高压均质机工作原理及特点

高压均质机工作原理及特点

高压均质机以高压往复泵为动力传递及物料输送机构，将物料输送至工作阀(一级均质阀及二级乳化阀)部分。要处理物料在通过工作阀的过程中，在高压下产生强烈的剪切、撞击和空穴作用，从而使液态物质或以液体为载体的固体颗粒得到超微细化。

工作阀原理示意图及颗粒细化原理简介：

图1:物料被输送至工作阀进口(尚未通过工作阀) 图2:物料源源不断地通过一级均质阀和二级乳化阀

如图1所示，物料在尚未通过工作阀时，一级均质阀和二级乳化阀的阀芯和阀座在力F1和F2的作用下均紧密地贴合在一起。物料在通过工作阀时(如图2)，阀芯和阀座都被物料强制地挤开一 条狭缝，同时分别产生压力P1和P2以平衡力F1和F2。物料在通过一级均质阀(序号1、2、3)时，压力从P1突降至P2，也就随着这压力能的突然释放，在阀芯、阀座和冲击环这三者组成的狭小区域内产生类似爆炸效应的强烈的空穴作用，同时伴随着物料通过阀芯和阀座间的狭缝产生的剪切作用以及与冲击环撞击产生的高速撞击作用，如此强烈地综合作用，从而使颗粒得到超微细化。一般来说，P2的压力(即乳化压力)调得很低，二级乳化阀的作用主要是使已经细化的颗粒分布得更加均匀一些。据美国Gaulin公司的资料介绍，绝大部分情况下，单单使用一级均质阀即可获得理想的效果。

主要优缺点：

相对于离心式分散乳化设备(如胶体磨、高剪切混合乳化机等)），高压均质机的特点是1)）细化作用更为强烈。这是因为工作阀的阀芯和阀座之间在初始位是紧密贴合的，只是在工作时被料液强制挤出了一条狭缝；而离心式乳化设备的转定子之间为满足高速旋转并且不产生过多的热量，必然有较大的间隙(相对均质阀而言)；同时，由于均质机的传动机构是容积式往复泵，所以从理论上说，均质压力可以无限地提高，而压力越高，细化效果就越好。2)均质机的细化作用主要是利用了物料间的相互作用，所以物料的发热量较小，因而能保持物料的性能基本不变。3)均质机能定量输送物料，因为它依靠往复泵送料。4)均质机耗能较大

5)均质机的易损使较多，维护工作量较大，特别在压力很高的情况下6)均质机不适合于粘度很高的情况 高压均质机由电机 、柱塞泵、乳化阀、冲击环、料罐等组成。固液二相原料经柱塞泵吸入加至高压，从乳化阀以高速雾状喷至冲击环，完成乳化均质过程。

传统的理论有剪切论、气爆论、乳化论及碰撞论。

剪切论：流体在管道内流动，中心流速最快，管壁附近流速最慢，存在速度差形成流体剪切。

气爆论：原料中混入的气体经高压柱塞泵加至高压，体积被大大压缩，当从乳化阀喷出时，压力急剧释放，气体体积急剧膨胀产生气爆，可将固体份粉碎，促进固液二相混合。

乳化论：高压流体经乳化阀流道冲击混合。

碰撞论：高压流体从乳化阀以雾状高速喷射至冲击环，固体份被粉碎，促进固液二相混合。

四大理论各有侧重，互为补充。只要能使固体份细化，提高其比表面积及表面能，就可达到理想的均质效果。

设计中要注意的几点问题：

1.压力、流量与电机功率的关系。

2.柱塞泵的耐磨性及密封。

3.乳化阀、冲击环的耐磨性。

4.结构模块化设计。

产 品 分 类 及 选 用

高压均质机的分类：

按结构型式分为立式整体型均质机和卧式组合型均质机。前者一般适用于中小型设备(功率在45kw以下)；后者适用于大型设备(功率在45kw以上)。目前国内大多数厂家生产的都是立式整体型均质机。这种型式结构紧凑，外形美观占地面积小。但对大型设备而言，稳定性就成了主要的问题。所谓卧式组合型均质机指的是电机、减速箱、曲轴箱、润滑站等相对独立成块，并分布在同一水平面上，通过皮带(轮)、联轴器、油管等连成一体。整机重心低、运转平稳、检修方便。1995年5月为给世界上最著名的化工企业之一德国BASF公司配套高质量的大吨位均质机，我们研制了国内第一台大型卧式均质机。在此基础上通过几年的实践，该产品形成十几个规格的系列，最大功率达150kw(对应流量20t/h，压力22Mpa)。经上海科技情况所计算机联机检索证明为国内首创，技术水准接近国际先进水平。

