CC BY
82
ПЕРЕРАБОТКА
]
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11223
УДК 664.14.63
новые технологии кристаллизации сахарозы
в. и. тУЖилкин1, доктор технических наук, член-корреспондент ран, профессор (e-mail: tvi39@yandex.ru)
М. Г. БАлыХин1, доктор экономических наук, профессор (e-mail: mgupp@mgupp.ru) н. д. лУкин2, доктор технических наук, директор (e-mail: vniik@arrisp.ru) в. А. ковАлЁнок2, доктор технических наук, профессор (e-mail: vak-49@mail.ru) Московский государственный университет пищевых производств, Волоколамское ш., 11а, Москва, 125080, Российская Федерация 2Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов - филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН, ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Люберецкий р-н, Московская обл., 140051, Российская Федерация
Резюме. В последние годы сахарная промышленность Российской Федерации бурно развивается, демонстрируя положительную динамику в выработке готовой продукции. Современная кристаллизация сахарозы базируется на двух фундаментальных процессах: периодического и непрерывного уваривания сахарныхутфелей. Периодическая кристаллизация, несмотря на недостатки этой технологии, продолжает превалировать на сахарных заводах не только России, но и за рубежом, и у неё ещё есть резервы совершенствования. Непрерывная кристаллизация пока не находит широкого распространения из-за дороговизны оборудования и конструкторских недоработок ряда узлов, и вряд ли в ближайшее десятилетие произойдёт полная замена вакуум-аппаратов периодического действия. Одно из перспективных направлений - альтернативная технология полунепрерывной кристаллизации сахарозы, концепция которой в последние годы активно развивается. В статье приводится анализ и сравнение результатов машинного эксперимента, полученных при моделировании традиционной (типовой) технологии периодического уваривания всех ступеней кристаллизации и альтернативной технологии полунепрерывной кристаллизации сахарозы, показано несомненное преимущество последней. Приведены примеры других направлений развития процесса изобарической испарительной кристаллизации сахарозы.
Ключевые слова: кристаллизация сахарозы, технологический процесс, математическая модель, моделирование. Для цитирования: Новые технологии кристаллизации сахарозы / В. И. Тужилкин, М. Г. Балыхин, Н. Д. Лукин и др. // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 12. С. 82-85. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11223.
В основе технологии сахарного производства лежат весьма разнообразные и сложные процессы, физико-химические превращения, теплотехнические и гидродинамические преобразования. Системный подход к обоснованию процесса массовой кристаллизации позволил выделить различные способы, составляющие основу технологии кристаллизации [1, 2]. Для изучения проблемы и поиска новых направлений создания альтернативных технологий авторы исходили из следующих аспектов:
смысловой, то есть предварительный анализ априорной информации об известных технологических, физико-химических, тепловых и гидродинамических особенностях процесса кристаллизации сахарозы;
математический, который предусматривает качественный анализ основных кинетических закономерностей протекания исследуемого режима кристаллизации на основе методов математического моделирования;
экспериментальный, то есть количественный и качественный анализ информации о процессе и объекте в динамике.
Второй и третий аспекты системного подхода предполагают синтез структуры распределения материальных потоков и обобщение результатов исследования процесса и объекта в целом.
В литературе и производственной практике хорошо известны две технологии изобарической испарительной кристаллизации сахарозы:
традиционная (классическая) периодического уваривания сахарных утфелей. Ей присущи такие недостатки, как нестабильность получаемых параметров сахарных утфелей, связанная с плохой воспроизводимостью условий кристаллообразования и роста кристаллов, и неэффективный контроль и управление [3];
непрерывная технология кристаллизации сахарозы. Отрицать ее перспективность не приходиться [3]. Но, вероятно, в ближайшие годы аппараты непрерывного действия вряд ли заменят все вакуум-аппараты периодического действия из-за дороговизны и нестабильных качественных показателей готового сахара-песка.
