液体搅拌与混合机械设备简介

制备均匀液体物料，除可采用间歇式搅拌设备以外，还可利用水粉混合机及静态混合器等连续或半连续式混合机械。

一、液体搅拌机

在食品加工中，液体搅拌机主要应用目的有：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；促进酶反应等生化反应和化学反应过程。

食品工业中典型的带搅拌器的设备有配料罐、发酵罐、酶解罐、冷热缸、溶糖锅、沉淀罐等。这些设备虽然名称不同，但基本构造均属于液体搅拌机。

（一）基本结构

搅拌设备的种类较多，但其基本结构大致相似。典型搅拌设备结构如图6-1所示，主要由搅拌装置（电机、减速器、搅拌轴和搅拌器）、搅拌容器及附件（进出口接管口、夹套、人孔、温度计插套以及挡板等）和轴封等部分组成。

（二）搅拌器

1.搅拌器的类型和安装形式

搅拌器是搅拌设备的主要工作部件。通常搅拌器可分成两大类型：①小面积叶片高转速运转的搅拌器，属于这种类型的搅拌器有涡轮式、旋桨式等，多用于低黏度的物料；②大面积叶片低转速运转的搅拌器，属于此类型的搅拌器有框式、垂直螺旋式等，多用于高黏度的物料。搅拌器的结构因搅拌操作的多样性而有多种形式。各种形式的搅拌器配合相应的附件装置，使物料在搅拌过程中的流场出现多种状态，以满足不同加工工艺的要求。图6-2所示为典型搅拌器型式。

图6-1 典型搅拌设备结构

图6-2 典型的搅拌器形式

搅拌器的轴相对于搅拌容器可有不同的安装形式，产生不同的流场及差异明显的搅拌效果。常见搅拌轴相对于容器的安装方式如图6-3所示有五种方式，即：中心立式、偏心立式、倾斜式、底部式和旁入式。

（1）中心立式[图6-3（1）]搅拌轴与搅拌器配置在搅拌罐的中心线上，呈对称布局，驱动方式一般为带传动或齿轮传动，或者通过减速传动，也有用电动机直接驱动。这种安装形式可以将桨叶组合成多种结构形式，以适应多种用途。搅拌器功率从0.1kW至数百千瓦。为了防止在搅拌器附近产生涡流回转区域，可在立式容器的侧壁上装挡板，但很少用于食品料液搅拌场合，原因是清洗上的不方便。

图6-3 搅拌器安装方式

（2）偏心立式[图6-3（2）]将搅拌器安装在立式容器的偏心位置，其效果与安装挡板相近似，能防止液体的打漩。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[图6-3（3）]搅拌轴安装形式是将搅拌器直接安装在罐体上部边缘处，搅拌轴斜插入容器内进行搅拌。对搅拌容器比较简单的圆筒形或方形敞开立式搅拌设备，可用夹板或卡盘与筒体边缘夹持固定。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，可以防止打漩效应。

（4）底部式[图6-3（4）]将搅拌器安装在容器的底部。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，有使用维修方便、寿命长等优点。此外，搅拌器安装在下封头处，有利于上部封头处附件的排列与安装，特别是上封头带夹套、冷却构件及接管等附件的情况下，更有利于整体合理布局。由于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黏积，容易变成小团物料混入产品中影响产品质量。

（5）旁入式[图6-3（5）]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。设备主要缺点是，轴封比较困难。

除了以上五种形式的搅拌器外，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，提高设备的抗振动能力，改善悬浮液的状态，如充气搅拌就是采用卧式容器的搅拌设备。

2.搅拌器桨叶与流型

尽管某种合适的流动状态与搅拌容器的结构及其附件有一定关系，但是，搅拌器桨叶的结构形状与运转情况可以说是决定容器内液体流动状态最重要的因素。一般说来，搅拌器件周围流体的运动方向有三种，即径向流、轴向流和环流，但普通的搅拌器一般只产生以一种为主的流向，形成所谓的轴向流型或径向流型。

