1. 清液的流动方向与浮渣的运动方向相反,存在明显的互相干扰。向下流的糖液会把浮升较慢或浮升不稳定的絮凝物往下拉,使它们随清液一起排出,降低了清液的清度和质量。当处理量较大即糖液流速较高时,被带走的絮凝物更多。为避免这种现象,浮清器要做得相当大,使其中的糖液流速降到很低。 2. 由入汁口到出汁口的距离比较短(一般只约2米),入料容易走短路;器体的直径虽然大,但在圆形截面上糖液向下流动的速度并不均匀,器体内部在与进料口和出汁口距离较远的位置上存在流动缓慢区(死角),降低了设备容积的利用率,延长了糖汁停留时间。
3. 排出清汁的环形管难以在圆形的整个截面上均匀地放出清液,造成部分位置上糖液流量较大而另一部分较少,设备截面上的负载分布不均匀,难以充分发挥设备的效能。
4. 在直径较大的设备,新进入的物料中的浮渣因含气泡较多和比重较低,往往直接流到环形区的表面上,将旧的浮渣压在底部。由拨桨排出的浮渣多是进入不久的新渣,旧渣不易排出,要定期升高液面将旧渣排出,否则会有部分浮渣积存很长时间。而且新进入的糖液(特别是在流量较大时)从底部冲动浮渣层,影响它的稳定。
这种浮清器的最主要缺点是,浮渣向上浮而清液向下流,两者逆向运动,存在明显的互相干扰,大大降低了分离速度(正如两个相反方向的力互相制约)。 作者设计的新型的平流式浮清器有效地解决了这个问题,消除了这种干扰,大大提高了两相分离过程的速度和效率,缩短了所需的时间。
平流式浮清器为矩形,长度较大,糖液连续地由前向后平行流动,在此过程中絮凝物向上浮起而分离,并在液面上浓缩成为浓稠的浮渣,用连续缓慢移动的拨桨刮出器外,清液则从底部转向上流,通过溢流槽均匀排出。浮清器中絮凝物的上浮不受干扰,能平静、稳定地浮升,分离速度快,并有良好的自然浓缩的环境,新进入的浮渣推动旧的浮渣逐渐向前移动,浮渣越向后就越浓稠,其中的絮凝物团聚状况良好而稳定。
平流式浮清器可以造得很浅,只需数十厘米,这就大大缩小了设备的体积和糖汁经过时间,可称之为“浅层式快速浮清器”。应当注意,浮清过程和沉降过程相似,决定设备生产能力的主要因素是分离区的面积而不是它的体积。 这种浮清器由进口到出口的流程较长(3.5~5m),物料走短路的可能性极小。糖汁的进入和清汁的排出沿设备的整个宽度分布比较均匀,并可以调节,器内很少死角,设备的全面积和体积的负载分布均匀,得到充分有效的利用。 现用在大型糖厂的浮清器,器体宽3.8m,长5m,浮升分离区长度4.5m,有效深度前端为 0.3m,后端为0.8m,平均0.55m, 有效浮升分离面积 17m2,总存汁量为10m3 。它的(面积/体积)的比例为 1.7 : 1 ,远远大于圆筒形的浮清器(约 0.5:1 )。该设备的简图如下:
1. 入汁口 2. 入汁室 3. 器体 4. 扒渣拨桨 5. 浮渣槽 6. 清汁槽 7. 排底汁出口
这种浮清器可以从出口端的最底部辅助性排汁,其作用有二。一是在操作不正常、部分絮凝物下沉时,它们大部分下沉到器底,将它们另行排出与浮渣混合可消除对清汁质量的不良影响。另一是浮渣浓度很高,需用少量汁冲稀,以便于流动、输送和过滤。此处不宜用水冲稀,否则会有部分沉淀物复溶,并增加所需蒸发的水量。排底汁量就根据上述情况适当控制。从出汁端底部少量排汁还可以减少蔗汁在该处的积存。
平流式浮清器中的浮升过程比预期的更稳定,在外界条件波动时,浮清汁会稍为混浊,但极少出现“反底”。完全不存在“上浮法很娇气”的问题。这和下述情况有关:后进入的蔗汁将先进入的蔗汁向前推进,平行流动,彼此混合的机会不大,虽然参数不同,但不会产生强烈的对流,因而就避免了“反底”。 这种浮清器的高度小,有利于实现全流程的自流化和设备的布置。矩形设备所占车间位置比较小,而且可以根据实有的空间位置来选定适宜的长度和宽度。设备可在现场就地制作,减少搬运的麻烦。设备和全部管路、阀门都装在楼面上,操作和维护都很方便。
