第十七章-溷合机械与设备

NanjingUniversityofTechnology《食品机械基础》第四篇常用食品机械设备授课教师：仲兆祥第十七章混合机械与设备概述12液体混合机械与设备4固体混合机械与设备5汽液混合机械与设备3固液混合机械与设备第一节概论混合：使两种或两种以上不同组分的物质在外力作用下由不均匀状态达到相对均匀状态的过程。混合操作的任务：通过混合获得化学、物理均匀度达到要求的混合产品，同时通过混合可以实现某种工艺目的。混合作业机械分类：混合机、搅拌机、捏和机。一类是对粉粒状物料，低中粘度物料进行混合的机械称为混合机（多指固＋固）或者搅拌机（多指液＋液或液＋固）。一类是对高粘稠浆料和塑性固体物料进行混合的机械设备叫做捏和机或者调和机。另一类是将液体与气体混合的设备叫气液混合机。第一节概论对混合机械的要求：混合物的混合均匀度高，混合速度快；物料在容器内的残留量少；设备结构简单，坚固耐用，操作方便，便于检视、取样和清理；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；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。整个混合过程存在着三种混合方式：（一）对流混合;（二）扩散混合;（三）剪切混合（一）对流混合：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。（二）扩散混合：在混合过程中，以分子扩散形式向四周作无规律运动，达到均匀分布状态。称为扩散混合。（三）剪切混合：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，引起局部混合，称为剪切混合。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。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。

一、液体混合的目的与原理目的：在于促进物料的传热，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、吸附等过程的进行；促进酶反应等生化反应和化学反应过程的进行。液体的混和常用的设备是搅拌机。液体的混合也称作搅拌。原理：低、中粘度的食品混合主要是以对流、扩散混合为主。高粘度的食品混合主要是以剪切混合为主。图7-1液体剪切混合作用(a)混合初始状态；(b)剪切混合状态第二节液体混合机械与设备二、低粘度液体混合机械与设备液体搅拌机图7-2搅拌机结构图1－电动机；2—减速器；3—容器夹套；4—料管；5—挡板；6—出料管；7—搅拌桨叶；8—温度计；9—液体液面第二节液体混合机械与设备（一）搅拌器的安装形式搅拌器的安装形式：有立式中心搅拌安装型式、偏心式搅拌安装型式、倾斜式搅拌安装型式、底部搅拌安装型式、旁入式搅拌安装型式等。第二节液体混合机械与设备图7-3搅拌安装型式(a)偏心式搅拌安装型式；(b)倾斜式搅拌安装型式；(c)底部搅拌安装型式第二节液体混合机械与设备液体具有流动性和不可压缩性。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”,它可分为轴向流型、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。因此，液流的流型取决于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。

1.轴向流型液体从轴向进入叶片，从轴向流出，如旋桨式叶片。2.径向流型流体从轴向进入叶轮，从径向流出，如平直叶的桨叶式。3.混合流型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。

图7-5液体流型（a）轴向流型；（b）径向流型第二节液体混合机械与设备（二）搅拌器桨叶与流型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。第二节液体混合机械与设备（三）搅拌器搅拌器的主要部件为搅拌桨叶。搅拌桨叶根据搅拌产生的流型分成轴向流动的轴流式桨叶和产生径向流动的径流式桨叶。根据桨叶的结构形式不同，可分为桨式、涡轮式、旋桨式搅拌器等。图7-6桨式搅拌器的形式（a）平桨式搅拌器；（b）框式搅拌器；（c）锚式搅拌器第二节液体混合机械与设备1.桨叶式搅拌机的主要特点①结构简单，容易制造；②桨叶式搅拌机的转速较慢（20-150r/min）。液流的径向速度较大，轴向速度较低。混合效果较差；③局部剪切作用弱，不易发生乳化作用；④适用性广。第二节液体混合机械与设备为了加强轴向混合，并减少因切线速度产生的表面旋涡，通常在容器侧壁加设挡板。图7-7涡轮式搅拌器的结构第二节液体混合机械与设备