按柱塞每分钟的往复次数分为普通型均质机和低速型均质机。美国Gaulin公司将柱塞每分钟往复次数在150次以下划为低速型，在150次以上的称为普通型。均质机曲轴的 转速(即同比决定柱塞的往复频率)是决定整机性能的最关键的因素之一。在材质、加工精度、结构等相同的情况下，在一定范围内转速越低，则各磨擦副(如轴与瓦、柱塞与密封等)在单位时间内的磨损度、泵体内各受力零件(如阀芯、阀座等)在同等时间内的损坏程度均大幅度降低，且设备运转的稳定性也大大提高。所以该系列特别适合于长时间使用的场合。我厂在1995年率先开发的LS系列低速高速能均质机以优异的性能迅速在全国得到推广，截至1999年已有国内外400多家用户选用。

按控制方式可分为手动控制式、手调液力控制式以及全自动控制式。目前，手动控制式在市场上占主导地位。如果整条生产线都是自动控制的，可选用全自动控制均质机。关于全自动控制均质机，可参阅《均质机、喷雾泵自动控制技术》

按使用情况可分为生产用均质机和实验型均质机。相对于其它厂家的产品，我厂生产的JHG系列实验型均质机具有以下特点：1)采用柱塞水平运动结构，与柱塞垂直(上下)运动的实验机相比，其柱塞处可喷淋冷却水，从而延长柱塞密封圈的寿命 2)物料泄漏后不会进入油箱 3)立方体形的整体造型，美观且操作方便，并可加轮子方便搬运。

按均质机在生产线上的位置可分为上游均质机和下游均质机。一般在灭菌前使用的均质机称上游均质机，在灭菌后使用的均质机称下游均质机。通常前者采用一般的均质机即可，而后者要采用无菌均质机。所谓无菌均质机，就是将均质机柱塞处的动密封泄漏点以及进出口的静密封处的泄漏点通过蒸汽(或过热水)与大气隔绝，这样的均质机可作为无菌设备在杀菌后使用。如果有此类需要，我们将乐意提供该类设备。

高压均质机的选型

(1)选择普通型还是低速型？对应于同样的流量和压力，普通型均质机的单价要比低速型机的单价要低。所以综合考虑价格性能因素，我们建议：如果设备每天的运转时间在10小时以内，则可考虑用普通型(HOMG系列)；如果设备每天的运转时间在10小时以上18小时以下，建议选择低速型(LS系列)；如果工况为连续使用型，即连续几天或几十天连续不停地使用，则要作为特殊工况单独考虑。

(2)关于流量：用户在使用过程中，会发现很多情况下实际流量比制造商所提供的性能参数中标定的设备流量要小一些。这主要是由以下原因造成的：a)粘度：用户所处理的物料是千变万化的，其粘度差别很大。一般来说，物料的粘度越高，其容量效率越低(即流量损失越大)，参见下表：

粘度与容积效率的关系（仅供参考）

b)压力：压力对容量效率的影响很大，特别在压力很高等情况下。这是因为，在高压下，通常被视为不可压缩的流体成了弹性体；同时，压力越高，通过泵体内阀芯阀座的内泄漏也增加了 c)进料方式：一般来说，压力进料比自吸进料的容积效率要高一些。

综上所述，我们建议： a)所处理物料的粘度越大，所使用的压力越高，则所选择的设备流量就要留更多的裕量 b)尽量采用压力进料，进料压力在1.5kgf/cm2左右 c)如果整条生产线的产量必须严格保持一致，那么最好采用变频调速的方式使流量无级可调。

