第5章混合均质机械与设备

各种典型搅拌器型式
2．搅拌器的安装形式
▪ 搅拌器不同的安装形式会产生不同的流场，使搅拌的效果有明显的差别。 常见的五种搅拌轴相对于容器的安装方式如图6. 3所示。
▪ （1）中心立式搅拌安装形式 ▪ （2）偏心式搅拌安装形式 ▪ （3）倾斜式搅拌安装形式 ▪ （4）底部搅拌安装形式 ▪ （5）旁入式搅拌安装形式 ▪ (6) 其它安装形式的搅拌器
传动装置
传动装置是赋予搅拌装置及其它附件运动的传动 件组合体，在满足机器所必须的运动功率及几何参数 的前提下，希望传动链短、传动件少、电动机功率小， 以降低成本。
轴封
轴封是指搅拌轴及搅拌容器转轴处的密封装置。 为避免食品污染，轴封的选择必须给予重视。
附件
典型搅拌设备通常还设有进出口管路、夹套、人孔、 温度计插套以及挡板等附件。
悬浮液操作
涡轮式：使用范围大，其中以弯叶开启涡轮式最好。它无 中间圆盘，上下液体流动畅通，排出性能好，桨叶不易磨 损。
桨式：速度低，只用于固体粒度小，固液相对密度差小、 固相浓度较高、沉降速度低的悬浮液。
旋浆式：使用范围窄，只适用于固液相对密度差小或固液 比在5%以下的悬浮液。
对于有轴向流的搅拌器，可不加挡板。因固体颗粒会沉积 在挡板死角内，所以只在固液比很低的情况下才使用挡板。
功率与转速
这种型式的搅拌设备的搅拌器功率可以从0.1kW至数百千瓦。 常用功率范围为 0.2~22kW。
一般认为，功率小于3.7kW的为小型，5.5~22kW为中型，大 于22kW为大型。食品工业中搅拌设备中多用中小型的搅拌 器。
转速低于100r/min的为低速型；100~400r/min 的为中速型； 大于400r/min的为高速型。
（5）旁入式搅拌安装形式
搅拌器安装在容器侧壁，如图 6.3（5）所示。 在同等功率下，能得到最好的搅拌效果。 转速一般在360~450r/min之间。 驱动方式有齿轮传动与带传动两种。 主要缺点是轴封比较困难。 不同角度的流动效果
Байду номын сангаас
不同角度的流动效果
图6. 4所示为旁入式搅拌装置在不同旋桨位置所产生的不同流动状态。
混合操作所采用的设备因物料状态不同而异。对于低黏度液 体，采用的是液体搅拌与混合机械设备；对于粉料，所用的 设备为混合器。介于两种状态之间的物料，既可用搅拌器， 也可用混合器，但更经常使用的是捏合机。
均质及其设备
均质(也称匀浆)是一种使液体分散体系(悬浮液或乳 化液)中的分散物(构成分散相的固体颗粒或液滴)微 粒化、均匀化的处理过程。
旋桨式叶片旋转时，产生的流动状态不但有水 平环流、径向流，而且也有轴向流动，其中以 轴向流量最大。此类桨叶称为轴流型桨叶。
图6. 2所示的搅拌器中，折叶开启涡轮式和旋 桨式可以产生明显的轴向流。
轴向流型搅拌产生的流动方向（即是朝容器底还是朝容器口）与搅拌 轴的转向有关，所以在安装使用时有必要注意。
（三）搅拌容器
1．罐体 2．附件
1．罐体
罐体的形状-支承-压力-作用 罐体的容积-径高比 罐体的换热结构
罐体的形状-支承-压力-作用
▪ 用于低黏度物料的搅拌用罐体一般为立式圆筒形容器，其 底可以是平底的，也有碟形底和球形底的。罐体通过支座安装 在基础或平台上。罐体在常压或规定的温度及压力下，为物料 完成其搅拌过程提供一定的空间。
(1)α = 7°~12° (2)α>12°
(3)α= 0°
图6. 4 旁入式搅拌轴与径向的夹角及流形
(6)其它安装形式的搅拌器
▪ 除了以上5种形式的搅拌器外，还有其它安装形 式的搅拌器。如卧式容器搅拌器，是将搅拌器安装 在卧式容器的上方。此类布局可以降低整台设备的 安装高度，提高设备的抗振动能力，改善悬浮液的 状态，如充气搅拌就是采用卧式容器的搅拌设备。
（2）偏心式搅拌安装形式
搅拌器安装在立式容器的偏心位置 如图 6.3（2）所示。
能防止液体打漩，效果与装挡板相近。 中心线偏离容器轴线的搅拌轴，会使液 流在各点处压力分布不同，加强了液层 间的相对运动，从而增强了液层间的湍 动，使搅拌效果得到明显的改善。
