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硫熏中和设备的型式有多种。国内早期亦用过几种型式,它们有一些缺点:硫熏强度和硫熏吸收率都较低;有些设备是在正压下工作,燃硫炉要用压缩空气,容易溢出SO2污染环境;以
硫熏中和设备的型式有多种。国内早期亦用过几种型式,它们有一些缺点:硫熏强度和硫熏吸收率都较低;有些设备是在正压下工作,燃硫炉要用压缩空气,容易溢出SO2污染环境;以及设备结构较复杂、管理不便等。1950年代后期广东省有多个单位研究管道式硫熏中和设备,以后逐步改进,现为国内绝大多数糖厂采用。
管道式硫熏器有如下优点:
1、设备结构简单,制造容易,工作可靠,操作与管理方便,占地面积小。
2、自行吸入硫气,燃硫系统在负压下工作,不需要空气压缩机,SO2很少溢出污染空气。
3、SO2吸收率较高,一般在90~95%以上,而且可达到比较高的硫熏强度,如15~20ml,石灰与蔗汁混合汁亦较均匀。
4、只需要利用蔗汁(或糖浆)的静压力作为工作的原动力,不需要其他动力,维护方便。
管道硫熏器主要有立式和卧式两类。早期不少厂用卧式,但现在多数用立式,它的抽吸力较强,所需汁压稍低,且占地面积小,但所需厂房高度较高。卧式管道需要用较高的汁压,否则抽吸力达不到要求。
立式管道可以用单喷咀或多喷咀(4~9个)结构。它们各有优缺点。
单喷咀的结构简单,制造容易,主要用在中小型糖厂。它抽吸气体的效能和吸收二氧化硫的效果不如多喷咀,要用较长的尾管来改进,故尾管要较长,如蔗汁硫熏器5~6m。这样厂房要较高。
大糖厂一般用多喷咀结构,它喷出的汁液与气体的接触面积较大,抽吸和吸收的效能都较好,所需尾管长度较小,通常3~4m已足够,因而不要求很高的厂房。但多喷咀结构的制造和安装要比较精密,特别是几个喷咀的中心线要准确对中,使射出汁液流向喉部集中,否则效果也难保证。也有中型糖厂为提高硫熏吸收效果采用多喷咀结构。
单喷咀结构可以在其中心插入一根锥形圆杆,调节它在喷咀中的位置以改变喷咀出口面积,来适应蔗汁流量的变化。用这种方法,在蔗汁量减少时可缩少喷咀面积,而无需关小蔗汁阀造成蔗汁压力的下降。这种方法对汁量变化的适应性较好,一些大糖厂亦有采用。但要注意,锥杆与喷咀必须精密地同心,不能偏斜或摆动,否则会影响喷射质量,锥杆的直径不宜过大,锥度要较小。
要注意检查设备的实际使用效果,特别是抽吸气体的能力,以及二氧化硫的吸收是否完全,尾气中有无残留二氧化硫(放空管是否容易腐蚀)。
喷射抽吸器的工作过程与机理
管道式硫熏器利用液体喷射作用将硫气抽入器内,它的工作原理和其他的喷射抽吸器大体相同,只是具体工作条件不同。
喷射抽吸器中的工作过程大体可分为三个阶段:
1、液体降压加速;
2、高速液流吸入气体并混合;
3、气液混合物减速升压。
这些过程是依据流体力学中静压能与动能互相转变的原理,其基础为流体力学中的柏努里(Bernoulli)方程式。
(1) 液体降压加速
糖汁经泵升压(一般为0.3~0.5MPa)后进入喷射器的喷咀,因喷咀截面积逐渐缩小、流速增大而静压力下降,液体的静压能转变为动能。在喷咀出口处,液体的静压力降低到和喷咀外的气体静压相同,而流速则升高到20~30m/s。喷咀射出流速v决定于喷咀前汁压,可按下式计算:
  &&& V = && & ( 2gh )0.5
式中:&& 流速系数
   g & 重力加速度 9.8 m/s2
   h & 喷咀前后的静液压的差额(m 压头),一般可按喷咀前后的静压差(MPa)&100计算。
喷咀的流速系数&决定于喷咀的型式及其表面的加工光洁度,以及液体的粘度。糖厂所用者如加工较好,用于水为0.95~0.97, 用于蔗汁0.90~0.94,用于糖浆0.86~0.90。
