高压射流均质机的超微粉碎机理研究

在化工与食品领域中 , 均质和粉碎是两个重要
的单元操作。液态物料的微细化处理称为均质, 对
固态物料的微细化处理称之为粉碎。实质上, 这两
种单元操作都是对物料的微细化处理。高压射流均
质机的物料微细化处理操作压力可达百兆帕以上 ,
且处理后的悬浮颗粒直径可在纳米范围, 该装置也
称为超高压均质机或纳米均质机。除了在奶制品、
果汁等的均质或灭菌操作中发挥作用外, 它对悬浊液中悬浮物的超微粉碎作用和在细胞胞内物提取的应用也十分有效[ 1 -2] 。随着纳米技术在化工、食品、生物医药等领域的应用 ,基于湿法粉碎原理, 利用高压射流均质机进行超微粉碎的研究已成为研究热点 ,但其粉碎机理、微细化程度的影响因素等研究并不成熟。本研究针对高压射流均质机的关键部件射流阀内部结构, 结合 Grifith的强度理论和计算流体动力学的数值模拟 , 通过超微粉碎的作用形式和效果研究 ,深入探讨和分析了超高压粉碎机理。

1  粉碎理论
.
方向的另一股射流进行高速碰撞, 则形成标靶撞击粉碎,强化粉碎效果, 完成料液中悬浮颗粒的超微粉碎。射流阀结构和工作原理如图 1所示。

当液流中的悬浮颗粒在阀孔入口附近经历高压迅速降低的过程 , 储存在悬浮颗粒中的应变能会随之释放 ,悬浮颗粒产生回弹和松弛应变 ,使得悬浮颗粒处于三向等拉的状态 , 在三向等拉状态下颗粒呈现脆性状态 , 此时材料的抗拉强度远远低于其抗压强度,应变能的突然释放和惯性作用导致悬浮颗粒的拉应力破坏。
 
除此之外,液流经历高压迅速变为低压时,如图 6 的负压和低压区 ,当液流的局部压力低于液流的蒸汽压,部分液体蒸发而形成汽泡。由于压力的突升和突降会导致液体中的微粒杂质(如固体微粒、微生物、微气泡 )周围,存在气泡瞬时大量生成和破灭 ,这就形成了空化现象。 Hammit[6]通过计算和实测得出游移型空泡溃灭时,近壁处微射流速度可达70~ 180m/s,在物体表面产生的冲击力可高达 140~ 170MPa。当液流中产生、发育、溃灭时 , 则空泡溃灭的冲击压强将作用在附近悬浮颗粒上 , 同时微射流的作用将象锤击一样连续地打击着悬浮颗粒壁面, 这两种作用均可使过流的悬浮微粒壁面的局部地区遭受空蚀破坏。
 
3.2  经过和离开阀孔
 
物料经过阀孔和从阀孔喷出 ,如果前后流道相对于阀孔直径较大情况下 , 阀孔出口后流道内呈现自由射流状态。图 7为柱塞泵转速固定且无撞击靶板条件下液流经直径 0.1mm的阀孔后进入夹板空腔的速度分布数值模拟图。
 
图 7表明,靠近夹板孔壁的地方存在回流现象 , 回流到达阀孔出口时速度降低。图 7的速度矢量表明 ,阀孔出口后腔内出现负压 ,孔内近壁处少量液体

图 8  流道轴线方向各位置速度大小
 
高速液流与靶板的撞击过程在瞬间完成 , 碰撞过程中出现应力波传播、局部区域的弹塑性变形以及局部破坏等现象[ 8] 。应力波与撞击应力的共同作用是造成撞击破坏的原因。液流中悬浮颗粒高速冲向靶板, 具有很大的撞击动能, 撞击瞬间动能转变瞬间冲击力, 当破坏应力 σ超过了固体材料的动态断裂强度 σc,固体材料即发生断裂。此外 ,液流中悬浮颗粒撞击后, 由破坏应力产生裂纹 ,受到应力波的反复作用 , 材料的应变速率加大 , 导致脆性破坏, 强化粉碎效果。
 
4  结论
 
4.1 阀孔入口前后轴线方向较小范围内 , 巨大的压力梯度是悬浮颗粒受力剪切、断裂的直接原因。结合实验和模拟分析 ,结果表明, 液流加速进入阀孔阶段, 压力梯度作用形式和粉碎作用效果比较明显。
 
4.2 阀孔入口前后轴线方向较小范围内 , 高压迅速变为低压为压力释放效应和空化作用的产生提供条件, 二者强化了液流中悬浮颗粒的微细化作用。
4.3 液流经过和离开阀孔与标靶撞击时 , 由于湍流造成碰撞和摩擦以及靶板撞击作用对悬浮颗粒的粉碎作用起到了强化效果。
3  结论        
         
小于 10kGy的辐照条件对普鲁兰可食膜的各个
性能影响较小。抗拉强度升高, 断裂伸长率和水蒸
气透过系数降低 , 透光率和阻氧性保持几乎不变。
在 24周的储藏时间内 ,辐照后的普鲁兰可食膜的各
个性能也都比较稳定。因此可食用膜采用辐照杀菌
具有一定的可行性, 这为普鲁兰膜的工业化生产提
供了一定的理论依据。