CN108342517A - 撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种撞击流‑水力空化强化蔗汁澄清的方法，在传统的亚硫酸法澄清工艺（可以是酸性亚硫酸法、碱性亚硫酸法、中性亚硫酸法或者是磷酸亚硫酸法等）中，将硫熏中和后的蔗汁通入撞击流‑水力空化强化装置，对硫熏中和反应进行强化；所述的撞击流‑水力空化强化装置或是设置在硫熏中和反应之后、二次加热之前；或是设置在二次加热之后、进入沉降器之前。本发明一方面使得糖汁中残留的SO₂、Ca²⁺降低，提高成品白砂糖的质量；另一方面又使糖汁的色值显著降低。相比于传统的工艺，通过撞击流‑水力空化强化，取得如下效果：（1）糖汁中残留的SO₂、Ca²⁺降低30%以上；（2）清汁纯度提高1.5%以上；（3）脱色率提高60%以上。

Description

撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法

技术领域

本发明涉及一种蔗汁澄清的方法，特别涉及一种撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法。

背景技术

澄清工序是制糖过程最关键的环节，澄清的目的是将混合汁中的胶体、色素等非糖份除去。在传统的亚硫酸法澄清工艺中，澄清是通过添加SO₂、石灰乳和磷酸，形成亚硫酸钙沉淀和磷酸钙沉淀从而将糖汁中的胶体、色素等杂质吸附而除去，亚硫酸钙沉淀和磷酸钙沉淀对胶体色素的吸附能力直接影响到澄清效果。目前白砂糖质量相关的标准要求越来越高，而目前的硫熏中和过程存在硫熏强度过高、二氧化硫吸收不完全、积垢多、适应生产能力差、逸出的二氧化硫气体污染大气环境等缺点，最重要的是由于中和反应不完全、CaSO₃析出不充分导致清汁中的二氧化硫残留量偏高，最终导致白砂糖成品二氧化硫偏高而使产品降级。

澄清效果受到亚硫酸钙沉淀的吸附性能及沉淀颗粒密度即致密程度的影响，而SO₂残留则是未参与反应的SO₂或H₂SO₃，实质上是由中和反应程度和速度决定的，因而，若能够在特定的条件下，加快中和反应速度和加大反应程度，并使沉淀颗粒结实致密，就能够达到提高脱色率、降低糖汁中SO₂残留量的双重效果。此外，蔗汁的色值高低一方面和澄清效果密切相关；另一方面与蔗汁残留非糖分中有色物的含量有关。如何提高中和反应速度和反应程度，是提高澄清和脱色效果、降低残硫量的关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法，该方法通过撞击流-水力空化产生强烈空化效应，对蔗汁（中和汁或石灰汁）进行作用，从而达到强化澄清的效果。

解决上述技术问题的技术方案是：一种撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法，在传统的亚硫酸法澄清工艺中，将硫熏中和后的蔗汁通入撞击流-水力空化强化装置，对硫熏中和反应进行强化，所述的撞击流-水力空化强化装置包括水力空化装置，所述的水力空化装置上设置有至少两个能同时通入蔗汁产生撞击流的蔗汁入口。

所述的撞击流-水力空化强化装置的入口压力为0.2～0.6MPa，出口压力为环境压力。

所述的撞击流-水力空化强化装置或是设置在硫熏中和反应之后、二次加热之前；或是设置在二次加热之后、进入沉降器之前。

本发明的进一步技术方案是：所述的水力空化装置是文丘里管，沿物料的流动方向，文丘里管依次为入口段、收缩段、喉道、扩散段和出口段，所述的入口段上对称设置有两个蔗汁入口，蔗汁同时从两个蔗汁入口进入文丘里管的入口段内产生撞击流。

文丘里管收缩段角度α与扩散段角度β的比例为0.5～2，喉道长度L与喉道直径d的比例范围为1.6～3.2。

本发明的另一进一步技术方案是：所述的水力空化装置包括外壳和孔板，孔板安装在外壳内将外壳分隔为反应前段和反应后段，所述的反应前段对称设置有两个蔗汁入口，蔗汁同时从两个蔗汁入口进入的壳体的反应前段内产生撞击流，反应后段设置有蔗汁出口。

所述的孔板厚度与通孔孔径的比值为1.6～5，孔板上开有通孔的数量至少为1个。

所述的传统的亚硫酸法澄清工艺是酸性亚硫酸法、碱性亚硫酸法、中性亚硫酸法或者是磷酸亚硫酸法。

本发明的原理：撞击流最早是1961年由科学家Elperin提出的，是指在两股气固两相流体高速相向撞击。当两股流体相互撞击时获得很高的相对速度，且由于惯性，固体可以在两股流体中反复运动，并且撞击区的湍流作用非常强烈，大大强化相间传递过程，并产生强烈的压力脉冲。