例:喷咀前汁压为0.3MPa表压(即30m 压头),喷咀射出蔗汁流速为:
   V = 0.92 & (2&9.8&30)0.5 = 22.3 m/s
为使喷咀有较高的效率(速度系数),喷咀的表面应加工光滑,表面粗糙度不超过2&m。喷咀要用耐磨和耐腐蚀的材料如不锈钢(1Cr18Ni9Ti)制造。旧喷咀如表面粗糙或由于磨蚀而变形,应及时更新。
(2) 气体的吸入
从喷咀射出的高速液流,其表面和外界的气体强烈地摩擦,液流的动能传给气体,将一些气体卷入到液流中带走,因而液流逐渐充气,流速逐渐减低。在密闭的空间中,液体将气体带走就形成负压即不同程度的真空。另一方面,喷射器出口处的静压力常稍高于大气压力,此背压的数值视排出处的液封高度及排出阻力而定。喷咀出口处的负压和喷射器出口处的正压形成了压力差,它的方向和液流运动方向相反。这种反方向的压力差使流体在管道中形成强烈的旋涡,同时大量卷入气体,使液流截面积扩大,由原来水射流的较小面积扩大到占满喷射器的整个管道截面。液体射流的激烈冲击和湍流将气体切割成为微细的气泡,形成乳浊状态的气液混合物。液体通过上述方式抽入气体,是各种液体喷射抽气器工作的基础。
(3) 混合物减速升压
在喷射器的喉部以后,由于管道截面积扩大,流体速度下降,其动能复转变为静压能,使流体静压力上升,并有部分能量消耗于将气体升压(压缩)。在喷射器出口处,混合物的静压力升至略高于大气压,可克服出口处的正压力而排出。对于立式的具有长尾管的喷射器,液流由高位向下流,放出了部分位能,亦转变为压能而使流体静压力升高。
2、抽吸效果的主要影响因素
液体喷射器抽吸气体的数量和所产生的真空度决定于下列的因素。
(1) 喷咀前的汁压
汁压越高,喷咀射出液流的速度越高,动能越大,抽吸气体量越多,形成的真空度越高。因为较高的汁压有较大的能量,能作较多的功,喷射流速高可吸入较多气体。
(2) 喷射器的背压
背压越高,吸入气体量越小,所能形成的真空度越低。因为背压高时对气体的压缩作功较多。此类喷射器的背压主要决定于它出口处的液封高度,背压随液封高度增加而增大。它还与喷射器后的混合器的结构和对流体的阻力有关。
卧式管道由于抽吸力较弱,其出口处的液封高度一般不超过300~400mm。立式管道因抽吸力较强,其出口的水封高度 (包括混合器阻力的相应值)可用500~800mm。
(3) 液流射程长度
从喷咀出口至喷射器喉部,液体射流与气体磨擦并将它吸入,随射程延长吸入气体量增加。但射程过长时液体速度明显下降,能量损失增加,后段的作功能力减弱,造成真空度和抽气量降低。此段射程长度一般不宜超过喷咀出口直径的50~80倍 (特别是喷咀直径较小者)。
从喉部至喷射器出口以及随后的尾管属升压段。对于立式管道,这一段的长度较大时,升压效能较强,抽气效能亦较高,不过车间厂房要较高。采用多喷咀结构时,因液流本身抽吸气体较多,尾管长约4米已足够。用单喷咀结构时,尾管需较长(特别是喷咀直径较大者),如蔗汁硫熏用5~7米,但糖浆硫熏3~4米已足够。尾管过长会增加糖液中的气泡量(特别是当蔗汁质量较差而泡沫较多时),有时会造成其后的设备大量冒泡或出汁泵抽送不良。
(4) 有关截面积的比例
喷射器喉部(即喷射器中段直径最小处)的面积对喷咀出口总面积的比例,是喷射器中最重要的几何参数。当这个比例较大时,能吸入较多的气体,但所产生的压力差较小,即产生的真空度较低;而当这个比例较小时,吸入气体量较少,但可产生较大的压力差,即能形成较高的真空。
硫熏器因要求抽气量相当大而所需真空度不高, 要用较大的面积比,一般为9~13倍。如果喉部面积较小,就难以达到较大的抽气量,难于提高硫熏强度。有些厂在扩建时加大了喷咀直径或数量,但喉部面积没有相应加大,就出现这个问题。
