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第5章搅拌与均质机械 1 5 1搅拌混合机理 搅拌混合机及其类型 一类是对粉粒状物料 低中粘度物料进行混合的机械称为混合机 多指固 固 或者搅拌机 多指液 液或液 固 一类是对高粘稠浆料和塑性固体物料进行混合的机械设备叫做捏和机 或调和机 另一类是将液体与气体混合的设备叫气液混合机 2 混合机理两种或两种以上不同组分构成的混合物在混合机或者料罐内 在外力作用下进行混合 从开始时的局部混合达到整体的均匀混合状态 在某个时刻达到动态平衡 之后 混合均匀度不会再提高 而分离和混合则反复交替他进行 整个混合过程存在着三种混合方式 一 对流混合 二 扩散混合 三 剪切混合 3 一 对流混合 混合机工作部件表面对物料的相对运动 所有粒子在混合机内从一处向另一处作相对流动 位置发生转移 产生整体的流动称为对流混合 二 扩散混合 在混合过程中 以分子扩散形式向四周作无规律运动 达到均匀分布状态 称为扩散混合 三 剪切混合 由于物料群体中的粒子相互间形成剪切面的滑移和冲撞作用 引起局部混合 称为剪切混合 对于高粘稠度流变物料 如面团和糖蜜等 主要是依靠剪切混合 一般称为捏和 事实上 物料在混合机里往往同时存在着上述三种混合方式 单一的混合方式是少见的 但是常以其中的一种混合方式为主 4 二 固体混合机作用对象是两种或两种以上具有一定流动性的粉料颗粒 通过混合机的混合作用使其成为各组分浓度均匀的混合物 混合机按混合容器是否旋转可分为旋转容器式混合机和固定容器式混合机 5 一 旋转容器式混合机 间歇操作的混合机械 这种混合机用驱动轴水平地支撑着容器 容器内放入两种以上的粉粒物料 驱动轴带动容器自身回转而完成物料的混合 机构简单 混合效果良好 因此应用广泛 6 由旋转容器及驱动转轴 机架 减速传动机构和电动机组成 旋转容器是此类混合机的重要构件 它的形状决定了混合操作的效果 容器的内表面要求光滑平整 以减少器壁对物料的摩擦 粘附作用 旋转容器内部无搅拌工作部件 正常工作时 容器内物料在容器的带动下向上运动 然后在自重下回落 造成上下翻动和侧向运动 从而不断进行扩散 达到混合的目的 为了加强物料的混合 减少混合操作时间 有时在容器内安装几个固定档板 1 基本结构 7 2 主要形式 1 圆筒型混合机圆筒型混合机适合于对调味料以及啤酒的原料麦芽等进行混合 8 水平型混合机其圆筒容器水平放置 作业时两端物料混合得不彻底 混合效率低 一般不采用 倾斜型混合机其圆筒容器倾斜放置 这样物料在容器内运动情况复杂 混合效果好 9 2 双锥型混合机容器由两个锥底相连的圆锥体构成 驱动轴固定于锥底部分 一个锥顶为原料的入口 另一个锥顶为已混合物料的出口 由于容器呈圆锥形 所以物料能产生强烈的滚动作用 具有易流动和混合较快的优点 同时物料排出彻底 为了混合得彻底 容器内可设有搅拌桨叶 双锥型混合机的转速为5 20rpm 10 3 V型混合机 又称双圆角形混合机 混合容器夹角为 60 90 之间 装料量为两个圆筒体积的10 30 其转速为6 25r min 由于容器的非对称性 操作时物料时聚时散 产生比双锥型混合机更好的混合效果 适用于各种干粉状食品 如面粉 玉米粉 麦麸等 的混合 11 12 4 立方体型混合机 混合容器呈立方体形 物料在空间力的作用下做三维的复杂运动 强化了混合效果 消除了混合死角 大大缩短了混合时间 