本實(shí)用新型涉及一種蔗汁澄清的裝置，特別涉及一種超聲-射流強(qiáng)化蔗汁澄清的裝置。

背景技術(shù)：

澄清工序是制糖過程最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，澄清的目的是將混合汁中的膠體、色素等非糖份除去。在傳統(tǒng)的亞硫酸法澄清工藝中，澄清是通過添加SO₂、石灰乳和磷酸，形成亞硫酸鈣沉淀和磷酸鈣沉淀從而將糖汁中的膠體、色素等雜質(zhì)吸附而除去，亞硫酸鈣沉淀和磷酸鈣沉淀對(duì)膠體色素的吸附能力直接影響到澄清效果。目前白砂糖質(zhì)量相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高，而目前的硫熏中和過程存在硫熏強(qiáng)度過高、二氧化硫吸收不完全、積垢多、適應(yīng)生產(chǎn)能力差、逸出的二氧化硫氣體污染大氣環(huán)境等缺點(diǎn)，最重要的是由于中和反應(yīng)不完全、CaSO₃析出不充分導(dǎo)致清汁中的二氧化硫殘留量偏高，最終導(dǎo)致白砂糖成品二氧化硫偏高而使產(chǎn)品降級(jí)。

澄清效果受到亞硫酸鈣沉淀的吸附性能及沉淀顆粒密度即致密程度的影響，而SO₂殘留則是未參與反應(yīng)的SO₂或H₂SO₃，實(shí)質(zhì)上是由中和反應(yīng)程度和速度決定的，因而，若能夠在特定的條件下，加快中和反應(yīng)速度和加大反應(yīng)程度，并使沉淀顆粒結(jié)實(shí)致密，就能夠達(dá)到提高脫色率、降低糖汁中SO₂殘留量的雙重效果。此外，蔗汁的色值高低一方面和澄清效果密切相關(guān)；另一方面與蔗汁殘留非糖分中有色物的含量有關(guān)。如何提高中和反應(yīng)速度和反應(yīng)程度，是提高澄清和脫色效果、降低殘硫量的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是：提供一種超聲-射流強(qiáng)化蔗汁澄清的裝置，該裝置通過超聲-水力協(xié)同空化產(chǎn)生強(qiáng)烈空化效應(yīng)，對(duì)蔗汁（中和汁或石灰汁）進(jìn)行作用，從而達(dá)到強(qiáng)化澄清的效果。

解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是：一種超聲-射流強(qiáng)化蔗汁澄清的裝置，包括超聲波換能器和射流裝置，超聲波換能器延伸入射流裝置中。

本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述的射流裝置是由文丘里管，沿物料的流動(dòng)方向，文丘里管依次為入口段、收縮段、喉道、擴(kuò)散段和出口段，所述的超聲波換能器延伸入文丘里管的入口段或是出口段內(nèi)。

文丘里管收縮段角度α與擴(kuò)散段角度β的比例為0.5～2，喉道長(zhǎng)度L與喉道直徑d的比例范圍為1.6～3.2。

超聲波換能器端面與文丘里管喉道之間的距離H1為10～45mm。

本實(shí)用新型的另一進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述的射流裝置是由外殼和孔板構(gòu)成，孔板安裝在外殼內(nèi)將外殼分隔為反應(yīng)前段和反應(yīng)后段，所述的超聲波換能器延伸入外殼的反應(yīng)前段或反應(yīng)后段內(nèi)，反應(yīng)前段開有物料入口，反應(yīng)后段開有物料出口。

所述的孔板厚度與通孔孔徑的比值為1.6～5，孔板上開有通孔的數(shù)量至少為1個(gè)，超聲波換能器端面與孔板之間的距離H2為5～30mm。

本實(shí)用新型的原理：空化其具有以下特點(diǎn)：（1）劇烈的湍流效應(yīng)?？栈?yīng)能夠產(chǎn)生的劇烈的湍流效應(yīng)，而空化由于壓力劇烈振蕩又能夠產(chǎn)生比超聲空化和水力空化大得多的湍流效應(yīng)，從而使蔗汁中各種成分極快混合，如使得中和汁中磷酸根、鈣離子、亞硫酸根離子快速混合，從而加快反應(yīng)速度和加大反應(yīng)程度，同時(shí)使得沉淀顆粒均勻、密實(shí)，并加大沉淀顆粒與蔗汁中非糖分接觸的機(jī)會(huì)，達(dá)到提高澄清效果的作用。（2）自由基效應(yīng)?？栈a(chǎn)生強(qiáng)烈的空化效應(yīng)，由于空化泡潰滅過程時(shí)間極短，空化汽泡在崩潰的瞬間，會(huì)在其周圍的極小空間范圍內(nèi)產(chǎn)生局部高溫（高達(dá)5000K）和局部高壓（可達(dá)50MPa），汽泡的水蒸汽等在高溫高壓的極端環(huán)境下裂解為·OH、HO₂·和·O等自由基，這些自由基能夠?qū)μ侵纳胤肿拥碾p鍵氧化而斷裂，將原有的有色物質(zhì)分子破壞生成分子量較低、含雙鍵較少，而且不能再縮聚成有色物的物質(zhì)。

