第六章食品混合机械与设备

第六章食品混合机械与设备第一节概述一、混合基本知识1、混合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。第一节概述一、混合基本知识2、捏合是指将含液量较少的粉体或高黏度物质和胶体物质与微量细粉末的混合物加工成可塑性物质或胶状物质的操作。典型的例子是用面粉加水等调和成面团、蛋糕糊及口香糖糕的制备等。捏合操作的实质是固体与液体的混合操作，所以，捏合操作有时也称为固液混合或调和操作。捏合操作多用专门的捏合设备完成。由于捏合操作所处理的是流动性差的粉体或胶体物性的原料，并且要求得到的是均一的塑性体或高黏度浆体和胶体物，因此，捏合机的搅拌叶片要格外坚固，能承受巨大的作用力，容器的壳体也要具有足够的强度和刚度。第一节概述一、混合基本知识3、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，目的是降低分散物的尺寸，提高分散物分布的均匀性。狭义的均质仅指利用高压均质机对物料进行处理。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。第一节概述二、对混合均质机械的一般要求①混合物的混合均匀度高；②物料在容器内的残留量少；③均质物的颗粒微小，质地细腻；④设备结构简单，坚固耐用，操作方便，便于检视、取样和清理；⑤机械设备要防锈，耐腐蚀，容器表面光滑，工作部件能拆卸清洗；⑥电机设备和电控装置应能防爆、防湿、防尘，符合环境保护和安全运行的要求。第二节搅拌机一、搅拌混合机理两种或两种以上不同组分构成的混合物在混合机或者料罐内，在外力作用下进行混合，从开始时的局部混合达到整体的均匀混合状态，在某个时刻达到动态平衡，之后，混合均匀度不会再提高，而离析和混合则反复交替他进行着。整个混合过程存在着三种混合方式：对流混合；扩散混合；剪切混合。第二节搅拌机一、搅拌混合机理1、对流混合也称为体积混合或移动混合，对于不相溶组分，依靠搅拌装置的运动部件或重力，使物料各部分作相对运动。其混合均匀程度并不太高，对粉料和液料都是如此。由于混合机工作部件表面对物料的相对运动，所有粒子在混合机内从一处向另一处作相对流动，位置发生转移，产生整体的流动称为对流混合。第二节搅拌机一、搅拌混合机理2、扩散混合对于互溶性组分如固体与液体，液体与气体，液体与液体组分等，在混合过程中，以分子扩散形式向四周作无规律运动，从而增加了两个组分间的接触面积和缩短了扩散平均自由程达到均匀分布状态。实际上完全不互溶组分是不存在的，在混合过程中有一个由对流混合到扩散混合的过渡，主要取决于分散尺度的大小。第二节搅拌机一、搅拌混合机理3、剪切混合主要因剪切力的作用（由于物料群体中的粒子相互间形成剪切面的滑移和冲撞作用），物料组分被拉成愈来愈薄的料层，使某一种组分原来占有区域的尺寸愈来愈小。对于高粘稠度流变物料如面团和糖蜜等，主要是依靠剪切混合，一般称为捏和。捏和机工作部件对物料产生的剪切力，使物料拉成愈来愈薄的料层，料层表面出现裂纹，产生层流流动，达到局部混合，谓之剪切混合。挤压膨化机和绞肉机中的物料在螺杆作用下也产生剪切混合。事实上，物料在混合机里往往同时存在着上述三种混合方式，单一的混合方式是少见的。但是常以其中的一种混合方式为主。第二节搅拌机二、搅拌目的和搅拌设备1、搅拌目的食品加工中，搅拌主要用于以下方面：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。2、搅拌设备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。第二节搅拌机三、搅拌机工作原理通过搅拌器，克服流体黏度阻力引起流体流动（包括整体流动和湍流），形成一定的流场，进行单一的动量传递或包括动量、热量、质量的传递及化学反应。不同的搅拌目的，要求不同的流场。不同的搅拌器，能提供不同的流场及不同的能量。牛顿流体动力粘度反映流体粘性，非牛顿流体表观粘度与剪切力呈非线性变化（如剪切稀化）。第二节搅拌机四、搅拌机结构第二节搅拌机四、搅拌机结构主要由搅拌装置、轴封和搅拌容器三大部分组成。第二节搅拌机四、搅拌机结构1、搅拌器又称搅拌桨，通过搅拌轴带动的运动使搅拌容器中的物料按某种特定的方式流动（流型），从而达到某种工艺要求。流型是衡量搅拌装置性能最直观的重要指标。2、搅拌容器也称搅拌槽或搅拌罐，是容纳搅拌器与物料在其内进行操作。食品搅拌容器，除保证具体的工艺条件外，还要满足无污染、易清洗等要求。大多数设计成圆柱形，底部成碟形或半球形，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。根据工艺可外加夹套、以蒸汽或水为介质控温。第二节搅拌机四、搅拌机结构3、挡板侧挡板：宽度为容器的1/12-1/10，2-6块。使被搅拌物料上下轴向流动，防止容器内液体打旋。底挡板：安装在容器底部，促进固体悬浮。4、导流筒上下开口的圆筒、四周开有槽或孔，置于搅拌容器中心，起导流作用。5、轴封保证搅拌设备处于一定正压或真空状态，防止被搅物料溢出或杂质渗入。第二节搅拌机四、搅拌机结构6、传动装置包括电动机、变速器、联轴器、轴承及机架等，赋予搅拌装置及其他附件运动的传动件组合体。