粉碎和混合的基本概念和原理

1、 粉 碎 和 混 合的基本概念和原理 第一節(jié) 粉 碎 3-1 粉碎的基本概念和原理 3.1A 固體顆料的粒度 1、粉碎(size reduction)是利用機械力克服物料內(nèi)聚力，使固體物料破碎或剪切成一定尺寸的小塊或顆粒的單元操作。 2、粉碎的目的：（1）有利于不同組分物料的均勻混合?；旌衔锪纤玫母鞣N原料的粒度越小、越接近，混合的均勻度越高，效果越好。例如我們將蔬菜脫水后磨成粉，用于湯料粉的配制，此外還有咖啡、砂糖、香料等的粉磨也有此類目的。（2）增大比表面積，以提高干燥、浸出等的加工速度，如脫水牛肉的生產(chǎn)，玉米淀粉的提取。（3）破壞細胞壁結(jié)構(gòu)，便于胞內(nèi)產(chǎn)物排出。提取玉米淀粉和大豆蛋白時，由

2、于這些物質(zhì)都存儲于細胞內(nèi)，因此需要通過粉碎破壁，便于這些物質(zhì)的提取。（4）粉碎后的食物與消化液的接觸面積增加，從而提高食物的消化吸收率。擠壓力：堅硬物料的粉碎沖擊力：一般物料的破碎和磨碎剪力（摩擦力）：軟體或磨蝕性物料粉碎方法： 干法：指將物料適當干燥，使物料中的水分降低到一定限度(一般應小于5%)再粉碎的方法。 濕法：指往物料中加入適量水或其他液體并與之一起研磨粉碎的方法。濕法操作能量消耗大，設備磨損嚴重，但更容易獲得細的物料，并可以克服粉塵問題。1粒度 固體顆粒的大小稱為粒度(particle size）。球形顆粒，粒度即為直徑。非球形顆粒有名義粒度。（1）以表面積為基準的名義粒度（2）以

3、體積為基準的名義粒度2球形度和形狀因數(shù)（顆粒形狀的規(guī)則程度）（1）球形度 （粒形接近球形的程度） 數(shù)值范圍在0-1之間， 越大，表示該顆粒越接近球形。對于球形度常在0.6-0.7之間。（2）形狀因數(shù) 表示粒形偏離球形和立方形這些規(guī)則形狀的程度 （普西）設L為選取顆粒的某一代表性尺寸，VP=aL3, SP=6bL2式中，a和b是與顆粒集合形狀及代表性尺寸的選擇有關的因數(shù)。 形狀因數(shù) 如果選取L=dv,則： 形狀因數(shù)是球形度的倒數(shù)。 對于規(guī)則球體和立方體，a=b, =13平均粒度 設：（1）算術平均粒度dAM （2）幾何平均粒度dGM （3）體面平均粒度dvs 3.1 粉碎力與粉碎方式1、壓碎物料

4、置于兩個粉碎面之間，施加壓力后物料因壓應力達到其抗壓強度極限而被粉碎。對于大塊的脆性物料，第一步粉碎常采用此法處理。若被處理的物料是具有韌性和塑性的，經(jīng)過擠壓則會得到片狀產(chǎn)品，如軋制麥片、米片等。2、劈碎 用一個平面和一個帶尖棱的工作表面擠壓物料時，由于劈裂平面上的拉應力達到或超過物料拉伸強度極限，物料沿壓力作用線的方向被劈碎 3、折斷折斷被粉碎物料相當于承受集中載荷的兩支點或多支點梁。當物料內(nèi)的彎曲應力達到物料的彎曲強度極限時就被折斷。此法多用于硬、脆性大的塊狀或條狀物料的粉碎，如豆餅、玉米穗等的粉碎。4、磨碎物料與運動的表面之間受一定的壓力和剪切力作用當剪應力達到物料的剪切強度時，物料就被

