Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические и практические основы удаления нссахаров в процессе углскнслотной очистки диффузионного сока 12
1.1. Несахара диффузионного сока и их влияние на технологию получения сахара 12
1.2. Прогрессивная преддефекация и ее роль в технологии очистки диффузионного сока 17
1.2.1. Теоретическое обоснование процессов, происходящих на преддефекации 17
1.2.2. Анализ технологических факторов, определяющих проведение преддефекации 22
1.2.3. Адсорбция нссахаров карбонатом кальция в процессе преддефекации диффузионного сока 26
1.2.4. Обоснование возврата сатурационных соков и суспензий их осадка на преддефекацию 30
1.3. Повышение эффективности преддефекационной обработки диффузионного сока 36
1.3.1. Электрообработка диффузионного сока и ее эффективность в условиях предварительной дефекации 36
1.3.2. Флотация и ее возможности для разделения жидких неоднородных систем в сахарном производстве 40
1.3.3. Электрофлотация и ее перспективы по удалению осадка преддефекованного сока 43
1.4. Анализ существующих способов удаления несахаров диффузионного сока в процессе его углекислотной очистки 46
1.5. Общие выводы и задачи исследования 59
Глава 2. Влияние сатурирования на степень удаления несахаров и физико-химические свойства преддефекованиого сока 63
2.1. Теоретические и практические основы сатурирования преддефекованиого сока и их влияние на процесс его очистки 63
2.2. Отработка рациональных условий проведершя промежуточной сатурации преддефекованиого сока 71
2.3. Повышение эффективности технологии проведения прогрессивной преддефекации диффузионного сока в модернизированном преддефекаторе 73
2.3.1. Влияния кратности переосаждения несахаров на показатели очистки преддефекованиого сока и структуру его осадка 73
2.3.2. Усовершенствование технологии и режима прогрессивной преддефекации диффузионного сока 78
2.3.3. Оценка эффективности процесса преддефекации с многократным промежуточным сатурированием диффузионного сока 82
Глава 3. Элсктрообработка и се влияние на удаление несахаров диффузионного сока 87
3.1. Обоснование механизма электроконтактной обработки диффузионного сока 87
3.2. Влияние электроконтактной обработки на эффективность удаления несахаров диффузионного сока 89
3.3. Физико-химические основы воздействия электрического поля на несахара диффузионного сока и обоснование технологии их удаления 93
3.3.1. Исследование условий электроконтактной обработки на устойчивость веществ коллоидной дисперсности 93
3.3.2. Научное обоснование рациональных условий проведения электроконтактной обработки и ее влияние на эффективность коагуляции и осаждения несахаров 100
3.4. Разработка устройства для электроконтактной обработки диффузионного сока и его производственная проверка 106
Глава 4. Теоретическое и практическое обоснование процесса флотации коагулята несахаров диффузионного сока 111
4.1. Коагулят несахаров диффузионного сока и обоснование необходимости его отделения до основной дефекации 111
4.2. Разработка математической модели процесса флотации частиц коагулята несахаров диффузионного сока 116
4.3. Разработка и испытание нового способа удаления коагулята несахаров диффузионного сока флотированием 124
Глава 5. Повышение эффективности удаления несахаров диффузионного сока из свеклы различного качества 134
5.1. Обоснование необходимости совершенствования дополнительной дефекации сока перед II сатурацией 134
5.2. Перераспределение извести в процессе известково-углекислотной очистки и его научно-практическое обоснование 138
5.3. Разработка комбинированной технологии очистки диффузионного сока различного технологического качества 145
Выводы и рекомендации промышленности 155
Список использованной литературы 158
Приложение
1. Патенты
2. Акты заводских испытаний
3. Диплом выставки
- Прогрессивная преддефекация и ее роль в технологии очистки диффузионного сока
- Отработка рациональных условий проведершя промежуточной сатурации преддефекованиого сока
- Влияние электроконтактной обработки на эффективность удаления несахаров диффузионного сока
- Разработка математической модели процесса флотации частиц коагулята несахаров диффузионного сока
Введение к работе
В 2005 году в России выработано 5,59 млн. т сахара-песка, из которых только 2,47 млн. т - из свеклы, а остальное его количество - из тростникового сахара-сырца, т.е. производство сахара-песка из отечественного сырья составляет чуть более 40%. При этом суммарная производственная мощность всех сахарных заводов России составляет около 263 тыс. т в сутки, что позволяет переработать до 29 млн. т сахарной свёклы и произвести до 4,0 млн. т сахара-песка. Сложившаяся ситуация обостряет проблему продовольственной безопасности страны и ставит население России в зависимость от мирового рынка сахара.
