張　旭，關(guān)正軍，李　強，王　珊

(東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱　150030)

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槳式攪拌器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗

張旭，關(guān)正軍，李強，王珊

(東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱150030)

摘要：槳式攪拌器因其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，一直被廣泛應(yīng)用于厭氧發(fā)酵領(lǐng)域，對于攪拌槳的結(jié)構(gòu)參數(shù)卻少有研究。為此，以攪拌軸旋轉(zhuǎn)速度、槳葉直徑、槳葉傾角作為影響因素，以攪拌所需凈功率與攪拌強度(以完全攪拌所需時間長短，反映攪拌強度大小)為考察指標，采用3因素3水平正交試驗確定槳式攪拌器結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)。結(jié)果表明：當最優(yōu)組合在攪拌軸旋轉(zhuǎn)速度為150r/min、槳葉直徑為135mm、槳葉傾角為60°時，得到的攪拌所需功率2.6W、攪拌時間為5s。

關(guān)鍵詞：厭氧發(fā)酵；攪拌槳；結(jié)構(gòu)參數(shù)；沼氣

0引言

近年來，畜禽養(yǎng)殖業(yè)不斷向規(guī)?；?、集約化快速發(fā)展，2013年我國主要畜禽的養(yǎng)殖廢棄物總量為23.2億t，并且已經(jīng)連續(xù)數(shù)年保持平穩(wěn)趨勢[1-3]。針對大量的畜禽養(yǎng)殖廢棄物的問題，人們探究用厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的方法進行處理。厭氧發(fā)酵是在厭氧環(huán)境下，通過微生物的分解代謝，最終產(chǎn)生沼氣的過程。這種方法不但能夠除去畜禽糞便的臭味，改善養(yǎng)殖企業(yè)周圍的生產(chǎn)、生活環(huán)境，還可以提供清潔型能源，保證畜禽糞便資源的多級利用[4-7]。

根據(jù)所使用原料的含水率不同，厭氧發(fā)酵大致可以分為干法發(fā)酵(TS質(zhì)量分數(shù)為20%～50%)和濕法發(fā)酵(TS質(zhì)量分數(shù)低于10%)。干法發(fā)酵的攪拌形式一般為噴淋回流滲濾沼液，而濕發(fā)酵則選擇用機械攪拌或者沼液、產(chǎn)氣噴射回流的攪拌方式進行發(fā)酵攪拌[8-9]。攪拌對于厭氧消化過程具有重要意義，如果攪拌不充分，則會引起物料混合不均勻、局部酸化、沼氣不易逸出等問題，抑制發(fā)酵的正常進行。我國處理畜禽養(yǎng)殖廢棄物多采用濕法發(fā)酵的形式進行，而機械攪拌是目前最有效的攪拌方式[10-13]。

機械攪拌是在厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置攪拌槳，通過攪拌槳的機械運動，產(chǎn)生動力使反應(yīng)器內(nèi)的物料按一定方向和流速進行運動[14]。機械攪拌雖然在濕法發(fā)酵領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但我國現(xiàn)有的機械攪拌裝置在攪拌強度和能耗方面，仍未能得到優(yōu)化。本文通過對厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中攪拌槳的研究，總結(jié)規(guī)律、得出結(jié)論，對引導生產(chǎn)實踐具有重要意義。

1材料與方法

1.1試驗材料

本試驗的發(fā)酵反應(yīng)罐采用透明的樹脂塑料筒作為罐體，呈外正方體，內(nèi)圓柱體形狀；內(nèi)筒直徑300mm，高300mm，有效容積為21L，試驗注入原料14L；試驗原料為水與增稠劑的混合物，其粘稠度與發(fā)酵料液相同。試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。其設(shè)有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置及功率測控裝置。攪拌器正常工作時，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)改變攪拌軸旋轉(zhuǎn)速度。

圖1　試驗裝置結(jié)構(gòu)簡圖

1.2試驗方法

取正常濕法發(fā)酵料液(本試驗選取牛糞分離液與餐廚垃圾的混合質(zhì)量比為7∶3的發(fā)酵料液)，使用NDJ-5S數(shù)顯粘度計測定出物料粘度，測定結(jié)果為212.5MPa·s。經(jīng)過計算得出水與增稠劑(CMC)的比例為225∶1，按照以上比例配制試驗原料。本試驗選取攪拌軸旋轉(zhuǎn)速度(A)、拌槳直徑(B)和攪拌槳水平傾角(C)3個因素作為影響因素，以攪拌時消耗凈功率P及攪拌強度(完全攪拌所需時間t，即從物料完全靜止開始攪拌，直至離攪拌槳最遠的處料液發(fā)生明顯運動結(jié)束，所經(jīng)過的時間)為考察指標，采用3因素3水平正交試驗進行試驗設(shè)計。試驗因素水平編碼表如表1所示。