(3)关于压力：压力越高，细化效果越好；但同时，压力越高，设备价格也越高，耗电量也同比增大，同时易损件增多也就是说，压力越高，运行费用越大。有必要了解的是，压力和细化效果呈根号曲线关系，而压力与运行费用接近于正比例(见下图)

所以，在选择压力参数时，我们建议采用以下原则：在达到经济破碎效果的前提下，使用压力越小越好。在使用压力选定后，再根据制造商提供的设备性能参数表，选择标定的额定压力大于使用压力的设备即可。

应 用 简 介

均质机操作独特的原理为无数工艺流程的革新以及各种新产品的开发应用提供了简便而卓有成效的途径，均质机的作用主要有：提高产品的均匀度和稳定性；增加保质期；减少反应时间从而节省大量催化剂或添加剂；改变产品的稠度改善产品的口味和色泽等等，其典型的应用领域如下：

化工行业：油漆涂料，各种乳化剂，燃油重油消毒剂，杀虫剂，感光乳剂，橡胶浆，树脂胶，增稠剂，膨润土，香精，硅材料，碳黑，氧化镁，二氧化钛等。

化妆品行业：洗涤剂，调理剂，润肤露，香水等。食品饮料行业：豆乳、牛乳，花生乳，浓缩乳，奶油，混合乳酪，各种果肉型天然饮料，冰淇淋，花粉液等中西保健营养液，食品添加剂，各种调味品等。

制药行业：抗生素，抗酸剂，液浆制剂，静脉乳剂等。

生物工程技术：高压均质机在生物工程上的应用愈来愈受到重视，这主要是因为高压均质机能够高效率地对细胞壁进行破碎从而提取其内含物：如酶、朊等。

下面举几个具体的例子来简单说明一下均质机的应用：

为什么化妆品会被表皮吸收：经常听到化妆品广告中有这样的语句：渗入肌肤表层被肌肤完全吸收。事实上，被肌肤完全吸收是不可能的，但渗入肌肤表层却有着科学的依据。生物学告诉我们，人体表皮微孔的平均直径约在1.5微米，而绝大多数化妆品原料在450kgf/cm的均质压力作用后的平均颗粒度在1微米左右，这样化妆品渗入肌肤就不难理解了。同时也就不难理解国外化妆品行业为什么会大量使用高压均质机。

怎样提高鳖精，蜂皇浆，花粉口服液，药品等的人体吸收率：在这些比较贵重的产品的生产中，提高人体的吸收率有很大的意义，因为吸收率提高意味着达到同样效果时所用原料的减少，也即意味着生产成本的降低。怎样达到这个目的呢？大家知道，人体之所以会吸收是由于酶的作用，吸收效率很大程度上取决于酶促反应的面积。进入人体的物质其颗粒度越小则与酶接触起反应的表面积越大，所以吸收的效率越高。而高压均质机的作用就是使介质的颗粒极度细化(液-液均质平均粒度在1um以下)，何况均质后的产品还能得到不沉淀高胶状高稳定性等优点，从而使成品的外观也大大改善，所以在较昂贵的口服液中使用高压均质机的效益是显而易见的。

