糖汁紊流絮凝强化沉降过程研究论文

摘要：主要研究糖汁紊流絮凝强化沉降过程在糖厂的生产试验并进行经济分析。实验结果表明，管道式紊流絮凝器用于亚硫酸法糖厂强化沉降过程的效果明显，并且经济效益显著。因此，管道式紊流絮凝器在制糖工业具有广阔的应用前景和推广价值。关键词：紊流絮凝；沉降过程；应用前景；甘蔗糖厂 作者简介：马月飞（1979- ），女，制糖工程硕士，广西工学院生物与化学工程系助教。 1  引言    在我国制糖生产过程中，糖厂传统的絮凝沉降存在诸多缺点：絮凝剂在沉降池入口加入，未经充分混合、碰撞，即进行静止沉降。这样既浪费了絮凝剂，又造成反应时间短，沉降停留时间长，清汁质量不高，泥汁密实性差。霍汉镇在提到蔗汁沉降使用PAM（即絮凝剂）的注意事项时也指出：糖厂将絮凝剂加入到沉降池顶部蔗汁入口处，没有适当的混合措施，絮凝剂难以混合均匀，这种情况大大降低使用絮凝剂的效果，是不少糖厂使用絮凝剂没有良好效果的主要原因，应当改进^[1]。    絮凝效果的好坏取决于两个因素^[2]：一是絮凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸附架桥的连接能力，这是由絮凝剂的性质决定的；二是微小颗粒碰撞几率和如何控制它们进行合理有效的碰撞，这是由设备的动力条件所决定的。目前糖厂的絮凝沉降过程仅注意第一个因素，而第二个因素被忽略了。因此，要强化沉降过程，就必须重视第二个因素，设法实现设备的动力条件。    鉴于目前糖厂传统絮凝沉降过程的缺点，本文拟研究应用管道式紊流絮凝器实现影响絮凝效果的第二个因素——设备的动力条件，实现糖汁的紊流絮凝，充分发挥絮凝剂的絮凝作用，从而强化沉降过程，缩短沉降时间，减少蔗汁在沉降器内停留时间。糖汁在沉降器内停留时间的减少有两方面的益处：（1）减少由于高温和适温细菌的作用造成的糖分损失。（2）增加沉降器的生产能力，从而可以使用更小型的沉降器，降低制造成本。    我们已经研究了糖汁紊流絮凝强化沉降过程的可行性^[3]，本文主要研究糖汁紊流絮凝强化沉降过程在亚硫酸法糖厂的生产试验并进行经济分析。 2  糖汁紊流絮凝的机理   通过分析絮凝的动力学过程^[4] 可知，絮凝实质上是通过向胶体或悬浊体系（“悬浊体系”是在水处理方面对被处理溶液的总称，本文所研究的紊流絮凝机理同时适用于蔗汁胶体体系及水处理中的悬浊体系）提供必要的化学条件和流体力学条件，促使微粒体积变大从而与介质分离的过程。对于絮凝，微粒之间的接触碰撞是必要条件。   紊流是一种随机的不规则运动，但对这种复杂运动很难做出完整描述，只能提出反映主要特点的某种近似的理想化的模式，目前己为大家接受的是理查孙—柯尔莫戈罗夫的紊流图像，描述如下^[5]：    在很高雷诺数的充分发展的紊流中存在着各种频率、振幅、周期的脉动或涡旋或扰动，即充分发展的紊流是由各种不同尺度的涡旋组成。平均流丧失稳定性，分解为一级尺度的涡旋并由平均流给它提供能量；一级尺度的涡旋丧失稳定性，分解为二级尺度的涡旋并给它提供能量。如此继续由大一级尺度的涡旋分解成次一级尺度的涡旋并提供给它能量，直至最小尺度的涡旋将能量耗散，即由机械能转变为非机械能。由这种紊流图象可知：紊流运动可以看成是各种不同尺度的涡旋运动迭加于平均流速束的结果，而涡旋运动产生的剪切力和惯性离心力是絮凝颗粒产生接触碰撞的主要动力。 3 管道式紊流絮凝器的结构设计    用于实验的管道式紊流絮凝器为管状，由快混管段、快搅管段和慢搅管段组成，如图1所示。快混管段采用文丘里管，设计尺寸参考文献^[6]、[7]；快搅管段内部采用的是静态混合器结构形式，用于本次实验的SK型静态混合器购于上海化工研究院所属的上海天乐技术经济发展公司，SK型单元是由单孔道左、右扭转的螺旋片组焊而成；慢搅管段采用螺纹管，管内的螺旋槽具有一定深度。   1-快混管段   2-快搅管段   3-慢搅管段图1 管 道 式 紊 流 絮 凝 器 示 意 图 4  糖汁紊流絮凝强化沉降过程在亚硫酸法糖厂的应用研究4.1  实验流程   本次实验在亚硫酸法糖厂进行（2004年12月至2005年1月），实验地点选在广西欧亚糖业有限公司的那彭糖厂。如图2所示，在进入沉降器之前的管道上安装一旁路管，接上管道式紊流絮凝器。经二次加热的中和汁流过管道式紊流絮凝器，同时加入絮凝剂，使絮凝剂与中和汁在此器中进行“闪烁式混合” ，然后沉降得清汁。（按糖厂的工艺条件进行实验）4.2  实验方法   对比分析管道紊流絮凝沉降与传统絮凝沉降效果，测定两者的沉降速度、过滤速度、清汁简纯度、清汁色值、还原糖、钙盐含量和水不溶物。4.3  测定方法^[8]①沉降速度：以20mL澄清汁作衡量基准②过滤速度：以30mL滤汁作衡量基准③清汁简纯度（AP）：折光法和一次旋光法④还原糖：兰—艾农恒容法⑤清汁色值（IU₅₆₀）：ICUMSA方法2（560nm波长）⑥清汁钙盐含量：滴定法⑦糖汁水不溶物：重量法

