Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические и практические основы интенсификации процессов получения и центрифугирования утфеля последней ступени кристаллизации и их интенсификации 14
1.1. Утфель последней кристаллизации и его характеристика 14
1.2. Физико-химические основы кристаллизации сахарозы на последней ее ступени продуктового отделения 18
1.3. Основные операции цикла уваривания утфеля в вакуум-аппарате 29
1.4. Кристаллизация сахарозы охлаждением и основные требования к режиму её проведения 34
1.4.1. Обоснование технологических параметров и условий получения утфеля последнего продукта 37
1.4.2. Повышение эффективности последней ступени кристаллизации сахарозы при уваривании и охлаждении утфеля 40
1.5. Разделение утфеля последней кристаллизации в поле действия центробежных сил 45
1.5.1. Теория центрифугирования утфеля и анализ существующих математических моделей 51
1.6. Особенности разделения утфеля последнего продукта в центрифугах 54
1.7. Поверхностно-активные вещества (ПАВ), их основные свойства и классификация 57
1.8. Интенсификация массообменных процессов при уваривании утфелей сахарного производства 63
1.9. Повышение эффективности технологии получения и центрифугирования утфеля последней кристаллизации 66
1.9.1. Роль поверхностно-активных веществ в процессах уваривания и охлаждения утфеля 66
1.9.2. Требования и условия применения ПАВ для разделения утфеля последней кристаллизации 71
1.9.3. Формулирование цели, задач и структуры проведения теоретических и экспериментальных исследовании по теме диссертации 74
Глава 2. Интенсификация технологических процессов продуктового отделения сахарного завода с использованием пищевых пав 78
2.1. Основные представления о пищевых ПАВ и их свойствах 78
2.2. Механизм воздействия пищевых ПАВ глицеридной природы на процесс кристаллизации сахарозы 84
2.3. Пищевые ПАВ глицеридной природы - МГД и их влияние на физико-химические свойства сахарсодержащих растворов 89
2.3.1 Исследование влияния МГД на величину поверхностного натяжения сахарсодержащих растворов 89
2.3.2 Исследование влияния МГД на срастание кристаллов сахара 90
2.3.3. Исследование влияния МГД на снижение вязкости сахарных растворов 94
2.3.4. Исследование влияния МГД на процесс вспенивания сахарсодержащих растворов 96
2.3.5. Исследование влияния МГД на истощение межкристального раствора 98
2.3.6. Исследование влияния МГД на процесс центрифугирования утфелей 100
Глава 3. Технология получения утфеля последней кристаллизации с использованием плав глицеридной природы и ее математическое обоснование 104
3.1. Формализация основных условий кристаллизации сахарозы и ее математического моделирование 104
3.2. Обоснование основных параметров процесса кристаллизации сахарозы и его математическое описание 107
3.3. Количественное моделирование процесса последней ступени кристаллизации сахарозы и его оценка 110
3.4. Разработка усовершенствованной технологии получения утфеля последней кристаллизации 116
3.4.1 Обоснования необходимости использования МГД в процессе уваривания утфеля последней кристаллизации 116
3.4.2. Особенности и производственные испытания нового способа получения утфеля последней кристаллизации 120
Глава 4. Обоснование условий эффективного разделения утфеля последней кристаллизации и его математическое описание 126
4.1. Анализ кинетики разделения утфеля в центрифугах периодического действия 126
4.2. Разделение утфеля в центрифугах непрерывного действия 130
4.3. Повышение эффективности разделения утфеля в инерционных центрифугах непрерывного действия 135
4.3.1. Разработка нового способа разделения утфеля последней кристаллизации в центрифугах 137
4.3.2. Особенности нового способа разделения утфеля и его производственные испытания 140
Глава 5. Повышение эффективности получения и центрифугирования утфеля последней кристаллизации 143
5.1. Интенсификация процесса кристаллизации сахарозы охлаждением 143
5.1.1. Производственные испытания нового способа кристаллизации сахарозы охлаждением 145
5.2. Научно-практическое обоснование технологических условий получения и центрифугирования утфеля последней кристаллизации 148
5.3. Технология производства сахара последнего продукта с увариванием утфеля в двух вакуум-аппаратах 150
5.4. Разработка усовершенствованной комплексной технологии получения и центрифугирования утфеля последней кристаллизации 155
Выводы 163
Список использованной литературы 165
Приложения
- Кристаллизация сахарозы охлаждением и основные требования к режиму её проведения
- Механизм воздействия пищевых ПАВ глицеридной природы на процесс кристаллизации сахарозы
- Обоснование основных параметров процесса кристаллизации сахарозы и его математическое описание
- Повышение эффективности разделения утфеля в инерционных центрифугах непрерывного действия
Введение к работе
Сахарная отрасль России достаточно компактна. Она базируется на 93 заводах, расположенных в 23 сахаропроизводящих регионах. Объем производства в среднем составляет около 2 млн. т свекловичного и примерно 3,5 млн. т сахара из импортного сахара-сырца в год. В 29 регионах около 5000 хозяйств на площади примерно 850 тыс. га производят около 22 млн. т сахарной свеклы [99].
