混合和均质机械

**节 概述

 一 混合：

指两种或两种以上不同组份的物料在外力作用下运动速度方向发生改变，使各组份的粒子均匀分布的过程。经过混合操作后得到的物料称为混合物。
 常见混合物的类型：固体与固体、固体与液体、液体与液体、液体与气体相混合构成的混合物。
混合的目的在于获得均匀混合物，强化热交换过程，增强物理和化学反应。

二 混合机及其类型：

 混合机械：将两种或两种以上不同组分的物料混合在一起构成混合物的机械设备有两类：混合机、搅拌机 和捏合机。
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）。
另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。

三 均质和均质机械：

对乳浊液、悬浮液进行边破碎边混合的过程叫均质。所采用的机械设备有均质机 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。通常所采用的机械称为均质机和胶体磨。
对混合和均质机械的一般要求是：
①混合物的混合均匀度高；
②物料在容器内的残留量少；
③均质物的颗粒微小，质地细腻；
④设备结构简单，坚固耐用，操作方便，便于检视、取样和清理；
⑤机械设备要防锈，耐腐蚀，容器表面光滑，工作部件能拆卸清洗；
⑥电机设备和电控装置应能防爆、防湿、防尘，符合环境保护和安全运行的要求。

四、混合均匀度的含义及表示方法

混合物的混合均匀程度是衡量混合机性能好坏的主要技术指标之一。通常用混合物中某组分含量的变异系数Cv值来衡量混合机混合性能的好坏。

五、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着。
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
（一）对流混合：由于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：对于互溶性组分如固体与液体，液体与气体，液体与液体组分等，在混合过程中，以分子扩散形式向四周作无规律运动，从而增加了两个组分间的接触面积和缩短了扩散平均自由程达到均匀分布状态。对于互不相溶性组分的粉粒子，在混合过程中以单个粒子为单元向四周移动，类似气体和液体分子的扩散，使各组分的粒子先在局部范围内扩散，达到均匀分布，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。捏和机工作部件对物料产生的剪切力，使物料拉成愈来愈薄的料层，料层表面出现裂纹，产生层流流动，达到局部混合，谓之剪切混合。挤压膨化机和绞肉机中的物料在螺杆作用下也产生剪切混合。
 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。

第二节 粉料混合机

一、固定容器式混合机

（一）螺旋环带式混合机
（二）立式混合机
（三）立式行星式混合机(又名那塔式混合机 )
摇臂带动混合螺旋以2～6r/min绕中心轴旋转，同时，螺旋又以60～100r/min的速度自转。
在机壳外壁可以加水套以加热或冷却腔内物料。混合需用时间为：小容量混合机2～4min，大容量混合机8～10min。

二、回转容器式混合机

这类混合机的共同特点是容器内没有搅拌工作部件、容器内的物料随着容器旋转方向自下而上依靠物料本身的重力翻转运动以达到均匀混合的目的。所以容器的回转速度不能太高，否则会因离心力过大，物料紧贴容器内壁固定不动，将严重影响混合质量。正常工作时，物料在容器内应发生涡流运动。
（－）水平回转筒式和斜z回转筒式混合机（二）V型混合机 （三）对锥式混合机

第三节 液体搅拌机

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。
液体搅拌机，又称为液体-液体与液体-固体集态混合机，广泛应用于：①将不同颜色和比重差不多的液体构成均一的混合物；②使固体粒子在液体中呈悬浮或混浊状态；③从饱和溶液中析出结晶粒子；④使痕量组分在液体中均匀混合；⑤促进液体与储槽容器之间的热交换过程，并防止局部过热。
液体搅拌的基本原理和粉体混合基本相同，即两种或两种以上组分在搅拌过程中都通过对流、扩散和剪切作用达到均匀混合的。但由于液体和粉体两种物料在物理性质上的根本差异，因此，所采用的搅拌设备也完全不同。
 液体搅拌机的主要工作部件是搅拌叶片，包括桨叶、旋桨和涡轮叶片等型式。由液体-液体或液体-固体物料配制成的混浊液、乳浊液和悬浮液中，液体比例一般约占95％以上；高浓度的粘稠液中液体的比例要小一些。
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较大。
1．轴向流型 液体从轴向进入叶片，从轴向流出，谓之轴向流型 .
 2．径向流型 流体从轴向进人叶轮，从径向流出，谓之径向流型.
3. 混合流型
实际上，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。
液体搅拌机有机械式搅拌机、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较为广泛。

二、机械式液体搅拌机

其中适用于处理低粘度或中等粘度液体的机械式搅拌机，一般多按叶片型式和它在容器内的安装方式来分类：
（一）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
(二）按液体搅拌机的安装型式分类 1．可搬式搅拌机 2．立式搅拌机

1．桨叶式搅拌机

桨叶式搅拌机的转速一般为 20-150r/min，叶片的圆周速度约为3m／s。 叶片直径为容器直径的1/2-3/4,宽度一般为其长度的l/l0-1/6。桨叶式搅拌机的转速较慢，液流的径向速度较大，轴向速度较低。
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。
为了提高搅拌效果，还可以增加桨叶对数，从一对增加到三对。为了加热物料，常把容器底部做成夹套即双底锅。
桨叶边缘到容器底部的间距以30～50mm为宜，对于高浓度物料为5mm。转速一般为50—70r/min。
 桨叶式搅拌机的主要特点是：①结构简单，容易制造；②混合效果较差；③局部剪切作用弱，不易发生乳化作用；④适用性广。

