Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о кристаллизации сахарозы и возможностях ее практической реализации 11
1.1. Несахара, их свойства и влияние на процесс кристаллизации сахарозы в вакуум-аппаратах 11
1.1.1. Включение несахаров в кристаллы сахара при уваривании утфеля первой кристаллизации 16
1.1.2. Гранулометрический состав и его влияние на выход и качество сахара-песка < 20
1.2. Особенности влияния несахаров на процесс кристаллизации сахарозы в промышленных условиях 22
1.3 Теоретические и практические основы формирования центров кристаллизации сахарозы в увариваемом утфеле 24
1.3.1. Физико-химические основы образования центров кристаллизации сахарозы 25
1.3.2. Формирование центров кристаллизации в производственных условиях 28
1.4. Некоторые представления о механизме роста кристаллов сахарозы 31
1.5. Обоснование условий срастания кристаллов и их влияние на содержание несахаров в сахаре-песке 35
1.6. Повышение эффективности кристаллизации сахара с использованием вычислительной техники 39
1.7. Поверхностно-активных вещества (ПАВ) и их влияние на процесе кристаллизации сахарозы 42
1.8. Анализ кристаллизационных схем и способов работы продуктового отделения, оценка их эффективности 44
1.9. Формулирование цели, задач и структуры проведения теоретических и экспериментальных исследований по теме диссертации 46
Глава 2 Математическое моделирование как способ повышения эффективности технологии уваривания утфеля I кристаллизации 48
2.1. Кинетика диффузионного процесса кристаллизации сахарозы 48
2.2. Уточнение рациональной технологии уваривания утфеля I кристаллизации на основе математического моделирования 51
2.3. Оптимизация процесса уваривания утфеля I кристаллизации 58
Глава 3 Кристаллизации сахарозы и условия ее моделирования 65
3.1. Срастание кристаллов сахара в процессе уваривания утфеля I кристаллизации 65
3.2. Особенности кинетики кристаллизации сахарозы и их анализ. 68
3.3. Количественное моделирование условий кристаллизации сахарозы 72
3.4. Способ получения утфеля I кристаллизации в двух вакуум- аппаратах 77
Глава 4 Повышение эффективности промышленной кристаллизации сахарозы 82
4.1. Технологические особенности процесса кристаллизации сахарозы при уваривании первого утфеля 83
4.2. Исследование влияния основных технологических факторов на уваривание утфеля I кристаллизации 91
4.3. Разработка и производственные испытания способа уваривания утфеля I кристаллизации с промежуточным отбором его части 95
Глава 5 Разработка комплексной технологии получения сахара-песка 100
5.1. Разработка технологии уваривания утфеля I с улучшенным гранулометрическим составом 102
5.2. Совершенствование технологии уваривания утфеля I кристаллизации с улучшенным гранулометрическим составом 110
5.3. Повышение эффективности технологии уваривания I утфеля кристаллизации 114
Выводы и рекомендации промышленности 120
Список использованной литературы 123
Приложение
- Включение несахаров в кристаллы сахара при уваривании утфеля первой кристаллизации
- Уточнение рациональной технологии уваривания утфеля I кристаллизации на основе математического моделирования
- Исследование влияния основных технологических факторов на уваривание утфеля I кристаллизации
- Совершенствование технологии уваривания утфеля I кристаллизации с улучшенным гранулометрическим составом
Введение к работе
з
Актуальность работы. В свете современных представлений о безопасности продуктов питания и здоровья людей особое значение приобретают требования к качеству сахара и технологии его получения.
Для нестабильных климатических условий России увеличение продолжительности производственного сезона по переработке свеклы усложняет условия обеспечения высокого выхода и требуемого качества сахара-песка. Поэтому, проведение исследований по усовершенствованию типовой технологии, разработке и включению в нее более эффективных способов, особенно на стадии кристаллизации сахарозы, по-прежнему являются важной и актуальной задачей сахарного производства.
Несмотря на многочисленные исследования, многообразие теоретических и технологических решений в области кристаллизации сахара возможности дальнейшего повышения эффективности данного процесса еще полностью не исчерпаны. Одним из направлений этих исследований может быть разработка соответствующих математических моделей для исследования и решения вопросов оптимизации процесса кристаллизации сахарозы в производственных условиях.
Новые научные и технические решения по повышению эффективности уваривания утфеля I кристаллизации могут обеспечить более высокий выход и качество товарного сахара, что подтверждает актуальность данной проблемы.
Цель и задачи исследования. Основной целью работы являлось проведение комплексных исследований, направленных на совершенствование технологии кристаллизации сахарозы в промышленных условиях, в том числе за счет использования в ней новых, более эффективных способов уваривания утфеля I кристаллизации, обеспечивающих высокий выход и качество сахара-песка.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
исследовать кристаллизацию сахарозы как диффузионный процесс и
уточнить ее математическое описание;
количественно оценить влияние основных технологических параметров на кинетику роста кристаллов сахарозы в вакуум-аппарате и эффективность данного процесса;
провести исследования по оптимизации процесса уваривания утфеля I с разработкой и использованием для этих целей математической модели;
исследовать процесс кристаллизации сахарозы в условиях совместного протекания конвективного и диффузионного массопереноса вещества к кристаллу сахарозы;
. разработать и проверить в производственных условиях новые способы уваривания утфеля I кристаллизации;
разработать и предложить промышленности комплексную технологию
уваривания утфеля I кристаллизации, обеспечивающую повышение выхода и
качества сахара-песка.
Научная новизна работы состоит в развитии существующих теоретических представлений о кристаллизации сахарозы в производственных условиях в процессе уваривания ее утфеля в вакуум-аппарате с уточнением основных технологических факторов, влияющих на этот процесс, и на их основе раскрытие и обоснование технологических условий, обеспечивающих повышение выхода и качества сахара-песка.
Усовершенствовано математическое описание диффузионного процесса кристаллизации сахарозы, что позволило изучить процесс кинетики роста кристаллов сахарозы в производственных условиях. Научно обосновано влияние основных технологических параметров на рост кристаллов сахарозы, и получен ряд математических зависимостей для расчета кинетики протекания этого процесса в вакуум-аппарате.
Проведены исследования по оптимизации процесса кристаллизации сахарозы и установлены новые пределы значений исследуемых технологических параметров утфеля первого продукта, увариваемого с промежуточным центрифугированием и на кристаллической основе.
5 На основе количественного моделирования процесса кристаллизации
сахарозы установлены технологические параметры, обеспечивающие наиболее
благоприятные условия для формирования центров кристаллизации сахарозы
при уваривании первого утфеля на кристаллической основе; выявлены и
научно обоснованы технологические условия повышения равномерности
кристаллов сахара при уваривании утфеля I кристаллизации.
Сформулированы основные принципы комплексной технологии уваривания утфеля I кристаллизации с дифференцированным вводом пищевых ПАВ, обеспечивающие повышение эффективности кристаллизации сахарозы в промышленных условиях.
Практическая значимость и реализация результатов работы
На основе математического моделирования и оптимизации процесса промышленной кристаллизации сахарозы предложены новые способы ее реализации.
Разработан новый способ уваривания утфеля I кристаллизации с улучшенным гранулометрическим составом (патенты РФ 2320725, 2327741) и на кристаллической основе в двух вакуум-аппаратах с дифференцированным вводом ПАВ (патент РФ 2320726).
Разработан и прошел производственную проверку на Алексеевской и Волоконовском сахарных заводах способ получения утфеля I кристаллизации с промежуточным центрифугированием его части (РФ 2301265), обеспечивающий более высокий выход сахара-песка и его качество.
Разработана и предложена промышленности комплексная технология уваривания утфеля I кристаллизации, позволяющая увеличить выход сахара на 0,03...0,05 % к массе сырья.
Научные разработки, защищены патентами РФ, экспонировались на отраслевых научно-технических выставках, где были отмечены почетными дипломами, золотой и серебряной медалями.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований опубликованы в центральной печати и обсуждались на научно-технических конференциях:
1. «Сахар-2006»: Повышение эффективности работы сахарной
промышленности», МГУПП, 2006 г - VI ежегодная международная научно-практическая конференция. - Москва, МГУПП, 22...24 апреля 2006.
2. «Сахар-2007»: Энерго- и ресурсосберегающие технологии сахарного
производства», МГУПП, 2007 г. - VII ежегодная международная научно-
практическая конференция. - Москва, МГУПП, 16...21 апреля 2007 г.
3.«Сахар-2008»: Повышение эффективности работы сахарной промышленности», МГУПП, 2008 г. - VIII ежегодная международная научно-практическая конференция. - Москва, МГУПП, 14...16 апреля 2008 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе получено 4 патента РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 5 глав, выводы и рекомендации промышленности, список литературы (181 наименование) и приложения. Она изложена на 140 страницах, иллюстрирована 19 рисунками и 12 таблицами. Приложения содержат акты производственных испытаний, патенты и дипломы выставок.