В сложившейся в России экономической ситуации мероприятия по развитию сахарной промышленности, предусмотренные целевой федеральной программой «Увеличение производства сахара в Российской Федерации в 1997... 2000 гг. и на период до 2005 года», принятой в 1997 г. не были исполнены ни по одному из направлений. Лишь незначительное число сахарных заводов России за последние годы реализовало комплексную программу совершенствования производства. Большая же часть предприятий лишь заменила отдельные виды изношенного оборудования, что соответствует общему уровню производства на уровне 80-х годов [36].
Сравнивая показатели работы предприятий перерабатывающей промышленности России и европейских стран, следует отметить, что по удельному расходу энергоресурсов на переработку сахарной свеклы отечественные сахарные заводы отстают от уровня западноевропейских стран почти в два раза, по трудозатратам в 5 раз, по расходу промышленной воды в 2,5...3 раза [4]. За рубежом коэффициент извлечения сахарозы из свеклы составляет 84...86%, из которых в мелассу попадает 6...8% [9,88,90].
То есть при осуществлении технологического процесса переработки сахарной свеклы, в главном корпусе свеклосахарного завода потери сахара составляют около 1...1,3% или около 25% от суммарных потерь. Остальное количество (около 75%) приходится на мелассу [9,88,111].
На зарубежных сахарных заводах потери от разложения сахарозы составляют 0,15...0,44% к массе переработанной свеклы, а на отечественных - от 0,44 до 1,5%. При этом неопределяемые (неучтенные) потери сахарозы в 1,5...2 раза выше определяемых (учтенных).
Основной причиной высокого содержания сахара в мелассе является как качество исходного сырья, так и условия его переработки. Решающим фактором, влияющим на содержание сахара в мелассе, является ее чистота, которая зависит не только от качества перерабатываемой свеклы, но и от условий кристаллизации сахарозы в процессе уваривания, охлаждения и обработки утфеля последнего продукта в центрифугах.
Известно, что при прочих равных параметрах изменение величины чистоты мелассы приводит к изменению в ней содержания сахарозы на 0,08...0,1% к массе свеклы.
В этой связи снижение чистоты мелассы является одним из эффективных путей уменьшения в ней содержания сахара.
В значительной степени решение этой проблемы зависит от условий реализации процессов кристаллизации сахарозы на последней ее ступени и центрифугирования соответствующего утфеля [95,164].
От условий их проведения зависит не только чистота мелассы, но также выход и качество товарного сахара-песка.
Большой вклад в развитие процессов кристаллизации сахарозы и центрифугирования утфелей сделан в России В.Г. Андреевым, И.Г. Бажалом, Л.Г. Белостоцким, А.И. Громковским, И.С. Гулым, М.И. Даишевым, С.Ф. Жигаловым, Г.М. Знаменским, А.В. Зубченко, И.Н. Кагановым, Ю.Д. Котом, В.Д. Поповым, А.Р. Сапроновым, Е.В. Семеновым, П.М. Силиным, А.А. Славянским, В.И. Соколовым, Б.Н. Терешиным, В.И. Тужилкиным, Е.М. Хамским, В.О. Штангеевым и рядом других отечественных и зарубежных ученых [6, 25, 27, 41,47, 79 и т.д.].
Однако, несмотря на многочисленные исследования, многообразие технологических и технических решений как в области кристаллизации сахарозы на последней ее ступени, так и центрифугирования соответствующего утфеля в поле действия центробежных сил, возможности повышения эффективности этих процессов ещё не исчерпаны.
До настоящего времени нет четкого представления об интенсификации этих процессов с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ). В ряде случаев отсутствует научное обоснование механизма воздействия ПАВ с сахарными растворами.
В последнее время появились новые марки пищевых ПАВ глицеридной природы, что требует соответствующих исследований по их применению в сахарном производстве.
Новые научные и технические решения для повышения эффективности процессов получения и центрифугирования утфеля последней ступени кристаллизации, улучшение условий их интенсификации за счет использования новых марок пищевых ПАВ, позволит не только снизить потери сахара с мелассой, но и обеспечить более высокий выход сахара-песка требуемого качества при сокращении энергетических затрат на их реализацию в производстве.
Поэтому научные разработки представленной диссертационной работы направлены на повышение их эффективности.
Научные разработки по тематике диссертации экспонировались на технических выставках и были удостоены золотой и серебряной медалей, а также четырех дипломов.