Существующие с середины 90-х годов проблемы в сельском хозяйстве России также отразились на возделывании сахарной свеклы: сократились посевные площади, выросли цены на семена, минеральные удобрения и уборочную технику [15, 101]. Все это привело к нарушению технологии выращивания свеклы, снижению ее урожайности, повышению поврежденности корнеплодов и их загрязненности, нарушению сроков уборки и условий хранения. Наметившаяся в последние годы тенденция увеличения валового сбора сахарной свеклы в РФ, происходящая на фоне стабильного повышении ее урожайности, сделала актуальной проблему возрождения сахарной промышленности.
В настоящее время номинальное число сахарных заводов России - 93, из которых лишь 78 заводов в 2005 г. перерабатывали сахарную свеклу. Отечественная сахарная промышленность сейчас переживает не лучшие времена: резкое подорожание оборудования, отсутствие централизованных капиталовложений и собственных средств привели в последние десятилетия к сокращению мероприятий, направленных на реконструкцию и перевооружение действующих и строительство новых заводов [115].
Таким образом, можно сделать вывод, что повышение эффективности сахарного производства возможно лишь за счет совершенствования современных технологических схем производства сахара-песка из сахарной свеклы. В частности, необходима разработка комбинированных технологических схем очистки диффузионного сока, полученного из свеклы различного качества, позволяющих при небольших затратах получать максимальный эффект удаления несахаров с целью повышения выхода готовой продукции.
Большинство несахаров диффузионного сока отрицательно влияет на технологию получения сахара-песка и его качественные показатели [54, 101]. Поэтому для достижения высокого выхода готовой продукции, соответствующей требованиям ГОСТа, следует обеспечить необходимые условия повышения эффективности удаления несахаров диффузионного сока.
Актуальность темы. Известково-углекислотная очистка диффузионного сока является неотъемлемой составной частью технологии производства сахара-песка. Именно от ее эффективности в значительной степени зависит выход готового продукта и его себестоимость.
Значительное влияние на результаты очистки оказывают химический состав и количество несахаров диффузионного сока, зависящие, в свою очередь, от качества поступающего в переработку сырья. В последние годы предпочтение отдается возделыванию односемянной свеклы, которая уступает мпогосемянной по своим сырьевым свойствам. Получаемый из нее диффузионный сок имеет более низкую чистоту, повышенное содержание редуцирующих веществ, содержит почти в два раза больше общего азота. Поэтому для увеличения эффекта очистки и снижения потерь сахарозы в процессе производства необходимо продолжить работу по разработке новых более действенных способов удаления несахаров диффузионного сока, особенно из свеклы пониженного качества.
Так как диссертационная работа направлена на повышение степени удаления несахаров диффузионного сока путем совершенствования прогрессивной преддефекации и разработки новых способов проведения очистки при переработке свеклы различного качества, ее актуальность не вызывает сомнений. Подтверждением ее актуальности является также то, что она выполнялась в рамках программы Министерства промышленности, науки и технологии РФ по государственному контракту №45.055.11.2552 от 05 февраля 2002 г.
Научные разработки по тематике диссертации экспонировались на технической выставке «Перспективные технологии XXI века» и были удостоены диплома.
Цель и задачи исследования. Основной целью работы явилась разработка усовершенствованной технологии очистки диффузионного сока, получаемого из свеклы различного качества, за счет максимального удаления его несахаров.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:
исследовать фильтрационно-седиментационные показатели осадка преддефекованного сока и возможности улучшения его структуры за счет промежуточного сатурирования;
уточнить влияние кратности переосаждения несахаров в условиях преддефекационной обработки диффузионного сока на эффективность их удаления;
усовершенствовать технологию проведения прогрессивной преддефекации путем многократного промежуточного сатурирования сока;
исследовать характер влияния электроконтактной обработки диффузионного сока на вещества коллоидной дисперсности;
уточнить рациональные условия электроконтактной обработки диффузионЕЮго сока и степень удаления несахаров диффузионного сока;
разработать и испытать устройство для электроконтактной обработки диффузионного сока;
разработать математическую модель процесса флотации коагулята несахаров диффузионного сока;
исследовать условия и определить технологические параметры процесса удаления коагулята несахаров электрофлотацией;
определить рациональный расход извести, дозируемой на дефекацию перед II сатурацией, и обосновать ее влияние на качественные показатели очищенного сока;
разработать новые способы очистки диффузионного сока путем перераспределения извести между I и II сатурациями и увеличения ее расхода на дефекацию перед II сатурацией;
на основе усовершенствования способов очистки диффузионного сока обосновать комбинированную технологию удаления несахаров при переработке сахарной свеклы различного качества.
