雞蛋殼膜機(jī)械攪拌分離影響因素研究

遲 媛 王 勇 李蒙福 楊月斌 任 潔 遲玉杰

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院， 哈爾濱 150030)

雞蛋殼膜機(jī)械攪拌分離影響因素研究

遲 媛1王 勇1李蒙福1楊月斌1任 潔1遲玉杰2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院， 哈爾濱 150030)

基于Fluent研究了機(jī)械攪拌分離雞蛋殼膜在不同攪拌轉(zhuǎn)速、顆粒粒徑和料液比下對(duì)顆粒懸浮狀態(tài)、固含率分布、固相速度和攪拌功率等流場特性的影響。仿真結(jié)果表明：增大攪拌轉(zhuǎn)速，有利于減小容器底部顆粒堆積，且利于顆粒懸浮，但功耗明顯增大；增大顆粒粒徑可減小底部中央?yún)^(qū)域的顆粒堆積，顆粒逐漸向四周擴(kuò)散，但顆粒的懸浮高度會(huì)降低；增大料液比易在底部產(chǎn)生顆粒堆積。根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行了蛋殼膜分離試驗(yàn)，以攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、料液比、分離液溫度為影響因素，膜回收率和攪拌功率為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，得出最優(yōu)因素參數(shù)組合。試驗(yàn)表明提高攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌時(shí)間可明顯增大蛋膜回收率，當(dāng)攪拌時(shí)間為18.57 min、攪拌轉(zhuǎn)速為337.68 r/min、料液比為0.07 g/mL、溫度為20.0℃時(shí)，膜回收率達(dá)到88.58%，功耗低，分離效果較好。

固液兩相流； 顆粒懸??； 數(shù)值模擬； 蛋殼膜分離

引言

隨著生活水平的提高，人們對(duì)禽蛋的需求量越來越大，2015年中國雞蛋產(chǎn)量達(dá)2 626萬t，占世界總產(chǎn)量的42.3%，產(chǎn)生的廢棄蛋殼不僅對(duì)環(huán)境造成污染，也造成了資源的浪費(fèi)。蛋殼中所含有的碳酸鈣等無機(jī)物可用作鈣源添加劑等，蛋膜可用于生物、化工、制藥等[1-4]。若將蛋殼和蛋膜分離開來，各自回收，將會(huì)使禽蛋殼、膜得到更有效的利用。目前，蛋殼膜分離方法主要有物理法和化學(xué)法，化學(xué)法效率低、成本高，不適合工業(yè)化生產(chǎn)[5-7]。本文采用物理法，即采用機(jī)械攪拌的方式分離蛋殼膜。前期研究結(jié)果表明[5]：蛋殼膜分離效果受攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、料液比、分離液溫度的影響，其中，攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌時(shí)間的影響更為明顯，因此本文擴(kuò)大了攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌時(shí)間的范圍，繼續(xù)探究蛋殼膜的實(shí)際分離效果。此外，前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分離容器底部邊緣區(qū)、中央?yún)^(qū)及擋板處出現(xiàn)少量顆粒堆積，本文對(duì)原有的分離容器作了改進(jìn)，采用碟形底部結(jié)構(gòu)，同時(shí)在擋板和側(cè)壁之間留有間隙以探究分離容器內(nèi)顆粒的懸浮特性。

前期對(duì)于分離容器內(nèi)的單相流動(dòng)特性進(jìn)行了模擬研究，本文利用改進(jìn)后的分離容器對(duì)固液兩相流的流動(dòng)特性進(jìn)行深入探究。目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)固液兩相流已有研究[8-10]，在固體顆粒懸浮能力、固相速度、固含率分布以及功率消耗的綜合研究較少[8-11]。本文將蛋殼顆粒簡化為下沉顆粒，基于Fluent 6.3對(duì)分離容器內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，研究攪拌轉(zhuǎn)速、料液比和顆粒粒徑對(duì)顆粒懸浮程度、固相速度分布、固含率分布和攪拌功率的影響。以期為采用機(jī)械式水中攪拌的方式分離蛋殼膜及相關(guān)分離容器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 分離裝置