Цель и задачи исследования. Основной целью работы явилось проведение комплексных исследований, направленных на повышение эффективности процессов кристаллизации сахарозы последней ее ступени и центрифугирования утфеля последнего продукта за счет их интенсификации с применением пищевых ПАВ глицеридной природы, обеспечивающих
снижение потерь сахара с мелассой, а также более высокий выход сахара-песка требуемого качества.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Исследовать существующие представления о технологии получения и центрифугирования утфеля последней кристаллизации, их интенсификации с применением пищевых поверхностно-активных веществ (ПЛАВ) глицеридной природы и дать им оценку.
Исследовать новые марки пищевых ПАВ глицеридной природы ПО-90, М-90 и М-90А - моноглицеридов дистиллированных (МГД), отечественного производства и их влияние на технологию получения и центрифугирования утфеля последнего продукта.
Раскрыть механизм воздействия моноглицеридов дистиллированных на сахарсодержащие растворы и научно его обосновать.
Уточнить эффективность новых марок МГД и выявить лучшие из них для последней стадии кристаллизации сахарозы и центрифугирования последнего продукта.
Выполнить математическое описание процесса кристаллизации сахарозы на последней ее стадии и на основе полученных зависимостей показать возможность его интенсификации с применением моноглицеридов дистиллированных.
Разработать и предложить промышленности усовершенствованный способ уваривания утфеля последнего продукта с применением МГД.
Выполнить математическое описание процесса разделения утфеля последнего продукта в центрифугах периодического и непрерывного действия.
Разработать и предложить промышленности способ разделения утфеля последней кристаллизации.
9. Разработать и предложить промышленности способ получения сахара последней кристаллизации из сырья пониженного качества.
Ю.Разработать и предложить промышленности усовершенствованную, комбинированную технологию получения и центрифугирования утфеля последнего продукта с интенсификацией этих процессов на основе пищевых ПАВ глицеридной природы.
Научная новизна работы состоит в развитии современных теоретических и практических представлений о кристаллизации сахарозы на последней ее ступени и центрифугирования утфеля последнего продукта в поле действия центробежных сил, и на их основе раскрытие и обоснование условий интенсификации этих процессов с применением пищевых ПАВ глицеридной природы, обеспечивающих повышение их эффективности при минимальных потерях сахара с мелассой.
Исследованы новые марки пищевых ПАВ глицеридной природы - МГД и показана их эффективность для интенсификации процессов получения и центрифугирования утфеля последней ступени кристаллизации. Обоснован механизм воздействия МГД на сахарные растворы и их влияние на вязкость, поверхностное натяжение, адгезию и другие их физико-химические свойства. Выявлено, что лучшим сродством к сахарным растворам обладают МГД марок: ПО-90, М-90 и М-90А.
Дано математическое описание процесса кристаллизации сахарозы на последней ее стадии и на его основе обоснована возможность интенсификации данного процесса с применением МГД. Выявлены и научно обоснованы новые технологические параметры и условия интенсификации технологии получения утфеля последнего продукта с применением МГД марок: ПО-90, М-90 и М-90А.
Дано математическое описание процессов разделения утфеля последнего продукта для центрифуг периодического и непрерывного действия. Уточнен характер воздействия центробежного поля на разделение
утфеля последнего продукта и обосновано применение МГД для интенсификации данного процесса. Установлены и научно обоснованы новые технологические параметры и их пределы для интенсификации процессов уваривания и центрифугирования утфеля последней кристаллизации.
Сформулированы основные принципы проведения кристаллизации сахарозы в процессах уваривания и охлаждения, а также разделения утфеля последней ступени в поле действия центробежных сил, позволяющие повысить эффективность этих процессов за счет интенсификации с использованием МГД, обеспечив при этом минимальные потери сахара с мелассой и более высокий выход сахара-песка требуемого качества.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Предложены и научно обоснованы для использования в сахарном производстве МГД марок ПО-90, М-90 и М-90А. Разработаны и распространены на сахарных заводах России рекомендации по применению пищевых ПАВ для интенсификации технологических процессов продуктового отделения сахарного завода [80]. Предложена сахарной промышленности установка для приготовления расплава МГД и ввода его в вакуум-аппарат (Патент РФ на полезную модель № 44113) [74] и стакан для разделения утфеля в лабораторной центрифуге (Патент РФ на полезную модель №42107) [73].
Разработаны математические модели для оценки кристаллизации сахарозы на последней ее ступени, учитывающая ее проведение при выпаривании воды в вакуум-аппарате и в процессе охлаждения в установке утфелемешалок - кристаллизаторов [44], а также центрифугирования утфеля в центрифугах периодического и непрерывного действия [93].
