混合和均質機械

混合指兩種或兩種以上不同組份的物料在外力作用下運動速度方向發生改變,使各組份的粒子均勻分布的過程。經過混合操作后得到的物料稱為混合物

**節 概述

? 一 混合:

指兩種或兩種以上不同組份的物料在外力作用下運動速度方向發生改變,使各組份的粒子均勻分布的過程。經過混合操作后得到的物料稱為混合物。
? 常見混合物的類型:固體與固體、固體與液體、液體與液體、液體與氣體相混合構成的混合物。
?混合的目的在于獲得均勻混合物,強化熱交換過程,增強物理和化學反應。

?二 混合機及其類型:

?混合機械:將兩種或兩種以上不同組分的物料混合在一起構成混合物的機械設備有兩類:混合機、攪拌機 和捏合機。
?一類是對粉粒狀物料,低中粘度物料進行混合的機械稱為混合機(多指 固+固)或 者攪拌機(多指 液+液或液+固)。
?另一類是對高粘稠漿料和塑性固體物料進行混合的機械設備叫做捏和機。

?三 均質和均質機械:

?對乳濁液、懸浮液進行邊破碎邊混合的過程叫均質。所采用的機械設備有均質機 和膠體磨。
?均質的目的在于既要獲得均勻的混合物,又要使得產品的顆粒細微一致,不會產生離析。通常所采用的機械稱為均質機和膠體磨。
?對混合和均質機械的一般要求是:
?①混合物的混合均勻度高;
?②物料在容器內的殘留量少;
?③均質物的顆粒微小,質地細膩;
?④設備結構簡單,堅固耐用,操作方便,便于檢視、取樣和清理;
?⑤機械設備要防銹,耐腐蝕,容器表面光滑,工作部件能拆卸清洗;
?⑥電機設備和電控裝置應能防爆、防濕、防塵,符合環境保護和安全運行的要求。

?四、混合均勻度的含義及表示方法

?混合物的混合均勻程度是衡量混合機性能好壞的主要技術指標之一。通常用混合物中某組分含量的變異系數Cv值來衡量混合機混合性能的好壞。

?五、混合機理

?兩種或兩種以上不同組分構成的混合物在混合機或者料罐內,在外力作用下進行混合,從開始時的局部混合達到整體的均勻混合狀態,在某個時刻達到動態平衡,之后,混合均勻度不會再提高,而分離和混合則反復交替他進行著。
?整個混合過程存在著三種混合方式:
?(一)對流混合 (二)擴散混合 (三)剪切混合
?(一)對流混合:由于混合機工作部件表面對物料的相對運動,**粒子在混合機內從一處向另一處作相對流動,位置發生轉移,產生整體的流動稱為對流混合。
? (二)擴散混合:對于互溶性組分如固體與液體,液體與氣體,液體與液體組分等,在混合過程中,以分子擴散形式向四周作無規律運動,從而增加了兩個組分間的接觸面積和縮短了擴散平均自由程達到均勻分布狀態。對于互不相溶性組分的粉粒子,在混合過程中以單個粒子為單元向四周移動,類似氣體和液體分子的擴散,使各組分的粒子先在局部范圍內擴散,達到均勻分布,稱為擴散混合。
?(三)剪切混合:由于物料群體中的粒子相互間形成剪切面的滑移和沖撞作用,引起局部混合,稱為剪切混合。對于高粘稠度流變物料如面團和糖蜜等,主要是依靠剪切混合,一般稱為捏和。捏和機工作部件對物料產生的剪切力,使物料拉成愈來愈薄的料層,料層表面出現裂紋,產生層流流動,達到局部混合,謂之剪切混合。擠壓膨化機和絞肉機中的物料在螺桿作用下也產生剪切混合。
? 事實上,物料在混合機里往往同時存在著上述三種混合方式,單一的混合方式是少見的,但是常以其中的一種混合方式為主。

