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1、概述 由斯托克斯公式可知，混合液体中颗粒沉降速度与颗粒直径的平方成正比，颗粒直径减小，颗粒沉降速度降低；当颗粒直径接近介质分子大小时，斯托克斯公式不再使用，分子和颗粒之间形成了一种粘合作用力，使得分离很难发生。均质就是使较大颗粒粉碎成无数接近于液体分子大小的微粒，使微粒稳定，均匀地分散在液体介质中而不发生分离。均质后的液体粘度呈上升趋势。,Stoke定律:V=2g(12)r2/9（cm/s）V为球形颗粒的沉降速率(cm/s）g为重力加速度(cm/s2)1为颗粒密度(g/cm3）2为介质密度(g/cm3)r为颗粒半径(cm)为介质粘度(pas),二、均质设备,应用化工行业：油漆涂料，各种乳化剂，
2、杀虫剂，感光乳剂，橡胶浆，树脂胶，增稠剂，膨润土，香精等。化妆品行业：洗涤剂，调理剂，润肤露，香水等。食品饮料行业：豆乳、牛乳，花生乳，浓缩乳，奶油，混合乳酪，各种果肉型天然饮料，冰淇淋，花粉液，食品添加剂，各种调味品等。制药行业：抗生素，抗酸剂，液浆制剂，静脉乳剂等。生物工程技术：高压均质机能够高效率地对细胞壁进行破碎从而提取其内含物：如酶、朊等。,1.均质的目的(1)减缓混合液分离 混合液中轻液（颗粒）有上浮并在表面形成一层乳脂层的倾向，利用此特性可以进行牛乳分离。但果汁必须避免轻颗粒上浮分离。均质是有效防止产品中轻颗粒上浮的基本方法。(2)获得稳定的、液相均匀的产品 均质处理可使脂肪球的
3、平均直径缩小到原来的1/10，而脂肪球数则比未经处理的乳液中多1000倍。脂肪球与乳液之间的总界面增加约100倍。在此情况下，分子和微小颗粒之间形成了一种粘合作用力，使微粒稳定均匀地分散在液体介质中，不发生分离，从而获得稳定的、液相均匀的液体混合物。(3)有利于消化和吸收 由于均质后的脂肪球较小，与其他营养素混合时消化率可高达95%左右，因此有利于人体的消化和吸收。,2.均质特点(1)优点 分布均匀、降低氧化敏感性、风味趋于一致。(2)缺点 对阳光敏感，阳光的作用使其迅速产生一种腐蚀性的金属味道；对脂酶的侵袭敏感；蛋白质的热稳定性降低。由于蛋白质的热稳定性降低，在灭菌奶生产过程中，均质须在最后
4、阶段进行，否则高温灭菌时蛋白质有凝结的危险，而导致牛乳包装中的蛋白质沉淀。,3.均质作用原理 均质机理有以下三个方面:(1)剪切作用 颗粒高速度通过均质头中的窄缝时，由于涡流而对脂肪产生剪切作用，使脂肪球破碎。(2)空穴作用 液体静压能降至扩散相的蒸汽压力之下，在液体内部产生局部瞬时真空，形成空穴现象，使颗粒爆裂而粉碎。(3)撞击作用 当颗粒以高速度冲击均质阀时，使之破碎。高压均质机中前后设置两个均质头进行双级均质处理来提高均质效果。,4.均质机分类,（1）高压均质机 利用高压泵产生高压，物料通过一级或几级均质阀后，实现物料均质。双级均质阀 第一级：高压流体区 压力：200250大气压 作用：
5、使脂肪球破碎 第二级：低压区：压力：35大气压 作用：使脂肪球均匀分散,（2）高剪切旋转式均质机 高剪切旋转式均质机的关键部件是由固定的定子和高速旋转的转子组成。代表机型有蜗轮乳化机、胶体磨及高效湿法分散机等。适用于均质粘度大的料液，用于对粘度超过l0Pa.s的液体进行有效均质，分散相液滴尺寸降至5m以下。,（3）离心式均质机 离心式均质机是在离心净化机或离心分离机上部的稀奶油室内安装一个带齿的圆盘，齿盘边缘带有许多凸出的尖齿，均匀分布于圆周上，齿前端边缘呈凸流线型，后端边缘削平。改变圆盘的直径和齿数都可以得到不同脂肪破碎度的液料，实现不同的均质要求。均质后的稀奶油可以与脱脂乳均匀一起排出。,