Научно обоснованы и внедрены на Алексеевском, Волоконовском и Чишминском сахарных заводах: способ получения утфеля последней кристаллизации (Патент РФ № 2251573) [69]; способ разделения утфеля
последней кристаллизации в конических центрифугах с инерционной выгрузкой сахара (Патент РФ № 2251574) [70]; способ получения сахара последней кристаллизации, предусматривающий введение в приемную утфелемешалку дополнительного количества кристаллов сахара с МГД (Патент РФ № 2255110) [71]; способ производства сахара последней кристаллизации с комбинированным вводом в процессе получения последнего утфеля МГД (Патент РФ № 2267540) [72].
Научные разработки, защищенные патентами РФ, экспонировались на соответствующих выставках и были отмечены медалями и почетными дипломами.
Некоторые результаты данной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров-технологов по специальности технология сахара и сахаристых продуктов и в системе повышения квалификации специалистов сахарного производства.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований, выполненных автором, опубликованы в центральной печати, в том числе в журналах рекомендованных ВАК и обсуждались на следующих научно-технических и международных научно-практических конференциях:
Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов. - Кемерово: КемТИПП, 2004 (два сообщения).
Международная научно-практическая конференция: «Повышение эффективности работы свеклосахарного комплекса» (15... 16 апреля 2004г.). - М.: МГУПП, 2004 (два сообщения).
Всероссийская научно-техническая конференция - выставка: «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». -М.: МГУПП, 2004.
Юбилейная международная выставка - конференция: «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». - М.: МГУПП, 2005.
Международная научно-практическая конференция - выставка: «Спрэды и смеси топленые». - М.: МГУГТП, 2005.
Международная научно-практическая конференция: «Разработка новых и совершенствование существующих технологий, оборудования и методов контроля сахарного производства». -Воронеж: ВГТА, 2005.
Международная научно-практическая конференция: «Повышение эффективности работы сахарной промышленности». - М.: МГУПП, 2006.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 21 работа, в том числе получено 6 патентов на изобретения и полезные модели.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 5 глав, выводы и рекомендации промышленности, список литературы (183 наименования, из которых 62 зарубежные издания). Она изложена на 182 страницах, иллюстрирована 27 рисунками и 18 таблицами.
Приложение содержит акты внедрений и производственных испытаний научных разработок на Алексеевском, Волоконовском и Чишминском сахарных заводах, патенты и дипломы выставок.
Кристаллизация сахарозы охлаждением и основные требования к режиму её проведения
Кристаллизация охлаждением предназначена для максимально возможного истощения межкристального раствора за минимальное время исходя из условий разделения утфеля на кристаллический сахар и мелассу в центрифугах [118].
Из вакуум-аппарата утфель последней кристаллизации поступает в приемную утфелемешалку, а из неё - в кристаллизационную установку. На отечественных сахарных заводах в основном используется установка из шести утфелемешалок - кристаллизаторов, где процесс истощения межкристального раствора осуществляется охлаждением в непрерывном режиме [95,111]. На сахарных заводах России в настоящее время эксплуатируются, в основном, кристаллизаторы горизонтального типа ПМК-30 и ПМК-45 [83].
Поскольку горизонтальные утфелемешалки-кристаллизаторы занимают большие производственные площади, при перемешивании в них утфель чрезмерно насыщается пузырьками воздуха, дисковые поверхности теплообменников быстро изнашиваются от абразивного воздействия кристаллов, то горизонтальные утфелемешалки заменяют вертикальными Ш1-ПКВ с регулируемой скоростью охлаждения. Данная утфелемешалка-кристаллизатор производительностью 8,5 т утфеля в 1 ч характеризуется следующими параметрами: диаметр 4,5, высота 14,5 м, площадь трубчатой поверхности теплообмена 170 м, частота вращения мешательного устройства 0,3...0,9 мин 1. В системе этой машины для охлаждения циркулирует вода, утфель поступает в нее через гомогенизатор, где его смешивают с конденсатами или разбавленной мелассой.
Суммарная полезная вместимость и площадь поверхности теплообмена кристаллизационной установки рассчитаны так, чтобы обеспечить охлаждение утфеля с 65...68 до 35...40С не менее чем за 36ч (при трехкристаллизационной схеме) [88].
По другим источникам [89,118], процесс кристаллизации при снижении температуры с 65...67 до 35...37С завершается в течение 24...26ч при работе по схеме в три продукта. Несколько другие данные приведены у И.М. Литвак [56]: для двухкристаллизационной схемы время охлаждения составляет 36ч, а для трехкристаллизационной - 44ч. Продолжительность охлаждения утфеля при этом соответственно равна 24 и 28ч, а продолжительность подогрева утфеля перед центрифугированием - 6ч.