表1　試驗因素水平編碼表

根據(jù)表1設(shè)計的因素和水平，設(shè)計試驗方案如表2所示。試驗得出數(shù)據(jù)借Design-Expert8.0.6軟件進行數(shù)據(jù)分析處理。

2數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

2.1試驗結(jié)果

采用3因素3水平正交方案進行試驗后，試驗結(jié)果如表2所示；利用設(shè)計專家軟件Design-Expert8.0.6對數(shù)據(jù)進行分析處理。

表2　正交試驗方案及結(jié)果

2.2各因素對攪拌所需凈功率P及時間t的影響

通過Design-Expert 8.0.6軟件分析各因素對凈功率P及時間t的影響，結(jié)果如表3所示。

表3　試驗結(jié)果方差分析

2.2.1轉(zhuǎn)速的影響

從表3中可以看出：攪拌軸轉(zhuǎn)速對于凈功率的影響較小，對攪拌時間的影響較大。圖2分別顯示轉(zhuǎn)速對凈功率和攪拌時間的影響。

圖2　轉(zhuǎn)速對攪拌功率和攪拌時間的影響

由圖2(a)可以看出：轉(zhuǎn)速在100 ～200r/min區(qū)間內(nèi)，隨轉(zhuǎn)速增大，凈功率呈現(xiàn)逐漸上升趨勢；但在100～150r/min區(qū)間凈功率增加趨勢，較150 ～200r/min區(qū)間增加稍緩慢；由圖2(b)可知：在100～200r/min區(qū)間內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速增大，攪拌時間逐漸縮短，說明攪拌強度也是逐漸增大，總體呈線性趨勢。然而，在實際生產(chǎn)過程中，不能單純的考慮能耗，還要考慮機器的工作效率，對于發(fā)酵攪拌裝置則是攪拌強度。可見，在攪拌裝置使用過程中，存在一個最佳的轉(zhuǎn)速，此時攪拌強度滿足生產(chǎn)的需要，攪拌功率也滿足經(jīng)濟性要求。轉(zhuǎn)速增加則攪拌強度增大，攪拌時能耗增加；反之，攪拌強度降低，攪拌時間長，攪拌不充分，攪拌時能耗同時也降低。

2.2.2槳葉直徑的影響

從表3可以看出：攪拌槳直徑對攪拌功率和攪拌時間的影響都最大。圖3分別為攪拌槳直徑變化對攪拌功率和攪拌時間的影響趨勢。

圖3　槳葉直徑對攪拌功率和攪拌時間的影響

由圖3(a)可以看出：槳葉直徑在95～175mm區(qū)間，隨著槳葉直徑增大，攪拌功率也逐漸增加；槳葉直徑在95 ～135mm區(qū)間時，攪拌功率增加較平緩，而槳葉直徑在135 ～175mm區(qū)間時，攪拌功率增加趨勢明顯。由圖3(b)可以看出：攪拌時間在前半段下降趨勢明顯，在后半段下降趨勢趨于平緩。這是因為攪拌功率和攪拌強度受槳葉工作面積的影響較大，隨著槳葉直徑的增加，槳葉工作面積增大，攪拌強度進而隨之變大；槳葉工作面積的增大，攪拌阻力也隨著變大，攪拌功率因此增加。另外一個原因，攪拌槳直徑越大，則攪拌時料液對攪拌軸的力矩越大，所以攪拌功率增加趨勢逐漸明顯。

2.2.3槳葉傾角的影響

由圖4可以看出：槳葉傾角在30°～45°區(qū)間時，隨著槳葉傾角的增大，攪拌功率隨之增大，攪拌時間逐漸減小；槳葉傾角在45°～60°區(qū)間時，攪拌功率呈現(xiàn)下降趨勢，攪拌時間的減小趨勢更加明顯。

圖4　槳葉傾角對攪拌功率和攪拌時間的影響

2.3響應(yīng)值與各因素之間的關(guān)系模型

表4為選擇因素模型的方差分析。攪拌功率的F值為174.37，P值為0.005 7，P值小于0.05，說明該模型顯著；攪拌時間的F值為46.21，P值為0.021 3，同理該模型顯著。A、B的P值均小于0.05，可以判斷A、B均為顯著，且對攪拌功率的影響順序為B>A。

