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剪切机原理介绍,中迅农科股份有限公司 彭述明,概述,剪切均质技术作为一种新型微米技术，已经广泛应用于食品、医药、轻工、微生物等诸多行业，并得到迅速的发展，已经成为这些行业对有关流体、半流体产品品质所必不可少的工艺过程。 国外在30年前就生产并使用均质机，且应用于生产，剪切均质机作为均质机械中的佼佼者，也被广泛的认识和研究。自从1948德国FLUKO公司首次发明了应用高剪切原理制成的分散乳化设备。高剪切已出现了多种系列产品。在世界均质机械行业处于领先地位。国外研究制造的剪切机基本上采用定-转子型机构作为均质头，在电机的高速驱动下（300-1000r/min），物料在转子和定子之间的间隙高速运动，形成强烈的液力剪切和湍流，使物料在同时产生的离心、挤压、碰撞等综合作用力的协调作用下，得到充分的分散，乳化、破碎，达到要求的效果。,美国和德国的剪切式均质机的研究和开发均取得了显著进展。如美国的IKA-WERKE GMHB CO.KG生产的多系列分散均质设备，美国ROSS公司研制的，德国IKA-MASCHINENBAU公司研制的ULTRA分散机，德国YSTRAL公司生产的X40型分散搅拌机 ，在国外均质机研究和应用方面，德国处于领先。,我国均质机研究是从50年底个别厂家开始的，最早是上海烟草机械厂仿制美国产品，直到80年代才开始逐渐生产均质机，而且大多是传统的高压均质设备，随着国外剪切式均质机的迅速发展，近年来，国内许多科研人员、制造和使用厂家也开始重视对剪切式均质机的研究工作。目前已经建立了与国外厂商联营、合资研制生产剪切式均质机的公司。如上海弗努克机电设备有限公司、中美合资南通罗斯（ROSS）混合设备有限公司等，现在国内有许多厂家开始生产高剪切均质机，如东市长江机电有限公司、上海环保设备总厂、上海威宇机电有限公司，上海市化工装备研究所等。,高剪切机的剪切原理,一、高剪切如何工作,高速剪切机的本质是颗粒的破碎。要使分散相颗粒破裂，必须对颗粒表面提供足够的外来能量，在此能量作用下颗粒发生变形，当变形力超过使颗粒维持原状的界面张力或强度极限时，颗粒就会破裂。,研究表明，液滴的变形、破裂及流体力学的稳定性，主要取决与无因次韦伯准数We，以及分散相粘度与连续相粘度之比R， 液滴在流体力作用下会发生变形，其变形程度与韦伯准数成比例。,Hinze研究指出，液滴破裂存在一个临界韦伯准数，当在应力作用下的韦伯准数小于临界韦伯准数时，则液滴变形，当在应力作用下的韦伯准数大于临界韦伯准数时，则液滴破裂。在液一固相分散系中，悬浮的固体颗粒在液体中也会受到类似的应力作用，当这类应力超过了使固体维持其完整性的强度极限时，粒子便发生变形、破碎。但若固体颗粒的强度极限较高，完全靠液力作用，则很难破碎，并且有一些固体颗粒，如纤维材料，则更难靠完全的液力剪切作用，所以，要有好的均质效果，则应该增加机械剪切力作用。,总结：高剪切主要靠输送能量使颗粒破裂达到均质的目的。 1、使液层产生速度差 2、空穴效应 3、机械力,A,B,流体的边界层理论,流体的类型,湍流：当流体速度增加到某一速度值时，高速流体中将引起漩涡而进入湍流状态。,流动型态是由雷诺数决定，流体在直管中流动时流动状态开 始变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，若大于临界雷诺 数，则流体就属于湍流流动，反之流体就属于层流流动。对 于高粘度流体，一般均处于层流状态，而对于非均相流体， 除高粘度流体外大多是处于湍流状态。,最大剪切应力,层流时的最大剪切力，液体分别在转定子的槽道里和转定子之间流动，分别进行分析。高粘度物料一般处于层流状态。,湍流时的最大剪切力，分析方法与层流相似。,层流最大剪切应力,槽道内流动：流体内的最大流速及所受到的最 大剪切力与液体流动方向上的压力梯度成正比，最大速度在槽道壁面处。,转定子之间流动：液体在转定子之间成为旋转流，转 定子之间存在速度梯度，产生剪切力。转子速度大， 定转子间隙越小，则最大剪切越大。 最大剪切力在转子壁面处。,湍流最大剪切应力,槽道内流动：与层流类似，湍流运动的脉动特性使其具有传递扩散性，从而使物料的粉碎过程中能更产生很好的分散，且剪切效果是层流数倍以上。,转定子之间流动：同上,二、高频压力波动,根据伯努利方程，流体所具有的动能和压力之和是常数，因此突然的高速流体会造成压降，当压力低到工作流体的饱和蒸汽压时，就会沸腾，产生大量的气泡，当压力升高后，气泡又会破裂。产生的高速微射流，速度可以达到100m/s到300m/s这一高度，微射产生的脉冲压力接近200Mpa，这就是空穴效应。空穴效应发生在粒子旁边就会导致粒子的破裂。,三、机械撞击、剪切作用,对于含固体颗粒物料的粉碎均质，机械剪切与撞击起主导作用，转子高度旋转产生强大的离心立场，在转子中心形成很强的负压区，料液从定转子中心被吸入，在离心力的作用下，物料由内圈向外圈运动，线速度越来越高，形成极大的压力梯度场，在该场中，物料收到强大的剪切、摩擦、撞击以及物料间的相互碰撞、摩擦实现固相在微粒与液相的乳化。,
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