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瓜尔胶混配技术的研究和应用

发布日期:2015-03-17 22:57:05
瓜尔胶混配技术的研究和应用和溶解
瓜尔胶混配技术的研究和应用瓜尔胶一种天然植物胶,可作为增稠剂、稳 定剂、悬浮剂、增容剂,广泛应用食品、制药、造纸、 纺织、建筑和钻井工业中。瓜尔胶在具有良好水溶性的同时,也具有独特的水溶机理,如果掌握不好或 者没有充分认识到其中的规律,就很容易出现溶解速度慢,严重时发生“水包粉”现象,俗称“鱼眼”,阻 碍瓜尔胶粉体进一步溶解,而且“鱼眼”一旦形成,就 很难再被打破,不仅造成原料浪费和配液质量降低, 而且还严重影响到胶液的正常配液操作。
有些用户单位采用增加筛网过滤,定期人工清 洗等方式来处理,虽能维持作业的进行,但同时仍造 成不必要的物料损失和管道堵塞,更为重要的是,配 液质量无法有效地控制和保证。瓜尔胶混配技术的研究和应用,还有些用户采取将 瓜尔胶和另一种分散性较好的配料先进行预混和, 再用人工方式缓慢加人到装有定量水的揽拌罐中, 这一配制工艺并没有从根本上解决“鱼眼”问题,反 而还会严重影响到瓜尔胶的黏度释放,同时增加了瓜尔胶在溶解过程中,如果黏度没有及时释放 出来,大分子没有充分舒展开,导致在使用过程中, 胶液的黏度值波动较大,造成产品质量出现波动。
为提供一个较为全面和完善的解决上述问题的 方案,以改进现行配制工艺,彻底消除“鱼眼”,提高 配液质量,并且使瓜尔胶的大分子在极短的时间内 完全舒展开,黏度得到充分释放,稳定胶液黏度,缩 短配液流程,降低#动强度,寻求适用的混配技术和 设备成为广大用户的客观需求。
1影响瓜尔肢溶解因素
瓜尔胶就分子结构来说是一种非离子多糖,以 聚甘露糖为分子主链,D-吡喃半乳糖为支链,其中 甘露糖与半乳糖单元之比为2:1,分子量200000~ 300000。瓜尔胶在水溶液中表现出典型的缠绕的生 物聚合物的性质,能产生极高的黏度。
瓜尔胶的溶解特点:瓜尔胶水溶液中分子结构 的复杂性使得溶液性质比小分子溶液的性质复杂得 多。由于高分子与水分子体积尺寸相差悬殊,两者 分子运动速率存在着数量级的差别,因此水渗人瓜 尔胶小颗粒的速度要高于瓜尔胶分子向水中扩散的 速度。这样,瓜尔胶高分子团粒的溶解需要经过两 个阶段:首先是水进人团粒,使其体积膨胀,然后瓜 尔胶分子逐渐扩散,均勻地分散在水中,达到完全溶 解。瓜尔胶分子中含有的羟基、烷氧基和糖苷键中 的氧原子外层轨道中未共用的孤电子对可以与水分 子中带部分正电荷的氢结合形成氢键。当这种分子 之间的作用力超过瓜尔胶分子链节的内聚力时,就 会使大分子链舒展,与水结合形成长分子链,溶解分 散在水中。由于分子的舒展,多种基团充分裸露,各 辍性基_芦极性水分子以氢键或偶极作用力相互制 约形成内层水膜,内层水再与外层水作用发生缔合, 体积极大的溶胶分子做为骨架,大量的水被束缚,介 质的自由移动受到阻碍而产生层流间的阻力,在表 观上表现出黏稠性,使溶液出现量化值上的黏度。
瓜尔胶的黏度释放特点:瓜尔胶是中性多糖的, 能分散在热水或冷水中形成黏稠液,具体黏度取决 于粒度、制备条件及温度。加热则迅速达到最高黏 度,水化速率随温度的上升而加快,但长时间高温处 理将导致瓜尔胶本身降解,使黏度下降。瓜尔胶溶 液pH值在8~9时可达最快水化速度,然而大于10 或小于4则水化速度很慢。因此,在应用时应等瓜 尔胶充分水化后再调节溶液的pH值。同样,溶液 中有蔗糖等其它强需水剂存在时,也会导致瓜尔胶 的水化速率下降。实际应用中,应等瓜尔胶充分水• 化后再添加其它助剂。瓜尔胶的水溶液pH值变化 在3.5~10范围内对胶溶液的性状影响不很明显, —般在pH值3.5~6.0范围内随pH降低黏度也有 所降低,pH值3.5以下黏度又增大,在pH值为6 ~ 8范围内其溶液黏度可达到最大值,pH值在10以 上则黏度迅速降低。
2瓜尔胶混配工艺和设备
2.1瓜尔胶混配工艺的研究
瓜尔胶混配的核心要求:(1)瓜尔胶迅速溶解不 产生水包粉,即“鱼眼”现象;(2)黏度快速释放,波动 小;为此,进行了大量影晌植物胶溶解速度因素的分 析及工艺试验,得出了普遍性的结论:
(1)瓜尔胶的溶解速度与水接触的时间有关,延 长时间有利于提高最终的黏度;
(2)瓜尔胶的溶解速度与搅拌强度有关,提高搅 拌强度能加快溶解達度和提髙最终的黏度;
(3)瓜尔胶的水溶速度与配制水的pH值、温度
等因素都有关;
(4)瓜尔胶的溶解速度还与产品理化指标有关, 不同产品粒度分布和形貌特征都将影响到瓜尔胶产 品的水溶性。
通过对瓜尔胶水溶特性的研究以及对大量操作 实例的观察分析,瓜尔胶的添加方式基本决定了是 否会产生水包粉现象,由此,提出了采用负压吸人的 方式添加瓜尔胶,这样可以使瓜尔胶均匀分散,杜绝 了产生团块的可能,且有利于黏度的进一步释放。 配制过程中,胶粉的加人速度通过精密给料装置控 制,使给粉速度与配液总量相匹配,同时也可根据水 流量的波动调整给粉速度。
完成胶粉的添加后,下一步要实现的是胶液黏 度的快速释放。瓜尔胶的溶解速度及黏度释放程度 与静止时同、揽拌条件相关,延长静止时间和提高搅 拌强度能加快胶粉的溶解速度和提高最终的黏度 值。由此,设置快速释放装置,其中包括静态增黏和 动态增黏,静态增黏延长瓜尔胶与水接触的时间,使 其充分溶涨,动态增黏通过其高速旋转的转子产生 高线速度,高频机械效应带来强劲动能,使物料在定 子、转子狭窄的间隙中受到强烈的机械及液力剪切、 离心挤压、液层摩擦、撞击和湍流等综合作用,最终 得到稳定的高品质产品。
其它添加剂如食品行业中食盐、精料,石油行业 中的纯碱、小苏打等的加人会造成胶液黏度_下降, 而且影响胶液黏度的释放速度,因此,需在胶液黏度 释放到一定程度后再加入其它辅料,避免其对胶液 质量的产生较大影响。
图1为瓜尔胶混配工艺流程。本工艺流程的特 点:(1)解决瓜尔胶粉的添加,瓜尔胶混配技术的研究和应用,实现粉料在水中的均 匀分散,无豆胶团聚结块现象;(2)胶液黏度快速释 放,充分利用瓜尔胶的性能,物料节省,配液质量稳 定;(3)可灵活添加多种添加剂。
2.2瓜尔胶混配设备的研制
瓜尔胶混配工艺的关键是瓜尔胶粉的均勾分散 和黏度的快速释放。根据对瓜尔胶混配工艺的研 究,在大量试验的基础之上,研制出植物胶高效混配 和快速释放成套装置,其中主体设备包括实现均匀 分散的高效混合器以及实现气液分离、静态分散和 强力搅拌的黏度快速释放配套装置。
高效混合器采用负压吸入的原理配合精密给料 装置,使瓜尔胶粉定量均勻地分散到水中,杜绝水包 粉现象的产生。在设计过程中,考虑到水压和泵工 作时的波动,水量总是不稳定的,而胶粉的吸人量需
与水量匹配,胶粉的吸人量受负压大小的影响,因 据水量和负压的波动进行调节,使胶粉的吸人量与 此,将高效混合器的内部结构设计成可调式,可以根 水量匹配,保证配比准确和胶粉的均勾分散。
 
图2为高效混合器结构示意图。高效混合器由 吸粉管、进水管、喷嘴、吸人室、混合室、调节滑丝等 组成,当水由泵从进水管打入时,经喷嘴外表面与吸 人室内表面所形成的环缝,产生负压,将胶粉由吸粉 管吸人。喷嘴外表面与吸人室内表面的间距f和喷 嘴外表面的锥角a决定了产生负压的大小和吸粉 量的多少,通过调节滑丝可改变〖的大小,从而调节 负压,同时,配有多种锥角的喷嘴,可根据吸粉量的 要求进行选择。