这种混合机适合于咖啡等贵重粉料食品的混合 13 5 轮筒型混合机圆筒型混合机的一种变型 圆筒变为轮筒 消除了混合死角 混合机容器较小 装料少 适合于对小食品包裹调味料或者包糖衣的操作 14 3 因容器的旋转速度较低 动力消耗不大 故混合功率一般为配用额定电动机功率的50 60 15 二 固定容器式混合机 特征 容器固定 内部设有回转的搅拌桨叶或绞龙螺旋 强制性地分散 切断物料 物料在容器内有确定的流动方向 属于对流混合 适用于物料的性质差别较大及混合比较大 混合精度要求高的场合 由于容器固定 物料进出方便 有些类型的固定容器式混合机可以实现连续操作 16 1 螺带式混合机 搅拌容器内装有薄而细长的螺旋带状桨叶 靠桨叶的回转来完成对物料的混合操作 此类混合机的型式较多 根据螺带的数目可分为单螺带混合机和多螺带混合机 根据螺带的安装位置可分为卧式螺带混合机 立式螺带混合机和倾斜式螺带混合机等 17 水平 卧式单螺带混合机主要是靠物料的径向运动实现混合 而物料在轴向的运动变得很弱 因此混合精度不高 18 双螺带 在驱动轴上装有两条螺旋方向相反的螺带 两条螺带外缘回转半径不同 回转半径大的称为外螺带 回转半径小的称为内螺带 当驱动轴旋转时 两条螺带同时翻动物料 并且内 外螺带对物料的翻动速度不同 有利于物料的径向混合 同时内外螺带反向旋转 推动物料在混合容器内反复运动 产生较强烈的轴向混合 大大增强了混合效果 19 倾斜 20 立式 21 2 垂直螺旋混合机 结构容器为立式 容器中央设有螺旋状的驱动轴 垂直螺杆 轴的四周是一个套筒 容器上部设有一块由驱动轴带动的甩料板 工作过程 工作时 螺旋状驱动轴将物料从套筒底部提升至上部 在甩料板的旋转作用下被抛落到容器周围慢慢落下 至底部后又被螺旋状驱动轴提升 如此循环往复 直至混合到预定程度 由下部的出料口排出 22 3 立式行星式混合机 混合容器呈倒圆锥形 螺旋输送机沿圆锥的母线置于容器的内部 容器的上部设有驱动装置带动螺旋输送机回转 螺旋输送机在摇臂的带动下边自转边沿圆锥的内表面慢慢地公转 在食品工业中应用广泛 如奶粉 小麦粉 砂糖 咖喱粉等的混合均可使用 某些食品物料在混合操作中需要加热或冷却时 可在混合容器上设水套 23 4 瞬间连续混合机 作用原理 驱动轴带动C D两个圆盘做高速旋转运动 被混合的粉料食品B和A分别从中心加料口和环形加料口进入混合室 并分别落在C盘和D盘上 在离心力的作用下被甩向四周布置的导流挡板E 挡板将两种物料引至出口处混合后流出 24 5 1搅拌机 液体 液体与液体 固体组分间的混合 称为液体搅拌 采用的机械设备称为液体搅拌机 这类搅拌机与粉料混合机的不同点在于 前者制备的是互溶或互不溶的液态混合物 而后者加工的是互不溶的固体粉料 得到的是互不溶的粉体混合物 作用对象如果是两种或两种以上具有一定流动性的粉料颗粒 达到组分浓度均匀的机械为固体混合机 25 液体搅拌机应用于 将不同颜色和比重差不多的液体构成均一的混合物 使固体粒子在液体中呈悬浮或混浊状态 从饱和溶液中析出结晶粒子 使痕量组分在液体中均匀混合 促进液体与储槽容器之间的热交换过程 并防止局部过热 有机械式搅拌机 喷流式搅拌机 喷气式搅拌机和真空式搅拌机等以机械式搅拌机的应用最为广泛 26 一 液体搅拌的液体流型 液体具有流动性和不可压缩性 在叶轮 由叶片和回转轴等组成 的旋转作用下 把机械能传给液体 在叶轮附近区域的液流中造成涡动 