Научная новизна. На основе экспериментальных данных установлена и обоснована эффективность многократного переосаждения несахаров за счет промежуточной обработки преддефекованного сока сатурационным газом.
Научно обосновано влияние переменного электрического поля на коагуляцию веществ коллоидной дисперсности. Определены рациональные условия электроконтактной обработки, обеспечивающие дестабилизацию коллоидной системы диффузионного сока.
Разработана математическая модель процесса флотации частиц коагулята несахаров на основе законов сохранения массы и импульса, а также используя кинетическое уравнение баланса коагулирующих частиц. Получено эмпирическое уравнение для определения количественного содержания в соке частиц и агрегатов в зависимости от физических параметров, а также продолжительности протекания флотации.
Обоснована возможность отделения коагулята несахаров диффузионного сока электрофлотацией, а также физико-химические условия для ее осуществления.
Подтверждена целесообразность повышенного расхода извести на дефекацию перед II сатурацией, и особенности ее осуществления при переработке свеклы пониженного качества.
Обоснованы условия ввода суспензии осадка сока II сатурации в дефекованный сок перед его обработкой диоксидом углерода и ее влияние на удаление несахаров.
Сформулированы основные положения, обеспечивающие повышение степени удаления несахаров диффузионного сока при переработке свеклы различного качества.
Практическая значимость. Отработаны рациональные условия проведения промежуточной сатурации преддефекованного сока в процессе предварительной обработки.
Разработаны и предложены для промышленного использования:
способ прогрессивной преддефекации диффузионного сока и
модернизированная конструкция преддефекатора с внешними
рециркуляционно-сатурационными контурами для его реализации (Патент
РФ 2252966);
устройство для электроконтактной обработки диффузионного сока,
испытанное на Алексеевском и Мелеузовском сахарных заводах;
способ отделения коагулята несахаров диффузионного сока
электрофлотацией;
способ очистки диффузионного сока, основанный на перераспределении извести между I и II сатурациями с повышенным ее расходом на дефекацию перед II сатурацией (Патент РФ 2252965). Способ прошел производственную проверку на Алексеевском сахарном заводе.
Получены эмпирические зависимости для определения силы рабочего тока, энергии, потребляемой нагреваемой жидкостью в ходе обработки, и электрического сопротивления жидкости при электроконтактной обработке диффузионного сока.
На основе выполненных научных разработок предложена сахарной промышленности комбинированная технология очистки диффузионного сока в зависимости от его чистоты.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических и международных научно-практических конференциях:
- «Продукты питания и рациональное использование сырьевых
ресурсов» (Кемерово: КемТИПП, 2002 г.);
- «Технология и техника пищевых производств» (Кемерово: КемТИПП,
2003 г.);
«Повышение эффективности работы свеклосахарного комплекса» (М.: МГУПП, 2003 г.);
«Повышение эффективности работы свеклосахарного комплекса» (М: МГУПП, 2004 г.);
- «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их
реализации» (М.: МГУПП, 2004 г.);
- «Повышение эффективности работы свеклосахарного комплекса»
(М.: МГУПП, 2005 г.);
«Разработка новых и совершенствование существующих технологий, оборудования и методов контроля сахарного производства» (Воронеж: ВГТА, 2005 г.);
«Повышение эффективности работы сахарной промышленности» (М.: МГУПП, 2006 г.).
Публикации- По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе получено 2 патента РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа включает введение, 5 глав, выводы и рекомендации промышленности, список литературы (190 наименований, из которых 59 зарубежные источники). Она изложена на 175 страницах, иллюстрирована 31 рисунком и 14 таблицами. Приложение содержит акты производственных испытаний, патенты и диплом выставки.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Технология сахаристых, кондитерских и пищевкусовых производств» Московского государственного университета пищевых производств, часть лабораторных исследований и производственных испытаний проводилась на Мелеузовском и Алексеевском сахарных заводах.
