果糖結(jié)晶的溫度控制設(shè)計(jì)

1、常2%仰犯4沒(méi)Tianjin University of Technology and Education畢業(yè)設(shè)計(jì)果糖臥式結(jié)晶自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)天津工程師范學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)果糖臥式結(jié)晶自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Design of the Automatic Control System of Fructose Horizontal Crystallization專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電氣 0402 學(xué)生姓名：曹紅彥 指導(dǎo)教師：儲(chǔ) 健 教授 系 別：自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2009年6月摘要目前，果糖生產(chǎn)過(guò)程中除結(jié)晶工序外的其它工序， 如壓榨、 清凈等都己經(jīng)基本實(shí) 現(xiàn)了自動(dòng)化。果糖結(jié)晶過(guò)程的控制操作卻由經(jīng)驗(yàn)豐富的操作

2、工人根據(jù)個(gè)人操作技巧和 果糖經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制果糖結(jié)晶過(guò)程， 降低了產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。 因此，結(jié)晶工序成為果糖生 產(chǎn)過(guò)程中的決定性工序， 這一工序工作結(jié)果的好壞直接決定著果糖的產(chǎn)量和質(zhì)量， 從 而也決定著制糖產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)此本系統(tǒng)研究了如何實(shí)現(xiàn)果糖結(jié)晶自動(dòng)化控制。本系統(tǒng)測(cè)定了果糖在不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液中的粘度， 并測(cè)定了果糖在水中和 在 20%的乙醇溶液中的介穩(wěn)區(qū)寬度， 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)了在果糖結(jié)晶過(guò)程中結(jié)晶罐 的溫度控制，從而實(shí)現(xiàn)果糖結(jié)晶的自動(dòng)控制。本系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)果糖結(jié)晶工序的自動(dòng)化生產(chǎn)為目標(biāo) . 對(duì)果糖結(jié)晶過(guò)程以及要求進(jìn)行 研究和分析， 一: 本系統(tǒng)的輸入信號(hào)為糖漿的溫度， 且控制系統(tǒng)的輸入是

3、按照經(jīng)驗(yàn)曲 線通過(guò) PID 來(lái)控制系統(tǒng)的溫度， 以此來(lái)控制結(jié)晶罐的溫度。 二：設(shè)計(jì)了以工業(yè)計(jì)算機(jī) 為控制平臺(tái)，以 S7-200 為核心，配以高性能的檢測(cè)儀表，其中測(cè)量溫度利用先進(jìn)的 Pt100 傳感器。采用智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶的自動(dòng)化控制。三 : 根據(jù)實(shí)際情況研究 果糖結(jié)晶過(guò)程控制算法的更有效方法， 針對(duì)果糖控制系統(tǒng)具有非線性、 時(shí)變性以及不 確定性的特點(diǎn)，本文充分利用PID控制精度高的特點(diǎn)，將PID控制和PLC控制相結(jié)合， 設(shè)計(jì)符合果糖結(jié)晶實(shí)際過(guò)程的自控系統(tǒng)， 以提高蔗糖結(jié)晶的速度、 縮短煮糖時(shí)間、 節(jié) 約能源和提高產(chǎn)品質(zhì)量。關(guān)鍵詞：果糖結(jié)晶；溫度控制；PID控制目錄1 緒論 1.1 果糖

4、簡(jiǎn)介 1.2 國(guó)內(nèi)外結(jié)晶果糖生產(chǎn)技術(shù)概況 1.3 立題背景及意義1.4 研究?jī)?nèi)容 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1西門(mén)子可編程邏輯控制器 S7-200的PID應(yīng)用52.2 PT100的特性122.3 調(diào)節(jié)閥 V2100 142.4 、臥式結(jié)晶罐的對(duì)比曲線 153 果糖冷卻結(jié)晶工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)163.1 前言錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)定設(shè)計(jì)錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 3.4 冷卻結(jié)晶工藝條件的優(yōu)化設(shè)計(jì) 19214 S7 200與監(jiān)控組態(tài)軟件 WINCC勺連接設(shè)計(jì) 244.1 WNCC簡(jiǎn)介及產(chǎn)品分類(lèi) 24一4.2 WNCC與西門(mén)子可編程邏輯器 S7-200之間的通訊

5、設(shè)計(jì)264.3 WNCC的過(guò)程值歸檔設(shè)計(jì) 284.4 控制系統(tǒng)的監(jiān)控圖像 30結(jié) 論 31參考文獻(xiàn) 32附錄1: S7-200的PID程序 34致 謝 401緒論1.1課題研究背景：煮糖結(jié)晶工序是蔗糖生產(chǎn)過(guò)程中的決定性工序， 這一工序工作的結(jié)果直接決定著 蔗糖的產(chǎn)量和質(zhì)量，也決定糖廠的經(jīng)濟(jì)效益。目前，蔗糖生產(chǎn)過(guò)程中除煮糖工序外的 其它工序，如甘蔗壓榨、蔗汁清凈等都已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。糖廠的煮糖結(jié)晶過(guò)程是果糖結(jié)晶的生產(chǎn)過(guò)程，是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)和物理過(guò)程。由 制糖工藝學(xué)可知，煮糖工藝關(guān)鍵就是控制糖液的溫度， 使其保持在適當(dāng)?shù)姆秶?，使?粒能均勻、整齊地生長(zhǎng)。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，物料的純度和濃度在不

6、斷地變化，生 產(chǎn)工藝條件如真空或蒸汽壓力經(jīng)常波動(dòng)，這些因素都直接地影響了糖液的過(guò)飽和度。 由于煮糖控制本身受干擾的因素很多， 其時(shí)變性和非線性等差異很大，因此要想建立 一個(gè)反映進(jìn)料量、進(jìn)水量與過(guò)飽和度之間精確的數(shù)學(xué)模型非常困難，以至于用經(jīng)典控 制或現(xiàn)代控制的方法對(duì)這類(lèi)復(fù)雜的控制對(duì)象都難以得到滿意的效果。在制糖工業(yè)中，走在世界前列的有丹麥、美國(guó)、法國(guó)、澳大利亞等國(guó)，這些發(fā)達(dá) 國(guó)家的糖廠基本上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，同時(shí)也是糖的消費(fèi)大國(guó)。中國(guó)在這方面還遠(yuǎn)落 后于發(fā)達(dá)國(guó)家。對(duì)于一個(gè)人口大國(guó)，我國(guó)年人均糖消費(fèi)量不及世界平均水平。 我國(guó)制 糖工業(yè)還處于一種手工操作的狀態(tài)。因此實(shí)現(xiàn)制糖工業(yè)的自動(dòng)化控制越發(fā)顯得重