Существует также мнение [57], что при охлаждении утфеля до температуры центрифугирования 40С перепад температур по кристаллизаторам, объединенным в отдельную установку распределяется: I кристаллизатор - 76...66C; II кристаллизатор - 66...58С; III кристаллизатор - 58...52С; IV кристаллизатор - 52...47С; V кристаллизатор - 47...44С; VI кристаллизатор - 44...42С; VII кристаллизатор - 42...40С; VIII кристаллизатор - 40С. Охладив утфель до 40С и применив для снятия пересыщения перед центрифугированием раскачивание водой в VIII кристаллизаторе, можно добиться минимального содержания сахарозы в мелассе и хорошего качества желтого сахара.
Этими же авторами [57] был предложен режим охлаждения утфеля последнего продукта в установке кристаллизаторов с переменной скоростью снижения температуры: от 76 до 70С - 6С/ч; от 70 до 60С - 5С/ч; от 60 до 48С - 4С/ч; от 48 до 39С - 3С/ч; от 39 до 33С - 2С/ч; от 33 до 30С - 1С/ч; от30до29С-0,5С/ч. Авторы считают, что предложенный ими режим может обеспечить истощение межкристального раствора до состава, соответствующего «нормальной» мелассе. При этом в течение всего процесса истинное пересыщение межкристального раствора не превысит 1,2.
Однако в заводской практике охладить утфель до конечной температуры, при которой чистота межкристального раствора равна «нормальной» чистоте мелассы без снижения вязкости утфеля (например, отбором из него части кристаллов) невозможно. Подогрев утфеля перед центрифугированием осуществляют в дополнительной утфелемешалке - кристаллизаторе.
В процессе кристаллизации сахарозы охлаждением из межкристального раствора утфеля необходимо сохранять оптимальный перепад температур между утфелем и охлаждающей водой в интервале Ю...18С[118].
В соответствии с инструкцией [39] температура выходящей охлаждающей воды на 12...14С ниже чем температура утфеля во второй утфелемешалке - кристаллизаторе. При этом температура утфеля в конце охлаждения должна быть в пределах 35...40С, а перед центрифугированием -40...45С.
От условий проведения кристаллизации сахарозы из межкристального раствора утфеля последнего продукта в значительной степени зависят потери сахара с мелассой [56,88,95]. В общем, содержание сахара в мелассе зависит от: сахаристости свеклы - изменение ее на 1% может увеличить или уменьшить его величину в пределах 0,1...0,15% к массе свеклы; чистоты сиропа - изменение и на 1% вызывает увеличение или уменьшение его величины на 0,25...0,30% к массе свеклы; чистоты мелассы - изменение её на 1% вызывает увеличение или уменьшение его величины в пределах 0,08...0,1% к массе свеклы [9].
Механизм воздействия пищевых ПАВ глицеридной природы на процесс кристаллизации сахарозы
Механизм воздействия пищевых поверхностно-активных веществ (ППАВ) глицеридной природы на процесс кристаллизации относительно сложен, так как протекает в условиях взаимодействия сахарозы с растворителем и в присутствии различных по своей природе несахаров. В настоящее время нет строго научной теории влияния ППАВ на процесс кристаллизации сахарозы, что можно объяснить недостатком знаний о природе их воздействия, а также недостатком экспериментальных данных по данному вопросу. Особенно большое теоретическое и практическое значение имеет влияние различных видов ППАВ на кинетику образования новой кристаллической фазы - центров кристаллизации. Известно, что образование и формирование центров кристаллизации сахарозы требует определенного периода времени, который принято называть индукционным. Согласно современным представлениям о кинетике процесса образования зародышей кристаллов, частицы новой фазы формируются путем постепенного укрупнения ассоциатов до «критических» размеров зародышей (ассоциатов новой фазы) и таким образом приобретают способность к дальнейшему росту. Подобные зародыши обычно называют центрами новой фазы или центрами кристаллизации [14]. Данное явление обусловлено химической связью и межмолекулярным воздействием. Как известно, скорость кристаллообразования в значительной мере зависит от величины поверхностного натяжения на границе фаз кристалл - раствор. При возникновении зародышей новой фазы появляется поверхность раздела фаз, на которой происходит адсорбция ПАВ и снижение поверхностного натяжения. При повышенном содержании несахаров, что особенно характерно для утфелей последней кристаллизации, повышается и их концентрация в ближайшем окружении ассоциата, что снижает силы когезии и затрудняет дальнейший рост ассоциатов. Можно предположить, что молекулы ПЛАВ в таком растворе создают адсорбционные пленки на поверхности молекул несахаров и препятствуют их адсорбции на поверхности растущего ассоциата за счет сил межмолекулярного притяжения. Кроме этого присутствие ПАВ на этой стадии стабилизирует систему, повышая ее агрегативную устойчивость
Следует отметить, что общепризнанной теории о механизме стабилизации дисперсных систем в присутствии неионогенных ПЛАВ на сегодняшний день нет, и данный вопрос является одним из нерешенных в коллоидной химии. Повышение устойчивости пересыщенных растворов сахарозы, имеющее место в присутствии ПЛАВ неионогенного характера, можно объяснить следующим образом. При сближении частиц на расстояние меньше, чем двойной адсорбционный слой, происходит перекрытие (взаимопроникновение) адсорбционных слоев ассоциатов, предшествующих формированию зародышей, и концентрация неионогенных ПЛАВ в области перекрытия увеличивается по сравнению с ее значением в адсорбционном слое. При этом если среда представляет собой хороший растворитель для вещества, образующего адсорбционный слой, возникает осмотическое давление подобное давлению набухания. Это обуславливает приток жидкости из объема раствора в область перекрытия адсорбционных слоев и возникновение расклинивающего давления [3], препятствующего возникновению фазового контакта между кристаллами, то есть образованию агрегата.
