Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ существующих способов осуществления и моделирования процесса экстракции сахарозы из свекловичной стружки 13
1.1 Основы диффузионного процесса экстракции сахарозы из свекловичной стружки 13
1.2 Тепловая обработка свекловичной стружки 21
1.3 Обработка свекловичной стружки химическими реагентами... 26
1.4 Обработка свекловичной стружки электромагнитным полем.. 32
1.5 Экстрагент для диффузионного процесса 38
1.6 Теория расчета противоточной экстракции в системе свекловичная стружка - экстрагент 46
1.7 Структура потоков и распределение времени пребывания жидкости в аппаратах 50
1.8 Кинетика и равновесие процесса экстракции сахарозы 56
ГЛАВА 2 Разработка эффективного способа подготовки свекловичной стружки к экстракции 60
2.1 Объекты и методы исследования 62
2.2 Реагенты для предварительной обработки стружки и их физико-химическая характеристика 63
2.3 Влияние концентрации реагента, времени его контакта со стружкой и места ввода реагента в схеме диффузионного отделения на эффективность экстрагирования сахарозы 70
2.4 Использование энергии электромагнитного поля для подготовки свекловичной стружки к процессу экстрагирования сахарозы 78
ГЛАВА 3 Моделирование и разработка процесса экстракции из подготовленной свекловичной стружки 96
3.1 Теоретическая часть 96
3.1.1 Математическое моделирование массопередачи сахарозы из свекловичной стружки с учетом явлений отжима и контракции 96
3.1.2 Использование математической адсорбционной поровой модели равновесия для системы «свекловичная стружка -экстрагент» с учетом влияния концентрации сахарозы на температуры кипения сахаросодержащих водных растворов. 102
3.1.3 Разработка математической модели противоточной экстракции сахарозы из свекловичной стружки 108
3.2 Экспериментальная часть 114
3.2.1 Исследование кинетики массообмена при экстракции сахарозы из свекловичной стружки 114
3.2.2 Исследование равновесия в системе «свекловичная стружка - водный раствор сахарозы» 119
3.2.3 Влияние концентрации сахарозы на температуру кипения сахаросодержащих водных растворов 122
3.2.4 Идентификация адсорбционной поровой модели равновесия в системе «свекловичная стружка — экстрагент» 124
3.2.5 Определение коэффициента массопередачи 132
3.2.6 Идентификация математической модели экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки 140
ГЛАВА 4 Разработка аппаратурно-технологической схемы и режима процесса экстракции сахарозы из свекловичной стружки 147
4.1 Численный эксперимент по математической модели процесса противоточной экстракции сахарозы при обработке свекловичной стружки гипсом и модулированным низкочастотным электромагнитным полем 147
4.2 Разработка эффективной ресурсосберегающей аппаратурно-технологической схемы получения и очистки диффузионного сока 151
ГЛАВА 5 Расчет экономической эффективности 159
Основные выводы 163
Список литературных источников
- Тепловая обработка свекловичной стружки
- Влияние концентрации реагента, времени его контакта со стружкой и места ввода реагента в схеме диффузионного отделения на эффективность экстрагирования сахарозы
- Математическое моделирование массопередачи сахарозы из свекловичной стружки с учетом явлений отжима и контракции
- Разработка эффективной ресурсосберегающей аппаратурно-технологической схемы получения и очистки диффузионного сока
Введение к работе
Процессы коренного реформирования, проходящие в России в течении последних десяти лет, привели к существенным преобразованиям в организационно-правовых и хозяйственных механизмах функционирования предприятий и отраслей всего народного хозяйства, формированию рыночной среды, а также различных видов и типов рынков. Российская экономика в целом и большинство отраслей промышленности продолжают оставаться высоко затратными и неэффективными, что предопределяет их неконкурентоспособность. Наряду с этим самоустранение государства от отраслевого регулирования на начальных этапах развития рыночных отношений привело к появлению новой проблемы - усилению импортозави-симости, сворачиванию отечественного производства на фоне существенно низкого уровня его эффективности, что приводит в конечном итоге к утрате экономической безопасности государства по целому ряду товаров и продуктов, производимых стратегически важными отраслями народного хозяйства.