Включение несахаров в кристаллы сахара при уваривании утфеля первой кристаллизации
Присутствие в кристаллах сахара-песка различных несахаров, обусловлено их переходом из пересыщенного межкристального раствора утфеля в процессе кристаллизации сахарозы [165,176,179]. Уже в самом начале этого процесса происходит своего рода соревнование на растущей поверхности кристалла между сахарозой, находящейся в растворенном состоянии, и примесями [76,151]. Процесс включения несахаров в кристаллы (инклюзия) иногда называют синкристаллизацией [94,121], имеющей очень сложную природу.
Некоторые примеси имеют химическое сродство с сахарозой, что обуславливает их включение в ее кристаллы. Так, включение калия и железа в кристаллы сахарозы объясняется образованием с ней сахаратов этих металлов [121]. Органические несахара, главным образом крахмал и пектины, способны к сокристаллизации с сахарозой, и внедряются в ее кристаллы начиная с момента формирования в утфеле центров кристаллизации [176,177]. Помимо этого возможна простая адгезия, и примесь просто зарастает последующими слоями выкристаллизовываемой из межкристального раствора сахарозы. Так, по мнению П.Хонига труднорастворимые соли кальция таким образом захватваются растущими кристаллами сахарозы [121]. Анализируя характер включений примесей неорганического характера, он пришел к заключению, что кальций и соли сернистой кислоты весьма активно адсорбируются по всему объему кристалла, в то время как натрий и соли серной кислоты не обладают подобными свойствами.
По данным других исследований [86,89,94] в кристаллы внедряется значительное количество нерастворимых в воде частиц, а часть их еще удерживается их поверхностью. По количеству преобладают частицы размером 5...50 мкм, а по массе - размером 50... 100 мкм. В тростниковом сахаре-сырце число частиц примерно в два раза больше, чем в сахаре-песке.
В процессе кристаллизации наблюдается также специфичность включения отдельных видов несахаров внутрь кристаллов. Известно, что некоторые несахара обладают специфической адсорбцией. Это приводит к блокировке роста кристалла по отдельным его граням, что может вызвать изменение его габитуса. Например, в присутствии глюкозы кристаллы растут и приобретают вид тонких пластинок, а в присутствии раффинозы -иглообразный вид [75,87,146,148].
В молекулярной форме в кристаллы сахарозы внедряется большая часть красящих веществ, раффиноза, фруктоза и др. Причем, для красящих веществ характерно равномерное распределение по всему объему с возрастанием их концентрации от центра кристалла к его поверхности, что объясняется молекулярной адсорбцией их на поверхности растущего кристалла [24,78,121,151].
Избирательность красящих веществ по расположению в кристаллах сахара-песка обусловлена их молекулярной массой. В первую очередь внедряются высокомолекулярные соединения, к которым относят меланоидины, а затем в процессе роста кристаллов их поверхностными слоями захватываются низкомолекулярные красящие вещества, представленные продуктами щелочного распада редуцирующих веществ [56,78]. По мнению П.Хонига [106,121] растущая поверхность кристалла имеет хоть и слабый, но положительный заряд, поэтому отрицательно заряженные коллоидные примеси адсорбируются на его поверхности в течение всего периода кристаллизации сахарозы. N.W.Broughton, BJ.Houghton, Sissons А. [137] пришли к выводу, что 40% цветности сахара-песка приходится на низкомолекулярные красящие вещества пленки межкристального раствора и 60% - содержатся в самом кристалле, из которых большая часть являются высокомолекулярными соединениями. По результатам других исследование 25% цветности находится на поверхности кристаллов, а 75% - равномерно распределено по их объему [142]. А.У.Дмитриенко и С.А.Бренман [24] считают, что поскольку высокомолекулярные соединения и коллоиды имеют высокую положительную гидротацию по сравнению с одноатомными ионами, то по этой причине они в большем количестве включаются в растущие кристаллы сахарозы.