水力空化是当流体流过一个收缩装置（如几何孔板，文丘里管等）时产生压降，当压力降至蒸汽压甚至负压时，溶解在流体中的气体会释放出来，同时流体汽化而产生大量空化泡，空泡在随流体进一步流动的过程中，遇到周围的压力增大时，体积将急剧缩小直至溃灭，并在其周围的极小空间范围内产生局部高温（高达5000 K）和局部高压（可达50MPa），伴随出现强烈的冲击波和速度高达100m/s微射流；同时汽泡的水蒸汽等在高温高压的极端环境下裂解为·OH、HO₂·和·O等自由基，从而引起一些化学反应的发生。在蔗汁澄清过程中，空化由于其具有：（1）剧烈的湍流效应。空化效应能够产生的剧烈的湍流效应，而空化由于压力剧烈振荡又能够产生比超声空化和水力空化大得多的湍流效应，从而使蔗汁中各种成分极快混合，如使得中和汁中磷酸根、钙离子、亚硫酸根离子快速混合，从而加快反应速度和加大反应程度，同时使得沉淀颗粒均匀、密实，并加大沉淀颗粒与蔗汁中非糖分接触的机会，达到提高澄清效果的作用；（2）自由基效应。空化产生强烈的空化效应，由于空化泡溃来过程时间极短，空化汽泡在崩溃的瞬间，会在其周围的极小空间范围内产生局部高温（高达5000K）和局部高压（可达50MPa），汽泡的水蒸汽等在高温高压的极端环境下裂解为·OH、HO₂·和·O等自由基，这些自由基能够对糖汁的色素分子的双键氧化而断裂，将原有的有色物质分子破坏生成分子量较低、含双键较少，而且不能再缩聚成有色物的物质。

基于撞击流和水力空化产生的效应，本发明将撞击流和水力空化进行协同作用，利用撞击流产生的强烈的湍流作用和压力脉冲作用，对水力空化进行强化作用，从而获得比单独的撞击流更加显著的空化效应，即更为剧烈的湍流效应和产生更多的自由基。

本发明的强化蔗汁澄清的效果与单独撞击流作用或现有水力空化强化蔗汁澄清技术相比，在相同的能量消耗作用下，澄清效果有明显的提高，至少提高60%以上，具有大规模工业应用的优势。

中和汁通过撞击流-水力空化强化装置进行硫熏中和反应，可以达到如下效果：

（1）残留的SO₃ ^2-含量低。

硫熏中和后经过沉降澄清得到的蔗汁中SO₃ ^2-的含量，直接影响到白砂糖中二氧化硫的含量。随着国民经济的发展和产品质量意识的提高，白砂糖的二氧化硫含量要求有进一步降低的趋势。因此如何有效减少白砂糖中二氧化硫含量，是糖厂面临的一个重要问题，尤其在生产出现波动时更加容易产生二氧化硫含量超标的情况。本发明的实施，使蔗汁硫熏中和反应在撞击流-水力空化强化进行，撞击流-水力空化强化中产生强烈的空化效应。空化的聚能效应能给过饱和溶液提供能量，提高整个系统的振动能，在极小的空间和极短的时间内产生冲击波和射流，并且界面效应降低了结晶能，使沉淀的生成和长大速率提高几个数量级，结果是SO₃ ^2-和Ca²⁺过饱和溶液在介稳区（较低过饱和度）就可以实现CaSO₃沉淀的形成和长大，大大降低了溶液体系中SO₃ ^2-的含量，从而为最终降低白砂糖成品中的残硫量提供了必要条件。撞击流-水力空化协同作用使得其强化效果比单独的超声空化或水力空化强化作用更加显著。

（2）残留的Ca²⁺含量低。

糖汁残留Ca²⁺含量高，一方面会导致产品灰分高，降低产品的质量，同时糖汁中无机物的含量高，会使造蜜率升高，糖分收回率降低；另一方面，糖汁中残留的Ca²⁺等无机盐，会使设备管道积垢严重，降低传热效率，增加能耗和降低生产效率。本发明的实施，由于剧烈的空化效应使得SO₃ ^2-和Ca²⁺过饱和溶液在介稳定区就可以实现CaSO₃沉淀的形成和长大，大大降低了溶液体系中Ca²⁺的含量，从而避免了由于蔗汁中残留Ca²⁺较多而导致的诸如产品灰分高、糖分收回率降低、增加设备管道的积垢等不利影响。