Типичным представителем таких отраслей является сахарная промышленность. Эта монопродуктовая отрасль представляет собой весьма своеобразное явление в экономике и, в частности, в пищевой промышленности. С одной стороны, сахарная промышленность характеризуется жесткой привязкой к единственному отечественному источнику сырья - сахарной свекле и большой степенью риска в ее производстве и переработке, обусловленной влиянием разнообразных условий земледелия и колебаний природно-климатических факторов. С другой стороны, от эффективности использования этих ограниченных сырьевых ресурсов и возможностей отрасли по производству сахара зависит степень удовлетворения потребностей населения в жизненно важном продукте, а также отраслей пищевой и фармакологической промышленности. Это ставит сахар в ряд стратегически важных продуктов, обеспечивающих продовольственную безопасность России.
Среди отраслей пищевой и перерабатывающей промышленности России свеклосахарное производство одно из наиболее высокоиндустриальных и энергоемких технологических процессов.
Россия была одной из первых стран, начавших развивать отечественную свеклосахарную промышленность. На рубеже XVIII - XIX вв. в России был разработан, вслед за Германией, свой более дешевый и безопасный способ получения сахара из свеклы [141]. Первые свеклосахарные заводы были примитивны и трудоемки. Большинство операций проводилось вручную, процесс варки осуществлялся в котлах на открытом огне. Наиболее сложным был процесс извлечения сахара из свеклы.
Первым способом получения сахара из свеклы был прессовый — трудоемкий и малоэффективный, который использовался в России до 1895 г. К середине 19 века [132] уже были известны четыре возможных способа: 1) свекловицу растирают в мезгу и потом прессуют, выжимают сок; 2) из растертой свекловицы удаляют сок посредством центробежных машин; 3) вымачивают свежую свекловичную мезгу и затем извлекают из нее сок; 4) вымачивают сушеную свекловичную мезгу, чтобы извлечь сахаристые вещества.
Прессовый способ старались интенсифицировать для большего извлечения сахара, для этого при вторичном выжимании мезгу нагревали паром. Ріногда вместо горячего прессования выжимки смачивали водой или растирали в воде, а затем прессовали, разбавленный сок обрабатывали отдельно. Использовали гидравлические и вальцовые пресса [49].
Способ вымочки, впервые примененный в 1833 г. Давыдовым, явился прототипом диффузионного. Он состоял из следующих операций: свеклу измельчали в мезгу или ломти и помещали в воду, подкисленную серной кислотой, затем эту мезгу перекладывали в деревянные чаны и про пускали по принципу противотока воду, все более насыщавшуюся сахаром. Впоследствии Давыдов отказался от кислоты и применял только холодную воду. В 1874 г. Шишков [43] усовершенствовал способ Давыдова, он применил горячую вымочку и ввел калориферы для подогрева в каждом диффузоре.
Извлекать сахар из сушеной свеклы предложил в 1799 г. Готтлинг, в 1837 г. введен Шутценбахом и вновь воскрешен Тищенко в 1932 г., но не получил распространения из-за высоких затрат топлива и воды.
Значительным шагом вперед стало изобретение Робертом в 1864 г. диффузионного способа извлечения сахара. Новый способ быстро осваивался в России, и к концу 1895 г. не осталось ни одного прессового завода.
С середины XX века в свеклосахарной промышленности шло повсеместное переоснащение заводов: трудоемкие батареи Роберта заменялись менее трудоемкими и более экономичными непрерывнодействующими диффузионными аппаратами, вводилось в действие оборудование большей мощности.
Диффузионный способ, возникший в 60-х годах XIX века, за 20 лет совершенно вытеснил прессовый и до наших дней остается единственным и наиболее приемлемым.
Свеклосахарная промышленность России еще не исчерпала резервов своего развития, однако, для их использования необходимо создание благоприятных экономических условий.
В современных условиях производство и реализация продукции свеклосахарного производства подчиняются постоянно усиливающейся конкуренции, как отечественной, так и зарубежной. В связи с этим необходима разработка ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих максимальное использование сырья и выпуск продукции высокого качества при максимальной экономии материальных и энергетических ресурсов.
Достижение данных целей представляется возможным при исполь зовании в сочетании знаний в области химии, физики, биологии, механики. Примером может служить разработка новых и усовершенствование существующих способов осуществления процесса экстрагирования сахара из свекловичной стружки.