Цель исследований - разработка новых положений теории и практики промышленной кристаллизации сахара, а также изучение возможности практического использования математического аппарата моделирования для определения кинетики и динамики протекания технологических процессов кристаллизации.
Условия, материалы и методы. Экспериментальные методы сложно реализовать на действующих объектах, при этом информация о новых свойствах бывает необходима ещё на стадии разработки и проектирования. Эффективным и достаточно распространённым методом, применяемым при разработке и исследовании технологических процессов и объектов, в последние годы стало математическое моделирование на основе машинного эксперимента [4]. Оно даёт ответы на многие вопросы ещё на этапе предварительного исследования процесса и позволяет определить оптимальные режимы и схемы технологических процессов при желаемых значениях параметров без значительных затрат трудовых и материальных ресурсов на реализацию неэффективных регламентов. Этот метод и был выбран для проведения нашего исследования.
В основу создания математической модели исследуемого процесса изобарической кристаллизации сахарозы положили математическое описание и уравнения, представленные в работе [3]. Для оценки критерия адекватности модели и оригинала на их входы подавали равные по величине сигналы различных параметров, в частности, температуры, давления (разрежения), различных значений концентрации, пересыщения и др. В результате оценки
соответствия была показана адекватность модели и оригинала, поскольку среднее расхождение сигналов не превышало требуемой величины.
Первый эксперимент поставили для аппарата 60 т при отборе на последующие стадии 1/3 (20 т) массы утфеля. Несомненно, что для создателей (конструкторов) нового оборудования и практиков представляет интерес изучение влияния первоначально набираемой массы «затравочного» утфеля на процесс изобарической испарительной кристаллизации. С этой целью провели дополнительное исследование, в котором моделировали процесс уваривания утфеля I, II, III кристаллизации по типовому и предлагаемому способу с последовательным отбором утфелей по ступеням кристаллизации в количестве 15 т (коэффициент отбора утфеля Kotb = 1/4). «Затравочный» утфель в обоих экспериментах имел следующие характеристики: чистота (доброкачественность) -Db=0,83 ед.; концентрация - Cv=0,907 ед.; коэффициент пересыщения - Pz=1,1 ед., размер кристаллов сахарозы - d^^OOO^.
Результаты и обсуждение. Известно, что с увеличением длительности сезона производства сахара корпуса выпарной установки подвергаются инкрустации (загоранию) поверхности нагрева. Это ухудшает теплообмен и вызывает понижение концентрации сиропа с последнего корпуса до содержания сухих веществ сиропа СВс <65 %. Однако известны также способы выпаривания с доведением концентрации сиропа до СВс>80 % [5].
Всесторонний анализ с использованием методов математического моделирования технологий кристаллизации из низко- и высоко концентрированных сиропов показал, что если осуществлять кристаллизацию при постоянном пересыщении с использованием сиропов с содержанием СВс<65 % и чистотой сиропа Чс=88.. .93 %, то концентрация утфеля СВу=92 % достигается при спуске с недоиспользованием полезного объема вакуум-аппарата. Наоборот, при поступлении на уваривание продукта высокой концентрации вакуум-аппарат переполняется готовым утфелем [6]. В связи с этим разработали новую технологию кристаллизации с использованием сиропов двух концентраций. Сущность её состоит в том, что сначала кристаллизацию осуществляют, подавая сироп с содержанием СВс<65%, азатем, в строго определённое время, начинают подавать сироп высокой концентрации с СВ>65 % той же чистоты, поддерживая в течение всего цикла наращивания кристаллов постоянное пересыщение (см. рисунок).
Рисунок. Графическая интерпретация предлагаемого способа (по оси ординат - масса утфеля Му3, кг, по оси абсцисс - время т, ч).
Для практической реализации этого способа составили специальный алгоритм управления, который, вне зависимости от качества увариваемого продукта, технологических, физико-химических и теплотехнических показателей, обеспечивает достижение требуемой конечной концентрации утфеля СВу=0,92±0,5 и массы утфеля Му=59,5...60,0 т при его готовности к спуску.
