張澎澎，李兆鈞，張 慶，徐世艾

(煙臺大學化學化工學院，山東煙臺264005)

不同型式的攪拌槳在黃原膠溶液中混合性能的研究

張澎澎，李兆鈞，張 慶，徐世艾

(煙臺大學化學化工學院，山東煙臺264005)

以非牛頓假塑性黃原膠溶液為實驗物系，采用電導率法測定反應釜內(nèi)不同型式的攪拌槳的混合時間.采用對取樣稀釋后黃原膠稀溶液測定電導率來確定混合時間的方法，實驗表明，該方法具有良好的重復性，可以用于混合時間測定.根據(jù)該方法對不同型式的攪拌槳的混合時間進行測定發(fā)現(xiàn)，在相同單位功耗下，最大葉片式槳的混合時間相對較短，在相同混合時間下，組合葉片式槳的單位功耗最大.從攪拌功率、單位功耗、混合時間方面綜合比較4種槳型，最大葉片式槳混合效果最好.

攪拌槳;反應釜;電導率法;混合時間

黃原膠，亦稱漢生膠，為白色或米色微具甜橙味的粉末，是經(jīng)過發(fā)酵產(chǎn)生的一種微生物胞外酸性雜多糖.黃原膠具有獨特的理化性質(zhì)，集增稠、懸浮、分散、乳化、穩(wěn)定等特性于一身［1-2］.由于其良好的性質(zhì)，在化工、石油、食品等行業(yè)有著廣泛的應用.

化工和發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中，很多物系是高黏假塑性流體，它們具有流動性差、傳質(zhì)、傳熱系數(shù)低、動力消耗高等特點［3］，生產(chǎn)過程中需要在機械攪拌式反應釜中進行攪拌混合，有些還需要進行氣液混合.高黏假塑性流體不僅具有很高的黏度，更重要的是具有剪切稀化的性質(zhì)［4］.這種性質(zhì)使得物系的混合及傳熱、傳質(zhì)十分困難，影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率.因此，如何強化高黏假塑性體系的混合過程成為目前混合工程研究的一個重要內(nèi)容.

機械攪拌式反應釜中物系的混合及傳熱、傳質(zhì)性能的優(yōu)劣主要取決于攪拌系統(tǒng)和物性，其中攪拌槳的型式十分關(guān)鍵［5］.往往通過測定攪拌體系的混合時間、傳質(zhì)傳熱系數(shù)等參數(shù)來評價攪拌槳的優(yōu)劣，其中混合時間是表征攪拌反應釜內(nèi)物料混合狀況的一個重要參數(shù)［6］.本研究采用測定體系電導率的方法來對攪拌槳的混合性能進行評價，在不同攪拌槳型式中選出適合于高黏假塑性物系混合的槳型.

由于物系黏度很高，目前國內(nèi)外基本沒有研究者采用電導率方法測定混合時間.本課題采用這種方法可以形成一種方便快捷的測定混合時間的方法，得到適合于高黏假塑性物系混合的槳型.采用混合時間與傳熱傳質(zhì)系數(shù)等參數(shù)來評價攪拌器性能，可以更全面地考察攪拌器性能.

1 實驗

1.1 實驗裝置和流程

本實驗在直徑為315 mm，高度為660 mm的不銹鋼機械攪拌式反應釜中進行，裝液高度為574 mm.分別采用最大葉片式槳(MI)、組合葉片式槳(CI)和標準渦輪槳(DT1)、改進后的渦輪槳(DT2)及A315組成的多層組合槳(圖1～3)進行實驗研究.各槳的尺寸如表1所示，組合槳的組合型式如表2所示.實驗裝置分為攪拌系統(tǒng)和測量系統(tǒng).攪拌轉(zhuǎn)速和功率通過智能扭矩傳感器調(diào)節(jié)和測量.測量系統(tǒng)采用型號為DDS-307電導率儀顯示.攪拌流程如圖4所示.

圖1 最大葉片式攪拌槳Fig.1 Max blend impeller

圖2 葉片組合式槳Fig.2 Blade combination impeller

圖3 多層組合槳Fig.3 Multi-laminor impeller

表1 攪拌槳幾何尺寸Tab.1 Geometry of impellers

表2 多層槳的組合型式Tab.2 Combination of multi-laminor impeller

圖4 攪拌流程圖Fig.4 Experimental flow chart

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗介質(zhì)實驗介質(zhì)為質(zhì)量分數(shù)0.8%的黃原膠溶液［7］.

1.2.2 槳型選擇本實驗中，選擇代表新型寬黏度域攪拌槳的最大葉片式槳和組合葉片式槳，并選擇軸向流和徑向流攪拌槳組合的組合槳1和組合槳2.

1.2.3 攪拌轉(zhuǎn)速在本實驗中，攪拌轉(zhuǎn)速選擇為100～200 r/min.

1.2.4 測試溫度稀釋后，溶液測量溫度控制在17～22℃.