7、要。在制糖工業(yè)中，煮糖屬于最后一道生產(chǎn)環(huán)節(jié)，也是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。而煮糖質(zhì)量 的好壞，關(guān)鍵是控制糖液的過(guò)飽和度，并保持在適當(dāng)?shù)姆秶?。目前?guó)內(nèi)很多的中小型 企業(yè)的煮制工段長(zhǎng)期都是依靠富有經(jīng)驗(yàn)的工人手動(dòng)控制，一沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，糖的產(chǎn)量和質(zhì)量不高且生產(chǎn)效率低下。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，壓榨、提汁、分離和分蜜這幾個(gè) 工段都基本上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但蒸發(fā)、煮制工段長(zhǎng)期以來(lái)都是依靠富有經(jīng)驗(yàn)的工人監(jiān) 守控制，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。相比之下，國(guó)外的制糖自動(dòng)化技術(shù)較為成熟，而且與之配 套的設(shè)備完善。但對(duì)中小企業(yè)來(lái)說(shuō)，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)成套設(shè)備雖然能夠?qū)崿F(xiàn)制搪過(guò)程的 自動(dòng)化，提高效率。但是極大的提高了制糖的成本，不能有效的利用原有的設(shè)備

8、和發(fā) 揮我國(guó)勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，因此，在原有設(shè)備基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化， 獲得一種對(duì)煮糖過(guò) 程實(shí)行在線檢測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整的控制系統(tǒng)是非常必要而有意義的。本研究工作以實(shí)現(xiàn)煮糖工序的自動(dòng)化生產(chǎn)為目標(biāo)， 利用國(guó)外先進(jìn)的溫度傳感器對(duì) 蔗糖溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，結(jié)合其它參數(shù)，利用微機(jī)對(duì)煮糖結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行控制。 并根 據(jù)實(shí)際情況研究蔗糖結(jié)晶過(guò)程控制算法的更有效方法， 利用符合煮搪實(shí)際過(guò)程的模糊 PID調(diào)節(jié)器，以提高果糖結(jié)晶的速度、縮短煮糖時(shí)間、節(jié)約能源和提高產(chǎn)品質(zhì)量。1.2國(guó)內(nèi)外控制研究近況綜觀國(guó)際制糖工業(yè)，從原料預(yù)處理、提汁、澄清到蒸發(fā)階段，早已實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化 和自動(dòng)化生產(chǎn)，唯獨(dú)結(jié)晶工段大多數(shù)仍沿用間歇法生產(chǎn)，自動(dòng)控制的

9、實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。 而結(jié)晶過(guò)程若能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可對(duì)全廠的生產(chǎn)起穩(wěn)定作用。煮糖時(shí)間可縮短35%40%可大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還可節(jié)省人力，并且煮出的糖膏質(zhì)量好，晶粒均 勻。間歇罐配備自動(dòng)控制后，一般1個(gè)人可操作3個(gè)以上結(jié)晶罐。德國(guó)某糖廠采用自 動(dòng)煮糖系統(tǒng)后，2個(gè)人可操作13臺(tái)煮糖罐。結(jié)晶過(guò)程自動(dòng)化是一個(gè)包括有真空度、粘稠度、母液過(guò)飽和度、蒸汽壓力、液位 等的調(diào)節(jié)及結(jié)晶過(guò)程的程控（或自控）、顯示、遠(yuǎn)程操作等復(fù)合控制系統(tǒng)。煮糖中要控 制好起晶、養(yǎng)晶、濃縮操作，就必須充分掌握煮糖罐設(shè)備性能、原料及糖膏的濃度、 純度、溫度、真空度等條件。但目前有些糖廠的煮糖連真空計(jì)、溫度計(jì)都?xì)埲辈蝗?有些煮糖師傅對(duì)自己

10、使用的原料純度和錘度都重視不夠。沒(méi)有使用科學(xué)的儀器來(lái)控 制，只依靠采樣觀察糖漿的粘度、糖膏在玻璃板上的流動(dòng)和晶粒的情況、視鏡上液體 的拋動(dòng)等現(xiàn)象憑肉眼看和手指的感覺(jué)等來(lái)操作。這樣，經(jīng)驗(yàn)豐富的煮搪師傅可準(zhǔn)確地控制操作，但這樣的操作技術(shù)只可意會(huì)不可言傳，學(xué)習(xí)費(fèi)時(shí)，操作技術(shù)因人而異，差 別相當(dāng)大，先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和成績(jī)很難鞏固推廣，煮糖人才的培養(yǎng)也受到限制。人們根據(jù)蔗糖結(jié)晶理論，在原有煮搪方法的基礎(chǔ)上，采用了一種科學(xué)的煮糖法一 “五一”煮糖法?！拔逡弧敝筇欠ㄊ菑V東糖業(yè)公司于1953年組織東莞、順德、汕頭和 揭西四大糖廠的煮糖工人和技術(shù)工人，以理論和先進(jìn)操作經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合創(chuàng)造出來(lái)的一種 有科學(xué)理論根據(jù)、使用科學(xué)的

11、儀器來(lái)控制生產(chǎn)的煮糖方法。但這個(gè)方法因使用的儀器不夠完善，控制需要人力較多，控制的要求比較嚴(yán)格，操作比較煩瑣。因此如何利用 近代較先進(jìn)的過(guò)飽和度儀器代替 “五一”煮糖法所使用的簡(jiǎn)單指示儀器，從而使糖廠 能恢復(fù)使用準(zhǔn)確的晶核起晶法和過(guò)飽和度儀器來(lái)控制養(yǎng)晶，并結(jié)合微機(jī)的應(yīng)用，使煮糖過(guò)程儀表化、自動(dòng)化被提上日程。1.3研究?jī)?nèi)容本論文采取冷卻結(jié)合溶析的方法制備結(jié)晶果糖，意在解決果糖結(jié)晶工藝中存在的 產(chǎn)率低、產(chǎn)品質(zhì)量差等問(wèn)題，得到一條較優(yōu)的果糖冷卻結(jié)晶工藝。本論文的研究?jī)?nèi)容包括：1. 介紹了果糖的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用， 說(shuō)明了果糖的研究的內(nèi)容、目的以及研 究意義。2. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，深入研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的各

12、個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，熟悉實(shí)驗(yàn)控 制過(guò)程溶析結(jié)晶工藝3. 優(yōu)化強(qiáng)效糖化酶降解低聚糖的工藝和果糖冷卻4.S7-200與監(jiān)控組態(tài)軟件WinCC的連接設(shè)計(jì)2果糖結(jié)晶自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)晶自動(dòng)控制系統(tǒng)控制框圖如下圖 2-1所示：其中A/D轉(zhuǎn)換、PID調(diào)節(jié)、D/A轉(zhuǎn)換等運(yùn)算都是在PLC內(nèi)部執(zhí)行，同時(shí)為上位機(jī) 提供可用的數(shù)據(jù)，用以顯示。上位機(jī)也可對(duì)相應(yīng)的地址進(jìn)行賦值，來(lái)設(shè)定相關(guān)參數(shù)。卩為”制黑卜彳琢圖2-1結(jié)晶自動(dòng)控制系統(tǒng)圖本系統(tǒng)的輸入信號(hào)為循環(huán)水的溫度，且溫度按照經(jīng)驗(yàn)曲線（圖2-2所示）控制系 統(tǒng)的溫度，以此來(lái)控制結(jié)晶罐的溫度。伽 72C2卜?rJ n昭 53C)、X86h, 4802 4 E 3

