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煮糖过程实验平台设计及控制系统仿真 摘要 煮糖是制糖工艺的最后一道工段，也是最为重要的一道工段。煮 糖质量的好坏，主要是由结晶过程中糖浆过饱和度所决定。过饱和度 是煮糖结晶过程的核心控制参数，煮糖结晶实际上就是控制过饱和度 稳定并使其保持在一定的范围。目前国内很多制糖企业里，这一工段 还是依靠富有经验的工人蹲守操控完成，成糖质量受人为因素影响较 大；另一方面，糖厂现用的煮糖设备在数据采集和自动控制方面存在 着不足，致使先进的现代制糖技术无法适用于这些设备。制糖企业不 仅生产效率低下，成糖品质不高，而且能耗大，严重束缚了制糖企业 的规模化和自动化。 本文是在查阅了大量国内外相关文献资料，分析前人的研究成 果，并对国内制糖企业现状进行详细调研的基础上，进行符合现代制 糖工艺煮糖结晶设备的硬件设计；应用a n s y s 软件对关键部件进行 应力分析，校核设备的静力学和动力学性能；根据煮糖过程中各物质 的平衡关系建立数学模型，选用其中最为主要的变量作为控制对象， 利用人工神经网络建立煮糖过程预测控制模型并仿真分析。具体研究 工作为： ( 1 ) 通过对压力容器及现代煮糖结晶理论的研究，结合制糖企业 中设备存在的不足，确定了基于现代煮糖工艺的煮糖结晶实验设备的 设计方法，并利用s 0 1 i d w o r k s 软件进行建模。 ( 2 ) 利用有限元软件a n s y s 对该平台承受内压和外压部位 进行动、静力学分析校核，验证实验平台设计的合理性。 ( 3 ) 根据蔗糖晶体生长机理，分析在煮糖过程中影响晶体长大速 度的浓度、温度、流动、杂质和搅拌等各因素的效应，研究煮糖结晶 过程的最佳环境，设计适用于煮糖结晶设备的搅拌机构。 ( 4 ) 煮糖结晶过程是典型的时变、非线性过程，本文根据该过程 物料、能量平衡以及各物理参数之间的解析关系建立描述糖浆过饱和 度的数学表达式，结合实际煮糖经验建立输入输出关系模型。 ( 5 ) 选用递归式反馈网络模型- e l m a n 网络建立煮糖过程预测 控制模型，并进行仿真分析。与传统的前馈形式神经网络相比，e l m a i l 网络能够在有限的时间内以任意精度逼近任意函数，收敛速度快，大 大缩短了模型训练时间。仿真结果表明基于e l m a n 神经网络的煮糖 过程预测控制模型比较真实地反映出煮糖过程核心控制参数糖 浆过饱和度变化过程，响应速度快，为今后煮糖控制系统开发提供理 论依据。 关键词：煮糖结晶过饱和度建模e l m a n 神经网络 e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fs u g a r c r y s t a l l i z a t i o nd e s i g na n dt h ec o n t r o l p r oc e s s ss i m u l a t i o n a b s t r a c t c a n ec 巧s t a l l i z a t i o np r o c e s si st h el a s ts t e po fe n t i r es u 9 2 u rp r o c e s s i n g a n da l s ot h em o s ti m p o r t a n ts t e p w h e t l l e rm ec a i l es u g a ri sg o o dm a i l l l y d e t e n n i n e db yt h i sp r o c e s s o v e r s a t u r a t i o ni st h ec o r et e c l l l l 0 1 0 斟o fc a n e c 巧s t a l l i z a t i o np r o c e s s a 1 1 di i l n u e n c et 1 1 e q u a l i t y o fs u g a lc a n e c 巧s t a l l i z a t i o nw o r k e r sm a i n l yc o n t r o lm i sp a r 锄e t e ra n dr e s t r a i ni ts o m e f i e l d t o ( 1 a y ，t h i sp r o c e s si sf i n i s h e dj u s tb yh a n d so fw o r k e r si 1 1m a n y d o m e s t i cc a n ef a c t o r ) ，0 b v i o u s l y ，i t sn o tg o o dt ot h eq u a l i t ya n ds t a b i l i 够 o fn o rt op r o d u c t i o ns c a l eo fc a n es u g 跣o nt h eo t h e rh a n d ，c u r r e n t b o i l i n gs u g a re q u i p m e n ti nf a c t o 拶e x