6、(4)喷射式均质机 利用蒸汽或压缩空气气流给物料提供均质所需的能量。高速流动的物料颗粒相互碰撞，或使颗粒与金属表面高速撞击，将颗粒粉碎成细小的粒子，实现均质。此类均质机由于均质料液与蒸汽或空气直接混合，对产品的风味有一定的影响。不适用于易氧化的产品。,（5）胶体磨,高压均质机是由高压泵和均质阀组成的一种持殊形式的高压泵。目前的高压均质机为同一类型的三柱塞往复泵。高压泵和均质机的差别在于排出口安装的阀门不同，前者配安全阀，当压力过高时可使液体回到吸入口，后者配均质阀，液体通过均质阀后恢复至常压。,（一）高压均质机,1.主要结构 均质机因制造厂家不同，结构上各有特点，但主要由泵体、均质阀、电动机、
7、传动机构与机架组成。图所示为均质机的基本结构。电动机动力通过传动机构(皮带、齿轮减速器)驱动曲轴旋转，连杆、滑块将旋转运动转变成直线往复运动。在滑块的前端装有不锈钢柱塞，不锈钢柱塞一段伸入到泵体内，泵体由一块(或多块)不锈钢组成，分别装入进料和排料的单向阀。,2.工作原理 进料时，柱塞后退，泵腔内出现低压，液料受外压作用下经单向阀进入泵腔；排料时，柱塞前进，泵体内物料受挤产生高压，吸料单向阀在高压作用下关闭，排料单向阀被顶开，料液从排出单向阀门排出，如在出口管道上配置均质阀组，物料在通过均质阀的密合面时而得到均质。均质阀可以是一组(即一级)，也可以是二组(二级)串联的。均质阀的阀体的结构如图。
8、,图左为柱塞往复泵泵体结构图，柱塞向右运动时，进液阀开启，排液阀关闭；柱塞向左运动时，进液阀关闭，排液阀开启，将物料压出。图右为均质阀及均质过程。物料通过均质阀平面密合面时被挤出，从均质出料口排出，均质阀杆则通过油压顶住阀芯平面，均质压力大小通过油压调整得到。,3.三柱塞式均质机的生产能力和功率(1)生产能力 往复泵的理论流量取决于活塞行程和活塞面积，对于三柱塞式均质机，其生产能力可按下式计算:Qv=15Nd2 S n Z（m3/h）Qv：柱塞式往复泵的输送能力(m3/h)d：柱塞直径(m)S：柱塞行程(m)Z：柱塞个数 n：柱塞往复次数(次/min)：工作容积的装填系数,一般为0.80.9。
9、对一定形式的往复式均质机，理论流量恒定，只决定于活塞的直径d，行程S及频率n，它不随压力而改变，因而没有离心泵那样的性能曲线。(2)功率计算 均质功率可按下式计算 P=Qvr h/3600102 P：所需功率(kw)h：液体输出总压头(mH2O)r：液体密度(kg/m3)：泵的总效率系数 102：功率折算系数,动力往复泵活塞运动规律如图一所示。图中r为曲柄半径，L为连杆长度，x为曲柄转过角时活塞行程，是曲柄旋转角速度。假设连杆长度为无限长，而角为无限小，则连杆的斜角影响可以忽略不计(在r/Ll/5时误差不大，则将x距离看作等于CA，即:X=CA=CO-AO=CO-BOcos=r（1-cos）活
10、塞运动速度为：v=dx/dt=rsind/dt d/dt=，v=rsin 泵的瞬时流量为：qv=Av=A rsin A为活塞的面积，对于以一定转速运动的往复泵，上式中Ar是常数，流量变化是随转角的正弦规律变化，如图二曲线所示。当=0时，qv=0，当在到2之间，qv为负值，即图中横坐标下的虚线，实际上泵在此区间活塞处于吸料过程，活塞只能间歇输送液体。,图一 曲柄连杆示意图,图二 单作用往复泵流量曲线,4.三柱塞式均质机流量曲线 乳品、果汁生产中的三柱塞式均质机属于动力式往复泵，通过曲柄连杆机构传动，活塞运行速度不均匀，其流量在整个行程中是变化的。,三缸流量曲线如图二所示。这种泵实质上为三台单动泵
11、并联而成，其曲柄互成1200，它既可以连续输液体，流量较为均匀。工厂使用的即为此种均质机。,双缸单作用泵，即具有大小相等的两个活塞，由相差1800的曲柄带动的往复泵，其流量曲线如图一所示，可连续输运液体，仍然不均匀。,图一 双作用往复泵流量曲线,图二 三缸单作用泵流量曲线,5.改进措施,在进出料管各加一个空气室，利用气体的压缩与膨胀来贮存或放出部分液体，以达到减小管路中流量不均匀的目的。,6.常见故障 均质机常见故障可以分为工艺和技术装备故障。技术装备故障，即电机、传动部分、曲轴连杆、滑块等方面的故障，可通过技术装备的定期保养，维修来解决。单位体积料液所消耗的功率高、构件易磨损、对液体粘度浓度
