高压均质机和高剪切均质机的区别及应用

    在食品、化工、制药等行业均质技术已成为提高产品品质的关键。目前国内食品行业使用的传统均质设备多为高压均质机、胶体磨、砂磨和辊磨机等,近年来出现了新型的高剪切均质机设备。至于这些均质设备在各行业中的应用,目前尚无人进行深入系统地研究。对此,笔者针对目前主要使用的高压均质机和高剪切式均质机,从均质原理、不同物料的工艺流程以及实验数据等方面进行了对比分析研究

   1  均质机原理分析

液体物料分散系中分散相颗粒或液滴破碎的直接原因是受到剪切力和压力的作用。引起剪切力和压力作用的具体流体力学效应主要有层流效应、湍流效应和空穴效应。

层流效应会引起分散相颗粒或液滴的剪切和拉长;

湍流效应是在压力波动作用下引起分散相颗粒或液滴的随意变形;

空穴效应是使形成的小气泡瞬间破碎产生冲击波,而引起剧烈搅动。

         高剪切均质机原理

目前国内常用的剪切式均质机线速度多为10～25 m/ s。实践证明其均质效果并不理想。高剪切均质机指线速度达到40～66 m/ s的剪切式均质机,其主要工作部件为1级或多级相互啮合的定转子,每级定转子又有数层齿圈.

工作原理:转子带有叶片高速旋转产生强大的离心力场,在转子中心形成很强的负压区,料液(液液、或液固相混合物)从定转子中心被吸入,在离心力的作用下,物料由中心向四周扩散,在向四周扩散过程中,物料首先受到叶片的搅拌,并在叶片端面与定子齿圈内侧窄小间隙内受到剪切,然后进入内圈转齿与定齿的窄小间隙内,在机械力和流体力学效应的作用下,产生很大的剪切、摩擦、撞击以及物料间的相互碰撞和摩擦作用而使分散相颗粒或液滴破碎。随着转齿的线速度由内圈向外圈逐渐增高,粉碎环境不断改善,物料在向外圈运动过程中受到越来越强烈地剪切、摩擦、冲击和碰撞等作用而被粉碎得越来越细从而达到均质乳化目的。

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影响分散乳化结果的因素有以下几点

1 分散头的形式（批次式和连续式）（连续式比批次好）

2 分散头的剪切速率 （越大，效果越好）

3 分散头的齿形结构（分为初齿，中齿，细齿，超细齿，约细齿效果越好）

4 物料在分散墙体的停留时间，乳化分散时间（可以看作同等的电机，流量越小，效果越好）

5 循环次数（越多，效果越好，到设备的期限，就不能再好）

线速度的计算

剪切速率的定义是两表面之间液体层的相对速率。

– 剪切速率 (s-1) = v 速率 (m/s)
g 定-转子 间距 (m)

由上可知，剪切速率取决于以下因素：

– 转子的线速率

– 在这种请况下两表面间的距离为转子-定子 间距。
IKN 定-转子的间距范围为 0.2 ~ 0.4 mm

速率V= 3.14 X D（转子直径）X 转速 RPM / 60

超高速分散均质乳化机的高的转速和剪切率对于获得超细微悬浮液是*重要的。根据一些行业特殊要求，依肯公司在ERS2000系列的基础上又开发出ERX2000超高速剪切乳化机机。其剪切速率可以超过200.00 rpm，转子的速度可以达到66m/s。在该速度范围内，由剪切力所造成的湍流结合专门研制的电机可以使粒径范围小到纳米级。剪切力更强，乳液的粒经分布更窄。

  同时,在转子中心负压区,当压力低于液体的饱和蒸汽压(或空气分离压)时,产生大量气泡,气泡随液体流向定转子齿圈中被剪碎或随压力升高而溃灭。溃灭瞬间,在汽泡的中心形成一股微射流,射流速度可达100 m/ s ,甚至300 m/ s ,其产生的冲击力可用水锤压力公式估算,即P = ρCaC ,其中ρ为液体密度; Ca为液体中的声速; C为微射流速度。设C为100 m/ s ,则产生的脉冲压力就接近200M Pa ,这就是空穴效应。强大的压力波可使软性、半软性颗粒被粉碎,或硬性团聚的细小颗粒被分散。

     由分析可知,物料在定转子腔内被均质的机理较复杂,笔者认为剪切起主导作用,其次是空穴作用。

    高压均质机原理

高压均质是利用高压使得液料高速流过狭窄的缝隙时而受到强大的剪切力、液料被冲击到金属环上而产生强大撞击力以及因静压力突降与突升而产生的空穴爆炸力等等综合力的作用,把原先颗粒比较粗大的乳浊液或悬浮液加工成颗粒非常细微的稳定的乳浊液或悬浮液的过程。被均质物料通过阀座与阀杆间大小可调的间隙h (一般为011 mm)时,其流速在瞬间被加速到200～300 m/ s ,从而产生巨大的压力降,当压力降低到工作温度下液体的饱和蒸汽压(或空气分离压)时,液体就开始“沸腾”,迅速“汽化”,内部产生大量汽泡。含有大量微汽泡的液体朝缝隙出口流出,流速逐渐降低,压力又随之提高,压力增加到一定值时,液体中的汽泡突然破灭而重新凝结,汽泡在瞬时大量生成和溃灭就形成了空穴现象。空穴现象似无数的微型炸弹,能量强烈释放产生强烈的高频振动,同时伴随着强烈的湍流产生的强烈的剪切力,液体中的软性、半软性颗粒就在空穴、湍流的剪切力的共同作用下被粉碎成微粒 ,其中空穴效应所起作用被认为较大。被粉碎的微粒接着又高速冲击到冲击环上 ,被进一步粉碎和分散。 \

