（化学工艺专业论文）超效射流气浮分离提纯糖汁的应用及机理研究.pdf

，西大学博士学位论文超效射流气浮分离提纯糖汁的应用及机理研究 超效射流气浮分离提纯糖汁的应用及机理研究 摘要 气浮作为一种固液分离技术，广泛应用于化工、采矿、造纸、制糖、 废水净化和环境保护等领域。超效射流气浮技术同传统的气浮方法相比， 更显得高效实用。本实验利用获得国家专利的射流气浮机，充分利用了流 体力学原理，所产生的气泡细小均匀，气浮过程时间短，固液分离效率高。 影响糖汁气浮提纯分离的主要因素是糖汁中胶体非糖分的絮凝程度和 微气泡同絮凝物结合的强弱。生产过程中的工艺参数、澄清剂用量、胶体 及色素等非糖分的形态和性质等，均会对絮凝过程产生重要影响。 本实验分别对糖汁气浮提纯分离过程中工艺参数进行优化、糖汁中胶 体的形态及变化、酚类物质的含量及变化、不同条件下气泡的形成和破灭 的规律等进行研究，并将研究结果和优化方案应用于实际生产过程，取得 了显著的效果。对于指导生产、提高理论学术水平具有现实意义。 正交试验的分析结果表明，磷酸加入量是影响纯度、还原糖、色值、 混浊度、钙盐和浮升速度的主要因素，加灰p h 值是影响色值、混浊度和浮 渣体积的主要因素，中和p h 值是影响纯度和钙盐的主要因素，絮凝剂加入 量是影响浮渣体积和浮升速度的主要因素。磷酸加入量对清汁还原糖变化 率的影响和对色值的影响、中和p h 值对混浊度降低率的影响以及加灰汁p h 值对浮渣体积的影响为显著，磷酸加入量对钙盐变化率和浮升速度的影响 为高度显著。 “西大学博士学位论文超效射流气浮分离提纯糖汁的应j _ i ；i 及机理研究 对胶体形态变化的测定研究表明，不论何种样品，粒径约为6 0 n m 至 2 0 0 n m 的胶体粒子占有较多的数量，而粒径约为2 0 0 n m 至3 0 0 n m 的胶体粒子 数量均有不同程度的降低趋势。混合汁中胶体粒子粒径的分布范围较广， 粒径范围为9 0 0 n m 至1 5 0 0 n m 的胶体粒子虽然数量较小，但由于粒径较大， 故占有的体积份数也较大；浮清汁中粒径在6 0 0 n m 至1 0 0 0 n m 的胶体粒子是 体积和数量的主要部分，粒径在7 0 0 n m 以上的胶体粒子在气浮过程得以大 部分除去；由于固液接触时间长，浮渣滤汁中胶体粒子体积和数量的变化 比较平缓：清汁中胶体粒子体积和胶体粒子数量的主要分布比较一致，约 在粒径为6 0 0 n m 至1 3 0 0 n m ，小颗粒胶体粒子被亚硫酸钙吸附除去。 高效液相色谱对酚类的测定结果显示糖汁中主要含有没食子酸和阿魏 酸，并且在气浮前后含量变化不大，阿魏酸的含量高于没食子酸的含量。 结合以前所做的试验，认为气浮过程所除去的色素大部分为非酚类物质。 对糖汁气泡的测定研究表明，温度和p h 值对气泡的生成和破灭均有影 响，而温度的影响比较显著。在低温和低p h 值时，气泡容易生成，不易破 灭。结合实际生产过程的工艺参数，建立了在5 0 o c j np h 7 0 时气泡生成和 破灭时气泡体积随时间变化的数学模型，并和试验数据对比，验证了模型 的准确性。 生产实验研究表明，射流气浮提纯糖汁技术对于提高糖汁的纯度和产 糖率，降低色值、混浊度和p ：0 。残留量效果显著，值得推广。 对高浊度滤汁的气浮澄清研究亦取得了令人满意的效果。 关键词：超效射流气浮提纯糖汁 i i 广西大学博士学位论文 超效射流气浮分离提纯糖汁的应用及机理研究 s t u d yo na p p l l c a t i o na n dm e c h a n i s mo fp u r l f y l n gs u g a rj u l c e b ys u p e r f l u l d l c sf l o a t a t l o n a b s t r a c t f l o a t a t i o n ，a s am e a n so fs o l i d l i q u i d s e p a r a t i o n ，i sw i d e l yu s e do n c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，m i n i n g ，p a p e r , s u g a rp r o d u c t i o n ，w a s t ew a t e rp u r i f i c a t i o n ， e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，e t c s u p e r - f l u i d i c s f l o a t a t i o ni s h i g h e f f i c i e n t c o m p a r e dw i t hc o m m o n s t h ef l u i d i c sf l o a t a t i o ne q u i p m e n ta d o p t e di nt h e e x p e r i m e n tc a nf o r me q u a lm i c r o - b u b b l e sa c c o r d i n gt of l u i d i