2．涡轮式搅拌机

涡轮式搅拌机类似桨叶式搅拌机，唯叶片多而短，属高速回转径向流动式搅拌机。液体经涡轮叶片沿驱动轴吸人，它主要产生径向液流，液体以高速向涡轮四周抛出，再沿槽壁上升流动。涡轮叶片为4～6枚，直径比桨叶小，为容器直径的0.3～0.5倍，转速为400～2000r/min，圆周速度在8m/s以内。特点：①适于搅拌多种物料，尤其对中等粘度液体特别有效；②混合生产能力较高，能量消耗少，搅拌效率较高；③有较高的局部剪切效应；④容易清洗和造价较高。涡轮式搅拌机常用于制备低粘度的乳浊液、悬浮液和固体溶液。涡轮式搅拌器的叶片较多，转速高，结构比桨式复杂，种类较多。可分为开启涡轮式与圆盘涡轮式两种第二节液体混合机械与设备旋桨式搅拌器第二节液体混合机械与设备1.桨叶式搅拌机的主要特点旋桨叶片直径为容器直径的1/3～l/4。其转速小型为

1000r/min以上，大型为

400～800r/min。①生产能力较高，但对互不溶液体，生产细液滴乳化液而液滴直径范围不大的情况下，生产能力受限制；②结构简单，维护方便；③常常会卷人空气形成气泡和离心涡旋；④适用于低粘度和中等粘度液体的搅拌，对制备悬浮液和乳浊液等较为理想。第二节液体混合机械与设备（四）搅拌罐

1.罐体

2.挡板图7-9挡板与流型（a）无挡板；（b）有挡板第二节液体混合机械与设备（五）搅拌器的轴封和传动装置搅拌器传动装置的基本组成有：电机、齿轮传动(有的还设一级皮带轮)、搅拌轴及支架。轴封是搅拌轴与机架间的密封装置，一般有两种形式：填料密封和机械密封。（六）搅拌器的选择各种搅拌器的通用性较强，同一种搅拌器可用于几种不同的搅拌过程。一般选择搅拌器时主要应从介质的粘度高低、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。三、高粘度液体的混合机械与设备第二节液体混合机械与设备打蛋机用于搅打粘稠性浆体物料。在食品工业中常用于打发蛋白液、奶油，在蛋糕生产中用于调制面浆，在软糖生产中调制糖浆。打蛋机的转速一般较高，所以也叫高速调和机。打蛋机三、高粘度液体的混合机械与设备图7-10立式打蛋机的结构1—机架；2—电机；3—搅拌容器升降机构；4—皮带轮；5—减速器；6—斜齿轮；7—主轴；8—锥齿轮；9—行星齿轮；10—搅拌头；11—搅拌桨叶；12—搅拌容器第二节液体混合机械与设备第二节液体混合机械与设备三、高粘度液体的混合机械与设备立式打蛋机的搅拌器由搅拌头和搅拌桨两部分组成。搅拌头的作用是使搅拌浆在容器内形成一定规律的运动轨迹。图7-11打蛋机的搅拌器（a）搅拌器的运动关系；（b）搅拌器的运动轨迹图7-12搅拌桨的形式（a）筐形搅拌桨；（b）拍形搅拌桨；（c）钩形搅拌桨第二节液体混合机械与设备三种搅拌桨的比较种类形状应用举例钩形搅拌桨钩形高黏度物料面浆拍形搅拌桨拍形中黏度物料糖浆框形搅拌桨框形低黏度物料稀蛋白液第二节液体混合机械与设备一、固体混合的应用应用场合：在食品加工中，固体混合操作常用于原料的配制及产品的制造，如谷物、面粉的混合、粉状食品中添加辅料和添加剂、固体饮料的制造、汤粉的制造、调味粉的制造等等。第三节固体混合机械与设备(二)混合均匀度的表示方法混合物的混合均匀程度是衡量混合机性能好坏的主要技术指标之一。通常用混合物中定量统计组分含量的变异系数CV（%）来衡量。变异系数是指混合物中定量统计组分的含量偏离配方要求含量的程度。