5、粉碎。此法主要用于小塊物料或韌性物料的粉磨。5、沖擊破碎破碎物料在瞬間受到外來的沖擊力而粉碎。它對粉碎脆性物料最有利?？梢詰糜诙喾N食品物料，從較大塊形原料的破碎到細微粉碎均可使用此法。 3.2 粉碎能耗 （1）機械傳動損耗，如粉碎設備將動力傳遞給粉碎物料時的能耗，研磨介質(zhì)之間的摩擦、振動及其他能量損耗等；（2）物料粉碎過程中的能量損耗，如裂解發(fā)生之前產(chǎn)生形變消耗的變形能，顆粒間摩擦所消耗的能量；（3）物料粉碎后發(fā)生變化消耗的能量，如形成新的表面，增加表面積消耗的表面能，產(chǎn)生表面活性點、表面形成無定形層等結(jié)構(gòu)變化消耗的能量，以及晶體結(jié)構(gòu)變化消耗的能量等。 粉碎能耗就是物料粉碎時外力做的功，粉碎

6、的過程需要消耗大量的能量，主要包括以下三方面：粉碎能耗法則 式中：dE為物料粉碎所需的能量，kJ；d(d)為物料粉碎的粒度變化，m；C 為常數(shù)，通常需要根據(jù)實際情況計算，與具體粉碎過程有關物料粉碎過程中的能量消耗是巨大的，然而要精確的計算物料粉碎所需的最小能量并不容易，目前常用的能耗假說都基于這樣一個假設：固體顆粒的粒度d發(fā)生微小變化-d(d)時所需的能量dE是粒度的函數(shù)。這個假說的能耗計算通式為 ：粉碎能耗假說 粉碎能耗法則 （1）里廷格（Rittinger）法則 （2）基克（Kick）法則（3）朋特（Bond）法則 粉碎比 物料粉碎前后的粒度之比粗碎2-6；中細碎5-50，超細碎50以上

7、粉碎速率 設Rd為粒度大于d的物料體積(或質(zhì)量)分數(shù)，則粉碎速率 k-只與粒度有關的系數(shù)；m-常數(shù)；t-時間。3-2. 粉碎設備： 干法粉碎機械錘式粉碎機輥式破碎機氣流式粉碎機振動式粉碎機 濕法粉碎機械高壓均質(zhì)機膠體磨錘式粉碎機主軸帶動錘片在粉碎室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，物料進入后遇到錘片打擊，飛向粉碎室和篩面，與其碰撞后反彈，再次受到錘片的打擊。物料在反復打擊、碰撞和摩擦的作用下逐漸被粉碎。轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的鼓風作用，強迫空氣穿過物理層和篩孔，帶出經(jīng)粉碎后能通過篩孔的碎粒。用于；植物油料類；高纖維莖桿；高蛋白塑性物料及含水高的濕物料。食品中常見。輥式破碎機盤式粉碎單倉邊緣傳動球磨機工作原理及類型 當磨機回轉(zhuǎn)時，

8、研磨介質(zhì)由于離心力的作用。隨筒體一起回轉(zhuǎn)，被帶到一定的 高度時，由于其本身的重力作用拋落下來，對物料進行沖擊；同時，研磨體內(nèi)存在有滑動和滾動，對物料起研磨作用；在研磨介質(zhì)沖擊和研磨的共同作用下，物料被粉碎和磨細。球磨機的規(guī)格表示:筒體的直徑和長度（m），如2.27m、2.413m、311m等。 第二節(jié) 篩 分 3-3篩分和篩析 3.3A 篩制和篩析 篩分：是將顆粒物料或粉狀物料通過一層或數(shù)層帶孔的 篩面，將物料分成若干顆粒級別的單元操作。 篩析：用標準篩分析破碎后顆粒的粒度分布。國際上應用廣泛的標準篩是泰勒（Tyler）標準篩制。以每英寸（）絲上的篩孔數(shù)作篩號，通稱為目數(shù)。中國藥典2005版標

9、準篩規(guī)格工業(yè)用篩常用“目”表示，目是以一英寸（）長度上所含篩孔數(shù)目 的多少例3-1（P92）14, 20, 28， 35, 48, 65， 80目篩500g砂糖 每層篩上得到晶體,80目篩下得到15g,求砂糖晶體的按質(zhì)量基準的算術平均粒度。思路：（1）求出各級的粒度及質(zhì)量分數(shù) 如：目， 空隙 di wi 28 0.589，1.001 0.030 (1.001 ，0.03如何來？） (2) 代入總體平均力度公式 d AM=Widi3.3B 篩面工業(yè)篩面分開孔金屬篩面、金屬絲篩面和絹篩面三種，篩孔的形狀有圓形、方形、和長方形。 篩面上篩孔總面積與篩面總面積比為篩面利用因數(shù)： 3.3C 篩分效率篩下