应当指出,糖厂现在所用的各种连续沉淀器内的流动模式也是逆流式的:沉淀向下而清液向上,两者互相干扰,大大降低了分离速度,并且容易发生“反底”。初步的生产试验证明,改用平流式也有很好的效果
低温磷浮法还采用了多项措施提高清净效果和加快气浮分离的速度。主要是:
1. 用“以泡制泡”法制造气浮所需的气泡。蔗汁经常生成大量粗泡,它们对气浮系统有多种不良影响:在浮清器内产生扰动,使浮渣松散,并形成大量难以流动和处理的白泡,严重时甚至使气浮系统不能正常工作。在低温磷浮系统中配置了新型的粗泡分离器,将蔗汁中的粗泡分离除去。进入浮清器的蔗汁和浮清器表面极少粗泡,浮渣很结实、稳定并易于流动和排出。用分离出的粗泡再处
理成为微细的气泡,它们特别稳定,不易合并或破裂,能有效提高气浮过程的稳定性。分析数据说明,粗泡表面的汁液含有大量表面活性物质特别是含氮物,它们形成的气泡特别稳固,而且与磷酸钙絮凝物有较大的亲和力,是最有效的。 2. 使用新改进的高速制泡机,它的性能比过去所用的更好,生成的气泡幼细而均匀,直径 10~30μm ,数量很易控制。能单机长时间连续运行,运转负荷只为5A 。
3. 使用喷射抽吸式反应器,物料混合与反应迅速良好,容易控制稳定,停留时间短,为良好的磷浮处理打下基础。
4. 新式的絮凝剂溶解器对絮凝剂大分子无不良影响,溶解速度快,用冷水也只需 20 分钟就可溶解完全,一次完成,操作方便。
5. 新式的药剂抽吸器和药剂配置器性能好、效率高、操作与维护方便 膜分离技术及其在制糖工业中的研究应用
膜分离技术是近年新开发的一种高效分离技术,在很多个行业中的应用发展得很快。它使用具有很微细的微孔的过滤膜来处理液体,将其中很小的微粒甚至溶解的物质截留分离出来。在制糖工业中应用膜分离技术的可能性,也受到国内外的重视,并进行了大量的研究试验工作。
按照滤膜的微孔直径的大小,通常分为三类,即微滤、超滤和反渗透 : 1. 微滤 ( micro filtration ,简写作 MF) ; 2. 超滤 ( ultra filtration ,简写作 UF) ; 3. 反渗透 ( reverse osmosis ,简写作 RO) 。 它们都是用压力差为推动力来进行过滤。
通常,细小的悬浮微粒的直径范围为 0.5~10μ m (1μ m =10mm) ,大分子为 10~500nm (1nm =10-3μ m =10-6mm ) ,小分子和无机离子为 0.1~10nm , 细菌为 0.2~2μ m , 各种蛋白质的分子直径为 1 ~200nm 。 微滤使用的微孔膜的平均孔径为 0.02~10μ m , 能截留直径 0.05~10μ m 的微粒或分子量大于106 的高分子溶质、细菌和细小的悬浮颗粒,所用压差为0.01~0.2MPa 。
超滤使用非对称性膜, 其表面活化层有孔径为 1~20nm的微孔,能够截留分子量为300~ 300000 的各种蛋白质分子,或相应分子量的大分子和胶体微粒。所用压差为 0.1~0.5MPa 。分离分子量约1000 以下者亦称为毫微过滤 (Nan filtration,简写作 NF) 。
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反渗透只透过水 ( 或有机溶剂 ) ,截留无机离子和和一些分子量低于300的有机物,截留粒径为0.1~1nm 。这种方法主要用以分离水 ( 或溶剂 ) 。 这三种方式截留和透过的物质的基本类型如下 ( 虚线的上方为截留、下方为透过 ) :
悬浮固体微粒、分子量大于 106 的高分子物质、细菌等
微滤
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蛋白质和多数胶体物质
超滤
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蔗糖及各种可溶性物质
反渗透
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水
活性炭和骨炭
