2007
2. 广西大学, 南宁, 530004;
3. 南宁明倬科技公司, 广西, 宾阳, 530413
2. Guangxi University, Nanning 530004;
3. Nanning Mingzhuo Technology Company, Nanning 530004
亚硫酸法糖汁澄清是糖厂最重要的工艺控制 过程，澄清工段又是一个复杂的物理化学过程。 可以分为预灰、加热、中和反应、沉降过滤 4 种 不同的混合反应阶段,其中的预灰和硫熏中和反 应是最主要的混合反应工艺环节。混合技术（或 称混合过程）是常见的化工操作单元之一，应用 适当的混合反应器可加速中和汁的化学反应，使 钙盐沉淀较完全，并使蛋白质等各种非糖分凝结 得更结实。从而得到高品质的清汁。长期以来， 广大科技工作者针对混合反应器在澄清工段中的 应用进行了大量的研究[1]，采用机械搅拌混合、 流体流动混合、射流混合等多种型式的混合反应 器强化中和反应，取得了较好的成效。本文介绍 静态混合器、扩散孔板混合器、旋流混合器及罐 内射流混合系统等混合技术的综合应用，讨论管 道混合器的混合过程和罐内射流混合过程的结 构、工作原理、特点及其在廖平糖业有限责任公 司榨季生产中的使用效果。
管道混合器是指一类混合元件置于管道之 内， 靠自身流体的能量进行混合的一种混合设备， 是一种具有高效传质、传热特性的强化反应器。 根据工艺物料和混合产物（反应产物）的要求不 同，人们开发了多种形式的管道混合设备：静态 混合器、扩散孔板混合器、射流混合器、文丘里 管等。
静态混合器和旋流混合器是管道混合器的主 要代表，通过由管内有序排列的特殊结构的混合 元件而达到快速混合流体的目的。在工作时，内 部元件是不动的，依靠流体通过内部元件时受其 作用产生分流、合流、旋转等运动，对流体的切 分、位移、汇合及剧烈流的反复作用使各流体达 到良好的分散，最终达到完全混合。它适用于全 体 Re 数范围和全部粘度范围内流体的混合操作。 在混合器内，各点的流态、浓度、温度、反应速 度几乎不随时间变化，而沿流动方向，各个参数 都在变化，物料在混合器内是没有积累的。
静态混合器和旋流混合器在制糖工艺上应用 多是单管式，内部混合单元之导流切片则有多种 安装方式。一些糖厂将静态混合器应用于预灰工 艺中，称为混合预灰加磷混合器。在亚硫酸法制糖工艺中，磷酸和石灰乳是重要的辅助澄清剂， 预灰加磷后的充分混合是使反应趋向完全的重要 条件之一。应用预灰加磷管道混合器有助于磷酸 钙与蔗汁中蛋白胶体、 色素胶体颗粒的接触碰撞， 进而反应生成聚体，提高预灰加磷的辅助清净作 用。而旋流混合器更适用于中和汁的强化混合。
扩散孔板混合器是管道混合器的一种，它适 用于小流量的组分均匀混合到大流量组分的过 程，其特点是混合时间短，几乎可以达到瞬间混 合， 混合过程没有像静态混合器那样的切分作用， 非常适合于聚丙烯酰胺（PAM）液与中和汁的混合 过程。
扩散孔板混合器的结构是主流体（蔗汁）管 道内引入小流体 PAM 液，并在 PAM 液入口处设置 一个扩散锥形帽及后孔板，使 PAM 液在进入主管 道瞬间便受导流作用而扩散，然后与主流体一起 通过孔板，由流速和流向的变化达到 2 种流体的 相互均匀分散。 根据蔗汁与 PAM 混凝过程的机理， 要充分利用 PAM 的混凝作用，就要使 PAM 与蔗汁 在尽可能短的时间内达到比较好的完全混合，才 能充分利用 PAM 分子上各活性点的电性，对蔗汁 中带电胶体、 悬浮颗粒等产生电吸附和化学吸附， 使带电物质粒子发生电性中和失稳。这一过程在 实验室条件下，可以缩短到 1 s 左右。混凝过程 的第二步是 PAM 分子与电性颗粒的聚体在一定的 流态下网络住更多的非电性悬浊物，这一过程需 时 10～20 s 的时间。
