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　　項目總結

　　應用領域-泄漏檢測

　　監(jiān)測技術-總有機碳（TOC）分析

　　比較因素-檢測水中有機污染物的準確性和靈敏度

　　監(jiān)測結果-與現(xiàn)今常用的水質參數(shù)相比，TOC分析顯示出強的監(jiān)測準確性和靈敏度

　　關鍵詞–食品飲料行業(yè)、制糖業(yè)、有機物監(jiān)測、泄漏檢測、電導率、pH值、氧化還原電勢、Sievers*InnovOx TOC、冷凝水、運營成本、產(chǎn)品損失

　　背景

　　制糖是耗水量較高的生產(chǎn)工藝，其中幾乎每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都需要用水。例如，在碾磨甘蔗時，必須將水噴灑在甘蔗上，以盡量提取甘蔗汁液。制糖廠用蒸汽輪機來碾磨甘蔗，每碾磨兩噸甘蔗，就會消耗一噸水蒸汽。糖漿的進一步提純和結晶也要靠蒸汽驅動的機器來完成。不難理解，制糖廠（尤其是缺水地區(qū)的制糖廠）都會想方設法節(jié)約用水和再利用水。

　　再利用水的一種可行辦法是，收集和冷凝鍋爐與其它工藝設備排出的熱蒸汽。制糖廠在重新利用冷凝水之前，通常會利用冷凝水的高溫來加熱分離的流體（例如提取的甘蔗汁或糖漿），以便進行精加工。充分利用熱能能夠節(jié)省成本。制糖廠通過換熱器，在加熱流體的同時防止兩種流體混合。冷卻后的冷凝水經(jīng)過處理，可以用作工藝補給水甚至鍋爐給水。如此一來，制糖廠既充分利用了熱能，又節(jié)省了用水。

　　挑戰(zhàn)

　　在實際生產(chǎn)中，換熱器的性能并非絕對可靠，尤其是長期和反復使用的換熱器。由于金屬疲勞和腐蝕，換熱器中分隔兩種流體的金屬表面會出現(xiàn)針孔，導致流體雙向泄漏，給制糖廠造成損失。對于制糖廠來說，這種泄漏會帶來很多問題。首先，如果甘蔗汁或糖漿在通過換熱器時漏到冷凝水中，會造成產(chǎn)品損失。這種損失乍看微不足道，但隨著時間推移，損失會累積起來，最終顯著降低企業(yè)營收。請看下面的例子：

　　•一個普通制糖廠每年生產(chǎn)30萬至40萬公噸原糖

　　•由于機械因素造成的產(chǎn)品損失為0.1%，相當于損失了300至400噸產(chǎn)品

　　•假設產(chǎn)品的平均售價為每噸400美元，這就意味著制糖廠每年要損失12萬至16萬美元的收入

　　其次，流體泄漏會污染冷凝水。一旦發(fā)生污染，制糖廠就不得不花費額外的時間和費用來處理被污染的冷凝水，然后才能重新利用處理后的冷凝水。但這樣做的前提是在經(jīng)濟上劃算，否則制糖廠只能被迫將被污染的冷凝水作為廢水排放掉，不但無法節(jié)約用水，還必須在排放前對被污染的冷凝水進行成本更高的廢水處理。

　　如果要避免不必要的產(chǎn)品損失和防止設備嚴重損壞，盡早發(fā)現(xiàn)泄漏就變得至關重要。然而，從本文隨后提供的數(shù)據(jù)中可以看到，現(xiàn)今常用的監(jiān)測冷凝水質量的方法無法及時檢測到水中的有機雜質。如果制糖廠繼續(xù)使用不合格的冷凝水，風險會非常嚴重。例如，如果不合格的冷凝水被用作鍋爐給水，水中的雜質會在高溫下氧化成有機酸，導致鍋爐內的pH值降到危險地步，制糖廠就不得不被迫進行計劃外的鍋爐排污。即使問題沒到這么嚴重的程度，但隨著時間推移，有機污染物會持續(xù)腐蝕鍋爐，積聚沉淀物，從而縮短鍋爐的使用壽命。為了將鍋爐恢復到可使用的狀態(tài)，制糖廠不得不對受損的鍋爐進行昂貴、耗時的維修，甚至被迫停產(chǎn)。

