圍
高速加熱混合機是一種間歇式的批量粉體表面改性設備，它的處理時間可長可短，適合中、小批量粉體的表面化學包覆改性和實驗室進行改性劑配方試驗研究。
3、HYB高速氣流衝擊式表面改性機
（1）結構組成
日本製造的HYB型高速衝擊式粉體表面改性機的主機結構主要由高速旋轉的轉子、定子、迴圈回路、翼片、夾套、給料和排料裝置等部分組成。
整套系統由混合機、計量給料裝置、HYB主機、產品收集裝置、控制裝置等組成。
（2）工作原理
投入機內的物料在轉子、定子等部件的作用下被迅速分散，同時不斷受到以衝擊力為主的包括顆粒相互間的壓縮、摩擦和剪切力等諸多力的作用，在較短時間內即可完成表面包覆、成膜或球形化處理。
（3）適用範圍
該系統不僅可用於粉體的表面化學包覆、膠囊化、機械化學改性和粒子球形化處理，還可用於“微米/微米”和“納米/微米”粉體的複合。物料可以是無機物、有機物、金屬等，適用範圍較廣，而且是短時間幹式處理。
4、PSC型粉體表面改性機
（1）結構組成
PSC型粉體表面改性機是一種連續幹式粉體表面改性機。其結構主要由給料機、加熱螺旋輸送機、主軸、攪拌棒、衝擊錘、排料口等組成。
PSC型粉體表面改性機整套工藝系統由給料裝置、（導熱油）加熱裝置、給藥（表面改性劑）裝置、改性主機、集料裝置、收塵裝置等組成。
（2）工作原理
工作時，粉體原料經給料輸送機被送至主機上方的預混室，在輸送過程中由給料輸送機特設的加熱裝置將粉體物料加熱並乾燥，同時固體狀的表面改性劑也在專用加熱容器內加熱熔化至液態後經輸送管道送至預混室。
預混室內設有兩組噴嘴，均通入由給風系統送來的熱壓力氣流。其中一組有4只噴嘴按不同位置分佈於預混室內壁，其作用是將由給料輸送系統送來的粉體物料吹散，另一組只有1只噴嘴與改性劑輸送管道相通，將液態表面
改性劑吹散霧化。粉體原料和表面改性劑在預混室內預混後隨即進入主機，在主機內攪拌棒的高速攪拌下，受到衝擊、摩擦、剪切等多種力的作用，使粉體物料與表面改性劑得到更加充分的接觸、混合，以完成表面包覆改性。主機夾層內迴圈流動的高溫導熱油使機內始終保持著穩定的工作溫度。主機出口處高速旋轉運動的衝擊錘將表面包覆改性後的粉體物料進一步分散和解聚以避免改性後粉體顆粒的團聚。
表面包覆改性後的物料輸送至成品收集倉。在氣流輸送過程中，利用輸送氣流將物料中過高的熱量吸收，並經布袋除塵器除塵後排出室外，成品進入收集倉後即可降至可存儲的溫度。
5、臥式槳葉混合機
（1）結構組成
臥式槳葉混合機是一種以臥式筒體和單軸多槳為結構特點的間歇式粉體表面改性機，主要由傳動機構、主軸、筒體、端蓋等組成。
（2）工作原理
這種間歇式表面改性機的工作原理是：無機粉體，如重質或輕質碳酸鈣和表面改性劑在槳葉的作用下，一方面沿內筒體內壁作徑向滾動，另一方面物料又沿槳葉兩側面與主軸帶有15°傾斜角的法線方向飛濺，在內筒體整個空間使物料不斷地對流、擴散，從而使表面改性劑包覆於粉體顆粒表面。
（3）適用範圍
這種表面改性機是針對輕質和重質碳酸鈣的表面改性設計的，它分為A、B兩種機型，其中A型加熱介質為導熱油，B型加熱介質為水蒸氣。
其特點是：漿葉有傾角，混合較均勻，表面改性劑不產生偏析；混合同時具有烘乾作用，混合改性時間約為每次40-50min。
6、流態化床改性機
圖為用於表面塗敷改性的Wurster流態化床。這種流態化床的底部有兩相噴嘴以使表面改性劑溶液霧化後塗敷於顆粒表面。
Wurster流化床可用於各種無機粉體顆粒的有機包覆或塗敷改性。
二、兼具粉碎或乾燥功能的表面改性機
7、渦輪（旋）磨
（1）結構組成
渦輪（旋）磨主要由機座，驅動部分，粉碎腔，間隙調節和進、出料口組成。