cp r i n c i p l e ，w h i c h c a ns h o r t e nt h er e t e n t i o nt i m ea n di n c r e a s et h e e f f i c i e n c y o fs o l i d - l i q u i d s e p a r a t i o n t h em a i nf a c t o r so fi n f u e n c i n gj u i c ep u r i f i c a t i o no ff l o a t a t i o na r et h e e x t e n to fc o l l o i d a lf l o c c u l a t i o na n dc o m b i n a t i o no fm i c r o b u b b l e sw i t hf l o c f l o c c u l a t i o ni sm a i n l ya f f e c t e db yp r o c e s sp a r a m e t e r s ，a d d i t i o no fc l a r i f y i n g a g e n t s ，c o n f o r m a t i o na n df e a t u r eo fc o l l o i da n dp i g m e n t ，e t c t h es t u d yi nt h ee x p e r i m e n ti so nt h eo p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r s ， c o n f o r m a t i o na n dv a r i a i o no fc o l l o i di nt h es u g a rj u i c e ，c o n t e n to fp h e n o l sa n d i t sv a r i a t i o n ，f o r m i n ga n dd i s a p p e a r i n go fb u b b l e si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，e t c s t r i k i n ge f f e c t sh a v eb e e na c h i e v e di nt h ec l a r i f i c a t i o no fs u g a rp r o d u c t i o na f t e r t h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t sa n do p t i m u ms c h e m ew e r eu s e d ，w h i c hi sh a st h e r e a l i s t i cm e a n i n gf o rg u i d i n gt h ep r o d u c t i o na n dr a i s i n gt h et h e o r ya n da c a d e m i c l e v e l t h er e s u l t so fo r t h o g o n a lt e s ts h o w e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fp 2 0 5i st h e k e yf a c t o ro fa f f e c t i n gp u r i t y , r e d u c i n gs u g a r , c o l o r , t u r b i d i t y , c a l c i u ma n dr i s i n g s p e e do fs c u m ；p ho fl i m e dj u i c ei st h a to fc o l o r ，t u r b i d i t ya n ds c u mv o l u m e ； n e u t r a l i z e dj u i c ei st h a to fp u r i t ya n dc a l c i u m ；c o n c e n t r a t i o no ff l o c c u l a n ti st h a t o fs c u mv o l u m ea n dr i s i n gs p e e do fs c u m t h ei n f l u e n c eo fp 2 0 5c o n c e n t r a t i o n o nv a r i a t i o no fr e d u c i n gs u g a ra n dc o l o ri ss i g n i f i c a n t ，p hv a l u eo fn e u t r a l i z e d j u i c eo nd r o po ft u r b i d i t ya n dp hv a l u eo fl i m e dj u i c eo ns c