自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置的制作方法

本实用新型涉及一种蔗汁澄清的装置，特别涉及一种自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置。

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。

目前公开的专利文献中，有采用涡流装置产生水力空化强化蔗汁澄清的方法，这种方法存在的不足之处是：涡流空化会导致涡流泵叶片和空腔的“空蚀”，“空化”效果也好，“空蚀”也就越严重，涡流泵受损害也就越大，使设备寿命缩短。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置，该装置能够产生自激振荡并产生强烈脉冲水力空化（即空化射流），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：一种自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置，该自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置是具有中空部分的管状结构，所述的中空部分分为喇叭口段和多个直径不同的圆孔段。

本实用新型的进一步技术方案：沿物料的流动方向，所述的自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置的中空部分分别为第一圆孔段Ⅰ、第二圆孔段Ⅰ、第三圆孔段Ⅰ、喇叭口段Ⅰ和第四圆孔段Ⅰ，所述第一圆孔段Ⅰ直径D1与第二圆孔段Ⅰ直径D2的比值为1.5～3.5，第二圆孔段Ⅰ直径D2与第三圆孔段Ⅰ直径D3的比值为1.5～5。

所述的第四圆孔段Ⅰ直径D4与第三圆孔段Ⅰ直径D3的比值为6～7，所述的喇叭口段Ⅰ的倾斜角度α1为25～35°。

本实用新型的另一进一步技术方案：沿物料的流动方向，自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置的中空部分分别为第一圆孔段Ⅱ、喇叭口段Ⅱ、第二圆孔段Ⅱ、第三圆孔段Ⅱ和第四圆孔段Ⅱ，所述第一圆孔段Ⅱ直径D5与第二圆孔段Ⅱ直径D6的比值为4～7，第二圆孔段Ⅱ直径D6与第三圆孔段Ⅱ直径D7的比值为0.1～0.45。

所述的第四圆孔段Ⅱ直径D8与第二圆孔段Ⅱ直径D6的比值为2.5～3.5，喇叭口段Ⅱ的倾斜角度α2为25～35°。

本实用新型的原理：自激振荡脉冲空化是通过谐振腔产生的自激振荡对水力空化进行强化的一种空化方式。根据瞬态流理论和水声学原理，当稳定流体流过喷嘴谐振腔的出口收缩断面时，产生自激压力激动，这种压力激动反馈回谐振腔形成反馈压力振荡。适当控制谐振腔尺寸和流体的马赫数及Strouhal数，使反馈压力振荡的频率与谐振腔的固有频率相匹配，从而在谐振腔内形成声谐共振，使喷嘴出口射流变成断续涡环流，从而加强射流的空化作用。自激振荡脉冲空化由于自激压力激动产生比普通水力空化更强的空化效应，从而可在蔗汁溶液中产生：（1）剧烈的湍流效应。空化效应能够产生剧烈的湍流效应，而自激振荡脉冲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。自激振荡脉冲空化产生强烈的空化效应，由于空化泡溃灭过程时间极短，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。

自激振荡脉冲空化的主要优点是：由于充分利用了谐振腔（自激振荡脉冲空化腔）的作用，使得流体产生自激压力震荡和强烈脉冲，一方面，使得“空化”效应倍增的同时，由于压力的脉冲，流体的湍流作用极大的增加了，混合作用大大增强，因而使其强化作用大大增强。自激振荡脉冲空化效应比涡流空化效应强化作用提高20%-60%。

蔗汁（中和汁）通过自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置，对硫熏中和反应进行强化，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。本实用新型的实施，使蔗汁硫熏中和反应在自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置进行，自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置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。自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置对中和汁体系的强化的途径之一是基于上述原理的。

（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。本实用新型的实施，由于自激振荡脉冲空化产生强烈的湍流效应使得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。在自激振荡脉冲空化条件下，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沉淀颗粒以及PO₄^3-和Ca²⁺反应形成Ca₃(PO₄)₂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，而局部沉降过慢，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，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。本实用新型的实施，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。通过自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置强化处理的糖汁，极大地降低了糖汁的色值，提高了白砂糖的质量。