第二節 粉料混合機

?一、固定容器式混合機

?(一)螺旋環帶式混合機
?(二)立式混合機
?(三)立式行星式混合機(又名那塔式混合機 )
?搖臂帶動混合螺旋以2~6r/min繞中心軸旋轉,同時,螺旋又以60~100r/min的速度自轉。
?在機殼外壁可以加水套以加熱或冷卻腔內物料。混合需用時間為:小容量混合機2~4min,大容量混合機8~10min。

?二、回轉容器式混合機

?這類混合機的共同特點是容器內沒有攪拌工作部件、容器內的物料隨著容器旋轉方向自下而上依靠物料本身的重力翻轉運動以達到均勻混合的目的。所以容器的回轉速度不能太高,否則會因離心力過大,物料緊貼容器內壁固定不動,將嚴重影響混合質量。正常工作時,物料在容器內應發生渦流運動。
?(-)水平回轉筒式和斜z回轉筒式混合機(二)V型混合機(三)對錐式混合機

第三節 液體攪拌機

?液體--液體與液體--固體組分間的混合,稱為液體攪拌,采用的機械設備稱為液體攪拌機。這類攪拌機與粉料混合機的不同點在于,前者制備的是互溶或互不溶的液態混合物,而后者加工的是互不溶的固體粉料,得到的是互不溶的粉體混合物。
?液體攪拌機,又稱為液體-液體與液體-固體集態混合機,廣泛應用于:①將不同顏色和比重差不多的液體構成均一的混合物;②使固體粒子在液體中呈懸浮或混濁狀態;③從飽和溶液中析出結晶粒子;④使痕量組分在液體中均勻混合;⑤促進液體與儲槽容器之間的熱交換過程,并防止局部過熱。
?液體攪拌的基本原理和粉體混合基本相同,即兩種或兩種以上組分在攪拌過程中都通過對流、擴散和剪切作用達到均勻混合的。但由于液體和粉體兩種物料在物理性質上的根本差異,因此,所采用的攪拌設備也完全不同。
? 液體攪拌機的主要工作部件是攪拌葉片,包括槳葉、旋槳和渦輪葉片等型式。由液體-液體或液體-固體物料配制成的混濁液、乳濁液和懸浮液中,液體比例一般約占95%以上;高濃度的粘稠液中液體的比例要小一些。
?液體具有流動性和不可壓縮性。在葉輪(由葉片和回轉軸等組成)的旋轉作用下,把機械能傳給液體,在葉輪附近區域的液流中造成渦動,同時產生一股高速射流推動液體沿著一定途徑在容器內作循環流動。這種流動稱為液體的“流型”,它可分為軸向流型、徑向流型和因在容器側壁加設擋板等阻擋物引起液流方向變化而形成的各種混合流型。因此,液流的流型取決于葉片的幾何形狀和結構以及在容器內有無阻擋物等,而葉片的幾何形狀對流型的影響較大。
?1.軸向流型 液體從軸向進入葉片,從軸向流出,謂之軸向流型 .
? 2.徑向流型 流體從軸向進人葉輪,從徑向流出,謂之徑向流型.
?3. 混合流型
?實際上,葉片造成的液流有三個分速度:軸向速度、徑向速度和切向速度。其中軸向速度和徑向速度對液體的攪拌混合起著主要作用。
?液體攪拌機有機械式攪拌機、噴流式攪拌機、噴氣式攪拌機和真空式攪拌機等以機械式攪拌機的應用較為廣泛。

?二、機械式液體攪拌機

?其中適用于處理低粘度或中等粘度液體的機械式攪拌機,一般多按葉片型式和它在容器內的安裝方式來分類:
?(一)按攪拌葉片型式分類 1.槳葉式攪拌機 2.渦輪式攪拌機 3.旋槳式攪拌機
?(二)按液體攪拌機的安裝型式分類 1.可搬式攪拌機 2.立式攪拌機