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。
涡轮式搅拌机的主要特点是：①适于搅拌多种物料，尤其对中等粘度液体特别有效；②混合生产能力较高，能量消耗少，搅拌效率较高；③有较高的局部剪切效应；④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。

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。
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。
由于桨叶的高速转动造成了轴向和切向速度的液体流动，致使液体作螺旋形旋转运动，并使液体受到强烈的切割和剪切作用，同时，桨叶也使气泡卷人液体中，这是它的缺点。为此，轴多偏离中心线安置，或斜置成一定角度。由于液体流动非常激烈，故适用于大容器低粘度的液体搅拌，如牛乳、果汁和发酵产品。
旋桨安装位置不同，被搅拌的液体流动状态亦不同。
旋桨式搅拌机的主要特点：①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；②结构简单，维护方便；③常常会卷人空气形成气泡和离心涡旋；④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。

 (二）按液体搅拌机的安装型式分类

 1．可搬式搅拌机
可采用夹钳扳手将其安装在容器上方任何位置的边缘，安装和拆卸比较方便。可以由电动机直接驱动或由减速器减速传动。旋桨转速为300～1800r/min，配用动力通常为 2kw左右。叶片可以是旋桨式或涡轮式。为了防止气泡混人，多稍偏离中心安装。
2．立式搅拌机
多用于开式容器中，呈垂直状安装在其下方，且倾斜50－100， 若用在密闭式容器上，可以固定不动。

 三、喷流式搅拌机

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 。

四、喷气式搅拌机

1．散布式喷气搅拌机
2．气力扬升式喷气搅拌机

 五.真空搅拌机

 为了保持物料原有的芳香味，所采用的一种专用搅拌设备，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。

六、其他类型的液体搅拌机

除上述外，尚有借储槽容器本身振动及液体本身振动进行搅拌的设备；利用超声波发生器对液体进行超声波搅拌的设备；利用搅拌叶片的振动，即叶片本身既作上下振动，又作交互回转进行搅拌的设备等。

第四节 均质机

对乳浊液、悬浮液进行边破碎边混合的过程叫均质。均质的目的在于获取粒度很小且均匀一致的液相混合物。
按工作原理和构造，均质机可分为机械式、喷射式、离心式和超声波式以及搅拌乳化机，其中以机械式均质机应用常见。
机械式均质机主要采用剪切力使料液中的微粒或液滴破碎和混合，它又可分为胶体磨和均质机两种。

 一、胶体磨

主要由料斗、定磨盘和动磨盘、排料口和传动机构组成。按安装方式可分为卧式胶体磨和立式胶体磨。
定、动磨盘的锥度不同，间隙由大到小，可以调节。定、动磨盘之间间隙为0. 5—1.5mm，动磨盘转速3000～15000r/min。
立式胶体磨用粘度为 10Pa.s 左右料液的均质作业，卧式胶体磨多用于粘度较低的物料。
胶体磨的特点是：①结构比较简单，操作方便，容易清洗②适用于粘度高的物料；③转速高，要求动磨盘平衡性能好 。

一、高压均质机

传动采用二级变速，利用曲臂镶入一对人字齿轮，实施对称传动，具有结构紧凑，弯矩小，受力均匀，平稳、低噪声等。
大多数均质机上配备双级均质阀，在**级中，料液压力为19.6-25.4MP.a, 主要使脂肪球破碎，第二级料液压力减为3.43MPa, 主要使脂肪球均匀分散。阀和阀座采用耐磨合金钢制造.三柱塞泵的特点是排液量比较均匀。
（二）工作原理 料液以很高速度通过均质阀缝隙处受到强裂剪切作用而均质和乳化。通过的缝隙为0.1mm时，液流的流速高达150～200m／s。
通过缝隙时，由于受到压力的作用，使脂肪球在缝隙处被拉伸和延展，同时又受到流液通过均质阀时的涡动作用，使延展部分被剪切为更细小的脂肪球微粒。
从图 5－32中可以看出，**级均质阀压力从22.5mPa下降到14.4mPa时，这一段区域内的脂肪球平均直径基本上保持稳定不变，即料液的压力比14.7MPa更高，脂肪球粒径也不会再减小。

第五节 捏合机

工作部件对物料进行剪切、挤压使其先局部混合再达到整体混合的过程叫捏合。
捏合机用于一般粉体混合机和液体搅拌机不能加工的高粘度浆体或塑性固体的捏合，如面团和蜂蜜等。这些物料的粘度高达2000Pa.s以上。流动性极差。此外，通常将工作部件对物料先是局部混合，进而达到整体混合谓之捏合、揉合或调合。捏合机具有混合搅拌的功能，又具有对物料造成挤压力、剪切力、折叠力等综合作用，因此，捏合机的叶片格外坚固，能承受巨大的作用力，容器的壳体也要具有足够的强度和刚度。
捏合机理，如前所述，主要有对流混合、扩散混合和剪切混合，通常这三种混合过程同时并存，但以剪切混合为主。
常用的捏合机有如下几种：
一、分批式捏合机
（一）双臂式捏合机 （二）波尼式捏合机 （三）行星式捏合机
二、连续式捏合机
一、分批式捏合机 （一）双臂式捏合机 （二）波尼式捏合机 （三）行星式捏合机
二、连续式捏合机