然而，在申請(qǐng)人已申請(qǐng)的超聲強(qiáng)化蔗汁澄清的發(fā)明專利中（一種超聲強(qiáng)化蔗汁澄清方法，ZL 200910310203.X；一種強(qiáng)化硫熏中和反應(yīng)的制糖澄清工藝方法，ZL 200710052895.3），所采用的方法雖然對(duì)蔗汁澄清具有明顯的強(qiáng)化作用，然而，雖然超聲波產(chǎn)生的空化作用強(qiáng)度高，但其空化閾值較高，產(chǎn)生空化作用所需的能耗相對(duì)較高，輸入的總能量中轉(zhuǎn)換為空化能量的效率低，且其空化作用的空間范圍小，難于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?；射流與超聲空化對(duì)過程強(qiáng)化的原理是相同的，區(qū)別在于形成空化泡的手段上。研究結(jié)果顯示，射流的能量利用率明顯高于超聲空化，而且由于空化泡和液體一起作整體運(yùn)動(dòng)，因此可在大范圍內(nèi)形成一個(gè)比較均勻的空化強(qiáng)化場(chǎng)，并且其具有簡(jiǎn)便易行、能耗低、效率高等特點(diǎn)。因此，射流具有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

相對(duì)于超聲空化，射流具有諸多優(yōu)勢(shì)，但在空化泡的振蕩頻率方面，射流可調(diào)范圍遠(yuǎn)小于超聲空化；另一方面，基于文丘里管的射流作用強(qiáng)度相對(duì)較低。因此，有必要將兩種空化產(chǎn)生方式結(jié)合起來，充分發(fā)揮其各自的優(yōu)勢(shì)，得到高效率、低能耗的空化效果。

本實(shí)用新型的強(qiáng)化蔗汁澄清的效果與現(xiàn)有單獨(dú)超聲強(qiáng)化蔗汁澄清技術(shù)或射流強(qiáng)化蔗汁澄清技術(shù)相比，在相同的能量消耗作用下，澄清效果有明顯的提高，至少提高70%以上，具有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

蔗汁通過超聲-水力協(xié)同空化強(qiáng)化裝置進(jìn)行硫熏中和反應(yīng)，或中和汁通過超聲-射流強(qiáng)化蔗汁澄清的裝置作用，可以達(dá)到如下效果：

（1）殘留的SO₃^2-含量低。

硫熏中和后經(jīng)過沉降澄清得到的蔗汁中SO₃^2-的含量，直接影響到白砂糖中二氧化硫的含量。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和產(chǎn)品質(zhì)量意識(shí)的提高，白砂糖的二氧化硫含量要求有進(jìn)一步降低的趨勢(shì)。因此如何有效減少白砂糖中二氧化硫含量，是糖廠面臨的一個(gè)重要問題，尤其在生產(chǎn)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)更加容易產(chǎn)生二氧化硫含量超標(biāo)的情況。本實(shí)用新型的實(shí)施，使蔗汁硫熏中和反應(yīng)在空化強(qiáng)化裝置進(jìn)行，空化強(qiáng)化裝置中產(chǎn)生強(qiáng)烈的空化效應(yīng)?？栈木勰苄?yīng)能給過飽和溶液提供能量，提高整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)能，在極小的空間和極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生沖擊波和射流，并且界面效應(yīng)降低了結(jié)晶能，使沉淀的生成和長(zhǎng)大速率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，結(jié)果是SO₃^2-和Ca²⁺過飽和溶液在介穩(wěn)區(qū)（較低過飽和度）就可以實(shí)現(xiàn)CaSO₃沉淀的形成和長(zhǎng)大，大大降低了溶液體系中SO₃^2-的含量，從而為最終降低白砂糖成品中的殘硫量提供了必要條件。超聲-射流協(xié)同空化使得其強(qiáng)化效果比單獨(dú)的超聲空化或射流強(qiáng)化作用更加顯著。

（2）殘留的Ca²⁺含量低。

糖汁殘留Ca²⁺含量高，一方面會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品灰分高，降低產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)糖汁中無機(jī)物的含量高，會(huì)使造蜜率升高，糖分收回率降低；另一方面，糖汁中殘留的Ca²⁺等無機(jī)鹽，會(huì)使設(shè)備管道積垢嚴(yán)重，降低傳熱效率，增加能耗和降低生產(chǎn)效率。本實(shí)用新型的實(shí)施，由于協(xié)同空化產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流效應(yīng)使得SO₃^2-和Ca²⁺過飽和溶液在介穩(wěn)定區(qū)就可以實(shí)現(xiàn)CaSO₃沉淀的形成和長(zhǎng)大，大大降低了溶液體系中Ca²⁺的含量，從而避免了由于蔗汁中殘留Ca²⁺較多而導(dǎo)致的諸如產(chǎn)品灰分高、糖分收回率降低、增加設(shè)備管道的積垢等不利影響。