活性炭和骨炭是多个行业中广泛应用的吸附剂和脱色剂,亦常用在炼糖厂中将糖液脱色提纯 。
活性炭含碳量约90%,由各种植物原料(木屑、果核、椰壳及蔗渣等) 或煤经过特定的加工处理制成。产品主要有粒状和粉状两大类。粒状炭主要用于净化水和吸附有害气体,粉状炭多用于食品和药物的脱色。活性炭由于原料和制造方法的不同,种类较多,可分别适用于不同的用途。
活性炭的粉粒内部有很多微细孔隙。孔隙的直径很小,故总表面积很大,有很强的吸附能力。孔隙的参数对它的性能极为重要。
多数活性炭中的孔隙大部分是微孔,直径 < 2nm ,微孔的总体积约 0.15~
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0.5 ml /g,比表面积为 400~1200m/g ,这些微孔约占总表面的95%。此外还有一些中孔,直径2~50nm,以及大孔,直径 >50nm。
活性炭的制造通常经过炭化和活化两个阶段。炭化是将原料在隔绝空气的条件下加热干馏以减少其中的非碳成份。先控制在 400℃以下,产生脱水、脱酸等分解反应,再加热到400~700℃之间,将 -O- 键破坏,氧以H2O、CO、CO2 等形式析出,并形成芳核间的结合,随后脱氢,芳核间大量产生直接结合,形成二维平面结构,同时结合上-CH2-,形成三维立体结构。活化是使炭具有活性的关键过程,在高温下气体与炭发生氧化反应,将碳化物表面侵蚀,形成微孔发达的构造,同时将附在炭表面上的有机物除去,增强炭的活性。炭的活化常用高温水蒸汽,反应温度 800~1000℃,此时碳和H2O 反应生成CO、CO2、H2 等。活化后冷却,再磨碎 (粉状炭的大小常在200目或120目以下) ,筛选、包装。 另一种制造方法是氯化锌法,用蔗渣作原料常用此法。将原料筛选除去杂质,干燥至水分低于30%,再与ZnCl2 浓溶液均匀混合,在约400℃下加热碳化约 40分钟,然后在活化炉中加热到 700~850℃ ( 温度低于用水蒸气活化 )。由于ZnCl2 的吸水性很强,可使原料中的氢和氧主要以水蒸汽 ( 而不是碳氢化合物) 的形式释出,较少生成焦油状有机物( 后者会覆盖在炭的表面上而降低其质量) 。冷却后洗出其中的ZnCl2 ( 回收使用 ),再用盐酸洗涤,将 ZnO ( 由ZnCl2 氧化生成 ) 及蔗渣中的无机杂质溶解除去,然后用水洗净后脱水和干燥,冷却后磨碎筛选即为成品。
广东顺德、东莞、市头等糖厂以前曾用蔗渣和用氯化锌法制造粉状活性炭,质量良好。如要制造颗粒炭,将原料干燥后粉碎,与固体氯化锌混合,加少量水和粘合剂搅拌均匀,用压粒机压成粒状。然后按上述方法处理。
国外也有不少厂制造活性炭。据 Rao 报导 ,一种生产方法是先将蔗渣在 450℃下隔绝空气干馏 20小时,冷却后打碎成约 0.07mm大小,筛分出适当的粒子,在活化炉中将温度升高至 850~900℃,通入水蒸汽和空气8小时,然后用热的稀盐酸浸洗1小时,将它滤出、水洗并中和后干燥,即为成品。 多数活性炭内部的孔隙主要是微孔,孔径 < 2nm 。它们善于吸附小分子的物质,如某些气体 ( 毒气 )和低分子量的有机物。用水蒸气活化制得的活性炭
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的微孔结构较发达,表面积大, 吸附容量高。但比较大的孔隙不多,如不到 100m /g ,不宜用于对大分子物质的吸附。
用氯化锌活化制得的活性炭,孔隙的尺寸通常稍大,半径约 20nm的占较大比例,这些孔隙的总体积可达 0.7cm3 /g ,总面积可达 200~450m2 /g 。这种活性炭适用于吸附溶液中的大分子物质,例如糖液的脱色。
国内外都有用于糖液脱色的活性炭产品,称为糖用脱色碳,它们亦可用于处理其它类似的含有大分子物质的溶液。上海生产的糖用活性炭,比表面积约 1300m2 /g ,孔隙体积 1.02cm3 /g ,其中微孔体积 0.45cm3 /g ,水分<10% ,灼烧残渣<4%。