根据第2条叙述的原理，相信大家不难理解使用高压均质机后为什么可以提高化学催化剂，各种添加剂以及其它化工产品的功效。

有人问：既然均质机的工作介质是流体，那么在粉状产品中又是如何应用的呢？这个问题再简单不过：用高压均质机细化后，在进行干燥的粉状产品即可得到高质量

高压均质是一种制备超细液——液乳化液或液——固分散物的通用设备，被广泛应用于食品、化工、制药、轻工 、生物工程等各行业的生产者和科研领域。

（一）性能特点

在该机中凡与物料相接触的零部件材料都具有极高的耐磨性和良好的耐腐蚀性、对物料不会产生不良的影响，高压均质机与其它均质设备相比，具有占地面积小、效率高、能量大、反应时间快、运转费用低等优点。东华牌高压均质机品种、规格齐全，完全能满足各个领域用户的需要。均质功率从1KW-200KW，压力从15MPa-100MPa，从0.2升物料能做实验的台式小型均质机到3万升/小时超大型均质机，各种规格达一百多种，为全国同行业之最。机器的均质系统分别由一级阀和二级阀组成双级均质系统，两者的均质压力可以在其额定的压力范围内任意选择，两者可同时使用，也可单独使用。均质阀的结构可分为平型和W型两种，平型阀能承受高压冲击，具有耐磨性好、使用寿命长等优点。W型阀是一种能在一组阀件内产生多次均质过程结构的阀，大大的提高了其均质效果。泵休阀的结构分球型阀和碟型阀二种，球型具有耐高压、使用寿命长等优点。碟型具有结构简单、容积效率高等优点。

一、传动部件采用强制冷却加压润滑，大大提高了传动部位的寿命，适用于现代工业长期连续工作，传动齿 轮采用人字齿轮传动，运转平衡、可靠、噪音低。柱塞往复速度设计在130次/分-160次/分之间，完全适 用于各种粘度的料液，把阀件磨损降至最低限度。机器的工作部分能承受140℃高温。

二、超大型机器。工作压力采用液压控制，操作方便、加压卸压轻松自如，改变了手工加压费力的现

象。超 大的机器、超高产压力，只要旋动旋钮即可调压。

三、使用特殊装置的压力显示，减少压力表震动，使压力表使用寿命延长一倍，同时只要用户需要，其压力 可采用压力传感数字显示，来显示压力。

四、采用了一种新型耐磨密封材料，耐高压、自润滑性能好， 从而使柱塞的使用寿命比原物提高了2-3倍， 密封圈的使用寿命提高了3-5倍，并可做到长时期“滴水不漏”的理想境界。

五、我们采用了与国际同类产品完全一致的材料（钨钴合金、钴铬钨合金），从而使易损阀件的寿命比原先 成倍品提高，并能承受酸碱溶液的长期冲洗。

六、均质机的功能主要是均质，在装有双级阀的机器上只要物料通过均质阀内一次，物料就被均质四次以上，有的可达6-8次，从而，在同样压力的情况下，大大提高了其均质效果，因此使我厂高压均质机均质效果这项指标达到国际同类产品的先进水平。

工作原理

物料的加工是在均质阀里进行的，物料在高压下进入调节间隙

的阀件时，物料获得极高的流速（200－300m/s），从而在均质

阀里形成一个巨大的压力下跌，在空穴效应，瑞流和剪切的多种

作用下把原先比较粗糙的乳浊液或悬浮液加工成极细微分散、均

匀、稳定的液－液乳化物或液－固分散物。我厂根据各物料的特

性，分别设计种种结构的均质阀，使用户在同样达到产品质量要

求的情况下实现低耗高效的程度。

均质效果

通过高压均质后的产品有很多优点，有极高的稳定性，能提高产

品保存质量、提高产品的品位和档次，能使你的产品达到优质优

化的高峰。

应用领域

高压均质是一种制备超细液-------液乳化物或液-------固分散物的通用设备，被广泛应用一各行业的生产和科研领域。

例：

一、 食品饮料行业：豆奶、花生奶、松子奶、大豆蛋白等各种植物蛋白和饮料。橙汁、苹果汁、核桃露、莲 子汁、椰子汁等各种悬浮果汁饮料。酸奶、均质牛奶、纯牛奶、甜牛奶、乳酸饮料、冰淇淋、豆奶粉等 各种乳品和乳制品。

二、 制药：抗生素、各种乳剂、浆液制剂、中药制剂、脂肪乳输液、花粉破碎及各种营养保健液。

三、 轻工化工行业：香精香料、化妆品、乳化硅油、感光剂、增亮剂、增稠剂、高级涂料、顏料、染料、重 油渗水等。

四、 生物工程技术：对大肠干菌、酵母菌、细胞进行破碎，撮取其细胞内酶、蛋白质等活性产物。

五、纳米技术：纳米颗粒的制备关键是控制粒子大小和得较窄均匀的颗粒分布。减少和消除粒子团聚现象，用高压均质机利用空穴爆破法，为目前较为适当的纳米制备技术，经过100MPA以上的高压多次均质过程，可制备均匀的粒径在0.1-0.5的粒径。