扩散孔板混合器应用于糖厂 PAM 的混合，是 一种新的尝试，其澄清效果比在管道上或沉淀池 入口添加 PAM 的效果明显提高，而且不需要增加 动力。设备简单，运行过程不需要专人管理。
罐内射流混合系统包括贮罐和反应器、混合 泵、射流喷嘴等。图 1 所示：由混合泵通过喷嘴 产生流速达 20～30 m/s 的射束，并带动射束周边 的流体运动，在容器内形成以射束为中心的旋转 双曲线体的循环流，从而达到液-液混合的效果。 其实际应用可以是间歇操作， 也可以是连续操作。 它是由理想混合反应器发展起来的一种混合系 统，特别适用于要求很小的组分在另一很大组分 中完全均匀扩散的操作过程。罐内射流混合系统 在化工制药及水处理等行业都有应用。其工艺特 点如下： ①混合过程没有机械剪切力的直接作用， 而是靠流体本身不同部分的交换位移及流动速度 变化来达到混合的；②动力消耗较少，且混合效 率相当高，可以适应很大系统的混合过程；③由 于没有机械剪切力，可以保持物料系统中悬浮物 颗粒的完整。
在糖厂的硫熏中和过程中， SO2溶于水后产生 的亚硫酸根 SO32-和亚硫酸氢根 HSO31-与非糖物质 反应，特别是具有双键的有机物，如醛类、酮类 多种不饱和有机物及多元酚类等起反应后，再与 Ca2+形成亚硫酸钙－有机物共沉淀[5]。但是，在实 际工艺上，中和汁从散气箱到二次加热升温的时 间不到 1 min，SO32-或 HSO31-与有机非糖成分显然 没有充分反应，没有足够的时间生成亚硫酸钙－ 有机物共沉淀。根据 CaSO3 的溶解度随温度升高 迅速下降的特点， 结合亚硫酸法制糖的工艺特点， 我们对传统的中和后立即升温的工艺进行改进， 设计了专门的强化反应器，称为硫熏中和强化反 应器系统。 其主要技术支持是罐内射流混合系统， 能在 1 min 内将 15 m3的物料充分混合，物料在 反应器内经过 3～5 次的混合过程， 使硫熏中和后 的中和汁在较低温度下有适当的反应时间，SO32- 等与更多的胶体、 色素等非糖物质发生有效碰撞， 产生化学反应后再形成 CaSO3 共沉淀，提高了液 相中 SO2的有效利用率。
廖平糖业有限责任公司 2006/07 年榨季针对 澄清工段复杂的混合反应问题进行了专门技术改 造，重点改造预灰和硫熏中和反应这两个最主要 的混合反应工艺环节。具体的混合技术应用的工 艺路线如下：
控制的工艺指标为：预灰汁 pH 值 6.8～7.0， 加磷酸量至 450～500 ppm，一次加热温 65℃，硫 熏强度 18～22 cc，中和 pH 值 6.8～7.2。
该混合技术的综合应用效果主要用清汁色 值、清汁重力纯度、最终产品白砂糖的色值等指 标检验。为对使用前后的效果进行比较，取制糖 生产最稳定的 1 月份为对比期， 数据取自 2005/06 年(使用前)和 2006/07 年(使用后)榨季 1 月份日 常分析报表，生产期均为 26 天。部分检测数据列 于表 1、表 2 中。
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表 1 混合技术使用前后清汁重力纯度对比 |
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表 2 混合技术使用前后的色值 IU 对比 |
由预灰静态混合器、罐内射流混合系统、扩 散孔板混合器和旋流混合器组成的硫熏中和强化 反应器系统在廖平糖业有限责任公司的应用结果 表明： 该硫熏中和强化反应器系统具有工艺简单， 安全性高，设备动力消耗少，混合效率高的特点。 中和汁经强化反应后，形成的悬浮物颗粒均匀、 密实；经散气混凝后，形成的絮体结实，易沉淀；清汁质量好，泥汁量减少，产品质量显著提高。 白砂糖产品色值在 115～130 IU 之间。同比在维 持产品质量前提下，不增加其它助剂消耗，可减 少硫熏强度 1～2 cc，节约石灰约 10％。