由表5可以看出：攪拌功率R2為0.994 3，R2調(diào)整值0.988 6，R2預測值0.884 5，三者相差不大，說明該模型較為合理；同理攪拌時間的模型合理。

表4　選擇因素模型的方差分析

表5　選擇因素模型綜合表

2.3.1攪拌功率與各因素的關(guān)系模型

由表3可看出：影響攪拌功率的主要因素為攪拌槳直徑(B)，在Design-Expert8.0.6中選取這個因素建立攪拌功率P的關(guān)系模型，有

P=5.25-0.73A-0.16A2-2.56B-1.42B2+

0.076C+1.02C2

(1)

圖5(a)為學生化殘差分布圖。殘差圖是檢驗數(shù)據(jù)對于回歸擬合曲線是否是異常點的評判依據(jù)。由圖5(a)可以看出：各殘差點均勻分布在直線兩側(cè)，說明模型擬合優(yōu)秀。

2.3.2攪拌功率與各因素的關(guān)系模型

由表3能夠看出：影響攪拌時間的主要因素為轉(zhuǎn)速(A)和攪拌槳直徑(B)，在Design-Expert 8.0.6中選取這兩個因素分別建立攪拌功率P和攪拌時間t的關(guān)系模型，有

t=14.56+6.11A+0.78A2+11.78B-5.22B2+

4.11C+1.44C2

(2)

由圖5(b)可以看出：各殘差點均勻分布在直線兩側(cè)，說明模型擬合優(yōu)秀。

(a)

(b)

2.4試驗優(yōu)化方案

通過以上數(shù)據(jù)處理、分析及模型擬合，利用Design-Expert 8.0.6對試驗參數(shù)進行優(yōu)化，選擇盡量小的攪拌功率和攪拌時間，進行優(yōu)化分析。

表6　優(yōu)化方案配比

通過表6可以看出：在轉(zhuǎn)速150r/min、攪拌槳直徑135mm、攪拌傾角60°為最優(yōu)組合，此時攪拌凈功率為2.6W，攪拌時間為5s。由于軟件優(yōu)化出的配比方案與本試驗中的一組完全重合，故只需對試驗結(jié)果進行驗證即可。經(jīng)驗證，兩次凈功率相差0.2W，時間相差1s，由于本次試驗時間的最小分辨率為1 s，試驗與理論數(shù)據(jù)非常接近，Design-Expert 8.0.6軟件所優(yōu)化出的攪拌凈功率、攪拌時間與轉(zhuǎn)速、攪拌槳直徑、攪拌傾角關(guān)系模型準確、可靠，配比方案為最優(yōu)組合。

3結(jié)論

1)攪拌裝置工作時，影響攪拌功率的主要因素是攪拌槳直徑；影響攪拌時間的主要因素是攪拌軸轉(zhuǎn)速和攪拌槳直徑，并且攪拌槳直徑的影響更為顯著。

2)通過Design-Expert 8.0.6軟件對3個影響因 素及試驗結(jié)果的分析，建立數(shù)學模型，確定最終優(yōu)化配比方案。

3)通過分析得出結(jié)論，轉(zhuǎn)速150r/min、攪拌槳直徑135mm、攪拌傾角60°為最優(yōu)組合。

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Paddle Mixer Structure Parameter Optimization Experimental

Zhang Xu， Guan Zhengjun, Li Qiang， Wang Shan

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：Paddle mixer because of its simple structure, stable performance, has been widely used in of anaerobic fermentation, the structural parameters paddle but poorly researched.The with three factors and three levels orthogonal test methods were adopted, using net power required for stirring and stirring intensity(Length of time required to complete stirring,stirring intensity reflects the size)as investigation index, and the stirring shaft rotational speed 150r/min, paddles diameter 135 mm, paddles inclination 60°as influencing factors,get net power required for stirring content 2.6 w,Length of time required to complete stirring 5s.Parameters that affected the structure of the combined Paddle mixer device were optimized and combined.It provides a structure parameters for the optimal design paddle agitator.

Key words：anaerobic fermentation; stirring paddle; structure parameters; biogas

文章編號：1003-188X(2016)07-0207-05

中圖分類號：S216.4；S224.22

文獻標識碼：A

作者簡介：張旭(1990-),男，吉林吉林人，碩士研究生，(E-mail)neau_zx@163.com。通訊作者：關(guān)正軍(1970-),男，哈爾濱人，教授，博士生導師，(E-mail)zhjguan@163.com。

基金項目：國家國際科技合作專項(2013DFG62260)；東北農(nóng)業(yè)大學人才基金項目(2012RCB96)

收稿日期：2015-05-27