Недостаток этого способа заключается в необходимости монтажа дополнительного выпарного аппарата для получения сиропа высокой концентрации той же чистоты, что и сироп низкой концентрации. Такая проблема решается с помощью другого способа кристаллизации, сущность которого заключается в том, что кристаллизацию осуществляют с использованием раздельно сиропа с выпарной установки с концентрацией СВс <65 %, чистотой Чс и концентрированной клеровки с СВкл>65 %, чистотой клеровки Чкл (без предварительного смешивания). Управление процессом осуществляют по специально разработанному алгоритму.
Предложена и обоснована другая технология изобарической испарительной кристаллизации сахара с использованием прогрессивно возрастающей концентрации подкачиваемого раствора. Сущность её заключается в том, что осуществляют непрерывное смешивание сиропа с низкой концентрации СВс и чистотой Чс, поступающего с выпарной установки, с концентрированной клеровкой СВкл с чистотой Чкл Эта смесь с прогрессивным ростом концентрации поступает на уваривание утфеля, управление которым осуществляется, как и в предыдущих случаях, по специально разработанному алгоритму [3].
Возвращаясь к проблеме разработки новых технологий изобарической испарительной кристаллизации сахарозы, отметим, что её обоснование достаточно развёрнуто изложено ранее в работах [4, 6]. Такая технология может быть реализована в рамках полунепрерывного режима, согласно классификации процессов химической технологии, для случая, когда в вакуум-аппарате при непрерывной загрузке увариваемого продукта осуществляется периодическая выгрузка готового продукта [7].
Напомним, что сущность предлагаемой технологии состоит в устранении стадии сгущения увариваемого продукта до лабильного состояния или её переносе на отдельную ступень выпаривания, введении в вакуум-аппарат готовой кристаллической массы, равной первоначальному набору утфеля, и создании условий роста кристаллов в метастабиль-ной зоне наращивания кристаллов до готовности к спуску в течение полного цикла уваривания утфеля в периодически действующих вакуум-аппаратах при условии непрерывности подачи увариваемого продукта и поддержания постоянного значения коэффициента пересыщения в метастабильной зоне роста кристаллов.
Это означает, что из процесса уваривания утфелей исключаются три важнейших стадии:
сгущение увариваемого продукта до заводки кристаллов;
образование центров кристаллизации; наращивание кристаллов до размера порядка 0,2.0,3 мм.
В работе [4] показаны возможные варианты практической реализации технологии полунепрерывной кристаллизации, которые сводятся к следующему:
Таблица 1. результаты уваривания утфелей с использованием «затравочного» утфеля ФЬ=0,83; ^=0,907; Pz=1,1, dkp=0,0001м) при отборе 1/3 (20 т) массы утфеля на последующие стадии для аппарата 60 т*
Вариант Показатель
CVy3 DBm3 CVm3 Mcd3 Mkrob3 Mvi1 Mvi3 muy mum k Nz0
Утфель I: типовая 0,92 0,768 0,832 64923 31433 4053 20871 0,00040 11,22 0,433 3,10 3,15е11
предлагаемая 0,93 0,756 0,832 57939 34998 17939 0,00015 14,2 0,423 0,85 6,57e12
Утфель II: типовая 0,93 0,664 0,871 65846 27573 4497 21355 0,00038 28,97 1,931 4,90 3,15е11
предлагаемая 0,94 0,597 0,874 46098 31548 16098 0,00021 66,68 1,913 3,49 2,19e12
Утфель III: типовая 0,94 0,600 0,896 66769 25403 4850 21920 0,00037 91,02 8,369 6,19 3,15е11
предлагаемая 0,96 0,520 0,926 44649 27772 15165 0,00029 2,896 3,238 2,84 7,3e11
Всего:
типовая 197539 84409 77540 14,19
предлагаемая 148685 94319 39201 7,18
* Db - чистота (доброкачественность) затравочного утфеля, в долях единицы; Cv - концентрация затравочного утфеля, в долях единицы; Pz - коэффициент пересыщения, ед.; dlv - размер кристаллов сахарозы, м; CVy3 - конечное содержание СВ утфеля, в долях единицы; DBm3 - чистота (доброкачественность) добавляемого сиропа или оттёка, в долях единицы; CVm3 - сухие вещества межкристального раствора или оттёка, в долях единицы; Mcd3 - масса добавленного сиропа или оттёка, кг; Mkrob3 - масса выкристаллизовавшегося сахара, кг; Mvi1 - масса испарённой воды при сгущении сиропа или оттёка, кг; Mvi3 - масса испарённой воды при росте кристаллов, кг; Nz0 - начальное число кристаллов в утфеле, шт.; muy - вязкость утфеля, Па с; mum - вязкость межкристального раствора, Па с; t - температура уваривания, оС.