От эффективности работы диффузионного отделения во многом зависит выбор варианта проведение известково-углекислотной очистки са-харосодержащего раствора, а количество получаемого товарного сахара находится в непосредственной зависимости от степени извлечения сахарозы из сырья. Таким образом, получение диффузионного сока является одной из наиболее важных операций свеклосахарного производства.
В настоящее время на отечественных свеклосахарных заводах степень извлечения сахара из свекловичной стружки не достаточно высока. Это связано: во-первых, со снижением технологического качества перерабатываемой свеклы; во-вторых, с несовершенством существующего оборудования для проведения процесса; в-третьих, с недостаточным использованием физико-химических способов интенсификации процесса извлечения сахара; в-четвертых, с отсутствием предварительной обработки стружки различными химическими реагентами с целью повышения ее прочности. Это обусловливает необходимость совершенствования процесса экстракции сахара из свекловичной стружки. Эффективный способ решения этой задачи базируется на применении методов математического моделирования.
Учитывая то, что процессу извлечения сахарозы из сахарной свеклы в последние годы исследователями не уделяется должного внимания, разработка эффективного способа экстракции и создание математической модели этого процесса является весьма актуальной задачей.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с федеральной НТП Минобразования РФ «Разработка теории фазового равновесия в системах «жидкость - капиллярно-пористое тело», типичных для пищевого возобновляемого сырья» (№ гос. регистрации 01200103156).
Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы состоит в совершенствовании процесса экстрагирования сахарозы путем предварительной обработки свекловичной стружки структурообразующим веществом и низкочастотным модулированным электромагнитным полем, а также создании математической модели этого процесса.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- выбор высокоэффективного структурообразующего вещества для проведения обработки свекловичной стружки перед экстрагированием;
- определение оптимального расхода кальцийсодержащего реагента;
- изучение влияния продолжительности контактирования свекловичной стружки с выбранным структурообразующим веществом на качественные показатели получаемого диффузионного сока;
- определение оптимального места ввода реагента для проведения предварительной обработки стружки;
- изучение влияния низкочастотного модулированного электромагнитного поля при обработке свекловичной стружки на технологические показатели диффузионного сока;
- определение состава равновесных фаз и описание равновесия в системе «свекловичная стружка — экстрагент» на основе адсорбционной поровой модели;
- описание влияния массовой доли сахарозы на температуру кипения сахаросодержащих растворов с использованием теории, основанной на групповом составе молекул раствора;
- идентификация адсорбционной поровой модели равновесия двух-компонентной смеси «сахароза — растворитель» для системы «свекловичная стружка - экстрагент»;
- исследование кинетики процесса экстракции сахарозы из предварительно обработанной свекловичной стружки и определение коэффициентов внутреннего массообмена;
- разработка математической модели процесса противоточной экстракции сахарозы из предварительно обработанной свекловичной стружки;
- разработка технологической схемы и технологического режима усовершенствованного процесса экстракции сахарозы из предварительно обработанной свекловичной стружки и ее внедрение на свеклосахарных предприятиях отрасли.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- теоретически обоснована и практически подтверждена эффективность использования гипса в качестве реагента для проведения предварительной обработки свекловичной стружки, обеспечивающая повышение качества диффузионного сока и снижение энергетических затрат при последующей известково-углекислотной очистке;
- разработан и обоснован способ предварительной подготовки свекловичной стружки к экстракции, включающий обработку гипсом и модулированным низкочастотным электромагнитным полем;
- выявлены оптимальные режимы проведения предварительной обработки свекловичной стружки гипсом и низкочастотным модулированным электромагнитным полем перед экстракцией;
- установлено наличие обратного адсорбционного эффекта в равновесной системе «свекловичная стружка - экстрагент»;
- установлено, что обработка свекловичной стружки гипсом и электромагнитным полем не оказывает существенного влияния на кинетику массообмена при экстракции сахарозы и равновесие в системе «свекловичная стружка - экстрагент», обеспечивая незначительное повышение коэффициента внутреннего массообмена и равновесной концентрации сахарозы в экстрагенте;
- разработана математическая модель процесса противоточной экстракции с применением единого подхода для систем «свекловичная стружка - экстрагент» и «предварительно обработанная свекловичная стружка — экстрагент», учитывающая термодинамическое равновесие, массопереда-чу, продольное перемешивание фаз, а также явления отжима поровой жидкости из клеточного пространства стружки и контракции в уравнениях массопередачи и материальных балансов.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
- разработан способ проведения обработки свекловичной стружки гипсом и модулированным низкочастотным электромагнитным полем;
- уточнен технологический регламент работы наклонного шнекового экстрактора производительностью 2000 тонн свеклы в сутки;
- разработана технологическая схема получения диффузионного сока из предварительно обработанной гипсом и низкочастотным модулированным электромагнитным полем свекловичной стружки с последующей известково-углекислотной очисткой;
- ожидаемый экономический эффект от внедрения способа подготовки стружки к процессу экстракции при производительности свеклосахарного завода 4000 т/сутки составит 55619-92302 руб. на 1 тыс. т. переработанной сахарной свеклы в ценах 2003г (Приложение 5).