经过充分混合后，混合物为无秩序的，不规则排列的随机完全混合状态。这时，在混合物内任意处的随机取样中，同一种组分的摩尔分数应该接近一致。从混合机中取n个样品，每个样品中定量统计组分的摩尔分数分别为X1X2…XN，当测定次数为有限次数n时，定量统计组分摩尔分数的算术平均值为：标准偏差为：则变异系数为：混合物的变异系数愈大，则混合均匀程度愈差。第二节固体混合机械与设备（三）混合过程由混合特性曲线可以看出固体混合过程分为三个阶段：（1）初始阶段对流混合为主，离析作用不明显。（2）混合均匀阶段对流混合和扩散混合共同作用（3）平衡阶段达到动态平衡图7-13混合特性曲线图1—混合初始阶段；2—混合均匀阶段；3—平衡阶段第二节固体混合机械与设备第三节固体混合机械与设备二、固体混合机械与设备（一）固定容器式混合机固体混合机按混合操作型式，可分为间歇操作式和连续操作式。混合容器的运动方式不同，可分为固定容器式和回转容器式。固定容器式混合机1．卧式螺带式混合机2．双轴桨叶式混合机3．立式搅龙混合机4．行星搅龙式混合机特征：容器固定。内部设有回转的搅拌桨叶或绞龙螺旋，强制性地分散、切断物料。物料在容器内有确定的流动方向，属于对流混合。适用于物料的性质差别较大及混合比较大、混合精度要求高的场合。由于容器固定，物料进出方便，有些类型的固定容器式混合机可以实现连续操作。1．卧式螺带式混合机卧式螺带式混合机的结构如图7-14所示，由搅拌器、混合室、传动机构等组成。螺带式混合机的内部有螺旋带状浆片，靠浆片的回旋来完成对物料的混合。图7-14卧式螺带式混合机第三节固体混合机械与设备双螺带：在驱动轴上装有两条螺旋方向相反的螺带，两条螺带外缘回转半径不同，回转半径大的称为外螺带，回转半径小的称为内螺带。当驱动轴旋转时，两条螺带同时翻动物料，并且内、外螺带对物料的翻动速度不同，有利于物料的径向混合，同时内外螺带反向旋转，推动物料在混合容器内反复运动，产生较强烈的轴向混合，大大增强了混合效果。2．双轴桨叶式混合机（1）双轴式桨叶混合机的结构如图7-15所示，由混合室、转子、及传动系统等组成。（2）双轴桨叶式混合机的转子上焊有多个不同角度的桨叶，两个转子的旋转方向相反，转子转动时，桨叶带动物料沿机槽内壁作逆时针旋转的同时，带动物料沿轴向作左右翻动。图7-15双轴桨叶式混合机示意图第三节固体混合机械与设备2、垂直螺旋混合机结构：容器为立式，容器中央设有螺旋状的驱动轴（垂直螺杆）。轴的四周是一个套筒，容器上部设有一块由驱动轴带动的甩料板。工作过程：工作时，螺旋状驱动轴将物料从套筒底部提升至上部，在甩料板的旋转作用下被抛落到容器周围慢慢落下，至底部后又被螺旋状驱动轴提升。如此循环往复，直至混合到预定程度，由下部的出料口排出。3．立式搅龙混合机4．行星搅龙式混合机（1）行星搅龙式混合机由混合室和行星搅龙及传动系统等组成。第三节固体混合机械与设备混合容器呈倒圆锥形，螺旋输送机沿圆锥的母线置于容器的内部。容器的上部设有驱动装置带动螺旋输送机回转，螺旋输送机在摇臂的带动下边自转边沿圆锥的内表面慢慢地公转。在食品工业中应用广泛，如奶粉、小麦粉、砂糖、咖喱粉等的混合均可使用。某些食品物料在混合操作中需要加热或冷却时，可在混合容器上设水套。（二）旋转容器式混合机旋转容器式混合机1.圆筒型混合机2.双锥型混合机3.Ｖ型混合机4.正方型混合机第三节固体混合机械与设备特征：容器旋转。旋转容器内部无搅拌工作部件。正常工作时，容器内物料在容器的带动下向上运动，然后在自重下回落，造成上下翻动和侧向运动，从而不断进行扩散，达到混合的目的。机构简单，混合效果良好，因此应用广泛，可以实现间歇操作。1.圆筒型混合机一种是水平型混合机，其圆筒容器水平放置，驱动轴和圆筒中心线重合。特点：混合不彻底、效率低，一般不采用。另一种是倾斜型混合机，圆筒容器倾斜放置，驱动轴和圆筒中心线成一个小的夹角，混合效果好。转速一般40-100r/min.适用于调味料及啤酒的原料麦芽等混合。第三节固体混合机械与设备2.双锥型混合机