u mv o l u m ea r ea l s o s i g n i f i c a n t ，t h ec o n c e n t r a t i o no fp 2 0 5i sm o r es i g n i f i c a n to nc a l c i u mv a r i a t i o n i i i 广西大学博士学位论文超效射流气浮分离提纯糖汁的应用及机理研究 a n dr i s i n gs p e e do fs c u m m e a s u r e m e n to nc o l l o i d a lf o r ms h o w e dt h a tc o l l o i d a lp a r t i c l e sb e t w e e n 6 0 n ma n d2 0 0 n ma r et h em o s tn u m b e r so ft h ea l l ，n u m b e r so fp a r t i c l e sb e t w e e n 2 0 0 n ma n d3 0 0 n mt e n dt og od o w n p a r t i c l es i z ei nt h em i x e di u i c ed i s t i l b u t e s w i d e l y p a r t i c l e sb e t w e e n9 0 0 n ma n d15 0 0 n mo c c u p i e dm o s tv o l u m eo ft h et o t a l d u et ot h e i rb i gs i z ea l t h o u g ht h e i rn u m b e ri ss m a l l p a r t i c l e sb e t w e e n6 0 0 n m a n dl0 0 0 n mi nf o a t e di u i c ea r et h em a i np a r to ft h et o t a lv o l u m e ，w h i c hm e a n s t h o s ep a r t i c l e so v e r7 0 0 n mw e r em o s t l yr e m o v e dd u r i n gf l o a t a t i o n v o l u m ea n d n u m b e ro ft h ep a r t i c l e si nt h ej u i c ef r o ms c u mc h a n g eg r a d u a l l ys i n c el o n gt i m e s o l i d - l i q u i dc o n t a c t t h ed i s t r i b u t i o no fv o l u m ea n dn u m b e ro fp a r t i c l e s i n c l a r i f i e di u i c ei sr e l a t i v e l ys i m i l a r , w h i c hm e a n st h o s ep a r t i c l e sb e t w e e n6 0 0 n t o a n d13 0 0 u r nw e r ea d h e r e da n dr e m o v e db yc a l c i u ms u l p h i t e m e a s u r e m e n to np h e n o l sw i t hh p l ci n d i c a t e st h a to n l yg a l i ca c i da n d f e l i n i ca c i da r em a i n l yc o n t a i n e di nt h es u g a r j u i c e ，t h ec o n c e n t r a t i o no ff e l i n i c a c i di sh i g h e rt h a nt h eg a l i ca c i d r e f e r e n c i n gt h ef o r m e re x p e r i m e n t ，i ti s c o n c l u d e dt h a tp i g m e n t sr e m o v e dd u r i n gf l o a t a t i o na r em a i n l yn o n - p h e n o l s d e t e r m i n a t i o no nm i c r o b u b b l e si ns u g a ri u i c es h o w e dt h a tt e m p e r a t u r e a n dp hv a l u ec a na f f e c tt h ef o r m i n ga n dd i s a p p e a r i n go fm i c r o - b u b b l e s ，t h e f o r m e ri sm u c hm o r eo b v i o u s