连续式高剪切均质机结构机理流场及功率研究

　　目前,高剪切均质机作为一种高效的微米级混合均质设备,已广泛应用于食品、医药、化工、微生物、能源等诸多行业。由于高剪切均质机适用范围广, 能耗少,零件不需经常更换,因而应用日益广泛。与批次式高剪切均质机相比,连续式高剪切均质机不但能实现批次式高转速、高剪切率、超细微粒径,而且采用在 线生产模式,物料从入料口进入均质机空腔,在空腔中进行均质加工,从出料口直接输出成品或半成品,避免了批次式的间隙加料,有着无污染、省人力、提高生产 效率的优点,且能符合CIP(Cleaning In Place)与SIP(Sterilization In Place)的清洁标准。所以,连续式高剪切均质机越来越受到生产者的喜爱。

　　1 结构机理

　　1. 1 结构

　　现以图1所示的IKA Process Pilot为例说明连续式高剪切均质机的一般结构。均质机配有一对或多对配合精密的定转子,定转子的具体结构根据实际生产需要会有所不同[1]。转子通过 键连接在轴上,在电动机的驱动下通过带轮传动从而高速转旋,定转子间的间隙可以小至0. 5 mm。为防止物料的泄漏,通常在轴上会装有机械密封。在均质机高速转动时机械密封由于摩擦会产生高温,为防止高温烧坏机械密封,通常会配有独立的循环冷却 系统。

　　1. 2 机理

　　均质机转子在电动机的带动下以高速转旋(转速可达上万转)产生负压,待加工物料被吸进空腔,同时在转子的离心惯心力作用下物料通过转子上的开槽被抛到定转子间非常狭小间隙的高剪切区,物料被迫以很高的速度通过窄小的间隙。对于牛顿流体,由牛顿黏性定律可得:

式中:τ—剪切应力,Pa;

　　L—黏度,Pa#s;

　　u—转子边缘速度,m /s;

　　h—定转子间隙,m。

　　由式(1)可知,物料通过间隙时受到很大的剪切力,转子转速越高,定转子间隙越小,剪切力就越大[2]。物料在工作腔内承受每分钟几十万次甚至 上百万次的高速剪切,形成了强烈的液力剪切和湍流,使物料在同时产生离心、挤压、研磨、碰撞、粉碎等综合作用力的协调下得到充分分散、均质、乳化、破碎、 细化、混合等工艺要求。工作腔内的定转子对数和每对定转子的层数越多,间隙越小,剪切面越大,效果就越好,物料细化度最高达0. 1Lm。

　　2 均质机内腔流场分析

　　图2所示为本试验所研究分析的3个流场区域。区域I,定转子间的高剪切区;区域II,转子空间区;区域III,开槽射流区。并设物料为做恒流的不可压缩牛顿流体。

　　2. 1 定转子间高剪切区流场

　　设定转子间距为2h,列不可压缩流体流动的连续性方程和N-S方程[3]: