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              瓜爾豆膠產品中心 / Product Center

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              瓜爾膠混配技術的研究和應用

              發布日期:2015-04-15 10:33:09
              黏度釋放
                瓜爾膠是一種純天然植物膠,可作為増稠劑、穩 定劑、懸浮劑、増容劑,廣泛應用在食品、制藥、造紙、 紡織、建筑和鉆井工業中。瓜爾膠在具有良好水溶 性的同時,也具有獨特的水溶機理,如果掌握不好或 者沒有充分認識到其中的規律,就很容易出現溶解速度慢,嚴重時發生“水包粉”現象,俗稱“魚眼”,阻 礙瓜爾膠粉體進一步溶解,而且‘魚眼”一旦形成,就 很難再被打破,不僅造成原料浪費和配液質量降低, 而且還嚴重影響到膠液的正常配液操作。
                
                有些用戶單位采用増加篩網過濾,定期人工清 洗等方式來處理,雖能維持作業的進行,但同時仍造 成不必要的物料損失和管道堵塞,更為重要的是,配 液質量無法有效地控制和保證。還有些用戶采取將 瓜爾膠和另一種分散性較好的配料先進行預混和, 再用人工方式緩慢加入到裝有定量水的攪拌罐中, 這一配制工藝并沒有從根本上解決“魚眼”問題,反 而還會嚴重影響到瓜爾膠的黏度釋放,同時増加了操作工人的勞動強度。
                
                瓜爾膠在溶解過程中,如果黏度沒有及時釋放 出來,大分子沒有充分舒展開,導致在使用過程中, 膠液的黏度值波動較大,造成產品質量出現波動。
                
                為提供一個較為全面和完善的解決上述問題的 方案,以改進現行配制工藝,徹底消除“魚眼”,提高 配液質量,并且使瓜爾膠的大分子在極短的時間內 完全舒展開,黏度得到充分釋放,穩定膠液黏度,縮 短配液流程,降低勞動強度,尋求適用的混配技術和 設備成為廣大用戶的客觀需求。
                
                1 影響瓜爾膠溶解因素瓜爾膠就分子結構來說是一種非離子多糖,以 聚甘露糖為分子主鏈,D-吡喃半乳糖為支鏈,其中 甘露糖與半乳糖單元之比為2: 1,分子量200000~ 300000。瓜爾膠在水溶液中表現出典型的纏繞的生 物聚合物的性質,能產生極高的黏度。
                
                瓜爾膠的溶解特點:瓜爾膠水溶液中分子結構 的復雜性使得溶液性質比小分子溶液的性質復雜得差懸殊,分子運動速率存在著數量級的差別,因此水滲入瓜 爾膠小顆粒的速度要高于瓜爾膠分子向水中擴散的 速度。這樣,瓜爾膠高分子團粒的溶解需要經過兩 個階段:首先是水進入團粒,使其體積膨脹,然后瓜 爾膠分子逐漸擴散,均勻地分散在水中,達到完全溶 解。瓜爾膠分子中含有的羥基、烷氧基和糖苷鍵中 的氧原子外層軌道中未共用的孤電子對可以與水分 子中帶部分正電荷的氫結合形成氫鍵。當這種分子 之間的作用力超過瓜爾膠分子鏈節的內聚力時,就 會使大分子鏈舒展,與水結合形成長分子鏈,溶解分 散在水中。由于分子的舒展,多種基團充分裸露,各 極性基團與極性水分子以氫鍵或偶極作用力相互制 約形成內層水膜,內層水再與外層水作用發生締合, 體積極大的溶膠分子做為骨架,大量的水被束縛,介 質的自由移動受到阻礙而產生層流間的阻力,在表 觀上表現出黏稠性,使溶液出現量化值上的黏度。
                
                瓜爾膠的黏度釋放特點:瓜爾膠是中性多糖的, 能分散在熱水或冷水中形成黏稠液,具體黏度取決 于粒度、制備條件及溫度。加熱則迅速達到最高黏 度,水化速率隨溫度的上升而加快,但長時間高溫處 理將導致瓜爾膠本身降解,使黏度下降。瓜爾膠溶 液pH值在8~ 9時可達最快水化速度,然而大于10 或小于4則水化速度很慢。因此,在應用時應等瓜 爾膠充分水化后再調節溶液的pH值。同樣,溶液 中有蔗糖等其它強需水劑存在時,也會導致瓜爾膠 的水化速率下降。實際應用中,應等瓜爾膠充分水 化后再添加其它助劑。瓜爾膠的水溶液pH值變化 在3. 5~ 10范圍內對膠溶液的性狀影響不很明顯, 一般在pH值3. 5~ 6.0范圍內隨pH降低黏度也有 所降低,pH值3. 5以下黏度又増大,在pH值為6~8范圍內其溶液黏度可達到最大值,pH值在10以 上則黏度迅速降低。
                