t h em i c r o b u b b l e sf o r n le a s i l ya n dd i s a p p e a r u n e a s i l ya tl o w e rt e m p e r a t u r ea n dl o w e rd hv a l u e m a t h e m a t i cm o d e lo f m i c r o b u b b l e sv o l u m ew i t ht h et i m ea t5 0 a n dp h7 0h a sb e e ne s t a b l i s h e d w h e nt h eb u b b l e sf o r m i n ga n dd i s a p p e a r i n g ，c o m b i n i n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s o ft h ep r o d u c t i o n t h ed a t ac a l c u l a t e df r o mt h em o d e li sc o m p a r e dw i t ht h a t f r o mt h et e s ti no r d e rt ov e r i f yi t sa c c u r a c y r e s e a r c ho np r o d u c t i o n e x p e r i m e n ts h o w e dt h a tj u i c ep u r i f i c a t i o nb y f l u i d i c sf l o a t a t i o ni sm u c he f f e c t i v ef o ri m p r o v i n gt h ep u r i t yo fs u g a rj u i c ea n d s u g a ry i e l d ，d e c r e a s i n gt h ec o l o r , t u r b i d i t ya n dp 2 0 5i nt h es u g a r j u i c e t h e r e f o r e ， t h et e c h n o l o g yi sw o r t ht ob ee x t e n d e d t h es t u d yo nt h ep u r i f i c a t i o no ft u r b i df i l t e r e dj u i c eb yf l o a t a t i o na l s o a c h i e v e das a t i s f a c t o r yr e s u l t k e yw o r d s ：s u p e r - f l u i d i c s ；f l o a t a t i o n ；p u r i f i c a t i o n ；s u g a r j u i c e r “西大学博士学位论文 超效射流气浮分离提纯糖汁的应用及机理研究 符号说明 意义 气泡直径 微气泡形成处混合流体的切向速度 体积流量 电动电位 溶液粘度 球形胶体粒子下沉的重力 球形胶体粒子受到的浮力 液体对球形胶体粒子的粘滞阻力 粒子下沉的速度 球形胶体粒子半径 重力加速度 糖液的密度 带气絮凝物的密度 气泡体积 时间 单位或量纲 u m m s m 3 h m v p a s n n n c n y s u m c m s 2 g c m g c m m l m l n v 待巩 h 绞o ， 凡留 口 g 如 胁v 。 广西大学博士学位论文 1 1 气浮技术的研究状况 超效射流气浮分离提纯糖汁的应用及机理研究 第一章文献综述 1 11 射流器的工作原理及研究历史 射流器是以流体作为工作介质，通过喷嘴高速喷出形成射流，静压能部分转换为动 能，同时管内形成真空，低压流体被吸入泵内。两股流体在喉管中通过流体质点的湍流 扩散作用，进行混合和能量交换。工作流体速度减小，被吸流体速度增大，压力逐渐增 加，在喉管出口处速度趋于一致。作为一种流体机械及混合反应设备，由于射流器内没 有运动部件，所以它具有结构简单、工作可靠、加工容易和便于综合利用。在很多技术 领域中，采用射流器可以使整个工艺流程和设备大为简化，并提高其工作可靠性，特别 是在高温、高压、真空及水下等特殊工作条件下，采用它更显示出其独特的优越性。在 某些真空工况【1 1 ，射流泵可取代水环式、旋片式、w 型往复式真空泵。其最大真空度可 达9 6 k p a ( 7 2 0 m m h g ) ，抽气流量达4 0 0 0 m 3 h 。由射流器、喷射器及喷头等组成的喷射技 术系统，目前在国内外己被应用于水利、电力、交通、冶金、石油、化工、环境保护、 海洋开发、核能利用、航空及航天等部门。 射流器的研究和应用已有1 0 0 多年的历史1 2 , 3 1 。早在十九世纪六十年代，德国学者g z e t m e r 根据动量定理，建立了射流器的设计理论基础，之后又与m r u n k i n 进一步完善和 发展了这个理论，但在当时他们的理论还不能解决射流器及喷射器等的计算问题。