Практическая значимость и научная новизна работы подтверждена положительным решением ВНИИГПЭ о выдаче патента РФ на изобретение (№ 2002120681/13(021665) от 29.07.2002 «Способ получения диффузионного сока» (Приложение 6)).
Реализация результатов исследований. Способы получения диффузионного сока с применением предварительной обработки стружки гипсом и воздействием электромагнитным полем крайне низкочастотного и сверх низкочастотного диапазона подтвердили свою эффективность при проведении производственных испытаний на ЗАО "Ольховатский сахарный завод" (Воронежская область), ОАО "Динской сахарный завод" и ООО «Сахарный комбинат Тихорецкий» (Краснодарский край) и были рекомендованы к использованию на свеклосахарных заводах.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на ежегодных расширенных заседаниях кафедры технологии сахаристых продуктов им. М.И. Даишева КубГТУ (1999-2002гг.), на Второй региональной научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2001г.), на Третьей региональной научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2002г.), на Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса регионов России» (Уфа, 2002г.), Всероссийском семинаре «Но вые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2002г.), на Международной научно-практической конференции «Научные основы и практическая реализация технологии получения и применения натуральных структурообразователей» (Краснодар, 2002г.), на заочной Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы математики и естествознания» (Нижний Новгород, 2002г.), на Международной научно-практической конференции «Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств» (Краснодар, 2002г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ: из них 4 статьи , 8 материалов по докладам на конференциях и 1 положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературных источников (176 наименований) и 6 приложений. Работа изложена на 183 страницах, содержит 30 рисунков и 22 таблиц.
Тепловая обработка свекловичной стружки
Активный диффузионный массоперенос сахарозы из вакуолей клеток к внешней поверхности стружки начинается только после денатурации протоплазмы, окружающей вакуоли. В нативном состоянии протоплазма является лишь полупроницаемой для воды, но не для компонентов клеточного сока.
При экстракции сахара из свекловичной ткани в первую очередь вымываются из разорванных клеток растворимые вещества, повышающие содержание несахаров в диффузионном соке, и большая часть коллоидов. Диффузионный же процесс наблюдается главным образом в клетках, у которых стенки не разрушены, но протоплазма денатурирована.
Большое влияние на извлечение сахара оказывают свойства свеклы, так как структура ткани, а в связи с этим число и ширина каналов, служащих для перемещения молекул сахарозы из клеток, обеспечивают лучшие или худшие условия при сокодобывании. Поэтому очень важно для свеклосахарного производства установить оптимальный температурный режим, который позволял бы проводить диффузионный процесс в наиболее эффективных условиях в зависимости от качества перерабатываемой свеклы, ее технологических свойств и других факторов.
Основным методом умерщвления протоплазмы клеток в производственных условиях является их денатурация путем теплового воздействия (замораживание или нагревание). Этот процесс обычно называют плазмолизом. Умерщвление протоплазмы в производстве сахара — процесс необратимый. Для денатурации протоплазмы клетки свекловичной ткани применяют различные способы воздействия. В свеклосахарном производстве наибольшее распространение получила тепловая обработка, или ошпаривание стружки. При этом проницаемость плазмолизованной стружки определяется значениями температуры и продолжительности обработки.