1.1 整體結(jié)構(gòu)

整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，液相介質(zhì)密度ρl為998 kg/m3，固相顆粒密度ρs為2 300 kg/m3，顆粒粒徑ds為0.5～2.5 mm的蛋殼顆粒，料液比為0.03～0.07 g/mL。

圖1 蛋殼膜分離試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of eggshell membrane separation experiment device1.計(jì)算機(jī) 2.功率測(cè)試儀 3.電動(dòng)機(jī) 4.支架 5.濾網(wǎng) 6.抽水口 7.擋板 8.碟形底 9.閥門 10.槳葉 11.溫度控制器12.分離容器 13.攪拌軸 14.減速器

1.2 工作原理

電動(dòng)機(jī)提供作業(yè)動(dòng)力，動(dòng)力經(jīng)減速器傳至攪拌軸，帶動(dòng)攪拌軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)。稱取試驗(yàn)所需蛋殼碎片放入分離容器中，調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速和分離液溫度，并控制攪拌時(shí)間。在擋板、碟形底、側(cè)壁和槳葉的作用下產(chǎn)生周期性的流場。在分離液對(duì)蛋殼和蛋膜的沖擊、蛋殼之間以及蛋殼和容器內(nèi)壁之間的相互作用下，大部分蛋殼和蛋膜分離。分離完成后，利用抽水泵將蛋膜從分離容器中抽出，并通過分離容器上方的濾網(wǎng)(100目)收集，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了分離液的可循環(huán)利用。待懸浮于分離液中的蛋膜全部抽出以后，通過底部閥門排出水和分離后的蛋殼，完成分離過程。稱量干燥后的蛋膜與理論值比較，計(jì)算蛋膜回收率。

1.3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分離容器結(jié)構(gòu)與槳型如圖2所示，碟形底分離容器直徑R為340 mm, 容器高400 mm，容器內(nèi)壁均布4塊寬度w為34 mm的擋板，擋板與側(cè)壁間隙S為3.4 mm，容器內(nèi)液面的高度H為250 mm，采用三葉整體式螺旋推進(jìn)式攪拌器，該槳葉屬于軸流式攪拌槳，不銹鋼材質(zhì)，槳葉直徑D為170 mm。容器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 計(jì)算物系與模擬工況

模擬采用的攪拌器和分離容器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，液相介質(zhì)為密度ρl=998 kg/m3的水，固相顆粒為密度ρs=2 300 kg/m3的下沉顆粒。采用雙層推進(jìn)式三葉槳結(jié)構(gòu)，上下2層槳葉之間的協(xié)同推動(dòng)作用可顯著增強(qiáng)流場的主體循環(huán)流動(dòng)，增大湍流強(qiáng)度，利于顆粒懸浮[12]。槳葉安放角度過小會(huì)降低整體軸向流速和湍流動(dòng)能，不利于顆粒懸浮，過大會(huì)使功耗急劇增加，模擬發(fā)現(xiàn)45°傾斜角最合適。在以上條件下，探究顆粒粒徑ds為0.5～2.5 mm、料液比為0.03～0.07 g/mL和攪拌轉(zhuǎn)速N為200～400 r/min下對(duì)顆粒懸浮程度、固相速度分布、固含率分布和功率消耗的影響。

圖2 分離容器結(jié)構(gòu)與槳型Fig.2 Schematic drawings of stirred vessel and impeller

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值液位高H/mm250槳葉個(gè)數(shù)n3底部結(jié)構(gòu)碟形底槳葉直徑D/mm170容器直徑R/mm340槳葉厚度b/mm1.5擋板寬度w/mm34槳葉安放角度/(°)45槳葉層間距e/mm83.3擋板與側(cè)壁間隙S/mm3.4槳葉離底距離C/mm50

2.2 網(wǎng)格劃分

應(yīng)用Gambit 2.2軟件對(duì)分離容器建模和網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)槳葉區(qū)、近壁區(qū)和擋板區(qū)加密處理，確保模擬準(zhǔn)確性。整個(gè)網(wǎng)格數(shù)量在106左右，并驗(yàn)證再增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬結(jié)果基本無影響。

