瓜爾膠混配技術(shù)的研究和應(yīng)用，瓜爾膠是一種純天然植物膠,可作為增稠劑、穩(wěn) 定劑、懸浮劑、增容劑，廣泛應(yīng)用在食品、制藥、造紙、 紡織、建筑和鉆井工業(yè)中。瓜爾膠在具有良好水溶性的同時，也具有獨特的水溶機(jī)理，如果掌握不好或 者沒有充分認(rèn)識到其中的規(guī)律，就很容易出現(xiàn)溶解速度慢，嚴(yán)重時發(fā)生“水包粉”現(xiàn)象,俗稱“魚眼”，阻 礙瓜爾膠粉體進(jìn)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(zhì)量降低， 而且還嚴(yán)重影響到膠液的正常配液操作。

有些用戶單位采用增加篩網(wǎng)過濾，定期人工清 洗等方式來處理,雖能維持作業(yè)的進(jìn)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(zhì)量無法有效地控制和保證。瓜爾膠混配技術(shù)的研究和應(yīng)用，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(jìn)行預(yù)混和， 再用人工方式緩慢加人到裝有定量水的攬拌罐中， 這一配制工藝并沒有從根本上解決“魚眼”問題，反 而還會嚴(yán)重影響到瓜爾膠的黏度釋放，同時增加了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(dǎo)致在使用過程中， 膠液的黏度值波動較大，造成產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)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(jìn)現(xiàn)行配制工藝，徹底消除“魚眼”,提高 配液質(zhì)量，并且使瓜爾膠的大分子在極短的時間內(nèi) 完全舒展開，黏度得到充分釋放，穩(wěn)定膠液黏度，縮 短配液流程，降低#動強(qiáng)度，尋求適用的混配技術(shù)和 設(shè)備成為廣大用戶的客觀需求。

1影響瓜爾肢溶解因素

瓜爾膠就分子結(jié)構(gòu)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(xiàn)出典型的纏繞的生 物聚合物的性質(zhì),能產(chǎn)生極高的黏度。

瓜爾膠的溶解特點:瓜爾膠水溶液中分子結(jié)構(gòu) 的復(fù)雜性使得溶液性質(zhì)比小分子溶液的性質(zhì)復(fù)雜得 多。由于高分子與水分子體積尺寸相差懸殊，兩者 分子運動速率存在著數(shù)量級的差別，因此水滲人瓜 爾膠小顆粒的速度要高于瓜爾膠分子向水中擴(kuò)散的 速度。這樣，瓜爾膠高分子團(tuán)粒的溶解需要經(jīng)過兩 個階段:首先是水進(jìn)人團(tuán)粒，使其體積膨脹，然后瓜 爾膠分子逐漸擴(kuò)散，均勻地分散在水中，達(dá)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(jié)合形成氫鍵。當(dāng)這種分子 之間的作用力超過瓜爾膠分子鏈節(jié)的內(nèi)聚力時，就 會使大分子鏈?zhǔn)嬲梗c水結(jié)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(tuán)充分裸露，各 輟性基_蘆極性水分子以氫鍵或偶極作用力相互制 約形成內(nèi)層水膜，內(nèi)層水再與外層水作用發(fā)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(zhì)的自由移動受到阻礙而產(chǎn)生層流間的阻力，在表 觀上表現(xiàn)出黏稠性，使溶液出現(xiàn)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(dá)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(dǎo)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(dá)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(yīng)用時應(yīng)等瓜 爾膠充分水化后再調(diào)節(jié)溶液的pH值。同樣，溶液 中有蔗糖等其它強(qiáng)需水劑存在時，也會導(dǎo)致瓜爾膠 的水化速率下降。實際應(yīng)用中，應(yīng)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(nèi)對膠溶液的性狀影響不很明顯， —般在pH值3.5~6.0范圍內(nèi)隨pH降低黏度也有 所降低，pH值3.5以下黏度又增大，在pH值為6 ~ 8范圍內(nèi)其溶液黏度可達(dá)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(shè)備

2.1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(chǎn)生水包粉，即“魚眼”現(xiàn)象;(2)黏度快速釋放，波動 小;為此，進(jìn)行了大量影晌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(jié)論：