Стабилизирующее действие ПАВ позволяет улучшить гранулометрический состав кристаллов сахара в ходе массовой кристаллизации сахарозы.
Известно, что сахароза, как и вода, является полярным соединением и может образовывать водородные связи с молекулами других присутствующих в растворе соединений, обладающих аналогичной способностью. Возникновение большого числа водородных связей между молекулами сахарозы и воды в растворе, является причиной образования соответствующих гидратных комплексов. При концентрации сахарозы около 80% в растворе практически отсутствуют свободные молекулы воды, вследствие чего возрастает вязкость системы, и ухудшаются условия процесса кристаллизации сахарозы [6].
Уменьшение числа свободных молекул воды способствует снижению смачиваемости поверхности кристаллов сахара и увеличению поверхностного натяжения. Сахарные растворы высокой концентрации в определенной мере гидрофобизируются у поверхности кристаллов высококонцентрированными сахарными растворами. Наличие несахаров в растворе затрудняет взаимодействие между молекулами сахарозы. Это объясняется тем, что в насыщенных растворах несахара занимают часть межмолекулярного объема и вытесняют свободную воду, давая тем самым возможность вытесненной воде участвовать в гидратации дополнительного количества сахарозы (то есть в ее растворимости). Эти несахара ведут себя как растворитель подобный воде [27]. Молекулы некоторых несахаров включают гидроксильные и карбоксильные группы, а также группы атомов, содержащих азот. Эти соединения, в свою очередь, способны к взаимодействиям с молекулами сахарозы в растворе и на поверхности кристаллов сахара, снижая скорость роста кристаллов.
Добавка к высококонцентрированным сахарным растворам ПАВ, по-видимому, вносит существенное изменение в их структуру. ПАВ, обладающие большим размером по сравнению с межмолекулярным пространством, будут раздвигать молекулы сахара, увеличивая межмолекулярный объем и массу свободной воды в нем, что приведет к снижению растворимости сахарозы и возможности дополнительной кристаллизации сахарозы. Наличие полярных групп в молекулах ПЛАВ позволяет предположить взаимодействие их с несахарами вследствие возникновения водородных связей с амидными, аминными и другими азотсодержащими группами в составе молекул несахаров.
Обоснование основных параметров процесса кристаллизации сахарозы и его математическое описание
Учитывая то, что в основу принята одномерная модель массопереноса, для определения расхода сахарозы (J) в направлении оси х было принято соответствующее уравнение где vc и Т дс1дх - соответственно конвективная и диффузионная составляющие расхода сахарозы; v - скорость осаждения частицы сахарозы; D - коэффициент диффузии. В условиях, когда концентрация твердой фазы в суспензии достаточно высока (в утфеле последней кристаллизации концентрация кристаллов сахарозы (ск) составляет около 40 %), скорость осаждения частиц сахарозы может быть определена из соотношения где к(ск) = (1 - ск), Vo - скорость естественного осаждения частицы в поле силы тяжести, вычисляемая по известной в теории седиментации формуле где g - ускорение свободного падения; 8 - диаметр частицы; ц. -динамическая вязкость жидкостной среды; А - разность плотностей кристалла и раствора. Тогда на основе закона сохранения массы для исследования задачи о росте кристалла сахарозы в направлении оси х может быть использовано кинетическое уравнение конвективной диффузии Имея в виду микро - и макро особенности процесса уваривания утфеля последней кристаллизации, можно сделать оценку (по порядку сравниваемых величин) входящих в уравнение 3.4. слагаемых где L и T - соответственно, характерные для исследуемого процесса размер и период протекания процесса.