     比较与分析

    通过以上分析可知 ,高剪切均质机主要是由于定转子之间相对的高速运动产生的高剪切作用 ,同时伴随着较强的空穴作用对物料颗粒进行分散、细化、均质的 ;而高压均质机主要是靠高压流体产生的强烈、充分的空穴效应和湍流作用使流体分散相中的颗粒破碎达到均质目的。不难理解 ,由于极强烈的空穴作用 ,高压均质机对处理软性、半软性的颗粒状物料比较合适 ;研究发现对于纤维的粉碎***的力场是剪切力和研磨力 ,常温下冲击力对纤维是无能为力的 ,而高剪切均质机能对物料产生强烈的剪切与研磨作用 ,因此高剪切均质机比较适合处理含纤维较多或者理,容易出现稀奶油层 ,较硬的颗粒物料。

均质机主要分为两种：高剪切均质机与高压均质机。

高剪切均质机与高压均质机作用的区别： 

高剪切均质机与高压均质机的均质机理的比较：

目前国内常用的剪切式均质机线速度多为10～ 25m/ s。实践证明其均质效果并不理想。高剪切均质机指线速度达到30～40m/ s 的剪切式均质机, 其主要工作部件为1 级或多级相互啮合的定转子, 每级定转子又有数层齿圈。

高剪切均质机主要是由于定转子之间相对的高速运动产生的高剪切作用, 同时伴随着较强的空穴作用对物料颗粒进行分散、细化、均质的; 而高压均质机主要是靠高压流体产生的强烈、充分的空穴效应和湍流作用使流体分散相中的颗粒破

碎达到均质目的。不难理解, 由于极强烈的空穴作用, 高压均质机对处理软性、半软性的颗粒状物料比较合适; 研究发现对于纤维的粉碎***的力场是剪切力和研磨力, 常温下冲击力对纤维是无能为力的,而高剪切均质机能对物料产生强烈的剪切与研磨作用, 因此高剪切均质机比较适合处理含纤维较多或者较硬的颗粒物料。

高剪切均质机技术特点：
处理量大，适合工业化在线连续生产；粒径分布范围窄，匀度高；节约能耗、省时、高效；噪音低、运转平稳；消除批次间生产的品质差异；无死角，物料100%通过分散剪切；具有短距离、低扬程输送功能；使用简单，维修方便；可实现自动化控制；

 分散处理工艺，高剪切均质机可用于以下工艺生产：

　　混合糖浆、香波、洗涤液、果汁浓缩液、酸奶、甜点、混合奶制品、油墨、瓷釉。分散混合甲基纤维素溶解、胶质体溶解、碳化物溶解、油水乳化,预混合、调味料生产、稳定剂溶解、烟尘、盐、氧化铝、农药。

　　搅拌悬浮液、药丸包衣、药物解聚、涂料分散、唇膏、蔬菜浓汤、芥末混合物、催化剂、消光剂、金属、颜料、改性沥青、纳米材料的制备和解聚。乳化药乳液、药膏、雪花膏、面膜、面霜、乳化香精、油水乳化、乳化沥青、树脂乳化、蜡乳化、水性聚氨脂乳化、农药。均质药乳液、药膏、雪花膏、面膜、面霜、组织匀浆、奶制品均质、果汁、打印墨水、果酱。

高压均质机技术特点：
        1、高压均质机在设计上易于操作和维护；可以用蒸馏水、纯水和清洁剂进行循环清洗（此时不要打压力开关），或拆卸泵头进行人工清洗。

　　2、机器的启动/停止控制位于机器的侧面，易于操作，可用于紧急开关，并包括对主电机的热磁保护。

　　3、高压均质机装有抛光的全不锈钢外壳，可拆卸，便于检查和维护。其底座立在四个带橡胶垫上。

　　4、此机器通过自重自吸力进料，并不需要任何进料泵。只需电力供应而不需其它设施（如水或压缩空气） 5、按照试样要求，配用不同材料的垫片；标准的垫片材料为特种塑料。柱塞密封使用了水润滑作用的特殊聚四氟乙烯材料。

　　5、细化作用更为强烈。这是因为工作阀的阀芯和阀座之间在初始位是紧密贴合的，只是在工作时被料液强制挤出了一条狭缝；而离心式乳化设备的转定子之间为满足高速旋转并且不产生过多的热量，必然有较大的间隙（相对均质阀而言）；同时，由于均质机的传动机构是容积式往复泵，所以从理论上说，均质压力可以无限地提高，而压力越高，细化效果就越好。

　　6、均质机的细化作用主要是利用了物料间的相互作用，所以物料的发热量较小，因而能保持物料的性能基本不变。 

　　7、均质机能定量输送物料，因为它依靠往复泵送料。

　　8、均质机耗能较大。

　　9、均质机的易损使较多，维护工作量较大，特别在压力很高的情况下。

　　10、均质机不适合于粘度很高的情况。