13、 10 12 N 1618 2022 24 26 23 30 32 3436 38 40 42 44 46 48 50 52 開(kāi)麗 58 60&2開(kāi)&663TO721476圖2-2溫度經(jīng)驗(yàn)曲線2.1果糖結(jié)晶自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.1.1 PID 算法S7-200 CPU提供PID回路指令（比例、積分、微分回路），執(zhí)行PID計(jì)算。PID 回路操作取決于存儲(chǔ)在36個(gè)字節(jié)回路表中的9個(gè)參數(shù)。1.模擬PID算法在穩(wěn)定狀態(tài)操作中，PID控制器管理輸出數(shù)值，以便將偏差 e驅(qū)動(dòng)為零。偏差測(cè) 量由設(shè)定值（所需的操作點(diǎn)）和進(jìn)程變量（實(shí)際操作點(diǎn)）之間的差別決定（即 e=sp-pv ）。PID控制原則基于以下公式（

14、2-1），其中將輸出M（t）表示為比例項(xiàng)、積 分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)：tll（t） f*e “ edt *1 initio j*dedt（2-1）0其中：M（t）作為時(shí)間函數(shù)的回路輸出；xc比例增益；e回路偏差（設(shè)定值和進(jìn)程變量之間的差別）；K|為積分項(xiàng)增益；Kd為微分項(xiàng)增益；M initial回路輸出的初始值。2.數(shù)字式PID算法為了在數(shù)字計(jì)算機(jī)中運(yùn)行該控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)量化為偏差值的定期樣 本，并隨后計(jì)算輸出。數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)算以下列相應(yīng)的公式（2-2 ）為基礎(chǔ)：n(2-2) n =久 c * 脇 *e 二1 initial 、* G en)i經(jīng)式中：n為第n個(gè)采樣時(shí)刻計(jì)算出來(lái)的回路輸出值;

15、 q為第n個(gè)采樣時(shí)刻的采樣偏差； 編4為第n-1個(gè)采樣時(shí)刻的采樣偏差； 仁為回路增益；Xi為積分項(xiàng)系數(shù)；d為微分項(xiàng)系數(shù)；M initial為回路輸出的初始值。在PLC中，實(shí)際使用公式（2-2 ）的改進(jìn)公式（2-3）Mn =Kc*（SP PVn） +Kc*Ts/Ti*（SP PVn）+MX+Kc*Td/Ts*（PVnPVn）（2-3）式中：-s為采樣時(shí)間，單位為秒；-i為積分時(shí)間，單位為分鐘；d為微分時(shí)間，單位為分鐘；PVn為第n個(gè)采樣時(shí)刻的進(jìn)程變量；PVn為第n-1個(gè)采樣時(shí)刻的進(jìn)程變量；SP為第n個(gè)采樣時(shí)刻的設(shè)定值。2.1.2 PID 回路表在PID指令框中輸入的表格（TBL）起始地址為首地址

16、，回路表分配八十個(gè)字節(jié)。S7-200的PID指令引用一個(gè)包含回路參數(shù)的回路表，此表起初的長(zhǎng)度為36個(gè)字節(jié)。在增加了 PID自動(dòng)調(diào)諧后，回路表現(xiàn)已擴(kuò)展到 80個(gè)字節(jié)，PID回路表如表2-1所2 示。表2-1 PID回路表偏域格式類(lèi)型說(shuō)明0PV 雙字-輸入進(jìn)程變量，必須在0.0至1.0范4SP雙字-輸入設(shè)定值，必須在0.0至1.0范圍8Mn雙字-輸入/輸計(jì)算輸出，在0.0至1.0范圍內(nèi)。12Kc雙字-輸入增益（比例系數(shù)）可為正數(shù)或負(fù)16Ts雙字-輸入米樣時(shí)間，單位為秒，必須為正20Ti雙字-輸入積分時(shí)間，單位為分鐘，必須為24Tc雙字-輸入微分時(shí)間，單位為分鐘，必須為28MX雙字-輸入/輸積分和數(shù)

17、值，在0.0和1.0之間。32PVn 雙字-輸入/輸進(jìn)程上次數(shù)值。2.1.3 PID主程序各模塊介紹1. PID程序流程圖，如下圖2-3所示。根據(jù)流程圖所示，整個(gè)PID程序分為主程序（main）、參數(shù)初始化子程序（SBR_1）、 實(shí)驗(yàn)子程序（SBR_2）、輸入模擬量的數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序（SCALE ）、輸出模擬量的數(shù)值 轉(zhuǎn)換子程序（UNSCALE ）和定時(shí)中斷子程序（INT_0）等六大部分。下面我來(lái)作逐 一的介紹。圖2-3 PID程序流程圖2. 主程序模塊介紹（1）主程序（ma in）主程序完成兩項(xiàng)任務(wù)：一個(gè)是調(diào)用參數(shù)初始化子程序（ SBR_1），在PLC運(yùn)行的 第一個(gè)掃描周期，完成PID參數(shù)初始

18、化；另一個(gè)是不斷調(diào)用實(shí)驗(yàn)子程序（SBR_2）， 來(lái)執(zhí)行不同的實(shí)驗(yàn)算法。（2）參數(shù)初始化子程序（SBR_1）參數(shù)初始化子程序是初始化 PID參數(shù)，同時(shí)使能定時(shí)中斷0，設(shè)置定時(shí)中斷時(shí)間 為100ms將定時(shí)中斷事件與INT_0子程序關(guān)聯(lián)。（3）實(shí)驗(yàn)子程序（SBR_2）該部分是根據(jù)實(shí)驗(yàn)選擇變量的值決定執(zhí)行的算法， 讀取測(cè)量值，刷新輸出緩沖區(qū)， 等待定時(shí)中斷的發(fā)生。（4）輸入模擬量的數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序（SCALE ）用EM235測(cè)量的模擬值，在PLC中的范圍為032000,而PLC中的PID回路表 PV值的范圍為01的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，所以要利用 PID指令，必須將工程實(shí)際值標(biāo)準(zhǔn)化。轉(zhuǎn)換公式為:二 Rraw /

19、SpanOffset(2-4)式中：Rnorm為工程實(shí)際值的標(biāo)準(zhǔn)化值；Rraw為工程實(shí)際值的實(shí)數(shù)值；Span為最大允許值減去最小允許值，在本文中EM235測(cè)量420mA的電流，通過(guò)500歐電阻轉(zhuǎn)化為210V單極性電壓，所以Span =32000-6400=25600;Offset為偏移量，在本文中為-0.25。(5) 輸出模擬量的數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序(UNSCALE )(2-5)在對(duì)模擬量進(jìn)行PID運(yùn)算后，對(duì)輸出的控制作用是在01范圍的標(biāo)準(zhǔn)化值，為 能夠驅(qū)動(dòng)實(shí)際的驅(qū)動(dòng)裝置，必須將其轉(zhuǎn)換成工程實(shí)際值。轉(zhuǎn)換公式為：Rscal =(Mn - Offset) * Span式中：Rscal為按工程量標(biāo)定的過(guò)程