（2）工作原理
工作時，物料從設備頂部進入，逐級通過各個研磨區，受到機械力和氣動力產生的衝擊、剪切和互磨等複合作用。
（3）適用範圍
配合加熱和給藥設備，HWV渦輪磨可組成粉體表面改性系統，目前這一系統主要用於與超細重質碳酸鈣生產線配套進行表面改性，很少單獨用於粉體的表面改性。
8、乾燥式粉碎及表面改性機
乾燥式粉碎及表面改性機為一種兼具加熱、粉碎和表面改性的多功能設備，英國Atritor公司的商品名稱為Dryer Pulveriser。
這是一種連續生產的設備，運轉過程的溫度和停留時間等可以調節。這種設備具有快速乾燥功能，物料中的水分和加入其中的表面改性劑的溶劑組分能迅速地被氣化，留下的活性組分吸附在顆粒表面。
圖為國內用於超細重質碳酸鈣漿料乾燥與表面改性的QGS型多功能強力乾燥機的外形圖，該機在對高固含量漿料進行乾燥的同時，在乾燥機的適當位置增加表面改性劑滴加或噴加裝置，成功地在物料乾燥過程中實現了超細重質碳酸鈣的表面改性。
三、濕法表面改性設備
對於濕法表面改性要使用濕法設備。目前濕法表面改性設備主要採用可控溫攪拌反應釜或反應罐。這種設備的筒體一般做成帶夾套的內外兩層，夾套內通加熱介質，如蒸汽、導熱油等。一些較簡單的表面改性罐也可採用電加熱。
粉體表面化學包覆改性和沉澱包膜改性用的反應釜或反應罐，一般對壓力沒有要求，只要滿足溫度和料漿分散以及耐酸或耐鹼腐蝕即可，因此，結構較為簡單。
9、可控溫攪拌反應釜
一般夾模式攪拌反應釜的結構，主要由夾模式筒體、傳熱裝置、傳動裝置、軸封裝置和各種接管組成。
釜體的筒體一般為鋼制圓筒。常用的傳熱裝置有夾套結構的壁外傳熱和釜內裝設換熱管傳熱兩種形式。應用最多的是夾套傳熱。夾套是攪拌反應釜或反應罐最常用的傳熱結構，由圓柱形殼體和底封頭組成。
攪拌裝置是反應釜的關鍵部件。筒體內的物料借助攪拌器的攪拌，達到充分混合和反應。攪拌裝置通常包括攪拌器、攪拌軸、支承結構以及擋板、導流筒等部件。
我國對攪拌裝置的主要零部件已實行標準化生產。攪拌器主要有推進式、槳式、渦輪式、錨式、框式及螺旋式等類型。具體選用時要考慮流動狀態、攪拌目的、攪拌容量、轉速範圍及漿料最高黏度等因素。
四、表面改性設備的選擇原則
1、對粉體及表面改性劑的分散性好。只有分散性好，才能使粉體與表面改性劑有較均等的作用機會和作用效果，也才能減少表面改性劑的用量。
2、改性溫度和停留時間在一定範圍內可調。
3、單位產品能耗低、磨耗小。除了改性劑外，表面改性的主要成本是能耗，低能耗的改性設備可以降低生產成本，提高產品競爭力；低磨耗不僅可以避免改性物料被污染，同時也可以提高設備的運轉效率，降低運行成本。
4、粉塵污染少。改性過程中的粉塵外逸不僅污染生產環境，而且損失物料，導致產品生產成本提高。因此，一定要考察設備的粉塵污染情況。
5、連續生產，操作簡便，勞動強度小。
6、運行平穩、可靠。
7、自動控制水準高，能根據物料性質和表面改性劑的性質自動調節處理量、改性劑添加量以及改性溫度和停留時間等因素。
8、設備的生產能力要與設計生產規模相適應。在設計生產規模加大時，要儘量選用大型設備，減少設備的台數，以減少占地面積、生產成本和便於管理。
編輯整理：中國粉體技術網
（2）工作原理
當混合機工作時，高速旋轉的葉輪借助表面與物料的摩擦力和側面對物料的推力使物料沿葉輪切向運動。同時，由於離心力的作用，物料被拋向混合室內壁，並沿壁面上升到一定高度後因重力作用又回到葉輪中心，接著又被拋起。這種上升運動與切向運動的結合，使物料實際上處於連續的螺旋狀上、下運動狀態。
