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 高壓均質(zhì)機(jī)和高剪切均質(zhì)機(jī)的區(qū)別及應(yīng)用

    在食品、化工、制藥等行業(yè)均質(zhì)技術(shù)已成為提高產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)食品行業(yè)使用的傳統(tǒng)均質(zhì)設(shè)備多為高壓均質(zhì)機(jī)、膠體磨、砂磨和輥磨機(jī)等,近年來(lái)出現(xiàn)了新型的高剪切均質(zhì)機(jī)設(shè)備。至于這些均質(zhì)設(shè)備在各行業(yè)中的應(yīng)用,目前尚無(wú)人進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究。對(duì)此,筆者針對(duì)目前主要使用的高壓均質(zhì)機(jī)和高剪切式均質(zhì)機(jī),從均質(zhì)原理、不同物料的工藝流程以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等方面進(jìn)行了對(duì)比分析研究

   1  均質(zhì)機(jī)原理分析

液體物料分散系中分散相顆?；蛞旱纹扑榈闹苯釉蚴鞘艿郊羟辛蛪毫Φ淖饔?。引起剪切力和壓力作用的具體流體力學(xué)效應(yīng)主要有層流效應(yīng)、湍流效應(yīng)和空穴效應(yīng)。

層流效應(yīng)會(huì)引起分散相顆?；蛞旱蔚募羟泻屠L(zhǎng);

湍流效應(yīng)是在壓力波動(dòng)作用下引起分散相顆粒或液滴的隨意變形;

空穴效應(yīng)是使形成的小氣泡瞬間破碎產(chǎn)生沖擊波,而引起劇烈攪動(dòng)。

         高剪切均質(zhì)機(jī)原理

目前國(guó)內(nèi)常用的剪切式均質(zhì)機(jī)線速度多為10～25 m/ s。實(shí)踐證明其均質(zhì)效果并不理想。高剪切均質(zhì)機(jī)指線速度達(dá)到40～66 m/ s的剪切式均質(zhì)機(jī),其主要工作部件為1級(jí)或多級(jí)相互嚙合的定轉(zhuǎn)子,每級(jí)定轉(zhuǎn)子又有數(shù)層齒圈.

工作原理:轉(zhuǎn)子帶有葉片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力場(chǎng),在轉(zhuǎn)子中心形成很強(qiáng)的負(fù)壓區(qū),料液(液液、或液固相混合物)從定轉(zhuǎn)子中心被吸入,在離心力的作用下,物料由中心向四周擴(kuò)散,在向四周擴(kuò)散過(guò)程中,物料首先受到葉片的攪拌,并在葉片端面與定子齒圈內(nèi)側(cè)窄小間隙內(nèi)受到剪切,然后進(jìn)入內(nèi)圈轉(zhuǎn)齒與定齒的窄小間隙內(nèi),在機(jī)械力和流體力學(xué)效應(yīng)的作用下,產(chǎn)生很大的剪切、摩擦、撞擊以及物料間的相互碰撞和摩擦作用而使分散相顆?；蛞旱纹扑?。隨著轉(zhuǎn)齒的線速度由內(nèi)圈向外圈逐漸增高,粉碎環(huán)境不斷改善,物料在向外圈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到越來(lái)越強(qiáng)烈地剪切、摩擦、沖擊和碰撞等作用而被粉碎得越來(lái)越細(xì)從而達(dá)到均質(zhì)乳化目的。

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影響分散乳化結(jié)果的因素有以下幾點(diǎn)

1 分散頭的形式（批次式和連續(xù)式）（連續(xù)式比批次好）

2 分散頭的剪切速率 （越大，效果越好）

3 分散頭的齒形結(jié)構(gòu)（分為初齒，中齒，細(xì)齒，超細(xì)齒，約細(xì)齒效果越好）

4 物料在分散墻體的停留時(shí)間，乳化分散時(shí)間（可以看作同等的電機(jī)，流量越小，效果越好）

5 循環(huán)次數(shù)（越多，效果越好，到設(shè)備的期限，就不能再好）

線速度的計(jì)算

剪切速率的定義是兩表面之間液體層的相對(duì)速率。

– 剪切速率 (s-1) = v 速率 (m/s)
g 定-轉(zhuǎn)子 間距 (m)