12、要求高，均质易磨损。工艺方面的故障可发生在以下几个方面:,(1)流量不足，达不到工艺要求 故障发生率高，也是均质机最重要的指标之一。由于材质、加工质量等方面的因素，处于料液高速冲刷处的阀门，特别是均质阀的密合面产生明显的沟槽，柱塞则由于长时间工作而严重磨损，使料液的流经通道加大，大量料液回流到低压泵腔，使均质或升压的能力大大降低。此时，必须对磨损部分进行修复或更换，某些产品，如含糖量10%以上的物料，必须重新对均质阀等部分进行选材加工。安全阀或均质阀(代安全阀时)的调整不当，弹簧压力不够也可导致上述故障的发生。只需对技术装备进行适当的调整就可恢复技术装备的生产特性。,(2)压力表指针跳动严重
13、由于泵腔内有空气残留，空气压缩、膨胀使压力表指针严重跳动。少量的空气可以在料液的流动时被夹带出去；泵体密封件渗漏，也会使泵腔内的料液中混有大量空气,同时,通过充液传递压力的压力表由于充液量不够或渗漏，也会使压力表指针严重跳动。,(3)密封圈损坏 处于高温和压力周期性变化条件下的柱塞密封圈经常会发生损坏，出现这类问题时，首先必须确保柱塞冷却水的连续供应，还要随时修复、更换柱塞密封圈。同时，柱塞与曲轴箱之间的密封垫损坏时，则由于冷却水的进人而导致润滑不良，严重时还使曲轴连杆滑块发生损坏。,（二）高剪切均质机 特点 高剪切均质机，转子叶片高速回转，在叶片作用下流入的液体通过窄小的缝隙，在很高的剪切力
14、作用下破碎、分散、混合。高剪切均质机结构如图所示，与胶体磨类似，也是由定、转子组成，所不同的是高剪切均质机的定、转子是由一至数道齿圈组合而成。1.作用原理 旋转的转子使液体受很大离心力作用，高的速度变化率，液料受到急剧变化的压缩、拉伸和剪切复合作用，进而物料得到均质和分散。（转子转速高达15000rpm，剪切频率超过了声波的频率）,2.高剪切均质特点 分散效果好，能耗低，与高能量分散速率 具有密切关系，一般可高达51000W/kg，而其他技术装备仅为0.110W/kg，分散粒径X和 有如下关系:X=C D（m）C、D都是实验常数，D取决于定转子的几何形状，一般为0.550.75 用关系式表达：
15、=AnB A，B均为常数,由以上两式即可求出不同转速下的分散粒径。,分类 工业中使用的高剪切均质机可分为轴流式和径流式。1.轴流式高剪切均质机 轴流式剪切均质机的流型如图一所示。转子由类似蜗轮的结构组成，定子则沿轴向开有大小不同的孔。转子的高速旋转，均质头上下部位形成压力差，流体从底部或顶部被不断地吸入，经过定子、转子之间的间隙流至定子流道，并以极大的动能冲向上部折流板或容器底，流体被折回，返回均质头，由于料液不断受到反复的强制循环，同时在均质头内部受到高速旋转的转子与定子间的强烈剪切作用，使料液在极短时间内达到微粒化和均匀化。轴流式高剪切均质机转子的典型结构如图二所示，a型用于低粘度；b型用
16、于高粘度。,图一 轴流式高剪切均质机流型图,图二 轴流式转子示意图(a)-为低粘度用(b)-为高粘度用,图一 径流式高剪切均质机的流型图,图二 ULTRA-TURRAX型高 剪切 均质机转子示意图,2.径流式高剪切均质机 径流式高剪切均质机的流型如图一所示,定转子开孔可根据物料的性质而定，长孔适合于中等固体颗粒的迅速粉碎及中等粘度的液体的混合；小圆孔适合于低粘度液体，其剪切速率最大；大圆孔适用于一般的混合和大颗粒破碎，可处理较高粘度的物料。转子还可有各种变形，如三叶桨式，实验证明，径流式的效果优于轴流式。,影响因素 目前对于高剪切均质机的设计还没有成熟的理论公式可供参考，仍是以经验为主，主要考
