《混合设备》PPT课件.ppt
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1、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,一、教学目标 1.了解混合均质设备的种类;2.掌握设备的工作原理和机械组成。二、教学重点 五、教学课时 混合、均质的实现 5学时三、教学难点 六、教学练习 均质的机理 P188.1.4.5.四、教学方法 自测题 讲述法,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。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,
2、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。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。,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。,一、液体搅拌机,第一节液体搅拌与混合机械设备,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
3、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
4、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。,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。,(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: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;大面积叶
5、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,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
6、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 0.222kW。一般认为,功率小于3.7kW的为小型,5.522kW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;100400r/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
7、 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
8、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360450r/min之间。驱动方式有齿轮传动与带传
9、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)=712(2)12(3)=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
10、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,所以在安装使用时有必要注意。,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
11、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。,(2)径向流型,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。,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。,根据介质黏度高低选型是一种基
12、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。,()根据介质黏度高低选型,图6.6 搅拌器选择曲线1.锚式、螺带式;2.浆式;3.涡轮式;4、涡轮式、5.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
13、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,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。,低黏度均相液液混合,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。,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
14、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。,悬浮液操作,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。,有气体吸收的搅拌,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。,(三)搅拌容器,1罐体2附件,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-
15、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罐 体,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
16、罐内物料为液-固相或液-液相物料时,搅拌罐的高径比为 11.3,当罐内物料为气-液相物料时,搅拌罐的高径比为12。,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
17、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
18、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、水粉混合机,水粉混合机又称水粉混合器、水粉混合泵、液料混合机、液料混料泵、混合机等,是一种将可溶性粉体溶解分散于水或液体中的混合设备。外形与结构工作原理适用场合,外形与结构,其外形及结构如图6.7所示,主要由机壳、叶轮、粉料斗及电机构
19、成。,工作原理,工作原理是利用叶轮的高速旋转剪切用,将(装在料斗中的)粉状物料和(从进液口进入的)液体进行充分拌和,输送出所需的混合物。通过料斗加入的参与混合的物料,既可以是流动性良好的粉料,也可以是流动性较好的浓度较高的溶液或浆体。料斗下方的调节阀见图6.7(2),主要是为了得到不同添加物含量的混合液体。根据工艺需要,可以将混合机串接在加工管路中进行连续混合操作,也可与一台罐器相连接进行间歇式混合操作。,水粉混合机特别适用于再制乳制品生产,例如用于乳粉、乳清粉、钙奶、糊精粉等与液体的混合,也可用于果汁和其它饮料的生产。,适用场合,三、静态混合器,也称管道混合器。背景情形基本构成混合能由外部提
20、供工作原理应用场合特点,基本构成,十分简单。主要由带管道接口的混合器壳体和混合单元构成。,图6.8 静态混合器,外壳,混合单元,衬里,背景情形,20世纪70年代初开始发展的一种先进混合器,1970年美国凯尼斯公司首次推出其研制开发的静态混合器。20世纪80年代我国也开始研究生产,已经在环保和化工领域得到很好应用,并且也已经在食品行业得到应用。静态混合器是一种没有运动部件的高效混合设备。,所谓“静态”是指起主要混合作用的混合单元在壳体上是固定不动的,这种混合器也由此取名。虽然混合单元是静止的,但静态混合器需要以流体运动作为混合动力。所有的静态混合器的主输入料液均需要有足够的压头才能正常工作,因此
21、它常常需要与输送泵配合使用。,由外部提供混合能,混合器的壳体通常为直管,根据需要可在直管的不同位置接支管,供各种需要混合的物料进入。,壳 体,混合单元,是静态混合器的关键,其形式有多种,供不同物性料液和流动条件场合的应用。如图6.9所示为适合于食品业的SK和SD型的混合单元外型。也可根据需要选用或设计其它型式的混合单元。,图6.9 两种适用于食品物料的混合单元,SK型,SD型,通过固定在管内的混合单元件,将流体分层切割、剪切、折向和重新混合,流体不断改变流动方向,不仅将中心液流推向周边,而且将周边流体推向中心,达到流体之间三维空间良好分散和充分混合的目的。与此同时,流体自身的旋转作用在相邻元件
22、连接处的界面上亦会发生。这种完善的径向环流混合作用,使流体在管子截面上的温度梯度、速度梯度和质量梯度明显降低。,工作原理,可用于各种形态物料的混合、萃取、气体吸收、热交换、溶解、分散等操作。食品加工中已经应用的方面有:不同组分液体的混合、悬浮液的分散化、浓浆的稀释以及换热等。,应用场合,静态混合器用来对各种料液进行混合时,不同的进料必须经过计量,因此一般用定容积泵作为静态混合器的输送动力(如转子泵等)。图6.10所示为利用静态混合器对将两种料液进行混合的系统组合示意。这种系统可用以将果味成分添加混合到搅拌型酸乳中。,混合原理,管路混合器可接在水粉混合机后,进一步分散固体粉粒,起均质作用。这种均
23、质作用依靠液体在混合器内产生的流速变化实现。此处的静态混合器不必用定量泵进料,可以利用一般离心泵,图6.11所示的系统正好利用水分混合机的输出压头作为分散作用的动力源。这种系统可用以乳粉的加水混合。静态混合器后还可再串接高压均质机,以获得更为稳定的再生乳。,图6.11 用静态混合器对水粉混合物进一步分散的系统,液体,粉体,水粉混合机,水粉混合物,静态混合器,分散化的水粉混合物,悬浮液的分散化,静态混合器也可用作间接式换热器(图6.12),对料液进行加热或冷却。用作间接式换热器的静态混合器,在结构上与一般的混合器有所不同,或者在混合元件外装夹套,或者直接利用管线绕制成混合元件,这样可以进一步提高
24、换热的效率和均匀性。,换热器作用,特 点,(1)流程简单,结构紧凑;(2)设备小、投资少、能耗小,操作弹性大,安装 维修简便、混合性能好;(3)应用灵活性大等。,第二节粉体混合机械,引言一、容器回转型混合机二、容器固定型混合机,引 言,食品工业中,混合机应用于谷物混合、粉料混合、面粉中加辅料与添加剂、干制食品中加添加剂与调味粉及速溶饮品的制造等操作中,目的是使两种或两种以上的粉料颗粒通过流动作用,成为组分浓度均匀的混合物。在混合机内,大部分混合操作都同时存在对流、扩散和剪切三种混合方式,但由于机型结构和混合料物性方面的不同,往往是某一种混合方式起主导作用。混合机通常可按混合容器的运动状态分为容
25、器固定式和容器回转式两大类。,一、容器回转型混合机,基本结构原理与形式转速、混合均匀度、混合时间与装填率(一)V形混合机(二)对锥式混合机(三)倾筒式混合机,基本结构原理与形式,这种混合机工作时容器呈旋转状态,物料随着容器旋转方向依靠物料本身的重力流动完成混合。容器内一般没有搅拌工作部件,如果安装搅拌器件,则可以缩短混合时间。容器的形状有多种,常以容器形状命名V形、对锥式、倾筒式混合机等。是间歇式混合机,装卸物料时需要停机。间歇式混合机易控制混合质量,可适应粉粒物料配比经常改变操作要求,因此适用于小批量多品种的混合操作。,转速、混合均匀度、混合时间与装填率,容器的回转速度不能太高,否则会因离心
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