получение сахара с использованием кристаллической основы утфеля, готового к спуску;
использование искусственно приготовленного «затравочного» утфеля путём смешивания кристаллов с жидкой фазой;
применение «маточного раствора»; перенос стадии сгущения сиропа до лабильного состояния на отдельную ступень выпаривания;
отбор утфелей предыдущих или последующих ступеней с использованием их в дальнейшем в качестве кристаллической основы; другие варианты.
Из рассмотренных вариантов реализации технологии полунепрерывной кристаллизации наибольший интерес представляет кристаллизация с использованием искусственно приготовленного «затравочного» утфеля путём смешивания с сиропом кристаллов 2-й ступени. Она реализуется следующим образом: после набора «затравочного»
утфеля в вакуум-аппарат происходит рост кристаллов в метастабильной зоне с коэффициентом пересыщения (П), равным 1,12, при непрерывной подаче сиропа до достижения предельного уровня утфеля 1 в вакуум-аппарате, после чего отбирают 1/4 части готового к спуску утфеля 1 в вакуум-аппарат второй ступени кристаллизации. Оставшиеся 3/4 части спускают в приёмную мешалку или доваривают в этом вакуум-аппарате до полного объёма и направляют на центрифугирование.
На отобранной 1/4 части утфеля 1 уваривают утфель 2, подавая соответствующие оттёки, образовавшиеся после центрифугирования утфеля 1. При достижении утфелем 2 готовности к спуску вновь отбирают 1/4 часть и направляют на уваривание утфеля 3. Оставшиеся 3/4 части утфеля 2, как и в случае с утфелем 1, спускают в приёмную мешалку или доваривают до полного объёма и направляют на центрифугирование.
Таблица 2. результаты уваривания утфелей с использованием «затравочного» утфеля ФЬ=0,83; ^=0,907; Pz=1,1, dkp=0,0001м) при отборе 1/4 (15 т) объёма массы утфеля на последующие стадии для аппарата 60 т*
Вариант Показатель
CVy3 DBm3 CVm3 Mcd3 Mkrob3 Mvi1 Mvi3 dkp muy mum Nz0
Утфель I: типовая 0,92 0,7678 0,832 64923 31433 4053 20871 0,00040 11,22 0,433 3,104 3,15е+11
предлагаемая 0,93 0,7517 0,8332 64915 34821 19917 0,000165 15,00 0,439 1,09 4,93e+12
Утфель II: типовая 0,93 0,6639 0,8705 65846 27573 4497 21350 0,000381 28,97 1,931 4,896 3,15е+11
предлагаемая 0,94 0,5965 0,8737 46098 31489 16097 0,000230 64,63 1,937 3,683 1,6e+12
УтфельИ I: типовая 0,94 0,5997 0,896 66769 25403 4850 21920 0,000371 91,02 8,369 6,185 3,15е+11
предлагаемая 0,96 0,5199 0,9256 44649 27753 15145 0,000318 3,26 2,897 3,219 5,47e+11
Всего:
типовая 197539 84409 77540 0,00115 14,19
предлагаемая 155662 94062 41160 0,00071 7,99
* Db - чистота (доброкачественность) затравочного утфеля, в долях единицы; Cv - концентрация затравочного утфеля, в долях единицы; Pz - коэффициент пересыщения, ед.; dK[> - размер кристаллов сахарозы, м; CV^у3 - конечное содержание СВ утфеля, в долях единицы; DBm3 - чистота (доброкачественность) добавляемого сиропа или оттёка, в долях единицы; CVm3 - сухие вещества межкристального раствора или оттёка, в долях единицы; Mcd3 - масса добавленного сиропа или оттёка, кг; Mkrob3 - масса выкристаллизовавшегося сахара, кг; Mvi1 - масса испарённой воды при сгущении сиропа или оттёка, кг; Mvi3 - масса испарённой воды при росте кристаллов, кг; Nz0 - начальное число кристаллов в утфеле, шт.; muy - вязкость утфеля, Па с; mum - вязкость межкристального раствора, Па с; t - температура уваривания, оС.