同时产生一股高速射流推动液体沿着一定途径在容器内作循环流动 这种流动称为液体的 流型 它可分为轴向流型 径向流型和因在容器侧壁加设挡板等阻挡物引起液流方向变化而形成的各种混合流型 因此 液流的流型取决于叶片的几何形状和结构以及在容器内有无阻挡物等 而叶片的几何形状对流型的影响最大 27 1 轴向流型液体从轴向进入叶片 从轴向流出 2 径向流型流体从轴向进人叶轮 从径向流出 3 混合流型叶片造成的液流有三个分速度 轴向速度 径向速度和切向速度 其中轴向速度和径向速度对液体的搅拌混合起着主要作用 28 二 机械式液体搅拌机适用于处理低粘度或中等粘度液体的机械式搅拌机 按搅拌叶片型式分类1 桨叶式搅拌机2 涡轮式搅拌机3 旋桨式搅拌机 29 平桨浆叶式搅拌机的主要特点 结构简单 容易制造 桨叶式搅拌机的转速较慢 20 150r min 液流的径向速度较大 轴向速度较低 混合效果较差 局部剪切作用弱 不易发生乳化作用 适用性广 1 平桨式搅拌机 30 为了加强轴向混合 并减少因切线速度产生的表面旋涡 通常在容器侧壁加设挡板 31 为了提高搅拌效果 还可以增加桨叶对数 为了加热物料 常把容器底部做成夹套即双底锅 32 桨叶种类 33 34 2 涡轮式搅拌机涡轮式搅拌机类似桨叶式搅拌机 唯叶片多而短 属高速回转径向流动式搅拌机 液体经涡轮叶片沿驱动轴吸人 它主要产生径向液流 液体以高速向涡轮四周抛出 再沿槽壁上升流动 涡轮叶片为4 6枚 直径比桨叶小 为容器直径的0 3 0 5倍 转速为400 2000r min 圆周速度在8m s以内 35 36 涡轮式搅拌机的主要特点 适于搅拌多种物料 尤其对中等粘度液体特别有效 混合生产能力较高 能量消耗少 搅拌效率较高 有较高的局部剪切效应 容易清洗和造价较高 涡轮式搅拌机常用于制备低粘度的乳浊液 悬浮液和固体溶液 37 3 旋桨式搅拌机又叫螺旋式搅拌机 多用于混合两种不相溶的液体制备乳浊液 如油和水的混合物等低粘性物料 38 旋桨式搅拌机适用于低粘度液体的高速搅拌 旋桨叶片直径为容器直径的1 3 l 4 其转速小型为1000r min以上 大型为400 800r min 39 旋桨式搅拌机的主要特点 生产能力较高 但对互不溶液体 生产细液滴乳化液而液滴直径范围不大的情况下 生产能力受限制 结构简单 维护方便 常常会卷人空气形成气泡和离心涡旋 适用于低粘度和中等粘度液体的搅拌 对制备悬浮液和乳浊液等较为理想 40 在储槽下部向内插进一根喷管 其形状呈直线或Y形 它向搅拌液中施加喷流 使液流在容器内循环而起到搅拌作用 三 喷流式搅拌机 41 1 散布式搅拌机2 气力扬升式 四 喷气式搅拌机 42 五 真空搅拌机为了保持物料原有的芳香味 真空下操作的搅拌设备 常用于中粘度或高粘度酱料 如生产午餐肉罐头等 该设备供肉糜在真空状态下进行混合搅拌用 43 四 气液混合机 食品工业中最常见的气液混合操作是碳酸饮料生产中的碳酸化 碳酸化就是使CO2与冷净水或糖浆充分接触 让其溶解在液体中 制成含CO2的饮料 生产碳酸饮料的气液混合设备叫做碳酸化器 常用的碳酸化器有三类 薄膜式碳酸化器 喷雾式碳酸化器和喷射式碳酸化器 44 45 调和机又称捏合机 主要加工高粘度糊状物料及粘滞性固体物料 完成在粉状物料中加入少量液体 在高粘度物料中加入少量粉体 液体 形成均匀的塑性物料或膏 糊状混合物等工艺操作 完成捏合 充气等操作 调和机械广泛应用于焙烤食品及糖果 人造奶油 鱼肉制品和混合干酪的生产中 