2 測試方法

2.1 電導率的測量方法

混合時間定義為示蹤劑加入釜內(nèi)開始到所測點示蹤劑濃度達到穩(wěn)定值的時間［7］，本實驗采用電導率法測定混合時間［8］.因為黃原膠溶液為高黏假塑性流體，利用電導電極直接測定電導率時，存在較大滯后作用，重復性差.為消除滯后影響，本文采用取樣測定的方法進行實驗.

以3 mol/L的飽和KCl溶液作為示蹤劑［9］，在攪拌軸液面處加入，加入量為167 mL［10］.分別在靠近反應釜釜壁處的攪拌槳上部和中部取樣25 mL，稀釋20倍，測定其電導率(圖5).

2.2 實驗方法的評價

2.2.1 重復性檢驗分別在1 000 mL燒杯中配制質(zhì)量分數(shù)為0.8%的黃原膠溶液10份，每份體積為500 mL，使用兩葉片小槳攪拌溶液，轉(zhuǎn)速為180 r/ min，在溶液相同位置加入相同量的示蹤劑2 mL，與反應釜內(nèi)加入的示蹤劑的量成比例，測定溶液電導率值.由于燒杯體積較小，可使用電導電極直接測量.通過測定溶液穩(wěn)定后的電導率和混合時間，計算得到相對標準偏差RSD［11］.

圖5 測量流程圖Fig.5 Measuring flow chart

2.2.2 穩(wěn)定性檢驗同樣配制0.8%的黃原膠溶液，加入示蹤劑2 mL，測定溶液穩(wěn)定后的電導率值，每隔5 min測定一次，連續(xù)測定6次，計算得到RSD.

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 實驗方法的分析研究

3.1.1 重復性檢驗實驗結(jié)果重復性實驗結(jié)果如表3所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出，電導率與混合時間的相對標準偏差分別為0.93%和2.43%，表明每組實驗穩(wěn)定后的電導率和混合時間基本是穩(wěn)定的，通過電導率法測定黃原膠溶液的混合時間可行，且具有很好的重現(xiàn)性.

表3 重復性檢驗實驗結(jié)果Tab.3 Repeatability test results

3.1.2 穩(wěn)定性檢驗實驗結(jié)果穩(wěn)定性實驗結(jié)果如表4所示，從表4數(shù)據(jù)可以看出，電導率的相對標準偏差為0.53%，混勻后的黃原膠溶液電導率值基本是確定的.

表4 穩(wěn)定性檢驗實驗結(jié)果Tab.4 Stability test results

3.2 電導率與時間的變化規(guī)律

測定混合時間的方法很多，如溶液電導率法、溶液顏色法、溶液溫度法、光導儀法等［6］.其中電導率法具有靈敏度高，簡單易測和適于大型攪拌槽和微機化等優(yōu)點［12］，因此本文選用電導率法測定溶液的混合時間.電導率的變化反映了反應釜內(nèi)溶液的混合特性，溶液電導率隨時間的變化規(guī)律如圖6所示.

圖6 電導率隨時間的變化曲線Fig.6 The curve of Conductivity changing with time

由圖6可知，在不同轉(zhuǎn)速下，電導率隨時間的變化規(guī)律呈現(xiàn)先增大后降低最后平穩(wěn)的趨勢.對于同一攪拌槳而言，轉(zhuǎn)速越高，達到平穩(wěn)的時間越短.因為攪拌使流體形成大范圍循環(huán)運動，示蹤劑是從液面上方加入的，隨著攪拌的不斷進行，示蹤劑從攪拌釜上方不斷向下方運動，最終在反應釜內(nèi)混合均勻.

3.3 轉(zhuǎn)速與攪拌功率的變化規(guī)律

攪拌功率是評價一個攪拌槳品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，同時對與攪拌相配套的電機選型有著重要指導意義，正確的計算攪拌所需功率對節(jié)約能量和提高攪拌操作的效果都是非常重要的［13］.4種槳型的轉(zhuǎn)速與攪拌功率的變化規(guī)律結(jié)果如圖7所示.

圖7 轉(zhuǎn)速與攪拌功率的變化曲線Fig.7 The curve of rotating speed and stirring power

由圖7可知:在相同轉(zhuǎn)速下，組合葉片式槳的攪拌功率最大，組合槳2的次之，組合槳1居中，最大葉片式槳的最小.對于組合槳來說，槳葉數(shù)目相同，安裝位置不同，組合槳2中軸向槳在中間，組合槳1中軸向槳在下端，攪拌功率組合槳2較組合槳1略大，這符合軸向槳和徑向槳功率消耗特點;對于最大葉片式和組合葉片式槳來說，因為組合葉片式槳開孔率較最大葉片式小，反應釜內(nèi)軸向阻力相對較大，攪拌功率消耗就大［14］.

3.4 混合時間與單位功耗的變化規(guī)律

混合時間是衡量混合效果的基本依據(jù).國際上通常采用95%規(guī)則，即當示蹤劑濃度達到最終穩(wěn)定濃度的95%～105%時，該時刻記為混合時間［6］.根據(jù)工業(yè)設計經(jīng)驗，評價攪拌槳混合性能優(yōu)劣最直接的方法是在相同的單位功耗下對比混合時間的大小關(guān)系.在相同的單位體積功下，混合時間越小，說明混合效果越好;反之，在相同的單位體積功下，混合時間越大，說明混合效果越差.4種槳型的單位功耗與混合時間的變化規(guī)律如圖8所示.

