糖工程导论(6)

2020-02-21 02:52

大糖厂一般用多喷咀结构,它喷出的汁液与气体的接触面积较大,抽吸和吸收的效能都较好,所需尾管长度较小,通常 3~4m 已足够,因而不要求很高的厂房。但多喷咀结构的制造和安装要比较精密,特别是几个喷咀的中心线要准确对中,使射出汁液流向喉部集中,否则效果也难保证。也有中型糖厂为提高硫熏吸收效果采用多喷咀结构。

单喷咀结构可以在其中心插入一根锥形圆杆,调节它在喷咀中的位置以改变喷咀出口面积,来适应蔗汁流量的变化。用这种方法,在蔗汁量减少时可缩少喷咀面积,而无需关小蔗汁阀造成蔗汁压力的下降。这种方法对汁量变化的适应性较好,一些大糖厂亦有采用。但要注意,锥杆与喷咀必须精密地同心,不能偏斜或摆动,否则会影响喷射质量,锥杆的直径不宜过大,锥度要较小。

要注意检查设备的实际使用效果,特别是抽吸气体的能力,以及二氧化硫的吸收是否完全,尾气中有无残留二氧化硫(放空管是否容易腐蚀)。

一、喷射抽吸器的工作过程与机理

管道式硫熏器利用液体喷射作用将硫气抽入器内,它的工作原理和其它的喷射抽吸器大体相同,只是具体工作条件不同。 喷射抽吸器中的工作过程大体可分为三个阶段: 1. 液体降压加速;

2. 高速液流吸入气体并混合; 3. 气液混合物减速升压。

这些过程是依据流体力学中静压能与动能互相转变的原理,其基础为流体力学中的柏努里(Bernoulli)方程式。

(1) 液体降压加速

糖汁经泵升压 (一般为0.3~0.5MPa) 后进入喷射器的喷咀,因喷咀截面积逐渐缩小、流速增大而静压力下降,液体的静压能转变为动能。在喷咀出口处,液体的静压力降低到和喷咀外的气体静压相同,而流速则升高到20~30m/s 。喷咀射出流速V决定于喷咀前汁压,可按下式计算: V = φ ( 2gH ) 式中:φ— 流速系数

0.5

g — 重力加速度 9.8 m/s2

H — 喷咀前后的静液压的差额(m 压头),一般可按喷咀前后的静压差(MPa)3100 计算。

喷咀的流速系数φ决定于喷咀的型式及其表面的加工光洁度,以及液体的粘度。糖厂所用者如加工较好, 用于水为0.95~0.97, 用于蔗汁0.90~0.94,用于糖浆0.86~0.90。

例:喷咀前汁压为0.3MPa表压(即30m 压头),喷咀射出蔗汁流速为: V = 0.92 3 (239.8330)0.5 = 22.3 m/s

为使喷咀有较高的效率 (速度系数),喷咀的表面应加工光滑,表面粗糙度不超过2μm。喷咀要用耐磨和耐腐蚀的材料如不锈钢 (1Cr18Ni9Ti) 制造。旧喷咀如表面粗糙或由于磨蚀而变形,应及时更新。

(2) 气体的吸入

从喷咀射出的高速液流,其表面和外界的气体强烈地摩擦,液流的动能传给气体,将一些气体卷入到液流中带走,因而液流逐渐充气,流速逐渐减低。在密闭的空间中,液体将气体带走就形成负压即不同程度的真空。另一方面,喷射器出口处的静压力常稍高于大气压力,此背压的数值视排出处的液封高度及排出阻力而定。喷咀出口处的负压和喷射器出口处的正压形成了压力差,它的方向和液流运动方向相反。这种反方向的压力差使流体在管道中形成强烈的旋涡,同时大量卷入气体,使液流截面积扩大,由原来水射流的较小面积扩大到占满喷射器的整个管道截面。液体射流的激烈冲击和湍流将气体切割成为微细的气泡,形成乳浊状态的气液混合物。液体通过上述方式抽入气体,是各种液体喷射抽气器工作的基础。