2.3 模型建立

2.3.1流動(dòng)模型選擇

多相流模型常用2種方法來解決[13]，即歐拉-拉格朗日法(Euler-Lagrange)和歐拉-歐拉法(Euler- Euler)，歐拉-拉格朗日法顆粒軌道模型法，可模擬粒子在流場中的運(yùn)動(dòng)軌跡，但是它忽略了粒子間相互作用，以及離散相對(duì)連續(xù)相的作用。歐拉-歐拉法也稱雙流體模型。Fluent軟件提供了3種歐拉多相模型，即VOF、Mixture、Euler模型，其中Euler

模型是最為復(fù)雜的模型，運(yùn)算量較大，但是它計(jì)算的準(zhǔn)確度較高，廣泛應(yīng)用于固液懸浮和流化床等需要準(zhǔn)確計(jì)算的問題中。MICALE 等[14]認(rèn)為歐拉多相流模型可以很好地模擬固液兩相體系，反映懸浮高度和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，因此，該模擬采用Euler模型對(duì)蛋殼顆粒在容器內(nèi)的懸浮特性進(jìn)行研究。

大多數(shù)文獻(xiàn)中提到對(duì)攪拌旋轉(zhuǎn)區(qū)即動(dòng)區(qū)域的處理采用的是多重參考系法MRF[7-10]，主要原因是處理過程簡單，而MRF適合于處理穩(wěn)態(tài)流場。對(duì)于槳葉和擋板使得流場產(chǎn)生的周期特性，該方法顯然不能很好地處理。滑移網(wǎng)格法(Moving mesh)則適合于槳葉和擋板相互作用較強(qiáng)的非穩(wěn)態(tài)體系中，OCHIENG 等[15]指出瞬態(tài)法比穩(wěn)態(tài)法更適于模擬固液懸浮狀態(tài)和懸浮高度，因此，對(duì)該流場采用非穩(wěn)態(tài)處理，動(dòng)區(qū)域采用滑移網(wǎng)格法。由于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型處理準(zhǔn)確性不高，收斂性較差[16-18]，本文采用的是RNGk-ε湍流模型。

2.3.2模型初始化與邊界條件設(shè)定

初始化時(shí)加入固含率一定的固體顆粒，默認(rèn)將其均勻地分散在整個(gè)分離容器內(nèi)。對(duì)流場應(yīng)用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，計(jì)算開始前對(duì)槳葉區(qū)設(shè)定扭矩監(jiān)視窗口，當(dāng)最后的扭矩基本不再變化時(shí)，說明已達(dá)到收斂。

液面采用對(duì)稱邊界條件，槳葉、軸、擋板和分離容器內(nèi)壁均采用固壁邊界條件，容器側(cè)壁近區(qū)域處的雷諾數(shù)較低，湍流流動(dòng)不充分，且分子間粘性力影響較大，可采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來求解物理參數(shù)。動(dòng)、靜區(qū)域通過交界面?zhèn)鬟f質(zhì)量、能量和動(dòng)量。采用基于壓力的隱式求解算法，壓力與速度耦合關(guān)系采用 SIMPLE 系列算法，差分格式為一階迎風(fēng)[19-21]。

2.4 功率消耗對(duì)比

功率消耗為

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式中P——攪拌功率，WN——攪拌轉(zhuǎn)速，r/minT——攪拌扭矩，N·m

應(yīng)用AWS2013型功率分析儀測(cè)得每組試驗(yàn)中槳葉消耗功率。攪拌功率主要受攪拌轉(zhuǎn)速的影響，在ds=0.5 mm，αs=0.05 g/mL，t=30℃下得到了攪拌功率的實(shí)測(cè)值，并與仿真值進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表 2所示。實(shí)測(cè)值明顯高于仿真值，這是由于實(shí)測(cè)環(huán)境并非理想狀態(tài)，且電動(dòng)機(jī)、減速器、攪拌轉(zhuǎn)軸之間的傳動(dòng)效率也會(huì)對(duì)實(shí)測(cè)值產(chǎn)生影響。隨轉(zhuǎn)速的升高，仿真值和實(shí)測(cè)值的誤差率有減小的趨勢(shì)，誤差范圍在10.15%～19.60%。