Прогрессивная преддефекация и ее роль в технологии очистки диффузионного сока
Преддефекация является одной из наиболее важных технологических операций в схеме известково-углекислотной очистки диффузионного сока. Именно в процессе ее проведения обеспечиваются требуемые условия для осаждения веществ коллоидной степени дисперсности и высокомолекулярных соединений диффузионного сока, формируются структура фильтрационно-седиментационные свойства преддефекационного осадка [101]. От ее эффективности в значительной степени зависит работа всего сокоочистителыюго отделения, выход и качество сахара-песка.
Предварительная дефекация заключается в том, что к диффузионному соку добавляют примерно 1/10 часть извести от ее общего расхода на очистку, т.е. примерно 0,3% к массе свеклы.
При правильном проведении предварительной дефекации около 60% общего эффекта очистки приходится именно на этот процесс [188]. Важность его для технологии сахарного производства подтверждается многочисленными исследованиями и разработками [13, 22, 28, 34, 50, 55, 68, 99, 108]. Вместе с тем все они, в основном, ориентированы на решение двух основных задач: получить хорошо структурированный осадок, способный отстаиваться и фильтроваться, а также обеспечить условия для более полного удаления несахаров [13].
Основными реакциями процесса преддефекации являются коагуляция и осаждение несахаров, протекающие под воздействием ионов кальция. В начале данного процесса вся дозируемая в диффузионный сок известь расходуется на нейтрализацию его свободных кислот. При этом имеет место диссоциация гидроксида кальция до образования иона Са2+ Са(ОН)2 - СаОН+ + ОН- о Са2+ + 20Н\
В результате реакции обмена гидроксида кальция с кислотами диффузионного сока образуются малорастворимые соли, растет концентрация ионов ОН и соответственно уменьшается доля ионов Са в общей массе растворенного гидроксида кальция в пользу растворяющего иона СаОН+ вследствие сдвига реакции диссоциации по второй ступени влево. Воздействие ионов Са и СаОН выравнивается в оптимальной точке
рН, индивидуальной для каждого из несахаров, а в среднем для их комплекса — при рН 10,8... 11,0. Соответственно, при значениях рН более 11,0 в растворе превалирует растворяющее действие иона СаОН+. Этот факт частично объясняет последующее растворение части выпавшего ранее осадка при дальнейшем повышении рН на основной дефекации, а также неполноту осаждения на преддефекации всех несахаров, потенциально способных к этому [35, 98, 99].
На основе многочисленных исследований [67, 101, 107, 154, 179] доказано, что лучшая структура осадка достигается при прогрессивной противоточной преддефекации в аппаратах специальной конструкции. Это объясняется регулированием количества вводимой в них извести с выдерживанием щелочности и рН сока в четко установленных пределах по зонам преддефекатора, что позволяет улучшить условия формирования осаждаемых несахаров в компактные агрегаты и их коагуляцию. По мере увеличения рН сока образующиеся волокнистые или палочкообразные частицы осадка постепенно группируются ориентированно на компактные агрегаты. Этот эффект достигается за счет противотока поступающего в преддефекатор диффузионного сока и известкового молока. В этих условиях частицы осадка равномерно проходят зоны с различными значениями рН, где имеет место их дегидратация и уменьшение объема. В зонах с низкими значениями рН наблюдается также осаждение нерастворимых солей кальция, которые вместе с первоначально образовавшимися частицами являются центрами дальнейшей коагуляции, приводящей к образованию крупнозернистого осадка, хорошо фильтрующегося и устойчивого к пептизации на основной дефекации [14, 179].
В отдельных вариантах схем очистки диффузионного сока предусмотрена оптимальная преддефекация, что обусловлено качеством исходного сырья. При ее осуществлении гидроксид кальция вводят в диффузионный сок в один прием. При этом происходит моментальная коагуляция ВКД, частицы осадка соединяются без определенной ориентации, и образуется очень рыхлая и сжимаемая свободная сетчатая структура агрегатов [13].
В соответствии с теорией кинетики различают быструю и медленную коагуляцию [124]. При быстрой коагуляции все столкновения частиц эффективны, так как приводят их к слипанию. В процессе медленной коагуляции, которая для практики представляет больший интерес, при достижении определенной концентрации гидроксильных ионов и ионов кальция не все соударения частиц эффективны, то есть не приводят к слипанию. При турбулентном режиме движения сока и повышенной температуре протекает быстрая коагуляция, а при ламинарном режиме движения и температуре ниже 35...40С наблюдается медленная коагуляция [65].