Таблица 3. результаты изучения двух вариантов технологий*
Параметры исследуемой технологии Изменения в ходе исследования предлагаемой технологии с перетяжкой утфелей относительно типовой технологии уваривания, %
с Ко=1/3 (20 т) с Кот=1/4 (15 т)
Mvi - 49,4 - 46,9 Mcd3 - 24,7 - 21,2 tyB. - 49,4 - 43,4 Mkrob3 + 10,6 + 10,3 Производительность +54,7 +49,5
*«-» - сократилось на п %; «+» - увеличилось на п %.
На третьей ступени процедура повторяется, но уже с утфелем 2. При достижении утфелем 3 готовности его спускают и направляют на политермическую кристаллизацию для охлаждения.
Таким образом, получен законченный цикл изобарической испарительной кристаллизации всех продуктовых утфелей на кристаллической основе. Все его положительные эффекты можно проследить, анализируя результаты машинного эксперимента (табл. 1), в котором для сравнения моделировали процесс традиционной (типовой) технологии. Результаты исследований (см. табл. 1) свидетельствуют, что для аппарата 60 т при отборе на последующие стадии 1/3 (20 т) массы утфеля на кристаллической основе, по сравнению с типовой технологией уваривания, расход пара снижается на 49,4 %, масса добавляемого сиропа и оттёков - на 24,7 %, время кристаллизации сахара - на 49,4 %, масса выкристаллизовавшегося сахара возрастает на 10,6 %, «производительность»
(отношение общей массы выкристаллизовавшегося сахара I, II, III к общему времени кристаллизации этих утфелей) - на 54,7 %.
Для утфеля на кристаллической основе при вводе «затравочной» массы в количестве Kotb = 1/4, или 15 т, по сравнению с типовым увариванием утфеля, расход пара снижался на 46,9 %, масса добавляемого сиропа на уваривание - на 21,2 %, время кристаллизации -на 43,7 %; масса выкристаллизовавшегося сахара возрастает на 10,3%; «производительность» продуктового отделения в целом - на 49,5 % (табл. 2).
При анализе результатов, полученных в ходе машинного эксперимента с отбором Kotb = 1/4 (20 т) и 1/3 (15 т), отмечено некоторое преимущество технологии полунепрерывной кристаллизации с отбором с Kotb=1/3, в сравнении с Kotb =1/4 (табл. 3).
выводы. Таким образом, разработанная информационно-моделирующая система позволяет не только определять длительность процессов изобарической испарительной кристаллизации сахарозы с учётом состава примесей различных регионов и зон свеклосеяния, но и влияние числа, размера, формы кристаллов, расход пара и количество выпаренной воды. Она может быть рекомендована для обоснования, проектирования и создания новых технологий кристаллизации углеводсодержащих продуктов.
Особо следует подчеркнуть, что ее можно с успехом применять в научных исследованиях и в образовательном процессе, для обоснования технологических регламентов и прогнозирования. При соответствующей доработке эта система пригодна и для таких пищевых отраслей, как крахмалопаточная, кондитерская и др.
