21就 第5章 食品系列数材 液体搅拌与气液混合 本章的学习目的与要求 通过本章内容学习，学生可以掌握非牛顿流体间和气液混 合体间的各种混合原理，为改善混合均匀度奠定基础。要求学 生掌握评价物料混合度的各种方法，熟悉影响液体搅拌功率的 因素，并且能够计算搅拌功率和混合速率等参数；掌握乳化操 作原理；了解气液混合方法
368食品工程原理 食品生产的各种工艺过程，涉及到各种不同特性的物料，各种不同的搅拌目 的，所碰到的搅拌器不同。操作种类繁多，常见的搅拌操作按共性基本上可分为 下列5类： (1)互溶液体的搅拌指均相（互溶）液体混合物的混合调配。没有化学反 应时，搅拌可加快互溶液体的扩散，通常称为互溶液体的“调匀”。对存在化学 反应的情形，为了加速反应或使反应完全，也应进行搅拌。 (2)互不相溶液体的接触混合目的是使互不相溶的液体相互接触，使一种 液体在另一种液体中充分分散，增加相接触表面，并提高传质系数，以有利于传 质或化学反应，常见的是食品料液的乳化。 (3)气液接触与互不相溶液体的接触类似，通过搅拌加强气液两相的接 触，提高传质系数。如碳酸饮料制造业使用的碳酸化器，以及用搅拌釜作为化学 吸收设备即为此例。 (4)利用搅拌加强传热通过搅拌提高容器内液体的传热系数，或是使釜内 液体温度均匀。 (5)有悬浮颗粒状固体的液体搅拌利用搅拌使颗粒状固体不致沉至釜底， 成为各处固体含量比较均匀的混合物，或是利用搅拌加速固体的溶解。 液体搅拌可以是连续操作，也可以是间歇操作，所用搅拌设备结构大体相 同。间歇操作时，物料间歇地进入釜内，待搅拌过程结束再出料，然后开始下 周期的操作。连续操作时物料连续加人到釜内，从搅拌釜连续出料。对于气液接 触搅拌釜，不论液体是否连续进出料，气体一般总是连续进出的。 1 液体搅拌混合的基本原理 搅拌过程，就是使物料进行混合的操作。混合实际上可理解为物料的分 散。 多数的搅拌过程，其所达到的搅拌效果与混合效果有密切的关系。不同的搅 拌过程，或是要求达到不同的搅拌效果的过程，对混合程度都有不同的要求。这 里介绍混合程度的衡量，以及各类搅拌操作对混合程度的不同要求
第5章液体搅拌与气液混合369 1.1混合物的混合程度 1.1.1调匀度 调匀度是指一种或几种组分的浓度或其他物理量和温度等在搅拌体系内的均 匀性。设A和B两种样品，体积分别为VA和VB,置于容器中，则容器中样品 A的平均体积分数为 CVAO=VA+VB (5-1) 式中cvo为A的平均体积分数，m3m3。 经过一段时间搅拌后，如果搅拌已达完全均匀，则在容器中任意位置取样分 析，样品中物料A的体积分数cvA都等于cvo,表明搅拌已达完全均匀。但是由 于搅拌的均匀程度不可能是那么理想，各处取样分析，或是物料A的含量高于 cvAo或是低于cvA0,多少会有一些偏差。样品A的体积分数cvA与容器中样品A 的平均体积分数cvo偏差越大，说明混合的均匀性越差。因此，引人调匀度 (s)的概念来表示样品与均匀状态之间的偏离程度。 s=CVA (5-2) CVAD (CVA<CVAO) - (cVA>CVaO） (5-2a) 可见调匀度s的值是不可能大于1的，即s≤1。 在搅拌釜有代表性的各处取样分析，所得样品调匀度的算术平均值，即得搅 拌釜内样品的平均调匀度 5=1+2+.+52 (5-3) 对传热过程，同样也可以用釜内各点温度与平均温度的偏差来表示调匀度。 随着人们认识的不断深化，把上述调匀度的概念看作是判别混合程度的惟一 标准，那显然是很不全面的，因为它随着取样范围大小可能显示出很大的差别。 举例说明。设A、B两种液体进行搅拌，其体积VA=VB。如搅拌后调匀度s= 1,则在搅拌釜内任一点取样都应cvA=cvAo=0.5。如图5-1为从搅拌釜内某处