20、變量的實(shí)數(shù)格式；M n為過(guò)程變量的標(biāo)準(zhǔn)化值；Span為最大允許值減去最小允許值，本文中Span =32000-6400=25600；Offset 為偏移量，取0.25。(6) 定時(shí)中斷子程序(INT_0)完成輸入/輸出模擬量的數(shù)值轉(zhuǎn)換，更新輸入/輸出，根據(jù)手自動(dòng)控制位，決定執(zhí) 行方式，發(fā)起新一次的PID計(jì)算，并保持手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾切換。以上具體程序代碼請(qǐng) 見(jiàn)附錄。3.S7-200的PID程序見(jiàn)附錄12.2 PID工程整定方法1. 臨界比例度法在外界干擾或設(shè)定的作用下，自控系統(tǒng)出現(xiàn)一種既不衰減也不發(fā)散的等幅振蕩的過(guò)程，叫做臨界狀態(tài)。臨界比例度法亦稱(chēng)等幅振蕩比例度法，其特點(diǎn)是不需要求得控 制對(duì)象的特

21、性，直接在閉合的控制系統(tǒng)中進(jìn)行整定。 當(dāng)系統(tǒng)投運(yùn)以后，在純比例調(diào)節(jié) 作用下，從大到小逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例度， 得到臨界振蕩過(guò)程即等幅振蕩。把臨界 振蕩時(shí)的比例度 枠和從圖上讀出的臨界過(guò)程的周期一 k，代入表3-2所推薦的經(jīng)驗(yàn)公 式，計(jì)算出調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)整定值，最后經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)整稍做修改就可得到較好的參數(shù)。步驟：1）在系統(tǒng)閉環(huán)的情況下，將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置最大，微分時(shí)間置零，比例度 一般為100%2）在干擾作用下，逐步將調(diào)節(jié)器比例度減小，每次改變比例度，都要通過(guò)改變 設(shè)定值來(lái)施加10%勺階躍干擾，細(xì)心觀察被控變量的變化情況。如果過(guò)渡過(guò)程是衰減的，貝U應(yīng)把比例度減小，如果過(guò)渡過(guò)程是發(fā)散的，貝U應(yīng)把比

22、例度放大，直到出現(xiàn)45次等幅振蕩為止。表2-2臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律6k/%Ti/minTd/minP26PI2.2 d0.85 TkPID1.7 d0.5 Tk0.13 1；3）讀出和-k,根據(jù)表2-2的經(jīng)驗(yàn)公式求出調(diào)節(jié)器的、一 i、-d4）求出各參數(shù)的具體數(shù)值后，先把比例度放在比計(jì)算值稍大一些（約 20%的 數(shù)值上，再依次加上積分時(shí)間和微分時(shí)間，最后在把比例度放回原值即可。 給系統(tǒng)一 個(gè)10%勺階躍信號(hào)，細(xì)心觀察過(guò)渡過(guò)程，最后再根據(jù)此過(guò)程曲線加以修正，直到過(guò)渡 過(guò)程達(dá)到滿意為止。比例度法的局限性：生產(chǎn)過(guò)程有時(shí)不允許出現(xiàn)等幅振蕩， 或者無(wú)法產(chǎn)生正常操作 范圍內(nèi)的

23、等幅振蕩，不能利用此法整定。2. 衰減曲線法衰減曲線法是在總結(jié)臨界比例度法和其它一些方法的基礎(chǔ)上， 經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐提出 來(lái)的，其特點(diǎn)是：直接閉合系統(tǒng)在純比例作用下，以 4: 1或10： 1的衰減曲線作為 整定目的，而直接求得調(diào)節(jié)器比例度。具體步驟：1） 在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將積分時(shí)間置最大，微分時(shí)間置零，比例度一般取100%2）逐漸減小比例度，并且每改變一次比例度，通過(guò)改變?cè)O(shè)定值給系統(tǒng)施加一個(gè)階躍 干擾，如果衰減比大于4: 1，比例度減?。环粗?，則增大比例度。3） 當(dāng)米用4: 1衰減比時(shí)，讀取振蕩周期時(shí)間.s和比例度s，按表3-3計(jì)算參數(shù)。4） 當(dāng)采用10: 1衰減比時(shí)，讀取上升時(shí)間.s和比例度，

24、按表3-4計(jì)算參數(shù)。5）將比例度放在比計(jì)算值大 20%勺數(shù)值上，加上積分時(shí)間、微分時(shí)間，再加一次階 躍干擾，根據(jù)曲線，調(diào)整參數(shù)。注意事項(xiàng)：對(duì)于快速反應(yīng)的系統(tǒng)，想得到理想的 4: 1曲線很困難，工程上常以被 控變量波動(dòng)兩次而穩(wěn)定，近似認(rèn)為是 4: 1衰減過(guò)程。表2-3 4 : 1衰減曲線法參數(shù)計(jì)算參數(shù)7、調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器6k/%Ti/minTd/minP6PI1.2 Q0.5 TsPID0.8 d0.5 Ts0.1 Ts表2-4 10 : 1衰減曲線法參數(shù)計(jì)算參數(shù)ffr,調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)器6k /%Ti/minTd/minP%PI1.2217PID0.8昇 1.2 Ts0.4 Ts3. 響應(yīng)曲線法響應(yīng)

25、曲線法是從對(duì)象特性入手， 作對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線，求出時(shí)間常數(shù)、滯后時(shí) 間，靜態(tài)放大倍數(shù)，然后在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求出調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)組合比。 其PID參數(shù) 整定步驟：1） 在手動(dòng)狀態(tài)下，改變控制器輸出（通常采用階躍變化），記錄被控變量響應(yīng)曲線；2）在響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)處作切線，通過(guò)切線與初始值和新穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)，可以測(cè)得廣 義對(duì)象的時(shí)間常數(shù)一 p和純滯后時(shí)間.；3）根據(jù)控制器類(lèi)型與對(duì)象模型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)表（3-5）選擇PID參數(shù)并投入閉環(huán)運(yùn)行， 在運(yùn)行過(guò)程中，可對(duì)增益作調(diào)整。表2-5響應(yīng)曲線法參數(shù)整定表控制規(guī)律KcTi(秒)Td(秒)PTp/EAPI0.9Tp2.3TPID1.2Tp2t0.5 t2.3臥式結(jié)

26、晶罐1PID參數(shù)設(shè)置的監(jiān)控界面臥式結(jié)晶罐1PID參數(shù)設(shè)置的監(jiān)控界面如圖2-4所示:圖2-4臥式結(jié)晶罐1PID參數(shù)設(shè)置的監(jiān)控界面2.2果糖結(jié)晶自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)它的電阻一溫度關(guān)系的線性度非常好，在 -200650r溫度范圍內(nèi)線性度已經(jīng)非 常接近直線。鉑電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：在0650r范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2)在-190or范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)式中A、B、C為常數(shù)，A=3.96847X 10-3 ;B=-5.847 X 10-7 ;C=-4.22 X 10-12 ;Rt為溫度為t時(shí)的電阻值；R0為溫度為0r時(shí)的電阻值

27、，以Pt100為例，這 種型號(hào)的鉑熱電阻，R0就等于100Q，即環(huán)境溫度等于0度的時(shí)候，PtIOO的阻值 就是100Q。當(dāng)溫度變化的時(shí)候，PtIOO的電阻也隨之變化，通過(guò)以上電阻-溫度表 達(dá)式便可以計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的溫度。2.2.1 Pt100 測(cè)溫原理Pt100是電阻式溫度傳感器，測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻， 通常是將電 阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)， 再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器 換算出相應(yīng)溫度。采用Pt100測(cè)量溫度一般有兩種方案：1. 設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源通過(guò)Pt100熱電阻，通過(guò)檢測(cè)Pt100上電壓的變化來(lái)?yè)Q算出 溫度；2. 采用惠斯頓電橋，電橋的四個(gè)電阻中三個(gè)是恒定的，

