甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)污垢發(fā)生機理及污垢控制.pdf

1、本文以甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)污垢發(fā)生作為研究對象,圍繞污垢成分、污垢結(jié)構(gòu)、污垢物來源、污垢發(fā)生過程等關(guān)鍵問題,展開研究工作。針對甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)物料這一復(fù)雜體系的理化特性,運用膠體化學(xué)、晶體化學(xué)、顆?；瘜W(xué)的理論和研究方法,借助X射線衍射分析(XRD)、帶能譜的掃描電鏡分析(SEM/EDS)、傅里葉變換紅外光譜分析(FTIR)、激光粒度分析等研究手段,通過生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)查、生產(chǎn)線物料跟蹤分析、模擬實驗等研究方法,力圖說明甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)中污垢的發(fā)生

2、過程,揭示污垢的發(fā)生機理,并且在污垢發(fā)生機理研究的基礎(chǔ)上,研究污垢控制的技術(shù)方案。
　　 本論文的具體研究內(nèi)容如下:
　　 運用X射線衍射分析(XRD)、帶能譜的掃描電鏡分析(SEM/EDS)及常規(guī)化學(xué)分析方法,剖析了甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)中污垢的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特性、生產(chǎn)全流程物料相關(guān)理化參數(shù)的變化;結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查,分析了污垢因子隨流程而變化的理化特性,揭示了蔗糖蜜酒精生產(chǎn)全流程中污垢發(fā)生的一般過程。運用化學(xué)分析法、質(zhì)量分析法,

3、剖析了生產(chǎn)模擬實驗中流程關(guān)鍵點物料及污垢的化學(xué)成分和沉積規(guī)律,創(chuàng)立了表觀污垢、表觀熱解污垢和表觀熱穩(wěn)污垢三個參數(shù),用以表征蔗糖蜜酒精生產(chǎn)全流程中污垢發(fā)生特性。選擇甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)中蒸餾前多個工藝位點,采用重力分離法(稀釋糖液靜置、發(fā)酵醪底排污、機械離心)與添加化學(xué)助劑重力分離法,對甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)物料進行除垢處理。測定了除垢實驗中物料及污垢的理化參數(shù),以表觀污垢、鈣鎂總量、硫酸鹽總量為依據(jù)評價除垢效果,分析除垢特點。通過各工藝點各種控制

4、方法的表觀污垢去除率,各種方法處理后物料的表觀污垢殘留率,進行了甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)蒸餾前除垢最佳工藝點和方法的分析與討論,提出了甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)污垢控制除垢技術(shù)方案。在全流程物料分析和污垢分析基礎(chǔ)上,按照甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)流程工藝調(diào)查參數(shù),確定硫酸鈣-有機物體系,模擬生產(chǎn)中污垢發(fā)生過程。運用紅外光譜分析(FT-IR)、X-射線衍射分析(XRD)、帶能譜分析的掃描電鏡(SEM/EDS)、激光粒度掃描等手段,對各試驗樣本的沉積物進行了晶體的晶相

5、晶型表征、顆粒形貌和粒度分析。結(jié)果顯示:有機物、溫度、酒精濃度等因素對硫酸鈣晶體顆粒的形成及其特征有顯著影響。研究結(jié)果被應(yīng)用于甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)污垢發(fā)生機理分析。
　　 本論文的主要研究成果包括:①確定了甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)中污垢的主體成分是硫酸鈣。XRD分析結(jié)果表明蒸餾塔中的硬質(zhì)污垢中的硫酸鈣含兩個結(jié)晶水,即二水硫酸鈣。XRD分析結(jié)果還表明蒸餾塔中的硬質(zhì)污垢中不包括半水硫酸鈣和無水硫酸鈣。硫酸鈣污垢中還包括約20％的有機物,少量的鎂

6、鹽、磷酸鹽、硅氧化物及鹽。全流程中各工藝位點的污垢成分存在差異。在蒸餾塔中,硫酸鈣率先在上層塔板沉積。鎂鹽、磷酸鹽、硅的氧化物及鹽在塔板中下層污垢中增多。下層塔板還有金屬復(fù)合鹽出現(xiàn)。不同塔板污垢中的二水硫酸鈣晶體存在晶型差異,分別歸屬于不同的PDF卡號。各樣本的(SEM/EDS)分析結(jié)果顯示了流程中不同工藝點污垢顆粒的形貌和表面元素構(gòu)成,發(fā)現(xiàn)了四種具有典型意義的顆粒,顯示生產(chǎn)物料中的有機物及微生物細胞對物料中無機物的晶習(xí)、沉積特性發(fā)生的

7、影響,這種影響隨著流程進行的物料溫度、成分的變化而變化。
　　 ②甘蔗糖蜜中存在大量的無機灰分(以鈣鹽為主)、有機物,糖蜜稀釋時加入了過量的硫酸根離子。鈣離子與硫酸根反應(yīng)生成的非水溶性物質(zhì)析出,構(gòu)成了污垢的主體成分。
　　 ③非水溶性物質(zhì)的組分及溶解度隨著物料的pH、有機酸、有機物、酒精濃度、溫度、CO2飽和度的變化而變化。
　　 ④酸化使部分離解狀態(tài)無機離子析出。稀釋促進了析出無機灰分的重新溶解。隨著發(fā)酵進行,