i t sd e f i c i e n c ya td a t ac o l l e c t i o na n d a u t o m a t i cc o n t r 0 1 i tm a k e sa d v a n c e dm o d e m b o i l i n gs u g a r m a n u f a c t u r i n gn o ts u i t a b l et om e o l dm a c h i n e s o ，t h ec u r r e ms i t u a t i o ni s ： n o to n l yt h ep r o d u c t i o ne m c i e n c yi sl o w ，t h eq u a l 时o f s u g a ri sn o tv e 巧 g o o d ，b u ta l s oe n e 玛yl o s sc o n s u m p t i o ni sv e 巧c o n s i d e r a b l e t h e s e r e s t r i c t e dt 1 1 ec a i l ef a c t o 巧d e v e l o p m e n tt ol a 唱es c a l ea j l dr e f i n e 巧e a c h s c a l e 1 1 1 i sa i t i c l ea i mt od e s i g l lc a n ec 巧s t a l l i z a t i o nm a c h i n ew i t h 血e e x i t i n ge q u i p m e n t sw h i c hb a s e do nr e a d i n gal a 唱em l m b e ro fd o m e s t i c a n df o r e i g nl i t e r a m r e ，a n a l y s i so fp r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t sa n dt h es t a t u s o ft h ed o m e s t i cs u g a ri n d u s t 巧sr e s e a r c h t h i se q u i p m e n tm u s ta c c e s st o m ec o n d i t i o no fc w e n tc a n es u g a rf a c t o 拶1 1 1 ed e s i 印o f h a r d w a r ei s 如1 1 ya c c e s st os 切n d a r do fp r e s s u r ev e s s e lm a n u a la n ds u c r o s ec 巧s t a l g r o w t hr a t ed i s p e r s i o nt h e o 巧a n ds o m es t 锄d a r d sc o n c e m e d i nt h e f o l l o w i n gt e x t ，t h ep a s s a g em a i n l yc o n t a i n e d t h ef o l l o w i n gw o r k ： ( 1 ) a i m e da t t h ed e f e c t so fs u g a r c 巧s t a l l i z a t i o n o fc u n e n t e q u i p m e n t ，t h ea u t h o rm a k et 1 1 ed e s i g np l a no fb o i l i l l gs u g a rp l a t f o m w h i c hb a s e do nm o d e mb o i l i n ga n dc 巧s t a l l i z a t i o ns u g a rp r o c e s sb y s t u d y i n gt h et h e o 巧o fv e s s e l 锄ds u g a rc 巧s t a l s ( 2 ) a n a l y s i sm ei n s i d ea n do u t s i d ep r e s s u r ep a r t so ft 1 1 i sp l a t f o n n w i t l lf i n i t ee l e m e n ts o f t 、a r ea n s y s ，ht h ee n d ，m ep a p e ra n a l y s i st h e m o d e lo fm i x i n gm e c h a n i s m ，c h e c ka n dm d k es u r et h er e s u l tr e a s o n a b l e ( 3 ) a c c o r d i n gt o t 1 1 em e c h a n i s mo fs u c r o s ec 叫s t a lg r o w t h ，t h i s p a