混床在玉米淀粉糖生产中的应用

混床在玉米淀粉糖生产中的应用

唐海静1，王静

（欧尚元（天津）有限公司，天津， 300350）

摘要：本文主要围绕混床系统在玉米淀粉糖生产中的应用展开，在现实应用中发现，糖液在经过一级阴阳床过滤系统后，所得的产品中依旧存在着一些H⁺和OH^- 以及一些硅酸盐等杂质，十分影响糖液质量。因此，本文采用了混床系统与再生技术，将从一级过滤系统得到的糖液注入混床系统，经过混床树脂处理后，能够达到除硅、脱盐等效果，极大地提高了淀粉糖液质量。经实际应用表明，混床树脂对淀粉糖液有很好的除硅性能、脱盐效果，且出料品质稳定。

如今，发达国家的淀粉糖生产技术依旧远超于我国，我国还有很大的发展空间。淀粉糖行业逐渐走向规模化、智能化，竞争也将日益激烈。所以，引入高新技术，加快技术创新步伐，是提高我国淀粉糖生产技术的关键所在。混床技术在淀粉糖行业中的应用越来越广泛，并且结合PLC可编程控制，能够很好的实现糖液的精制与提炼。

关键词：混床树脂；淀粉糖；精制；脱盐

中图分类号：TU831.3 文献标识码：A

Application of the mixing bed in the production of corn starch sugar

Tang Hai-jing，Wang Jing

(Ou Shang Yuan (Tianjin) Co., Ltd., Tianjin, 300350)

Abstract:This paper mainly focuses on the application of the hybrid bed system in the production of corn starch sugar. In the practical application, it is found that the sugar liquid still has some H⁺ and OH^- and some silicate impurities in the obtained products, which greatly affects the quality of the sugar liquid. Therefore, the mixing bed system and regeneration technology are adopted, and then inject the sugar liquid obtained from the primary filtration system into the mixed bed system. After the mixing bed resin treatment, silicon removal and desalting can greatly improve the quality of starch sugar solution. The practical application shows that the mixing resin has a good silicon removal performance and desalination effect on the starch sugar solution, and the feeding quality is stable.

Nowadays, the starch sugar production technology of starch in developed countries is still far more than China, and China still has a lot of room for development. Starch sugar industry is gradually becoming scale and intelligent, and the competition will be increasingly fierce. Therefore, the introduction of high and tech technology and accelerate the pace of technological innovation is the key to improve the production technology of starch sugar in China. Mixed bed technology in the starch sugar industry, and combined with PLC programmable control, can well achieve the refining and refining of sugar liquid.

Key words: mixed bed resin; starch sugar; refining; desalting

玉米淀粉通过酸或酶水解生产的各种糖，统称为淀粉糖。随着科技的进步，淀粉糖产业也随之迅猛发展。尤其是近几年来，在我国科学家的艰辛探索下，也研制出了很多的淀粉糖生产工艺，包括酸法、双酶法等。大体流程是：液化→糖化→过滤→脱色→离交→蒸发→成品。经过不断地创新，各项新技术逐步应用于淀粉糖生产工业中，使得淀粉糖类的产品不断增多，更是极大地提高了产能。

淀粉糖的用途主要分为两类，一种是民用淀粉糖，供人们日常食用，可用作糖果、糕点、饮料、罐头等各种食品中；另一种是工业生产，普遍应用于制糖业、化工行业、医药业、酿酒业、以及纺织业中。可见淀粉糖应用之广，因此，引进新兴技术，加大自动化产品的应用，是提升产品品质、节约成本、推动淀粉糖行业发展与进步的重中之重。而混床技术就是淀粉糖产业的核心技术之一。

1. 混床系统

1.1工作原理

混床是把阴、阳离子交换树脂装填在同一个交换器里面，对其中的离子进行互换或是脱除，再生时使之分层再生的离子交换器。其基本原理如下：

在混床柱内同时放置有阴阳离子交换树脂，因ρ_{（阳树脂）}>ρ_{（阳树脂）}，故一般情况下阴树脂置于阳树脂的上方。本文混床系统内阳、阴树脂比例为1：3，具体情况，可酌情更改比例。离子交换剂共包含两个部分，第一个部分是离子交换剂的骨架，第二个部分是用于替换阴阳离子的活性基团（官能团）。

用R-H表示阴离子树脂、R-OH表示阴离子树脂。(其中R表示离子树脂的骨架，H表示阳离子树脂的活性基团，OH表示阴离子树脂的活性基团。^[1]