Многочисленными работами [47,84,85,112,159,169,176] показано, что интенсивная тепловая обработка свекловичной стружки позволяет увеличить время активного экстрагирования, повысить степень извлечения сахара из стружки и тем самым снизить потери сахара в жоме, что дает возможность уменьшить величину откачки сока или увеличить производительность установки. Так, по данным [127], производительность экстрактора при тепловой обработке повышается на 20-25% без дополнительных затрат.
Н.С. Кухар, А.А. Липец и В.М. Лысянский [79] установили, что одной из важнейших стадий экстрагирования сахарозы из свекловичной стружки является ее предварительная тепловая обработка. Без такой обработка практически невозможно извлечь сахарозу с требуемой скоростью и глубиной.
Известно, что денатурация начинается после прогрева массы стружки до температуры 60С. При этой температуре протоплазма становится проницаемой, однако, для полной денатурации требуется достижение более высоких температур, при которых и проводят активную диффузию — 70С и выше.
Необходимо отметить чрезвычайно важную роль интенсивности подогрева стружки, связанную с жизнедеятельностью микроорганизмов и содержащимся в свекле ферментом инвертазой, которая в зависимости от условий может активизировать синтез сахарозы из моносахаров или расщепление (инверсию) сахарозы на моносахара. Наряду с переходом в раствор несахаров клеточной ткани свеклы процесс экстракции сопровож 23 дается разложением сахарозы под действием микроорганизмов и фермента инвертазы. Подавить в достаточной степени жизнедеятельность микроорганизмов и активность инвертазы, даже при поддержании рекомендуемых по длине диффузионного аппарата температур, практически не удается. Это объясняется тем, что в головной и хвостовой частях аппарата температура сокостружечной смеси, как правило, не превышает 60-65С, а в основной части аппарата 70-72С, в то время, как для полной инактивации инвертазы необходима температура 75-76С [137]. Чем ниже температура на диффузии, тем больше образуется инверта. Быстрый прогрев до 71-72С препятствует накоплению инверта [36]. Жизнедеятельность же микроорганизмов, в особенности термофилов, продолжается даже при температуре 78-85С. Поэтому понятно стремление свести эти чрезвычайно нежелательные явления к минимуму даже в условиях длительного воздействия высокой температуры в механизированных аппаратах.
Тепловая обработка свекловичной стружки предпринимается главным образом для того, чтобы разрушить основные барьеры на пути сахарозы из вакуоли клеток к внешней поверхности стружки - цитоплазму и множество мембран, находящихся на границе внешней и внутренней поверхностей цитоплазмы, а также на границе разнообразных органелл, включенных в цитоплазму. Главным фактором, определяющим проницаемость свекловичной ткани в результате тепловой обработки, является степень разрушения (денатурации) белков цитоплазмы, температура и время ее воздействия.
Влияние концентрации реагента, времени его контакта со стружкой и места ввода реагента в схеме диффузионного отделения на эффективность экстрагирования сахарозы
Степень воздействия на несахара клеточного сока, в частности на пектиновые вещества и белки, во многом зависит от концентрации ионов-осадителей Са2+, а также времени контактирования кальцийсодержащего реагента с поверхностью свекловичной стружки.
Попадая на поверхность стружки, происходит растворение гипса в клеточном соке разрушенных поверхностных клеток, и он вступает во взаимодействие с компонентами клеточной ткани.
Недостаточное количество ионов кальция для проведения реакций обмена и перевода несахаров клетки в слаборастворимое состояние может привести к накоплению в получаемом диффузионном соке нежелательных высокомолекулярных соединений, снижающих его чистоту, от которых затем необходимо избавляться на станции известково-углекислотной очист 71 ки, что приводит к увеличению расхода энегро- и материалоресурсов.
Избыток же кальциисодержащего реагента приводит, прежде всего, к накоплению последнего в диффузионном соке, который может быть источником накипеобразования при последующем выпаривании очищенного сока.