作用是使搅拌轴以所需的转速转动，并保证搅拌轴获得所需的扭矩。要求传动链短、传动件少、电机功率小，以降低成本。第二节搅拌机五、搅拌器（一）搅拌器类型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。第二节搅拌机各种典型搅拌器型式如图。搅拌器的分类按流体流动形态轴向流搅拌器径向流搅拌器混合流搅拌器按搅拌器叶片结构平叶折叶螺旋面叶按搅拌用途低粘流体用搅拌器高粘流体用搅拌器第二节搅拌机五、搅拌器（二）搅拌器安装形式1、立式中心搅拌安装形式（1）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。（2）功率与转速搅拌器功率从0.1kW至数百千瓦。常用功率范围为0.2-22kW。功率小于3.7kW的为小型，5.5-22kW为中型，大于22kW为大型。食品用搅拌设备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。第二节搅拌机五、搅拌器（二）搅拌器安装形式1、立式中心搅拌安装形式（3）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。第二节搅拌机五、搅拌器（二）搅拌器安装形式2、偏心式搅拌安装形式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。第二节搅拌机五、搅拌器（二）搅拌器安装形式3、倾斜式搅拌安装形式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。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。第二节搅拌机五、搅拌器（二）搅拌器安装形式4、底部搅拌安装形式将搅拌器安装在容器的底部。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。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。第二节搅拌机五、搅拌器（二）搅拌器安装形式5、旁入式搅拌安装形式搅拌器安装在容器侧壁。在同等功率下，能得到最好的搅拌效果。转速在360-450r/min之间。驱动方式有齿轮传动与带传动两种。主要缺点是轴封困难。第二节搅拌机五、搅拌器（二）搅拌器安装形式5、旁入式搅拌安装形式在不同旋桨位置所产生的不同流动状态。（a）旋浆与容器中性线夹角ɑ=7-12度；（b），ɑ大于12度的流动状态；（c），旋浆与容器中心线垂直第二节搅拌机五、搅拌器（三）搅拌液流型液体具有流动性和不可压缩性。流型：在叶轮（由叶片和回转轴等组成）的旋转作用下，把机械能传给液体，在叶轮附近区域的液流中造成涡动，同时产生一股高速射流推动液体沿着一定途径在容器内作循环流动。这种流动称为液体的“流型”。流型分类：可分为轴向流型、径向流型和因在容器侧壁加设挡板等阻挡物引起液流方向变化而形成的各种混合流型。影响因素：取决于搅拌方式、搅拌器、容器形式、挡板等的几何特征，还有流体性质、转速等因素。液流的流型更取决于搅拌器叶片的几何形状和结构以及在容器内有无阻挡物等，而叶片的几何形状对流型的影响最大。第二节搅拌机五、搅拌器（三）搅拌液流型1、轴向流型液体从轴向进入叶片，从轴向流出。乳浊液和混浊液的制备常用轴向流型。推进式叶片旋转时，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，称为轴流型桨叶。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。第二节搅拌机三、搅拌器（三）搅拌液流型2、径向流行流体从轴向进入叶轮，从径向流出。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。第二节搅拌机三、搅拌器（三）搅拌液流型3、混合流型实际上，叶片造成的液流有三个分速度：轴向速度、径向速度和切向速度。其中轴向速度和径向速度对液体的搅拌混合起着主要作用。切向速度要加以抑制，常加挡板削弱切向流。第二节搅拌机三、搅拌器（四）搅拌器选择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。第二节搅拌机三、搅拌器（四）搅拌器选择1、根据介质黏度高低选型是一种基本方法。随着黏度增高，搅拌器选用顺序为旋桨式、涡轮式、桨式、锚式和螺带式等。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=420r/min第二节搅拌机三、搅拌器（四）搅拌器选择2、根据搅拌过程和目的选型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。（1）低黏度均相液－液混合操作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。第二节搅拌机三、搅拌器（四）搅拌器选择（2）分散搅拌操作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