第六章--搅拌、捏合机械与设备

第六章搅拌、混合及均质机械与设备第四节搅拌机搅拌机是一种带有叶片的轴在圆筒或槽中旋转，将多种原料进行搅拌混合，使之成为一种混合物或适宜稠度的机器。搅拌机分为好多种，有强制式搅拌机、单卧轴搅拌机、双卧轴搅拌机等等。在搅拌过程中，搅拌器不仅引起液体的整体运动，而且要使液体产生湍流，才能使液体得到剧烈的搅拌。低、中黏度的食品混合主要是一对流混合为主，高黏度的食品混合主要是以剪切混合为主。低、中黏度液体混合设备习惯称为搅拌机；高黏度液体混合典型设备有打蛋机。搅拌目的在食品加工中，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。（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：搅拌设备轴封搅拌装置传动装置搅拌轴搅拌器搅拌容器罐体附件搅拌器搅拌器（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。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。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。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。2．附件在搅拌设备基本结构的基础上，可以在搅拌罐体或罐盖上接装各种需要的附件。可根据工艺或操作要求提出。常见附件：各种进出料和工作介质的管接口、各种传感器（如温度计、液位计、压力表、真空表、pH计）的接插件管口、视镜、灯孔、安全阀、内置式加热（冷却）盘管等。接管口进料管一般设在搅拌罐盖部，也有设在罐体部位的。出料管一般装在罐底中心或侧面，具体位置要能将所有液体排尽。各种进、出料管的接口形式有螺纹、法兰、快接活接头或软管等几种。对于需要在搅拌过程中将固体物料加入到搅拌容器的情形，可在罐盖上适当位置设置投料口，如搅拌罐为负压，可利用真空吸料原理从下面进料。温度计的插孔管的位置、长度及数量要视罐体大小而定。对于容积较小的罐体，一般只在盖上装一根垂直于液面的长管；对于高、大的罐体，则往往在罐体的侧面的不同位置安装数个温度计插管，如果是夹套式，在温度计的插管位置必须避开夹套。温度插管传动装置搅拌器传动装置的基本组成有：电动机、齿轮传动机构（有的还设一级带轮）、搅拌轴支架。立式搅拌器分为同轴传动和倾斜安装传动两种。搅拌器的轴封轴封是搅拌轴与罐体之间密封装置。是否需要，与搅拌容器的压力状态及搅拌轴的安装位置有关。真空搅拌设备和加压搅拌设备均有密封机构。搅拌轴与罐体轴线垂直安装的也必须有轴封机构。另外，有无菌要求的搅拌罐也需要有相应的轴封措施。轴封应满足密封和卫生两方面的要求。常见的轴封有两种形式，填料密封和机械密封。（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．搅拌器的选择食品工厂机械与设备——第六章混合均质机械与设备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。各种典型搅拌器型式是最常用的一种，用于粘稠性和一般液体物料搅拌。在结构上最简单，浆叶装置成与旋转方向相垂直，或与旋转的方向成一倾斜角（45度以下）（当叶面与容器底面平行时，由于不能使物形成涡流，搅拌效果差；当叶面与旋转方向垂直时，造成阻力又很大。因此通常都使浆叶与旋转方向成一夹角，减小了阻力，提高了搅拌效果。）当轴沿浆叶倾角方向转动时，可搅起沉渣，反之可使悬浮物搅拌至底部。平浆式搅拌器：浆叶固定在轴上的方法有四种：（1）焊接法：制造方便，但强度不大，拆卸困难，常用于直径小的容器中。（2）螺钉连接法：螺钉把浆叶固定在轴上，中间有垫片。当轴是圆形时，主要靠浆叶与轴的摩擦力而使浆叶旋转，拆卸方便，但功率大时，容易产生滑动，故只适用于功率小的场合。（3）方轴、螺钉连接，目的是克服浆叶与轴的滑动，但方轴加工不便，浆叶与轴的连接也比较麻烦。（4）键固定法：浆叶焊在轴套上，轴套与轴之间销以键固定，能克服以上缺点，被广泛采用，为了使搅拌更有效，可装置好几排浆叶，每一排上浆叶为两个或四个，相邻两排浆叶应互相垂直，以增加搅拌效率，浆叶的大小约为容器直径的1/3~2/3，宽度为长度的1/10~1/6。转速一般为20~80转/分，低速搅拌。特点：构造简单，搅拌效果良好。注意：当叶面与容器底面平行时，由于不能使物料形成涡流，搅拌效果差；当叶面与旋转方向垂直时，造成阻力又很大。因此通常都使桨叶与旋转方向成一夹角，框式搅拌器：其与浆式的完全相似，其水平浆叶用垂直的浆叶把它们彼此联成一起，成为钢性的框子。这样的结构比较坚固，适用于高浓度的物料，框的大小取容器直径的2/3~9/10倍。浆叶式搅拌器的转速较慢，所产生的液流除斜浆外主要为径向户切线速度。液体流离浆叶之后，外趋近器壁，然后向上或向下折流。可以从容器壁上除去结晶或沉淀物时，或利用搅拌作用，把已受热的容器附近的物料搅拌至其它地方，可将浆叶外缘作成与容器内壁形状相一致。其间间隙甚小，就成为锚式搅拌器，在夹套加热器用的较多。浆叶的外形与容器底的轮廓相似，浆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，不然外片可能碰上器壁而损坏设备。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。浆式搅拌器的主要特征是：1、混合效率较差；2、局部剪器效应有限，不易产生乳化作用。3、因为浆叶易于制造和更换，适宜于有特殊触液材料要求的料液（主要是金属污染和腐蚀问题）。涡轮式搅拌器：其结构与离心泵的叶轮相似（叶片多而短），安装在中央的旋转轴上，以较高的速度旋转，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，然后再以高速度抛出。涡轮式搅拌器适宜处理多种物料，对中等粘度的物料特别有效。旋浆式搅拌器：由2~3片旋转浆所组成，浆叶是用螺母固定在轴上，螺母的拧紧方向与浆叶旋转方向相反，旋浆的直径为容器直径的0.2~0.3倍，搅拌浆的转速一般为300~1000rpm。液体作螺旋状运动，旋桨使液体受到强烈的切割或剪切，由于流动非常强烈，这种搅拌器适合用大容器低粘度的液体的搅拌。特殊形式----行星搅拌器行星传动搅拌器旋转浆的轴，不仅自转，而且还绕容器旋转。其优点是搅拌速度很高，传热导数高，缺点是结构复杂。适用于搅拌粘稠性的液体。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（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。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。（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。（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。（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。（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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。(1)α=7°~12°(2)α12°(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。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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。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。（1）轴向流型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