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

1、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、制藥等彳丁業(yè)均質(zhì)技術(shù)已成為提局產(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 磨和輾磨機(jī)等，近年來出現(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)屮的應(yīng)用，目前尚無人進(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)理分析液體物料分散系中分散相顆粒或液滴破碎的直接原因是受到剪切力 和壓力的作用。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)引起分散相顆粒或液滴的剪

2、切和拉長(zhǎng)； 湍流效應(yīng)是在壓力波動(dòng)作用下引起分散相顆?；蛞旱蔚碾S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)理目前國(guó)內(nèi)常用的剪切式均質(zhì)機(jī)線速度多為1025 m/ so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4066 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 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)

3、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 程中受到越來越強(qiáng)烈地剪切、摩擦、沖擊和碰撞等作用而被粉碎得越 來越細(xì)從而達(dá)到均質(zhì)乳化目的。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

4、，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（sl） = 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)了的間距范圍為0.20.4 him速率v二3. 14 x【）（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 是最重要的。根據(jù)一些行業(yè)特殊要求，依肯公司在ers2000系列的基 礎(chǔ)上又開發(fā)出erx2000超高速剪切乳化機(jī)機(jī)。其剪切速率可以超過200. 00 rpin,

5、轉(zhuǎn)子的速度可以達(dá)到66m/so在該速度范圍內(nèi)，由剪切 力所造成的湍流結(jié)合專門研制的電機(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)子齒圈屮被剪碎或隨壓 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 ,其至300 m/ s ,其產(chǎn)生的沖擊力可用水錘壓力公式估 算，即p二pcac ,其中p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、

6、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)理高壓均質(zhì)是利用高壓使得液料高速流過狹窄的縫隙時(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 液的過程。被均質(zhì)物料通過閥座與閥桿間大小可調(diào)的間隙h （般為 oil mm）時(shí)，其流速在瞬間被加速到200300 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） 吋,

7、液體就開始“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岀口流出，流速逐漸降低，壓力又隨之捉高，壓 力增加到一定值時(shí),液體屮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，其屮空穴效應(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)冃的。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