桨式搅拌器结构参数优化试验

张　旭，关正军，李　强，王　珊

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨　150030)



桨式搅拌器结构参数优化试验

张旭，关正军，李强，王珊

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨150030)

摘要：桨式搅拌器因其结构简单、性能稳定，一直被广泛应用于厌氧发酵领域，对于搅拌桨的结构参数却少有研究。为此，以搅拌轴旋转速度、桨叶直径、桨叶倾角作为影响因素，以搅拌所需净功率与搅拌强度(以完全搅拌所需时间长短，反映搅拌强度大小)为考察指标，采用3因素3水平正交试验确定桨式搅拌器结构优化参数。结果表明：当最优组合在搅拌轴旋转速度为150r/min、桨叶直径为135mm、桨叶倾角为60°时，得到的搅拌所需功率2.6W、搅拌时间为5s。

关键词：厌氧发酵；搅拌桨；结构参数；沼气

0引言

近年来，畜禽养殖业不断向规模化、集约化快速发展，2013年我国主要畜禽的养殖废弃物总量为23.2亿t，并且已经连续数年保持平稳趋势[1-3]。针对大量的畜禽养殖废弃物的问题，人们探究用厌氧发酵产沼气的方法进行处理。厌氧发酵是在厌氧环境下，通过微生物的分解代谢，最终产生沼气的过程。这种方法不但能够除去畜禽粪便的臭味，改善养殖企业周围的生产、生活环境，还可以提供清洁型能源，保证畜禽粪便资源的多级利用[4-7]。

根据所使用原料的含水率不同，厌氧发酵大致可以分为干法发酵(TS质量分数为20%～50%)和湿法发酵(TS质量分数低于10%)。干法发酵的搅拌形式一般为喷淋回流渗滤沼液，而湿发酵则选择用机械搅拌或者沼液、产气喷射回流的搅拌方式进行发酵搅拌[8-9]。搅拌对于厌氧消化过程具有重要意义，如果搅拌不充分，则会引起物料混合不均匀、局部酸化、沼气不易逸出等问题，抑制发酵的正常进行。我国处理畜禽养殖废弃物多采用湿法发酵的形式进行，而机械搅拌是目前最有效的搅拌方式[10-13]。

机械搅拌是在厌氧发酵反应器内部设置搅拌桨，通过搅拌桨的机械运动，产生动力使反应器内的物料按一定方向和流速进行运动[14]。机械搅拌虽然在湿法发酵领域应用广泛，但我国现有的机械搅拌装置在搅拌强度和能耗方面，仍未能得到优化。本文通过对厌氧发酵反应器中搅拌桨的研究，总结规律、得出结论，对引导生产实践具有重要意义。

1材料与方法

1.1试验材料

本试验的发酵反应罐采用透明的树脂塑料筒作为罐体，呈外正方体，内圆柱体形状；内筒直径300mm，高300mm，有效容积为21L，试验注入原料14L；试验原料为水与增稠剂的混合物，其粘稠度与发酵料液相同。试验装置结构如图1所示。其设有转速调节装置及功率测控装置。搅拌器正常工作时，通过转速调节改变搅拌轴旋转速度。

图1　试验装置结构简图

1.2试验方法

取正常湿法发酵料液(本试验选取牛粪分离液与餐厨垃圾的混合质量比为7∶3的发酵料液)，使用NDJ-5S数显粘度计测定出物料粘度，测定结果为212.5MPa·s。经过计算得出水与增稠剂(CMC)的比例为225∶1，按照以上比例配制试验原料。本试验选取搅拌轴旋转速度(A)、拌桨直径(B)和搅拌桨水平倾角(C)3个因素作为影响因素，以搅拌时消耗净功率P及搅拌强度(完全搅拌所需时间t，即从物料完全静止开始搅拌，直至离搅拌桨最远的处料液发生明显运动结束，所经过的时间)为考察指标，采用3因素3水平正交试验进行试验设计。试验因素水平编码表如表1所示。

表1　试验因素水平编码表

根据表1设计的因素和水平，设计试验方案如表2所示。试验得出数据借Design-Expert8.0.6软件进行数据分析处理。

2数据处理及结果分析

2.1试验结果

采用3因素3水平正交方案进行试验后，试验结果如表2所示；利用设计专家软件Design-Expert8.0.6对数据进行分析处理。

表2　正交试验方案及结果

2.2各因素对搅拌所需净功率P及时间t的影响

通过Design-Expert 8.0.6软件分析各因素对净功率P及时间t的影响，结果如表3所示。

表3　试验结果方差分析

2.2.1转速的影响

从表3中可以看出：搅拌轴转速对于净功率的影响较小，对搅拌时间的影响较大。图2分别显示转速对净功率和搅拌时间的影响。

图2　转速对搅拌功率和搅拌时间的影响

由图2(a)可以看出：转速在100 ～200r/min区间内，随转速增大，净功率呈现逐渐上升趋势；但在100～150r/min区间净功率增加趋势，较150 ～200r/min区间增加稍缓慢；由图2(b)可知：在100～200r/min区间内，随着转速增大，搅拌时间逐渐缩短，说明搅拌强度也是逐渐增大，总体呈线性趋势。然而，在实际生产过程中，不能单纯的考虑能耗，还要考虑机器的工作效率，对于发酵搅拌装置则是搅拌强度。可见，在搅拌装置使用过程中，存在一个最佳的转速，此时搅拌强度满足生产的需要，搅拌功率也满足经济性要求。转速增加则搅拌强度增大，搅拌时能耗增加；反之，搅拌强度降低，搅拌时间长，搅拌不充分，搅拌时能耗同时也降低。