10、產(chǎn)品的質(zhì)量與給料中可篩過物的質(zhì)量之比，稱為篩分效率設m,m1,m2分別為給料、篩下產(chǎn)品和篩上產(chǎn)品的質(zhì)量，w,w1,w2為給料、篩下產(chǎn)品和篩上產(chǎn)品中細粉的質(zhì)量分數(shù)，則篩分效率表示為實際為連續(xù)進行的， m和m1 難以確定，需推導。篩上物-粗粉；篩下物細粉總物料衡算 m=m1+m2 細粉物料衡算 mw=m1w1+m2w2 因篩下物為細粉 mw=m1+m2w2測定篩分效率的實際公式，可對給料和篩上產(chǎn)品取樣篩析求出 w,w2 ，代入求出篩分效率。 3.3D 篩分速率篩分過程中篩上物料內(nèi)細粉的質(zhì)量分數(shù)隨時間的變化率設篩分某時刻t，篩面上的物料質(zhì)量為m，其中細粉的質(zhì)量分數(shù)為w，則篩分速率為（-dw/dt).

11、 此速率正比于篩上產(chǎn)品種細粉質(zhì)量分數(shù)w,反比與篩面上的篩分負荷（單位面積篩面上的物料質(zhì)量）m/A,則k-篩分速率系數(shù)A-篩分總面積對不可篩過物進行物料衡算：可計算經(jīng)時間t的篩分，篩上物料中細粉的質(zhì)量分數(shù)w,使篩上物料中細粉質(zhì)量分數(shù)降至w所需要的時間t. 例3-2 （p95)面粉廠加工標準粉細粉質(zhì)量87%， 40S篩理篩上殘留20%細粉 篩上細粉為5%，可排出篩體物料在篩面上停留時間？篩分作業(yè)的效率？篩分效率：已知 w=0.87，篩完篩上產(chǎn)品中細粉質(zhì)量分數(shù)影響篩分的因素 被篩分物料的物理性質(zhì) 篩分過程中所用的設備 物料的粒度組成堆積密度含水量篩面的空隙率篩孔大小篩孔形狀給料均勻性 3-4 篩分設

12、備3.4A 轉(zhuǎn)筒篩是一種由篩網(wǎng)或篩板制成的回轉(zhuǎn)簡體(傾斜安裝)組成，可進行連續(xù)篩分的篩子。 六角形轉(zhuǎn)筒， 最大轉(zhuǎn)速圓形轉(zhuǎn)筒，篩面處 最大轉(zhuǎn)速3.4B 平面回轉(zhuǎn)篩平面回轉(zhuǎn)篩面是在水平面內(nèi)作圓形軌跡運動。物料也在篩面上作相應的圓形運動。平面回轉(zhuǎn)篩面能促進物料的離析作用，物料在這種篩面上的相對運動路程最長，而且物料顆粒所受的水平方向慣性力在360的范圍內(nèi)周期性地變化方向，因而不易堵塞篩孔，篩分效率和生產(chǎn)率均較高。 產(chǎn)生篩分作用，篩的最小臨界轉(zhuǎn)速為u-物料與篩面的摩擦因數(shù)R-篩面回轉(zhuǎn)半徑第三節(jié)混 合 3-5 混合的基本理論 3.5A 混合的均勻度概念 混合(mixing)是指兩種或兩種以上不同的物質(zhì)互

13、相混雜以達到一定均勻度的物質(zhì)分配過程。 混合的目的 制備各種均勻的混合物，如溶液、乳濁液、懸浮液及漿狀、糊狀或固體粉?；旌衔锏龋?為某些單元操作（如萃取、吸附、換熱等）或化學反應過程提供良好的條件。局部小區(qū)域的體積的平均值稱為分離尺度，表示混合的均勻性。分離尺度 越大，混合的均勻度越差。局部小區(qū)域的濃度與整個混合物的平均濃度的偏差的平均值稱為分離強度。用來表示兩相鄰小區(qū)域間濃度的差異性；混合的強度越大，混合的均勻度越差。 混合樣品中局部區(qū)域的大小及濃度偏差都是具有一定分布的隨機變量，一般采用抽樣統(tǒng)計法來確定。規(guī)定取樣大?。礄z驗尺度），并要求試樣濃度平均偏差小于規(guī)定的最大值（即容許偏差），如符