由於轉輪速度很高，物料運動速度也很快。快速運動著的顆粒之間相互碰撞、摩擦，使得團塊破碎，物料溫度相應升高，同時迅速地進行交叉混合。這些作用促進了物料的分散和對液體添加劑（如表面改性劑）的均勻吸附。
混合室內的折流板進一步攪亂物料流態，使物料形成無規運動，並在折流板附近形成很強的渦流。對於高位安裝的葉輪，物料在葉輪上下形成了連續交叉流動，使混合更快、更均勻。混合結束後，夾套內通冷卻介質，冷卻後物料在葉輪作用下由排料口排出。
（3）適用範圍
高速加熱混合機是一種間歇式的批量粉體表面改性設備，它的處理時間可長可短，適合中、小批量粉體的表面化學包覆改性和實驗室進行改性劑配方試驗研究。
3、HYB高速氣流衝擊式表面改性機
（1）結構組成
日本製造的HYB型高速衝擊式粉體表面改性機的主機結構主要由高速旋轉的轉子、定子、迴圈回路、翼片、夾套、給料和排料裝置等部分組成。
整套系統由混合機、計量給料裝置、HYB主機、產品收集裝置、控制裝置等組成。
（2）工作原理
投入機內的物料在轉子、定子等部件的作用下被迅速分散，同時不斷受到以衝擊力為主的包括顆粒相互間的壓縮、摩擦和剪切力等諸多力的作用，在較短時間內即可完成表面包覆、成膜或球形化處理。
（3）適用範圍
該系統不僅可用於粉體的表面化學包覆、膠囊化、機械化學改性和粒子球形化處理，還可用於“微米/微米”和“納米/微米”粉體的複合。物料可以是無機物、有機物、金屬等，適用範圍較廣，而且是短時間幹式處理。
4、PSC型粉體表面改性機
（1）結構組成
PSC型粉體表面改性機是一種連續幹式粉體表面改性機。其結構主要由給料機、加熱螺旋輸送機、主軸、攪拌棒、衝擊錘、排料口等組成。
PSC型粉體表面改性機整套工藝系統由給料裝置、（導熱油）加熱裝置、給藥（表面改性劑）裝置、改性主機、集料裝置、收塵裝置等組成。
（2）工作原理
工作時，粉體原料經給料輸送機被送至主機上方的預混室，在輸送過程中由給料輸送機特設的加熱裝置將粉體物料加熱並乾燥，同時固體狀的表面改性劑也在專用加熱容器內加熱熔化至液態後經輸送管道送至預混室。
預混室內設有兩組噴嘴，均通入由給風系統送來的熱壓力氣流。其中一組有4只噴嘴按不同位置分佈於預混室內壁，其作用是將由給料輸送系統送來的粉體物料吹散，另一組只有1只噴嘴與改性劑輸送管道相通，將液態表面
改性劑吹散霧化。粉體原料和表面改性劑在預混室內預混後隨即進入主機，在主機內攪拌棒的高速攪拌下，受到衝擊、摩擦、剪切等多種力的作用，使粉體物料與表面改性劑得到更加充分的接觸、混合，以完成表面包覆改性。主機夾層內迴圈流動的高溫導熱油使機內始終保持著穩定的工作溫度。主機出口處高速旋轉運動的衝擊錘將表面包覆改性後的粉體物料進一步分散和解聚以避免改性後粉體顆粒的團聚。
表面包覆改性後的物料輸送至成品收集倉。在氣流輸送過程中，利用輸送氣流將物料中過高的熱量吸收，並經布袋除塵器除塵後排出室外，成品進入收集倉後即可降至可存儲的溫度。
5、臥式槳葉混合機
（1）結構組成
臥式槳葉混合機是一種以臥式筒體和單軸多槳為結構特點的間歇式粉體表面改性機，主要由傳動機構、主軸、筒體、端蓋等組成。
（2）工作原理
這種間歇式表面改性機的工作原理是：無機粉體，如重質或輕質碳酸鈣和表面改性劑在槳葉的作用下，一方面沿內筒體內壁作徑向滾動，另一方面物料又沿槳葉兩側面與主軸帶有15°傾斜角的法線方向飛濺，在內筒體整個空間使物料不斷地對流、擴散，從而使表面改性劑包覆於粉體顆粒表面。
（3）適用範圍
這種表面改性機是針對輕質和重質碳酸鈣的表面改性設計的，它分為A、B兩種機型，其中A型加熱介質為導熱油，B型加熱介質為水蒸氣。
其特點是：漿葉有傾角，混合較均勻，表面改性劑不產生偏析；混合同時具有烘乾作用，混合改性時間約為每次40-50min。
