第四章 混合和搅拌及均质机械与设备 第一节 概述 一、概念 搅拌是指借助于流动中的两种或两种以上物料在彼此之间相 互散布的一种操作，其作用可以实现物料的均匀混合、促进溶解 和气体吸收、强化热交换等物理及化学变化。搅拌对象主要是流 体，按物相分类有气体、液体、半固体及散粒状固体；按流体力 学性质分类有牛顿型和非牛顿型流体。 均质是指借助于流动中产生的剪切力将物料细化、将液滴碎 化的操作，其作用是将食品原料的浆、汁、液进行细化、混合、 均质处理，以提高食品的质量和档次。例如，牛奶中含 3％～5％以 球滴出现的脂肪，其液滴直径范围在 1～18μm 之间，如不经均质处理，静 置后，由于乳状液的不稳定性会发生奶油与脂肪乳的分层现象，经过均质处 理后，牛奶中的脂肪球破裂成直径小于 2μm 的液滴，不仅提高了乳状液的 稳定性，而且改善了食品的感官质量；又如在果汁生产中通过均质处理能使 料液中残存的果渣小微粒破碎，制成液相均匀的混合物，防止产品出现沉淀 现象；再如在冰淇淋生产中，均质处理能使料液中的牛乳降低表面张力、增 加错度，获得均匀的胶钱混合物，以提高产品的质量。 混合是指使两种或两种以上不同的物料从不均匀状态通过搅 拌或其他手段达到相对均匀状态的过程。混合是食品加工工艺过 程中不可缺少的单元操作之一。例如饮料、乳制品、糖果、糕饼原料、 调味料、各种面粉和配合饲料的配制等。混合后的物料可以是食品或饲 料工业中的最终产品，也可以作为实现某种工艺操作的需要组合 在工艺过程中，例如可以用来促进溶解、吸附、浸出、结晶、乳 化、生物化学反应、防止悬浮物沉淀以及均匀加热和冷却等。被 混合的物料常常是多相的，主要有以下几种情况：①液—液相： 可以有互溶或乳化等现象；②固—固相：纯粹是粉粒体的物理现 象；③固—液相：当液相多固相少时，可以形成溶液或悬浮液；
第四章 混合和搅拌及均质机械与设备 第一节 概述 一、概念 搅拌是指借助于流动中的两种或两种以上物料在彼此之间相 互散布的一种操作，其作用可以实现物料的均匀混合、促进溶解 和气体吸收、强化热交换等物理及化学变化。搅拌对象主要是流 体，按物相分类有气体、液体、半固体及散粒状固体；按流体力 学性质分类有牛顿型和非牛顿型流体。 均质是指借助于流动中产生的剪切力将物料细化、将液滴碎 化的操作，其作用是将食品原料的浆、汁、液进行细化、混合、 均质处理，以提高食品的质量和档次。例如，牛奶中含 3％～5％以 球滴出现的脂肪，其液滴直径范围在 1～18μm 之间，如不经均质处理，静 置后，由于乳状液的不稳定性会发生奶油与脂肪乳的分层现象，经过均质处 理后，牛奶中的脂肪球破裂成直径小于 2μm 的液滴，不仅提高了乳状液的 稳定性，而且改善了食品的感官质量；又如在果汁生产中通过均质处理能使 料液中残存的果渣小微粒破碎，制成液相均匀的混合物，防止产品出现沉淀 现象；再如在冰淇淋生产中，均质处理能使料液中的牛乳降低表面张力、增 加错度，获得均匀的胶钱混合物，以提高产品的质量。 混合是指使两种或两种以上不同的物料从不均匀状态通过搅 拌或其他手段达到相对均匀状态的过程。混合是食品加工工艺过 程中不可缺少的单元操作之一。例如饮料、乳制品、糖果、糕饼原料、 调味料、各种面粉和配合饲料的配制等。混合后的物料可以是食品或饲 料工业中的最终产品，也可以作为实现某种工艺操作的需要组合 在工艺过程中，例如可以用来促进溶解、吸附、浸出、结晶、乳 化、生物化学反应、防止悬浮物沉淀以及均匀加热和冷却等。被 混合的物料常常是多相的，主要有以下几种情况：①液—液相： 可以有互溶或乳化等现象；②固—固相：纯粹是粉粒体的物理现 象；③固—液相：当液相多固相少时，可以形成溶液或悬浮液；