После обработки свекловичной стружки кальцийсодержащим реагентом некоторое количество ионов Са2+ реагирует с несахарами клеточного сока и клеточной стенки. Оставшийся же на поверхности стружки в несвязанном состоянии реагент, содержащий ионы кальция, в диффузионном аппарате может быть смыт потоком диффузионного сока, что приведет к отложению его на дне корпуса аппарата и фильтрующей перегородке (сите). Фильтрующая способность последнего может уменьшиться и возможно повышение уровня диффузионного сока в головной части диффузионной установки. Кроме этого, перерасход кальциисодержащего реагента экономически не выгоден.
Оптимальном расходом кальциисодержащего реагента следует считать такой расход, при которым ионы кальция способны перевести максимально возможное количество указанных несахаров из растворимого в нерастворимое либо слаборастворимое состояние, и при этом не вызовет затруднений в работе диффузионного аппарата, а также на станции выпаривания.
Существенное влияние на полноту перевода ВМС клеточного сока в нерастворимое состояние также оказывает продолжительность контактирования ионов-осадителей Са2+ с ионами несахаров.
Ранее установлено [91], что в течение первых 5 мин контакта ионов Са2+ раствора гидрокарбоната кальция с компонентами клеточной стенки наблюдается повышение содержания сухих веществ в истощенной стружке, а также чистоты диффузионного сока. С увеличением продолжительности обработки существенных изменений указанных характеристик сока и жома не наблюдалось. Как известно [30], гипс обладает достаточно малой растворимостью -0,202г в 100г воды при 18С, в сравнении с гидрокарбонатом кальция, поэтому следующим этапом исследований явилось определение оптимального расхода, времени контактирования и места ввода гипса при предварительной обработке стружки.
В лабораторных условиях были проведено изучение влияния расхода гипса при предварительной подготовке стружки на качество диффузионного сока. Сравнительный анализ обработки свекловичной стружки перед экстрагированием осуществлялся при следующих расходах гипса: 0,01%, 0,05%, 0,1% и 0,3%, с типовым способом проведения экстракции.
Исследования проводились по методике, описанной в разделе 2.2, с той лишь разницей, что полученную стружку делили на семь равных час тей. Первая часть обрабатывалась гипсом в количестве 0,01% к массе стружки, вторая - 0,03%, третья - 0,05%, четвертая — 0,1%, пятая — 0,2%, шестая - 0,3%, седьмая - без обработки (контрольная). В полученном диф фузионном соке определяли содержание сахарозы (Сх), сухих веществ И (СВ), веществ коллоидной степени дисперсности (ВКД), рН и чистоту (Ч). Полученные средние экспериментальные данные представлены в таблице 2.2 и на рисунках 2.1 — 2.2.
Экспериментальные данные, показывают, что наиболее эффектив ным для обработки свекловичной стружки является расход гипса, равный 0,05% к массе стружки. Воздействие таким количеством реагента позволя ет получить диффузионный сок с наилучшими технологическими показа , телями: чистота выше контроля на 2,7%, содержание ВКД ниже на 3,85%. С увеличением расхода гипса наблюдается прямолинейное незначительное уменьшение величины рН.
Математическое моделирование массопередачи сахарозы из свекловичной стружки с учетом явлений отжима и контракции
Как отмечалось в главе I, общая теория массопередачи между двумя фазами, в том числе и для системы твердое тело - жидкость, развита достаточно глубоко [12]. Общепринятое допущение о том, что основное сопротивление массопередачи вещества сосредоточено в твердой фазе, предполагает, что при исследовании извлечения сахара из свекловичной стружки в качестве определяющего следует рассматривать процесс диффузии. Данный подход к описанию процесса массопередачи заключается в решении диффузионной задачи, считая, что основное сопротивление сосредоточено в твердой фазе, или же решение диффузионной задачи с граничными условиями, которые учитывают коэффициент массоотдачи в наружной жидкости.
Недостатком данного подхода является то, что реальные частицы твердого тела имеют самую разнообразную форму и далеки от правильной (шар, пластина и т.д.).
Применительно к извлечению сахара из стружки наблюдается следующая картина: расчет концентрации сахара в жоме по производственным данным приводит к ее завышению по сравнению с фактическим значением (расчетная концентрация сахара в жоме выше фактического значения).