5 2调和机械 46 一 调和原理调和机械所处理的物料大多数是粘度极高的浆体或塑性固体 流动性极小 搅拌器造成的物料局部运动不能波及到整个容器 所以靠对流混合 扩散混合和剪切作用同时发生 调和操作依赖于搅拌器与物料之间的充分接触 搅拌器的运动范围须遍及调和容器的各个部位 其作用面积和转速随物料的粘度而异 物料粘度越高 搅拌器的作用面积越大 转速越慢 一般打蛋机的转速较高 在70 270rpm范围内 而调粉机则转速较低 多为25 35rpm 47 1 立式打蛋机 立式打蛋机结构简图1 机座 2 电动机 3 容器升降机构 4 带轮 5 齿轮变速机构 6 斜齿轮 7 主轴 8 锥齿轮 9 行星齿轮 10 搅拌头 11 搅拌桨叶 12 搅拌容器 二 主要设备 48 打蛋机用于搅打粘稠性浆体物料 食品工业中常常用来打发蛋白液 奶油 在蛋糕生产中调制面浆 在软糖生产中搅打糖浆等 由于打蛋机的转速高于调粉机的转速 因此打蛋机也称为高速调和机 49 1 搅拌器 打蛋机搅拌桨的结构形状是根据被调和物料的性质以及工艺要求决定的 较为典型的有三种结构 搅拌器由搅拌桨和搅拌头组成 搅拌桨在运动中搅拌物料 搅拌头则使搅拌桨相对于容器形成公转和自转的运动规律 1 搅拌桨 50 钩形搅拌桨一侧形状与容器侧壁弧形相同 顶端为钩状 这种桨的强度高 运转时各点能够在容器内形成复杂运动轨迹 主要用于调和高粘度物料 如生产蛋糕所需的面浆 网形搅拌桨 桨叶外缘与容器内壁形状一致 它具有一定的强度 作用面积较大 可增加剪切作用 适用于中粘度物料的调和 如蛋白浆 糖浆 饴糖等 51 鼓形搅拌桨 搅拌时可造成物料液的湍动 但由于搅拌钢丝较细 故强度较低 只适用于工作阻力小的低粘度物料的搅拌 如稀蛋白液 52 2 搅拌头 搅拌头由行星运动机构组成 内齿轮1固定在机架上 转臂3随主轴5转动时 行星齿轮2在内齿轮1与转臂3共同作用下 既随主轴公转 又与内齿轮啮合形成自转 从而实现行星运动 内齿轮齿数多于行星轮齿数 所以搅拌桨自转转速大于公转转速 也就是局部运动速度高于整体运动速度 且自转方向与公转方向相反 53 2 双臂式捏合机 54 55 主轴上有断开的螺旋 捏合机外壳内壁有齿形凸起部分起增强捏合作用 5 可氏捏合机 连续式捏合机 56 对乳浊液 悬浮液进行边破碎边混合的过程叫均质 通常所采用的机械称为均质机和胶体磨 均质的目的在于既要获得均匀的混合物 又要使得产品的颗粒细微一致 不会产生离析 例 如液体乳制品加工中防止产品脂肪分离与利于消化和吸收 奶粉加工中利于后期雾化 冰淇淋加工获得组织均勺 质地细腻的产品 提高带肉混浊果蔬汁稳定性等 5 4均质机 湿法粉碎 57 19 6 25 4MPa 58 59 60 一 均质的原理 一 均质机工作原理 1 剪切在液体物料高速流动时 若突然遇到狭窄的缝隙 就会造成极大的速度梯度 产生大的剪切力 使物料破碎 三种作用协同 不同类型的均质机工作原理各有侧重 剪切 冲击 空穴 61 2 冲击液体物料与均质阀产生高速撞击作用 从而将脂肪球等撞击成细小的微粒 62 3 空穴液体在高速流经均质阀缝隙处时 产生巨大的压力降 当压力降低到液体的饱和蒸气压时 液体开始沸腾并迅速汽化 产生大量气泡 液体离开均质阀时 压力又会增加 使气泡突然破灭 瞬间产生大量空穴 空穴会释放大量的能量 产生高频振动 使颗粒破碎 63 二 温度和压力对均质的影响 均质温度对均质效果影响很大 物料均质时温度高 均质时容易形成空穴 