当液相少固相多时，混合的结果仍然是粉粒状或团粒状；当液相 和固相比例在某一特定的范围内，可能形成或稠状物料或无定型 团块（如面团），这时混一合的特定名称可称为“捏合”或“调和”， 它是一种特殊的相变状态。④固—液—气相：这是食品生产中特 有的混合现象，部分食品生产中要将空气或惰性气体混入物料以 增加物料的体积、减少容重并改善物料的质构流变特性和口感， 如蛋液搅拌、制造充气糖果和冰淇淋等。 二、搅拌混合机理 剪切混合主要因剪切力的作用，物料组分被拉成愈来愈薄的料层， 使某一种组分原来占有区域的尺寸愈来愈小，对于高部度组分特 别明显，例如在捏合机、螺旋挤压机等设备中，物料受到强烈的剪切力。 实际上，在各种搅拌混合设备中，以上三种混合机理同时并 存，但是在不同的机种和物料组分中，不同阶段作用有所不同。 在习惯上，通常将以液相为主者称为搅拌设备，以粉粒料为主者 称为混合设备，以粘稠团块物料为主者称为捏合设备或调和设备。 第二节 液体搅拌机械 一、搅拌装置 搅拌过程是一个复杂的过程，它涉及流体力学、传热、传质 及化学反应等多种原理。从本质上讲，搅拌过程是在流场中进行 单一的动量传递，或者是包括动量、热量、质量的传递及化学反 应的综合过程。 搅拌设备就是通过使搅拌介质获得适宜的流场而向其他输入 机械能量的装置。在食品工业中用到的搅拌设备种类很多，但其 基本结构是一致的。主要由搅拌装置、搅拌罐和轴与轴封三大部 分组成。罐体大多数设计成圆柱形，其顶部结构可设计成开放式 或密闭式，底部大多数呈蝶形或半球形。由于平底结构容易造成 搅拌时液流死角，影响搅拌效果，一般不采用平底结构。容器中 盛装的液体深度通常等于容器的直径。在容器中装有搅拌轴，轴
当液相少固相多时，混合的结果仍然是粉粒状或团粒状；当液相 和固相比例在某一特定的范围内，可能形成或稠状物料或无定型 团块（如面团），这时混一合的特定名称可称为“捏合”或“调和”， 它是一种特殊的相变状态。④固—液—气相：这是食品生产中特 有的混合现象，部分食品生产中要将空气或惰性气体混入物料以 增加物料的体积、减少容重并改善物料的质构流变特性和口感， 如蛋液搅拌、制造充气糖果和冰淇淋等。 二、搅拌混合机理 剪切混合主要因剪切力的作用，物料组分被拉成愈来愈薄的料层， 使某一种组分原来占有区域的尺寸愈来愈小，对于高部度组分特 别明显，例如在捏合机、螺旋挤压机等设备中，物料受到强烈的剪切力。 实际上，在各种搅拌混合设备中，以上三种混合机理同时并 存，但是在不同的机种和物料组分中，不同阶段作用有所不同。 在习惯上，通常将以液相为主者称为搅拌设备，以粉粒料为主者 称为混合设备，以粘稠团块物料为主者称为捏合设备或调和设备。 第二节 液体搅拌机械 一、搅拌装置 搅拌过程是一个复杂的过程，它涉及流体力学、传热、传质 及化学反应等多种原理。从本质上讲，搅拌过程是在流场中进行 单一的动量传递，或者是包括动量、热量、质量的传递及化学反 应的综合过程。 