Вследствие этого для противоточной экстракции сахарозы был разработан другой подход, заключающийся в расчете коэффициента массопе редачи с использованием уравнения эквиобъемного переноса вещества [ 109,110]: M = K-F.AVlcp (злл) где М - количество сахарозы, перешедшее в процессе массообмена из по-ровой жидкости в наружную, кг; К - коэффициент массопередачи, м/с; F - поверхность массообмена, м2; АК - среднелогарифмическая разность концентраций сахара в поровой жидкости, кг/м .
Однако, в ходе изучения извлечения сахара из стружки нами обнаружены существенные отличия данного процесса от такого же в масложи-ровой промышленности [12,60,69], которые могут быть обусловлены существенным влиянием определенных свойства самого материала, его поведением во время процесса, а также техническим несовершенством используемого для этих целей оборудования [31,32].
В настоящей работе нами учтено, что экстракция сахарозы из свекловичной стружки характеризуется двумя особенностями.
Протекание процесса сопровождается: во-первых, неэквиобъемным переносом поровой жидкости из клеточного пространства стружки (отжимом); во-вторых, изменением расхода жидкой фазы за счет явления контракции.
Так как свекловичную ткань нельзя считать несжимаемой, в процессе извлечения одновременно с диффузией сахарозы происходит отжим поровой жидкости из клеточного пространства стружки. При сжатии стружки, особенно после тепловой денатурации протоплазмы, поровая жидкость частично переходит в состав экстрагента за счет механического вытеснения из вакуолей [25]. В результате появляется конвективный поток вещества, при этом расход поровой жидкости вдоль экстрактора меняется, так же как и расход наружной жидкости. По закону Фика диффузионный поток вещества [110] равен: dy. NA ,=-D L (3.1.2) где D - коэффициент массопроводности (диффузии); У. - концентрация вещества в поровой жидкости. Конвективный поток вещества [110] равен: N"-—-yl (3.1.3) где со - скорость конвективного потока. Уравнение нестационарной диффузии может быть представлено в виде: дУ, - + {"диф+Мкоив) = 0 (3.1.4) дт В отличие от уравнения нестационарной молекулярной диффузии [82,121], в случае экстрагирования из свекловичной стружки имеем: дУ, д2Ул дУл —L_ А + 0) L = o дт Qj.2 дг (3.1.5)
Отжим поровой жидкости из клеточного порового пространства стружки происходит через определенную поверхность F, в результате этого и образуется поперечный поток, имеющий некоторую скорость со. Если количество отжатой поровой жидкости равно AG , то: F Уравнение (3.1.4) в некотором сечении экстрактора дает: dM dF i . «Зиновияя « = К.{у х-У + со-Ух (3.1.7) где У. - равновесная концентрация сахарозы в поровои жидкости, соответ ствующая концентрации сахарозы в наружной жидкости X., кг/м3; У. - концентрация сахарозы в поровой жидкости, кг/м3. После интегрирования уравнения (3.1.7) имеем: M=\K-(y l-y\dF+\ o-yx-dF (3.1.8) С учетом выражений (3.1.6) имеем: M = K-F.Ayicp + AGn-yicp (3.,.9)
Из чего следует, что в уравнении массопередачи наряду с составляющей К F АУ , обусловленной диффузией сахарозы из поровой жидкости в наружную, следует ввести конвективную составляющую AG У1 , обусловленную суммарным поперечным потоком AG .
Разработка эффективной ресурсосберегающей аппаратурно-технологической схемы получения и очистки диффузионного сока
Получение диффузионного сока более высокого качества при обработке стружки структурообразующим веществом - гипсом и частотно-модулированным электромагнитным полем, а также повышение эффективности известково-углекислотной очистки при использовании глубокого пересатурирования дефекованного сока дает основание предполагать, что их совместное действие позволит не только повысить эффект очистки, но и сократить расход извести и количество операций известково-углекислотной очистки.
В сезон переработки урожая 2002 года на ООО «Сахарный комбинат Тихорецкий» (Краснодарский край) отрабатывался режим обработки свекловичной стружки гипсом с целью выявления эффективных параметров воздействия кальцийсодержащим реагентом. За весь период переработки свеклы отмечалось стабильное повышение чистоты диффузионного сока на 2,2 - 2,5% в сравнении с предыдущими годами, снизился расход извести на 1%, увеличился выход сахара на 0,39% к массе свеклы.