?1.槳葉式攪拌機

?槳葉式攪拌機的轉速一般為 20-150r/min,葉片的圓周速度約為3m/s。 葉片直徑為容器直徑的1/2-3/4,寬度一般為其長度的l/l0-1/6。槳葉式攪拌機的轉速較慢,液流的徑向速度較大,軸向速度較低。
?為了加強軸向混合,并減少因切線速度產生的表面旋渦,通常在容器側壁加設擋板。
?為了提高攪拌效果,還可以增加槳葉對數,從一對增加到三對。為了加熱物料,常把容器底部做成夾套即雙底鍋。
?槳葉邊緣到容器底部的間距以30~50mm為宜,對于高濃度物料為5mm。轉速一般為50—70r/min。
? 槳葉式攪拌機的主要特點是:①結構簡單,容易制造;②混合效果較差;③局部剪切作用弱,不易發生乳化作用;④適用性廣。

?2.渦輪式攪拌機

?渦輪式攪拌機類似槳葉式攪拌機,唯葉片多而短,屬高速回轉徑向流動式攪拌機。液體經渦輪葉片沿驅動軸吸人,它主要產生徑向液流,液體以高速向渦輪四周拋出,再沿槽壁上升流動。
?渦輪葉片為4~6枚,直徑比槳葉小,為容器直徑的0. 3~0. 5倍,轉速為400~2000r/min,圓周速度在8m/s以內。
?渦輪式攪拌機的主要特點是:①適于攪拌多種物料,尤其對中等粘度液體特別有效;②混合生產能力較高,能量消耗少,攪拌效率較高;③有較高的局部剪切效應;④容易清洗和造價較高。渦輪式攪拌機常用于制備低粘度的乳濁液、懸浮液和固體溶液。

?3.旋槳式攪拌機

?又叫螺旋式攪拌機,多用于混合兩種不相溶的液體制備乳濁液,如油和水的混合物等低粘性物料。
?旋槳式攪拌機適用于低粘度液體的高速攪拌。旋槳葉片直徑為容器直徑的1/3~l/4。其轉速小型為 1000r/min以上,大型為 400~800r/min。
?由于槳葉的高速轉動造成了軸向和切向速度的液體流動,致使液體作螺旋形旋轉運動,并使液體受到強烈的切割和剪切作用,同時,槳葉也使氣泡卷人液體中,這是它的缺點。為此,軸多偏離中心線安置,或斜置成一定角度。由于液體流動非常激烈,故適用于大容器低粘度的液體攪拌,如牛乳、果汁和發酵產品。
?旋槳安裝位置不同,被攪拌的液體流動狀態亦不同。
?旋槳式攪拌機的主要特點:①生產能力較高,但對互不溶液體,生產細液滴乳化液而液滴直徑范圍不大的情況下,生產能力受限制;②結構簡單,維護方便;③常常會卷人空氣形成氣泡和離心渦旋;④適用于低粘度和中等粘度液體的攪拌,對制備懸浮液和乳濁液等較為理想。

? (二)按液體攪拌機的安裝型式分類

? 1.可搬式攪拌機
?可采用夾鉗扳手將其安裝在容器上方任何位置的邊緣,安裝和拆卸比較方便。可以由電動機直接驅動或由減速器減速傳動。旋槳轉速為300~1800r/min,配用動力通常為 2kw左右。葉片可以是旋槳式或渦輪式。為了防止氣泡混人,多稍偏離中心安裝。
?2.立式攪拌機
?多用于開式容器中,呈垂直狀安裝在其下方,且傾斜50-100, 若用在密閉式容器上,可以固定不動。

? 三、噴流式攪拌機

?在儲槽下部向內插進一根噴管,其形狀呈直線或Y形,它向攪拌液中施加噴流,使液流在容器內循環而起到攪拌作用 。

?四、噴氣式攪拌機

?1.散布式噴氣攪拌機
?2.氣力揚升式噴氣攪拌機

? 五.真空攪拌機

? 為了保持物料原有的芳香味,所采用的一種專用攪拌設備,常用于中粘度或高粘度醬料,如生產午餐肉罐頭等,該設備供肉糜在真空狀態下進行混合攪拌用。

?六、其他類型的液體攪拌機

?除上述外,尚有借儲槽容器本身振動及液體本身振動進行攪拌的設備;利用超聲波發生器對液體進行超聲波攪拌的設備;利用攪拌葉片的振動,即葉片本身既作上下振動,又作交互回轉進行攪拌的設備等。