应用静态混合器后，工艺上预灰汁 pH 值稳 定，没有预灰 pH 值滞后反应的现象。混合汁经预 灰加磷后，负电性的胶体、色素吸附钙离子后失 去了稳定性，大部分胶体被新形成的蛋白质磷酸 钙复合物包裹， 减少在加热和硫熏中和 pH 值降低 时的复溶，为以后亚硫酸钙、磷酸钙的絮凝创造 条件。预灰加磷的良好反应，为后续的硫熏中和 及整个澄清工段的工艺稳定奠定了良好的基础， 工艺管理及岗位操作明显轻松。
罐内射流混合系统的应用对中和反应有明显 的强化作用。在中和器中对混合汁加入二氧化硫 气体、石灰乳，亚硫酸和氢氧化钙与及蔗汁中的 磷酸根等发生中和反应生成亚硫酸钙和磷酸氢钙 沉淀，糖汁经罐内射流混合系统的强化反应后, 蔗汁中的胶体随大量生成的钙盐一起沉淀析出。 再经中和汁二次加热，使澄清汁更加清澈透亮， 色值更低，纯度提高。正常生产条件下，清汁色 值大部分低于 2000 IU，重力纯度在 89％以上。
扩散孔板混合器加旋流混凝器的应用也有不 可缺少的作用。中和汁经加热、散气后，采用扩 散孔板混合器添加 PAM(1.5～2.5 ppm)，然后经 过一台旋流混凝器,停留约 15 s 后再进入沉淀池 顶层。利用散气箱与沉淀池顶层的液位差作为动 力，就可以达到满意的混凝效果。沉淀池停留时 间可控制在 50～60 min，泥汁浓度有所增加，清 汁质量提高明显；沉淀池运行稳定，整个榨季没 有出现“反底”现象。
硫熏中和强化反应器系统综合应用的效果显 著，主要体现在清汁质量和白砂糖产品质量稳定 提高。 同期清汁重力纯度提高近 1％， 小于 130 IU 的白砂糖产品占 52.47％。
混合技术是一种很常见的单元操作技术，廖 平糖业有限责任公司 2006／07 年榨季应用效果 表明：由预灰静态混合器、罐内射流混合系统、 扩散孔板混合器和旋流混合器组成的硫熏中和强 化反应器系统在糖厂的澄清工段应用，可显著促 进硫熏中和的澄清化学反应，使清汁质量和白砂 糖产品质量显著提高。显示出该系统在制糖工业 的推广应用价值。更期望在制糖工业有更多的节 能、高效、符合清洁生产的混合技术应用成果出 现。
| [1] | 马月飞,黄悦刚.静态混合器及其在制糖工业的研究进展[J]. 中国甜菜糖业,2005(1):31-34. ( 1)
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| [2] | 武道吉.再论紊流絮凝动力学致因[J]. 水处理技术.2001,27(1):19-21. (0)
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| [3] | 唐受印,戴友芝.水处理工程师手册[M]. 化学工业出版社,2000:202-204. (0)
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| [4] | [4]中国市政工程西南设计院．给水排水设计手册(3) [M], 北京：中国建筑工业出版社，1986：50–55.(1)
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| [5] | 陈其斌,周重吉.甘蔗制糖手册[M].广州:华南理工大学出版社,1993:85-91. (1)
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