（1）轴向流型 液体由轴向进入叶片，从轴向流出，称为轴向流型[图6-4（1）]。如旋桨式叶片，当桨叶旋转时，产生的流动状态不但有水平环流、径向流，而且也有轴向流动，其中以轴向流量最大。此类桨叶称为轴流型桨叶。图6-2所示的搅拌器中，折叶开启涡轮式和旋桨式可以产生明显的轴向流。值得一提的是，轴向流式搅拌产生的流动方向（朝容器底或是朝容器口）与搅拌轴的转向有关，所以在安装使用时有必要注意。

（2）径向流型 流体由轴向进入叶轮，从径向流出，称为径向流型[图6-4（2）]。如平直叶的桨叶式、涡轮式叶片，这种高速旋转的小面积桨叶搅拌器所产生的液流方向主要为垂直于罐壁的径向流动，此类桨叶称为径向流型桨叶。由于平直叶的运动与液流相对速度方向垂直，当低速运转时，液体主要流动为环向流，当转速增大时，液体的径向流动就逐渐增大，桨叶转速越高，由平直叶排出的径向流动越强烈，打漩效应也随之增强，严重时会造成液体外溢。

图6-4 液体流型

3.搅拌器的选择

搅拌器型式一般可根据介质黏度和应用目的选取。

（1）根据介质黏度选型 搅拌桨型式可根据图6-5所示的曲线图进行选择。由图可以看出，随着黏度增高，各种搅拌器选用的顺序为旋桨式、涡轮式、桨式、锚式和螺带式等。在低黏度范围，该图还指出了涡轮式和旋桨式的转速与容量大小的对应关系，由图可见，大容量液体时用宜低转速，小容量液体时宜用高转速。

图6-5 搅拌器选择曲线

各类搅拌器型式根据黏度大小选用时可有一定重叠性。例如，桨式搅拌器由于其结构简单，用挡板后可以改善流型，所以，在低黏度时也应用得较普遍。而涡轮式由于其对流循环能力、湍流扩散和剪切都较强，几乎是应用最广泛的一种桨型。

（2）根据搅拌过程目的选型 低黏度均相液—液混合，搅拌难度小，因此，宜选用循环能力强，运动消耗少的平桨式搅拌器。

对于分散操作过程，宜选用具有高剪切力和较大循环能力涡轮式搅拌器。其中平直叶涡轮剪切作用大于折叶和后弯叶的剪力作用，因此应优先选用。为了加强剪切效果，容器内可设置挡板。

对于悬浮液操作，涡轮式使用范围大，其中以弯叶开启涡轮式最好。它无中间圆盘，上下液体流动畅通，排出性能好，桨叶不易磨损。而桨式速度低，只用于固体粒度小，固液相对密度差小、固相浓度较高、沉降速度低的悬浮液。旋桨式使用范围窄，只适用于固液相对密度差小或固液比在5%以下的悬浮液。对于有轴向流的搅拌器，可不加挡板。因固体颗粒会沉积在挡板死角内，所以只在固液比很低的情况下才使用挡板。

若搅拌过程中有气体吸收，则用圆盘式涡轮最合适。它剪切力强，圆盘下可存在一些气体，使气体的分散更平衡。开启式涡轮不适用。平桨式及旋桨式只在少量易吸收的气体要求分散度不高的场合中使用。

对结晶过程的搅拌操作，小直径的快速搅拌如涡轮式，适用于微粒结晶；而大直径的慢速搅拌如桨式，用于大晶体的结晶。

（三）搅拌容器及附件

搅拌容器由罐体与焊装在其上的各种附件构成。

1.罐体(www.xing528.com)