表2 不同轉(zhuǎn)速下攪拌功率的仿真值與實(shí)測(cè)值Tab.2 Results of stirring power for simulation and experiment at different rotational velocities W

2.5不同的操作條件下對(duì)固含率分布、固相速度和攪拌功率的影響

2.5.1碟形槽底結(jié)構(gòu)下固相速度與固含率分布

圖3為固含率分布對(duì)比，由圖3可知，試驗(yàn)的槽底部和側(cè)壁下方的顆粒堆積與模擬值相近，總體來看，模擬值能夠反映實(shí)際顆粒分布情況。圖4為兩擋板間速度矢量圖和固相分布云圖(N=400 r/min，ds=0.5 mm，αs=0.5 g/mL)。由圖4a可知，整個(gè)流場為軸向流場，下層槳葉產(chǎn)生的射流傾斜向下，撞擊分離容器底部之后，大部分射流沿徑向運(yùn)動(dòng)，再沿容器側(cè)壁向上運(yùn)動(dòng)到液面處，在上層槳葉的抽吸作用下沿軸向下運(yùn)動(dòng)，形成貫穿分離容器的主體循環(huán)，中心渦心處存在較大的固含率空隙區(qū)，少部分射流會(huì)在容器底部折返到槽中央沿軸向上運(yùn)動(dòng)，該區(qū)域被稱為誘導(dǎo)錐形區(qū)(又稱死區(qū))，該區(qū)域易產(chǎn)生顆粒堆積，這與丁楊[22]采用六斜葉渦輪槳得出的結(jié)論一致。由圖4b可知，固液懸浮的成因是分離容器內(nèi)攪拌槳葉產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流動(dòng)能把堆積在容器底部的固相顆粒掃出容器底部，從而形成固液懸浮溶液，主要受軸向流場和湍流強(qiáng)度的影響。在高轉(zhuǎn)速下，水流會(huì)對(duì)顆粒產(chǎn)生較強(qiáng)的推動(dòng)力，顆粒隨流場流型運(yùn)動(dòng)。總體來看，容器底部固含率最大，液面和循環(huán)渦心處最小。

圖3 模擬與試驗(yàn)的固含率對(duì)比Fig.3 Comparisons of solid holdups for simulation and experiment

圖4 兩擋板間速度矢量圖和固相分布云圖Fig.4 Velocity vector and solid phase distribution profiles

2.5.2料液比的影響

表3為不同料液比下槳葉產(chǎn)生的扭矩和功率，隨料液比增大扭矩和功率無明顯變化。

圖5a～5d分別為不同料液比下，不同徑向位置(分別為r/R=0.33、r/R=0.50、r/R=0.78、近壁區(qū)，r為距容器中心軸的距離)處固含率軸向分布曲線(N=400 r/min，ds=0.5 mm)。由圖5a～5d可知，固含率在整個(gè)軸向(從低到高)分布上呈先迅速減小再緩慢增大，最后迅速減小趨勢(shì)，這與圖4b中的固含率分布云圖基本一致。隨料液比的增大，固含率分布曲線呈上升趨勢(shì)。

圖5e～5h為不同料液比下，不同的徑向位置(分別為r/R=0.33、r/R=0.50、r/R=0.78、近壁區(qū))固相速度軸向分布曲線，由圖5e～5h可知，不同料液比下的固相速度變化趨勢(shì)無明顯差別。

表3 不同料液比下扭矩和功率消耗Tab.3 Torque and power at different solid volume fractions

圖6為不同料液比下分離容器底部固含率的分布云圖。隨料液比增大，底部顆粒堆積范圍不斷擴(kuò)大，底部與側(cè)壁連接處開始出現(xiàn)顆粒堆積，懸浮效果變差。因此，為保證蛋殼顆粒懸浮，可適當(dāng)減小料液比。

增大料液比，容器底部顆粒堆積范圍擴(kuò)大，因此在蛋殼膜分離試驗(yàn)中可適當(dāng)減小料液比，以減小底部顆粒堆積。而料液比對(duì)固相速度分布和攪拌功率基本無影響。