28、另一個(gè)用 Pt100熱電阻， 當(dāng)Pt100電阻值變化時(shí)，測(cè)試端產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，由此電勢(shì)差換算出溫度。兩種方案 的區(qū)別只在于信號(hào)獲取電路的不同，其原理上基本一致。3. 提高Pt100測(cè)溫精度的方案2.2.2通過(guò)改善Pt100接線方式對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償鉑熱電阻的使用，一般有三種接法，分別是二線制接法、三線制接法和四線制接 法，不同的接法適應(yīng)于不同的精度要求。1. 二線制接法：這種接法不考慮 Pt100電纜的導(dǎo)線電阻，將A/D采樣端與電流源的正極輸出端接在一起， 這種接法由于沒(méi)有考慮測(cè)溫電纜的電阻，因此只能適用于測(cè)溫距離較近的場(chǎng)合。2. 三線制接法：這種接法增加了用于 A/D采樣的補(bǔ)償線，三線制接法消除

29、了連 接導(dǎo)線電阻引起的測(cè)量誤差，這種接法適用于中等測(cè)溫距離的場(chǎng)合。3. 四線制接法：這種接法不僅增加了 A/D采樣補(bǔ)償線，還加了一條 A/D對(duì)地的 補(bǔ)償線，這樣可以近一步的減小測(cè)量誤差，可以用于測(cè)溫距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。如果只從 精度上考慮，采用四線制接法效果最好。3.2通過(guò)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波減小隨機(jī)誤差由于外界干擾或某些不可預(yù)知的因素，模擬量在受到干擾后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果偏離了真實(shí)值，可能會(huì)出現(xiàn)一些隨機(jī)的誤差，如果只采樣一次，無(wú)法確定結(jié)果是 否可信。必須通過(guò)多次采樣得到一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)序列，通過(guò)軟件算法處理后才 能得到一個(gè)可信度較高的結(jié)果。這種方法就是數(shù)字濾波。2.2.3通過(guò)插值算法校正

30、Pt100的非線性度由Pt100的特性可知，雖然Pt100的線性度比較好，但是由于其溫度一電阻函 數(shù)關(guān)系并非線性，用單片機(jī)運(yùn)算則占用資源和時(shí)間都比較多。通常采用查表和線性插 值算法進(jìn)行標(biāo)度變換的方法計(jì)算出溫度，不僅運(yùn)算快、占用單片機(jī)內(nèi)部資源少，而且可以一定程度上對(duì)Pt100進(jìn)行線性化校正，從而達(dá)到非常精確的測(cè)溫效果。要查表首先要在單片機(jī)的 ROM區(qū)建立一個(gè)電阻一溫度分度表，在檢測(cè)值的范圍 內(nèi)均勻選擇若干個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，標(biāo)定的點(diǎn)數(shù)越多則表格越大，對(duì)系統(tǒng)的描述也越精確。 Pt100的鉑電阻溫度分度表，可以向 Pt100的廠商索要，考慮到單片機(jī)的程序存儲(chǔ) 空間資源和實(shí)際的測(cè)量精度要求，并不需要每隔一攝氏度

31、就取一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，根據(jù)精度要求選擇適當(dāng)?shù)臏囟乳g隔。2.3調(diào)節(jié)閥V2100序 號(hào)栓號(hào)DM x關(guān)體荊質(zhì)屋力零圾執(zhí)行機(jī)枸俱冗壓力定應(yīng)器附 件工作介険臺(tái)備注型號(hào)驗(yàn)址特性法蘭塑式輸入潔號(hào)工作壓力CV埴料材庚上孟型式泄祈零級(jí)防爆零級(jí)工作趙盛11S55CF8/3WrmeKD 100SRK40.4HEF-1754%JB.7791 RFT關(guān)4-20 nAKZ02-SA1V2100irv5 105四氮F(-19180C)AKSIB16.104 V6C80 ” 66CSW3OAFTT25RB460SRK30.4HEP-1755%血裱氮1-175.1 RFT關(guān)4-20 nAEZ02-3A1V21OQCV四XP(-213

32、OC).AWSIB16.104 VJE/T79-1RF25 xOHS04FDT16HA2R0.28HEP-17空吒3$%CF316RFn開(kāi)0.08-0 144-20 nAIZ02-3A1HLScv二 10316PTFEF( J773CC)ANSI Bl 104 IV3S85520 lx ICF830JJTT16HA2D016HEP-17空耳316.7751RF5并001014-20 ihAIZ02-3A1HLSJ316PTFEF(-17130U)AsiiJieju TV表2-6調(diào)節(jié)閥V2100系列軟密封V型球閥V2100系列的球芯呈閉時(shí)V型缺口與閥座產(chǎn)生楔形剪切作用，可防止特殊球扇形， 閥關(guān)球

33、芯卡死，適宜控制紙漿、料漿類(lèi)粘性介質(zhì)和含有纖維性的微小固體懸濁介質(zhì)。主要技術(shù)參數(shù)：(1)公稱(chēng)通徑：DN25-400(2)公稱(chēng)壓力：DN16-250(3)連接型式：對(duì)夾 法蘭距: 符合ANSI/ISA標(biāo)準(zhǔn) 泄露等級(jí)：ANSI B16.104 W、V、W 流量特性：近 似等百分比 使用溫度：-196 C -+300 C圖2-5 V2100調(diào)節(jié)閥2.4、臥式結(jié)晶罐的對(duì)比曲線圖2-6臥式結(jié)晶罐的對(duì)比曲線3結(jié)晶參數(shù)的測(cè)量及控制方案的確定3.1結(jié)晶參數(shù)的測(cè)量對(duì)于果糖結(jié)晶工藝，主要需考慮產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量?jī)蓚€(gè)問(wèn)題。產(chǎn)率包括產(chǎn)量和生 產(chǎn)時(shí)間；產(chǎn)品的質(zhì)量包括產(chǎn)品色澤、純度、粒度特征和流動(dòng)性等。目前結(jié)晶果糖的生產(chǎn)中

34、面臨的最大問(wèn)題是產(chǎn)率低及產(chǎn)品的粒度特征不佳，而這兩者又往往是一對(duì)難以?xún)扇拿堋?從水溶液中結(jié)晶，由于果糖在水中具有極高的溶解 度，一方面造成過(guò)飽和果糖漿粘度很大，不利于晶體生長(zhǎng)，往往結(jié)晶時(shí)間長(zhǎng)達(dá)60小時(shí)以上；另一方面，在結(jié)晶操作終止的溫度時(shí)，仍有大量果糖溶解于水中，造成產(chǎn)量 較低。從含溶劑的水溶液中結(jié)晶，果糖溶解度的降低直接導(dǎo)致了果糖漿粘度的降低， 結(jié)晶時(shí)間可以縮短，產(chǎn)率得以提高。然而成本上升、操作復(fù)雜化及產(chǎn)品粒度特征差是 這種結(jié)晶操作的缺點(diǎn)。因此找到使結(jié)晶操作相對(duì)良好的平衡點(diǎn)就是果糖結(jié)晶工藝研究 的關(guān)鍵。本章對(duì)添加乙醇降低果糖漿的粘度和添加表面活性劑降低果糖膏的粘度進(jìn)行了 比較系統(tǒng)的研究，