p e ra n a l y s i st h ei m p a c to nt h ep r o c e s so fs e v e r a lf a c t o r s u c h a s ： t e m p e r a t u r e ，n o w ，i m p u r i t i e sa n ds t i 盯i n g i n t h ef o l l o w i n gt e x t ，t l l e i v p a p e rr e s e a r c h e dt h eb e s te n v i r o i 1 1 e n to fb o i l i n gs u g a ra n dd e s i g n a p p r o p r i a t em i x i n ge q u i p m e n t ( 4 ) t h ep r o c e s so fb o 订i n g i st ) r p i c a lo ft i m e - v a 巧i n g ，n o n l i n e a r p r o c e s s t h i sp 印e re s t a b l i s h e dt h em o d e lb e t w e e ni n p u t s 锄do u t p u t s b a s e do nm a t e r i a l s ，e n e r g yb a l a n c ea n dt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r s r e l a t i o n a n db o i l i n g p i 0 c e s s ( 5 ) i nt h ee n do ft h i sp 印e r t h ea u m o re s t a b l i s hp r e d i c t i v ec o n t r o l m o d e lo ft h i sp r o c e s sb yar e c u r s i v e 咖ef e e d b a c kn 酣o r km o d e l e 1 m a n e l m a ni sal ( i n do ff e e d b a c kt y p eo fn e u r a ln e 似o r k c o n l p a r e dt o t r a d i t i o n a lf e e df o r w a r dn e u r a ln e t w o r k ，e 1 m a nc a na p p r o x i m a t e 甜l y f u n c t i o nw i t l la r b i t r a 巧p r e c i s i o ni nt h el i m i t e dt i m e i i la d d i t i o n a l ，e 1 m a n n e t 伊e a t l yr e d u c e st h e 仃a i n i l l gt i m ed u et of a s tc o n v e 唱e n c er a t e 1 1 1 e n e x t ，m ea m h o rs i m u l a t es u g a rb o i l i n gp r o c e s sa c c o r d i n ga b o v em o d e l a n di n i t i a lc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wm a t ，e l m a nn e u r a ln e 似o r kr e n e c t a c t u a lc o r ec o n t r o lp a r a m e t e ro f c o o ks u g a rp r o c e s sw i mf a s tr e s p o n s e a no ft h i sp r o v i d e st h e o 拶s u p p o r tf o rt h en e x tb o i l l i n gs u g a rc o n t r o l s y s t e m sd e v e l o p m e n t k e yw o i m s ：o v e r s a t u r a t i o n ；m o d e l i n g ；e l m a n 甜寸n s ；c 巧s t a l l i z a t i o n v 煮糖过程实验平台设计及控制系统仿真 第一章绪论 1 1 课题背景 我国是世界第三产糖大国，制糖工业历经几代人的不懈努力，生产技术水 平有了很大的提高，从最初的纯手工发展为现阶段的机械化和自动化生产【1 1 。 但是由于我国制糖工业起步晚，底子薄，制糖技术与国外发达国家相比还存在 不小的差距，主要表现在： ( 1 ) 人均糖消费水平低下，2 0 0 2 年统计，我国人均白糖消费水平仅为世界平 均水平的1 3 ，发达国家的1 5 ，甚至是印度的一半 2 1 。 ( 2 ) 糖厂规模小，生产能力不高。2 0 0 8 年我国糖厂日生产能力仅为2 5 8 0 吨， 不足发达国家的一半。由于糖厂规模小，资金有限，绝大多数企业都不具备研 发能力，先进设备和技术无法推广使用【2 1 。 ( 3 ) 自动化程度不高，生产效率低下。国有糖厂属于典型的劳动密集型产业， 制糖各个工段基本上依靠工人手工操作来完成，尤其是煮糖工段，需要技术熟 练的工人全程监控，严重束缚了生产效率的提高。 ( 4 ) 糖厂生产设备相对落后，对新技术的使用不够重视。上世纪6 0 年代的 设备在我国许多糖厂仍在沿用，而对现阶段比较前沿的煮糖技术与设备( 例如连 续煮糖生产设备) 的使用基本上处于起步阶段。 ( 5 ) 制糖企业自主研发能力不足，生产与科研脱节，新技术、新设备基本上 都是依靠从国外引进，国内的制糖设备失去了市场，这也是我国制糖技术低下 的一个主要原因。 1 2 国内外研究现状 煮糖是制糖工艺中最后的工段，经过压榨、滤清、蒸发浓缩后的糖浆将在 这一工段中完成液固转化，其重要性不言而喻。一些有外国公司参股或者控股 的糖厂采用了先进的煮糖设备和在线检测仪器仪表，煮糖过程基本上依靠计算 机控制来完成【3 1 。煮糖硬件设备也由早期的夹套式煮糖罐发展到目前常用的带 强制循环的间歇式煮糖罐，乃至近几年才开始投入使用的连续结晶煮糖罐，煮 1 广西大学硕士学位论文煮糖过程实验平台设计及控制系统仿真 糖设备与技术越来越先进。国内糖厂基本上都是依靠经验丰富的工人进行操作， 人为因素对成糖的质量影响十分明显，相同条件下不同熟练程度的操作人员所 煮出来糖的质量亦有差别h ；其次由于煮糖水平的差异，常常不能实现以较低 的能耗获得较高的煮糖效率及质量稳定的成糖。由于国内制糖企业仍在沿用的 结晶罐内没有采用强制循环装置，罐内糖膏循环不良导致煮糖时间长，能耗高， 成品糖色值增加。无论是在生产规模、产品质量还是在能源利用率等方面都无 法与国外同行相比。 虽然煮糖过程的复杂性限制了经典的控制理论无法使用于该过程嘲【9 】，但 人们从没有停止对煮糖控制过程的研究。近些年来，国内研究人员采用各种不 同的方法建立控制系统的数学模型来模拟煮糖过程，国外还有些专家学者提出 利用人工智能专家系统的相关理论对该过程进行建模【l o 】。华南理工大学利用粘 度来度量糖膏过饱和度的方法研发了过饱和度的在线测量装置，并在此基础上 开发一套利用微机自动控制煮糖的系统，但实验效果不甚理想：华侨大学机械 系利用糖浆浓度与折射率之间的对应关系进行过过糖液过饱和度的研究【3 】；广 西大学电气工程学院一些专家学者进行过基于模糊自适应p i d 控制与b p 神经 网络的研究，根据煮糖过程中实际过饱和度与初始设定值之间的偏差以及偏差 率进行模糊控制器的设计【5 】【6 】阴。 1 3 课题研究目的和意义 国内许多制糖企业任沿用旧式的煮糖设备，这些设备缺乏先进的检测仪器 仪表，自动化程度不高，成糖的生产效率和质量受到了严重的影响。国外的制 糖自动化技术较为成熟，且与之配套的设备完善。虽然可以通过引进国外先进 的工艺设备提高煮糖过程的自动化程度和生产效率，但同时也极大的提高了生 产成本，绝大多数糖厂都望而却步。因此，设计生产符合国内实际情况的煮糖 设备并开发与之配套的控制系统是迫在眉睫的任务。国内虽然已有众多同行正 在从事该方面的研究，但技术成熟并投入生产的设备及配套设施至今仍未见到。 本文确定了符合现代制糖工艺的煮糖过程实验平台设计方案，利用e l m a i l 神经 网络建立煮糖过程预测控制模型，并进行仿真分析，论证该方法用于煮糖控制 2 广西大掌司配b 学位论文 煮糖过程实骝f 卜台设计及控制系统仿真 中的可行性，为今后煮糖控制系统的开发作铺垫。 1 4 本论文的主要内容 ( 1 ) 设计一套基于现代煮糖工艺且能够真实模拟工厂实际煮糖结晶工况的 煮糖实验设备。 ( 2 ) 鉴于糖厂现有的煮糖结晶设备缺少强制循环装置，导致糖浆对流方面 存在的不足，本文确定了用于煮糖过程中对糖浆进行强制循环的搅拌装置的设 计方案，并分析搅拌效应对结晶过程的影响。 ( 3 ) 利用a n s y s 软件对实验平台主要部件进行校核，分析各部件的受力情 况，论证设计方案的合理性。 ( 4 ) 对煮糖结晶过程的机理进行分析并建立煮糖过程主要参数的数学模 型，结合实际煮糖经验建立煮糖罐输入输出关系模型。 ( 5 ) 采用e l m a l l 网络对煮糖过程建立预测控制模型，并仿真分析。 广西大学硕士掌位论文 煮糖过程实验平台设计及控制系统仿真 第二章蔗糖结晶理论及相关分析 2 1 蔗糖结晶理论基础 2 1 1 煮糖结晶有关术语 糖浆：蔗汁经过蒸发罐浓缩后的混合物，含有蔗糖、水分和杂质等，是蔗 糖结晶的原料。 糖膏：糖浆在煮糖罐内经过起晶、养晶、浓缩，助晶箱助晶后生成的混合 物称为糖膏，此时糖膏浓度高、粘度大、流动性差，主要含有蔗糖晶体固物、 母液和杂质等【i l 】。 母液：糖膏中包围在蔗糖晶体周围的液体。 种糊：种子和糖浆的混合物，种子一般为低级别的糖。开煮高级的糖时作 为种子被抽入罐内【1 2 】。 底料：煮糖时最先放入罐体中的原料，一般为甲稀蜜、甲原蜜和糖浆的混 合物，煮制丙糖膏时，乙原蜜也是底料的一部分【1 3 1 。 原蜜：经分蜜机分蜜后母液和杂质的混合物，一般用作回煮或者煮制低级 别糖的原料【1 4 1 。 