17、虑以下三方面的因素。1.几何要素；2.性能参数；3.流体动力学参数；均质机理比较 1.宏观均质机理比较 均质机宏观上主要是通过技术装备作用或流体力学效应产生高压、冲击、空穴等，使料液在高压下挤，在强冲击下发生剪切，在失压下膨胀，在剪切、撞击和空穴三重作用下达到均质目的。,(1)剪切作用 高压均质机是使料液在高压作用下通过非常狭窄的间隙达到均质的目的，其均质阀缝隙一般不超过 l mm，料液在高压下流过缝隙时，流速加快高达150200m/s，液滴(以液滴的均质为例)先是被延伸，又因为通过阀时的涡动作用，使延伸部分剪切破碎。在高剪切均质机中，剪切作用主要通过液滴在高速旋转的转子和定子间的间隙内被剪切
18、及转子、定子上小孔射流的综合效应来实现。它是高剪切均质机的主要特点。,(2)撞击作用 在高压均质机均质阀缝隙高速冲出的液流出口处设置挡圈，因而产生高速撞击作用。高剪切均质机中，高速旋转的液滴受惯性离心力的作用，但只有在高速旋转的转子上的小孔与定子小孔对正的瞬时，液体才有可能排出，高速旋转具有极大的冲击力。,(3)空穴作用 高压均质机的液流在出口处静压很高，通过狭缝时，静压能转化为动能，压力立即下降，在其缝隙内瞬时引起空穴现象，离开缝隙后压力回升又使空穴消失，因而使液滴破碎。高剪切均质机中，离心力的作用使未进入环隙时的液体具有一定压力，而进入环隙后成为高速旋转液流，液体离开定子小孔后压力又回升，
19、所以也有一定空穴效应。但较之高压均质机压力变化小，空穴作用弱。,2.微观均质机理比较 在微观上，液滴要破裂，必须向液滴表面提供能量。在此能量作用下，液滴先发生变形，当变形力超过使液滴具有维持原状趋向的界面张力时，液滴就会破裂。高压均质机提供给液滴破裂的能量来自于料液在阀隙进口处具有的高静压能；而高速旋转时液滴流动状况相当复杂，主要受控于作用在液滴表面不断变化的流动速度和由此产生的脉动压力，从而使液滴破裂。,均质效果的测定 均质目的是破碎颗粒或脂肪球。使其以微小状态分布于液体中。以免产生分层。生产中均质效果的测定是通过测定均质指数来检查均质效果。,(三)其它均质机 1.胶体磨 胶体磨与剪切均质机
20、都是以高剪切力为主，进行乳化分散的乳化器，在果汁加工中使用较为广泛。()原理与结构 胶体磨如图所示。定、转子为同轴构件，内层转子绕外层定子做相对高速旋转运动，物料在自重力和螺旋斜齿的抽吸作用下被吸入分散和研磨区域，在转子的旋转作用下加速，由此产生的强剪切力而使物料分散、均质和研磨。,胶体磨按照传动轴的空间安装位置可分为立式与卧式两种。定、转子是其主要部件，转子转速一般在100010000rpm，最高可达20000rpm。定转子的工作表面可以是光滑的，也可以是齿面(直齿、斜齿、菱形齿），当定子齿形倾角为900、转子齿形倾角在450750时，分散效率最高，功耗最低。,(2)应用 胶体磨可用于冰淇淋
21、、豆奶、炼乳的生产。安装简单，根据物料粘度大小，可选用泵、压缩空气、高位槽或其他技术装备供料。胶体磨用于炼乳生产，目的是粉碎炼乳中的脂肪球，防止炼乳在贮藏期易于上浮成“脂肪游离”。与均质机相比，胶体磨可把炼乳中的脂肪球粉碎得更小，一般不大于2m，对防止“脂肪游离”有显著效果。（3）特点 可以在极短的时间内实现对悬浮液中的固形物进行超微粉碎，同时兼有混合、搅拌、分散和乳化作用，成品粒径可达1微米 易控制成品粒径 结构简单，操作方便，占地面积小，但加工精度较高。,(1)超声波均质机的工作原理 振动频率在20kHz以上的声波叫超声波。如果把频率为2030kHz的超声波作用于料液，它会对料液产生压缩和
22、膨胀作用。当处于膨胀的半个周期时，料液受到拉力，料液中的气泡便会膨胀，而在受到压缩的半个周期中，料液中的气泡受到压缩。当压力变化幅度很大时，被压缩的气泡便迅速崩溃，料液中则出现大量的真空“空穴”现象，空穴又随着瞬间外压不平衡消失，液体颗粒在交替变化中破粹。,2.超声波均质机,(2)超声波均质机的基本结构 超声波均质机按超声波发生器的形式，可分为机械式、磁控振荡式和压电晶体振荡式。食品工业中常用机械式，其结构如图所示。簧片处于喷嘴的前方，被加紧装置固定，当料液在0.4-1.4MPa的泵压下经喷嘴高速射到簧片上，簧片便发生频率18-30kHz振动，发生共振后，产生的超声波传给物料，使料液中的颗粒破碎，料液被均质化。,
