本實用新型涉及一種蔗汁澄清的裝置，特別涉及一種自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置。

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，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。

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。

目前公開的專利文獻(xiàn)中，有采用渦流裝置產(chǎn)生水力空化強化蔗汁澄清的方法，這種方法存在的不足之處是：渦流空化會導(dǎo)致渦流泵葉片和空腔的“空蝕”，“空化”效果也好，“空蝕”也就越嚴(yán)重，渦流泵受損害也就越大，使設(shè)備壽命縮短。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題是：提供一種自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置，該裝置能夠產(chǎn)生自激振蕩并產(chǎn)生強烈脈沖水力空化（即空化射流），對蔗汁（中和汁或石灰汁）進(jìn)行作用，從而達(dá)到強化澄清的效果。

解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是：一種自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置，該自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置是具有中空部分的管狀結(jié)構(gòu)，所述的中空部分分為喇叭口段和多個直徑不同的圓孔段。

本實用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案：沿物料的流動方向，所述的自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置的中空部分分別為第一圓孔段Ⅰ、第二圓孔段Ⅰ、第三圓孔段Ⅰ、喇叭口段Ⅰ和第四圓孔段Ⅰ，所述第一圓孔段Ⅰ直徑D1與第二圓孔段Ⅰ直徑D2的比值為1.5～3.5，第二圓孔段Ⅰ直徑D2與第三圓孔段Ⅰ直徑D3的比值為1.5～5。

所述的第四圓孔段Ⅰ直徑D4與第三圓孔段Ⅰ直徑D3的比值為6～7，所述的喇叭口段Ⅰ的傾斜角度α1為25～35°。

本實用新型的另一進(jìn)一步技術(shù)方案：沿物料的流動方向，自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置的中空部分分別為第一圓孔段Ⅱ、喇叭口段Ⅱ、第二圓孔段Ⅱ、第三圓孔段Ⅱ和第四圓孔段Ⅱ，所述第一圓孔段Ⅱ直徑D5與第二圓孔段Ⅱ直徑D6的比值為4～7，第二圓孔段Ⅱ直徑D6與第三圓孔段Ⅱ直徑D7的比值為0.1～0.45。

所述的第四圓孔段Ⅱ直徑D8與第二圓孔段Ⅱ直徑D6的比值為2.5～3.5，喇叭口段Ⅱ的傾斜角度α2為25～35°。

本實用新型的原理：自激振蕩脈沖空化是通過諧振腔產(chǎn)生的自激振蕩對水力空化進(jìn)行強化的一種空化方式。根據(jù)瞬態(tài)流理論和水聲學(xué)原理，當(dāng)穩(wěn)定流體流過噴嘴諧振腔的出口收縮斷面時，產(chǎn)生自激壓力激動，這種壓力激動反饋回諧振腔形成反饋壓力振蕩。適當(dāng)控制諧振腔尺寸和流體的馬赫數(shù)及Strouhal數(shù)，使反饋壓力振蕩的頻率與諧振腔的固有頻率相匹配，從而在諧振腔內(nèi)形成聲諧共振，使噴嘴出口射流變成斷續(xù)渦環(huán)流，從而加強射流的空化作用。自激振蕩脈沖空化由于自激壓力激動產(chǎn)生比普通水力空化更強的空化效應(yīng)，從而可在蔗汁溶液中產(chǎn)生：（1）劇烈的湍流效應(yīng)?？栈?yīng)能夠產(chǎn)生劇烈的湍流效應(yīng)，而自激振蕩脈沖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，同時使得沉淀顆粒均勻、密實，并加大沉淀顆粒與蔗汁中非糖分接觸的機會，達(dá)到提高澄清效果的作用。（2）自由基效應(yīng)。自激振蕩脈沖空化產(chǎn)生強烈的空化效應(yīng)，由于空化泡潰滅過程時間極短，空化汽泡在崩潰的瞬間，會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)。

自激振蕩脈沖空化的主要優(yōu)點是：由于充分利用了諧振腔（自激振蕩脈沖空化腔）的作用，使得流體產(chǎn)生自激壓力震蕩和強烈脈沖，一方面，使得“空化”效應(yīng)倍增的同時，由于壓力的脈沖，流體的湍流作用極大的增加了，混合作用大大增強，因而使其強化作用大大增強。自激振蕩脈沖空化效應(yīng)比渦流空化效應(yīng)強化作用提高20%-60%。

蔗汁（中和汁）通過自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置，對硫熏中和反應(yīng)進(jìn)行強化，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。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和產(chǎn)品質(zhì)量意識的提高，白砂糖的二氧化硫含量要求有進(jìn)一步降低的趨勢。因此如何有效減少白砂糖中二氧化硫含量，是糖廠面臨的一個重要問題，尤其在生產(chǎn)出現(xiàn)波動時更加容易產(chǎn)生二氧化硫含量超標(biāo)的情況。本實用新型的實施，使蔗汁硫熏中和反應(yīng)在自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置進(jìn)行，自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置中產(chǎn)生強烈的空化效應(yīng)。空化的聚能效應(yīng)能給過飽和溶液提供能量，提高整個系統(tǒng)的振動能，在極小的空間和極短的時間內(nèi)產(chǎn)生沖擊波和射流，并且界面效應(yīng)降低了結(jié)晶能，使沉淀的生成和長大速率提高幾個數(shù)量級，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）就可以實現(xiàn)CaSO₃沉淀的形成和長大，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。自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置對中和汁體系的強化的途徑之一是基于上述原理的。