喷射冷凝器要求真空度较高而抽吸的不凝缩气体体积不大,故采用较小的面积比,如4~4.5倍。
喷射器尾管的面积,通常比喉部面积增大20~50%,选用直径相近的标准管。
(5) 喷咀的尺寸和安装
直径较小的喷射水流善于吸入气体,直径大者相反。采用多个喷咀因缩小了喷咀的直径而有助于吸入气体,但各喷咀射出水流必须向喉部集中。这一部分要精密地制造和安装。喷咀的布置要对称。单喷咀结构也同样需要喷咀与喉部同心,不可偏斜。
3、SO2的吸收和石灰乳的混合
在喷射抽吸式硫熏器中,由于SO2气体被分割成为微细的气泡分散在蔗汁之中,两者的接触面积很大,而且湍流十分强烈,传质过程迅速,因而SO2很快被吸收溶解,特别是在加入石灰乳将亚硫酸中和后,气体中残留的SO2继续溶解,从而达到相当高的吸收率。蔗汁硫熏中和管道在设计和工作正常时,SO2的吸收率可超过92~95%。
糖浆由于浓度高、粘度大,吸收SO2比较慢。榨蔗期糖浆需要吸收SO2量不多,不难达到要求。但在加工原糖时,回溶糖浆的一次硫熏要较强,为了加强SO2吸收,宜将石灰乳的大部分在硫熏之前加入,使硫熏过程在碱性至中性(或微酸性)下进行。
糖汁吸收SO2后,呈明显的酸性,故设备的该部分包括抽吸室、喉部及其后的尾管,都要用耐腐蚀的材料如不锈钢制造。
蔗汁硫熏中和器都是先硫熏后加灰,加灰器通常是一个立式的圆筒形的密闭容器,不设搅拌机构。石灰乳与蔗汁的混合是依靠蔗汁本身在较高流速下的强烈湍流。为取得良好的混和效果,加灰点应在蔗汁流速较高处。这个位置对混和效果有相当大的影响。
&&& 一些糖厂曾试验将石灰乳加入到喷射器尾管近出口处,但在其后的位置上迅速生成积垢,难以实行。有些厂的这种试验由于该处常有气体反压入石灰乳管,使石灰乳不能顺利流入。因此,现在多数糖厂的加灰点是在尾管的出口之外。
有些糖厂将石灰乳加入到圆筒底部的侧面,因该处蔗汁流速已较低,且加灰只在一侧,混合不均匀,影响到蔗汁ph值不均一,不利于它的准确检测与控制。
按我们的经验,加灰器的加灰位置宜在尾管以下刚连接圆锥体之处,该处蔗汁流速仍相当高。为便于安装管路和操作,锥体宜向上伸长,使它的上方伸出到圆筒顶部平面之上,锥体的张角相应减小。该处加灰可能会遇到气体反压,但只要处理好以下的具体细节,石灰乳就能顺利自流进入。
1、石灰乳管的大小适当,管内流速以0.8~1.2m/s 为宜。
2、石灰乳管斜插入器内约 1cm,管子出口截面与该管中心线垂直,无需削斜。
3、石灰乳的输送管在它的上部最高位置处装一小放空管,初开机时打开排除气体,随后即关回。
加灰器内不设挡板或其他附加物,以免增大流动阻力和喷射器背压,影响抽吸效能。它的后面连接散气器,该器的顶部接排气管放空。因为从燃硫炉来的气体只有约10%是SO2,其余绝大部分是空气(N2、02等),需要排走。由于这些气体的体积很大(比蔗汁大几倍),容易形成大量泡沫。故此散气器要有足够的空间体积,防止气体将蔗汁泡沫带走。散气管要伸到室外,以免气体中残余的so2在室内散逸。散气管也需用防腐蚀材料制造。
4、管道硫熏器的基本计算
(1) 所需的吸气量
  硫熏器所需的吸气量主要决定于所要求的硫熏强度及燃烧气中含so2的浓度。例如,若要求硫熏强度为SO21.5g/l,即1.5 kg/m3,如忽略SO2吸收不完全的损失不计,则每m3蔗汁需燃烧硫0.75kg。按正常条件,每公斤硫产生燃烧气体7.3m3,故在蔗汁硫熏管道中每m3蔗汁要抽吸气体体积为:
&&& 0.75 & 7.3 = 5.48 m3
即抽气体积要为蔗汁体积的5.5倍。如果所需硫熏强度更高,或燃硫炉过量空气更多(硫气浓度较低),或硫气冷却不足温度较高,所需抽吸气体量更大。因此,蔗汁硫熏器要达到较高的硫熏强度,必须有较强的抽吸力,并要燃硫炉工作良好。
(2) 喷射器主要尺寸
