制糖工业是广西支柱产业，对广西经济建设和 农民脱贫致富起着举足轻重作用。但制糖工业一直 是高能耗产业，是万元工业产值能耗值高的行业之 一。据统计，广西制糖生产百吨甘蔗耗标煤在5.2 t 以上，几乎是发达国家的2 倍，能源成本是我国制 糖生产过程第2 大成本，仅次于甘蔗原料成本。造 成制糖生产能耗居高不下的主要原因之一是在蔗汁 澄清过程需添加大量的磷酸、石灰、二氧化硫等澄 清剂，糖汁中残留相当的Ca²⁺、PO₄^3-、SO₄^2-等成垢 离子，在加热、蒸发等传热过程中，由于浓缩会沉 积在加热管壁形成积垢，降低传热效率，增加生产 能耗^[1]。目前我国制糖生产普遍不使用防垢技术， 任其生成再定期清洗，因此换热设备的积垢导致能量浪费严重。近年来，随着制糖生产过程使用石灰、 二氧化硫及磷酸数量日益增加，换热设备的积垢问 题更为突出，已成为我国制糖行业发展亟待解决的 重要问题^[2]。

超声波具有空化效应、机械效应及热效应，作 用于流体中成垢离子时，能改变它们的理化性质， 缩短成核时间或改变积垢形态和结构，使积垢分散、 松散、粉碎、脱落，不易附着在管壁上，达到防垢、 除垢的效果^[3]。在脉冲电场作用下，水分子配位能 力增大，易与溶液中成垢离子形成水合离子，因此 能形成积垢离子数量减少^{[4, 5]}。同时，当脉冲电场作 用于溶液时，溶液中的成垢正、负离子会受到电场 作用力，其方向与大小均随时间变化而改变，使溶 液中的成垢正、负离子不能很好的结合，从而起到 防垢作用。

CaCl₂、Na₂CO₃、Na₂SO₄ 及Na₃PO₄，均为无水 分析纯。

电子天平（精确度0.01 g）、恒温磁力搅拌器、 干燥箱。

超声-脉冲电场防垢器（图1）：自制，主要由 自激式超声波发生器、脉冲电场发生器和盛装待处 理溶液的圆形柱不锈钢容器组成。脉冲电场发生器 外表面涂有聚四氟乙烯层作为绝缘层以保证安全。 在工作过程中将待处理溶液先装于洁净锥形瓶中再 放入不锈钢容器或直接放入不锈钢容器，然后将脉 冲电压的正极装入，调节各工作参数，启动超声场 发生器和脉冲电场发生装置进行处理，反应时间结 束后取出锥形瓶，待分析。

图1(Figure 1)

图1 超声-脉冲电场防垢器

超声-脉冲电场防垢器参数：超声波频率20 kHz，功率0～200 W 连续可调；脉冲电场频率0～ 0.02 Hz，电压为0～5 kV。

采用直接称重法^[6]，即将积垢生成样液移至已 干燥至恒重的洁净玻璃锥形瓶中，再将其放入超声- 脉冲电场防垢器的不锈钢容器，启动超声-脉冲电场 防垢器进行处理。处理结束后，取出锥形瓶，用蒸 馏水洗净悬浮颗粒，干燥至恒重后称重，根据锥形 瓶前后重量的差异，计算出积垢数量。以未使用超 声-脉冲电场防垢器处理进行试验样作空白对比样。 根据空白对比样与试验样积垢量的变化，计算出防 垢率φ，公式如下：

式中：φ—防垢率(%)；w₀—溶液未处理的积垢 量(g)；w₁—溶液经处理后的积垢量(g)。

（1）CaCl₂ 溶液和Na₂CO₃ 溶液：使用蒸馏水 配制成6 mmol/L 浓度，待用。

（2）CaCl₂ 溶液和Na₂SO₄ 溶液：使用蒸馏水 配制成19.1 mmol/L 浓度，待用。

（3）CaCl₂ 溶液和Na₃PO₄ 溶液：使用蒸馏水分别配制成2.17 mmol/L 和1.45 mmol/L 浓度，待用。

分别使用超声-脉冲电场防垢器处理CaCO₃、 CaSO₄ 和Ca₃(PO₄)2 积垢成分的生成溶液，具体方法 如下：

分别移取等体积2.2（1）～（3）中的溶液至1 L 的洁净锥形瓶（干燥至恒重）中，混合均匀，移至 超声-脉冲电场防垢器的圆形柱不锈钢容器，启动超 声波发生器和脉冲电场，按试验设计参数处理指定 时间后，取出锥形瓶再用磁力搅拌器搅拌10 min(100 r/min)，静置1 h，将锥形瓶溶液移去，并 使用蒸馏水将残留在瓶上的悬浮颗粒冲洗干净，再 将其放入干燥箱干燥至恒重(120℃)，称重。根据试 验前后锥形瓶重量变化计算出积垢量w₁。

空白试验：分别移取等体积2.2（1）～（3）中 的溶液至1 L 的洁净锥形瓶（干燥至恒重）中，混 合均匀，用磁力搅拌器进行搅拌，搅拌时间为对应 的超声波处理时间加上10 min（搅拌速度为100 r/min）后，静置1 h，将烧杯中的溶液移去，然后 将锥形瓶在置干燥箱干燥(120℃)至恒重，称重。根 据试验前后锥形瓶重量变化计算出积垢量w₀。

以超声功率、脉冲电压、处理时间作为主要考 察因素，进行3 因素4 水平正交试验，研究超声场- 脉冲电场协同防除CaCO₃、CaSO₄、Ca₃(PO₄)2 这3 种糖厂主要积垢的最佳工艺参数。试验因素与水平 见表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 正交实验的因素与水平