　　解決方案

　　換熱器的泄漏會將有機污染物（例如提取的甘蔗汁、糖漿、鍋爐燃油等）送進冷凝水，因此必須采用能夠快速檢測這些有機污染物的分析方法。使用常規(guī)的水質參數(shù)（例如pH值和電導率）很難檢測到有機物的存在，因為大多數(shù)（如果不是全部）有機污染物在水中不會電離，使被污染的水的pH值呈中性。而總有機碳（TOC）分析法能夠準確測量水中所有共價鍵碳化合物的濃度，及時提供冷凝水中有機污染物濃度的直接參數(shù)。TOC分析是一種快速、定量的測量方法，能夠幫助制糖廠做出實時的、基于測量數(shù)據(jù)的工藝決策，以有效管理冷凝水的再利用和排放。

　　為了證明TOC分析對有機污染物的監(jiān)測靈敏度，我們進行了以下實驗室研究。我們先將潛在的污染物加到制糖廠的冷凝水樣品中，這些污染物是中間糖產(chǎn)品，它們會通過換熱器從熱冷凝水中吸收熱量。本研究選擇的中間糖產(chǎn)品是“供汁（Supply juice）”和“EFFET A液”，它們的加標濃度范圍是50至約500 ppm（mg/L）。

　　然后用Sievers InnovOx實驗室TOC分析儀（見圖1）測量加熱至40°C±2以模擬制糖廠典型生產(chǎn)條件的加標冷凝水。此款分析儀采用專業(yè)的超臨界水氧化技術（SCWO，Super Critical Water Oxidation），對有機碳濃度的檢測范圍是50 ppb（µg/L）至50,000 ppm（mg/L）。除了測量加標冷凝水樣品的TOC濃度之外，我們還測量了電導率、氧化還原電勢（ORP，Oxidation Reduction Potential）、pH值。

　　我們隨后分析了這兩種污染物加標濃度的各種參數(shù)（TOC、電導率、氧化還原電勢、pH值）。通過相關關系的線性和斜率，可以深入了解這些水質參數(shù)的對污染物濃度的響應性和敏感性。

　　結論

　　監(jiān)測冷凝水的水質，尤其是監(jiān)測通過換熱器的冷凝水的水質，對于制糖廠防止產(chǎn)品和營收損失來說至關重要。同樣，為了保護制糖廠的關鍵設備免受被污染的冷凝水的損害，確認重復利用的冷凝水的清潔度也非常重要。

　　目前常用的水質測量參數(shù)包括電導率、氧化還原電勢、pH值，這些參數(shù)在檢測離子污染物時表現(xiàn)出色，但在檢測有機污染物時，尤其是檢測濃度較低的有機污染物時，就有很大的局限性。僅僅依靠上述水質參數(shù)來監(jiān)測冷凝水的水質，會降低工藝透明度，導致企業(yè)決策錯誤，最終增加生產(chǎn)成本或損壞生產(chǎn)設備。

　　TOC分析提供了一種快速、準確、靈敏的有機污染物檢測方法，是確保冷凝水質量的有效工具。制糖廠在關鍵工藝步驟中采用在線TOC監(jiān)測，能夠加強泄漏檢測能力，而泄漏是導致代價高昂的設備損壞和營收損失的一大根源。

　　參考文獻

　　1.Quantification of Sugar Content Loss in various Byproducts of the Sugar Industry,International Journal of Advance Industrial Engineering,Vol.3,No.2(June 2015)

• SieversInnovOx在線TOC分析儀

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