Синкристаллизацию (сокристаллизацию) примесей следует отличать от окклюзии межкристального раствора, когда образующиеся в кристалле трещины или места срастания нескольких кристаллов зарастают кристаллизующейся сахарозой [94,121]. По H.E.Powers [165,166], именно дефекты кристаллической решетки дают возможность различным видам несахара включаться в кристаллы сахарозы. То есть в процессе уваривания утфеля в кристаллическую решетку растущих кристаллов могут включаться как отдельные несахара, так и капельки межкристального раствора утфеля. Содержание межкристального раствора в кристаллах сахара-песка может достигать 1%. Помимо этого в них может быть до 0,4% воды [75]. Механизм образования жидких включений зависит, главным образом, от гидродинамических и температурных условий уваривания утфеля, а не от химического состава утфеля [43,46,49].
В соответствии с экспериментальными данными Л.И.Панкина [56] минимум включения примесей в кристаллы сахарозы находится в интервале значений рН75 6...7. При значения рН менее 6,5 или выше 7,7 наблюдается явное ухудшение качественных показателей сахара-песка. По другим данным [77,78] при рН ниже 6 и выше 9,5 наблюдается значительное уменьшение цветности, что объясняется данными исследователями устойчивостью моносахаридов в кислой среде. А также превращением их в щелочной среде в бесцветные органические кислоты.
Месторасположение несахаров в кристаллах сахара зависит от их молекулярной массы, распределения электрического заряда, количества и химической природы, а также от технологических параметров процесса кристаллизации сахарозы, но в первую очередь от степени пересыщения растворов и скорости протекания процесса кристаллизации [24,178,180]. Таким образом, переходящие из межкристального раствора несахара, в основном, располагаются в следующих местах по объему и на поверхности кристаллов сахара-песка [86,106,167,168]: . трещины, заполненные межкристальным раствором: . включения в кристаллическую решетку сахарозы: . места срастания нескольких кристаллов: . слой межкристального раствора на поверхности кристаллов. Причем большое влияние на содержание несахаров в сахаре-песке оказывает его гранулометрический состав [86,129,141,157].
Уточнение рациональной технологии уваривания утфеля I кристаллизации на основе математического моделирования
Для уточнения рациональных условий протекания процесса кристаллизации сахарозы при уваривании утфеля первого продукта в вакуум-аппаратах было проведено его моделирование. [80]. При этом были введены следующие допущения: концентрация сахарозы в исходном растворе выдерживается одинаковой; затравочные центры кристаллизации равномерно распределяются по всему его объему.
Блок-схема алгоритма расчета коэффициента диффу3ии D « параметров первой кристаллизации сахарозы в вакуум-аппарате пересыщенного раствора сахарозы сп = 84,05; 87,16; 90,27; 93,38% при 5,4-Ю 10; 4,5-10 10; 4,2-10 w; 4,0-10 10 м2/с (согласно данным И.Н.Каганова [34] в реальных условиях коэффициент диффузии для сахарных растворов изменяется в интервале 0,5-10"10 D 13-Ю"10 м2/с, а конкретные данные, представленные в работе, рассчитаны по зависимости коэффициента диффузии от вязкости сахарных растворов, полученной А.И.Громковским, В.Ф. Добромировой и Т.И. Пушковой [22]).
В расчетах диаметр кристаллов сахарозы (d) был выбран в диапазоне d = 1,0-10 ...2,5-10 м, обеспечивая при уваривании утфеля их минимальное срастание. При этом моделирование выполняли, учитывая расстояние между кристаллами в диапазоне 1,0-10 4...3,0-10 4. При этих условиях обеспечивались благоприятные условия роста кристаллов и однородность их состава.
Проведенные расчеты подтвердили, что эффективность процесса кристаллизации, как и следовало ожидать, существенно возрастает с увеличением значения коэффициента пересыщения к. Увеличение значений коэффициента пересыщения к с 1,08 до 1,20, т. е. на 11%, обеспечивает увеличение полного удельного объема сахарозы в 0,1543/0,0622 = 2,48 раза. При коэффициенте пересыщения к = 1,12, и значениях d = 1,0-10 4м, h = d, D 4,5-Ю 0 м2/с, Fo = Dr/h2 = 4,5-10 10-140/10 8 = 6,3 полный удельный объем составит W 27,90 %, т.е. для данного варианта расчета при относительном объеме частиц сахарозы rj = vn/vCM = 1/(1 + X) = 1/(1+1) = 1/2, за время 140 с в одном кубометре раствора образуется 0,279 м сахарозы.