搅拌设备就是通过使搅拌介质获得适宜的流场而向其他输入 机械能量的装置。在食品工业中用到的搅拌设备种类很多，但其 基本结构是一致的。主要由搅拌装置、搅拌罐和轴与轴封三大部 分组成。罐体大多数设计成圆柱形，其顶部结构可设计成开放式 或密闭式，底部大多数呈蝶形或半球形。由于平底结构容易造成 搅拌时液流死角，影响搅拌效果，一般不采用平底结构。容器中 盛装的液体深度通常等于容器的直径。在容器中装有搅拌轴，轴
一般由容器上方支承，并由电动机及传动装置带动旋转，轴的下 端装有各种形状桨叶的搅拌器。通常，典型搅拌设备还设有进出 口管路、夹套、温度计插套以及挡项等附件。搅拌设备结构组成 如图所示。 传动装置 搅拌设备 搅拌轴 搅拌器 搅拌设备 轴和轴封 罐体 搅拌罐 附件 1．搅拌器（或称搅拌桨）与搅拌轴 其作用是通过自身运 动使搅拌使搅拌容器中的物料按某种特定的方式运动，从而达到 某种工艺要求。这种特定方式的流动（流型）是衡量搅拌装置性 能最直观的重要指标。 2．搅拌容器（或称搅拌罐或搅拌槽） 其作用是容纳搅拌 器与物料在其内进行操作。对于食品搅拌容器，除保证具体的工 艺条件外，还要满足无污染。易清洗等专业技术要求。 3．传动装置 赋予搅拌装置及其他附件运动的传动件组合 体。在满足机器所必需的运动功率及几何参数的前提下，要求传 动链短、传动件少、电机功率小，以降低成本。 4．轴封 搅拌轴及搅拌容器转轴处的密封装置。为避免食 品污染，轴封的选择必须给予重视。 二、搅拌器构造与安装形式 （一）搅拌器的类型和安装形式 1、类型： 搅拌器是搅拌设备的主要工作部件。通常搅拌器可以分成两 大类型：①小面积叶片高速运转的搅拌器，属于这种类型的搅拌器有
一般由容器上方支承，并由电动机及传动装置带动旋转，轴的下 端装有各种形状桨叶的搅拌器。通常，典型搅拌设备还设有进出 口管路、夹套、温度计插套以及挡项等附件。搅拌设备结构组成 如图所示。 传动装置 搅拌设备 搅拌轴 搅拌器 搅拌设备 轴和轴封 罐体 搅拌罐 附件 1．搅拌器（或称搅拌桨）与搅拌轴 其作用是通过自身运 动使搅拌使搅拌容器中的物料按某种特定的方式运动，从而达到 某种工艺要求。这种特定方式的流动（流型）是衡量搅拌装置性 能最直观的重要指标。 2．搅拌容器（或称搅拌罐或搅拌槽） 其作用是容纳搅拌 器与物料在其内进行操作。对于食品搅拌容器，除保证具体的工 艺条件外，还要满足无污染。易清洗等专业技术要求。 3．传动装置 赋予搅拌装置及其他附件运动的传动件组合 体。在满足机器所必需的运动功率及几何参数的前提下，要求传 动链短、传动件少、电机功率小，以降低成本。 4．轴封 搅拌轴及搅拌容器转轴处的密封装置。为避免食 品污染，轴封的选择必须给予重视。 二、搅拌器构造与安装形式 （一）搅拌器的类型和安装形式 1、类型： 搅拌器是搅拌设备的主要工作部件。通常搅拌器可以分成两 大类型：①小面积叶片高速运转的搅拌器，属于这种类型的搅拌器有