6、流態化床改性機
圖為用於表面塗敷改性的Wurster流態化床。這種流態化床的底部有兩相噴嘴以使表面改性劑溶液霧化後塗敷於顆粒表面。
Wurster流化床可用於各種無機粉體顆粒的有機包覆或塗敷改性。
二、兼具粉碎或乾燥功能的表面改性機
7、渦輪（旋）磨
（1）結構組成
渦輪（旋）磨主要由機座，驅動部分，粉碎腔，間隙調節和進、出料口組成。
（2）工作原理
工作時，物料從設備頂部進入，逐級通過各個研磨區，受到機械力和氣動力產生的衝擊、剪切和互磨等複合作用。
（3）適用範圍
配合加熱和給藥設備，HWV渦輪磨可組成粉體表面改性系統，目前這一系統主要用於與超細重質碳酸鈣生產線配套進行表面改性，很少單獨用於粉體的表面改性。
8、乾燥式粉碎及表面改性機
乾燥式粉碎及表面改性機為一種兼具加熱、粉碎和表面改性的多功能設備，英國Atritor公司的商品名稱為Dryer Pulveriser。
這是一種連續生產的設備，運轉過程的溫度和停留時間等可以調節。這種設備具有快速乾燥功能，物料中的水分和加入其中的表面改性劑的溶劑組分能迅速地被氣化，留下的活性組分吸附在顆粒表面。
圖為國內用於超細重質碳酸鈣漿料乾燥與表面改性的QGS型多功能強力乾燥機的外形圖，該機在對高固含量漿料進行乾燥的同時，在乾燥機的適當位置增加表面改性劑滴加或噴加裝置，成功地在物料乾燥過程中實現了超細重質碳酸鈣的表面改性。
三、濕法表面改性設備
對於濕法表面改性要使用濕法設備。目前濕法表面改性設備主要採用可控溫攪拌反應釜或反應罐。這種設備的筒體一般做成帶夾套的內外兩層，夾套內通加熱介質，如蒸汽、導熱油等。一些較簡單的表面改性罐也可採用電加熱。
粉體表面化學包覆改性和沉澱包膜改性用的反應釜或反應罐，一般對壓力沒有要求，只要滿足溫度和料漿分散以及耐酸或耐鹼腐蝕即可，因此，結構較為簡單。
9、可控溫攪拌反應釜
一般夾模式攪拌反應釜的結構，主要由夾模式筒體、傳熱裝置、傳動裝置、軸封裝置和各種接管組成。
釜體的筒體一般為鋼制圓筒。常用的傳熱裝置有夾套結構的壁外傳熱和釜內裝設換熱管傳熱兩種形式。應用最多的是夾套傳熱。夾套是攪拌反應釜或反應罐最常用的傳熱結構，由圓柱形殼體和底封頭組成。
攪拌裝置是反應釜的關鍵部件。筒體內的物料借助攪拌器的攪拌，達到充分混合和反應。攪拌裝置通常包括攪拌器、攪拌軸、支承結構以及擋板、導流筒等部件。
我國對攪拌裝置的主要零部件已實行標準化生產。攪拌器主要有推進式、槳式、渦輪式、錨式、框式及螺旋式等類型。具體選用時要考慮流動狀態、攪拌目的、攪拌容量、轉速範圍及漿料最高黏度等因素。
四、表面改性設備的選擇原則
1、對粉體及表面改性劑的分散性好。只有分散性好，才能使粉體與表面改性劑有較均等的作用機會和作用效果，也才能減少表面改性劑的用量。
2、改性溫度和停留時間在一定範圍內可調。
3、單位產品能耗低、磨耗小。除了改性劑外，表面改性的主要成本是能耗，低能耗的改性設備可以降低生產成本，提高產品競爭力；低磨耗不僅可以避免改性物料被污染，同時也可以提高設備的運轉效率，降低運行成本。
4、粉塵污染少。改性過程中的粉塵外逸不僅污染生產環境，而且損失物料，導致產品生產成本提高。因此，一定要考察設備的粉塵污染情況。
5、連續生產，操作簡便，勞動強度小。
6、運行平穩、可靠。
7、自動控制水準高，能根據物料性質和表面改性劑的性質自動調節處理量、改性劑添加量以及改性溫度和停留時間等因素。
8、設備的生產能力要與設計生產規模相適應。在設計生產規模加大時，要儘量選用大型設備，減少設備的台數，以減少占地面積、生產成本和便於管理。
編輯整理：中國粉體技術網