干法粉碎设备如锤片式粉碎机、辊式粉碎机等,将谷物原料在机械力的作用下强制破碎。干法粉碎设备被大量地应用在饲料、添加剂、制粉等行业中。虽然干法粉碎设备能达到满意的处理粒度,但设备能耗高,噪声大。因此,在满足工艺要求的情况下,湿法粉碎设备则能更好地符合生产实际的需要。
基于高剪切的湿法粉碎设备利用湍流所产生的高剪切力场、空穴效应以及流场中物料颗粒之间的碰撞,使物料颗粒破碎细化。通常用的湿法粉碎设备有:高剪切均质机、胶体磨、砂磨等。谷物类物料通常含有大量的植物纤维,这类高剪切设备对纤维的切断处理往往有较好的效果。
高剪切湿法粉碎机理粉碎机理从能量的角度看由:为物料粉碎时所需能量,分别为粉碎前后的颗粒平均粒度,8为粒径,7、9均为常数,与物料特性有关,对于谷物类物料通常取。
可见,物料粉碎所需能量与粒径的变化程度有关。这部分能量包括:破碎前的变形能、破碎后新表面所需的表面能以及能量的损耗。物料颗粒发生破碎前先发生弹性变形,当变形超过弹性极限,进入塑性变形区,直至颗粒破碎。
对于湿法粉碎中的谷物类物料,物料颗粒所受的作用力主要是液流的剪切作用与物料相互间的冲击作用,可以把这两种力的综合作用表示成。物料所受变形极限时作用应力,物料颗粒破碎。同时,对于谷物类物料中的大量植物纤维,高剪切湿法粉碎设备通常都有较好的处理效果。
湍流剪切多数情况下,谷物类物料进行湿法粉碎时是以水作为载体的,因此,在高剪切作用下必然产生强烈湍流。
湍流中,由脉动速度引起雷诺应力远大于相应的粘性应力,在高数的流场中,剪切应力主要由雷诺应力项决定。通过引入湍流连续性方程与平均动量方程,我们可以导出湍流状态下的剪切力场分布。
对于常见的基于高剪切的湿法粉碎设备,比如高剪切均质机、胶体磨等,参照圆筒间剪切模型,可以发现,对于这些有壁剪切湍流,定转子之间的间隙转子转速是剪切应力场的重要影响因素,越小、越大则对物料的粉碎效果越好,设备加工制造也很困难,过大则在设备运转过程中会出现设备发热过度、磨损过快等问题。选择适当的值是设计基于高剪切原理的湿法粉碎设备的基本原则。
随机性与脉动性是湍流流场的特点,采用统计学的方法进行研究。湍流流动中流体微团的随机旋转加快了高剪切湿法粉碎设备内物料间的相互混合,使物料间相互撞击的机会增加,从而增强粉碎效果。
同时,物料与器壁的机械碰撞也是促使物料粉碎的原因之一。
设备功耗除了*终产品粒径外,设备对物料粉碎所需的单位产品动耗也是衡量设备粉碎效果的重要指标。湿法粉碎设备的能耗主要由物料尺度减小所需的能量,搅拌功率,以及能量损失决定,式中,由式描述,跟物料特性有关;搅拌功率4是由设备转子部分对物料进行剪切所消耗的能量,主要由功率数、排量数、循环量数和混合时间数表征;能量损失项由设备结构及管路特性所决定。
可见,设备结构优化、减少沿程阻力损失是减少能耗的有效办法。实验证明,不同的剪切设备形式,对功率的影响较大。
应用与试验玉米加工中的应用玉米是燃料酒精等行业的重要原料,工艺要求玉米原料进行粉碎后发酵,显然使用干法粉碎不能很好地符合工艺要求,而传统的湿法粉碎设备要求玉米去皮后处理。我们在山东某大型燃料酒精生产厂家进行了玉米湿粉碎试验。试验原料为浸泡后的连皮玉米。试验分别使用了胶体磨、砂磨及高剪切均质机。
通过不同设备粉碎后的玉米皮渣经干燥、粉碎效果如示:通过上述对比试验,我们发现,高速的湿法粉碎设备如高剪切均质机,剪切效果要比砂磨低速设备如砂磨好。同时,定转子间隙小的设备粉碎效果好。
大豆湿法粉碎试验用高剪切均质设备对大豆进行湿法粉碎,试验因素分别为转子转速与定转子间隙,指标为经处理后的物料的体积平均粒径:以验证这两个因素对粉碎效果的影响。试验原料试验原料为浸泡后的去皮大豆。
试验设备型高剪切均质机无锡轻大食品装备有限公司。试验步骤为全面地反映各因素对指标的影响情况,我们安排了正交试验,设计为二因素三水平,用正交试验表。各因素的水平见表。
结论与展望
基于高剪切的湿法粉碎设备在谷物类原料的加工中能有效地与生产工艺紧密结合。湍流剪切和物料间的机械碰撞综合作用,使湿法粉碎设备达到较理想的粉碎效果。特别适合大量物料的在线式粉碎,具有较广的应用前景。
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