（3）反應(yīng)速度快，沉淀顆粒結(jié)實(shí)，吸附性能好。

在制糖澄清過程，主要是靠SO₃^2-和Ca²⁺反應(yīng)形成CaSO₃沉淀以及PO₄^3-和Ca²⁺反應(yīng)形成Ca₃(PO₄)₂沉淀從而將糖汁中的膠體、色素吸附而除去。亞硫酸鈣沉淀和磷酸鈣沉淀對(duì)膠體色素的吸附能力直接影響到澄清脫色效果，而沉淀顆粒的結(jié)實(shí)程度，即密度大小又直接影響到其沉降性能。在超聲-射流條件下，形成的高度湍流等效應(yīng)，使得反應(yīng)體系具有良好的混合作用，加速反應(yīng)離子的充分接觸，從而使得反應(yīng)速度加快，同時(shí)使得生成的沉淀顆粒結(jié)實(shí)，沉降速度快，泥汁體積少，過濾性能好。另一方面，由于反應(yīng)速度快，形成的沉淀顆粒表面新鮮，顆粒對(duì)蔗汁中膠體、色素等雜質(zhì)等吸附能力強(qiáng)，提高了蔗汁的澄清脫色效果。此外，SO₃^2-和Ca²⁺反應(yīng)形成CaSO₃沉淀的反應(yīng)速度快，會(huì)使得SO₂吸收充分，提高SO₂的利用率；同時(shí)，SO₂的快速穩(wěn)定吸收還會(huì)使體系pH維持穩(wěn)定，避免由于局部過酸使蔗糖轉(zhuǎn)化，造成蔗糖損失，或局部過堿會(huì)使還原糖分解，影響蔗汁質(zhì)量。

（4）產(chǎn)生的沉淀顆粒均勻。

SO₃^2-和Ca²⁺反應(yīng)形成CaSO₃沉淀顆粒以及PO₄^3-和Ca²⁺反應(yīng)形成Ca₃(PO₄)₂沉淀顆粒的大小均勻性影響到顆粒在沉降器中沉降的穩(wěn)定性及均衡性。如果顆粒不均勻，會(huì)造成沉降器中沉降不均勻，局部沉降過快或過慢，嚴(yán)重時(shí)還可能使沉降器中出現(xiàn)對(duì)流翻滾情況，造成沉降效果變差，降低清凈效率。因而，CaSO₃沉淀顆粒大小均勻性是保證或提高沉降效果從而提高清凈效率的關(guān)鍵因素之一。本實(shí)用新型的實(shí)施，使得硫熏中和反應(yīng)體系在高湍流狀態(tài)及“空化”效應(yīng)的作用下，SO₃^2-和Ca²⁺反應(yīng)形成CaSO₃沉淀顆粒以及PO₄^3-和Ca²⁺反應(yīng)形成Ca₃(PO₄)₂沉淀顆粒尺寸范圍分布較窄，顆粒均勻，增加了蔗汁澄清過程的穩(wěn)定性，提高澄清效果。

（5）糖汁色值降低。

處理后糖汁色值低，從而使成品白砂糖的色值低，產(chǎn)品質(zhì)量高。白砂糖色值受到糖漿質(zhì)量以及操作條件的影響，因而糖汁的色汁直接影響到白砂糖的色值。通過超聲-射流強(qiáng)化蔗汁澄清的裝置強(qiáng)化處理的糖汁，極大地降低了糖汁的色值，提高了白砂糖的質(zhì)量。

本實(shí)用新型的實(shí)施效果如下：

本實(shí)用新型應(yīng)用于強(qiáng)化蔗汁澄清的工藝中，使SO₃^2-和Ca²⁺的濃度在比常規(guī)情況下低得多時(shí)，即過飽和系數(shù)很小時(shí)，便能夠形成較多的沉淀，使SO₂和Ca²⁺的反應(yīng)更加充分，同時(shí)反應(yīng)速度大大加快，使沉淀顆粒比常規(guī)情況下更加大且致密，結(jié)果一方面使得糖汁中殘留的SO₂、Ca²⁺降低，提高成品白砂糖的質(zhì)量；另一方面又使糖汁的色值顯著降低。相比于傳統(tǒng)的工藝，蔗汁通過本實(shí)用新型超聲-射流強(qiáng)化蔗汁澄清的裝置后，取得如下效果：