По мнению многих исследователей [34, 35] основные процессы прогрессивной предварительной дефекации в зависимости от величины рН проходят в трех зонах. В первой из них (рис. 1.1 - секции I...III) происходит нейтрализация кислот диффузионного сока, ее верхней границей является значение рН сока 9,0...9,5. В первой зоне имеет место так называемая "рН -пауза", то есть выдерживание сока при рН около 8,5 в течение 1...2 мин. Осаждаемые в этот момент крупные молекулы белков и пектинов имеют максимальный отрицательный заряд и поэтому концентрируются вокруг положительно заряженной частицы карбоната кальция [36]. Именно в этот момент в диффузионный сок рекомендуется вводить сок I сатурации или его суспензию, а также суспензию сока II сатурации, содержащую СаС03.
Наличие стабилизационного эффекта Бригель-Мюллера («рН-паузы») подтверждается также повышением оптической плотности преддефекованного сока и ростом концентрации солей кальция в зоне рН 8,2...8,4. Однако он не способствует дегидратации частиц коллоидной дисперсности, а приводит к образованию их золя. При дальнейшей обработке диффузионного сока известью в зоне рН 9,0...9,5 наряду со снижением -потенциала частиц коллоидной дисперсности наблюдается уменьшение концентрации солей кальция в растворе и величины его оптической плотности [67]. При этом стабилизированные частицы золя, дегидратируясь, постепенно коагулируют, обуславливая повышенную плотность и соответственно более высокую скорость осаждения сформировавшихся конгломератов несахаров [10, 66]. Кроме того, вследствие повышения за счет диссоциации Са(ОН)2 концентрации ионов гидроксила, полностью подавляется диссоциация аминогрупп белков и других амфотерных соединений обрабатываемого сока [34].
Отработка рациональных условий проведершя промежуточной сатурации преддефекованиого сока
Проведенные исследования доказывают эффективность сатурации части сока в процессе предцефекации, однако при переработке подмороженной и подвяленной свеклы предлагаемая технология не всегда дает хорошие результаты. Главным образом, она предусматривает создание в подщелачиваемом соке центров коагуляции на основе дегидратированных частиц, образующихся в ходе сатурирования преддефекованного сока, с переносом без разрушения их структуры в I II секции горизонтального преддефекатора. Центры коагуляции формируются в преддефекованном соке при его сатурировании до рН 8. Для этого отбирают 50% сока из последней секции преддефекатора с рН 11 в сатуратор в виде трубы, сатурируют до указанного значения рН, а затем самотеком возвращают в секцию преддефекатора с соответствующим значением рН. Глубина сатурирования преддефекованного сока определяется высотой сатуратора. В известном способе она примерно равна удвоенной высоте корпуса горизонтального преддефекатора. Поскольку сатуратор в виде трубы одновременно является и гидравлическим подъемником, то для преодоления гидростатического давления в нем необходимо, чтобы плотность соко-газовой смеси была бы ниже плотности сатурируемого сока. При вертикальном расположении сатуратора для создания подъемной движущей силы необходима максимальная разность между плотностью сока и соко-газовой смеси. При насыщении преддефекованного сока сатурационным газом может иметь место интенсивное пенообразование, особенно при переработке свеклы длительного хранения. Вертикальное расположение корпуса трубчатого сатуратора затрудняет разделение сока и газа, поэтому в верхней части такого сатуратора размещают сепаратор.
Кроме того, возврат отсатурированного сока лишь в III секцию мало влияет на гидродинамику щелочных потоков в аппарате. Он может частично компенсировать потребность в суспензии СаСОз и уменьшить местное перещелачивание, вызванное этим возвратом. Данная технология не позволяет за счет саморегулирования устранить нарушение прогрессивности увеличения рН сока в преддефекаторе.
Поэтому требуется дополнительное исследование условий проведения процесса преддефекации и уточнение некоторых технологических параметров.
Значительное влияние на эффективность преддефекации оказывает количество извести, добавляемой в последнюю секцию профессивного преддефекатора при работе по технологии с сатурацией части сока в вертикальном сатураторе. Результаты проведенных нами опытов на заводских соках в конце производственного сезона представлены в табл. 2.3. Из табл. 2.3 видно, что увеличение количества дозируемой извести отрицательным образом влияет на скорость осаждения осадка преддефекованного сока и его объем, однако положительным образом сказывается на его фильтруемое. Поэтому при возникновении трудностей на станции фильтрации для снижения степени гидратированности осадка необходимо повысить расход извести в последнюю секцию преддефекатора и увеличить объем сока, направляемого в вертикальный сатуратор.