容器由两个锥底相连的圆锥体构成，驱动轴固定于锥底部分，一个锥顶为原料入口，另一个为混合物料的出口。优点：易流动、混合快、物料排出彻底。锥角有60°、90°两种。转速为5-20r/min.工作原理：双锥型混合机第三节固体混合机械与设备3.Ｖ型混合机又称双圆交型混合机。由两个倾斜的圆筒组成，两圆筒交角为60▫-90▫，由于容器的非对称性，操作时物料时聚时散，产生比双锥型混合机更好的混合效果。操作时物料的混合效果要好。V型混合机的装量容积为体积的10%-30%，工作转速为6-25r/min,混合时间为4min/次。适用：干粉状食品（面粉、奶粉等）的混合。

第三节固体混合机械与设备4.正方型混合机回转容器为正方体，旋转轴与正方体对角线相联。混合机工作时，物料在容器内受到三维以上的重叠混合作用，没有混合死角，因而混合速度快。与V型混合机、双锥式混合机相比，正方体型混合机混合性能更好，但生产能力较小。正方体型混合机第三节固体混合机械与设备适用：咖啡等贵重物料的混合。（三）固体混合机的选择1、通常在选型时从混合操作目的以及混合要求达到的最终混合均匀度的角度考虑。2、从混合操作的角度考虑，产品品种规格经常变动、批量操作之间需要清洗的场合，选择容器回转式混合机。混合机选择还必须考虑设备的操作可靠性以及设备使用的经济性。3、进行混合机选择时：首先根据混合工艺，确定混合机的操作方式，采用连续式操作还是采用间隙式操作；然后根据混合物料特性，确定混合机的类型，采用容器回转式混合机还是采用容器固定式混合机；最后根据生产处理量，确定混合机的产量及型号。第三节固体混合机械与设备第四节固液混合机械与设备调和机主要加工高粘度糊状物料及粘滞性固体物料。完成在粉状物料中加入少量液体，在高粘度物料中加入少量粉体、液体，形成均匀的塑性物料或膏、糊状混合物等工艺操作。完成捏合、充气等操作。调和机械广泛应用于焙烤食品及糖果、人造奶油、鱼肉制品和混合干酪的生产中。调和机械所处理的物料大多数是粘度极高的浆体或塑性固体。流动性极小，搅拌器造成的物料局部运动不能波及到整个容器，所以靠对流混合、扩散混合和剪切作用同时发生。调和操作依赖于搅拌器与物料之间的充分接触，搅拌器的运动范围须遍及调和容器的各个部位。其作用面积和转速随物料的粘度而异，物料粘度越高，搅拌器的作用面积越大，转速越慢。第四节固液混合机械与设备双臂捏合机是由两根搅拌臂作回转运动的捏合机。主要由转子、混合室及驱动装置组成（如图7-20所示）图7-20双臂捏合机图7-21转子安装形式（a）相切式；（b）相叠式第五节气液混合机械与设备食品加工中最常见的气液混合主要是碳酸饮料生产过程的碳酸化操作。影响二氧化碳的溶解度的主要因素有压力、温度、气液两相接触面积、接触时