乳化设备及乳化工艺

乳化设备及乳化工艺

乳化设备及乳化工艺

一、乳化设备

乳化方法包括物理化学乳化法和机械法。目前常用的机械乳化方法包括多种，诸如管动，射流，搅拌，均质等，不同的乳化方法对应不同的设备，适用不同的需求。下面择要介绍几种：

表一乳化方法

方法作用原理能量密度操作方法

摇动湍流低间歇

管动

层流层流滞应力低-中等连续

湍流湍流低-中等连续

射流低-中等连续

搅拌简单搅拌层流滞应力、湍流低间歇、连续转子—定子混合器层流滞应力、湍流中-高间歇、连续刮刀式搅拌层流滞应力低-中等间歇、连续振荡式低间歇、连续

胶体磨层流滞应力中-高连续

高压均质机层流滞应力、湍流及气穴形成高连续

超声均质器

振动叶片湍流、气穴形成中-高连续

磁致收缩气穴形成中-高间歇、连续1、搅拌

指借助于流动中的两种或两种以上物料在彼此之间相互散布的一种操作，以实现物料的均匀混合，同时还可以促进气体溶解、强化热交换等。

1.1 搅拌混合机理

搅拌混合机理主要包括对流混合，扩散混合，剪切混合。

（1）对流混合是在搅拌容器中，通过搅拌器的旋转把机械能传给液体物料造成液体的流动，属强制对流。包括主体对流—物料大范围的循环流动；涡流对流—漩涡的对流运动。

（2）扩散混合指互溶组分中存的的混合现象，是液体分子间的均匀分布，对流混合可促进扩散混合。（3）搅拌桨将物料组分拉成愈来愈薄的料层，使某一组分原来占有区域的尺寸越来越小，达到混合的目的。高粘度物料混合过程主要靠剪切作用。

1.2 搅拌器的构造和类型

1.2.1 搅拌器的构造

搅拌器是通过搅拌使物料均匀混合的装置，主要由搅拌装置、搅拌罐和轴与轴封三大部分组成。

1.2.2 搅拌器的类型

搅拌器主要包括小面积叶片高速运转的搅拌器，诸如涡轮式、桨式搅拌器等，多适用于低粘度的物料；另外就是大面积低速运转的搅拌器，诸如框式、螺带式及行星式搅拌器等。

桨式搅拌器

桨式搅拌器是最常用的一种，桨叶由条钢制造，有平桨式和斜桨式两种。平桨式搅拌器由两片叶片平直桨叶构成，主产生径向流和切向流；斜桨式搅拌器的两叶相反折转一定角度，这样不仅可以产生轴向流，还可以减小阻力。桨式搅拌器结构简单，适用于低粘度物料的混合，当容器内液位较高时，可在同一轴上同时安装几个桨叶。

桨叶固定轴上的方式主要有三种：

（1）焊接法：桨叶和轴整体焊接在一起，此结构不可拆卸清洗及更换，强度也不大，且容易打滑，主要适用小容器。

（2）螺钉连接法：通过螺钉将桨叶连接在轴上，中间有垫片。当轴式圆形的时候，主要靠桨叶和轴的摩擦力而使桨叶运动，此结构拆卸方便，但功率大时易产生滑动，故多用小功率设备中。

（3）方轴连接法：这方法主要是客服焊接法容易打滑的缺点，但轴的加工困难。

（4）方轴、螺钉连接法：为了克服焊接法的易打滑及方轴连接法的难于制造等缺点而设计的，被广泛采用。旋桨式搅拌器

旋桨式搅拌器类似于无壳的轴流泵，由2~3片旋转桨组成不同形式（见下图），桨叶是用螺母固定在轴上，螺母的拧紧方向与桨叶旋转方向相反，这样才能借阻力作用使螺母在搅拌器运转时愈来愈紧。旋转直径约为容器直径的0.2~0.3倍，以轴流混合为主，伴有切向流和径向流，但湍流程度不高。搅拌桨转速高，循环量大，适用于大容器低粘度物料的混合，该搅拌不适用粘稠物料。