（2）殘留的Ca²⁺含量低。

糖汁殘留Ca²⁺含量高，一方面會導(dǎo)致產(chǎn)品灰分高，降低產(chǎn)品的質(zhì)量，同時糖汁中無機物的含量高，會使造蜜率升高，糖分收回率降低；另一方面，糖汁中殘留的Ca²⁺等無機鹽，會使設(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。本實用新型的實施，由于自激振蕩脈沖空化產(chǎn)生強烈的湍流效應(yīng)使得SO₃^2-和Ca²⁺過飽和溶液在介穩(wěn)定區(qū)就可以實現(xiàn)CaSO₃沉淀的形成和長大，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，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)實程度，即密度大小又直接影響到其沉降性能。在自激振蕩脈沖空化條件下，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，同時使得生成的沉淀顆粒結(jié)實，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，顆粒對蔗汁中膠體、色素等雜質(zhì)等吸附能力強，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，會使得SO₂吸收充分，提高SO₂的利用率；同時，SO₂的快速穩(wěn)定吸收還會使體系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，會造成沉降器中沉降不均勻，局部沉降過快，而局部沉降過慢，嚴(yán)重時還可能使沉降器中出現(xiàn)對流翻滾情況，造成沉降效果變差，降低清凈效率。因而，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。本實用新型的實施，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。通過自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置強化處理的糖汁，極大地降低了糖汁的色值，提高了白砂糖的質(zhì)量。

本實用新型的實施效果如下：

采用本實用新型應(yīng)用到蔗汁澄清工藝中，使SO₃^2-和Ca²⁺的濃度在比常規(guī)情況下低得多時，即過飽和系數(shù)很小時，便能夠形成較多的沉淀，使SO₂和Ca²⁺的反應(yīng)更加充分，同時反應(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，蔗汁通過本實用新型自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置后，能夠取得如下效果：

（1）糖汁中殘留的SO₂、Ca²⁺降低20%以上。

（2）清汁純度提高1%以上。

（3）脫色率提高40%以上。

附圖說明

圖1：本實用新型實施例1之自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2：本實用新型實施例1之自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置變化結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3：本實用新型實施例2之自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4：本實用新型實施例2之自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置變化結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5：采用本實用新型強化蔗汁澄清的工藝流程圖之一。

圖6：采用本實用新型強化蔗汁澄清的工藝流程圖之二。

具體實施方式

實施例1：一種自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置，該自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置是具有中空部分的管狀結(jié)構(gòu)，所述的中空部分分為喇叭口段和多個直徑不同的圓孔段，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，沿物料的流動方向，自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置的中空部分分別為第一圓孔段Ⅰ11、第二圓孔段Ⅰ12、第三圓孔段Ⅰ13、喇叭口段Ⅰ14和第四圓孔段Ⅰ15，所述第一圓孔段Ⅰ直徑D1與第二圓孔段Ⅰ直徑D2的比值為1.5～3.5，優(yōu)選值為2.2，第二圓孔段Ⅰ直徑D2與第三圓孔段Ⅰ直徑D3的比值為1.5～5，優(yōu)選值為3。所述的第四圓孔段Ⅰ直徑D4與第三圓孔段Ⅰ直徑D3的比值為6～7，優(yōu)選值為2.5，所述的喇叭口段Ⅰ的傾斜角度α1為25～35°，優(yōu)選值為30°。

附表1：本實用新型實施例1自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置的幾種具體尺寸。

附表1僅是本實用新型實施例1自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置具體尺寸的幾種實施例，在實際應(yīng)用過程中，可以根據(jù)實際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蚩s小。

作為實施例1的一種變換，在其他尺寸不變的情況下，所述的自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置中的第三圓孔段Ⅰ13的長度可以適當(dāng)增長，如圖2所示。

實施例2：一種自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置，該自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置是具有中空部分的管狀結(jié)構(gòu)，所述的中空部分分為喇叭口段和多個直徑不同的圓孔段，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，沿物料的流動方向，自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置的中空部分分別為第一圓孔段Ⅱ21、喇叭口段Ⅱ22、第二圓孔段Ⅱ23、第三圓孔段Ⅱ24和第四圓孔段Ⅱ25，所述第一圓孔段Ⅱ直徑D5與第二圓孔段Ⅱ直徑D6的比值為4～7，優(yōu)選值是5，第二圓孔段Ⅱ直徑D6與第三圓孔段Ⅱ直徑D7的比值為0.1～0.45，優(yōu)選值是0.3。所述的第四圓孔段Ⅱ直徑D8與第二圓孔段Ⅱ直徑D6的比值為2.5～3.5，優(yōu)選值為3，喇叭口段Ⅱ的傾斜角度α2為25～35°，優(yōu)選值為30°。

作為實施例2的一種變換，在其他尺寸不變的情況下，所述的自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置中的第三圓孔段Ⅱ23的長度可以適當(dāng)縮短，如圖4所示。

本實用新型可以應(yīng)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用新型自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置，對硫熏中和反應(yīng)進(jìn)行強化，所述的自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置可以設(shè)置在硫熏中和反應(yīng)之后、二次加熱之前（如圖5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6所示）。

采用本實用新型的蔗汁澄清工藝與傳統(tǒng)工藝、渦流強化工藝對比實驗結(jié)果如下：

上表中，渦流強化蔗汁澄清的工藝是采用渦流裝置（如渦流泵）替代本實用新型之自激振蕩脈沖空化強化蔗汁澄清的裝置，其他參數(shù)均相同。