稀蜜：糖膏分蜜时，为了提高蔗糖晶体的品质，用热水或者蒸汽清洗晶体 表面的母液而得到的水溶液【1 5 】【1 6 1 。 原糖：经分蜜机分蜜后蔗糖晶体，其表面带有层糖蜜，作为原料糖供制 精糖使用。 锤度：简称。b x ，指甜高粱茎杆汁液中所含的可溶性固形物的百分率，由 于可溶固形物的主要成分是糖分，所以锤度高，说明糖分含量也高1 7 】【1 8 1 。 纯度：由于蔗糖溶液中含有无机盐等杂质，通常用纯度度量纯蔗糖溶液所 占的百分比。糖浆的纯度是指溶解的蔗糖晶体与水在整个蔗糖溶液中所占的比 例【1 8 】【1 9 1 。 2 1 2 蔗糖容溶液的过饱和度 蔗糖晶体的溶解度是控制蔗糖结晶的基础，用每克水中含有多少克蔗糖晶 广西大学硕士掌位论文 煮糖过程实验平台设计及控制系统仿真 体来表示。它取决于溶液的温度和杂质等，温度越高，溶解度越大。杂质对蔗 糖溶解度的影响可分为正负两方面：还原糖抑制蔗糖的溶解，而无机盐会促进 蔗糖的溶解，糖厂的物料中主要含有以上两种杂质。纯蔗糖在纯水中的溶解度 龟糖儋水) 通常用符号风表示，而不纯糖浆中蔗糖溶解度用表示，后者通常 低于前者【2 。某一蔗糖溶液如果其中溶解的蔗糖量刚好等于其溶解度，则称为 饱和溶液：如果溶解的蔗糖量少于其溶解度，则称为未饱和溶液；如果溶解的 蔗糖量多余其溶解度，则称为过饱和溶液。此时糖液中真正溶解的蔗糖的数量 ( g 糖g 水) 通常以符号4 表示。马q 称为糖液的过饱和度，溶液的过饱和度 等于1 时为饱和溶液，高于l 和低于1 时分别为过饱和溶液和未饱和溶液。 糖液的过饱和度对蔗糖结晶有极大的影响。当过饱和度高于1 时，溶液中 过量溶解的蔗糖有从溶液中析出、沉积在已有晶体的表面上成为固相物质的倾 向。过高的过饱和度还能使蔗糖溶液析出新的蔗糖晶体。煮糖的关键技术就是 掌握和控制糖液的过饱和度，其原理可用图2 1 来表示。纵坐标为糖浆的浓度， 横坐标为糖浆的温度，亦即糖浆的沸点。以a 点为例说明，a 点表示锤度6 5o 戤， 温度为5 8 0 c 的糖浆。将该糖浆蒸发结晶，沿a b 线上升到b 点，溶液从不饱 和状态进入介稳区( 过饱和状态) 。若继续蒸发，糖浆将进入易变区召点而起晶； 若加水或者糖浆原料，糖液稀释，过饱和系数降低；若将真空破坏阀开度增大( 增 大罐内压强) ，沸点上升，进入c 点，此时由于溶解度升高，过饱和系数降低； 若将真空破坏阀开度减小( 减小罐内压强) ，沸点下降，进入d 点，此时溶解度 下降，过饱和系数升高，从而控制蔗糖溶液的过饱和度。煮糖操作时对糖液过 饱和度的判断和控制早期主要是凭借煮糖师的经验，后来利用仪器在线测定糖 液的各种物理参数，如温度、黏度、电导值等，得到相应的数据作为控制的参 考。 广西大掌硕士掌位论文 煮糖过程实验平台设计及控制系统仿真 s o 麓 o 毯 7 5 糍 7 0 6 5 瑟变区 l 。3 0 再 纛区少介稳区 c 4 捌 蘑誉 糕 鼍。 餐 求 3 0 0 眩 鬻 2 5 06 0 了o8 09 0 澄度e ) 图2 1 过饱和度系数曲线图 f 培2 - 1c u n ，eo f o v e r s a _ t u r a t i o nd e g r e e 2 1 3 蔗糖的结晶速度 蔗糖的结晶速度是影响糖厂生产效率的重要因素，通常以晶体表面积每平 方米每分钟增加的蔗糖量为单位计算【2 1 1 。它主要随着糖液的过饱和度、温度、 黏度、纯度等因素而变化，主要规律如下。 ( 1 ) 过饱和度在一般的过饱和度下，结晶速度随过饱和度升高而迅速增 大。 ( 2 ) 糖液纯度 高纯度下结晶速度较快，低纯度时的结晶速度慢很多【1 2 1 。 ( 3 ) 温度 高温下的结晶速度较高。 ( 4 ) 黏度黏度随着糖液浓度、纯度、温度而变化的，它对结晶速度的影 响和它们相关。 上述各因素同时存在这正负效应，也就是说蔗糖的结晶速度并不是一味的 随着该因素的增强而增大或者减小。以温度为例，温度升高，糖液中蔗糖分子 扩散加快，这是加快蔗糖结晶的正面因素，但温度升高的同时也使得糖液的溶 解度增大，不利于晶体的形成。事实上，某一纯度下有一个最合适的结晶浓度 和温度，使得结晶速度在该环境下达到最大。 6 广西大学司旺b 学位论文煮糖过程实验平台设计及控制系统仿真 2 2 煮糖结晶过程 2 2 1 糖液的起晶及其控制 煮糖结晶过程就是在糖液中生成微细均匀的蔗糖晶体，然后把这些晶体养 大到适当的大小。生成的晶体质量要好，均匀、整齐、棱角完整、形态好、数 量适当，为后续的养晶工段作准备瞄】。生产实践说明，最初形成的晶体质量和 形态以及其后煮种操作是否良好，直接关系到成糖的品质。 当糖浆浓缩到过饱和以后，随过饱和度的升高，大体上可分为3 个区域。 ( 1 ) 介稳区即过饱和稳定区，糖液过饱和度在1 o 1 2 0 之间，可以使已存在 的蔗糖晶体吸收糖分长大，而不会产生新的晶体，这是晶体的安全生长区。 ( 2 ) 中间区，即过饱和不稳定区，糖液过饱和度在1 2 0 1 3 0 之间，可以使 已存在的蔗糖晶体吸收糖分长大；如果糖液受到外界因素的刺激，也会生成新 的晶体。 ( 3 ) 易变区，即自然起晶区，糖液过饱和度大于1 3 0 ，可以突然地自发生成 大量新的晶体。 