到了 二十世纪三十到四十年代，由于流体力学及空气动力学的发展，推动了射流器及喷射器 的研究工作。k h o e f e r 首先进行了液气射流器对冷凝器抽真空试验。j e g o s l i n e 、m p o b r i e n 在加里福尼亚大学进行了系统的液体射流器试验研究工作，建立了它的基本性能 方程。g v f l o g a 建立了射流器及喷射器的计算方法。d c i t r i n i 在分析了射流器的阻力 损失后，提出了射流器效率的途径。r w r o d e s 提出了用液体射流器抽送泥沙，并指出 其经济性及可靠性。r g c u n n i n g h a m 研究了抽吸高粘滞性液体的射流器性能。r v o g e l 研究了射流器的基本性能最优设计参数，提出射流器效率可以达到4 0 。a g h a n s e n 提出液体射流器设计方法。b j h i l l 及g b g i l b e r t 等人用二元流的方法对液体射流器性 能进行了分析。进入二十世纪8 0 年代，陆宏圻发展了准二维理论，其中心思想总体上是 一维的，但局部有关控制断面上是二维的。即在一维理论的基础上，引入喉管入口函数、 流速分布不均匀动量修正系数及速度滑移修正系数等分别考虑各个控制断面流速分布 不均匀对有限空间射流的影响，在此基础上导出了射流器的性能方程，其普遍性与实用 性较好，是射流器史上一次重要的里程碑。l u ，s o n g ，g u o 翅实地考虑了射流器的实际尺 寸，利用边界层近似计算了无回流情况下射流器内有限空间射流的流动，文中修正了k 广西大学博士学位论文 超效射流气浮分离提纯糖汁的应用及机理研究 一模型中方程的生成项，并讨论了上游边界值对计算结果特别是对壁压分布的影响， 得出了射流器的性能曲线，与准二维理论及实测值进行了对比。罗卫民【4 】对射流器内部 流动进行了数值模拟及试验研究。陈正文对射流器的性能进行了预测。l u ，l o n g ，c h e n 等用标准的k 一模型和有限差分法，真实地考虑了射流器的几何形状，引入抛物型流动 假设，计算了无回流情况下，射流器内平均流场、温度场及壁压的分布，和一、二次流 温度不同时射流器的性能方程。龙新平1 5 j 对脉冲式射流器内非定常有限空间射流进行了 准二维分析与相应的试验研究，提出了“液柱活塞效应”的新概念。陆宏圻、高传昌运 用流体动力学理论，导出气液活塞式脉冲液体射流器装置性能方程，分析了反吸与压力 两个不同工作过程中的主要因素对装置性能方程的影响，并与恒定流液体射流器装置性 能方程对比，阐明了二者之间的关系。廖定佳1 6 】提出了液气双流体模型，并对常见的双 流体模型作了两点修正：首先从量级比较的角度提出了压力分摊的新方法，然后又提出 了不依赖气泡粒径即可求解液气相间作用力的方法。s h e f i es a 模拟了两相射流器不规 则区域内的流动。朱劲木1 7 j 进行了射流器的数值模拟及高压水磨料的射流的实验研究。 俞建良等对液一液气射流器进行了模拟和研究，实验了三种面积比，推导出了基本性能 方程的经验方程式。梁爱国【8 】用混合有限分析法对射流器内部流场进行了模拟。 11 2 射流过程各种数值模拟方法 射流器属于流体机械，研究流体机械内部流动的方法有理论分析、实验研究和数值 模拟三种。对流体机械内部流动实验测量时，要求的实验装置复杂庞大，实验成本较高， 研制周期长，因而使实验研究受到了限制。而数值模拟以其自身的特点和独特的功能， 与理论分析及实验研究一起，形成了计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 这一新的学科。近些年来，随着电子计算机的飞速发展，对射流器的数值模拟进行了大 量的研究。数值计算具有成本低，能模拟复杂或较理想的工况等优点，它可以拓宽实验 范围，减少盲目的试验，从而减少工作量。在一定的意义上来说，在特定的参数环境下 进行一次数值模拟相当于进行一次试验。计算流体动力学随着高速、大容量、低价格计 算机的相继出现，使数值模拟在工程设计中应用成为可能，计算流体力学方法为流体机 械设计及研究提供了新的途径一】。 1 控制方程 ( 1 ) 控制所有流体流动的基本定律是：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒 定律。由它们可以分别导出：连续性方程、动量方程和能量方程。由它们可以得到纳维 尔一斯托克斯方程组，简称n s 方程组，流体流动所需遵守的普遍规律。 ( 2 ) 对流一扩散偏微分方程分类 对任何一种对流一扩散现象，包括层流及紊流的传能、传质过程，都可以表示成统 一的对流一扩散形式的偏微分方程。根据特征线的组数可将所有偏微分方程分为双曲 型、抛物型及椭圆型。 + 西大学博士学位论文超效射流气浮分离提纯糖汁的应用及机理研究 抛物型及双曲型方程相应于物理学上步进问题，其物理变量与时间有关，又称为初 值问题，其求解区域是开区间。计算从已知的初值出发，逐步向前推进，以依次获得适 合于给定边界条件的解。抛物型的步进问题的依赖区和影响区以特征线为界截然分开； 双曲型的步进问题与之不同的是，某点的依赖区或影响区是处在通过该点的两条特征线 之间。