При этом в качестве характерного для рассматриваемого процесса размера (при объёмной концентрации в данном утфеле кристаллов сахарозы ск 40 %) были приняты L = h = 0,68 = 1,8-10"4 м, а для периода времени (экспертно) - время протекания процесса уваривания утфеля последней кристаллизации, Т 103сек. Имея в виду, что для утфеля этой ступени кристаллизации сахарозы как для технического раствора при температуре t = 70С вязкость утфеля (д,» 1,2 Па-с, 8 = 3-104м, в силу 3.2., 3.3., 3.5., с учётом поправочного множителя (1 - ск) = (1 - 0,4) = 0,216, можно получить сравнительную по величине оценку первых двух слагаемых в уравнении 3.4. Откуда следует, что первым слагаемым в уравнении 3.4. можно пренебречь по сравнению со вторым и поэтому условно считать исследуемый процесс кристаллизации квазистационарным. Тогда вместо 3.4. приближенно справедливо обыкновенное дифференциальное уравнение величина, выражающая отношение скорости осаждения частицы к коэффициенту диффузии, т.е. сравнительную величину детерминированного фактора процесса (скорости осаждения частицы) и случайного (хаотического) фактора (тепловой составляющей скорости частицы). Если сп - концентрация пересыщенного раствора сахарозы в исходном объеме, ас„- концентрация насыщенного раствора сахарозы на границе "кристалл - раствор сахарозы" то решение уравнения 3.6. должно удовлетворять граничным условиям (рис. З.1.): Согласуя общее решение 3.8. с ЗЛО., 3.11., можно получить выражения входящих в 3.7., 3.8. произвольных постоянных В результате, подставляя 3.12. в 3.8., можно найти как частное решение уравнения 3.4. выражение для объёмной концентрации сахарозы в межкристальном растворе утфеля
Как видно, найденное согласно 3.13. решение поставленной задачи имеет простой и удобный для расчетов и анализа эффективности процесса кристаллизации сахарозы вид функции, зависящей только от одной переменной - пространственной координаты х. С целью найти объемное количество сахарозы, подводимой к единице поверхности кристалла в единицу времени (которое условно назовем удельным расходом), в соответствии с 3.11. применяем формулу где Fo = ah = vh/D = g82hA/(83,3xD), 3.15. Fo - безразмерной параметр, аналогичный критерию Фурье в теории теплопроводности; kn = сп/сп 1, кп - коэффициент пересыщения. Учитывая, что 1 - exp (Fo) 0, для множителя при vcH в формуле 3.14. вытекают очевидные оценки т.е., как и должно быть, в отсутствие пересыщения раствора процесс кристаллообразования прекращается, а с его повышением скорость данного процесса в растворе растёт. Так как в реальных условиях коэффициент диффузии D и вязкость ц, уменьшаются с ростом температуры, то из этого следует, что произведение ц-D, входящее в знаменатель дроби формулы 3.15., следует считать конечной величиной при различных значениях параметров ц и D (для идеального раствора согласно формуле Эйнштейна ці) пропорционально абсолютной температуре). Отсюда можно сделать вывод, что параметр Fo в рамках поставленной задачи в изотермических условиях не достигает предельных (больших и малых) значений и его условно можно считать постоянной величиной. Учитывая, что по предположению h = 0,68, вязкость утфеля ц = 1,2Па-с, и согласно данным D 10" м/с, можно приближенно принять ці) « 1,2-10"10 Н (Ньютон). В результате в силу 3.15. Fo = ah = vh/D = 0,216g52hA/(18uD) = 0,216-9,8-9-108-0,6 3-10"4-100/(184,2-10"10) = 1,59; exp (Fo) = exp (1,59) = 4,9 и поэтому вместо 3.14. можно приближенно рассматривать соотношение При этом объем сахарозы, диффундирующий на поверхность кристалла за время т (объем осадка, полный расход), связан с удельным расходом формулой где Q = s-J, s - площадь поверхности кристалла сахарозы. В соответствии с принятой одномерной моделью процесса кристаллизации относительный объем частиц сахарозы в рабочем объеме утфелемешалке - кристаллизатора составляет
Повышение эффективности разделения утфеля в инерционных центрифугах непрерывного действия
Математическое моделирование процесса разделения утфеля последней ступени кристаллизации в центрифугах показало существенное влияние на этот процесс его вязкости. Вместе с тем существующие способы разделения утфеля не всегда позволяют решить эту проблему, что приводит к дополнительным потерям сахара с мелассой.
В соответствии с инструкцией по ведению технологического процесса [39] утфель последней ступени кристаллизации центрифугируют после его охлаждения и подогрева (для снятия избыточного пересыщения) с получением мелассы и сахара чистотой не ниже 92 % и цветностью не выше 100 усл. ед. Центрифугирование ведут без промывания сахара водой или паром. Разность между чистотой мелассы и межкристального раствора допускается не более 0,5 %. Особенностью работы центрифуг непрерывного действия является установка в роторе специальных никелевых сит с отверстиями в виде щелей шириной 0,06 мм, обеспечивающих отделение межкристального раствора и не пропускающих мелкие кристаллы.
При использовании на заводах центрифуг с инерционной выгрузкой фирмы БМА типа К-750 и К-1000, а также фирм «Гейн-Лиминн и К0», «Зангерхаузен» рекомендуется направлять на разделение утфель, после его разбавления водой до содержания сухих веществ 90,0...91,0%. Для повышения качества сахара в центрифугу подается пар и вода, что связано с дополнительными потерями сахара с мелассой.