4.4  主要仪器与药品

仪器：WZZ-T₂旋光仪(上海精密科学仪器有限公司)阿贝折光仪(上海精密科学仪器有限公司)滴定管（50mL，分度0.1mL）  电炉  秒表   精密温度计（0.1℃分度值）DZKW-6电子恒温不锈钢水浴锅METTLER TOLEDO 320 Ph METERHJ-3恒温磁力搅拌器微孔膜过滤器（Φ150mm孔径0.45µm）722光栅分光光度计（上海第三分析仪器厂）HC•TP11B.10架盘药物天平坩埚式玻璃过滤器（滤片过滤孔径≤40µm）恒温干燥箱   玻璃干燥器   抽滤装置METTLER  AE200电子天平药品：糖用碱式醋酸铅   24.85ºBx盐酸，231.5g/L氯化钠溶液50g/L草酸钾溶液，费林氏试剂，10g/L四甲基蓝溶液  约0.5mol/L盐酸溶液，约0.5mol/L氢氧化钠溶液150g/L氢氧化钠溶液，20 g/L盐酸羟胺溶液，钙指示剂0.01mol/L EDTA溶液4.5  实验结果与讨论管道紊流絮凝沉降与传统絮凝沉降的沉降速度如表1所示： 表1  传统工艺絮凝（A）和管道紊流絮凝(B)的沉降速度对比 

序号	沉降速度（S）		沉降速度变化（A-B）	B较A沉降速度提高（%）	平均提高（%）
	A	B
1	34.1	20.0	14.1	41.3	47.8
2	33.3	15.8	17.5	52.6
3	65.3	39.8	25.5	39.1
4	29.1	16.2	12.9	44.3
5	53.1	21.7	31.4	59.1
6	36.5	12.5	24.0	65.8
7	39.2	13.6	25.6	65.3
8	29.4	15.6	13.8	46.9
9	28.2	19.4	8.8	31.2
10	39.8	19.4	20.4	51.3
11	53.0	22.1	30.9	58.3
12	43.0	29.9	13.1	30.5
13	51.9	33.8	18.1	34.9
14	33.2	18.1	15.1	45.5
15	43.3	17.5	25.8	59.6
16	32.0	13.7	18.3	57.2
17	37.1	24.5	12.6	34.0
18	51.6	29.3	22.3	43.2
平均	40.7	21.3	19.4

  管道紊流絮凝沉降与传统絮凝沉降的清汁水不溶物含量如表2所示： 表2  传统工艺絮凝（A）和管道紊流絮凝 (B)的清汁水不溶物对比 

序号	清汁水不溶物(mg/kg)		清汁水不溶物变化（A-B）	B较A水不溶物降低（%）	平均降低（%）
	A	B
1	19.8	22.6	-2.8	-14.1	30.8
2	6.2	5.6	0.6	9.7
3	34.4	6.2	28.2	82.0
4	11.8	5.6	6.2	52.5
5	9.4	14.6	-5.20	-55.3
6	9.8	4.0	5.8	59.2
7	9.4	1.6	7.8	83.0
8	3.2	1.2	2.0	62.5
9	8.6	7.2	1.4	16.3
10	14.0	0.8	13.2	94.3
11	7.2	4.4	2.8	38.9
12	8.0	3.4	4.6	57.5
13	14.4	7.6	6.8	47.2
14	9.4	9.4	0.0	0.0
15	5.2	6.4	-1.2	-23.1
16	20.2	14.6	5.6	27.7
17	10.8	8.4	2.4	22.2
18	9.6	10.2	-0.6	-6.3
平均	11.7	7.4	4.3