Если увеличить расстояние между кристаллами сахарозы в 2 раза, (т.е при h = 2d), то Я = Ш= 2,ц = 1/3 nFo= Dr/h2 = 4,5 -10 10-140/(4-10 8)=1,58. При этом полный удельный объем составит W 37,03%. Отсюда следует, что за один и тот же период протекания процесса, несмотря на уменьшение объемной концентрации частиц сахарозы в растворе на 1/6, или на 16,7%, выход твердой фазы сахарозы в вакуум-аппарате возрастает примерно на 33%. Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что при увеличении объема межкристального раствора в 2 раза по отношению к общей массе кристаллов сахарозы, обеспечивается более длительное по времени значение перепада концентрации Ас - движущей силы процесса кристаллизации и больший объем "сырьевых ресурсов" молекул сахарозы в растворе, участвующих в образовании их твердой фазы.
Зависимости удельного расхода сахарозы, подводимой к единице поверхности кристалла в единицу времени (условно-удельный расход) j(r) приведены на рис. 2.3. Как следует из [80] и вида кривых на рис. 2.3, зависимость удельного расхода У от времени имеет вид быстро убывающей экспоненты. Так, например, для т = 40 с, практически независимо от значения коэффициента пересыщения раствора к, величина j я 0. Что указывает на нецелесообразность излишней продолжительности периода проведения процесса кристаллизации (при равенстве размеров кристаллов и расстояния между ними 0,0001 м).
Зависимость полного удельного объема сахарозы от времени Анализ результатов расчетов для 1,0-10 4 d 2,5-10 4ж, 1,0-10 4 h 3,0-10 4 м, к=1,12, D = 4,55 10 10 м2/с, приведенных на рис. 2.4...2.5, показывает те же особенности процесса, которые были ранее выявлены при исследовании критериальных зависимостей j(t), W(t) при 1,08 к 1,20 и соответствующие им 5,4-10 10 D 4,0-10 10. Из приведенного анализа видно, что эффективность процесса кристаллизации растет с увеличением коэффициента пересыщения к и параметра Я, т.е. с увеличением объема межкристального раствора.
Рассмотрим конкретный пример, исследуя эффективность проведения процесса кристаллизации сахарозы в вакуум-аппарате в течение t = 140 с, при коэффициенте пересыщения к = 1,12, и тех же значениях параметров раствора, что и выше, т. е. при d = 10 4 м, h = d, D 4,5-10 10 м2/с. В таком случае Fo = Dt/k = 4,5-10 -140/10 =6,3, общий расход составит W 27,90%. Иначе говоря, для данного варианта расчета при относительном объеме частиц сахарозы ;/ = v„/vCM = 1/(1 + X) = 1/(1+1) = 1/2, за время 140 ев одном кубометре раствора образуется 0,279 м3 сахарозы.
Если же считать, что расстояние между частицами увеличивается в 2 раза и, таким образом, h = 2d, то Я = h/d= 2, ц = 1/3 и Fo = Dt/h2 = 4,5 10 10-140/(4-10 8) = 1,58. Тогда, в соответствии с рис. 2.5, W 37,03%, т.е. согласно второму варианту расчета, за тот же период протекания процесса, что и по первому варианту, несмотря на уменьшение объемной концентрации частиц сахарозы в растворе на 1/6, т. е. на 16,7%, выход сахарозы в кристаллизаторе возрастает примерно на 33%. Что объясняется большим значением удельного объёма пересыщенного раствора в кристаллизаторе во втором варианте по сравнению с первым. А именно, если соотношение между объемами жидкости (межкристального раствора) и твердого (кристаллов сахарозы) по первому варианту 1:1, то согласно второму варианту - 2:1, т.е. это соотношение увеличено вдвое. Что обеспечивает в вакуум-аппарате более длительное по времени значение перепада концентрации Ас - движущей силы процесса кристаллизации и больший объем "сырьевых ресурсов" молекул сахарозы в растворе, участвующих в образовании их твердой фазы в растворе. Однако здесь же следует учесть и тот факт, что продолжительность первого рассмотренного случая не следует делать больше 34 с, так как уже к этому времени из раствора выкристаллизуется 99% сахарозы, находящейся в пересыщенном состоянии.
При этом, как показано в работе [81], увеличение линейного размера кристалла сахарозы в течение заданного периода времени подчиняется той же зависимости, что и для общего безразмерного расхода сахарозы v. Т. е., например, условный кристалл сахарозы сферической формы при тех же условиях, что и ранее, увеличил бы за 40 с свой диаметр на 9,30 % своего исходного значения.