但偏心搅拌容易引起设备在工作过程中 的振动，一般此类安装形式只用于小型 设备上。
（1）中心立式搅拌安装形式
安装形式如图6.3（1）所示。这种 安装形式的搅拌设备可以将桨叶组 合成多种结构形式以适应多种用途。
特点 功率与转速 挡板
挡板
为了防止在搅拌器附近产生涡流回转区域，往往 在立式容器的侧壁上装挡板。但用于食品料液搅拌的 不多见，原因是由于清洗上的不方便。
特点
这种安装的特点是搅拌轴与搅拌器配置在搅拌罐 的中心线上，呈对称布局，驱动方式一般为带传动或 齿轮传动，或者通过减速传动，也有用电动机直接驱 动。
（3）倾斜式搅拌安装形式
是将搅拌器直接安装在罐体上部边 缘处，搅拌轴斜插入容器内进行搅 拌，如图6.3（3）所示。
对搅拌容器比较简单的圆筒形或方 形敞开立式搅拌设备，可用夹板或 卡盘与筒体边缘夹持固定。
这种安装形式的搅拌设备比较机动 灵活，使用维修方便，结构简单、 轻便，一般用于小型设备上，可以 防止打漩效应。
3．搅拌器桨叶与流型
流动状态与搅拌容器的结构及其附件有一定关系。 搅拌器桨叶的结构形状与运转情况是决定容器内液体流动状
态最重要的因素。 搅拌器件周围流体的运动方向有三种，即径向流、轴向流和
环流。 普通搅拌器一般只有一种为主导流向。 (1)轴向流型 或 (2)径向流型
（1）轴向流型
液体由轴向进入叶片，从轴向流出，称为轴向 流型，如图6. 5（1）所示。
图6. 6 搅拌器选择曲线
1.锚式、螺带式；2.浆式；3.涡轮式；4、5.涡 轮式、旋浆式；R1=1750r/min; R2=1150r/min;
R3=420 r/min
（2）根据搅拌过程和目的选型
这种方法根据搅拌过程和目的，对照搅拌器的流动效果作出 判断选择。
低黏度均相液－液混合 分散操作 悬浮液操作 有气体吸收的搅拌 结晶过程的搅拌操作
食品工厂机械与设备
第六章 混合均质机械与设备
第六章 混合均质机械与设备
混合及其设备 均质及其设备
第一节 粉体混合机械 第二节 液体搅拌与混合机械设备 第三节 均质机械设备
本章小结 思考题 自测题
混合及其设备
混合是指使两种或两种以上不同物料互相混合，成分浓度达 到一定程度均匀性的单元操作。
（一）基本结构 （二）搅拌器 （三）搅拌容器 （四）搅拌器的传动装置和轴封
带有搅拌器的设备
食品工业中典型的带搅拌器的设备有：发酵罐、酶 解罐、冷热缸、溶糖锅、沉淀罐等。这些设备虽然名 称不同，但基本构造均属于液体搅拌机。
液体搅拌目的
在食品加工中，液体搅拌机主要用于以下方面：
促进物料的传热，使物料温度均匀化； 促进物料中各成分混合均匀； 促进溶解、结晶、浸出、凝聚、吸附等过程进行； 促进酶反应等生化反应和化学反应过程的进行。
罐体的换热结构
▪ 需要进行加热或冷却操作的搅拌罐，通常为夹 层式的。用于蒸汽加热的夹套应当耐压。此时的搅 拌罐是压力容器，必须由具备生产压力容器许可证 的厂商提供。搅拌罐器也可采用其它形式的换热器， 如盘管式等。
（一）基本结构
▪ 搅拌机械的种类较多，但其基本结构 是一致的。其结构如图6.1所示，主要 由搅拌装置、轴封和搅拌容器三大部 分组成，即：
传动装置
搅拌装置
搅拌轴
搅
搅拌器
拌
设
轴封
备
罐体
搅拌容器
附件
搅拌器
搅拌器（或称搅拌桨）及搅拌轴的主要作用是通 过自身的运动使搅拌容器中的物料按某种特定的方式 流动，从而达到某种工艺要求。所谓特定方式的流动 （流型）是衡量搅拌装置性能最直观的重要指标。
4．搅拌器的选择
选择因素及选择试验 （1）根据介质黏度高低选型 （2）根据搅拌过程和目的选型
选择因素及选择试验
一般选择搅拌时主要应从介质的黏度高低、容器的 大小、转速范围、动力消耗以及结构特点等几方面 因素综合考虑。
也可以通过小型试验进行选择。通常可采用经验类 比的方法，以某台实际使用的机型为参考，在相近 的工件条件下进行类比选型。
搅拌容器