由圖8(a)4條曲線可知，從混合時間方面考慮，最大葉片式槳和組合葉片式槳的混合時間基本相同，比組合槳短，組合槳混合時間比較，組合槳1比組合槳2略大;從單位功耗方面考慮，組合葉片式的單位時間功耗比其他3種組合槳的大，其他3種槳之間相差不大，大小關(guān)系為組合槳1＞組合槳2＞最大葉片式槳.

對比圖8(a)、(b)可知，在相同單位功耗下，取樣點1較取樣點2混合時間短，因為取樣點1位于攪拌釜的上部，取樣點2位于攪拌槳的中部，示蹤劑從溶液上面加入，所以取樣點1先達到混勻，符合反應釜中流體混合的特點.

圖8 單位功耗與混合時間的變化曲線Fig.8 The curve of unit power consumption and mixing time

4 結(jié)論

(1)從重復性檢驗實驗和穩(wěn)定性檢驗實驗結(jié)果可以看出，利用電導率法測定黃原膠溶液的混合時間方法可行.

(2)電導率隨時間的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小、最后平穩(wěn)不變的變化趨勢.

(3)在相同的攪拌轉(zhuǎn)速下，攪拌功率的大小關(guān)系為:葉片組合式＞組合槳2＞組合槳1＞最大葉片式槳.

(4)通過對比4種攪拌槳的混合時間與單位功耗的關(guān)系可知:最大葉片式槳的單位功耗最小，混合時間相對較短，混合效果最好.

［1］婁在祥，王洪新.黃原膠特性及生產(chǎn)［J］.糧食與油脂，2006，(11):44-47.

［2］李增勝，張慶，徐世艾.不同攪拌體系下黃原膠發(fā)酵的研究［J］.食品科學，2009，30(5):130-134

［3］梁千頃.高黏度流體內(nèi)混合設備的實驗研究及其數(shù)值模擬［D］.北京:北京化工大學，2013.

［4］Papagianni M.Xanthan production by Xanthomons campestris in batch cultures［J］.Process Biochemistray，2001，37:73-80.

［5］程蕩，程景才，雍玉梅.多相攪拌槽內(nèi)宏觀混合研究進展［J］.化學工程，2011，39(6):59-64.

［6］張慶華，毛在砂，楊超.攪拌反應器中液相混合時間研究進展［J］.化工進展，2008，27(10):1544-1550.

［7］張希玲，張慶，徐世艾.最大葉片式槳在黃原膠假塑性流體中的傳熱性能研究［J］.煙臺大學學報:自然科學與工程版，2013，26(3):200-206.

［8］Zhang Qinghua，Yong Yumei，Mao Zaisha，et al，Experimental determination and numerical simulation of mixing time in a gas-liquid stirred tank［J］.Chen Eng Sci，2009，64(12): 2926-2933.

［9］劉光明，蘇永慧.電導率測定中溫度校正計算方法的改進［J］.化工環(huán)保，1997，17(5):314-318.

［10］張燕敏，林猛流，王英琛.用電導率法對新型長薄葉螺旋槳湍流混合特性的研究［J］.化工設備設計，1994，15 (4)25-28.

［11］張瑞倫.分子蒸餾法提純留蘭香油主要成分的初步研究［D］.煙臺:煙臺大學，2012.

［12］吉禮，車振明，李明元.電導率法快速甄別泔水油的研究［J］.中國油脂，2009，34(4):75-78.

［13］劉飛鳴，施建強，林興華.三層組合式氣液攪拌槳的功率特性［J］.石油化工設備，2003，32(4):5-7.

［14］李文錦.多層攪拌槳在高黏假塑性流體中傳熱、傳質(zhì)性能的研究［D］.煙臺:煙臺大學，2014.

［15］拜亮.層流攪拌槽混合時間的數(shù)值模擬與實驗研究［D］.秦皇島:燕山大學，2011。

Mix Performance of Different Types of Impeller in Xanthan Gum System

ZHANG Peng-peng，LI Zhao-jun，ZHANG Qing，XU Shi-ai
(School of Chemistry and Chemical Engineering，Yantai University，Yantai 264005，China)

This work presents the mixing performance of impeller with different types in non-Newtonian pseudoplastic xanthan gum system.It is found that the mixing time of maxblend impeller is the shortest under the condition of same unit power consumption，and the unit power consumption of combined impeller is the largest at same mixing time.In terms of stirring power，unit power consumption and mixing time of four impellers，for comparison，maxblend impeller has the best mixing effect.

stirring paddle;xanthan gum;conductivity method;mixing time

TO7

A

(責任編輯 周雪瑩)

1004-8820(2015)02-0108-05

10.13951/j.cnki.37-1213/n.2015.02.006

2014-08-29

張澎澎(1986-)，女，山東濰坊人，碩士研究生.

徐世艾(czs@ytu.edu.cn)，教授，博士，研究方向:高黏流體的混合研究.