首先计算喷咀尺寸。按上述方法计算喷咀出口流速,再按蔗汁量计算喷咀尺寸。如上例,喷咀出口流速为22.3m/s,若3000t/d糖厂的蔗汁量为115t/h,蔗汁比重1.06,则所需喷咀出口截面积为:
   115/(1.06&22.3&3600) = 0.00135 m2
如用单喷咀,则喷咀直径为42mm;如果用四个喷咀,则喷咀直径为21mm。
然后计算喉部直径,可按喉部面积对喷咀出口面积的比例计算。如上例,取该面积比为11,则喉部的直径139mm&。再计算尾管直径,取其面积为喉部的1.2倍,则尾管直径为152mm。
5、硫熏器抽吸性能不良的原因与改进方法
硫熏器的抽吸性能受到多种因素的影响,主要如下:
1、蔗汁的压力,喷咀前汁压通常要0.3mpa,高些亦好。汁压不足时抽气量小。
2、喷射器喉部面积对喷咀出口总面积的比例,一般要10~15倍,如喉部面积不足,抽气量就不够。有些糖厂在扩建时加大喷咀直径或增加喷咀数量,但喉部面积没有相应扩大,使面积比缩小,就自然出现此问题。应当注意,硫熏器抽吸的气体体积很大,一般为蔗汁体积的5~8倍。此外,尾管的尺寸也要适当,它的面积为喉部的1.2~1.5倍,可选用直径相近的标准管。
3、喷咀要精密加工,表面光滑。用多个喷咀的抽吸效能较好,但所有喷咀的中心线必须向喷射器喉部集中,不可偏斜,喷咀板要精密加工,喷咀在喷咀板上的分布要均匀(堵塞部分喷咀会造成不均匀)。如用单喷咀,需要有较长的尾管。如果在喷咀中用锥形杆调节流量,锥杆与喷咀必须同一中心线,不可偏斜。要注意设备长期使用后喷咀出口可能变大或变形,修机期要检查和处理。
4、燃硫炉后的气体要充分冷却,温度最好低于60℃。硫气管中的气体流速不高,一般为5~6m/s,可按此复算和配备硫气管。
5、硫熏器尾管出口的液封高度要适当,一般为500~800mm。此值过大会增加排出阻力,降低抽气性能。加灰器内不宜设挡板,以免增大阻力。
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解:(1)由溶液pH的测定方法可知,用洁净干燥的玻璃棒蘸取该溶液滴到的pH试纸上,而不应该润湿,润湿后相当于把溶液稀释,测碱性溶液使得结果偏小,故方法不正确,结果偏小,但结论正确;(2)二氧化碳能和氢氧化钡反应生成碳酸钡白色沉淀,实验现象:有白色浑浊;反应的化学方程式:CO2+Ba(OH)2═BaCO3↓+H2O;(3)中和反应是指酸和碱反应生成盐和水的反应,所以有白色沉淀的中和反应是硫酸和氢氧化钡反应生成硫酸钡沉淀和水,反应的化学方程式:H2SO4+Ba(OH)2═BaSO4↓+2H2O;硫酸铜和氢氧化钡反应生成硫酸钡沉淀和氢氧化铜蓝色沉淀,反应的化学方程式:CuSO4+Ba(OH)2═BaSO4↓+Cu(OH)2↓;(4)钡离子和硫酸根离子生成硫酸钡沉淀,铜离子和氢氧根离子反应生成氢氧化铜蓝色沉淀,在溶液中Ba2+&和SO42- 以及Cu2+和OH-不共存.故答案为:(1)B;(2)有白色浑浊;&CO2+Ba(OH)2═BaCO3↓+2H2O;(3)H2SO4+Ba(OH)2═BaSO4↓+H2O;CuSO4+Ba(OH)2═BaSO4↓+Cu(OH)2↓;(4)Ba2+;&SO42-;Cu2+;&OH-.(1)根据溶液pH的测定方法进行解答;(2)根据二氧化碳能和氢氧化钡反应生成碳酸钡白色沉淀进行解答;(3)根据中和反应是指酸和碱反应生成盐和水的反应以及硫酸铜和氢氧化钡反应生成硫酸钡沉淀和氢氧化铜蓝色沉淀进行解答;(4)根据钡离子和硫酸根离子生成硫酸钡沉淀以及铜离子和氢氧根离子反应生成氢氧化铜蓝色沉淀进行解答.}

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