（3）反应速度快，沉淀颗粒结实，吸附性能好。

在制糖澄清过程，主要是靠SO₃ ^2-和Ca²⁺反应形成CaSO₃沉淀以及PO₄ ^3-和Ca²⁺反应形成Ca₃(PO₄)₂沉淀从而将糖汁中的胶体、色素吸附而除去。亚硫酸钙沉淀和磷酸钙沉淀对胶体色素的吸附能力直接影响到澄清脱色效果，而沉淀颗粒的结实程度，即密度大小又直接影响到其沉降性能。在撞击流-水力空化空化条件下，形成的高度湍流等效应，使得反应体系具有良好的混合作用，加速反应离子的充分接触，从而使得反应速度加快，同时使得生成的沉淀颗粒结实，沉降速度快，泥汁体积少，过滤性能好。另一方面，由于反应速度快，形成的沉淀颗粒表面新鲜，颗粒对蔗汁中胶体、色素等杂质等吸附能力强，提高了蔗汁的澄清脱色效果。此外，SO₃ ^2-和Ca²⁺反应形成CaSO₃沉淀的反应速度快，会使得SO₂吸收充分，提高SO₂的利用率；同时，SO₂的快速稳定吸收还会使体系pH维持稳定，避免由于局部过酸使蔗糖转化，造成蔗糖损失，或局部过碱会使还原糖分解，影响蔗汁质量。

（4）产生的沉淀颗粒均匀。

SO₃ ^2-和Ca²⁺反应形成CaSO₃沉淀颗粒的大小均匀性影响到颗粒在沉降器中沉降的稳定性及均衡性。如果颗粒不均匀，会造成沉降器中沉降不均匀，局部沉降过快或过慢，严重时还可能使沉降器中出现对流翻滚情况，造成沉降效果变差，降低清净效率。因而，CaSO₃沉淀颗粒大小均匀性是保证或提高沉降效果从而提高清净效率的关键因素之一。本发明的实施，使得硫熏中和反应体系在高湍流状态及“空化”效应的作用下，SO₃ ^2-和Ca²⁺反应形成CaSO₃沉淀颗粒以及PO₄ ^3-和Ca²⁺反应形成Ca₃(PO₄)₂沉淀颗粒尺寸范围分布较窄，颗粒均匀，增加了蔗汁澄清过程的稳定性，提高澄清效果。

（5）糖汁色值降低。

处理后糖汁色值低，从而使成品白砂糖的色值低，产品质量高。白砂糖色值受到糖浆质量以及操作条件的影响，因而糖汁的色汁直接影响到白砂糖的色值。通过撞击流-水力空化强化强化处理的糖汁，极大地降低了糖汁的色值，提高了白砂糖的质量。

本发明的实施效果如下：

本发明的实施，使SO₃ ^2-和Ca²⁺的浓度在比常规情况下低得多时，即过饱和系数很小时，便能够形成较多的沉淀，使SO₂和Ca²⁺的反应更加充分，同时反应速度大大加快，使沉淀颗粒比常规情况下更加大且致密，结果一方面使得糖汁中残留的SO₂、Ca²⁺降低，提高成品白砂糖的质量；另一方面又使糖汁的色值显著降低。相比于传统的工艺，通过撞击流-水力空化强化，取得如下效果：

（1）糖汁中残留的SO₂、Ca²⁺降低30%以上；

（2）清汁纯度提高1.5%以上；

（3）脱色率提高60%以上。

附图说明

图1：本发明实施例1工艺流程图。

图2：本发明实施例2工艺流程图。

图3：本发明实施例1使用的撞击流-水力空化强化装置结构示意图。

图4：本发明实施例2使用的撞击流-水力空化强化装置结构示意图。

图5：本发明实施例2使用的撞击流-水力空化强化装置右视图。

图6：本发明之孔板结构示意图（设置有1个通孔）。

图7：本发明之孔板结构示意图（设置有3个通孔）。

图中箭头表示蔗汁的流动方向。

具体实施方式

本发明所采用的方法是，在传统的亚硫酸法澄清工艺（可以是酸性亚硫酸法、碱性亚硫酸法、中性亚硫酸法或者是磷酸亚硫酸法等）中，将硫熏中和后的蔗汁通入撞击流-水力空化强化装置，对硫熏中和反应进行强化，所述的撞击流-水力空化强化装置包括水力空化装置，所述的水力空化装置上设置有至少两个能同时通入蔗汁产生撞击流的蔗汁入口。本发明的具体实施例如下：