罐体在常压或规定的温度及压力下，为物料完成其搅拌过程提供一定的空间。

图6-6 典型食品搅拌罐体形式

低黏度物料搅拌用罐体一般为立式圆筒形，图6-6所示为常见食品搅拌罐形式。用于食品料液的罐底一般为碟形或锥形，锥形底的锥角通常有60°、90°、120°和150°等，也有一些采用平底，但有一定倾斜度，以方便排尽积液。罐顶形式通常有锥形、碟形或平盖式等。罐体通常用支脚直接置于地坪上，也可通过耳座安装在平台上。

罐体容积由装料量决定。圆筒形罐体需要确定高径比。根据实践经验，当罐内物料为液—固相或液—液相物料时，搅拌罐的高径比范围一般在1～1.3，当罐内物料为气—液相物料时，高径比的范围在1～2。罐体的高径比还需考虑传热性能和功率消耗等因素。从夹套传热角度考虑，一般希望高径比取大些。在固定的搅拌轴转速下，搅拌功率与搅拌器桨叶直径的5次方成正比，所以罐体直径大，搅拌功率增加。另外，如需要有足够的液位高度，可考虑取较大的高径比。

需要进行加热或冷却操作的搅拌罐，通常为夹层式的。用于蒸汽加热的夹套应当耐压，此时的搅拌罐是压力容器，必须由具备生产压力容器厂商提供。搅拌罐器也可采用其他形式的换热器，如盘管式等。

2.附件

搅拌罐体或罐盖上可根据需要接装各种需要的附件。用户在设备选用或订购时，可根据工艺或操作特点提出具体要求。

搅拌罐体或罐盖上的常见附件有：各种进出料和工作介质的管接口、各种传感器（如温度计、液位计、压力表、真空表、pH计）的接插件管口、视镜、灯孔、安全阀、内置式加热（冷却）盘管等。

进料管一般设在搅拌罐顶部，也有设在罐体侧面的。出料管一般装在罐底中心或侧面，具体位置要能将所有液体排尽。各种进、出料管的接口形式有螺纹、法兰、快接活接头或软管等几种。需要在搅拌过程中加入固体物料的，可以在罐盖适当位置设置投料口，如搅拌罐为负压，可利用真空吸料原理从下面进料。

温度计插孔管的位置、长度及数量要视罐体大小而定。容积较小的罐体，一般只在盖上装一根垂直于液面的长管；高、大的罐体，则往往在罐体侧面的不同位置安装数个温度计插管，如果是夹套式，在温度计的插管位置必须避开夹套。

（四）搅拌器的传动装置与轴封

搅拌器传动装置的基本组成有电动机、变速传动装置和传动装置支架等。变速传动装置分为齿轮变速器和带轮变速两种型式。而齿轮变速器又可分为行星齿轮变速器和普通齿轮变速器两种。行星齿轮变速方法可使电机、变速器和搅拌轴呈直线状排列，传动装置支架也较为简洁，但较高。为了降低高度，可采用带轮变速或普通齿轮变速器，使电机与搅拌轴呈现水平或垂直排列。

轴封是搅拌轴与罐体之间密封装置，是否需要，与搅拌容器的压力状态及搅拌轴的安装位置有关。以下情形均应有适当形式的轴封装置：真空搅拌设备、加压搅拌设备、卫生要求高的带顶（盖）常压搅拌容器、搅拌轴位于容器底部或侧面等。对于食品加工用的搅拌设备，轴封应满足密封和卫生两方面的要求。常见的轴封有两种形式，填料密封和机械密封，卫生要求高的宜采用机械式轴封。

二、水粉混合机

水粉混合机是一种将可溶性粉体溶解分散于水或液体中的混合设备。这种设备又称水粉混合器、水粉混合泵、液料混合机、液料混料泵、混合机等。水粉混合机外形及结构如图6-7所示，主要由机壳、叶轮、粉料斗及电机构成。