35、確定了果糖結(jié)晶操作中添加乙醇的量，并探討了表面活性劑對(duì)改善 晶形和均勻度的作用；測(cè)定了果糖在水中和乙醇水溶液中結(jié)晶的介穩(wěn)區(qū)寬度基礎(chǔ)數(shù) 據(jù)。優(yōu)化了強(qiáng)效糖化酶降解果糖漿中的低聚糖的工藝，降低了高果糖漿的粘度；對(duì)影響果糖結(jié)晶工藝的各因素條件進(jìn)行了優(yōu)化。3.1.1果糖溶解度的測(cè)定在含一定量去離子水的酶反應(yīng)器中加入過(guò)量的果糖固體， 酶反應(yīng)器中通恒溫循環(huán) 水。在一定溫度下攪拌8h,再靜置12h使果糖晶體充分沉降，以45卩m纖維濾膜過(guò) 濾上清液以除去微晶的干擾，以阿貝折射儀測(cè)定上清濾液的可溶性固形物含量。3.1.2果糖在純水和乙醇一水體系中的介穩(wěn)區(qū)寬度的測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖 3-1。將果糖飽和溶液加入夾套

36、玻璃杯（結(jié)晶器），通以恒 速降溫冷卻水，使結(jié)晶器內(nèi)果糖溶液恒速降溫，夾套玻璃杯中溶液以磁力攪拌子攪拌。 為了使實(shí)驗(yàn)條件盡量接近實(shí)際結(jié)晶操作，降溫速率選取1C /h，攪拌速率選取10rpm。在恒速冷卻降溫的同時(shí)，注意觀察糖漿渾濁度的變化，在出現(xiàn)晶核的瞬間，果糖漿由 透明突 變?yōu)闇啙?，記錄此時(shí)的溫度，這個(gè)溫度即為超飽和溫度。為消除可能存在的 晶核的影響，冷卻結(jié)晶從高于其飽和溫度 5C開(kāi)始。圖3-1介穩(wěn)區(qū)寬度測(cè)定裝置1.酶反應(yīng)器；2.磁力攪拌器；3.超級(jí)恒溫水浴3.1.3晶種的制備將結(jié)晶果糖研磨后過(guò)篩，取150目到250目篩之間的部分作為晶種。150目篩對(duì)應(yīng)的篩孔直徑為100卩m 250目篩對(duì)應(yīng)的篩

37、孔直徑為63卩m3.1.4糖膏的制備在表面活性劑對(duì)結(jié)晶的影響實(shí)驗(yàn)中，以配制的果糖膏為實(shí)驗(yàn)原料。按照果糖、葡 萄 糖、麥芽糖質(zhì)量比為9: 0.7 : 0.3 的比例稱(chēng)取固體結(jié)晶果糖、葡萄糖和麥芽糖并混合溶 解，60 C下真空濃縮至固形物含量達(dá)到89%以上，加入少量晶種，緩慢降溫使果糖結(jié)晶析出。3.1.5果糖冷卻結(jié)晶工藝高果糖漿酶解活性炭脫色過(guò)濾去除活性炭調(diào) pH至3.8 真空濃縮至過(guò) 飽和一降溫1添加晶種降溫2添加乙醇降溫3糖蜜洗蜜離心分蜜真 空干燥包裝、貯藏具體參數(shù)及簡(jiǎn)介如下：(1) 酶解：添加強(qiáng)效糖化酶降解高果糖漿中的低聚糖，降低糖漿粘度。(2)活性炭脫色：1.5% (對(duì)糖漿固形物)粉末活性

38、炭，65C脫色20min。(3)過(guò)濾去除活性炭： 以硅藻土作為助濾劑去除活性炭。(1)調(diào)pH至3.8 :果糖在此 pH下，穩(wěn)定性最高。 (4)真空濃縮至過(guò)飽和：60T下，真空濃縮高果糖漿至達(dá)到一定過(guò)飽和度。(5)降溫1： 快速將溫度降至添加晶種時(shí)的溫度，避免由熱引發(fā)的副反應(yīng)。(6)添加晶種：緩慢均勻添加晶種，盡量使晶種在糖漿中分散均勻。(7)降溫2:緩慢降溫，使晶種生長(zhǎng)。(8)添加乙醇：以恒流泵緩慢泵入一定量乙醇，降低糖漿粘度。(9)降溫2:不斷緩慢降溫，為果糖結(jié)晶提供推動(dòng)力。(10)洗蜜：將糖膏轉(zhuǎn)入乙醇中，清洗去除晶體表面的 雜質(zhì)，并稀釋糖膏，利于后續(xù)的離心操作。(11)離心分蜜：以三足式離

39、心機(jī)對(duì)洗蜜后 的糖膏進(jìn)行離心，將晶體與母液分離。濾布為200目。2800rpm 下離心20min。(12) 真空干燥：60C, 0.1MPa真空度下干燥至恒重。3.1.6果糖純度的測(cè)定1. 旋光法因?qū)嶒?yàn)中要進(jìn)行果糖分析的樣品成份比較簡(jiǎn)單，基本上只有果糖和葡萄糖兩個(gè)組分，因此可以采用旋光法分析果糖產(chǎn)品的純度。計(jì)算公式為：果糖純度=(a g- a S ) / ( a g- a f ) X 100a g :葡萄糖的比旋光度a f ：果糖的比旋光度 a s :樣品的比旋光度2. 高效液相法色譜條件：(1)高效液相色譜儀：Water-600/z410型檢測(cè)器：示差折光檢測(cè)器， Waters2410; (

40、3)色譜柱：Shodex NH2P-504E色譜柱；流動(dòng)相：乙腈：水=75： 25 v/v ; (5)柱溫：30 C； (6)流速：1.0 ml/min ;(7)進(jìn)樣體積：10 卩 l。由標(biāo)樣知果糖的保留時(shí)間為6.757 min,葡萄糖的保留時(shí)間為8.739min。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)兩種方法的結(jié)果差別不大，而旋光法操作簡(jiǎn)單，故采用旋光法測(cè)定果糖成品的純度。3.1.7提糖率和結(jié)晶率的測(cè)定提糖率(%)=(成品果糖質(zhì)量/糖膏總固形物質(zhì)量)X 100首先用阿貝折光儀測(cè)得高果糖漿的固形物含量，然后根據(jù)加入的果糖漿量計(jì)算出進(jìn) 行結(jié)晶的果糖漿的總固形物的含量，結(jié)晶后進(jìn)行分離，將得到的結(jié)晶果糖產(chǎn)品在60C, 600m