由上可知，剪切速率取決于以下因素：

– 轉(zhuǎn)子的線速率

– 在這種請(qǐng)況下兩表面間的距離為轉(zhuǎn)子-定子 間距。
IKN 定-轉(zhuǎn)子的間距范圍為 0.2 ~ 0.4 mm

速率V= 3.14 X D（轉(zhuǎn)子直徑）X 轉(zhuǎn)速 RPM / 60

超高速分散均質(zhì)乳化機(jī)的高的轉(zhuǎn)速和剪切率對(duì)于獲得超細(xì)微懸浮液是*重要的。根據(jù)一些行業(yè)特殊要求，依肯公司在ERS2000系列的基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)出ERX2000超高速剪切乳化機(jī)機(jī)。其剪切速率可以超過(guò)200.00 rpm，轉(zhuǎn)子的速度可以達(dá)到66m/s。在該速度范圍內(nèi)，由剪切力所造成的湍流結(jié)合專(zhuān)門(mén)研制的電機(jī)可以使粒徑范圍小到納米級(jí)。剪切力更強(qiáng)，乳液的粒經(jīng)分布更窄。

  同時(shí),在轉(zhuǎn)子中心負(fù)壓區(qū),當(dāng)壓力低于液體的飽和蒸汽壓(或空氣分離壓)時(shí),產(chǎn)生大量氣泡,氣泡隨液體流向定轉(zhuǎn)子齒圈中被剪碎或隨壓力升高而潰滅。潰滅瞬間,在汽泡的中心形成一股微射流,射流速度可達(dá)100 m/ s ,甚至300 m/ s ,其產(chǎn)生的沖擊力可用水錘壓力公式估算,即P = ρCaC ,其中ρ為液體密度; Ca為液體中的聲速; C為微射流速度。設(shè)C為100 m/ s ,則產(chǎn)生的脈沖壓力就接近200M Pa ,這就是空穴效應(yīng)。強(qiáng)大的壓力波可使軟性、半軟性顆粒被粉碎,或硬性團(tuán)聚的細(xì)小顆粒被分散。

     由分析可知,物料在定轉(zhuǎn)子腔內(nèi)被均質(zhì)的機(jī)理較復(fù)雜,筆者認(rèn)為剪切起主導(dǎo)作用,其次是空穴作用。

    高壓均質(zhì)機(jī)原理

高壓均質(zhì)是利用高壓使得液料高速流過(guò)狹窄的縫隙時(shí)而受到強(qiáng)大的剪切力、液料被沖擊到金屬環(huán)上而產(chǎn)生強(qiáng)大撞擊力以及因靜壓力突降與突升而產(chǎn)生的空穴爆炸力等等綜合力的作用,把原先顆粒比較粗大的乳濁液或懸浮液加工成顆粒非常細(xì)微的穩(wěn)定的乳濁液或懸浮液的過(guò)程。被均質(zhì)物料通過(guò)閥座與閥桿間大小可調(diào)的間隙h (一般為011 mm)時(shí),其流速在瞬間被加速到200～300 m/ s ,從而產(chǎn)生巨大的壓力降,當(dāng)壓力降低到工作溫度下液體的飽和蒸汽壓(或空氣分離壓)時(shí),液體就開(kāi)始“沸騰”,迅速“汽化”,內(nèi)部產(chǎn)生大量汽泡。含有大量微汽泡的液體朝縫隙出口流出,流速逐漸降低,壓力又隨之提高,壓力增加到一定值時(shí),液體中的汽泡突然破滅而重新凝結(jié),汽泡在瞬時(shí)大量生成和潰滅就形成了空穴現(xiàn)象?？昭ìF(xiàn)象似無(wú)數(shù)的微型炸彈,能量強(qiáng)烈釋放產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振動(dòng),同時(shí)伴隨著強(qiáng)烈的湍流產(chǎn)生的強(qiáng)烈的剪切力,液體中的軟性、半軟性顆粒就在空穴、湍流的剪切力的共同作用下被粉碎成微粒 ,其中空穴效應(yīng)所起作用被認(rèn)為較大。被粉碎的微粒接著又高速?zèng)_擊到?jīng)_擊環(huán)上 ,被進(jìn)一步粉碎和分散。 \