圖5 不同料液比下固含率和固相速度的軸向分布曲線Fig.5 Axial distribution curves of solid holdup and solid phase velocity at different solid-liquid ratios

圖6 不同料液比下分離容器底部固含率的分布云圖Fig.6 Solid holdup distribution contours of bottom at different solid-liquid ratios

2.5.3攪拌轉(zhuǎn)速的影響

圖7 不同轉(zhuǎn)速下固含率和固相速度的軸向分布曲線Fig.7 Axial distribution curves of solid holdup and solid phase velocity at different stirring rotational velocities

圖7a～7d為不同攪拌轉(zhuǎn)速下、不同徑向位置處固含率軸向分布曲線(ds=0.5 mm，αs=0.5 g/mL)。由圖7a～7d可知，0.05 m以下軸向位置，轉(zhuǎn)速越高固含率越大。在軸向中部位置，固含率隨轉(zhuǎn)速的增大而降低，圖7b、7c較為明顯，這種變化趨勢(shì)不利于顆粒的均勻化，但利于顆粒懸浮。液面處的固含率隨轉(zhuǎn)速增大而增大，說明轉(zhuǎn)速越高，主體循環(huán)能力越強(qiáng)，可將顆粒推送到更高的位置。

圖7e～7h為不同攪拌轉(zhuǎn)速下，不同徑向位置處固相速度分布曲線。由圖7e～7h可知，在軸向下部區(qū)域，轉(zhuǎn)速越高固相速度的增幅越大。其他區(qū)域，轉(zhuǎn)速越高固相速度越大，差別較為明顯。在圖7g中，軸向高度0.10 m處，即渦心處的固相速度基本一致。

表4為不同轉(zhuǎn)速下槳葉產(chǎn)生的扭矩和功率消耗，轉(zhuǎn)速越大，扭矩越大，攪拌功率隨之增大。

圖8為不同轉(zhuǎn)速下分離容器底部固含率分布云圖，轉(zhuǎn)速升高底部中央?yún)^(qū)域的堆積顆粒開始向四周發(fā)散，堆積范圍不斷減小。為保證蛋殼顆粒懸浮，在考慮功耗的前提下，可適當(dāng)增大轉(zhuǎn)速。

增大攪拌轉(zhuǎn)速，容器底部的固含率減小，液面處增大，攪拌功率亦隨之增大。為減小容器底部顆粒堆積，保證蛋殼顆粒懸浮，在考慮功耗的影響下，可適當(dāng)增大攪拌轉(zhuǎn)速。

表4 不同轉(zhuǎn)速下扭矩和功率消耗Tab.4 Torque and power at different stirring rotations

圖8 不同轉(zhuǎn)速下分離容器底部固含率分布云圖 Fig.8 Solid holdup distribution contours of bottom at different stirring rotational velocities

2.5.4顆粒直徑的影響

圖9 不同顆粒直徑下固含率和固相速度軸向分布曲線Fig.9 Axial distribution curves of solid holdup and solid phase velocity for different particle diameters

圖9a～9d為不同顆粒直徑下、不同徑向位置處固含率軸向分布曲線(N=400 r/min，αs=0.5%)。如圖9a所示，在不同徑向位置處，軸向高度0.05 m以下，增大顆粒直徑固含率下降，說明顆粒直徑越大越不易在容器底部中央?yún)^(qū)域堆積。0.05～0.15 m軸向中部區(qū)域固含率的差別不明顯。0.15～0.225 m軸向區(qū)域與下部區(qū)域結(jié)論相反，即隨軸向高度增加，顆粒直徑越大固含率就越大，增加幅度亦越大，說明顆粒在運(yùn)動(dòng)到此高度時(shí)已開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)。0.225～0.25 m靠近液面區(qū)域，顆粒直徑越大固含率越小，說明顆粒直徑越大，越不易被推送到液面。