Литература.
1. Тужилкин В. И., Сорокин А. И., Гольденберг С. П. Моделирование и математические модели технологических процессов сахарного производства (монография). М.: ИК МГУПП, 2009. 140 с.
2. Коваленок В. А., Тужилкин В. И. Расчёт массы выпаренной воды и добавляемого сиропа при кристаллизации сахарозы в вакуум-аппаратах. //Пищевая и перерабатывающая промышленность. 2012. № 5. С. 42-48.
3. Тужилкин В. И. Кристаллизация сахара (монография). М.: ИК МГУПП, 2007. 336 с.
4. Обоснование новых технологий изобарической и политермической кристаллизации сахарозы / В. И. Тужилкин, В. А. Ковалёнок, С. М. Петров и др. // Инновационные решения при производстве продуктов питания из растительного сырья: Материалы Международной научно-практической конференции (Воронеж, 25-26 сентября 2014 г.). Воронеж: Научная книга, 2014. С. 48-56.
5. Тужилкин В. И., Ковалёнок В. А., Шальнева В. А. Уваривание утфелей из сиропов двух концентраций // Сахар. 2011. № 4. С. 1-5.
6. Tuzhilkin V., Urazbayeva K., Alibekov R. Semicontinuos sugar crystallization. // Journal of industrial technology and engineering. 2012. Vol. 2 (3). Pp. 11-18.
7. Управление увариванием утфелей на основе кинетических закономерностей кристаллизации сахарозы в вакуум-аппарате / С. М. Петров, Е. Е. Миленко, С. Л. Филатов и др.// Сахар. 2009. № 10. С. 39-43.
New Technologies of Sucrose Crystallization
V. I. Tuzhilkin1, M. G. Balykhin1, N. D. Lukin2, V. A. Kovalenok2
'Moscow State University of Food production, Volokolamskoe sh., 11a, Moskva, 125080, Russian Federation 2All-Russian Research Institute of Starch Products - the branch of the V. M. Gorbatov Federal Science Center of Food Systems of the RAS, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Lyuberetskii r-n, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation Abstract. In recent years, the sugar industry of the Russian Federation has been booming, demonstrating a positive trend in the production of finished products. Modern sucrose crystallization is based on two fundamental processes: periodic and continuous boiling sugar massecuites. Periodic crystallization, despite shortcomings of this technology, continues to prevail at the sugar plants not only in Russia but also abroad, and it has reserves for the improvement. Continuous crystallization is not yet widespread due to the high cost of equipment and design flaws in a number of nodes, and it is unlikely that in the next decade there will be a complete replacement of vacuum apparatus of periodic action. One of the promising areas is the alternative technology of semi-continuous crystallization of sucrose, the concept of which has been actively developed in recent years. The article provides an analysis and comparison of the results of a machine experiment obtained by simulating the traditional (typical) technology of periodic boiling of all crystallization stages and alternative technology of semi-continuous crystallization of sucrose, the undoubted advantage of the latter is shown. Examples of other directions of development of the process of isobaric vaporizing crystallization of sucrose are given.
Keywords: sucrose crystallization; technological process; mathematical model; modeling.
Author Details: V.I. Tuzhilkin, D. Sc. (Tech.), corresponding member of the RAS, prof. (e-mail: tvi39@yandex.ru); M.G. Balykhin, D. S. (Econ.), prof. (e-mail: mgupp@mgupp.ru); N.D. Lukin, D. Sc. (Tech.), director (e-mail: vniik@arrisp.ru); V.A. Kovalenok, D. Sc. (Tech.), prof. (e-mail: vak-49@mail.ru).
For citation: Tuzhilkin V. I., Balykhin M. G., Lukin N. D., Kovalenok V. A. New Technologies of Sucrose Crystallization. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 12. Pp. 82-85 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11223.