涡轮式、旋桨式等，多用于低粘度的物料；②大面积叶片低速运转的搅 拌器，属于这种类型的搅拌器有框式、垂直螺旋式等，多用于高利度的物料。 2、安装形式 搅拌器不同安装形式会产生不同的流场，使搅拌效果有明显 的差别。通常搅拌器安装形式分为如下几种： 1）立式中心搅拌安装形式 其特点是搅拌轴与搅拌器配置 在搅拌罐的中心线上、呈对称布局，驱动方式为皮带传动或齿轮 传动或者通过减速传动，也有用电机直接驱动的。其搅拌设备功 率可以从 0.1kw 至数百千瓦， 常用的功率范围为 0.2～22kw。一般划分为，功率小于3.7kw 为小型，5.5～22kw 为中型，大于 22kw 为大型。食品工业中多 用小型搅拌器。 转速低于 100r／min 的为低速型，100～400r／mm 为中速 型，大于 400 r／mn 为高速型。 根据不同的用途，桨叶的结构有各种各样的组合方式，加以 三叶旋桨式。涡轮式为主体，可组合成多种结构形式，以适应多 种用途。此类搅拌设备在国外多数已标准化，其转速范围在 300～ 360r／min，电机功率为 0.4～15kw，用带传动或齿轮传动的一 级减速驱动。 2）偏心式搅拌安装形式 特点是将搅拌器安装在立式容器 的偏心位置，这种安装形式能防止液体在搅拌器附近产生涡流回 转区域，其效果与安装挡板相近似。这种搅拌轴中心线偏离容器 轴线，会使液流在各点处压力分布不同，加强液层间的相对运动， 从而增加液层间的湍动，使搅拌效果得到明显的改善。但偏心搅 拌容易引起设备在工作过程中的振动，一般此类安装形式只用于 小型设备上。 3）倾斜式搅拌安装形式 特点：将搅拌器直接安装在罐体
涡轮式、旋桨式等，多用于低粘度的物料；②大面积叶片低速运转的搅 拌器，属于这种类型的搅拌器有框式、垂直螺旋式等，多用于高利度的物料。 2、安装形式 搅拌器不同安装形式会产生不同的流场，使搅拌效果有明显 的差别。通常搅拌器安装形式分为如下几种： 1）立式中心搅拌安装形式 其特点是搅拌轴与搅拌器配置 在搅拌罐的中心线上、呈对称布局，驱动方式为皮带传动或齿轮 传动或者通过减速传动，也有用电机直接驱动的。其搅拌设备功 率可以从 0.1kw 至数百千瓦， 常用的功率范围为 0.2～22kw。一般划分为，功率小于3.7kw 为小型，5.5～22kw 为中型，大于 22kw 为大型。食品工业中多 用小型搅拌器。 转速低于 100r／min 的为低速型，100～400r／mm 为中速 型，大于 400 r／mn 为高速型。 根据不同的用途，桨叶的结构有各种各样的组合方式，加以 三叶旋桨式。涡轮式为主体，可组合成多种结构形式，以适应多 种用途。此类搅拌设备在国外多数已标准化，其转速范围在 300～ 360r／min，电机功率为 0.4～15kw，用带传动或齿轮传动的一 级减速驱动。 2）偏心式搅拌安装形式 特点是将搅拌器安装在立式容器 的偏心位置，这种安装形式能防止液体在搅拌器附近产生涡流回 转区域，其效果与安装挡板相近似。这种搅拌轴中心线偏离容器 轴线，会使液流在各点处压力分布不同，加强液层间的相对运动， 从而增加液层间的湍动，使搅拌效果得到明显的改善。但偏心搅 拌容易引起设备在工作过程中的振动，一般此类安装形式只用于 小型设备上。 3）倾斜式搅拌安装形式 特点：将搅拌器直接安装在罐体