(1)瓜爾膠的溶解速度與水接觸的時間有關(guān)，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(qiáng)度有關(guān)，提高攪 拌強(qiáng)度能加快溶解達(dá)度和提髙最終的黏度；

(3)瓜爾膠的水溶速度與配制水的pH值、溫度

等因素都有關(guān)；

(4)瓜爾膠的溶解速度還與產(chǎn)品理化指標(biāo)有關(guān)， 不同產(chǎn)品粒度分布和形貌特征都將影響到瓜爾膠產(chǎn) 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(chǎn)生水包粉現(xiàn)象，由此，提出了采用負(fù)壓吸人的 方式添加瓜爾膠，這樣可以使瓜爾膠均勻分散，杜絕 了產(chǎn)生團(tuán)塊的可能，且有利于黏度的進(jìn)一步釋放。 配制過程中，膠粉的加人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(jù)水 流量的波動調(diào)整給粉速度。

完成膠粉的添加后，下一步要實現(xiàn)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 與靜止時同、攬拌條件相關(guān)，延長靜止時間和提高攪 拌強(qiáng)度能加快膠粉的溶解速度和提高最終的黏度 值。由此，設(shè)置快速釋放裝置，其中包括靜態(tài)增黏和 動態(tài)增黏，靜態(tài)增黏延長瓜爾膠與水接觸的時間，使 其充分溶漲，動態(tài)增黏通過其高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生 高線速度，高頻機(jī)械效應(yīng)帶來強(qiáng)勁動能，使物料在定 子、轉(zhuǎn)子狹窄的間隙中受到強(qiáng)烈的機(jī)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(wěn)定的高品質(zhì)產(chǎn)品。

其它添加劑如食品行業(yè)中食鹽、精料，石油行業(yè) 中的純堿、小蘇打等的加人會造成膠液黏度_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(zhì)量的產(chǎn)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，瓜爾膠混配技術(shù)的研究和應(yīng)用，實現(xiàn)粉料在水中的均 勻分散，無豆膠團(tuán)聚結(jié)塊現(xiàn)象；（2)膠液黏度快速釋 放，充分利用瓜爾膠的性能，物料節(jié)省，配液質(zhì)量穩(wěn) 定;（3)可靈活添加多種添加劑。

2.2瓜爾膠混配設(shè)備的研制

瓜爾膠混配工藝的關(guān)鍵是瓜爾膠粉的均勾分散 和黏度的快速釋放。根據(jù)對瓜爾膠混配工藝的研 究，在大量試驗的基礎(chǔ)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(shè)備包括實現(xiàn)均勻 分散的高效混合器以及實現(xiàn)氣液分離、靜態(tài)分散和 強(qiáng)力攪拌的黏度快速釋放配套裝置。

高效混合器采用負(fù)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(xiàn)象的產(chǎn)生。在設(shè)計過程中，考慮到水壓和泵工 作時的波動，水量總是不穩(wěn)定的，而膠粉的吸人量需

與水量匹配，膠粉的吸人量受負(fù)壓大小的影響，因 據(jù)水量和負(fù)壓的波動進(jìn)行調(diào)節(jié)，使膠粉的吸人量與 此，將高效混合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可調(diào)式，可以根 水量匹配,保證配比準(zhǔn)確和膠粉的均勾分散。

 

圖2為高效混合器結(jié)構(gòu)示意圖。高效混合器由 吸粉管、進(jìn)水管、噴嘴、吸人室、混合室、調(diào)節(jié)滑絲等 組成，當(dāng)水由泵從進(jìn)水管打入時，經(jīng)噴嘴外表面與吸 人室內(nèi)表面所形成的環(huán)縫，產(chǎn)生負(fù)壓，將膠粉由吸粉 管吸人。噴嘴外表面與吸人室內(nèi)表面的間距f和噴 嘴外表面的錐角a決定了產(chǎn)生負(fù)壓的大小和吸粉 量的多少,通過調(diào)節(jié)滑絲可改變〖的大小，從而調(diào)節(jié) 負(fù)壓，同時，配有多種錐角的噴嘴，可根據(jù)吸粉量的 要求進(jìn)行選擇。

圖2高效混合器結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Schematic drawing of mixing device

