剪切机原理介绍

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 AB 流体的边界层理论 层 流 ： 当 流 体 低 速 运 动 时 ， 流 体 质 点 始 终 沿 平行 的 方 向 连 续 地 运 动 ， 质 点 之 间 互 不 混 淆 ， 流体 运 动 处 于 层 流 运 动 状 态 ； 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 。