В ходе этих экспериментов было также изучено влияние сатурирования преддефекованного сока до значений рН 7,5...8,0 на свойства его осадка на основной дефекации, что показано на рис. 2.3, 2.4. Характер приведенных на них кривых подтверждает факт дегидратации и уплотнения частиц преддефекационного осадка. Это выражается в уменьшении объема V25 и увеличении скорости отстаивания S5. По результатам этих опытов установлено, что для заводских условий нижний предел сатурирования преддефекованного сока достаточно поддерживать в диапазоне рН 8,5...9,0. Причем, чем выше значение щелочности и рН сока, отбираемого из преддефекатора на промежуточную сатурацию, тем лучше качество очищенного сока и выше эффект очистки (табл. 2.4).
Ранее проведенные эксперименты (глава 2.1) позволили отметить положительное влияние обработки преддефекованного сока сатурационным газом. Было доказано, что многократное изменение щелочности в процессе преддефекации способствует улучшению свойств очищаемого сока за счет повторного осаждения (доосаждения) несахаров диффузионного сока.
Для уточнения влияния кратности переосаждения несахаров диффузионного сока в лабораторных условиях была проведена серия соответствующих опытов. В первом опыте проводили теплую прогрессивную преддефекацию диффузионного сока (Ч = 88,4%, рН2о 5,9) известковым молоком в количестве 0,3% к массе свеклы. Преддефекованный сок с рН2о 11,2, сатурировали диоксидом углерода до рН2о 8,7 и затем вновь прогрессивно подщелачивали до рН2о 11,2. В пробе сока определяли скорость осаждения S5, объем осадка V25, фильтрационный коэффициент F .
Затем в полученный сок добавляли 1,5% СаО к массе свеклы и проводили основную дефекацию в течение 10 мин до рН20 12,3, нагревали его до 85С, сатурировали до рН2о 11,0 и после этого анализировали. Фильтрат сока I сатурации подвергали II сатурации и выпаривали до содержания в сиропе 45% СВ. После этого определяли его чистоту и рассчитывали эффект очистки сока.
Во втором опыте диффузионный сок из той же пробы прогрессивно подщелачивали до рН 11,2, сатурировали углекислым газом до рН 8,0 (щелочность 0,02% СаО) и повторно подщелачивали известью до рН 11,2. Затем его вновь сатурировали до рН 8,7 и подщелачивали до рН 11,2. Общий расход извести на преддефекацию составил 0,4% СаО к массе свеклы. Обработанный таким образом преддфекованный сок подвергали основной дефекации, I и II сатурации при тех же условиях, что и в опыте 1.
В третьем опыте изменение рН2о сока до основной дефекации происходило по схеме: 5,9 - 11,2 - 8,7 - 11,2 - 8,7 - 11,2 - 8,7 - 11,2, то есть в этом опыте осаждение несахаров было четырехкратным. В четвертом опыте оно было пятикратным и в пятом опыте - шестикратным.
Полученные данные свидетельствуют о положительном влиянии увеличения кратности переосаждения веществ коллоидной дисперсности на эффект очистки, что достигается за счет многократного изменения щелочности преддефекованного сока. Однако повышение кратности рециркуляции несахаров приводит к некоторому увеличению расхода извести на очистку.
Влияние электроконтактной обработки на эффективность удаления несахаров диффузионного сока
Результаты описанных выше лабораторных исследований (глава 3.1) прошли проверку в заводских условиях. С этой целью было разработано и испытано на Алексеевском сахарном заводе устройство для электроконтактной обработки, схема которого приведена на рис. 3.2. Оно позволяет обрабатывать диффузионный сок после подщелачивания в электрическом поле различной напряженности, что достигается различным расстоянием между электродами. Последовательное изменение напряженности в данном устройстве позволяет более полно снижать устойчивость ВКД по сравнению с обработкой в стационарном электрическом поле. Вертикальное расположение корпуса устройства и коаксиальное расположение его цилиндрических трубчатых электродов способствует удалению продуктов электролиза воды при меньшем пенообразовании. Устройство может быть снабжено растворимым центральным электродом из AI, катионы которого, переходя в раствор, способны ближе чем ионы Са+ подойти к ядру мицеллы, вызвать ее дополнительное сжатие и снижение -потенциала. Растворение электродов можно регулировать изменением частоты электрического тока.