黏度快速釋放配套裝置的功能是實現(xiàn)膠液黏度 的快速和完全的釋放，并保證膠液的黏度質(zhì)量穩(wěn)定， 這通常需以下三個步驟來實現(xiàn):氣液分離、靜態(tài)分散 和強(qiáng)力攬拌，對應(yīng)地研制了三臺主體設(shè)備:氣液分離 裝置、靜態(tài)增黏裝置和動態(tài)增黏裝置。

膠粉經(jīng)高效混合器與水混合后,有大量的氣體 被同時帶人,因此后續(xù)工藝首先必須將氣體排出，為 此設(shè)計了氣液分離裝置，圖3所示為氣液分離裝置 示意圖。根據(jù)流體力學(xué)的原理，流體在形成旋轉(zhuǎn)運 動時，產(chǎn)生的離心力與其重度、流速等成正比，由此 設(shè)計一個容器，強(qiáng)制流體從切線方向進(jìn)入容器，形成 強(qiáng)制的旋轉(zhuǎn)運動，依據(jù)離心分離原理實現(xiàn)相間的分 離，從而達(dá)到氣、液分離的目的。

瓜爾膠的黏度釋放需要一個溶脹過程，使瓜爾 膠大分子充分舒展，因此設(shè)計了靜態(tài)增黏裝置，目的 是使瓜爾膠顆粒充分溶脹，并通過特殊的結(jié)構(gòu)使膠 液濃度分布更趨于均勻。圖4為靜態(tài)增黏裝置的示 意圖。靜態(tài)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(xiàn)其功能?？紤]到增加膠液沖撞 管壁的機(jī)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(nèi)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(fā)生碰撞，占地面積小，瓜爾膠混配技術(shù)的研究和應(yīng)用，便于空 間布置。此外，在管道內(nèi)放置特別的結(jié)構(gòu)規(guī)則的構(gòu) 件，使得膠液被不斷地分割和轉(zhuǎn)向，使得膠液濃度分 布更趨于均勻。經(jīng)過靜態(tài)增黏裝置，膠液黏度的釋放 可達(dá)到最大黏度的30% —40%,并且各點黏度均勻。

瓜爾膠的黏度釋放速度和程度與攪拌條件相 關(guān)，瓜爾膠與水之間具有很強(qiáng)的親和力，當(dāng)水與瓜爾 膠迅速結(jié)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著不到的保櫨膜，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(hù)膜打破，使水能夠與膠粉迅速大面積的結(jié)合。 為使膠液黏度充分且迅速的釋放,提髙配液效率，設(shè) 計了動態(tài)增黏裝置，如圖5所示，其高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子 產(chǎn)生高切線速度，高頻機(jī)械效應(yīng)帶來強(qiáng)勁動能，使物 料在定子、轉(zhuǎn)子狹窄的間隙中受到強(qiáng)烈的機(jī)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(wěn)定的高質(zhì)量的瓜爾膠 基液。

此外，無論是石油工業(yè)還是食品工業(yè)，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(tài)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(zhì)量。根據(jù)添加劑不同的物 理狀態(tài),分別采用泵送(液態(tài))或特制輸送裝置（固 態(tài))進(jìn)行添加。

3成果及應(yīng)用

植物膠高效混配和黏度快速釋放工藝和設(shè)備是 在通過對基礎(chǔ)理論研究，掌握了瓜爾膠的理化性質(zhì) 和溶漲特征基礎(chǔ)上，運用豐富的機(jī)械設(shè)計經(jīng)驗，實現(xiàn) 了組成、結(jié)構(gòu)、功能、性能等方面的創(chuàng)新。根據(jù)用戶 使用特點設(shè)計成不同配液能力和不同設(shè)備配置的系 列產(chǎn)品，滿足不同的配液要求，瓜爾膠混配技術(shù)的研究和應(yīng)用，目前已成功應(yīng)用于大 慶、遼河、中原、延安等油田以及其他瓜爾膠用戶，極 大地提髙了配液質(zhì)量，杜絕“魚眼”的產(chǎn)生，減少原材 料的浪費，黏度釋放迅速穩(wěn)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(shè)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(shè)備也適用于其它種類膠 粉的混配,可在各領(lǐng)域廣大膠粉用戶中推廣。

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