370金品工程原理 取得的混合液样品（简化样品图）。可以看出该样品有四 个等体积部分，两部分全为A(图中以黑点表示)，两部 分全为B(图中以白色表示)，按图cvA=cvAo=0.5,即 调匀度为s=1。但是如果我们把取样样品量缩小，那么 结果就完全不同了。上部那个圆圈范围取样分析，样品所 含全是B,下部圆圈范围取样，样品全是A,两者均表示 调匀度s=0,即完全未调匀。从这个例子可以看出，仅 图5-1 混合液样品 仅用调匀度来表示混合程度是不够的，从这个例子也可看出，调匀度仅能“宏 观”地表示混合程度。 1.1.2混合物的分隔尺度和分隔强度 除调匀度外，还可用分隔尺度和分隔强度来比较全面地反映出混合物的混合 程度。 图5-2系说明这两个概念的示意图。图5-2与图5-1类似，也表示从搅拌釜 某处取得的一个样品。在图5-2中，每一块样品都表明具有同样的组成，即 cvn=cvo=0.5,其调匀度s均为l。图5-2中(a)、(b)、(c)三种样品，表示 物料不同的分散度。图5-2()这一样品，表示由两块纯物料A和两块纯物料B 组成，与图5-2中(b)、(c)的样品相比较，就物料分散度来说，无疑图5-2 (a)更为集中，而图5-2(b)、(c)则比较分散。这种分散物的集中尺度，就是 分隔尺度。分隔尺度愈大，表示物料分散情况愈差。如果A和B两种物料可以 互溶，或可部分互溶，则图5-2中(a)、(b)、(c)所示的样品，在被分散的物 料A和B之间，就会产生扩散。图5-2中(d)~(1)分别表示被分散物料之间 经过扩散的情况。这时，被分散物料均已不再是纯A和纯B,而是A和B的混 合物。这些混合物与平均组成的差别就是分隔强度。分隔强度愈大，则表示物料 混合愈不充分。图5-2中()、(k)、(1)三个样品表示同样的混合程度，即分隔 强度为零，说明A和B两种物料经过扩散已达到理想的混合状态，即所谓“微 观”的均匀，或分子尺度的均匀。这时，分隔尺度的大小已没有意义，因为通过 扩散最后都已达到分隔强度为零的程度。 应该注意到关于分隔强度为零，即达到分子尺度的均匀，是混合程度的极 限。并非所有液体的搅拌都可能达到这种混合均匀程度，而仅是限于互溶的液体 搅拌。至于气液接触、互不相溶的或不能完全互溶的两种液体的搅拌和有悬浮状 固体的搅拌，都不可能达到分子尺度的均匀。对这些不可能达到分子尺度均匀的 液体搅拌，混合程度愈高，则意味着调匀度愈高、分隔尺度愈小。然而这种分隔
第5章液体搅拌与气液混合371 32(3×2) 32(0) 32(5) 32(1) 32(2×2) 32(2) 32(3) 32(5) (c) (6×4) 8(0) 85×4) 8(2×2) 8(4×4 8(4×2) 8(3×4) 8(3×4) 用 田，进。 用：用 通 2(2×8)b) 2(0) 2g0×8)e) K 2(4×4) 2(8×8) 2(4×8) 2(6×8) 2(6×8) *353132 用： (a) (d) g 分隔强度 图5-2分隔尺度和分隔强度示意图 尺度的减小不是无限的，即不可能减小到零。 综上所述，可以理解为：分隔尺度是指混合物各个局部小区域体积的平均 值；而分隔强度是指混合物各个局部小区域的浓度与整个混合物的平均浓度的偏 差的平均值，一般用均方差或均方根差、标准差表示。 g2=1∑(c:-cm)2 (5-4) s2=n1∑(c-co2 (5-5) 式中：。己、S2为均方差；c:、cm、c0分别为混合物的取样浓度、平均浓度真实 值、取样的平均浓度。 [例5-1]某一混合器对990kg食盐和10kg碳酸镁进行混合操作。经一 定时间后，取10个样品进行分析，每个样品200g。分析结果，各试样碳酸镁含 量为： 2.30,1.72,1.63,1.73,2.10,1.82,2.32,2.20,2.10,2.13 试求混合物的均方差、标准差