41、mH以上真空度干燥直至恒重，稱(chēng)得的晶體質(zhì)量就為成品果糖的質(zhì)量，用 上式計(jì)算提糖率。結(jié)晶率(%)=結(jié)晶果糖質(zhì)量(純度100% /糖膏總固形物質(zhì)量X 100=提糖率X 成品果糖純度在結(jié)晶實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)品的純度往往超過(guò)試劑果糖的純度，因此認(rèn)為結(jié)晶率與提糖率在 本實(shí)驗(yàn)中數(shù)值上極相近，除特別聲明外，可以不做區(qū)分。由于分離時(shí)選取了 200目的濾布，對(duì)應(yīng)的篩孔為7611 m自發(fā)成核產(chǎn)生的極小的 晶 體可以透過(guò)濾布，因此提糖率除了可以指示結(jié)晶的產(chǎn)率外， 還可以在一定程度上 間接反映自發(fā)成核的嚴(yán)重程度，即結(jié)晶質(zhì)量的好壞。3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論一方面，果糖屬于熱敏性物質(zhì)，熱穩(wěn)定性較差，楊瑞金等34研究表明果糖溶液 在6

42、5C下維持6h,色值有較大增加。另一方面，果糖在水中的溶解度隨溫度的變化 顯著且果糖在乙醇等有機(jī)溶劑的溶解度要小得多，這些特性決定了果糖不適于采用 蒸發(fā)法結(jié)晶而適合采取冷卻結(jié)晶或溶析結(jié)晶。在眾多關(guān)于果糖結(jié)晶的專(zhuān)利中，冷卻結(jié)晶又分為兩種：在水中結(jié)晶和在含溶劑的水溶液中結(jié)晶， 后者實(shí)際上是冷卻結(jié)晶與溶 析結(jié)晶的結(jié)合。在水中結(jié)晶時(shí)，果糖漿粘度很大，傳質(zhì)擴(kuò)散很慢，因此結(jié)晶速率也很 低。通常需要結(jié)晶五六十個(gè)小時(shí)以上才能得到品質(zhì)良好的結(jié)晶果糖產(chǎn)品。在含溶劑的水溶液中結(jié)晶時(shí)，果糖漿的粘度大大降低，糖膏的流動(dòng)性顯著增加，因此結(jié)晶速率也 隨之顯著加快，結(jié)晶時(shí)間可以明顯縮短。但是，由于溶劑的加入使得本來(lái)就十分復(fù)雜

43、 的多相多溶質(zhì)體系變得更為復(fù)雜，對(duì)結(jié)晶操作也提出了更加嚴(yán)格的要求。 常用的有機(jī) 溶劑有乙醇、甲醇、異丙 醇及它們的混合物。從安全和成本的角度考慮，本研究選 擇乙醇作為溶劑，采取溶析法輔助冷卻法的結(jié)晶工藝制備結(jié)晶果糖。3.2.1果糖水溶液的介穩(wěn)區(qū)寬度物質(zhì)普遍具有過(guò)飽和能力，即溶質(zhì)能在溶液中以高于飽和濃度的濃度保持穩(wěn)定而 不析出。某溫度下，溶質(zhì)析出的濃度稱(chēng)為極限過(guò)飽和度， 不同溫度下溶質(zhì)的極限過(guò)飽 和度構(gòu)成了超溶解度曲線，超溶解度曲線和溶解度曲線之間的部分就是介穩(wěn)區(qū)。將一系列不同溫度的飽和果糖漿以 C/h的速率等速降溫，同時(shí)以肉眼觀察果糖漿，當(dāng)果 糖漿由澄清突變?yōu)闇啙釙r(shí)認(rèn)為達(dá)到了極限過(guò)飽和度。 圖

44、3-2是按上述方法測(cè)得的果糖 水溶液的超溶解度曲線和介穩(wěn)區(qū)。在圖3-2中，AB線為溶解度曲線，CD線代表溶液過(guò)飽和而能自發(fā)地產(chǎn)生晶核的 濃 度曲線（超溶解度曲線），這兩根曲線將濃度-溫度圖分割為三個(gè)區(qū)域。AB曲線 以下是 穩(wěn)定區(qū)，在此區(qū)中溶液尚未達(dá)到飽和，因此沒(méi)有發(fā)生結(jié)晶的可能。在AB與CD線之間 稱(chēng)為介穩(wěn)區(qū)，在這個(gè)區(qū)域中，不會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生晶核，但如果 溶液中已加了晶種，這些晶種就會(huì)長(zhǎng)大。 CD線以上是不穩(wěn)區(qū)，在此區(qū)域中，溶液能 自發(fā)地產(chǎn)生晶核。這些概念對(duì)于結(jié)晶過(guò)程具有重要意義。 所謂介穩(wěn)區(qū)寬度是指物系的 超溶解度曲線與溶解度曲線之間的距離，其垂直距離代表最大過(guò)飽和度厶Cmax其水平距離代表最大

45、過(guò)冷卻度9 max測(cè)取介穩(wěn)區(qū)寬度就是要求能通過(guò)試驗(yàn)測(cè)取較為確切的 CmaA 9 max值，作為設(shè)計(jì)中選 擇適宜過(guò)飽和度的依據(jù)；它也作為界限, 以防止操作進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，使產(chǎn)品質(zhì)量惡化。L 4 L 1 J 4 1 ( o o o o u o o o o O o o o o u o o o o O 2109876543溫度丿r圖3-2果糖水溶液介穩(wěn)區(qū)寬度由圖3-2可看出，與其它糖類(lèi)相似，果糖形成過(guò)飽和溶液的能力較強(qiáng)， 可以在低 于飽和溫度以下十多度的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定而不發(fā)生自發(fā)成核。但由于實(shí)驗(yàn)中是以肉眼觀察果糖漿由透明到渾濁的突變點(diǎn)作為判斷產(chǎn)生自發(fā)成核的依據(jù)，難免存在滯后性。況且有文獻(xiàn)1報(bào)道，帶有

46、兩個(gè)或半個(gè)結(jié)晶水的果糖晶體比無(wú)水果糖結(jié)晶更易析 出，而它們與無(wú)水結(jié)晶果糖的介穩(wěn)區(qū)界限模糊，較高的過(guò)飽和度可能使操作進(jìn)入含結(jié) 晶水果糖晶體的不穩(wěn)區(qū)而使其大量析出。這種現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)盡量避免，因?yàn)楹Y(jié)晶水的果糖晶體的熔點(diǎn)很低(接近室溫)，吸潮性很強(qiáng)。因此，果糖結(jié)晶的操作適宜在低的過(guò) 飽和度下進(jìn)行。工業(yè)結(jié)晶中一般將過(guò)飽和度控制在介穩(wěn)區(qū)寬度的1/2偏向溶解度曲線處。3.2.2果糖在不同比例乙醇溶液中的溶解度和粘度果糖飽和水溶液具有極高的粘度，50C時(shí)達(dá)到3600cp，而50C的蔗糖飽和水溶 液粘度僅為100cp左右52。如此高的粘度主要是由果糖在水中極高的溶解度導(dǎo) 致的，而果糖在乙醇等有機(jī)溶劑中的溶解度則低