     比較與分析

    通過(guò)以上分析可知 ,高剪切均質(zhì)機(jī)主要是由于定轉(zhuǎn)子之間相對(duì)的高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的高剪切作用 ,同時(shí)伴隨著較強(qiáng)的空穴作用對(duì)物料顆粒進(jìn)行分散、細(xì)化、均質(zhì)的 ;而高壓均質(zhì)機(jī)主要是靠高壓流體產(chǎn)生的強(qiáng)烈、充分的空穴效應(yīng)和湍流作用使流體分散相中的顆粒破碎達(dá)到均質(zhì)目的。不難理解 ,由于極強(qiáng)烈的空穴作用 ,高壓均質(zhì)機(jī)對(duì)處理軟性、半軟性的顆粒狀物料比較合適 ;研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于纖維的粉碎***的力場(chǎng)是剪切力和研磨力 ,常溫下沖擊力對(duì)纖維是無(wú)能為力的 ,而高剪切均質(zhì)機(jī)能對(duì)物料產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切與研磨作用 ,因此高剪切均質(zhì)機(jī)比較適合處理含纖維較多或者理,容易出現(xiàn)稀奶油層 ,較硬的顆粒物料。

均質(zhì)機(jī)主要分為兩種：高剪切均質(zhì)機(jī)與高壓均質(zhì)機(jī)。

高剪切均質(zhì)機(jī)與高壓均質(zhì)機(jī)作用的區(qū)別： 

高剪切均質(zhì)機(jī)與高壓均質(zhì)機(jī)的均質(zhì)機(jī)理的比較：

目前國(guó)內(nèi)常用的剪切式均質(zhì)機(jī)線速度多為10～ 25m/ s。實(shí)踐證明其均質(zhì)效果并不理想。高剪切均質(zhì)機(jī)指線速度達(dá)到30～40m/ s 的剪切式均質(zhì)機(jī), 其主要工作部件為1 級(jí)或多級(jí)相互嚙合的定轉(zhuǎn)子, 每級(jí)定轉(zhuǎn)子又有數(shù)層齒圈。

高剪切均質(zhì)機(jī)主要是由于定轉(zhuǎn)子之間相對(duì)的高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的高剪切作用, 同時(shí)伴隨著較強(qiáng)的空穴作用對(duì)物料顆粒進(jìn)行分散、細(xì)化、均質(zhì)的; 而高壓均質(zhì)機(jī)主要是靠高壓流體產(chǎn)生的強(qiáng)烈、充分的空穴效應(yīng)和湍流作用使流體分散相中的顆粒破

碎達(dá)到均質(zhì)目的。不難理解, 由于極強(qiáng)烈的空穴作用, 高壓均質(zhì)機(jī)對(duì)處理軟性、半軟性的顆粒狀物料比較合適; 研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于纖維的粉碎***的力場(chǎng)是剪切力和研磨力, 常溫下沖擊力對(duì)纖維是無(wú)能為力的,而高剪切均質(zhì)機(jī)能對(duì)物料產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切與研磨作用, 因此高剪切均質(zhì)機(jī)比較適合處理含纖維較多或者較硬的顆粒物料。