第四節 均質機

?對乳濁液、懸浮液進行邊破碎邊混合的過程叫均質。均質的目的在于獲取粒度很小且均勻一致的液相混合物。
?按工作原理和構造,均質機可分為機械式、噴射式、離心式和超聲波式以及攪拌乳化機,其中以機械式均質機應用常見。
?機械式均質機主要采用剪切力使料液中的微粒或液滴破碎和混合,它又可分為膠體磨和均質機兩種。

? 一、膠體磨

?主要由料斗、定磨盤和動磨盤、排料口和傳動機構組成。按安裝方式可分為臥式膠體磨和立式膠體磨。
?定、動磨盤的錐度不同,間隙由大到小,可以調節。定、動磨盤之間間隙為0. 5—1.5mm,動磨盤轉速3000~15000r/min。
?立式膠體磨用粘度為 10Pa.s 左右料液的均質作業,臥式膠體磨多用于粘度較低的物料。
?膠體磨的特點是:①結構比較簡單,操作方便,容易清洗②適用于粘度高的物料;③轉速高,要求動磨盤平衡性能好 。

?一、高壓均質機

?傳動采用二級變速,利用曲臂鑲入一對人字齒輪,實施對稱傳動,具有結構緊湊,彎矩小,受力均勻,平穩、低噪聲等。
?大多數均質機上配備雙級均質閥,在**級中,料液壓力為19.6-25.4MP.a, 主要使脂肪球破碎,第二級料液壓力減為3.43MPa, 主要使脂肪球均勻分散。閥和閥座采用耐磨合金鋼制造.三柱塞泵的特點是排液量比較均勻。
?(二)工作原理 料液以很高速度通過均質閥縫隙處受到強裂剪切作用而均質和乳化。通過的縫隙為0.1mm時,液流的流速高達150~200m/s。
?通過縫隙時,由于受到壓力的作用,使脂肪球在縫隙處被拉伸和延展,同時又受到流液通過均質閥時的渦動作用,使延展部分被剪切為更細小的脂肪球微粒。
?從圖 5-32中可以看出,**級均質閥壓力從22.5mPa下降到14.4mPa時,這一段區域內的脂肪球平均直徑基本上保持穩定不變,即料液的壓力比14.7MPa更高,脂肪球粒徑也不會再減小。

第五節 捏合機

?工作部件對物料進行剪切、擠壓使其先局部混合再達到整體混合的過程叫捏合。
?捏合機用于一般粉體混合機和液體攪拌機不能加工的高粘度漿體或塑性固體的捏合,如面團和蜂蜜等。這些物料的粘度高達2000Pa.s以上。流動性極差。此外,通常將工作部件對物料先是局部混合,進而達到整體混合謂之捏合、揉合或調合。捏合機具有混合攪拌的功能,又具有對物料造成擠壓力、剪切力、折疊力等綜合作用,因此,捏合機的葉片格外堅固,能承受巨大的作用力,容器的殼體也要具有足夠的強度和剛度。
?捏合機理,如前所述,主要有對流混合、擴散混合和剪切混合,通常這三種混合過程同時并存,但以剪切混合為主。
?常用的捏合機有如下幾種:
?一、分批式捏合機
?(一)雙臂式捏合機 (二)波尼式捏合機 (三)行星式捏合機
?二、連續式捏合機
?一、分批式捏合機 (一)雙臂式捏合機 (二)波尼式捏合機 (三)行星式捏合機
?二、連續式捏合機
(2014-07-18發布,點擊:)
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