По первому варианту расчета, период времени Гд в течение которого на кристаллах сахарозы должно осадиться, например, Wi/W = = 0,99 (0 1) удельного объема молекул сахарозы, составит Г;= (h2/D)ln(l- m = 10-8/(4,5-10 10)1п0,99 1/3 = 34,1 с. Прямой расчет по явным зависимостям функций v, j, W от времени t получим, если в формулах 2Л...2.4 полагать Fo = Dt/(M) и зафиксировать параметры к и D. Анализ результатов расчетов для 1,0-10 4 d 2,5-10 4 м, 1,0-1 a4 h 3,0 -10 4 м, к=1,12, D = 4,55-10 10 м2/с, представленных на рис. 2.4...2.7, показывает те же особенности процесса, которые были ранее выявлены при исследовании критериальных зависимостей v(t), j(t), W(t) при 1,08 к 1,20 и соответствующие им 5,4-10 10 D 4,0-10 10. Анализ кривых показывает, что эффективность процесса кристаллизации растет вместе с коэффициентом пересыщения к и вместе с ростом параметра X, т.е. с увеличением объема межкристального раствора.
Исследование влияния основных технологических факторов на уваривание утфеля I кристаллизации
Данные исследования и результаты моделирования процесса кристаллизации сахарозы (Глава 2), в частности по величине пересыщения ее растворов, размеру кристаллов и расстоянию между ними, были уточнены в ходе дополнительных экспериментов в производственных условиях на ОАО «Сахарный завод «Алексеевский». Особое внимание при этом было уделено проблеме улучшения гранулометрического состава сахара, что в значительной степени определяется условиями формирования и наращивания центров кристаллизации.
По принятой для исследования и дальнейшего совершенствования технологии [62] кристаллы сахара заводят из расчета 8...9 шт. на 1 мм длины поверхности пробного стекла, затем наращивают до достижения в утфеле 91,0...91,5 % сухих веществ. После этого отбирают из вакуум-аппарата часть утфеля в количестве 35...40 % от его общей массы и направляют на центрифугирование. Оставшийся в вакуум-аппарате утфель раскачивают сиропом до 88...89 % СВ и проводят его уваривание до готовности (92,0...92,5 СВ). причем возврат оттека отобранной части утфеля в вакуум-аппарат осуществляют после окончания подачи в него сиропа. Эксперименты показали, что отсутствие в известной технологии строгих требований к пересыщению межкристального раствора и размерам центров кристаллизации приводит к повышению степени неравномерности кристаллов сахара в утфеле. Повышенная неравномерность кристаллов сахара в утфеле способствует увеличению расхода воды для предотвращения вторичного кристаллообразования в процессе его уваривания, а также количества возвратов оттеков на повторную их кристаллизацию, что ранее было подтверждено и другими исследователями [53,86]. Неравномерность кристаллов существенно влияет на процесс центрифугирования утфеля и расход промывной воды, что усложняет сушку сахара и условия его хранения [8,29,50]. В ходе проведенных опытов было установлено, что лучшие результаты достигаются при введении в пересыщенный сироп затравки в виде кристаллов размером 0,18...0,20 мм. При этих условиях значительно сокращается процентное содержание сросшихся кристаллов при выдерживании пересыщения межкристального раствора в пределах 1,15... 1,17, т.е. выше, чем по известной технологии.
Опыты также показали, что уваривание утфеля в этом интервале пересыщения его межкристального раствора при формировании кристаллической основы следует вести до содержания в нем 30...35 % кристаллов. При этих условиях обеспечивается высокая скорость кристаллизации сахарозы с минимальным включением в кристаллическую решетку кристаллов несахаров. При наличии в утфеле менее 30 % кристаллов снижается скорость кристаллизации сахарозы, так как увеличение удельной скорости кристаллизации не компенсирует уменьшение общей поверхности кристаллов. Практически это способствует увеличению продолжительности уваривания утфеля и уменьшению выхода сахара из-за его термического разложения. В том случае, когда наращивание кристаллов проводят при их количества более 35 % массовая скорость кристаллизации также уменьшается вследствие уменьшения удельной скорости кристаллизации в связи с ухудшением гидродинамических условий в вакуум-аппарате, которые не компенсируются увеличением общей поверхности кристаллов. Причем, было установлено, что после достижения в утфеле 30...35 % кристаллов по его массе, дальнейшее их наращивание следует вести при более низком пересыщении - 1,10...1,12, что соответствует требованиям типовой технологии [75].