图2高效混合器结构示意图
Fig.2 Schematic drawing of mixing device
黏度快速释放配套装置的功能是实现胶液黏度 的快速和完全的释放,并保证胶液的黏度质量稳定, 这通常需以下三个步骤来实现:气液分离、静态分散 和强力揽拌,对应地研制了三台主体设备:气液分离 装置、静态增黏装置和动态增黏装置。
胶粉经高效混合器与水混合后,有大量的气体 被同时带人,因此后续工艺首先必须将气体排出,为 此设计了气液分离装置,图3所示为气液分离装置 示意图。根据流体力学的原理,流体在形成旋转运 动时,产生的离心力与其重度、流速等成正比,由此 设计一个容器,强制流体从切线方向进入容器,形成 强制的旋转运动,依据离心分离原理实现相间的分 离,从而达到气、液分离的目的。
瓜尔胶的黏度释放需要一个溶胀过程,使瓜尔 胶大分子充分舒展,因此设计了静态增黏装置,目的 是使瓜尔胶颗粒充分溶胀,并通过特殊的结构使胶 液浓度分布更趋于均勻。图4为静态增黏装置的示 意图。静态增黏装置是无外加动力的装置,完全靠 流体本身的能量实现其功能。考虑到增加胶液冲撞 管壁的机率能够显著增加胶液黏度这一特性,将管 线呈S形曲折盘旋放置,既加长了管线长度,延长流 体在管线内停留的时间,又可不断改变流体流向,使 流体在弯头处与管壁发生碰撞,占地面积小,瓜尔胶混配技术的研究和应用,便于空 间布置。此外,在管道内放置特别的结构规则的构 件,使得胶液被不断地分割和转向,使得胶液浓度分 布更趋于均匀。经过静态增黏装置,胶液黏度的释放 可达到最大黏度的30% —40%,并且各点黏度均匀。
瓜尔胶的黏度释放速度和程度与搅拌条件相 关,瓜尔胶与水之间具有很强的亲和力,当水与瓜尔 胶迅速结合后就会形成浓浓的胶液,使得水和胶粉 之间形成了一层非常薄的肉眼着不到的保栌膜,要 想使溶液的黏度迅速释放出来,唯一的办法是将这、 一保护膜打破,使水能够与胶粉迅速大面积的结合。 为使胶液黏度充分且迅速的释放,提髙配液效率,设 计了动态增黏装置,如图5所示,其高速旋转的转子 产生高切线速度,高频机械效应带来强劲动能,使物 料在定子、转子狭窄的间隙中受到强烈的机械及液 力剪切、离心挤压、液层摩擦、撞击和湍流等综合作 用,黏度迅速释放,最终得到稳定的高质量的瓜尔胶 基液。
此外,无论是石油工业还是食品工业,在瓜尔胶 配制过程中都需要添加各种其它添加剂。通过试验 得知,pH值对胶液的黏度释放有影响,而且添加剂 的加入时间会影响胶液黏度的释放速度和程度,因
此,需要在动态增黏之后,再加入其它的添加剂,这 样才能获得较好的综合质量。根据添加剂不同的物 理状态,分别采用泵送(液态)或特制输送装置(固 态)进行添加。
3成果及应用
植物胶高效混配和黏度快速释放工艺和设备是 在通过对基础理论研究,掌握了瓜尔胶的理化性质 和溶涨特征基础上,运用丰富的机械设计经验,实现 了组成、结构、功能、性能等方面的创新。根据用户 使用特点设计成不同配液能力和不同设备配置的系 列产品,满足不同的配液要求,瓜尔胶混配技术的研究和应用,目前已成功应用于大 庆、辽河、中原、延安等油田以及其他瓜尔胶用户,极 大地提髙了配液质量,杜绝“鱼眼”的产生,减少原材 料的浪费,黏度释放迅速稳定,提高了瓜尔胶的使用 效果,受到广大用户的欢迎。该套装置主体设备中 有三项获得实用新型专利。由于各种胶粉有着类似 的水溶特征,上述工艺和设备也适用于其它种类胶 粉的混配,可在各领域广大胶粉用户中推广。
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