2.2.2桨叶直径的影响

从表3可以看出：搅拌桨直径对搅拌功率和搅拌时间的影响都最大。图3分别为搅拌桨直径变化对搅拌功率和搅拌时间的影响趋势。

图3　桨叶直径对搅拌功率和搅拌时间的影响

由图3(a)可以看出：桨叶直径在95～175mm区间，随着桨叶直径增大，搅拌功率也逐渐增加；桨叶直径在95 ～135mm区间时，搅拌功率增加较平缓，而桨叶直径在135 ～175mm区间时，搅拌功率增加趋势明显。由图3(b)可以看出：搅拌时间在前半段下降趋势明显，在后半段下降趋势趋于平缓。这是因为搅拌功率和搅拌强度受桨叶工作面积的影响较大，随着桨叶直径的增加，桨叶工作面积增大，搅拌强度进而随之变大；桨叶工作面积的增大，搅拌阻力也随着变大，搅拌功率因此增加。另外一个原因，搅拌桨直径越大，则搅拌时料液对搅拌轴的力矩越大，所以搅拌功率增加趋势逐渐明显。

2.2.3桨叶倾角的影响

由图4可以看出：桨叶倾角在30°～45°区间时，随着桨叶倾角的增大，搅拌功率随之增大，搅拌时间逐渐减小；桨叶倾角在45°～60°区间时，搅拌功率呈现下降趋势，搅拌时间的减小趋势更加明显。

图4　桨叶倾角对搅拌功率和搅拌时间的影响

2.3响应值与各因素之间的关系模型

表4为选择因素模型的方差分析。搅拌功率的F值为174.37，P值为0.005 7，P值小于0.05，说明该模型显著；搅拌时间的F值为46.21，P值为0.021 3，同理该模型显著。A、B的P值均小于0.05，可以判断A、B均为显著，且对搅拌功率的影响顺序为B>A。

由表5可以看出：搅拌功率R2为0.994 3，R2调整值0.988 6，R2预测值0.884 5，三者相差不大，说明该模型较为合理；同理搅拌时间的模型合理。

表4　选择因素模型的方差分析

表5　选择因素模型综合表

2.3.1搅拌功率与各因素的关系模型

由表3可看出：影响搅拌功率的主要因素为搅拌桨直径(B)，在Design-Expert8.0.6中选取这个因素建立搅拌功率P的关系模型，有

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

0.076C+1.02C2

(1)

图5(a)为学生化残差分布图。残差图是检验数据对于回归拟合曲线是否是异常点的评判依据。由图5(a)可以看出：各残差点均匀分布在直线两侧，说明模型拟合优秀。

2.3.2搅拌功率与各因素的关系模型

由表3能够看出：影响搅拌时间的主要因素为转速(A)和搅拌桨直径(B)，在Design-Expert 8.0.6中选取这两个因素分别建立搅拌功率P和搅拌时间t的关系模型，有

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

4.11C+1.44C2

(2)

由图5(b)可以看出：各残差点均匀分布在直线两侧，说明模型拟合优秀。

(a)

(b)

2.4试验优化方案

通过以上数据处理、分析及模型拟合，利用Design-Expert 8.0.6对试验参数进行优化，选择尽量小的搅拌功率和搅拌时间，进行优化分析。

表6　优化方案配比

通过表6可以看出：在转速150r/min、搅拌桨直径135mm、搅拌倾角60°为最优组合，此时搅拌净功率为2.6W，搅拌时间为5s。由于软件优化出的配比方案与本试验中的一组完全重合，故只需对试验结果进行验证即可。经验证，两次净功率相差0.2W，时间相差1s，由于本次试验时间的最小分辨率为1 s，试验与理论数据非常接近，Design-Expert 8.0.6软件所优化出的搅拌净功率、搅拌时间与转速、搅拌桨直径、搅拌倾角关系模型准确、可靠，配比方案为最优组合。

3结论

1)搅拌装置工作时，影响搅拌功率的主要因素是搅拌桨直径；影响搅拌时间的主要因素是搅拌轴转速和搅拌桨直径，并且搅拌桨直径的影响更为显著。

2)通过Design-Expert 8.0.6软件对3个影响因 素及试验结果的分析，建立数学模型，确定最终优化配比方案。

3)通过分析得出结论，转速150r/min、搅拌桨直径135mm、搅拌倾角60°为最优组合。

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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

文章编号：1003-188X(2016)07-0207-05

中图分类号：S216.4；S224.22

文献标识码：A

作者简介：张旭(1990-),男，吉林吉林人，硕士研究生，(E-mail)neau_zx@163.com。通讯作者：关正军(1970-),男，哈尔滨人，教授，博士生导师，(E-mail)zhjguan@163.com。

基金项目：国家国际科技合作专项(2013DFG62260)；东北农业大学人才基金项目(2012RCB96)

收稿日期：2015-05-27