本实用新型的实施效果如下：

采用本实用新型应用到蔗汁澄清工艺中，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，蔗汁通过本实用新型自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置后，能够取得如下效果：

（1）糖汁中残留的SO₂、Ca²⁺降低20%以上。

（2）清汁纯度提高1%以上。

（3）脱色率提高40%以上。

附图说明

图1：本实用新型实施例1之自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置结构示意图。

图2：本实用新型实施例1之自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置变化结构示意图。

图3：本实用新型实施例2之自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置结构示意图。

图4：本实用新型实施例2之自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置变化结构示意图。

图5：采用本实用新型强化蔗汁澄清的工艺流程图之一。

图6：采用本实用新型强化蔗汁澄清的工艺流程图之二。

具体实施方式

实施例1：一种自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置，该自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置是具有中空部分的管状结构，所述的中空部分分为喇叭口段和多个直径不同的圆孔段，具体结构如图1所示，沿物料的流动方向，自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置的中空部分分别为第一圆孔段Ⅰ11、第二圆孔段Ⅰ12、第三圆孔段Ⅰ13、喇叭口段Ⅰ14和第四圆孔段Ⅰ15，所述第一圆孔段Ⅰ直径D1与第二圆孔段Ⅰ直径D2的比值为1.5～3.5，优选值为2.2，第二圆孔段Ⅰ直径D2与第三圆孔段Ⅰ直径D3的比值为1.5～5，优选值为3。所述的第四圆孔段Ⅰ直径D4与第三圆孔段Ⅰ直径D3的比值为6～7，优选值为2.5，所述的喇叭口段Ⅰ的倾斜角度α1为25～35°，优选值为30°。

附表1：本实用新型实施例1自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置的几种具体尺寸。

附表1仅是本实用新型实施例1自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置具体尺寸的几种实施例，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。

作为实施例1的一种变换，在其他尺寸不变的情况下，所述的自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置中的第三圆孔段Ⅰ13的长度可以适当增长，如图2所示。

实施例2：一种自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置，该自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置是具有中空部分的管状结构，所述的中空部分分为喇叭口段和多个直径不同的圆孔段，具体结构如图3所示，沿物料的流动方向，自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置的中空部分分别为第一圆孔段Ⅱ21、喇叭口段Ⅱ22、第二圆孔段Ⅱ23、第三圆孔段Ⅱ24和第四圆孔段Ⅱ25，所述第一圆孔段Ⅱ直径D5与第二圆孔段Ⅱ直径D6的比值为4～7，优选值是5，第二圆孔段Ⅱ直径D6与第三圆孔段Ⅱ直径D7的比值为0.1～0.45，优选值是0.3。所述的第四圆孔段Ⅱ直径D8与第二圆孔段Ⅱ直径D6的比值为2.5～3.5，优选值为3，喇叭口段Ⅱ的倾斜角度α2为25～35°，优选值为30°。

作为实施例2的一种变换，在其他尺寸不变的情况下，所述的自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置中的第三圆孔段Ⅱ23的长度可以适当缩短，如图4所示。

本实用新型可以应用于传统的亚硫酸法澄清工艺中，将硫熏中和后的蔗汁通入本实用新型自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置，对硫熏中和反应进行强化，所述的自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置可以设置在硫熏中和反应之后、二次加热之前（如图5所示），也可以设置在二次加热之后、进入沉降器之前（如图6所示）。

采用本实用新型的蔗汁澄清工艺与传统工艺、涡流强化工艺对比实验结果如下：

上表中，涡流强化蔗汁澄清的工艺是采用涡流装置（如涡流泵）替代本实用新型之自激振荡脉冲空化强化蔗汁澄清的装置，其他参数均相同。