搅拌容器也称搅拌槽或搅拌罐。 其作用是容纳搅拌器与物料在其内进行操作。 对于食品搅拌容器，除保证具体的工艺条件外，还要满足无
污染、易清洗等专业技术要求。
罐体
罐体大多数设计成圆柱形，其顶部为开放式或密闭式，底 部大多数成碟形或半球形，平底的很少见到，因为平底结构容 易造成搅拌时液流死角，影响搅拌效果，同时也不利于料液的 完全排放。
（１）根据介质黏度高低选型
根据介质黏度高低选型是一种基本方 法。
如图6. 6所示，随着黏度增高，各种搅 拌器选用的顺序为旋桨式、涡轮式、 桨式、锚式和螺带式等。
对旋浆式指出了大容器量液体时用低 转速，小容量液体时用高转速。
各类型式使用有重叠性，例如桨式搅 拌器由于其结构简单，用挡板后可以 改善流型，所以，在低黏度时也是应 用得较普遍的。而涡轮式由于其对流 循环能力、湍流扩散和剪切都较强， 几乎是应用最广泛的一种桨型。
（4）底部搅拌安装形式
将搅拌器安装在容器的底部，如图 6.3（4）所示。 它具有轴短而细的特点，无需用中间轴承，可用
机械密封结构，有使用维修方便、寿命长等优点。 此外，搅拌器安装在下封头处，有利于上部封头 处附件的排列与安装，特别是上封头带夹套、冷 却构件及接管等附件的情况下，更有利于整体合 理布局。由于底部出料口能得到充分的搅动，使 输料管路畅通无阻，有利于排出物料。此类搅拌 设备的缺点是，桨叶叶轮下部至轴封处常有固体 物料黏积，容易变成小团物料混入产品中影响产 品质量。
（2）径向流型
流体由轴向进入叶轮，从径向 流出。
如平直叶的桨叶式、涡轮式叶 片，这种高速旋转的小面积桨 叶搅拌器所产生的液流方向主 要为垂直于罐壁的径向流动。 由于平直叶的运动与液流相对 速度方向垂直。
低速运转，主要为环向流，当转速增大时，液体的径向流动 就逐渐增大，桨叶转速越高，由平直叶排出的径向流动越强烈， 打漩效应也随之增强，严重时会造成液体外溢。
低黏度均相液－液混合
这种混合，搅拌难度小，平桨式循环能力强，动力消耗少， 最适用。
平桨式结构简单，成本低，适宜小容量液相混合。 涡轮式动力消耗大，会增加费用。
分散操作
▪ 涡轮式因具有高剪切力和较大循环能力，所以最 适用。其中平直叶涡轮剪切作用大于折叶和后弯叶的 剪力作用，因此应优先选用。为了加强剪切效果，容 器内可设置挡板。
（二）搅拌器
1．搅拌器的类型 2．搅拌器的安装形式 3．搅拌器桨叶与流型 4．搅拌器的选择
1．搅拌器的类型
两大类型： ① 小面积叶片高转速运转的搅拌器，属于这种类型
的搅拌器有涡轮式、旋桨式等，多用于低黏度的物 料；
② 大面积叶片低转速运转的搅拌器，属于此类型的
搅拌器有框式、垂直螺旋式等，多用于高黏度的物 料。
有气体吸收的搅拌
圆盘式涡轮：最合适。它剪切力强，圆盘下可存 在一些气体，使气体的分散更平衡。
开启式涡轮：不适用。 平桨式及旋桨式：只在少量易吸收的气体要求分
散度不高的场合中使用。
结晶过程的搅拌操作
小直径的快速搅拌器：如涡轮式，适用于微粒结晶。 大直径的慢速搅拌器：如桨式，用于大晶体的结晶。
除了高压均质机以外，胶体磨、超声波均质器(或称 超声波乳化器)、高速搅拌器等都有均质功能。
第一节 液体搅拌与混合机械设备
除了间歇式的液体搅拌设备以外，还可利用水粉混合机 及静态混合器等设备，以连续或半连续化的方式制备液体混 合物。
一、液体搅拌机 二、水粉混合机 三、静态混合器
一、液体搅拌机
液体搅拌目的 带有搅拌器的设备
罐体的容积-径高比
▪ 罐体容积由装料量决定，根据罐体容积选择适宜的高径比， 确定筒体的直径和高度。选择罐体的高径比应考虑物料特性对 罐体高径比的要求、对搅拌功率的影响和对传热的影响等因素。 从夹套传热角度考虑，一般希望高径比取大些。在固定的搅拌 轴转速下，搅拌功率与搅拌器桨叶直径的 5 次方成正比，所以 罐体直径大，搅拌功率增加。需要有足够的液位高度，就希望 高径比取大些。根据上述因素及实践经验，当罐内物料为液-固 相或液-液相物料时，搅拌罐的高径比为 1~1.3 ，当罐内物料为 气-液相物料时，搅拌罐的高径比为1~2。