14、合下列條件之一，則可認為是混合合格的制品：（1）分離尺度小于檢驗尺度，同時分離強度小于容許偏差；（2）分離尺度大于檢驗尺度，但分離強度充分小于容許偏差，可以彌補前者不足；（3）分離強度大于容許偏差，但分離尺度充分小于檢驗尺度，可以彌補前者不足。取n個大小符合檢驗尺度的試樣，分析結(jié)果得知第i樣濃度值為Ci,若混合物平均濃度的真值已知，設為Cm,則混合物的分離強度可以用偏差的大小來衡量。均方差（西格瑪）：混合指數(shù)：表示混合到一定程度，濃度的標準差與混合剛開始時標準差之比： 混合操作進程中，混合指數(shù)由1-0.設混合前所取質(zhì)量相同的n個樣品中，有nA個樣本只含A中成分，其質(zhì)量分數(shù)為1，（n-nA)個樣

15、本中只含B種成分，A的質(zhì)量分數(shù)為0，則混合前的標準差 與樣本的大小和樣本數(shù)無關。 例3-3 P99混合機 對980kg面粉和20kg骨粉混合10樣品，每樣200g，各試樣骨粉含量為試求均方差，標準差，混合效果解：（1）計算骨粉質(zhì)量分數(shù)Ci 均方差計算；標準差計算混合指數(shù)計算2. 混合機理對流混合：固體顆粒在設備內(nèi)翻轉(zhuǎn)、與顆粒群一起發(fā)生位置移動的混合過程叫對流混合。在對流作用下，物料經(jīng)過多次翻轉(zhuǎn)、位移而達到混合。擴散混合：由于顆粒的紊亂運動而導致相鄰顆粒相互交換位置所產(chǎn)生的局部混合叫擴散混合。當顆粒的形狀、充填狀態(tài)和流動速度不同時可發(fā)生擴散混合。剪力混合：由于顆粒運動產(chǎn)生一些平滑面，在不同成分的

16、界面間發(fā)生剪切作用，而剪切力作用于交界面，使顆粒破碎并混合的過程就是剪切混合。3.5C 混合速率 混合時物料實際狀態(tài)與最后組分達到完全隨機分配狀態(tài)之間差異消失的速率?；旌纤俾士捎脼榉蛛x強度隨時間的變化率來表示，物料完全混合時分離強度為則混合過程的推動力為：混合速率正比于混合推動力，即有：k-混合速率系數(shù)，其值與物料性質(zhì)，混合器的性能有關。 積分上式可得非常適合粉體的混合p100 例3-4 混合法對米粉進行賴氨酸營養(yǎng)強化。要求每1kg米粉含20g氨基酸，米粉在混合器內(nèi)停留3min后，取出10個試樣分析，賴氨酸濃度分別為18.6，22.3,16.4,15.2,17.9,20.6,23.4,22.5

17、,24.2, 20.1。 混合10min后，測得均方差數(shù)值降至3.25，假定隨機混合最終的均方差小到可以忽略，問要達到Im=0.10,混合時間需多長？解：列出混合速率方程（1）求混合3min后的 值。 平均濃度Cm=20g（2）求混合速率系數(shù)k值。米粉本身含有賴氨酸，故 是未知數(shù)，聯(lián)立方程 t=3min時， t=10min,-1(3) 計算Im3-6 液體的攪拌混合1-漿葉2-攪拌軸3-溫度計套管4-擋板5-夾套6-進料管切向流 槳葉對流體產(chǎn)生切向打擊作用，帶動旋轉(zhuǎn)，中間凹旋，卷吸到槳葉區(qū)的流體甚少，在垂直方向流體的混合效果很差軸向流 軸向推進作用，先下后接觸容器壁再折回徑向流 沿槳半徑方向沖