圖9e～9h為不同顆粒直徑下、不同徑向位置處固相速度分布曲線。圖9e～9g中，即徑向位置r/R=0.33、r/R=0.5、r/R=0.78處的固相速度趨勢(shì)無明顯差別。圖9h中，近壁區(qū)處的固相速度隨顆粒直徑增大而減小，說明顆粒直徑越大，越不易在液相中懸浮。

表5為不同顆粒直徑下槳葉產(chǎn)生的扭矩和功率消耗，不同顆粒直徑下扭矩?zé)o明顯差別。

表5 不同顆粒直徑下扭矩和功率消耗Tab.5 Torque and power for different particle diameters

圖10為不同顆粒直徑下分離容器底部固含率

分布云圖，增大顆粒直徑，底部中央?yún)^(qū)的顆粒堆積越少，顆粒向槽底徑向擴(kuò)散，但是槽底部總顆粒數(shù)量有增大的趨勢(shì)。為減小底部蛋殼顆粒沉積，可適當(dāng)減小顆粒粒徑。

增大顆粒直徑，顆粒在底部沿徑向運(yùn)動(dòng)的能力加強(qiáng)，不易在槽底部中央?yún)^(qū)域產(chǎn)生顆粒堆積，但顆粒的懸浮高度會(huì)降低，顆粒沿軸向運(yùn)動(dòng)阻力加大，為保證蛋殼顆粒的懸浮性能，后期試驗(yàn)可選擇顆粒粒徑在1 mm以下的蛋殼。顆粒直徑對(duì)攪拌功率消耗基本無影響。

圖10 不同顆粒直徑下底部固含率分布云圖Fig.10 Solid holdup distribution contours of bottom for different particle diameters

3 殼膜分離試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

AWS2013型功率分析儀。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)第二食堂提供種類、大小基本一致的當(dāng)季新鮮生雞蛋殼。WENT-NT型加熱器。JFSD-100-Ⅱ型粉碎機(jī)。VFD-M型變頻器。TP-3000型抽水泵。分離液為自來水。

3.2 試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)

選擇攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、分離液溫度和料液比為試驗(yàn)因素。將蛋膜回收率作為試驗(yàn)指標(biāo)。測(cè)定本試驗(yàn)中所選用的蛋殼中蛋膜與蛋殼的比值，取一定量蛋殼稱量，均分為3組，去除蛋液，清洗，分離(蛋殼中的膜已被基本全部分離)，干燥后稱量，測(cè)定結(jié)果顯示，3組實(shí)驗(yàn)蛋膜與蛋殼(蛋外殼和蛋膜)的比值分別為3.03%、3.04%和3.06%，取均值3.043%，之后試驗(yàn)中按3.043%作為蛋膜的回收標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)時(shí)稱取蛋殼碎片質(zhì)量為M，理論上質(zhì)量為M的蛋殼碎片中應(yīng)含有0.030 43M的膜，試驗(yàn)后質(zhì)量為m的膜回收率為

(2)

3.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用4因素5水平2次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)[23]，計(jì)算各組試驗(yàn)蛋膜回收率，分析各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，影響因素水平編碼如表6所示。

表6 試驗(yàn)因素編碼Tab.6 Experimental factors levels

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。X1、X2、X3、X4為因素編碼值。

利用Designer-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果二次回歸分析，同時(shí)進(jìn)行多元回歸擬合，得到膜回收率Y試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程，并檢驗(yàn)其顯著性。

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Results of orthogonal experiment

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3.4.1各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律

為直觀分析蛋膜回收率和各個(gè)因素之間的關(guān)系，利用Design-Expert軟件得到各因素交互作用的響應(yīng)曲面，如圖11所示。

表8 試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab.8 Variance analysis of test results

注：*** 表示極顯著(P<0.01)；** 表示顯著(0.01

由圖11a可知，當(dāng)攪拌時(shí)間一定時(shí)，膜回收率隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大而增大，為得到較高的膜回收率，最優(yōu)的攪拌轉(zhuǎn)速需大于300 r/min。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速一定時(shí)，膜回收率亦是隨攪拌時(shí)間的增大而增大，為保證較高的膜回收率，同時(shí)減小功耗，最優(yōu)的攪拌時(shí)間需大于17 min。攪拌時(shí)間和攪拌轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)膜回收率影響效果最為顯著，這是因?yàn)榈皻ず偷澳さ姆蛛x主要是靠蛋殼和蛋膜之間的撞擊以及水流對(duì)蛋膜的沖擊作用來實(shí)現(xiàn)的。增加攪拌轉(zhuǎn)速使得流場湍流程度增加，另外，增加攪拌時(shí)間會(huì)使蛋殼和蛋膜有充分時(shí)間進(jìn)行有效分離。