Поскольку конкретного оптимального режима для центрифугирования с использованием центрифуг подобного типа фирмами не предлагается, то подобные исследования были проведены И.Н. Акиндиновым, Н.А. Люсым и их коллегами [57].
В соответствии с их рекомендациями охлаждение утфеля в утфелемешалках - кристаллизаторах следует проводить со скоростью 1,7 град/ч до температуры на 10С ниже той, при которой была установлена нормальная чистота мелассы.
Перед центрифугированием утфель раскачивают водой в количестве 1,0...1,2 % к массе утфеля. Воду следует подавать в утфелемешалку под утфель, а не на его поверхность.
Известен также способ разделения утфеля последней ступени кристаллизации [88], предусматривающий подачу утфеля одновременно с вводом в него 2/3 части подогретой мелассы в разгонно-ускорительное устройство ротора конической центрифуги с инерционной выгрузкой кристаллов сахара. Смешивание в нем утфеля с мелассой и последующее разделение данной смеси в тонком слое на фильтрующей поверхности ротора.
При этом в верхней части ротора центрифуги в разделяемую смесь вводят 2/3 часть нагретой мелассы, а отвод кристаллов сахара и мелассы проводят раздельно. Проведенные нами исследования показали на недостаточную эффективность данного способа разделения утфеля с повышенным содержанием в нем сухих веществ (более 92,5...92,7 %) и высокой вязкостью. В этом случае введение в утфель подогретой мелассы лишь незначительно улучшает качество кристаллов сахара. Использование нагретой мелассы или других более качественных оттеков для разбавления утфеля приводит к увеличению потерь сахара с мелассой.
Достаточно неплохие условия разделения утфеля последней ступени кристаллизации были достигнуты с введением в него мелассы, которую предварительно разбавляли горячей водой до 74,0...80,0 % СВ. Мелассу при этом нагревали до температуры 38...46С, что соответствовало минимальной вязкости утфеля, а ее расход составлял от 0,3 до 2 % к его массе. Утфель смешивался с мелассой в разгонно-ускорительном устройстве ротора и затем поступал для разделения на его фильтрующую поверхность [76].
Лучшие показатели качества кристаллов сахара (Чсах = 94,5...95,0 %; цветность 45...50 усл. ед.) и мелассы (Чм = 60...60,6 %) были получены при разбавлении утфеля мелассой из расчета 0,5 ... 1,5 % к его массе.
Для улучшения условий разделения утфеля последней ступени кристаллизации были проведены дополнительные исследования по обеспечению разрежения под ситовой поверхностью ротора. В их основу были положены разработки Соколова А.Я., Гребенюка СМ. и Андреева В.Г. [112], которые впервые предложили создать под фильтрующей поверхностью ротора разрежение и разработали соответствующее устройство [76].
Подобное устройство было нами смонтировано на одной из центрифуг непрерывного действия на ЗАО «Сахарный комбинат «Алексеевский». Схема центрифуги с дополнительным регулированием перепада давления воздуха по длине образующей ротора и отбором воздуха при помощи специального устройства представлена на рис 4.7.
Проведенные эксперименты позволили установить оптимальные условия по созданию разрежения в центрифуге, которые оказались в пределах от 0,8 до 1,0 кПа. При значениях разрежения менее 0,8 или более 1,0 кПа значительно ухудшается отделение мелассы и снижается производительность центрифуг. Работа с разрежением позволила на 1...1,5 % улучшить чистоту кристаллов сахара и примерно на 1 % снизить чистоту мелассы. Однако добавление в утфель нагретой мелассы способствовало увеличению потерь сахара с ней. Поэтому исследования в этом направлении были продолжены. Причем особое внимание было направлено на проблему переработки утфелей повышенной вязкости последней ступени кристаллизации.
Известно также, что в процессе отделения межкристального раствора от кристаллов сахара в тонком слое утфеля на фильтрующей поверхности ротора конической центрифуги имеют место потери давления на преодоление сопротивления фильтрующей основы. Это обусловлено тем, что входы в отверстия ее ситовой поверхности частично перекрыты кристаллами сахара, а в каналах могут находиться их обломки. Причем сопротивление фильтрующей основы (Рф) зависит от величины коэффициента кинематической вязкости (U) где Кф - коэффициент геометрических параметров фильтрующей основы; U - кинематический коэффициент вязкости; р - плотность межкристального раствора; v - скорость фильтрации межкристального раствора.
Известно также, что количество остающегося на поверхности кристаллов сахара межкристального раствора можно уменьшить, если понизить его поверхностное натяжение, добавляя к утфелю перед центрифугированием поверхностно-активные вещества [80].