均质效果

W 型阀与平面阀对照（以牛奶为比例）

均质压力达30MPA以上时，对液——固的分散液开始起作用，压力高达60MPA时对大部分物料粒径能达到2μm以下，当物料达到80MPA以上时作用更明显，主要用于颗粒超细破碎，一般物料能达到1μm以下。如达到100MPA以上时，能制出更细微的颗粒，部分物料粒经多次超高压力均质后，能得到0.1-0.5μm以下的子粒制备出纳米级的材料。

各种物料均质压力的使用范围：

物料分层的分析和探讨

在使用均质机后，物料产生分层。

现在让我们一同来分析一下产生分层原因。

当物料放入液体中，该液体的密度和放入物料的密度决定了物料的沉浮。如果物料的密度大于液体它则下沉，小于液体则上浮。在重力的作用下，液体介质中的固体粒子或液滴最终获得稳定的速度，称沉降速度，沉降速度的大小由以下物理量决定：

粒子直径直 d

粒子密度 ρp

介质液体的密度 ρp

介质液体的粘度 η

重力加速度 g(9.8m/s)

如果这些量值是已知的，那么粒子或液滴的沉降速度（V g）

可以用以下公式计算：

（斯托克斯定律）

以上方程告诉我们粒子或液滴的沉降速度

● 沉降速度随着粒子直径的平方而增加这说明5μm的粒子（5*5=25）要比1μm粒子（1*1=1）沉降快25倍。● 沉降速度随着物料的密度差的增加而增加。

● 沉降速度随着物料与介质的粘度减小而增加。

● 18 是常数

● 重力加速度g为9.8m/s 从以上分析： 高压均质机能把颗粒破碎至2μm以下或更细微1μm以下，粒子直径 的大小与沉降速度是平方的关系，所以粒径的大小是沉降速度的关键。

三.均质原理和空穴效应：

伯努利定律（理想液体作稳定流动时的能量守恒定律）在密封管道内流动的理想液体具有三种能量：压力能、动能和势能，它们可以互相转变，并且液体在管道内的任一处这三种能量总和是一定的。

由以上定律的出伯努利方程式：

★ 空穴现象：在液流种，如果某一点的压力低于饱和蒸汽压

时液体就开始沸腾形成气泡（同时溶于液体中空气都游离出来

形成气泡）这些气泡混杂在液体中产生气穴，使液体不成为连

续流动的状态，这种现象称为空穴现象。

当物料高压低速进入均质阀，流径阀座和柱阀窄小间隙进入低压区，根据伯努利定律：压力能转变为动能，巨大的动能把流速提高到300-500米/秒，此时压力迅速下降至饱和蒸汽压力下，物料中形成气泡，出现空穴现象。在一个巨大的压力下跌的作用下使物料失压、膨胀、爆炸。在巨大动能作用下，物料颗粒通过阀件的窄小间隙产生强烈剪切，另由于巨大的动能物料以300-500米/秒（100Mpa可达500-1000米/秒）的速度，撞于冲击挡圈上等各种综合因素的作用下，把物料颗粒破碎的极细微。

均质机远程控制和其他用途

随着现代化大工具自动化生产的需要，均质机可以独立串联生产线上，其操纵和观察可在控制室内进（600Mpa以下机型）

均质机除了均质之外，机器还可作为其它用途。

把均质阀调成超压保护安全阀，即可作为一台完整的高压柱塞泵，可用于地质钻探，地层深处注水，化肥及化工料液的高压输送等。可用作高压喷雾。机器一头留有一个高压出口，与高压喷头接通后，即可进行高压喷雾，其均质阀可作过载安全阀使用，在奶粉、豆奶粉等行业广泛应用。东华牌高压均质机还可作为均质喷雾多用机。即在一台机器上将物料先通过高压均质，然后进行高压喷雾的过程（一级工作阀调成均质压力、二级工作阀调成喷雾压力），起到一机多用的功能