上述3 个区域的过饱和度的数值是对纯度为7 5 蔗糖溶液而言的，不纯的糖 液中这3 个区域过饱和度数值较高，如图2 2 所示，该图明确的反映了杂质对 过饱和度系数和结晶控制过程的影响。 母液简纯度 图2 2 糖浆过饱和度与筒纯度关系对照 f i g 2 - 2r e l a t i o nb e t w e e no v e r s a t u r a t i o n 锄dp u r i t yo fs y r u p 由于糖液的这种特性，因此在糖液中起晶有三种方法： 广西大掌硕士学位论文煮糖过程实验平台设计及控制系统仿真 ( 1 ) 自然起晶法。这是早期应用的煮糖起晶法，将糖液浓缩到自然起晶区的 较高过饱和度，让它自然析出新晶体。这样的晶粒是逐步产生的，等待到晶粒 数目达到要求时，就注入水或糖液降低过饱和度而停止继续起晶。这种方法基 本上是凭经验操作，要求煮糖工具有高超的技术和丰富的经验，才能够比较准 确的掌握蔗糖晶粒数目。采用这种方法，糖液过饱和度最高、粘度最大、对流 循环最不易进行，即使有经验的煮糖师傅，操作上也要十分注意，否则容易出 现晶粒不齐、并晶、粘晶及晶粒数目不适当等问题。由于难度较高，不易推广， 这种方法现已逐渐被淘汰。 ( 2 ) 刺激起晶法。刺激起晶法是在糖液的过饱和不稳定区施加刺激作用，例 如投入少量的糖粉或抽入空气，使糖浆发生突然的变化，在此一瞬间析出大量 晶体，此方法广泛应用于蔗糖厂和甜菜糖厂( 特别是在东欧各国) 。使用这种方 法，如果起晶浓度控制得准确，可一次生成足够数量的、均匀度较高的晶体。 但是晶体数量较难准确控制，当外界条件如真空度、物料纯度等变化时，刺激 生成的晶体数量会有较大差异。 ( 3 ) 晶核起晶法。亦称全晶种法( 或全晶核法) 。这是比较先进的起晶方法， 现在为国内外糖厂较广泛的研究应用。其特点是在罐外用专门的设备和方法制 备糖粉( 通常与酒精混合成糊状) ，它含有大量的微细蔗糖晶体，抽入煮糖罐内 作为煮糖结晶所需的蔗糖晶核，投入的数量与大小按照煮糖的需要进行控制， 不在罐内形成新的晶体。我国的“五一”煮糖法，亦是采用此种起晶法，将糖液 浓缩到过饱和度稳定区的中部，如过饱和度1 0 5 1 1 5 ，投入适量的糖粉，它 们将全部成为晶核，以后逐渐长大。这样就可以用投入糖粉的数量和大小来控 制煮成的糖膏的晶体的数目和大小，使之符合一定的要求。在糖粉质量良好和 操作控制适当的情况下，煮制的糖膏的晶体整齐、晶型完整，角度锐利，晶粒 数目和规格大小都比较适当【3 1 。 2 2 2 养晶 养晶就是把蔗糖晶体养大。通过适当的控制入料和蒸汽，控制糖液的过饱 和度在适当的范围内并保持稳定，使晶体较快的长大而又不生成新的晶体，此 过程既要保证晶体有较快的生长速度，又要防止产生伪晶等。 广西大学硕士学位说汶煮糖过程实验平台设计及控制系统仿真 养晶过程的关键是控制适当的母液的过饱和度，通过控制入料、入水、进 汽以及保持适当的真空度和良好的对流来实现的。养晶阶段入料的方式有两种： ( 1 ) 将煮糖所用物料连续地抽入罐内，控制新进入的水分和蒸发的水分基本 平衡。因而母液浓度相对较稳定( 逐渐稳定的升高) ，过饱和度变动范围较小。 这种操作比较平稳，容易掌握。 ( 2 ) 将煮糖所用的物料分几次在较短的时间内抽入煮糖罐内，每次入料后的 母液浓度较低，然后随着水分的蒸发浓度逐渐的升高，当浓度高到相当程度时 再次入料。这种方法母液浓度波动范围较大，过饱和度的波动幅度也明显大于 连续入料方式。这种操作难度较大，但如果掌握的好，在降低浓度时可以将糖 膏冲散，让新鲜的糖液代替晶体表面上的旧糖蜜膜，可以加快晶体的吸收，而 随后提高浓度也有利于晶体较快的长大。 养晶的与起晶一样，过去都是凭经验控制，煮糖师用采样器抽出煮糖罐内 的糖膏样品放在玻璃样板上观察和用手感触，判断蔗糖晶体的相对数量、疏密 程度、生长情况以及糖膏母液的浓度、黏度和吸收情况等，并从煮糖罐视镜中 观察糖膏的对流情况和液位，以及根据真空度、蒸汽压力等情况，决定每一步 的操作。这种方法难度大，不宜推广，难以实现最佳效果和实现科学管理。 使用电导仪在线测定糖液的黏度，借以反应糖液的过饱和度是上个世纪欧 洲众多糖厂常用的做法【2 3 】。它依据的是成分一定的糖液的电导率决定于它的黏 度，而糖液的黏度与它的浓度直接相关。浓度越高，黏度越大，电导率越低。 浓度又与过饱和度系数成正比【2 4 1 ，因此，利用电导仪可以对糖液的浓度进行直 观的反映。图2 3 说明了不同纯度的糖液的电导率与浓度之间的关系。 使用电导仪控制煮糖，先由经验丰富的煮糖师进行煮糖，用电导仪测出煮 糖过程的电导率的适当变化曲线，然后通过计算机控制煮糖过程的入料和蒸汽 来控制糖液的浓度，并根据实际情况进行校正。应用电导仪的一个难题是电极 和糖液的接触会使电导仪表面逐渐形成积垢，影响测定的结果。另外，使用电 导仪必须固定糖液的纯度和温度，而这在实际煮糖过程中是很难做到的。 9 广西大掌硕士学位论文煮糖过程实验平台设计及控制系统仿真 谱 曲 姐， 钾抑冈盈卵 糖液浓履，丑) c 图2 - 3 糖液电导率与浓度的关系 f i g 2 3r e l a t i o n s h i pb e m e e nc o n d u c t i v i t ) ，锄dc o n c e n t r a t i o no fs y r u p 目前p m m t e c 在线微波浓度计取代了电导仪成为国内外糖厂测定糖液过饱 和度系数的主要仪器，其工作原理如图2 4 所示。