表1 正交实验的因素与水平

正交实验结果见表2。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 超声场-脉冲电场协同作用对CaCO3、CaSO4及Ca3(PO4)2积垢防除的正交试验结果

表2 超声场-脉冲电场协同作用对CaCO3、CaSO4及Ca3(PO4)2积垢防除的正交试验结果

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 超声场-脉冲电场协同防除CaCO3积垢的正交试验极差分析

表3 超声场-脉冲电场协同防除CaCO3积垢的正交试验极差分析

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 超声场-脉冲电场协同防除CaCO3积垢的正交试验的方差分析

表4 超声场-脉冲电场协同防除CaCO3积垢的正交试验的方差分析

由表3 可知，对CaCO₃ 积垢，超声场-脉冲电场 协同作用的最佳工艺条件是A₂B₂C₃，即超声功率 100W，脉冲电场电压3 kV，处理时间2 min。随着 超声功率升高，超声的空化效应增加，CaCO₃ 晶体 成核能量势垒下降，成核诱导期缩短，溶液中迅速 生成大量CaCO₃ 晶核，溶液过饱和度迅速下降，因 此相当CaCO₃ 晶核无法长大，不能在器壁表面沉积 形成积垢，而悬浮在溶液中，积垢量减少。但当超 声功率过大时，负压相时空化气泡直径过大，当到 达正压相时，气泡来不及破裂导致其空化效果减弱， 因而其空化效果反而下降，因此其防垢效果反而下 降，所以积垢的防除存在一个最适功率，对CaCO₃ 积垢即为100W。随着脉冲电场的增强，溶液中水 分子的配位能力逐渐增强，其与成垢离子结合能力 增强，成垢离子之间结合能力减弱，生成积垢量减 少。但若脉冲电场过大，则溶液中水分子和成垢离 子受到的电场力增大，水分子和成垢离子反而不易 结合，成垢离子间更易结合，沉淀增多，因此防垢 率下降。处理时间会影响溶液中空化核量，时间延 长空化核减少，不利于空化的发生。各因素对防垢 率的影响大小的顺序为：超声波功率＞处理时间＞ 脉冲电压。

由方差分析表4 可知，超声波功率、脉冲电压 和作用时间都对CaCO₃ 积垢生成有极显著影响。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 超声场-脉冲电场协同防除CaSO4 正交试验的极差分析

表5 超声场-脉冲电场协同防除CaSO4 正交试验的极差分析

表6

Table 6

表6(Table 6)

表6 超声场-脉冲电场协同防除CaSO4 正交试验的方差分析

表6 超声场-脉冲电场协同防除CaSO4 正交试验的方差分析

由表5 和表6 可知，对于CaSO₄ 积垢，超声场 -脉冲电场协同作用最佳工艺条件是：超声功率100 W，脉冲电场电压3 kV，处理时间3 min。超声波 功率、脉冲电压和作用时间都对CaSO₄ 的防垢率有 极显著影响，影响大小顺序为：超声波功率＞处理 时间＞脉冲电压。

表7

Table 7

表7(Table 7)

表7 超声场-脉冲电场协同防除Ca3(PO4)2正交试验的极差分析表

表7 超声场-脉冲电场协同防除Ca3(PO4)2正交试验的极差分析表

表8

Table 8

表8(Table 8)

表8 超声场-脉冲电场协同防除Ca3(PO4)2正交试验的方差分析

表8 超声场-脉冲电场协同防除Ca3(PO4)2正交试验的方差分析

由表7、表8 可知，对于Ca₃(PO₄)2 积垢，超声 场-脉冲电场协同作用最佳工艺条件是：110 W，3 kV，2 min，超声波功率对防垢率有极显著影响，脉 冲电压对防垢率有显著影响，处理时间对防垢率影 响不显著。

为了确定正交最佳协同参数的可靠性，分别在 各自最优化条件下，研究超声-脉冲电场对CaCO₃、 CaSO₄ 及Ca₃(PO₄)2 积垢生成的验证实验，试验结果 分别见表9。

表9

Table 9

表9(Table 9)

表9 优化条件下的验证试验结果

表9 优化条件下的验证试验结果

由表9 可知，在优化条件下，超声场-脉冲电场 对CaCO₃、CaSO₄ 及Ca₃(PO₄)2 的防垢率明显高于正 交试验中各试验组，表明试验结果可靠。

对CaCO₃ 积垢，最佳工艺参数为超声功率100 W、脉冲电压3 kV、作用时间2 min，超声功率、 脉冲电压以及作用时间都对防垢率有极显著影响， 影响大小顺序为：超声波功率＞处理时间＞脉冲电 压。对CaSO₄ 积垢，最佳工艺参数为超声100 W、 脉冲电压3 kV、作用时间3 min，超声功率、脉冲 电压以及作用时间都对防垢率有极显著影响，影响 大小顺序为：超声波功率＞处理时间＞脉冲电压。 对Ca₃(PO₄)2 积垢，最佳工艺参数为超声110 W、脉 冲电压3 kV、作用时间2 min，超声波功率对防垢 率有极显著影响，脉冲电压对防垢率有显著影响， 作用时间对防垢率影响不显著。

考虑在甘蔗糖厂生产实际中，积垢的主要成分 是CaSO₄，同时实际生产中糖汁流速快，蔗汁停留 时间短，因此使用超声场-脉冲电场协同防垢工艺参 数定为超声功率100 W、脉冲电压3 kV、处理时间 3 min。