                2瓜爾膠混配工藝和設備21瓜爾膠混配工藝的研究瓜爾膠混配的核心要求:(1)瓜爾膠迅速溶解不 產生水包粉,即“魚眼”現象;(2)黏度快速釋放,波動 小;為此,進行了大量影響植物膠溶解速度因素的分 析及工藝試驗,得出了普遍性的結論:(1)瓜爾膠的溶解速度與水接觸的時間有關,延 長時間有利于提高最終的黏度;(2)瓜爾膠的溶解速度與攪拌強度有關,提高攪 拌強度能加快溶解速度和提高最終的黏度;等因素都有關;(4)瓜爾膠的溶解速度還與產品理化指標有關, 不同產品粒度分布和形貌特征都將影響到瓜爾膠產 品的水溶性。
                
                通過對瓜爾膠水溶特性的研究以及對大量操作 實例的觀察分析,瓜爾膠的添加方式基本決定了是 否會產生水包粉現象,由此,提出了采用負壓吸入的 方式添加瓜爾膠,這樣可以使瓜爾膠均勻分散,杜絕 了產生團塊的可能,且有利于黏度的進一步釋放。 配制過程中,膠粉的加入速度通過精密給料裝置控 制,使給粉速度與配液總量相匹配,同時也可根據水 流量的波動調整給粉速度。
                
                完成膠粉的添加后,下一步要實現的是膠液黏 度的快速釋放。瓜爾膠的溶解速度及黏度釋放程度 與靜止時間、攪拌條件相關,延長靜止時間和提高攪 拌強度能加快膠粉的溶解速度和提高最終的黏度 值。由此,設置快速釋放裝置,其中包括靜態増黏和 動態増黏,靜態増黏延長瓜爾膠與水接觸的時間,使 其充分溶漲,動態増黏通過其高速旋轉的轉子產生 高線速度,高頻機械效應帶來強勁動能,使物料在定 子、轉子狹窄的間隙中受到強烈的機械及液力剪切、 離心擠壓、液層摩擦、撞擊和湍流等綜合作用,最終 得到穩定的高品質產品。
                
                其它添加劑如食品行業中食鹽、精料,石油行業 中的純堿、小蘇打等的加入會造成膠液黏度的下降, 而且影響膠液黏度的釋放速度,因此,需在膠液黏度 釋放到一定程度后再加入其它輔料,避免其對膠液 質量的產生較大影響。
                
                圖1為瓜爾膠混配工藝流程。本工藝流程的特 點:(1)解決瓜爾膠粉的添加,實現粉料在水中的均 勻分散,無豆膠團聚結塊現象;(2)膠液黏度快速釋 放,充分利用瓜爾膠的性能,物料節省,配液質量穩 定;(3)可靈活添加多種添加劑。
                
                2. 2瓜爾膠混配設備的研制瓜爾膠混配工藝的關鍵是瓜爾膠粉的均勻分散 和黏度的快速釋放。根據對瓜爾膠混配工藝的研 究,在大量試驗的基礎之上,研制出植物膠高效混配 和快速釋放成套裝置,其中主體設備包括實現均勻 分散的高效混合器以及實現氣液分離、靜態分散和 強力攪拌的黏度快速釋放配套裝置。
                
                高效混合器采用負壓吸入的原理配合精密給料 裝置,使瓜爾膠粉定量均勻地分散到水中,杜絕水包 粉現象的產生。在設計過程中,考慮到水壓和泵工(3)瓜爾膠的水溶速度與配制水的PH值、溫度作時的波動,水量總是不穩定的,而膠粉的吸入量需與水量匹配,膠粉的吸入量受負壓大小的影響,因據水量和負壓的波動進行調節,使膠粉的吸入量與Fig. 1圖1瓜爾膠混配工藝流程M ixing technoloical flow of guar gum此,將高效混合器的內部結構設計成可調式,可以根水量匹配,保證配比準確和膠粉的均勻分散。
                