18、向容器壁，然后分為兩路回流到槳葉區(qū)1.槳式攪拌器 轉(zhuǎn)速 20-150r/min，產(chǎn)生的徑向流大，軸向流小?？驑?攪拌粘度稍大的液體 錨槳 刮除容器壁上結(jié)晶和沉淀物2.渦輪式攪拌器 葉片多而短， 30-500r/min,強烈的徑向流和切向流，適用于中等粘度的液體。3.旋槳式攪拌器 40-1000r/min，軸向流，適用于低粘度液體及物料需上下均勻混合的情況。式中 攪拌的歐拉(Euler)數(shù)，Rem攪拌的雷諾(Reynolds)數(shù)，F(xiàn)rm攪拌的弗魯?shù)?Froud)數(shù)，3.6B 攪拌所需功率攪拌功率P與攪拌器直徑d，轉(zhuǎn)速n，液體的密度、黏度，重力加速度g等主要因素有關。即： 因數(shù)分析法得出：P=f(

19、n,d,)采取措施使中央旋渦受到抑制，則Froud數(shù)可忽略Eum=CRema式中C和a為常數(shù)，取決于攪拌器的形式及各部分尺寸比例、容器直徑、液層深度和液體流型等 例3-5 六平葉槳帶圓盤的渦輪攪拌器裝在容器內(nèi)，容器直徑dt=1.83m,渦輪直徑d為0.61m，槳寬b為0.122m.容器內(nèi)有四個擋板，每個擋板寬J為0.15m,渦輪轉(zhuǎn)速為90r/min,液體粘度為10-2Pa.s,密度929kg/m3 (1)計算需要的攪拌功率（2）若液體粘度為液體粘度為10-2Pa.s，其它條件不變，需要攪拌功率是多少？解：（1）因為b=0.122m,dt=1.83m,J=0.15m,則d/b=5,dt/J=12

20、,適用于曲線1，查得(2）查曲線1， 3-7 乳 化乳化(emulsify)是將兩種原本不互溶的液體進行混合，使一種液體以微小球滴或固形微粒（分散相）的形式均勻分散在另一種液體（連續(xù)相）中的一種特殊的混合操作。通常需要加入乳化劑，來保證懸浮穩(wěn)定性。乳化劑是一類分子中同時具有親水性基團和親油性基團的表面活性劑，它能改善乳化體系中各組分的表面張力，形成均勻分散的乳化體或分散體。水相中可以含有水溶性的鹽、糖或其他蛋白質(zhì)有機物和膠體等；油相中也可包含油溶性的烴類、蠟、樹脂和其他物質(zhì)。水相與油相混合的乳化液包括以油相為分散相的，稱為水包油(O/W)型如圖3-5所示，如牛奶；以水相為分散相的，稱為油包水(

21、W/O)型如圖3-6所示，如巧克力、蛋黃醬等。 圖 3-5 油包水型 圖 3-6 水包油型水相中常見的乳化劑包括磷脂、固醇以及人工合成的各種乳化劑，如脂肪酸類、單甘脂硬脂酸酯、聚氧乙烯山梨醇硬脂酸酯、山梨醇硬脂酸酯、蔗糖脂肪酸酯等。乳化劑的結(jié)構(gòu)和種類是影響乳化液性能（穩(wěn)定性及粒徑）最主要的因素，選擇具有合適親水親油平衡值(HLB)的乳化劑是制取穩(wěn)定乳化液的重要因素一般HLB值為1-20，完全疏水的石蠟HLB=0,完全親水的聚乙二醇HLB=20。HLB值以10為親水、親油的分界線，即HLB10的乳化劑為親水性的，多用于O/W型；HLB10的乳化劑為親油性的，多用于W/O型。（3-30） 乳化劑的作用主要有三方面：（1）降低兩相界面的界面張力,使乳濁液體系總界面能下降，增加熱力學穩(wěn)定性。（2）使液滴表面帶同種電荷，液滴間靜電斥力會阻止液滴的接近合并。（3）在油水界面形成吸附膜，形成吸附膜，對液滴起保護作用。液滴兩種運動趨勢：液滴密度與連續(xù)相密度不同，造成沉降或上浮；小液滴