(3) 混合物减速升压

在喷射器的喉部以后,由于管道截面积扩大,流体速度下降,其动能复转变为静压能,使流体静压力上升,并有部分能量消耗于将气体升压 (压缩) 。在喷射器出口处,混合物的静压力升至略高于大气压,可克服出口处的正压力而排出。对于立式的具有长尾管的喷射器,液流由高位向下流,放出了部分位能,亦转变为压能而使流体静压力升高。

二、喷射抽吸的主要影响因素

液体喷射器抽吸气体的数量和所产生的真空度决定于下列的因素。

(1) 喷咀前的汁压

汁压越高,喷咀射出液流的速度越高,动能越大,抽吸气体量越多,形成的真空度越高。因为较高的汁压有较大的能量,能作较多的功,喷射流速高可吸入较多气体。

(2) 喷射器的背压

背压越高,吸入气体量越小,所能形成的真空度越低。因为背压高时对气体的压缩作功较多。此类喷射器的背压主要决定于它出口处的液封高度,背压随液封高度增加而增大。它还与喷射器后的混合器的结构和对流体的阻力有关。 卧式管道由于抽吸力较弱,其出口处的液封高度一般不超过300~400mm。立式管道因抽吸力较强,其出口的水封高度 (包括混合器阻力的相应值) 可用500~800mm。

(3) 液流射程长度

从喷咀出口至喷射器喉部,液体射流与气体磨擦并将它吸入,随射程延长吸入气体量增加。但射程过长时液体速度明显下降,能量损失增加,后段的作功能力减弱,造成真空度和抽气量降低。此段射程长度一般不宜超过喷咀出口直径的50~80倍 (特别是喷咀直径较小者)。

从喉部至喷射器出口以及随后的尾管属升压段。对于立式管道,这一段的长度较大时,升压效能较强,抽气效能亦较高,不过车间厂房要较高。采用多喷咀结构时,因液流本身抽吸气体较多,尾管长约4米已足够。用单喷咀结构时,尾管需较长 (特别是喷咀直径较大者) ,如蔗汁硫熏用 5~7 米,但糖浆硫熏 3~4 米已足够。

尾管过长会增加糖液中的气泡量 (特别是当蔗汁质量较差而泡沫较多时) ,有时会造成其后的设备大量冒泡或出汁泵抽送不良。

(4) 有关截面积的比例

喷射器喉部 (即喷射器中段直径最小处) 的面积对喷咀出口总面积的比例,是喷射器中最重要的几何参数。当这个比例较大时,能吸入较多的气体,但所产

生的压力差较小,即产生的真空度较低;而当这个比例较小时,吸入气体量较少,但可产生较大的压力差,即能形成较高的真空。

硫熏器因要求抽气量相当大而所需真空度不高, 要用较大的面积比,一般为 9~13倍。如果喉部面积较小,就难以达到较大的抽气量,难于提高硫熏强度。有些厂在扩建时加大了喷咀直径或数量,但喉部面积没有相应加大,就出现这个问题。

喷射冷凝器要求真空度较高而抽吸的不凝缩气体体积不大,故采用较小的面积比,如4~4.5倍。

喷射器尾管的面积,通常比喉部面积增大20~50%,选用直径相近的标准管。

(5) 喷咀的尺寸和安装

直径较小的喷射水流善于吸入气体,直径大者相反。采用多个喷咀因缩小了喷咀的直径而有助于吸入气体,但各喷咀射出水流必须向喉部集中。这一部分要精密地制造和安装。喷咀的布置要对称。单喷咀结构也同样需要喷咀与喉部同心,不可偏斜。