Параллельно с отработкой режимов в заводской лаборатории была проведена серия опытов по изучению влияния совместного использования гипса и электромагнитной обработки стружки и диффузионного сока, а также приема глубокого пересатурирования на эффективность известково-углекислотной очистки.
Исследования проводились по следующей методике. Заводской диффузионный сок получали из обработанной гипсом (0,05% в течение 1 мин) и частотно-модулированным электромагнитным полем (частота 18 Гц, магнитная индукция 6 мТл, длительность обработки 60 мин) свекловичной стружки. Предварительную и основную дефекацию проводили на заводе в холодно - горячем режиме. В период исследований на преддефекацию полностью исключали возврат сока I сатурации, а воз 153 вращали суспензию осадка I сатурации. Расход извести на преддефекацию составлял 0,25 - 0,3% СаО, на основную дефекацию 1,4 - 1,6% СаО по массе свеклы. Дефекованный сок в лабораторных условиях очищали далее по двум вариантам.
Вариант 1 предусматривал: получение диффузионного сока из свекловичной стружки, прошедшей обработку гипсом и ЧМ ЭМП перед подачей и в диффузионном аппарате; предварительную и основную дефекацию; частичную карбонизацию дефекованного сока; глубокое пересатурирование 3-х кратного количества сока после мгновенной сатурации и смешивание его с частично карбонизированным в соотношении 1:3; сатурирование до оптимального рН для сока II сатурации; подогрев до 90С и фильтрация. Вторая ступень сатурации была исключена.
Вариант 2 предусматривал: получение диффузионного сока из свекловичной стружки, предварительно обработанной только ЧМ ЭМП; предварительную и основную дефекацию; частичную карбонизацию дефекованного сока; глубокое пересатурирование 3-х кратного количества сока после мгновенной сатурации и смешивание его с частично карбонизированным в соотношении 1:3; сатурирование до оптимального рН для сока II сатурации; подогрев до 90С и фильтрация. Вторая ступень сатурации была исключена. Средние результаты исследований представлены в таблице 4.2.
Полученные данные подтверждают эффективность использования глубокого пересатурирования диффузионного сока, полученного из свекловичной стружки, обработанной гипсом и модулированным низкочастотным электромагнитным полем, для повышения эффекта удаления неса-харов в процессе известково-углекислотной очистки при одновременном сокращении операций и сбережения энерго- и материалоресурсов.
Сахарная свекла из бункера-накопителя (1) направляется в центробежную свеклорезку (2), где изрезывается в стружку и поступает на ленточный транспортер (5). В разрыве верхнего пояса несущей конструкции ленточного транспортера установлен распылитель мелкодисперсного гипса (3). Над транспортером также находится электромагнитный излучатель модулированного электромагнитного поля (4). Подготовленная свекловичная стружка поступает в диффузионный аппарат (6), где происходит ее обессахаривание подающейся противотоком питательной водой. В корпусе установлен электромагнитный излучатель модулированного электромагнитного поля (4). Выходящий из аппарата диффузионный сок насосом (7) подается в мезголовушку (8), освобождается от мезги и направляется сборник диффузионного сока (6).
В сборник диффузионного сока, либо в 1 или 2 секцию преддефека-тора (11), подается осадок I сатурации, который активируется смешиванием его суспензии в мешалке (21) с преддефекованным соком в соотношении 1:1. Затем диффузионный сок нагревается до 85С в подогревателе (10) и направляется в преддефекатор системы Бригель-Мюллера (11), где подвергается прогрессивной преддефекации с расходом извести 0,25-0,30 % СаО к массе свеклы. Преддефекованный сок совместно с промоями вакуум-фильтров (22) поступает в аппарат холодной дефекации (12), которая проводится в течении 20-25 минут с расходом извести 1,4-1,6 % СаО.
Затем сок нагревается до 85С и поступает в аппарат горячей основной дефекации (13), которая проводится в течении 5-10 минут. Сок основной дефекации поступает в карбонизатор (14), где его щелочность снижается на 0,15-0,20 % СаО. Карбонизированный сок направляется в аппарат I сатурации (15), где смешивается в соотношении 1:3-5 с бикарбонизиро-ванным до рН 7,0-7,5 соком I сатурации.