由圖11b可知，當(dāng)攪拌時(shí)間一定時(shí)，膜回收率隨料液比有減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵龃罅弦罕葧?huì)使分離容器底部的顆粒沉積量增多，使得部分顆粒無法被充分?jǐn)噭?dòng)。當(dāng)料液比一定時(shí)，膜回收率隨攪拌時(shí)間的增大明顯增大，為保證膜的回收率，同時(shí)在考慮能耗的情況下，可適當(dāng)提高攪拌時(shí)間，最優(yōu)的攪拌時(shí)間為17～25 min。

圖11 交互作用影響下的響應(yīng)曲面Fig.11 Response surfaces under interaction influence

由圖11c可知，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速較低時(shí)，膜回收率隨液比的增大而減小，低轉(zhuǎn)速下增大料液比易在容器底部產(chǎn)生顆粒堆積，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速較高時(shí)，膜回收率隨料液比的增大而增大，高轉(zhuǎn)速下增大料液比不易在容器底部產(chǎn)生顆粒堆積，同時(shí)增大了顆粒間碰撞幾率，有利于蛋殼膜的分離。當(dāng)料液比一定時(shí)，膜回收率隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大而增大。從蛋殼膜分離效率考慮可同時(shí)增大料液比和攪拌轉(zhuǎn)速，最優(yōu)攪拌轉(zhuǎn)速為300～400 r/min，最優(yōu)料液比為0.05～0.07 g/mL。

由圖11d可知，當(dāng)分離液溫度較低時(shí)，膜回收率隨料液比的增大而緩慢增大，當(dāng)分離液溫度較高時(shí)，膜回收率隨料液比的增大而減小。當(dāng)料液比較低時(shí)，膜回收率隨分離液溫度變化不明顯，當(dāng)料液比較高時(shí)，膜回收率隨分離液溫度增大而減小。為增大膜回收率且減小能耗，可降低分離液溫度和增大料液比。最優(yōu)分離液溫度為20～32℃，料液比為0.05～0.07 g/mL。

試驗(yàn)指標(biāo)攪拌功率主要受攪拌轉(zhuǎn)速的影響，攪拌轉(zhuǎn)速升高，攪拌功率明顯升高；料液比、分離液溫度和攪拌時(shí)間對(duì)槳葉攪拌功率基本無影響，但是攪拌時(shí)間和分離液溫度對(duì)整個(gè)分離過程的能耗有影響。

3.4.2優(yōu)化分析

為使膜回收率最高，提高效率，節(jié)約能源，并得出最佳試驗(yàn)因素水平組合，利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化的過程中，在保證良好分離效果的同時(shí)，盡量減小攪拌時(shí)間、攪拌轉(zhuǎn)速和分離液溫度，增大料液比，目的是減小功耗、提高效率。根據(jù)圖11響應(yīng)曲面的分析得到優(yōu)化條件為

通過上述優(yōu)化得到各因素最優(yōu)組合，當(dāng)攪拌時(shí)間為18.57 min、攪拌轉(zhuǎn)速為337.68 r/min、料液比為0.07 g/mL、溫度為20℃時(shí)，膜回收率最高為89.26%。

3.4.3驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，選取攪拌時(shí)間18.57 min、攪拌轉(zhuǎn)速337.68 r/min、料液比0.07 g/mL、分離液溫度20℃作為試驗(yàn)條件重復(fù)3次驗(yàn)證試驗(yàn)，其他試驗(yàn)條件與正交試驗(yàn)條件一致，試驗(yàn)結(jié)果(膜回收率)：88.64%、88.10%、89.01%，取3次均值88.58%作為最終試驗(yàn)結(jié)果，與優(yōu)化結(jié)果接近，優(yōu)化結(jié)果可信。試驗(yàn)情況如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)情況圖Fig.12 Experiment photos