椭圆型偏微分方程相应于物理学上的平衡问题( 或稳态问题) ，其物理变量与时 间无关，且求解区域为封闭区间。由于椭圆型偏微分方程对空间坐标是双向的，故也称 为回流型。总之，控制方程可用抛物型和椭圆型予以描述，在物理意义上对应的称谓是 边界层型和回流型。 ( 3 ) 适定问题 偏微分方程的适定问题是指解的存在性、唯一性和稳定性。定解问题的适定，反映 了微分方程定解问题与所描述的物理现象一致性问题。其关键是定解条件是否适当，也 就说对于某类型的方程，应当给出相应形式的初始条件或边界条件。 对于用数值方法求解，如原定解问题是适定的情况，则离散后的定解问题也应该是 适定的，否则所采用的数值方法则是不合理的。 2 数值模拟的一般步骤 首先，建立所研究问题的物理模型、再将其抽象成数学、力学模型。之后确定要分 析的几何形体的空间影响区域。然后，建立整个几何形体与其空间影响区域，即计算区 域的c a d 模型，将几何体的外表面和整个计算域进行空间网格划分。其次，加入求解所 需的初始条件，入口与出口处的边界条件：一般为速度、压力、温度、密度等条件，若 分析的问题考虑了湍流则还要给出湍流动能及耗散率的入口边界条件。另外还要加入几 何壁面的边界条件，一般计算域的边界应加上正常的所处环境的流体参数，而几何形 体表面由于粘性效应，则应加上无滑移的边界条件，即速度沿各个方向均为零。再次， 选择适当的算法，设定具体的控制求解过程和精度等条件，对所需分析的问题进行求解， 结果以数据文件保存。 最后选择合适的后处理器读取计算结果文件。将其以图形化格式反映出来。观察其 结果，若与真实情况不符合，则重复上述步骤直到求得收敛数值解。 3 求解偏微分程的数值方法【l 3 j 流体力学的解析方法有两个基本的困难，首先是流体力学的基本方程的非线性性 质。由于对流项的存在，方程是非线性的，对于非线性方程，目前难于找到它的解析解。 其次是几何形状的不规则，实际的流体力学问题其流动的区域形状都是不规则的。对于 微分方程的分析解，一般的简单几何形状如圆形、矩形才可以方便求解，不规则的形状 是难于求得分析解的，即使是级数解。因此，工程上对于实际的流体力学问题大多求它 们的数值解以满足实际工程上需要。 电子计算机的出现给各个力学分支的原有理论，方法和计算带来了新的突破，用电 子计算机数值求解流休的流动，必须将描述流动的基本方程离散化为代数方程组爿可以 解答。目前在计算水力学所用的方法中，有以下几种： j 西大学博士学位论文超效射流气浮分离提纯糖汁的应用及机理研究 ( 1 ) 有限差分法 有限差分法是数值计算中最经典而且最常用的方法，发展比较早，有全面和坚实的 理论基础。它是在解析法的基础上进行近似数值计算。首先由物理模型转化为数学模型， 然后对微分方程进行离散化( 用差分代替微分) ，变为代数方程，再通过计算机求解。 有限差分法是一个较成熟的方法，解的唯一性、收敛性、误差估计、稳定性等数学 基础比较严密，发展比较完善。它可依据不同的离散方法，有不同的精度。在处理高雷 诺数时，比有限元、边界元法优越。该法程序较有限元、边界元法简单。 但该法边界必须为规则边界，不然的话，就要用贴体坐标系进行变换，计算较复杂。 ( 2 ) 有限元法 有限元法是在力学模型的基础上进行近似计算。其数学基础是变分法或加权余量 法。其原理是将流场划分为许多子区域( 称单元体) ，在每个单元内选择若干合适的点 作为求解函数的插值点，方程所要求的近似解由各个单元中的近似函数逼近，而单元中 的近似函数可以由己知的单元函数的线性组合表示。线性组合表达式中的待定系数正是 近似解在终点上的函数值，它可以通过总体的有限元方程求解。 有限元法单元尺寸可依据需要来划分，相邻单元的介质性质可以不同，单元分析可 以规格化、统一化，解题能力强，混合边界条件容易处理。 但该法同有差分法相比，其统一性、收敛性、误差估计、稳定性等数学基础尚不严 密，有待明确，计算结果受人为的因素较大，要求计算机存储量大。 ( 3 ) 有限体法 有限体法是将偏微分方程积分，变为积分方程，然后用有限体方法进行离散化处理。 用有限体中心函数值来表示其平均值，将积分方程化为代数方程求解。 它具有解析和离散相结合的特点，特别适用于不稳定流场的计算。 优点是：用单元中心点函数表示其平均值。适用于复杂边界条件及不稳定流动情况。 缺点是：单元体要小，不然误差较大。要求大容量高速度的计算机。 ( 4 ) 边界元法 边界元法是给定的微分方程边值问题，微分方程的基本解化为边界积分方程，在离 散的区域边界上将边界积分方程化为代数方程。它具有离散与解析相结合的特点，因而 有较高的精度，对无限边界可以满足精度要求。 该法的优点是：问题的维数减少一维，因此计算工作量大为减少；易于处理无限区 域问题；精度一般高于有限元法；占用机器内存较少，计算速度快，输入数据少。 但该法要求采用解析函数基本解，此法目前只适用于线性问题、基本解已知或者可 以直接求基本解的问题；方程组的系数矩阵不对称，并为满秩；经常要数值计算很多的 奇异积分，影响计算方法的有效性及计算时间，因而并未显示出很大的优点：处理非线 性、分界面、区域的角点等问题还要继续研究。 ( 5 ) 有限分析法 有限分析法是由陈景仁提出的一种数值方法，对于解对流扩散方程有较好的效果。 