三、SO2 的吸收和石灰乳的混合

在喷射抽吸式硫熏器中, 由于SO2 气体被分割成为微细的气泡分散在蔗汁之中,两者的接触面积很大, 而且湍流十分强烈,传质过程迅速,因而SO2 很快被吸收溶解,特别是在加入石灰乳将亚硫酸中和后, 气体中残留的SO2 继续溶解,从而达到相当高的吸收率。蔗汁硫熏中和管道在设计和工作正常时,SO2 的吸收率可超过92~95%。

糖浆由于浓度高、粘度大,吸收SO2 比较慢。榨蔗期糖浆需要吸收SO2 量不多,不难达到要求。但在加工原糖时,回溶糖浆的一次硫熏要较强,为了加强SO2 的吸收,宜将石灰乳的大部分在硫熏之前加入,使硫熏过程在碱性至中性 (或微酸性) 下进行。

糖汁吸收 SO2 后,呈明显的酸性,故设备的该部分包括抽吸室、喉部及其后的尾管,都要用耐腐蚀的材料如不锈钢制造。

蔗汁硫熏中和器都是先硫熏后加灰,加灰器通常是一个立式的圆筒形的密闭容器,不设搅拌机构。石灰乳与蔗汁的混合是依靠蔗汁本身在较高流速下的强烈湍流。为取得良好的混和效果,加灰点应在蔗汁流速较高处。这个位置对混和效果有相当大的影响。

一些糖厂曾试验将石灰乳加入到喷射器尾管近出口处,但在其后的位置上迅速生成积垢,难以实行。有些厂的这种试验由于该处常有气体反压入石灰乳管,使石灰乳不能顺利流入。因此,现在多数糖厂的加灰点是在尾管的出口之外。 有些糖厂将石灰乳加入到圆筒底部的侧面,因该处蔗汁流速已较低,且加灰只在一侧,混合不均匀,影响到蔗汁pH值不均一,不利于它的准确检测与控制。 按作者的经验,加灰器的加灰位置宜在尾管以下刚连接圆锥体之处,该处蔗汁流速仍相当高。为便于安装管路和操作,锥体宜向上伸长,使它的上方伸出到圆筒顶部平面之上,锥体的张角相应减小。该处加灰可能会遇到气体反压,但只要处理好以下的具体细节,石灰乳就能顺利自流进入。

1. 石灰乳管的大小适当,管内流速以0.8~1.2 m/s 为宜。

2. 石灰乳管斜插入器内约 1 cm ,管子出口截面与该管中心线垂直,无需削斜。

3. 石灰乳的输送管在它的上部最高位置处装一小放空管,初开机时打开排除气体,随后即关回。

加灰器内不设挡板或其它附加物,以免增大流动阻力和喷射器背压,影响抽吸效能。它的后面连接散气器,该器的顶部接排气管放空。因为从燃硫炉来的气体只有约10%是SO2 ,其余绝大部分是空气 (N2 、O2 等),需要排走。由于这些气体的体积很大 (比蔗汁大几倍),容易形成大量泡沫。故此散气器要有足够的空间体积,防止气体将蔗汁泡沫带走。散气管要伸到室外,以免气体中残余的SO2 在室内散逸。散气管也需用防腐蚀材料制造。

四、管道硫熏器的基本计算

(1) 所需的吸气量

硫熏器所需的吸气量主要决定于所要求的硫熏强度及燃烧气中含SO2 的浓度。例如,若要求硫熏强度为 SO2 1.5g/l ,即1.5 kg/m3,如忽略SO2 吸收不完全的损失不计,则每 m3 蔗汁需燃烧硫0.75kg。如按上节所述的燃硫条件,每

33

公斤硫产生燃烧气体7.3m ,故在蔗汁硫熏管道中每 m 蔗汁要抽吸气体体积为: 0.7537.3 = 5.48 m

即抽气体积要为蔗汁体积的 5.5 倍。 如果所需硫熏强度更高,或燃硫炉过量空气更多(硫气浓度较低),或硫气冷却不足温度较高,所需抽吸气体量更大。因此,蔗汁硫熏器要达到较高的硫熏强度,必须有较强的抽吸力,并要燃硫炉工作良好。

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