     由于篇幅有限，实验具体结果仅列出沉降速度和清汁水不溶物含量，其余检测项目的具体结果见相关资料(马月飞.糖汁紊流絮凝强化沉降过程的机理及应用研究.广西大学学位论文，广西大学图书馆,2005)。各检测项目的平均值（18组数平均）汇总于表3： 

检测项目	传统工艺絮凝（A）	管道紊流絮凝(B)	B较A平均提高或降低（%）	备注
沉降速度（S）	40.7	21.3	提高47.8
过滤速度（S）	33.9	22.6	提高32.5
清汁纯度（AP）	87.83	88.22	提高0.44	混合汁纯度为86.12
澄清效率（%）	14.0	17.2	提高22.9
清汁色值（IU）	782	763	降低1.9
清汁还原糖RS（%）	0.54	0.51	降低4.19
清汁钙盐含量(%ºBx)	0.40	0.38	降低4.97
清汁水不溶物(mg/kg)	11.7	7.4	降低30.8

 

                                         糖汁紊流絮凝在亚硫酸法糖厂的试验结果表明，与传统工艺絮凝的效果对比，其强化沉降过程效果明显，沉降速度平均提高47.8%。根据沉降机理，沉淀颗粒的密度、形状和大小，都对沉降速度产生重要的影响。因为沉降的推动力来自颗粒与蔗汁之间的密度差。颗粒的密度越大，或蔗汁的密度越小，都会增加颗粒的沉降速度。此外，沉淀颗粒越大，越接近于球形，则沉降速度也就越高。本文在目前糖厂传统工艺絮凝沉降的基础上，使用管道式紊流絮凝器来实现设备的动力条件，从而达到糖汁的紊流絮凝，提高絮凝效果，生成密实度和颗粒尺寸较大的絮凝颗粒，因而易于沉降。   沉淀颗粒密实度大、直径大，既能加速沉降，又可提高过滤速度，过滤速度平均提高32.5%；由于管道式紊流絮凝器能提高絮凝效果，非糖分被吸附沉淀较完全，从而提高了澄清效果，澄清效率平均提高22.9%,清汁纯度平均提高0.44%，清汁色值较好；清汁钙盐含量平均降低4.97%；清汁水不溶物平均降低30.8%。 5  经济分析   以万吨蔗为计算基础，平均蔗糖分14%，压榨抽出率96%，取试验数据沉降停留时间减少47.8%，清汁纯度提高0.39（88.22-87.83=0.39）的多产糖效益分析如下：（1）沉降过程少损失糖量中和汁加热到100℃，查表^[9]得蔗糖转化常数K₀=26.797，中和pH7.0，传统沉降停留时间120min。则紊流絮凝后沉降停留时间为：120×（100-47.8）%=62.64min万吨蔗进澄清系统的蔗糖量=10000×14%×96%=1344t传统沉降损失糖量=26.797×10^-7×1344×120=0.432t紊流絮凝后沉降损失糖量=26.797×10^-7×1344×62.64=0.226t减少损失糖量=0.432-0.226=0.206t以4000t/d糖厂、年榨50万吨蔗计，全年少损失糖量=0.206×50=10.3t（2）由于清汁纯度提高而多收回糖以纯度提高1个百分点，总收回提高0.75个百分点^[10]计，则增加产糖率%=14%×0.75×0.39/99.7=0.041%4000t/d糖厂年榨50万吨蔗可增加产糖量=0.041%×50=0.0205万吨=205吨（3）总增加产糖量=10.32×90%+205=214.29吨（煮炼收回90%）（4）按平均糖价4500元/吨计，年增收益=4500×214.29=967455元≈96万元 6  结论与展望    本次实验结果表明，管道式紊流絮凝器用于强化甘蔗糖厂的沉降过程是可行的，并且经济效益显著，对减少制糖生产过程中的糖分损失、提高收回、增加沉降器生产能力具有重大的经济意义。因此，管道式紊流絮凝器在制糖工业具有广阔的应用前景和推广价值。    经过在糖厂的生产试验，表明该设备用于糖厂强化沉降过程效果明显，但由于设备在处理能力上还须进行工业放大，因此仍须进一步开展糖厂的生产试验研究。