4 广西大学博士学位论文超效射流气浮分离提纯糖汁的应用及机理研究 该方法有较高的精度，且有自动迎风效应，但单元系数计算较复杂。它的基本思想是： 方程在整个求解域内一般难以找到解析解，但在局部区域内，当区域足够小，域内方程 可由常系数方程逼近时，可以近似地找到精确解，由此可建立该解中心点的值和周围 节点值的关系，即离散化方程。对每一个小区域都建立这样的关系，就得到一个大型代 数方程组，求解后即得方程的数值解。 该法可以较好地保持原有问题的物理特性，既能准确地模拟对流效应，也可以消除 在迎分差分格式和有限元方法中的伪数值扩散。 但该法单元系数较复杂。对非规则边界要用贴体坐标变换，计算较复杂。 ( 6 ) 蒙特卡罗法 蒙特卡罗方法也是随机模拟方法，有时也称谓随机抽样技术或统计试验。它的基本 思想是：为了求解数学、物理、工程技术以及生产管理等方面的问题，首先建立一个概率 模型或随机过程，使它的参数等于问题的解；然后，通过对模型或过程的观察或抽样试验 来计算所求参数的统计特征，最后给出所求解的近似值。而解的精确度可用估计值的标 准误差来表示。它可以解决两类问题：第一是确定性的问题；第二是随机性问题。 该法对线性问题，可以单独就计算区域内任意点做计算，其值不需要联解其它的结 点值求出，计算单点的工作量少。计算程序简单，容易编制。所占计算机内存少；计算 结果形象直观，便于利用计算机图形技术来实现数值模拟结果的可视化。 但该法做大游动次数和大范围的计算时，速度较慢。 113 气泡与固体颗粒的作用 1 气泡特性的研究概况 混合液高速沿切线射入射流起泡器圆筒后，由于高速旋转的混合液与筒内壁之间产 生强烈的剪切力使原有气泡进一步破碎成更微小的气泡。 褚良银等人的研究表明【1 4 】，假定在射流起泡器中混合液连续相的商速旋转下，当气 泡的中心从气泡发生点开始，经高速剪切后脱离圆筒内壁，并忽略表面张力效应，则可 以得出生成的气泡的直径表达式： !i d bo c 鲤以及d b v , - i ( 1 - 1 ) 该式说明，气泡的直径巩与混合液体积流量q g 的平方根成正比，与液流切向速度 v 。的平方根成反比。 射流起泡器内的泡沫特性和行为受其结构参数( 溢流口和底流口面积) 、操作参数 ( 流体流速，抽吸系数) 和给料特性( 浓度、粘度等) 的影响。充气量的增加，使射流 起泡器内单位时间内产生的气泡数量增多，浮选基本作用的可靠性提高，泡沫柱直径也 增大，同时其输送速度上升，从而使泡沫产品的回收率得到提高。但太大的充气量使泡 沫产品的品位有所下降。 广西大学博士学位论文超效射流气浮分离提纯糖汁的应用及机理研究 气浮所需的气泡数量，一方面决定于所需排除的固相物质的数量，另一方面还在很 大程度上决定于气泡的有效率。溶液中需要除去的固体物质的数量通常并不大，一般只 为液体重量的万分之几到千分之几。为了将它们浮起所需的理论气泡量是相当小的。不 过，液体中的气泡只有小部分能够与固相物质一起浮升，起到有效的作用，大部分气泡 是自行存在的，不直接促进固体的浮升。因此，实际所需的气泡量要比理论值大若干倍 甚至数百倍，这种情况决定于该系统的物料( 包括液体和固体) 的性质，以及气浮系统 的整体设计：工艺流程、充气方法和气泡的大小等。 测量气浮过程含气率的方法有很多种【1 5 ”】，如压差法，电导率法，液位上升法等。 前两种测的是局部含气率，后一种测的是整体含气率。 在某些废水的气浮处理中，每排除1 9 固体悬浮物需要数百毫升的气泡1 2 。此值是 比较大的，是因为气泡在水中较易消散。s a r a n i n 研究原糖回溶糖浆的磷浮法( 当时未用 絮凝剂) ，根据实验结果提出，气浮所需的气泡量为糖液中不溶物重量的2 3 ，即每 1 9 不溶物需要6 2 4m l t “j 。 糖液气浮清净处理在工艺流程与条件适当、充气方法良好、气泡幼细而均匀、并应 用性能良好的絮凝剂时，只需相当少的气泡就可以取得良好的气浮效果：浮升稳定，速 度高( 如2 0 c m m i n 以上) ，溶液清亮透明，浮渣紧密结实而稳定。充气的气泡量约为糖浆 体积的0 5 l 已经足够，过多的气泡反而会造成浮渣松散，体积增大1 2 “。 当气泡独立存在时，它的浮升速度不大，在浓糖液中浮升更慢。而且，越细的气泡 的浮升速度越低。然而，加入絮凝剂后形成的含气絮凝物，它的浮升速度要比单一的气 泡大很多倍。糖液中充气和絮凝良好的絮凝物的浮升速度常超过1 0 c m m i n ，甚至达到 5 0 c m m i n 。这是由于物体的浮升速度随它的尺寸增大而迅速增大( 浮升速度近似地与颗 粒尺寸的平方成正比) 。 在颗粒尺寸增大时，浮升速度迅速增加。因此，虽然絮凝物颗粒的比重远远大于气 泡，但在它的尺寸稍大时，其浮升速度要比单个的气泡大得多。这种现象在实验和生产 中很常见。 2 带电胶体的凝聚与絮凝 胶体是指分散颗粒的尺寸约在1n l t i 到1 岬范围，且具有许多特殊物理和化学性质 的分散体系2 3 1 。蔗汁中的胶体物质主要包括果胶质、树胶质，淀粉和葡聚糖等。在蔗汁 中，胶核、电位离子层和反离子吸附层组成了胶粒，若包括反离子层的扩散层，则称为 胶团。以蔗汁中的s i 0 2 形成硅酸胶时为例，胶粒表面上的分子与水接触而形成h 2 s i 0 3 ， 在某种情况下，硅酸电离出来的氢离子进入蔗汁中，因而使硅酸胶体本身带有负电荷1 2 。 