涡轮式搅拌器

涡轮式搅拌器类似于无壳的离心泵，由圆盘、轴、及多块叶片组成，结构复杂，种类较多，主要有开启涡轮式和圆盘涡轮式两种（见下图）

涡轮式搅拌器转速高，一般转速为100～2000rpm，平直叶片产生强烈的径向和切线流动，通常加挡板以减小中央旋涡，同时增强因折流而引起的轴向流，工作时，搅拌液沿轴线由中心孔而进入轮内，有各小叶片工作因而加热，然后再以高速度偶轮抛出，湍流程度强，剪切力大，可将微团细化。涡轮式搅拌器适合处理中低粘度物料，混合生产能力较高，按一定的设计形式，具有较高的局部剪力效应，且易清洗，但价格

较高。

框式和锚式搅拌器

框式和锚式搅拌器适用于高粘度物料的搅拌，其外形轮廓与容器壁形状相似，底部形状为适应罐底轮廓，多为椭圆或锥形等，桨叶外缘至容器底部的距离要适当，以30～50mm为宜，但由于高浓度物料搅拌时只能取5mm，这时要求加工及安装的精度却高，否则外片可能碰上器壁而损坏设备。

如上图所知，框式和锚式搅拌器的结构简单坚固，制造方便，而且在搅动时能搅动大量的物料，不会产生死区。此类搅拌器的转速较慢，所产生的液流的径向速度较大，而轴向速度甚低，为了加强轴向混合，并减小因切线速度所产生的表面旋涡，通常加装挡板。

螺带式与螺杆式搅拌器

螺带式搅拌器是由一定宽度的带材或圆柱棒材制作成螺带形状。它可以有单条或双条螺带结构。一般螺带的外廓尺寸接近容器内壁，使搅拌操作遍及整个罐体。螺杆式搅拌器四用支撑杆使螺带固定在搅拌轴上。每个螺距设置杆件2～3根。支撑杆一端与螺带焊接，另一端夹紧在搅拌轴上，也可以采用支撑杆与轴的连接的形式（见下图）。

螺带式与螺杆式搅拌器，转速慢，适用于高粘度的物料的搅拌。

行星式搅拌器

行星式搅拌器旋转桨的轴不仅自转，还能绕容器旋转，搅拌速度高，适用于高粘度液体的搅拌，但是结构复杂，制作繁琐。

2、均质机

均质是一种特殊的操作，通过均质，可使两种互不相容的的液体进行密切混合，是一种液体粉碎为极细小微粒或液滴分散在另一液体中的过程，像乳状液。目前主要有以下几种均质机：

2.1 高压均质机

2.1.1 高压均质机结构

高压均质机主要由泵体和均质阀或安全阀、电动机、传动机与机架几个部分组成。

高压泵多采用三柱塞式往复泵，由共用一根轴的三个作用泵组成，三个单作用泵的曲柄互相错开120度，其吸液泵和排液泵也是三个泵共用。这样，在曲轴旋转一周的周期里，各泵的吸液或排液依次相差1/3周期，大大提高排液泵流量的均匀性。三作用泵的流量各为单作用泵的三倍。均质阀安装在高压泵的排出路上，由阀座、阀杆和冲击环组成，国外多采用钨钴铬合金（用于牛奶均质）或硬质合金（腐蚀性强的液料）等制成，而国内多采用4Cr13。目前多数高压均质机均采用二级均质阀，以获得更均匀更细小的乳化粒子。以下即为一级、二级均质阀的结构图及双击均质阀工作示意图。

2.2.2 高压均质机的工作原理

高压均质机是基于对物料的挤压、剪切、涡流、泄压、空穴作用，从而达到颗粒减小、分散均匀的目的。（1）剪切学说：当高压物料在阀盘与阀座间流过时，在缝隙中心流速最大，而在缝隙避面处液体流速最小，促使了速度梯度的产生，液滴之间相互挤压、剪切，从而达到乳化均质。

（2）撞击学说：由于三柱塞往复泵的高压作用，液滴与均质阀发生高速撞击，从而导致液滴破裂变小，起到均质的作用。