所以 在均质前可将物料加热 例如牛乳的均质温度一般为50 70 牛乳有效均质的最低温度 均质压力 64 一 工作原理料液高速通过均质阀缝隙 通过的缝隙为0 1mm时 液流的流速高达150 200m s 通过缝隙时 脂肪球被剪切为更细小的脂肪球微粒 液料中存在着表面活性物质和卵磷脂和胆脂 它围绕在更细小的脂肪微粒外层 形成一种使这些微粒不再相互粘合的膜 从这里不断离开 二 高压均质机 65 66 二 结构及工作过程在食品工业中 广泛采用的高压均质机是以三柱塞往复泵作为主体 并在泵的排出管路中安装双级均质阀头 高压均质机的结构主要由三柱塞往复泵 均质阀 传动机构及壳体等组成 67 2 往复泵 属于容积式泵 68 双动往复泵动画 69 70 1 进料腔 2 吸入活门 3 活门座 4 排出活门 5 泵体 6 冷却水管 7 柱塞 8 填料 9 垫片 1 高压泵 71 高压泵由进料腔 吸入活门 排出活门 柱塞等组成 当柱塞向右运动时 泵腔容积增大 使泵腔内产生低压 物料由于外压的作用顶开吸入活门进入泵腔 这一过程称为吸料过程 当柱塞向左运动时 泵腔容积减小 泵腔内压力逐渐升高 关闭了吸入活门 达到一定高压时又会顶开排出活门 将泵腔内液体排出 称为排料过程 高压泵柱塞的运动是由曲轴等速旋转通过连杆滑块带动的 72 73 柱塞的运动速率按正弦曲线变化 排料量也按正弦曲线变化 在柱塞处于两个止点时 泵的排出量瞬时为零 当曲柄回转到90 和270 时排料量最大 高压泵常采用三柱塞往复泵 各单泵的运动互差120 泵的工作能力得到了较好的调整 三柱塞泵有三个泵腔 每个泵腔配有吸入活门和排出活门各一个 共六个活门 74 2 均质阀 均质阀安装在高压泵的排料口处 一般采用双级均质阀 双级均质阀主要由阀座 阀芯 弹簧 调节手柄等组成 75 1 阀座 2 阀芯 3 挡板环 4 弹簧 5 调节手柄 6 第一级阀 7 第二级阀 76 77 78 阀座和阀芯结构精度很高 两者之间间隙小而均匀 以保证均质质量 间隙大小由调节手柄调节弹簧对阀芯的压力来改变 第一级均质压力为20 30MPa 主要使大的颗粒得到破碎 第二级的压力在3 5MPa左右 可以使料液进一步细化并均匀分散 79 四 高压均质机的使用与维护 1 起动时均质机压力不稳 应在起动后将其调整到预定值 在压力稳定之前流出的料液回流 以保证均质的质量 2 均质机正常工作时要注意观察压力表 保证压力处于正常工作范围内 3 高压均质机不得空转 起动前应先接通冷却水 4 要经常在机体连接轴处加一些润滑油 以免机体前端的填料缺油 5 柱塞密封圈处于高温和压力周期性变化的条件下 很容易损坏 应保证柱塞冷却水的连续供应 以降低柱塞密封圈的温度 延长其使用寿命 同时 应随时检查密封圈 发现损坏及时修复 更换 80 三 离心均质机 离心均质机常用于乳品生产 不仅能进行均质 还可以去除牛乳中的杂质并分离稀奶油 又称为净化均质机 81 一 离心均质机的工作原理 利用高速旋转的转鼓 物料流至转鼓后受到强烈的离心作用 不同密度的组分便会被分离 82 例如牛乳在离心均质机中会很快分成三相 密度最大的杂质被甩到转鼓四周 应定期排渣 密度适中的脱脂乳从上部的均质出口排出 密度最小的稀奶油被导入稀奶油室 83 稀奶油室内有一个带尖齿的圆盘恒速旋转 与稀奶油发生激烈的相对运动并产生空穴作用 将脂肪球打碎 当脂肪球的细度未达到要求时 可以再回稀奶油室进一步均质 84 二 离心均质机的主要结构