在糖液中，微波通过水分子 进行传递，在传递过程中部分被水吸收而造成相移和衰减，从而可将相移的大 小作为糖液中含水量多少的一个衡量标准。与电导仪相比，p r o m t e c 在线微波 浓度计测量范围大，不受糖液流速的影响，不容易结垢和被腐蚀【2 4 】。 标准黼号镐出 图2 4p r o m t e c 在线微波浓度计 f i g 2 4p r o m t e co n l i n em i c r o w a 、，ec o n c 朋1 t r a t i o ni n s t r u c t i o n 2 3 煮糖制度 蔗糖结晶既有传热也有传质，由于物料的纯度和浓度不断变化，煮糖罐中 l o 广西大学硕士掌位论文煮糖过程实验平台设计及控制系统仿真 的真空度和加热蒸汽也一直处于波动状态。因此，针对产品质量的要求、设备 的状况和操作者的技术水平等因素，制定出合适的煮糖制度是十分必要的。 由于糖液中非糖分的存在，因此不能一次就将糖液中的蔗糖全部结晶出来， 而必须采用多段煮糖的方式。在煮糖系统中，煮糖段数一般都是2 0 段，段数 的选取视糖浆纯度和生产技术设备而定。国内外大部分糖厂采用的方法是三段 煮糖制度，其原理如图2 5 所示。甲糖罐中的底料一般为甲原蜜、甲稀蜜和糖 浆，用乙糖作为种子进行煮炼，经助晶后得到的糖糕就是甲糖膏，亦称甲膏。 甲膏经过分蜜机分蜜，得到白糖晶体、甲原蜜和甲稀蜜三种产物。其中白糖作 为成品直接出厂，而甲原蜜和甲稀蜜由于含有较高的糖分，可作为煮制三种糖 膏的底料【3 】。为了提高白糖的产量，在煮制第一罐糖时必须尽可能的使糖液中 的糖分被蔗糖晶体吸收，但这样也增加总的糖糕量，增大了损失。实际中，一 般要求甲膏纯度比糖浆高出1 4 个百分点。由于甲原蜜和甲稀蜜中含有大量的 糖分，因而需要进行第二次煮炼，作为三段煮糖的中间段，乙糖膏一方面关系 到白糖的质量，另一方面涉及到废蜜的带走的糖分。一般一罐乙糖须满足提供 四罐甲糖的种子。乙糖膏经过分蜜后得到乙原糖和乙原蜜，前者作为种子供给 生成甲糖使用，后者由于含有较多的糖分而作为底料进入第三段丙糖罐内继续 煮炼。丙糖膏经过助晶和分蜜后得到赤砂糖和废蜜。废蜜含糖量低，没有再煮 的价值。赤砂糖一般作为产品进入市场，如果该产品需求量低，可进行回溶添 加到乙糖罐内进行煮制。 图2 5 三系煮糖制度 f i g 2 5i n s t r u c f i o no f t h r e e s l e po fb o i l i n gs u g a r 1 1 广西大掌硕士掌位论文 煮糖过程实验平台设计及控制系统仿真 2 4 煮糖过程效应分析 2 4 1 浓度效应 在过饱和的糖浆环境中，一旦稳定的晶核形成后，便会在此系统中吸收糖 分慢慢长大。这些晶体长大的速度与所在的糖膏浓度有关。在一定的浓度范围 内，环境中溶液的浓度与晶体表面的浓度差越大，晶体生长大越快，反之越慢。 下图2 6 能够精确的反映出晶体生长速度与糖浆过饱和度之间的关系。 从图中可以发现，恒温下，结晶速度结晶速度随着过饱和度的增加而增加， 这是浓度场的正效应。但是，过饱和度的增加也会致使糖浆黏度的急剧增加， 这样增大了糖膏流动的阻力，从而减缓了结晶速度，这是糖浆浓度的负效应。 下表2 1 是温度为6 0 、纯度为7 0 糖液过饱和度与黏度的关系。此外，浓度 过高还会致使伪晶的产生，这对结晶过程是相当不利的。 不同温度下过饱和度与结晶速度的关系单位：m 出；1 ：l z 确幔i | | ； o 0 沙 一 o o j v 0 o争+ 卡 0 毒 幸 8 拿 全 丰 卡 辛 l 一* ， 2 0 l 一3 日 一o 4 0 一一 5 日 一一一6 日 过饱和度 图2 6 不同温度下结晶速度与过饱和度的关系 f i g 2 6r e l a t i o nb e t w e e nc 叮s t a l l i n es p e e da n ds a t u r a t i o nd i 行e r e n tt e m p e r a t u r e 表2 1 糖浆浓度与黏度对照表 1 a b l e2 1s y r u pv i s c o s i t ya n ds a t u r a t i o nc r o s s r e f e r e n c e 广西大学硕士学位论文煮糖过程实验平台设计及控制系统仿真， 2 4 2 温度效应 温度升高可以提高蔗糖分子的活性，加快结晶速度。从物理模型的角度看， 温度的升高主要是增大了反应速度常数k 1 。与热力学温度t 之间的关系可用 对数式表示： 1 i l 足l ：1 i l 彳一l ( 2 - 1 ) 月? 式中，叫寺定反应的活性能； a 常数； r 一气体常数； 一般地，反应的活化能越低，则活化分子的数量相对就越多，反应速度就 越快。反之，活化分子数量越少，反应越慢。实际上，晶体长大过程受生长活 化能与扩散活化能两方面因素的影响。在低温时，生长活化能远比扩散活化能 大，这说明在低温时扩散作用不是一个重要的因素。