胶体粒子都带有电荷，具有相同电荷粒子之间存在着相互排斥力，其大小决定于粒 子电荷数目和相互间距离。由于胶粒的电荷产生了相斥力，胶粒的水化层增大了胶粒间 的距离，这样就减弱了粒子之间的吸引力，阻碍胶粒互相接近，使粒子很难聚结，溶液 保持稳定。憎水胶体在吸附反离子至接近电中性时，水化作用消失，就不能稳定分散在 水中，自行凝结成较大的沉淀粒子。这种作用一般在它的ul s ! 酲 广西大学博士学位论文超效射流气浮分离提纯糖汁的应用及机理研究 表2 - 4 第二阶段正交试验方案和结果+ t a b l e2 - 4s c h e m ea n dr e s u l t so f o r t h o g o n a lt e s ti n2 “s t a g e 123456789 a d d i t i o no fh 3 p 0 4 ( m g l )a0 3 2 0 0 2 0 0 ( d 2 0 0 2 5 0 2 5 0 2 5 0 3 0 0 3 0 0 3 0 0 a d d i t i o no f f l o c c u l a n t ( m g l )b 0 ) 2 0 2 5 3 0( d e 0 2 5 3 0q 2 0 2 5 3 0 r e f l u xr a t i o ( )c2 0 2 5 3 0 2 5 3 0 2 03 0 2 0 2 5 p ho f n e u t r a l i z a t i o n d( 9 6 0 6 5 7 07 00 6 0 6 56 5 7 0 6 0 r i s eo f c l e a n j u i c ep u r i t y0 3 7o 8 0o 9 90 1 90 7 02 5 21 6 6o 5 00 3 4 c h a n g eo f c l e a n j u i c er e d u c i n gs u g a r( ) 7 5 67 0 76 0 04 8 35 6 21 6 93 9 l2 1 02 7 9 d r o po f c o l o r( 哟 1 3 71 3 41 4 82 6 35 0 33 0 43 3 83 0 33 9 7 d r o po f t u r b i d i t y( ) 5 9 51 0 07 96 3 o6 5 28 4 76 7 22 8 15 1 4 c h a n g eo f c a l c i u m( ) 5 6 61 7 90 6 0- 9 51 7 - 3 - 1 7 52 2 3 2 7 5 3 3 4 s c u mv o l u m e ( m l ) 2 0 02 2 51 9 02 7 52 4 02 0 02 7 01 8 01 9 0 r i s i n gs p e e do f s c u m( c m s ) o 5 50 7 81 2 70 2 2o 5 90 9 40 2 21 0 80 1 5 + 固定条件：混合汁量1 0 0 0 m l ，加灰p h 8 5 ，一次加热温度5 0 。c ，二次加灰p h 7 5 ，打泡时间5 秒。 2 3 2 2 主次因素分析【4 通过对第二阶段正交试验的结果进行分析计算，可得出指标平均值k 和极差r ，并 可找出主次因素。 从附表2 看出，影响清汁纯度差的因素主次顺序应为：中和p h 值一絮凝剂加入量 一回流比一磷酸加入量，较优水平组合应为：a 2 ( 磷酸加入量2 5 0 m g l ) b 3 ( 絮凝剂加 入量3 0 m g l ) c 3 ( 回流比3 0 ) d 2 ( 中和p h 值6 5 ) 。影响清汁还原糖变化率的因素 主次顺序应为：磷酸加入量一絮凝剂加入量一回流比一中和p h 值，较优水平组合应为： a 3 ( 磷酸加入量3 0 0 m g l ) b 3 ( 絮凝剂加入量3 0 m e t e ) c l ( 回流比2 0 ) d e ( 中和p h 值6 5 ) 。影响色值降低率的因素主次顺序应为：磷酸加入量一中和p h 值一回流比一絮 凝剂加入量，较优水平组合应为：a 2 ( 磷酸加入量3 0 0 m g l ) b 2 ( 絮凝剂加入量2 5m g l ) c 3 ( 回流比3 0 ) d l ( 中和p h 值6 5 ) 。影响混浊度降低率的因素主次顺序应为：中和 p h 值一回流比一磷酸加入量一絮凝剂加入量，较优水平组合应为：a 2 ( 磷酸加入量 2 5 0 m g l ) b 2 ( 絮凝剂加入量3 0m g l ) c 2 ( 回流比2 5 ) d 2 ( 中和p h 值6 5 ) 。影响 钙赫变化率的因素主次顺序应为：磷酸加入量一絮凝剂加入量一中和p h 值一回流比， 较优水平组合应为：a 3 ( 磷酸加入量2 5 0 m g l ) b 2 ( 絮凝剂加入量2 5i t l l ) c 2 ( 回流 比2 0 ) d l ( 中和p h 值6 0 ) 。影响浮渣体积的因素主次顺序应为：絮凝剂加入量一回 流比一磷酸加入量一中和p h 值，较优水平组合应为：a 2 ( 磷酸加入量3 0 0 m g l ) b l ( 絮 凝剂加入量2 0m g l ) c 3 ( 回流比2 5 ) d 2 ( 中和p h 值6