高剪切均質(zhì)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)：
處理量大，適合工業(yè)化在線連續(xù)生產(chǎn)；粒徑分布范圍窄，勻度高；節(jié)約能耗、省時(shí)、高效；噪音低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；消除批次間生產(chǎn)的品質(zhì)差異；無(wú)死角，物料100%通過(guò)分散剪切；具有短距離、低揚(yáng)程輸送功能；使用簡(jiǎn)單，維修方便；可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；

 分散處理工藝，高剪切均質(zhì)機(jī)可用于以下工藝生產(chǎn)：

　　混合糖漿、香波、洗滌液、果汁濃縮液、酸奶、甜點(diǎn)、混合奶制品、油墨、瓷釉。分散混合甲基纖維素溶解、膠質(zhì)體溶解、碳化物溶解、油水乳化,預(yù)混合、調(diào)味料生產(chǎn)、穩(wěn)定劑溶解、煙塵、鹽、氧化鋁、農(nóng)藥。

　　攪拌懸浮液、藥丸包衣、藥物解聚、涂料分散、唇膏、蔬菜濃湯、芥末混合物、催化劑、消光劑、金屬、顏料、改性瀝青、納米材料的制備和解聚。乳化藥乳液、藥膏、雪花膏、面膜、面霜、乳化香精、油水乳化、乳化瀝青、樹(shù)脂乳化、蠟乳化、水性聚氨脂乳化、農(nóng)藥。均質(zhì)藥乳液、藥膏、雪花膏、面膜、面霜、組織勻漿、奶制品均質(zhì)、果汁、打印墨水、果醬。

高壓均質(zhì)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)：
        1、高壓均質(zhì)機(jī)在設(shè)計(jì)上易于操作和維護(hù)；可以用蒸餾水、純水和清潔劑進(jìn)行循環(huán)清洗（此時(shí)不要打壓力開(kāi)關(guān)），或拆卸泵頭進(jìn)行人工清洗。

　　2、機(jī)器的啟動(dòng)/停止控制位于機(jī)器的側(cè)面，易于操作，可用于緊急開(kāi)關(guān)，并包括對(duì)主電機(jī)的熱磁保護(hù)。

　　3、高壓均質(zhì)機(jī)裝有拋光的全不銹鋼外殼，可拆卸，便于檢查和維護(hù)。其底座立在四個(gè)帶橡膠墊上。

　　4、此機(jī)器通過(guò)自重自吸力進(jìn)料，并不需要任何進(jìn)料泵。只需電力供應(yīng)而不需其它設(shè)施（如水或壓縮空氣） 5、按照試樣要求，配用不同材料的墊片；標(biāo)準(zhǔn)的墊片材料為特種塑料。柱塞密封使用了水潤(rùn)滑作用的特殊聚四氟乙烯材料。

　　5、細(xì)化作用更為強(qiáng)烈。這是因?yàn)楣ぷ鏖y的閥芯和閥座之間在初始位是緊密貼合的，只是在工作時(shí)被料液強(qiáng)制擠出了一條狹縫；而離心式乳化設(shè)備的轉(zhuǎn)定子之間為滿足高速旋轉(zhuǎn)并且不產(chǎn)生過(guò)多的熱量，必然有較大的間隙（相對(duì)均質(zhì)閥而言）；同時(shí)，由于均質(zhì)機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是容積式往復(fù)泵，所以從理論上說(shuō)，均質(zhì)壓力可以無(wú)限地提高，而壓力越高，細(xì)化效果就越好。

　　6、均質(zhì)機(jī)的細(xì)化作用主要是利用了物料間的相互作用，所以物料的發(fā)熱量較小，因而能保持物料的性能基本不變。 

　　7、均質(zhì)機(jī)能定量輸送物料，因?yàn)樗揽客鶑?fù)泵送料。

　　8、均質(zhì)機(jī)耗能較大。

　　9、均質(zhì)機(jī)的易損使較多，維護(hù)工作量較大，特別在壓力很高的情況下。

　　10、均質(zhì)機(jī)不適合于粘度很高的情況。