将糖液注入到混床内后，在温度与酸碱度适宜的条件下，阴离子交换树脂将阳离子置换出来：

R－H＋M+— →R－M＋H+ （1-1）

阳离子交换树脂将阴离子置换出来：

R－OH＋M-— →R－M＋OH- （1-2）

以上两反应式就是混床离子交换的基本原理。

1.2混床结构及再生步骤简介

混床结构及阀门、管系如下图1-1所示。

图1-1 混床阀门管系图

混床运行步骤^[2]：

1. 反洗分层。执行本步的原因有：一是清洗碎树脂和沉积在混床床底的沉积物，二是将已经失效了的阴树脂和阴树脂分离，分离完毕后，分别对阳树脂和阴树脂进行再生。具体操作步骤是，首先打开反洗排水门，然后再将反洗入口门缓慢地开启。本阶段的要求是将反洗流量控制在10-15m³/h，此步运行时间一般为10-15min。

2. 再生。首先，打开碱喷射器阀门，使其进水流量为8m³/h，然后，打开酸喷射器阀门，令其进水流量为6m³/h。经过调节，正常运行后，再打开碱计量罐出口阀门，最后打开酸计量罐出口阀门，当混床内酸碱液的质量浓度百分数达到2%上下时，本阶段完成。

（3）对流冲洗。进酸进碱结束后，再次打开进水阀门，通入除盐水分别从上、下两部分对混床床层进行对流洗涤，清洗至大约中部时，排水。取样化验糖液质量。当电导率<5μs/cm，SiO₂<50μmol/L时，结束对流冲洗，关闭与之相关的阀门。

（4)混脂。经过上述操作后，还需进行混脂操作，即将分层了的树脂再次搅拌均匀。首要的是，将离子交换器中的液面降至树脂层表面以上120-140mm位置。随后将净化风通入离子交换器的底部。可以通过窥视孔观看到树脂是否搅拌均匀，待其混合均匀后，迅速地打开正洗排水门门阀，与此同时，快速关掉压缩风门门阀，这样能够避免交换树脂再次分层。上述混合搅拌时间大概保证在300s以内。

5. 正洗。将水通入混床系统，正洗混合完后的离子交换树脂，当排料质量达到硅酸浓度小于20μmol/L，电导率小于0.2μs/cm时，就表明正洗结束。

2.仪表选型及配置

为了满足工艺要求以及方便工厂的管理，安装合理的在线仪表是十分必要的，这样就可以观测到现场设备运行的实际状况，获得本工艺过程中的参数、便于工作的进行。因本工艺涉及大量的参数，例如温度、压力、流量、液位等，所以需为之配置相应的仪表。在糖液处理工艺过程中，应用最普遍的就是压力和流量测量仪表。^[3]

2.1压力测量仪表

压力测量仪表可以用来测量液体压力的大小，本混床系统考虑到现实需要，主要选用了就地指示压力表。就地压力表可以显示现场实时压力的大小，但不可调节。在每台泵的出口位置根据其压力特性，可分别选择耐震型或其他压力表，这样可以使得测量数值更加精确。对于带腐蚀性的液体，最好选用隔膜压力表，防止腐蚀，最大程度上保证压力表的使用年限。^[4]

除此外还选用了压力变送器，它能够将压力转换成电信号，便于对压力的调节与控制。在使用压力变送器检测压力变化时，为防止短时间内压力快速升高，给前置过滤器和混床内部产生冲击，可在每套一级系统前和混床系统入口前配置升压旁路阀，这样就可以避免因入口压力大对设备造成不可逆的损坏。

为实时检测到各个系统的差压，需要在一级过滤系统旁路阀、混床系统旁路阀、一级过滤系统和树脂捕捉器的前后设置差压变送器，达到对差压的有效检测。

当树脂捕捉器前一时段与后一时段的压差超过某一设定值时，其所在列的混床系统停止运行，再核实备用混床系统，待备用混床投入运行成功后，方可将失效混床退出运行状态，同时，还需将树脂捕捉器要进行反冲洗操作，确保下次使用不受影响。

2.2流量测量仪表

因本系统测量的介质主要是液体，所以流量测量仪表必不可少。流量测量仪表根据原理不同，可分为电磁流量计和差压式流量计。而仪表的选择则需根据实际情况来定。

电磁流量计的使用不受温度、以及密度的影响。但是所要测量的介质必须具有导电能力，并且要求电导率大于阈值。^[5]如果电导率小于于阈值将会产生很大的测量误差，带来不必要的麻烦。在选择电磁流量计的类型时，要根据实际情况进行电极材质的选取，比如当所测介质具有腐蚀性时，就无法选择不锈钢材质作为电极。除此之外，电磁流量计的安装位置也是值得我们考虑的，为了方便工作人员查看流量计的显示数值，需将其安装在显眼便于观察的地方。