图6-7 水粉混合机

水粉混合机的工作原理是利用叶轮的高速旋转剪切作用，将（装在料斗中的）粉状物料和（从进液口进入的）液体进行充分拌和，输送出所需的混合物。

实际上，通过料斗加入的参与混合的物料，既可以是流动性良好的粉料，也可以是流动性较好的浓度较高的溶液或浆体。料斗下方的调节阀[见图6-7（2）]主要是为了得到不同添加物含量的混合液体。根据工艺需要，可以将混合机串接在加工管路中进行连续混合操作，也可与一台罐器相连接进行间歇式混合操作。水粉混合机特别适用于再制乳制品生产，例如，用于乳粉、乳清粉、钙奶、糊精粉等与液体的混合，也可用于果汁和其他饮料的生产。

三、静态混合器

静态混合器也称管道混合器，是20世纪70年代初开始发展的一种先进混合器。20世纪80年代我国也开始研究生产，已经在环保和化工领域得到很好应用，并且也已经在食品行业得到应用。

静态混合器是一种没有运动部件的高效混合装置。它的基本构成十分简单（图6-8），主要由带管道接口的混合器壳体和混合单元构成。

图6-8 静态混合器

所谓“静态”是指起主要混合作用的混合单元在壳体中是固定不动的，这种混合器也由此取名。虽然混合单元是静止的，但所有静态混合器的主输入料液均需要有足够的压头才能正常工作，因此它常常需要与输送泵配合使用。

混合器的壳体通常为直管，根据需要可在直管的不同位置接支管，供各种需要混合的物料进入。

混合单元是静态混合器的关键，其形式有多种，供不同物性料液和流动条件场合的应用。如图6-9所示为适合于食品工业的SK和SD型的混合单元外形。当然，在食品业应用中，也可根据需要选用或设计其他型式的混合单元。

图6-9 两种适用于食品行业的混合单元

静态混合器的工作原理如下：通过固定在管内的混合单元件，将流体分层切割、剪切或折向和重新混合，流体不断改变流动方向，不仅将中心液流推向周边，而且将周边流体推向中心，达到流体之间三维空间良好分散和充分混合的目的。与此同时，流体自身的旋转作用在相邻元件连接处的界面上亦会发生。这种完善的径向环流混合作用，使流体在管子截面上的温度梯度、速度梯度和质量梯度明显降低。

静态混合器可用于各种形态物料的混合、萃取、气体吸收、热交换、溶解、分散等操作，食品加工中已经应用的方面有不同组分液体的混合、悬浮液的分散化、浓浆的稀释以及换热等。使初步混合的水粉混合物进一步分散化，以及对用于将发酵生产的浓糖蜜进行连续稀释等。

静态混合器用来对各种料液进行混合时，不同的进料必须经过计量，因此一般用定容积泵（如转子泵等）为进入静态混合器的物料提供输送动力。图6-10所示为利用静态混合器对将两种料液进行比例混合的系统组合。这种系统可用以将果味成分添加混合到搅拌型酸乳中。

如果上面介绍的水粉混合机的混合效果达不到所需要的粉体分散要求，可在后面管路上串接一个静态混合器，以使其中的固体粉粒进一步分散化。此时的静态混合器实际上起均质作用。这种均质作用依靠液体在混合器内产生的流速变化实现。用以进行分散作用的静态混合器，不必用定量泵进料。图6-11所示的系统正好利用水分混合机的输出压头作为分散作用的动力源。这种系统可用以乳粉的加水混合。如果有必要，还可在静态混合器后面再串接高压均质机，以获得更为稳定的再生乳。

图6-10 用于两种料液混合的静态混合器系统流程

静态混合器也可用作间接式换热器（图6-12），对料液进行加热或冷却。用作间接式换热器的静态混合器，在结构上与一般的混合器有所不同，或者在混合元件外装夹套，或者直接利用管线绕制成混合元件，这样可以进一步提高换热的效率和均匀性。

图6-11 水粉混合机—静态混合器流程

图6-12 用作换热器的静态混合器

静态换热器的特点：①流程简单，结构紧凑；②设备小、投资少、能耗小，操作弹性大，安装维修简便、混合性能好；③应用灵活性大等。