Исследованиями в этом направлении было доказано, что наиболее целесообразно проводить кристаллизацию сахарозы, выдерживая расстояние между кристаллами (1...2)-10"4 м. Это объясняется тем, что скорость коллективного роста кристаллов в значительной мере зависит от массы межкристального раствора, приходящейся на единицу поверхности кристаллической массы, т.е. от степени стесненности кристаллов в утфеле. Определить расстояние между кристаллами (L, м) можно из формулы [111] Результаты эксперимента показали, что увеличение длительности поддержания рационального расстояния между кристаллами на 45...53 % по сравнению с контрольным увариванием сокращает общую продолжительность процесса почти на 30 %.
На основании выше описанных исследований была усовершенствована известная технология, разработан и защищен патентом на изобретение (РФ 2301265) [64], новый способ уваривания утфеля I кристаллизации с промежуточным отбором части на центрифугирование.
В соответствии с формулой изобретения данный способ включает сгущение сиропа в вакуум-аппарат до требуемого коэффициента пересыщения, заводку кристаллов путем введения затравки, их наращивание, отбор части утфеля из вакуум-аппарата, центрифугирование этой части утфеля с разделением на сахар, первый и второй оттеки, возврат второго оттека в вакуум-аппарат и уваривание оставшейся части утфеля до готовности, отличающийся тем, что в качестве затравки используют кристаллы сахара размером 0,18...0,20 мм, их наращивание проводят при коэффициенте пересыщения 1,15...1,17 до содержания в утфеле 30...35 % кристаллов, затем процесс их наращивания ведут при пересыщении 1,10... 1,12 выдерживая расстояние между кристаллами 1,5-10-4...2,5-10" м до достижения содержания их в утфеле 40...47 %. При этом в процессе уваривания оставшейся части утфеля в вакуум-аппарат вводят моноглицирид дистиллированный мягкий в количестве 0,004.. .0,008 % к массе утфеля.
В соответствии с представленной схемой в вакуум-аппарат 3 через коллектор 2 набирают сироп или смесь сиропа с клеровкой и сгущают до требуемого коэффициента пересыщения в пределах 1,25... 1,30. После этого в пересыщенный сахарный раствор вводят затравку в виде кристаллов сахара размером 0,18...0,20 мм.
Наращивание кристаллов сахара в утфеле проводят при коэффициенте пересыщения его межкристального раствора 1,15. ..1,17 до их содержания в количестве 30. ..35 %.
После достижения в утфеле 30...35 % кристаллов пересыщение межкристального раствора снижают подачей в вакуум-аппарат новых порций сиропа до 1,10... 1,12 и затем уваривают до содержания в нем 40...47% кристаллов, что позволяет регулировать между ними расстояние в диапазоне 1,5-10" ...2,5-Ю"4. После этого отбирают из вакуум-аппарата часть утфеля в количестве 38...40 % от его общей массы и подают в утфелемешалку 7.
Эту часть утфеля центрифугируют в центрифуге 8 с получением сахара, первого и второго оттеков, которые направляют соответственно в сборники 9 и 10, а оставшийся в аппарате утфель уваривают из сиропа с добавлением в него моноглицирида дистиллированного мягкого (МГД) марки ПО-90 в количестве 0,004...0,008 % к его утфеля, который вводят в сборник сиропа 4 перед подачей его в вакуум-аппарат на уваривание утфеля I кристаллизации.
Совершенствование технологии уваривания утфеля I кристаллизации с улучшенным гранулометрическим составом
Для уточнения условий формирования центров кристаллизации и их последующего наращивания были проведены соответствующие производственные исследования. В частности эксперименты показали, что коэффициент пересыщения в отличие от ранее разработанного способа [62] более рационально выдерживать в диапазоне 1,30... 1,36. При этих значениях пересыщения происходит быстрое образование и формирование центров кристаллизации. Причем обеспечивается максимальная скорость роста кристаллов сахарозы при минимальном включении несахаров в их кристаллическую решетку.
Оказалось также, что выдерживание пересыщения в интервале 1,30... 1,36 следует обеспечивать в течение 5... 15 мин, в зависимости от качества исходного сырья. Количество образующихся при этом центров кристаллизации регулируют в пределах 5...7 шт. на 1 мм длины поверхности пробного стекла. Образующиеся при этих условиях кристаллы имеют минимальное число срастаний, что значительно улучшает технологические условия уваривания и центрифугирования утфеля, а также высокое качество получаемого сахара-песка. Образовавшиеся центры кристаллизации закрепляют на подкачках новых порций сиропа.