Схема трехфазного электроконтактного устройства для обработки диффузионного сока: 1 - корпус; 2 - внутренний электрод; 3 -средний электрод; 4 - внешний электрод; 5 - диэлектрическая изоляция мин. В первую и вторую секции прогрессивного преддефекатора возвращали нефильтрованный сок I сатурации в количестве 50... 100 % или суспензию осадка I или II сатурации в количестве 20...30 % к массе диффузионного сока. В последнюю секцию преддефекатора дозировали известковое молоко из расчета 0,25...0,27 % СаО и преддефекованный сок на выходе из нее делили на две части. Одну из них направляли на основную дефекацию, а другую, в количестве 25...75 % к массе диффузионного сока - в вертикальный сатуратор циркуляционного контура преддефекатора (рис. 2.1), где обрабатывали диоксидом углерода до рН2о 7,0...8,5 [83]. После сатурирования преддефекованный сок возвращали в соответствующую ему по рН секцию преддефекатора. Параллельно были проведены подобные опыты без электроконтактной обработки сока.
Таким образом, на основании проведенных опытов можно сделать вывод о том, что воздействие электрического поля на несахара диффузионного сока на начальной стадии очистки весьма эффективно. И поэтому необходимо продолжать исследования в этом направлении с целью изучения и дальнейшего усовершенствования методов электроконтактной обработки. 3.3. Физико-химические основы воздействия электрического поля на нссахара диффузионного сока и обоснование технологии их удаления
Основной целью известково-углекислотной очистки диффузионного сока является максимально возможное удаление из него различных несахаров. При этом современные схемы очистки позволяют удалить из сока лишь 35...40 % веществ коллоидной дисперсности (ВКД), а также растворимых органических и минеральных примесей. По мере ухудшения качества перерабатываемой свеклы, а значит и состава несахаров, этот показатель снижается, как и эффективность процесса преддефекации диффузионного сока. Особенно это касается недоосаждения ВКД и высокомолекулярных соединений (ВМС) в ходе преддефекационной обработки таких соков.
В результате незавершенных до основной дефекации реакций коагуляции белков и продуктов их деструкции, неполного осаждения кальциевых солей органических кислот и пектиновых веществ, формируется рыхлый гидратированный осадок, подверженный пептизации. Применение рН-паузы в диапазоне 10,8... 11,2 при ламинарном режиме перемешивания для стабилизации сформировавшегося осадка не ведет к желаемому результату, и он практически не уплотняется [95].
В то же время известные способы повышения эффективности предварительной дефекации не всегда позволяют обеспечить необходимые условия формирования структуры осадка. Применение при этом интенсивного нагревания или перемешивания сока ведет к потере веществами коллоидной дисперсности агрегативной устойчивости и образованию объемистого гидратированного коагулята. Его структура в дальнейшем предопределяет низкие фильтрационно-седиментационные свойства сока I сатурации.
Проведенные нами исследования показали, что электроконтактная обработка сока на стадии его прогрессивного подщелачивания приводит к дестабилизации ВКД и на начальном этапе очистки сока.
Согласно теории устойчивости коллоидных систем (теории Дерягина -Ландау - Фервея - Овербека - ДЛФО) [124] на некотором расстоянии между двумя частицами устанавливается баланс межмолекулярных сил притяжения и сил ионно-электростатического отталкивания. В результате между частицами коллоидной системы формируется энергетический барьер, препятствующий их дальнейшему сближению. Величина энергетического барьера определяет продолжительность существования коллоидной системы. С течением времени силы отталкивания ослабевают, и происходит коагуляция частиц.
Разработка математической модели процесса флотации частиц коагулята несахаров диффузионного сока
При наиболее полном и строгом анализе изменения дисперсионных свойств взвешенных в жидкостном объеме частиц исходят из фундаментальных законов сохранения массы и импульса по каждой из фаз коллоидной системы, а также используя кинетическое уравнение баланса коагулирующих частиц, аналогичное уравнению Смолуховского [124].
Как следует из (4.7), (4.12), в рамках рассматриваемой итеративной процедуры в нулевом приближении СПР частиц несахаров по исследуемому объему диффузионного сока в силу принятого алгоритма является такой же, как и в начальный момент времени. Поэтому коагуляция частиц несахаров не выявляется. Вычисление первого и последующих приближений может быть реализовано по некоторому классу функций для счетного начального распределения дисперсионной фазы (частиц несахаров).
Поскольку для количественного анализа процесса флотации наибольший интерес представляет не плотность распределения частиц несахаров по массам в рассматриваемом объеме, а нормированная на N функция распределения (значение которой дает относительную величину числа частиц размером не больше заданного), т.е.