上部边缘处，用夹板或卡盘与圆筒边缘夹持固定，搅拌轴斜插入 容器内进行搅拌，适用于搅拌容器比较简单的圆筒形结构或方形 敞开式搅拌设备，可防止产生涡流。这种安装形式的搅拌设备比 较机动灵活，使用维修方便，结构简单、轻便，一般用于小型设 备上，采用的功率为 0.1～2.2kw，使用一层或两层桨叶的搅拌器， 转速在 36～300r／min 范围。 4）底部搅拌安装形式 特点：其搅拌器安装在容器底部。 它具有轴短而细的特点，无需用中间轴承，可用机械密封结构， 具有使用维修方便、寿命长等优点。此外，搅拌器安装在下部封 头处，有利于上部封头处附件的排列与安装，特别是在上封头带 夹套、冷却构件及接管等附件的情况下，更有利于整体合理布局。 其底部出料口能得到充分的搅动，使输料管路畅通无阻，有利于 排出物料。此类搅拌设备的缺点是桨叶叶轮下部至轴封处常有固 体物料粘积，容易变成小团物料混入产品中影响产品质量。 5）旁入式搅拌安装形式 特点：将搅拌器安装在容器罐体 的侧壁上，在消耗同等功率的情况下，能得到最好的搅拌效果。 这种搅拌器的转速一般在 360～450r／min，驱动方式有齿轮传 动与带传动两种。该设备主要缺点是轴封比较困难。 除了以上五种不同形式的搅拌器外，还有其他安装形式的搅 拌器。如卧式容器搅拌器，是将搅拌器安装在卧式容器的上方， 此类布局可以降低整台设备的安装高度，提高设备的抗震能力， 如充气搅拌就是采用卧式容器搅拌设备的。 （二）搅拌器的构造 搅拌器设计要求是必须有合理的结构（包括制造工艺合理， 桨叶与搅拌轴的连接牢固可靠，检修安装方便等）和足够的强度。 目前，使用的材料大多数是碳钢、不锈钢、铸铁等；也有选 用铜、铝等材料的，有时还用木材、搪玻璃、衬胶等。随着塑料 工业的发展，高强度、优性能的工程塑料也将是选用的优质材料
上部边缘处，用夹板或卡盘与圆筒边缘夹持固定，搅拌轴斜插入 容器内进行搅拌，适用于搅拌容器比较简单的圆筒形结构或方形 敞开式搅拌设备，可防止产生涡流。这种安装形式的搅拌设备比 较机动灵活，使用维修方便，结构简单、轻便，一般用于小型设 备上，采用的功率为 0.1～2.2kw，使用一层或两层桨叶的搅拌器， 转速在 36～300r／min 范围。 4）底部搅拌安装形式 特点：其搅拌器安装在容器底部。 它具有轴短而细的特点，无需用中间轴承，可用机械密封结构， 具有使用维修方便、寿命长等优点。此外，搅拌器安装在下部封 头处，有利于上部封头处附件的排列与安装，特别是在上封头带 夹套、冷却构件及接管等附件的情况下，更有利于整体合理布局。 其底部出料口能得到充分的搅动，使输料管路畅通无阻，有利于 排出物料。此类搅拌设备的缺点是桨叶叶轮下部至轴封处常有固 体物料粘积，容易变成小团物料混入产品中影响产品质量。 5）旁入式搅拌安装形式 特点：将搅拌器安装在容器罐体 的侧壁上，在消耗同等功率的情况下，能得到最好的搅拌效果。 这种搅拌器的转速一般在 360～450r／min，驱动方式有齿轮传 动与带传动两种。该设备主要缺点是轴封比较困难。 除了以上五种不同形式的搅拌器外，还有其他安装形式的搅 拌器。如卧式容器搅拌器，是将搅拌器安装在卧式容器的上方， 此类布局可以降低整台设备的安装高度，提高设备的抗震能力， 如充气搅拌就是采用卧式容器搅拌设备的。 （二）搅拌器的构造 搅拌器设计要求是必须有合理的结构（包括制造工艺合理， 桨叶与搅拌轴的连接牢固可靠，检修安装方便等）和足够的强度。 目前，使用的材料大多数是碳钢、不锈钢、铸铁等；也有选 用铜、铝等材料的，有时还用木材、搪玻璃、衬胶等。随着塑料 工业的发展，高强度、优性能的工程塑料也将是选用的优质材料