Кроме этого было также установлено, что равномерность кристаллов значительно улучшается, если выдерживать между ними расстояние в интервале 1,5-104...2,5-10"4м. Эти условия способствуют минимальному включению в них несахаров. Причем, лучшие условия наращивания центров кристаллизации достигаются при содержании в клеровке сахара второй кристаллизации 68...70 % СВ. Была также подтверждена целесообразность раздельного использования клеровок II и III кристаллизации. Причем, эффективность кристаллизации повышается при использовании клеровки сахара III кристаллизации с 70...75 % СВ с добавлением в нее нагретого до 50...60С моноглицирида дистиллированного в количестве 0,001...0,002 % к массе клеровки. Известно, что введение МГД в утфель значительно улучшает его текучесть, гранулометрический состав кристаллов сахара, что позволяет проводить истощение межкристального раствора при его минимальной вязкости. При этих условиях снижается образование новых центров кристаллизации сахарозы.
На основе уточнения параметров и технологических условий процесса кристаллизации был разработан и защищен патентом РФ на изобретение новый способ получения утфеля I кристаллизации [67]. Схема реализации способа по патенту РФ 2327741 приведена на рис.5.2.
Предложенный способ осуществляют следующим образом: из сахара второй кристаллизации готовят клеровку, растворяя ее соком II сатурации или водой до содержания СВ 68...70 % в сборнике 2, а из сахара третьей кристаллизации - клеровку с содержанием 70...75 % СВ в сборнике 1. Затем в вакуум-аппарат 4 через коллектор 3 набирают клеровку сахара второй кристаллизации из сборника 2 с содержанием СВ 68...70 %, сгущают ее до достижения пересыщения 1,30... 1,36 и выдерживают в этом интервале пересыщения 5... 15 мин, регулируя количество центров кристаллизации из расчета 5...7 шт. кристаллов на 1 мм длины поверхности пробного стекла. Образовавшиеся центры кристаллизации закрепляют, используя сироп из сборника 5. После закрепления кристаллов проводят их наращивание в две стадии.
Наращивание кристаллов на второй стадии осуществляют, подкачивая в утфель клеровку сахара третьей кристаллизации концентрацией 70...75 % СВ из сборника 1 с добавлением нагретого до 50...60С моноглицирида дистиллированного из сборника 6 в количестве 0,001...0,002 % к массе клеровки.
Утфельную массу перед спуском из вакуум-аппарата окончательно сгущают до 92...92,5 % СВ. В ходе исследований анализировали сироп, клеровки и увариваемый из них, утфель, а также качество сахара-песка (табл. 5.2). Результаты уваривания утфеля I по патенту РФ 2227162 и предлагаемой технологии по патенту РФ 23277 Показатель Способ известный предлагаемый Утфель I кристаллизации в конце уваривания:- чистота, %- содержание сухих веществ, %- содержание кристаллов, % 91,35 92,50 50,80 91,35 92,50 51,60 Длительность уваривания утфеля, ч 2,97 2,38 Сахар-песок:- содержание редуцирующих веществ, %- мутность сахарного раствора, ед. опт. пл.- цветность, усл.ед.Гранулометрический состав:- средний размер кристаллов, мм- коэффициент неоднородности, % 0,037240,800,75 26,5 0,035 9,5 0,750,7825,5 Клеровка II Клеровка III Сахар-песок Технологическая схема уваривания утфеля первой кристаллизации, способ по патенту РФ № 2327741: 1 - сборник клеровки сахара III; 2 - сборник клеровки сахара II; 3 - коллектор; 4 -вакуум-аппарат; 5 -сборник сиропа; 6 - сборник МГД; 7 - утфелемешалка; 8 - центрифуга периодического действия; 9 - сборник второго оттека; 10 - сборник первого оттека; Из приведенных в табл. 5.2. данных видно, что предлагаемый способ требует меньше времени на уваривание утфеля и несколько улучшает качественные показатели сахара. При этих условиях уваривания утфеля, потери сахара в продуктовом отделении могут быть снижены на 0,03...0,038 % к массе свеклы по сравнению с известным способом. Основным недостатком способов уваривания утфеля I кристаллизации с улучшенным гранулометрическим составом оказалось то, что эти способы менее эффективны по сравнению с увариванием утфеля на кристаллической основе в двух вакуум-аппаратах (патент РФ № 2227162). Поэтому были проведены исследования по уточнению требований к увариванию утфеля I на кристаллической основе.