4 結(jié)論

(1)模擬分析了料液比、攪拌轉(zhuǎn)速和顆粒粒徑對(duì)碟形分離容器內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)特性的影響。增大料液比或減小攪拌轉(zhuǎn)速，分離容器底部顆粒堆積范圍擴(kuò)大，增大顆粒粒徑，容器底部顆粒沿徑向運(yùn)動(dòng)的能力增強(qiáng)，但同時(shí)也會(huì)降低顆粒的懸浮高度。

(2)對(duì)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，建立蛋膜回收率和各個(gè)試驗(yàn)因素之間的回歸模型，通過響應(yīng)面來分析蛋膜回收率和各組合因素之間的關(guān)系，確定了影響蛋膜回收率因素由大到小依次為：攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、分離液溫度、料液比。

(3)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，確定了攪拌時(shí)間18.57 min，攪拌轉(zhuǎn)速337.68 r/min、料液比0.07 g/mL、分離液溫度20℃下的膜回收率為88.58%，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果相接近，優(yōu)化結(jié)果可信。

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InfluenceFactorsofSeparatingEggMembranefromEggshellbyMechanicalStirring

CHI Yuan1WANG Yong1LI Mengfu1YANG Yuebin1REN Jie1CHI Yujie2

(1.CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China2.CollegeofFoodScience,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

The method of mechanical stirring to separate egg membrane from eggshell has the advantages of high separating efficiency, bulk processing and no pollution to the environment. Fluent 6.3 was used to explore the effects of different stirring rotational velocities, particle diameter sizes and solid-liquid ratios on the flow field characteristics of the particle suspension state, solid holdup distribution, solid-phase velocity and stirring power consumption. Simulation results showed that the scope of particle accumulation at the bottom would be decreased while the solid-liquid ratio was decreased and the solid-liquid ratio should be reduced properly. Particles accumulation was decreased while stirring rotational velocity was increased, but power consumption would be increased dramatically, in order to ensure most particles suspension and reduce power consumption, the stirring rotational velocity should be set as 300～350 r/min in experiment. Enlarging particles diameter size can reduce particle accumulation at bottom, lower particles suspension height, and increase the moving resistance of particles along the axial direction in the flow field, so the particles size of 1.5～2.5 mm can be chosen for eggshell separation experiment. Therefore, appropriate conditions were obtained for the experiment of separating membrane from eggshell according to the simulation results. Moreover, quadratic orthogonal rotary combination experiments were carried out with factors of stirring rotational velocity, stirring time, solid-liquid ratio and separating medium temperature. The experimental data was optimized and analyzed by Design-Expert 8.0.6. The regression model between the experiment index and the factors was obtained. Meanwhile, the response surfaces were established between membrane recovery and experiment factors in order to obtain the relationship intuitively. The experiment result showed that the importance of stirring rotational velocity to egg membrane recovery was the most, and then the stirring time, separation medium temperature and solid-liquid ratio. The interaction between stirring time and stirring rotational velocity to separation effect was the most significant. Optimization results showed that the membrane recovery rate reached 88.58% while the stirring time was 18.57 min, stirring rotational velocity was 337.68 r/min, solid-liquid ratio was 0.07 g/mL, and the separation medium temperature was 20℃, and the separation effect of egg membrane from eggshell was perfect. Conclusions of numerical simulation and experiment would improve the membrane recovery and utilization of discarded eggshell, and provide a reference for the solid-liquid two-phase flow and related study.

liquid-solid two-phase flow; particles suspension; numerical simulation; eggshell membrane separation

TS253.3

A

1000-1298(2017)09-0359-10

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.046

2017-01-04

2017-03-05

國家蛋雞產(chǎn)業(yè)體系項(xiàng)目(CARS-41-K25)和黑龍江省博士后經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(LBH-Z14032)

遲媛(1974—)，女，副教授，博士，主要從事流體傳動(dòng)與控制研究，E-mail： cy207@126.com