（1）糖汁中殘留的SO₂、Ca²⁺降低30%以上；

（2）清汁純度提高1.5%以上；

（3）脫色率提高60%以上。

附圖說明

圖1：采用本實(shí)用新型強(qiáng)化蔗汁澄清的工藝流程圖之一。

圖2：采用本實(shí)用新型強(qiáng)化蔗汁澄清的工藝流程圖之二。

圖3：本實(shí)用新型實(shí)施例1之超聲-射流強(qiáng)化蔗汁澄清的裝置結(jié)構(gòu)示意圖之一。

圖4：本實(shí)用新型實(shí)施例1之超聲-射流強(qiáng)化蔗汁澄清的裝置結(jié)構(gòu)示意圖之二。

圖5：本實(shí)用新型實(shí)施例2之超聲-射流強(qiáng)化蔗汁澄清的裝置結(jié)構(gòu)示意圖之一。

圖6：本實(shí)用新型實(shí)施例2之超聲-射流強(qiáng)化蔗汁澄清的裝置結(jié)構(gòu)示意圖之二。

圖7：本實(shí)用新型之孔板結(jié)構(gòu)示意圖（設(shè)置有1個(gè)通孔）。

圖8：本實(shí)用新型之孔板結(jié)構(gòu)示意圖（設(shè)置有3個(gè)通孔）。

圖中箭頭表示蔗汁的流動(dòng)方向。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：一種超聲-射流強(qiáng)化蔗汁澄清的裝置，包括超聲波換能器和射流裝置，超聲波換能器延伸入射流裝置中，本實(shí)施例中，如圖3或圖4所示，所述的射流裝置是由文丘里管2，沿物料的流動(dòng)方向，文丘里管依次為入口段21、收縮段22、喉道23、擴(kuò)散段24和出口段25，所述的超聲波換能器延伸入文丘里管的入口段或是出口段內(nèi)產(chǎn)生超聲波。文丘里管收縮段角度α與擴(kuò)散段角度β的比例為0.5～2，喉道長(zhǎng)度L與喉道直徑d的比例范圍為1.6～3.2。超聲波換能器端面與文丘里管喉道之間的距離H1為10～45mm。

附表1：實(shí)施例1文丘里管幾何參數(shù)。

附表1僅是實(shí)施例1文丘里管尺寸的幾種實(shí)施例，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蚩s小。

實(shí)施例2：一種超聲-射流強(qiáng)化蔗汁澄清的裝置，包括超聲波換能器和射流裝置，超聲波換能器延伸入射流裝置中，本實(shí)施例中，如圖5或圖6所示，所述的射流裝置是由外殼3和孔板4構(gòu)成，孔板安裝在外殼內(nèi)將外殼分隔為反應(yīng)前段31和反應(yīng)后段32，所述的超聲波換能器延伸入外殼的反應(yīng)前段或反應(yīng)后段內(nèi)產(chǎn)生超聲波，反應(yīng)前段開有物料入口33，反應(yīng)后段開有物料出口。所述的孔板厚度與通孔孔徑的比值為1.6～5，孔板上開有通孔41的數(shù)量至少為1個(gè)，超聲波換能器端面與孔板之間的距離H2為5～30mm。

附表2：實(shí)施例2射流裝置的孔板幾何參數(shù)。

附表2僅是實(shí)施例2射流裝置的孔板尺寸的幾種實(shí)施例，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蚩s小。

本實(shí)用新型各實(shí)施例所述的超聲波換能器類型不限于壓電超聲換能器、磁致超聲換能器、氣介超聲換能器、聚焦超聲換能器、流體動(dòng)力型超聲換能器、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)超聲換能器、彎曲振動(dòng)超聲換能器、檢測(cè)超聲換能器等，還可以是符合使用要求的其他類型超聲換能器。

本實(shí)用新型適用于傳統(tǒng)的亞硫酸法澄清工藝中，將硫熏中和后的蔗汁通入本實(shí)用新型對(duì)硫熏中和反應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)化，本實(shí)用新型之超聲-射流強(qiáng)化蔗汁澄清的裝置可以設(shè)置在設(shè)置在硫熏中和反應(yīng)之后、二次加熱之前（如圖1所示），也可以設(shè)置在二次加熱之后、進(jìn)入沉降器之前（如圖2所示）。

采用本實(shí)用新型的蔗汁澄清工藝與傳統(tǒng)工藝、超聲強(qiáng)化工藝、水力空化強(qiáng)化工藝對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

上表中，超聲強(qiáng)化蔗汁澄清的工藝、水力空化強(qiáng)化蔗汁澄清的工藝分別是采用超聲波換能器、水力空化裝置（如文丘里管）替代本實(shí)用新型之超聲-射流強(qiáng)化蔗汁澄清的裝置，其他參數(shù)均相同。