当温度超过6 0 时，两方 面作用相当，扩散活化能作用越发显著。下表2 1 列出了浓度为1 0 5 蚝几的糖 浆在不同温度下蔗糖结晶速度与扩散速度的数据。 表2 - l 不同温度时长大速率与结晶速率 1 铀l e2 1c r y s t a l l i z a t i o nr a l ea n df a t e 铲e wu pa td i 艉r e n tt e m p e r a t u r e 表中数据表明，温度高于4 5 时结晶速度受扩散作用支配，而低于4 5 时， 扩散作用对结晶速率的影响不太明显。综上所述，煮糖温度控制在适当范围内 有利于扩散，有利于晶体快速长大。煮糖过程一般是在真空环境下进行的，真 空度高虽然有利于传热，但不利于传质。真空度越高，糖浆的沸点就越低，粘 度越大，这是不利于蔗糖分子扩散的。过高的温度对煮糖过程是不利的，即存 广西大学硕士学位论文煮糖过程实验平台设计及控伟系统仿真 在着温度的负效应。 ( 1 ) 可能导致结晶母液过饱和度下降 蔗糖的溶解度随温度的升高而增大，如果糖液总量保持不变，结晶温度升 高，蔗糖的溶解度相应增大，致使母液的过饱和度下降，从而降低了蔗糖结晶 速度。 ( 2 ) 可能导致结晶热难以隔离 结晶过程是放热的过程，晶粒所处环境的温度越高，放出的热量就越难以 被释放，这样导致的结果是局部温度升高，过饱和度降低，结晶速度下降。 综上所述，升高煮糖过程中的温度，具有正反两方面的效应。在实际工况 中，由于煮糖罐中的各种因素，罐内的温度场是不稳定的，自换热器管板到糖 浆液面和罐底存在着温度梯度，造成不同区域不同的溶解度的现象，从而带来 了溶液浓度的非均一性，容易形成聚晶、溶晶等现象，对煮糖过程极为不利。 2 4 3 流动效应 对流循环良好的结晶罐比循环对流差的煮糖过程要快，这是业内人士共知 的事实，称为流动效应，用下列式子表示： k = 口矿矿 ( 2 - 2 ) 式中，k 一晶体长大速率； 1 卜_ 一糖浆溶液的流速； & 糖浆浓度与晶面的浓度差： a 、b 、n 常数； 晶面长大的速率随着结晶溶液流速的增加而增加，呈指数关系，这是因为 流速的增加致使传质速度增大的缘故，工程中最先进的煮糖罐采用机械搅拌装 置加强糖浆的对流循环。 2 4 4 杂质效应 蔗糖溶液中含有大量的杂质，以钾、钠为代表的无机盐能够促进蔗糖结晶， 而其中的还原糖抑制结晶过程的进行。上各种效应大多数同时存在着正负两方 面的作用，其总效果根据两方面效果的对比而定。以增大糖浆浓度浓度为例， 增大溶液浓度，有利于蔗糖结晶，但同时也增大了糖浆的粘度。下表2 。2 是不 煮耱过程实验平台设计及控 i i 日系统仿真 同纯度下糖浆在相同过饱和度下锤度与黏度的对应关系。 表2 2 浓度与锤度对照关系 t i a b l e2 2c o n c e n 倾t i o na n d h 锄m e rd e g r e e sc 锄p 撕s o nr e l a t i o n s h i p 2 0 ，过饱和度为1 2 从表中可以得出，随着糖浆纯度的下降，粘度急剧的增加，浓度的负效应 作用显著。所以在煮糖过程中提高糖浆浓度不一定增大结晶速度。对于同一纯 度的糖浆溶液而言，应有一个最为合理的结晶浓度，对于结晶温度也是如此。 2 4 5 搅拌效应 糖膏依靠自然循环的效果较差，特别是结晶末期，糖膏的粘度很高，几乎 不能流动，这时必须采用搅拌器加强糖膏循环对流。带有强制循环式结晶罐具 备以下优点： ( 1 ) 提高糖膏的循环速度。丹麦学者w e b r e 曾用各项参数基本相同的两个 煮糖罐，一罐采用机械循环，另一罐不采用机械循环煮制丙糖进行实验，测得 的数据如表2 3 所示【3 0 】。表中数据表明，在煮糖初期，两种循环方式糖膏的循 环情况没有明显的分别，但到了煮糖末期，采用机械循环这罐糖膏的循环速度 比未采用时提高了1 9 2 9 倍。 表2 3 糖浆循环速度对照表 t a b l e2 3 s p e e dc o n t r a s tb e t 、v e e nt h es i t u a t i o no fm i x e r 觚di l o n e 单位：c 鹏 ( 2 ) 提高了传热系数与蒸发强度，缩短了煮糖时间。w e r b e 以纯度同为7 2 的两罐乙糖膏在相同煮糖环境下做实验得到的数据结果如表2 4 。数据表明， 开煮初期，两种情况的传热系数与蒸发强度相差不大，但到了煮糖后期，机械 循环条件下的传热系数与蒸发强度是自然循环的l o 倍，节约了煮糖时间。 表2 4 自然循环与机械循环传热系数蒸发强度的对比 t 曲l e2 - 4c o n t r a s to fh e a tt r a n s f e rc o e f n c i e n t 、e v a p o r a t i o ns t r e n 磬hb e t w e e nt h et 、】v os i t u a t i o n 广西大掌司犯b 学位论丈煮糖过程实验平台设计及控制系统仿真 ( 3 ) 提高了产品质量。机械循环使得糖膏的对流速度增加，罐中各处糖膏 温度梯度小，糖膏过饱和度均匀，煮成的砂糖晶粒大小均匀，色泽光鲜。下表 2 5 是澳大利亚昆士兰糖业有限公司( q u e e n s l a n ds