Проведенные расчеты позволили получить эмпирическое уравнение для определения количественного содержания в соке частиц и агрегатов из них в зависимости от физических параметров, а также продолжительности флотации.
Полученное количество частиц в исходной смеси характеризует состояние суспензии (диффузионного сока) в нулевом приближении и является таким же, как и в начальный момент времени, то есть при отсутствии агрегатирования частиц. В таком случае процесс флотации частиц с массами т\ и m2 [R(m) = (3m / 4л:рт),/3] будет характеризоваться графиком, представленным на рис. 4.5. Представленная на рис. 4.5 динамика флотации частиц с массами іти и т2 может быть связана либо с малой вероятностью соударения частиц такого размера с пузырьками воздуха, либо с флотацией мелкими пузырьками, как, например, при электрофлотации, когда архимедовой силы отдельного пузырька обычно недостаточно для подъема крупных частиц или агрегатов из них. Поэтому частицы хаотически движутся в жидкости до тех пор, пока на них не закрепится достаточное для всплывания в данных гидродинамических условиях количество пузырьков.
В то же время определение приближений более высокого порядка имеет принципиальное значение, так как каждая последующая ступень позволяет рассчитать относительное счетное содержание в соке агрегатов из частиц, соответствующих (по числу частиц в агрегате) порядку приближения.
Как известно, электрофлотация является более эффективным способом, нежели обычная флотация [63]. При прохождении постоянного или переменного электрического тока между электродами, погруженными в жидкость, происходит электролиз воды, вследствие чего на катоде образуются пузырьки газа в результате разряда ионов водорода, которые прилипают к взвешенным веществам и флотируют их на поверхность жидкости. Металл анода (алюминий, железо) растворяется с образованием соответствующих гидроокисей, которые адсорбируют из жидкости взвешенные вещества, коллоиды, микроорганизмы и флотируются пузырьками водорода на поверхность [130]. Кроме этого, электрофлотация отличается бактерицидной эффективностью вследствие высокой окислительной способности выделяющегося на аноде кислорода [120].
Существующие предложения по использованию электрофлотации в сахарной промышленности для отделения осадка преддефекованного сока [30] не нашли практического применения. Это связано с тем, что осадок, формирующийся на преддефекации при работе по типовой схеме, содержит частицы СаСОз- Повышенная плотность такого осадка затрудняет электрофлотацию и снижает эффект разделения фаз.
Для исследования эффективности электрофлотации для удаления несахаров нами было использовано электроконтактное нагревательное устройство (рис. 3.1). Оно состоит из прозрачной цилиндрической емкости 9, в которой коаксиально размещены цилиндрические электроды 3 и 4 нагревателя, выполненные из нержавеющей стали и подключенные к сети переменного тока через реостат 5. Для измерения температуры сока использовали электронный термометр 1, термопара 2 которого была помещена в средней части межэлектродного пространства. Для измерения электроэнергетических характеристик установки для нагревания диффузионного сока в схеме предусмотрены амперметр 8 и вольтметр 7. Флотируемый коагулят удаляли через лоток в верхней части емкости.
Эксперименты проводили на диффузионном соке Мелеузовского сахарного завода в сезон 2000 г. Известно, что диффузионный сок - это поликомпонентная система, имеющая относительно низкий -потенциал. При коагуляции таких систем происходит нейтрализация зарядов коллоидных частиц, электростатические силы отталкивания между ними уже не препятствуют их соединению, частицы постепенно укрупняются и образуют коагулят.
Диффузионный сок также можно рассматривать как электролит, поскольку все содержащиеся в нем соединения в той или иной степени диссоциированы на ионы. Количество этих ионов возрастает с увеличением температуры сока за счет увеличения диссоциации молекул несахаров. При этом концентрация сахарозы практически не влияет на интенсивность электроконтактного нагрева, поскольку чистая сахароза не проводит электрический ток.
Опыты проводили с диффузионным соком, предварительно нагретым до температуры 60...80С, поскольку в этом температурном диапазоне, как было установлено ранее, возрастает скорость образования хлопьев и скорость флотации частиц коагулята. Кроме этого, для получения газовых пузырьков использовался переменный электрический ток, который, в отличие от постоянного, эффективнее разрушает коллоидную систему диффузионного сока. Было обнаружено, что совместное воздействие переменного электромагнитного поля и высокой температуры вызывает потерю агрегативной устойчивости веществ коллоидной дисперсности (ВКД), и как следствие, происходит осветление сока одновременно с формированием в нем коагулята. При определенных условиях коагулят флотирует и может быть отделен.