                意圖。靜態增黏裝置是無外加動力的裝置,完全靠 流體本身的能量實現其功能??紤]到增加膠液沖撞圖2為高效混合器結構示意圖。高效混合器由 吸粉管、進水管、噴嘴、吸入室、混合室、調節滑絲等組成,當水由泵從進水管打入時,經噴嘴外表面與吸 入室內表面所形成的環縫,產生負壓,將膠粉由吸粉 管吸入。噴嘴外表面與吸入室內表面的間距t和噴 嘴外表面的錐角a決定了產生負壓的大小和吸粉 量的多少,通過調節滑絲可改變t的大小,從而調節 負壓,同時,配有多種錐角的噴嘴,可根據吸粉量的 管壁的機率能夠顯著增加膠液黏度這一特性,將管 線呈S形曲折盤旋放置,既加長了管線長度,延長流 體在管線內停留的時間,又可不斷改變流體流向,使 流體在彎頭處與管壁發生碰撞,占地面積小,便于空 間布置。此外,在管道內放置特別的結構規則的構 件,使得膠液被不斷地分割和轉向,使得膠液濃度分要求進行選擇。
                
                布更趨于均勻。經過靜態增黏裝置,膠液黏度的釋放可達到最大黏度的30%~ 40% ,并且各點黏度均勻。
                
                圖2高效混合器結構示意圖Fig. 2Schematic drawing of mixing device黏度快速釋放配套裝置的功能是實現膠液黏度 的快速和完全的釋放,并保證膠液的黏度質量穩定, 這通常需以下三個步驟來實現:氣液分離、靜態分散圖3氣液分離裝置示意圖Fig. 3Schematic drawing of gas- liquid separating device和強力攪拌,對應地研制了三臺主體設備:氣液分離 裝置、靜態增黏裝置和動態增黏裝置。
                
                膠粉經高效混合器與水混合后,有大量的氣體 被同時帶入,因此后續工藝首先必須將氣體排出,為 此設計了氣液分離裝置,圖3所示為氣液分離裝置 示意圖。根據流體力學的原理,流體在形成旋轉運 動時,產生的離心力與其重度、流速等成正比,由此 設計一個容器,強制流體從切線方向進入容器,形成 強制的旋轉運動,依據離心分離原理實現相間的分 離,從而達到氣、液分離的目的。
                
                瓜爾膠的黏度釋放速度和程度與攪拌條件相 關,瓜爾膠與水之間具有很強的親和力,當水與瓜爾 膠迅速結合后就會形成濃濃的膠液,使得水和膠粉 之間形成了一層非常薄的肉眼看不到的保護膜,要 想使溶液的黏度迅速釋放出來,唯一的辦法是將這 一保護膜打破,使水能夠與膠粉迅速大面積的結合。 為使膠液黏度充分且迅速的釋放,提高配液效率,設 計了動態增黏裝置,如圖5所示,其高速旋轉的轉子 產生高切線速度,高頻機械效應帶來強勁動能,使物 料在定子、轉子狹窄的間隙中受到強烈的機械及液 力剪切、離心擠壓、液層摩擦、撞擊和湍流等綜合作 用,黏度迅速釋放,最終得到穩定的高質量的瓜爾膠 基液。
                
                圖5動態增黏裝置示意圖 Fig. 5 Schematic drawing of dynamic mixing device此外,無論是石油工業還是食品工業,在瓜爾膠 配制過程中都需要添加各種其它添加劑。通過試驗 得知,pH值對膠液的黏度釋放有影響,而且添加劑 的加入時間會影響膠液黏度的釋放速度和程度,因 此,需要在動態增黏之后,再加入其它的添加劑,這 樣才能獲得較好的綜合質量。根據添加劑不同的物 理狀態,分別采用泵送(液態)或特制輸送裝置(固 態)進行添加。
                
                3成果及應用植物膠高效混配和黏度快速釋放工藝和設備是 在通過對基礎理論研宄,掌握了瓜爾膠的理化性質 和溶漲特征基礎上,運用豐富的機械設計經驗,實現 了組成、結構、功能、性能等方面的創新。根據用戶 使用特點設計成不同配液能力和不同設備配置的系 列產品,滿足不同的配液要求,目前己成功應用于大 慶、遼河、中原、延安等油田以及其他瓜爾膠用戶,極 大地提高了配液質量,杜絕“魚眼”的產生,減少原材 料的浪費,黏度釋放迅速穩定,提高了瓜爾膠的使用 效果,受到廣大用戶的歡迎。該套裝置主體設備中 有三項獲得實用新型專利。由于各種膠粉有著類似 的水溶特征,上述工藝和設備也適用于其它種類膠 粉的混配,可在各領域廣大膠粉用戶中推廣。
               
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