差压式流量计中最常使用的是孔板流量计，它是利用在其内部的液体形成的上下压差，根据差压与流量的关系求得流量。为了便于检测各个系统的流量，每台一级系统、混床系统以及再生系统的入口处都要安装有流量计。

2.3温度测量仪

温度测量与控制采用温度变送器，温度变送器能够将物理变量温度转换为标准化的电信号。在混床系统入料口处，需要检测入料温度，所以在此处配置温度测量仪。特别地，稀碱液管上也设有温度变送器，通过检测到的数据来控制调节阀的开度。

2.4分析仪表

在糖浆处理过程中涉及很多变量，这些变量在一定程度上影响着糖浆的质量，如糖浆中的P H值、介质的电导率、含硅酸盐的量等。所以每个系统的出口需要设有电导率表、硅表，用来监测每个系统的出料质量，

3.控制系统

3.1顺序控制系统

淀粉糖处理过程共有四个阶段，运行顺序为：一是阴阳床系统的运作、二是混床系统的运作、三是阴阳床的再生系统运作、四是混床的再生系统运作。

下图1-2所示为阴阳床运行系统。通过本系统可以初步达到除杂质的效果。V11、V12、V13、V14、B1、P1等电磁阀全部打开时，系统开始运行。在其运行中，整个系统会根据实际流量控制回路，达到调节整个系统流量的目的。^[6]

本系统运行的前提条件如下：阴阳床再生系统生产过程结束或者手动进行启动操作。若需要系统停运时，达到以下条件之一即可，（1）手动操作将其停止

2. 流量的累积量达到设定值（3)糖液的电导率高于设定值。

图1-2阳床和阴床运行系统

3.2 PLC控制设计思想

下面说明一下四个阶段之间的关系：再生生产过程结束并且手动启动时，阴阳床开始运行，运行结束后进入阴阳床再生阶段，再生结束后，混床系统开启运行，运行结束后开始混床再生，反之返回上一流程。流程图如下图1-3所示 。^[7]

图1-3 混床控制系统流程图

3.3 PLC控制程序设计

本系统的工作原理是：根据车间现场各设测量仪的参数、系统的运行状态等输出的信号，将其反馈给PLC，PLC将所得信号交与操作员，操作员再根据上位机监控画面，通过鼠标、键盘远程操控现场设备。^[8]

根据顺序控制思想编写程序，设计混床系统运行的PLC梯形图。混床运行分为两种模式：手动和自动。本设计中共有两个混床设备。E1#、E2#混床系统程序首先初始化，各项指标合适的情况下，依次执行下面的任务，树脂擦洗→反洗→进酸进碱→正洗→混脂→清洗，这些任务的完成需编写混床的投运、停止、和再生程序、自动加酸与加碱程序等。梯形图设计中还要实现一些状态显示和闭锁功能，保证程序正常运行。混床设计梯形图详情请见附录。^[9]

4 .HMI设计

如下图1-4所示为混床系统的实际组态的主画面，打开混床系统监控软件，通过监控界面可实时观测到混床系统现场运行情况，根据实时数据与现实需求，进行远程操控便于修改参数、信息统计等。

图1-4混床系统主画面

5.结论

本文主要是关于玉米淀粉糖工业生产中的混床系统介绍，通过对工艺研究分析，设计出了混床系统的运行流程图。有了整个设计思路后，开始程序设计，整个系统是通过PLC程序来实现相应功能的，通过混床系统，去除了糖液中阴阳离子以及二氧化硅等杂质，玉米淀粉糖产品质量明显提高，混床技术在淀粉糖产业中的应用尚未成熟，还需进一步改进。^[10]

参考文献

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10. Feng Y, Gong B, Cheng H, Wang L, Wang X. Effects of fixed wall and pebble size ratio on packing properties and contact force distribution in binary-sized pebble mixed beds at the maximum packing efficiency state. Powder Technology. 2021;390:504-20. doi: 10.1016/j.powtec.2021.05.099. PubMed PMID: 150928178.

附录

1作者简介：唐海静 ，男，1972年出生，本科，从事淀粉、淀粉糖，发酵等生产线的自动化控制和设计等工作.