47、得多，這使得通過(guò)添加乙醇等有機(jī)溶劑來(lái)降低果糖漿粘度成為可能。圖 3-3是50 C下測(cè)得的果糖在不同濃度乙醇溶液 中的溶解度和飽和溶液的粘度。從圖3-3可見(jiàn)，粘度在0到20%(v/v )乙醇溶液的范圍內(nèi)下降十分迅速，之后繼續(xù)提高乙醇比例，下降趨勢(shì)就緩慢了，而溶解度下降均勻，沒(méi)有轉(zhuǎn)折點(diǎn)的出現(xiàn)。為 了避免操作進(jìn)入不穩(wěn)區(qū)及出于節(jié)約乙醇，降低成本的考慮，初步認(rèn)為選擇20%（v/v）的乙醇濃度較合適。乙醇的加入大大降低了粘度，這對(duì)結(jié)晶操作是有利的。但是，果 糖溶解度 的下降意味著過(guò)飽和度的提高，如果控制不當(dāng)，容易發(fā)生自發(fā)成核，對(duì)結(jié) 晶產(chǎn)生不利影響。因此，在降低粘度和控制過(guò)飽和度不進(jìn)入到不穩(wěn)區(qū)間找到平衡是以

48、 添加乙醇來(lái)幫助果糖結(jié)晶的關(guān)鍵。圖3-3果糖在不同比例乙醇溶液中的溶解度和粘度(EWOQI 食、 MJS鋌3.3冷卻結(jié)晶工藝條件的優(yōu)化設(shè)計(jì)果糖冷卻結(jié)晶工藝的影響因素較多，而且果糖結(jié)晶操作對(duì)這些工藝參數(shù)的要求十 分嚴(yán)格，對(duì)其中任一條件的控制不佳都將導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量低劣。很有必要對(duì)冷卻結(jié)晶工 藝條件進(jìn)行優(yōu)化。1. 晶種添加量對(duì)提糖率的影響冷卻速率及加晶種對(duì)結(jié)晶操作的影響結(jié)果見(jiàn)圖3-4。（A）表示不加晶種而迅速冷卻的情況。此時(shí)溶液的狀態(tài)很快穿過(guò)介穩(wěn)區(qū)而達(dá)到超溶解度曲線上的一點(diǎn)，出現(xiàn)初級(jí)成核現(xiàn)象，溶液中大量微小的晶核驟然產(chǎn)生，屬于無(wú)控制結(jié)晶。（B）表示不加晶種而緩慢冷卻的情形。此時(shí)溶液的狀態(tài)也會(huì)穿過(guò)介穩(wěn)區(qū)

49、而到達(dá)超溶解度曲線，產(chǎn)生較多 的晶核（初級(jí)成核），過(guò)飽和度因成核而有所消耗后，溶液的狀態(tài)即離開(kāi)超溶解度曲線， 不再有晶核生成。由于初級(jí)成核速率隨過(guò)飽和度的加大而增長(zhǎng)迅猛，其晶核的生成量 不可能恰好適應(yīng)需要，故所得晶體的粒度分布范圍往往較寬。（C）表示加有晶種而迅速冷卻的情形。溶液的狀態(tài)一旦越過(guò)溶解度曲線，晶種便開(kāi)始長(zhǎng)大，而由于溶質(zhì)結(jié)晶 出來(lái)，在介穩(wěn)區(qū)溶液中的質(zhì)量濃度有所下降。 但由于冷卻迅速，溶液仍可很快到達(dá)不 穩(wěn)區(qū)，因而不可避免地有細(xì)小的晶體產(chǎn)生。（D）表示加有晶種而緩慢冷卻的情形。由于溶液中有晶體存在，且降溫速率得到控制，在操作過(guò)程中溶液始終保持在介穩(wěn)區(qū)狀 態(tài)，而晶體的生長(zhǎng)速率完全有冷卻速

50、率加以控制。因?yàn)槿芤翰恢逻M(jìn)入不穩(wěn)區(qū)，所以不會(huì)發(fā)生初級(jí)成核現(xiàn)象。這種控制結(jié)晶操作方法能夠產(chǎn)生預(yù)定粒度的、合乎質(zhì)量要求的 勻整晶體。不同晶種添加量對(duì)提糖率的影響結(jié)果見(jiàn)圖 3-5。結(jié)晶過(guò)程的其它條件為：90%屯 度 果糖漿，初始過(guò)飽和度為1.06，添加乙醇前降溫速率為0.3 C /h，乙醇對(duì)水的添 加量為0.2mL/mL(v/v )，Spa n60添加量為100mg/kg，添加乙醇后降溫速率為：52C 至 43 C 為 0.3 C /h ; 43C 至 38C 為 0.5 C /h，38C 為 35 C 以 0.8 C /h。圖3-4冷卻速率及加晶種對(duì)結(jié)晶操作的影響晶種量冉圖3-5晶種添加量對(duì)提糖率

51、的影響曲線由圖3-5可見(jiàn)，2%-2.5%勺晶種添加量是合適的。晶種對(duì)抑制自發(fā)成核具有顯著 的 作用，晶種可以為溶質(zhì)的沉積提供位點(diǎn)，而溶質(zhì)沉積排列于已有晶核表面的自由 能要遠(yuǎn)低于重新凝結(jié)成晶核的自由能，溶質(zhì)沉積在晶核表面的宏觀表現(xiàn)就是晶體的生 長(zhǎng)現(xiàn)象，而溶質(zhì)凝結(jié)成為晶核就表現(xiàn)為自發(fā)成核。 二者之間是競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，當(dāng)晶種量 偏少時(shí)，晶種的表面積較小，不能為溶質(zhì)沉積提供足夠的位點(diǎn)，如果此時(shí)的結(jié)晶推動(dòng)力稍大，溶質(zhì)極有可能來(lái)不及擴(kuò)散沉積到晶種表面就自發(fā)成核了。然而過(guò)量的晶種也是不可取的，晶種添加量過(guò)高時(shí)，晶漿的懸浮密度很大，粘度極高，不利于溶質(zhì)擴(kuò)散， 且平均分配到每個(gè)晶種的溶質(zhì)的量就少了，造成終產(chǎn)品的粒徑

52、偏小。2. 添加乙醇前降溫速率對(duì)提糖率的影響在本研究采取的冷卻結(jié)晶工藝中，添加乙醇后的降溫操作的重要性高于添加乙醇 前 的降溫操作。添加乙醇后的降溫往往采用不等速分段降溫，而添加乙醇前的降溫采取等 速降溫即可。加乙醇前降溫速率對(duì)提糖率的影響結(jié)果見(jiàn)圖3-6。結(jié)晶過(guò)程的其它條件為：90%屯度果糖漿，初始過(guò)飽和度為1.03，晶種添加量為2%乙醇對(duì)水的 添加量為0.2mL/mL(v/v )，Span60添加量為100mg/kg,添加乙醇后降溫速率為：52C 至 43C為 0.3 C/h ; 43C至 38C為 0.5 C/h，38C至 35C為 0.8 C /h。降溫速率/X/h圖3-6加乙醇前降溫速率對(duì)提糖率的影響曲線降溫速率越快，結(jié)晶過(guò)程中糖漿的過(guò)飽和度就越大， 結(jié)晶推動(dòng)力就越大，超過(guò)介 穩(wěn)區(qū)而進(jìn)入不穩(wěn)區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)也越高。 在保證是糖漿維持在介穩(wěn)區(qū)的過(guò)飽和度范圍內(nèi)， 提 高降 溫速