实施例1：一种撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法，在传统的亚硫酸法澄清工艺中，将硫熏中和后的蔗汁通入撞击流-水力空化强化装置，对硫熏中和反应进行强化，所述的撞击流-水力空化强化装置设置在硫熏中和反应之后、二次加热之前（如图1所示），所述的撞击流-水力空化强化装置（如图3所示）包括文丘里管1，沿物料的流动方向，文丘里管依次为入口段11、收缩段12、喉道13、扩散段14和出口段15，所述的入口段11对称设置有两个蔗汁入口16，蔗汁同时从两个蔗汁入口16进入文丘里管的入口段内产生撞击流。文丘里管收缩段角度α与扩散段角度β的比例为0.5～2，喉道长度L与喉道直径d的比例范围为1.6～3.2。

附表1：实施例1文丘里管几何参数。

附表1仅是实施例1文丘里管尺寸的几种实施例，在实际应用过程中，可以根据实际情况进行适当的放大或缩小。

实施例2：一种撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法，在传统的亚硫酸法澄清工艺中，将硫熏中和后的蔗汁通入撞击流-水力空化强化装置，对硫熏中和反应进行强化，所述的撞击流-水力空化强化装置设置在二次加热之后、进入沉降器之前（如图2所示），所述的撞击流-水力空化强化装置（如图4、图5所示）包括外壳2和孔板3，孔板安装在外壳内将外壳分隔为反应前段21和反应后段22，所述的反应前段对称设置有两个蔗汁入口23，蔗汁同时从两个蔗汁入口23进入的壳体的反应前段21内产生撞击流，反应后段设置有蔗汁出口。所述的孔板厚度与通孔的孔径的比值为1.6～5，孔板上开有通孔41的数量至少为1个。

附表2：实施例2孔板几何参数。

附表2仅是实施例2孔板尺寸的几种实施例，在实际应用过程中，可以根据实际情况进行适当的放大或缩小。

本发明各实施例中，所述的撞击流-水力空化强化装置的入口压力为0.2～0.6MPa，出口压力为环境压力（大气压左右）。

作为一种变换，本发明实施例1和实施例2采用的撞击流-水力空化强化装置可以交换使用，即实施例1可以使用实施例2所述的撞击流-水力空化强化装置；实施例2也可以使用实施例1所述的撞击流-水力空化强化装置。

本发明与传统工艺、水力空化强化工艺对比实验结果如下：

上表中，水力空化强化蔗汁澄清的工艺是采用水力空化装置（如文丘里管，仅有一个入口，不能产生撞击流）替代本发明的撞击流-水力空化强化装置，其他参数均相同。

Claims (8)

1.一种撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法，其特征在于：在传统的亚硫酸法澄清工艺中，将硫熏中和后的蔗汁通入撞击流-水力空化强化装置，对硫熏中和反应进行强化，所述的撞击流-水力空化强化装置包括水力空化装置，所述的水力空化装置上设置有至少两个能同时通入蔗汁产生撞击流的蔗汁入口。

2.根据权利要求1所述的撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法，其特征在于：所述的撞击流-水力空化强化装置的入口压力为0.2～0.6MPa，出口压力为环境压力。

3.根据权利要求2所述的撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法，其特征在于：所述的撞击流-水力空化强化装置或是设置在硫熏中和反应之后、二次加热之前；或是设置在二次加热之后、进入沉降器之前。

4.根据权利要求1-3任一项所述的撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法，其特征在于：所述的水力空化装置是文丘里管（1），沿物料的流动方向，文丘里管依次为入口段（11）、收缩段（12）、喉道（13）、扩散段（14）和出口段（15），所述的入口段（11）上对称设置有两个蔗汁入口（16），蔗汁同时从两个蔗汁入口（16）进入文丘里管的入口段内产生撞击流。

5.根据权利要求4所述的撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法，其特征在于：文丘里管收缩段角度α与扩散段角度β的比例为0.5～2，喉道长度L与喉道直径d的比例范围为1.6～3.2。

6.根据权利要求1-3任一项所述的撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法，其特征在于：所述的水力空化装置包括外壳（2）和孔板（3），孔板安装在外壳内将外壳分隔为反应前段（21）和反应后段（22），所述的反应前段对称设置有两个蔗汁入口（23），蔗汁同时从两个蔗汁入口（23）进入的壳体的反应前段（21）内产生撞击流，反应后段设置有蔗汁出口。

7.根据权利要求6所述的撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法，其特征在于：所述的孔板厚度与通孔孔径的比值为1.6～5，孔板上开有通孔（31）的数量至少为1个。

8.根据权利要求1-3任一项所述的撞击流-水力空化强化蔗汁澄清的方法，其特征在于：所述的传统的亚硫酸法澄清工艺是酸性亚硫酸法、碱性亚硫酸法、中性亚硫酸法或者是磷酸亚硫酸法。