8、沉積物由稀釋時的沙粒狀變成污泥狀。加熱以及酒精濃度升高極大影響了物料中無機離子的存在狀態(tài)。流程中無機離子的狀態(tài)呈現(xiàn)出解離、析出、沉積的變化特征。物料在預(yù)熱進入蒸餾之前,無機離子的存在狀態(tài)因為稀釋、酸化、酵母生長代謝而變化,物料在預(yù)熱進入蒸餾之后,無機離子的存在狀態(tài)因為溫度和物料酒精濃度改變而變化。
　　 ⑤物料中的有機物對非水溶性物質(zhì)在體系中的分布狀態(tài)有重要影響。發(fā)酵階段有機物起到懸浮、穩(wěn)定作用,不利于非水溶性物質(zhì)的沉積。蒸餾階

9、段因為加熱膠體破壞,以及酒精濃度升高導(dǎo)致的膠體溶解度下降,對非水溶性物質(zhì)的懸浮、穩(wěn)定作用消失,轉(zhuǎn)化為絮凝作用,因此在膠體析出的協(xié)同作用下,導(dǎo)致非水溶性物質(zhì)沉積、積垢發(fā)生。
　　 ⑥不同的原料糖蜜,在流程中不同的工藝點,產(chǎn)生的沉積物總量及成分不同。因此,要根據(jù)原料的特點,選擇最佳積垢控制點和控制方法。
　　 ⑦創(chuàng)立了表觀污垢、表觀熱解污垢、表觀熱穩(wěn)污垢三個參數(shù)及檢測方法。表觀污垢直接表征了重力沉降條件下可以沉積的污垢量。表

10、觀污垢中表觀熱穩(wěn)污垢和表觀熱解污垢,有效表征了全流程中污垢因子的無機物組分、有機物組分,無機物組分和有機物組分之間的相互作用,以及這些相互作用導(dǎo)致的污垢的發(fā)生特征。在生產(chǎn)上以表觀污垢、表觀熱解污垢、表觀熱穩(wěn)污垢三個參數(shù)作為酒精生產(chǎn)過程監(jiān)測參數(shù),可以用于污垢的預(yù)警監(jiān)測。使用表觀污垢、表觀熱解污垢、表觀熱穩(wěn)污垢測定數(shù)據(jù)計算的表觀污垢去除率和表觀污垢殘留率,可以用于評價污垢控制方法的效果。
　　 ⑧利用表觀污垢、表觀熱解污垢、表觀熱穩(wěn)

11、污垢作為主要評價參數(shù),通過除垢阻垢實驗,研究了甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)污垢控制最佳工藝點和最佳方案。提出的污垢控制措施被應(yīng)用于某甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)廠生產(chǎn)工藝改良,取得良好的污垢控制效果。
　　 ⑨根據(jù)生產(chǎn)檢測參數(shù)及文獻參考數(shù)據(jù),設(shè)計了硫酸鈣-有機物體系,模擬甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)污垢發(fā)生過程,運用紅外光譜(FF-IR)、X-射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、激光粒度掃描對各試驗樣本的沉積物進行了晶體的晶相晶型表征、顆粒形貌和粒度分析。粒度

12、分析結(jié)果顯示:有機物存在降低了硫酸鈣晶體的中值徑。掃描電鏡(SEM)觀察發(fā)現(xiàn):在常溫、酒精很少的條件下,有機物存在使硫酸鈣晶體表面不光潔、形貌及大小不均勻。酒精濃度升高和溫度升高使硫酸鈣晶體長大,出現(xiàn)晶體聚結(jié)。紅外光譜(FT-IR)、X-射線衍射(XRD)分析結(jié)果顯示:硫酸鈣晶體表面可能發(fā)生有機物的吸附。
　　 ⑩根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、污垢成分及結(jié)構(gòu)分析、生產(chǎn)物料跟蹤分析、模擬實驗研究結(jié)果,分析了甘蔗糖蜜酒精生產(chǎn)污垢發(fā)生機理:污垢由有機

13、物和無機物構(gòu)成,不同工藝位點上的污垢成分、結(jié)構(gòu)存在差異。硫酸鈣是污垢中的主要成分。粗餾塔中積垢所含有的硫酸鈣均為二水硫酸鈣。形成污垢主要成分的硫酸鈣來自糖蜜原料帶入的鈣和稀釋加入的硫酸,形成污垢中有機組分的物質(zhì)則非常復(fù)雜,包括糖蜜帶入的色素、膠體、非發(fā)酵性糖分、有機酸、蔗糖糖汁中來自甘蔗細胞的可溶性的有機物(含氮物、腐植質(zhì)、木素等),發(fā)酵引入的酵母細胞及其代謝產(chǎn)物。這些有機物對硫酸鈣的電離平衡、溶解析出平衡、晶相晶習(xí)發(fā)生影響。這些影響還