CC BY
5УДК 664.1.054
doi.org/10.24412/2413-5518-2022-12-38-44
Об использовании slurry как аналога маточного утфеля для полной заводки кристаллов при уваривании первого продукта
С.Л. ФИЛАТОВ1
С.М. ПЕТРОВ, д-р техн. наук, профессор (e-mail: petrovsm@mail.ru)2 Н.М. ПОДГОРНОВА, д-р техн. наук, профессор2 Р.А. ШРАМКО1, В.М. ДУМЧЕНКОВ1 Р.Ф. АХУНОВА3, Р.Н. БЕЛИНСКИЙ3
1 ООО «НТ-Пром»
2 ФГБОУ ВО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского (ПКУ)»
3 ООО «Раевсахар»
Введение
Предъявляемые к утфелю первого продукта технологические и экономические требования (высокий выход и однородная масса кристаллов, хорошая центрифу-гируемость, минимальные потери сахара при сушке) зависят от эффективности осуществления стадии кристаллообразования при его уваривании в вакуум-аппаратах периодического действия (ВАПД). Для повышения эффективности процесса уваривания проводятся исследования кристаллострукту-ры утфеля с помощью микроскопа со встроенной цифровой камерой для непрерывного вывода изображения на экран компьютера [6].
Гранулометрический состав белого сахара как показатель качества приобретает всё большее значение в свеклосахарном производстве. Для управления кри-сталлоструктурой утфелей в процессе уваривания следует учитывать различные технологические параметры, влияющие на размер и дисперсию кристаллов. Чтобы точнее оценивать влияние управляющих факторов, целесообразно стабилизировать содержание сухих веществ и объём стандартного сиропа в вакуум-аппарате, а также интенсивность нагрева в качестве постоянных параметров в процессе кристаллизации [2].
Цель исследования
Целью исследования являлось совершенствование технологии полной заводки кристаллов при уваривании утфеля с использованием затравочной суспензии (slurry), полученной методом мокрого измельчения.
Неравномерное распределение кристаллов сахара по размерам — одна из распространённых причин нестабильности производственных процессов центрифугирования утфеля, сушки, которая отражается также на способности его к хранению [1]. Основные требования к качеству сахара, касающиеся гранулометрического состава, выражаются в следующем: размеры кристаллов от 0,63 до 1,0 мм, содержание мелких кристаллов (0,25-0,315 мм) - не более 4 %, содержание сахарной пыли (размер кристаллов < 0,25 мм) — не более 1 %. Считается, что 70 % белого кристаллического сахара должны иметь размер более 0,4 мм [8].
Достижение такого распределения кристаллов является недостаточно надёжно решённой технологической проблемой и имеет большое практическое значение для кристаллизации сахара. Основная причина дисперсии размеров кристаллов утфеля первого продукта в вакуум-аппаратах периодического действия - разброс
скоростеи их роста на гранях кристаллов. Такой эффект называется дисперсией скорости роста (growth rate dispersion — GRD). Этот разброс скоростей поддерживается по мере роста кристаллов с момента образования зародышей, что даёт результирующую дисперсию их размеров, измеряемую с помощью коэффициента вариации (coefficient of variation — CV) кристаллов сахара. Если диапазон дисперсий скорости роста затравочных кристаллов низкий, возрастает вероятность того, что в процессе кристаллизации может получиться продукт более однородного гранулометрического состава. В литературе отмечено, что разброс скоростей роста затравочных кристаллов, образованных методом мокрого измельчения, отличается низкой величиной [2, 3].
Анализ существующего уровня
технических решений
Нынешняя практика заводки кристаллов при уваривании утфе-ля имеет три варианта реализации:
— шоковая (инициирующая) заводка кристаллов сахарной пудрой;
— полная заводка кристаллов затравочной суспензией (slurry);
— полная заводка кристаллов затравочным (маточным) утфелем.
38 САХАР № 12 • 2022
Когда осуществляется полная заводка кристаллов, в пересыщенный сироп (коэффициент пересыщения а = 1,08—1,10) в вакуум-аппарат вводится необходимое количество кристаллов, присутствующих в суспензии или затравочном утфеле. Полная заводка кристаллов является рекомендуемым способом кристаллообразования. Для шоковой заводки требуется более высокое пересыщение (выше предела зародышеобразова-ния, а > 1,135) в метастабильной зоне, чтобы инициировать зароды-шеобразование путём добавления затравочных кристаллов в сироп. Отсутствие достоверных онлайн-данных по а выступает существенным ограничением в обоих случаях заводки кристаллов [4].
В настоящее время наиболее надёжной системой, обеспечивающей требуемое качество сахара при уваривании утфелей, является технология кристаллообразования, основанная на использовании затравочного (маточного) утфеля. Однако она предусматривает использование дополнительного оборудования, создание контура постоянной циркуляции маточного утфеля для обеспечения постоянной готовности его дозирования и значительные капитальные затраты. Наиболее широкое применение на сахарных заводах России получил способ одностадийного уваривания маточного утфеля, который включает в себя приготовление затравочной суспензии (slurry) измельчением сахара в изопропа-ноле, получение среднедисперс-ных систем (классифицируются 0,1—10 мкм) с частицами размером 5—10 мкм и использование slurry в количестве, достаточном для полной заводки кристаллов при уваривании затравочного ут-феля до заданного содержания и размера кристаллов 200—250 мкм. Этот процесс осуществляется в отдельном вакуум-аппарате с механическим циркулятором [9].
Технология применения затравочного утфеля при уваривании утфеля I кристаллизации заключается в следующем. В аппаратах первого продукта уваривается сироп до вязкости, соответствующей вводу затравки. После этого подаётся определённое количество затравочного утфеля, соответствующее полной заводке необходимого количества кристаллов. Масса затравочного утфеля рассчитывается в зависимости от заданного размера конечного кристалла и кристаллосодержания. После введения затравочного утфеля непосредственно реализуется период наращивания кристаллов сахара. В результате изменения традиционного этапа шоковой заводки кристаллов сокращается время уваривания, увеличивается однородность кристаллов, повышается управляемость процесса.
К недостаткам использования технологии затравочного утфеля для заводки кристаллов в ВАПД относятся:
— необходимость создания сложного термостатируемого контура для постоянной циркуляции маточного утфеля. Требуется дополнительное оборудование: отдельный ВАПД, термостатируемые приёмная мешалка и циркуляционный трубопровод, утфельные насосы, расходомер, плотномер и др.;
— сложность точного дозирования расчётной массы маточного утфеля в ВАПД, которое ограничивается применением в промышленности расходомеров объёмного типа. К массовым расходомерам относятся только кориолисовые, которые имеют ограничения в применении на утфелях;
— дозирование маточного утфеля продолжительностью 3—5 мин. в количестве 1—2 т на ВАПД создаёт транспортное запаздывание и как результат дополнительную неоднородность кристаллов;
— высокая стоимость решения системы контура постоянной цир-
куляции затравочного утфеля для обеспечения надёжной работы.
Результаты экспериментов
и их анализ
Существует множество различных параметров, влияющих на процесс уваривания сахара в вакуум-аппаратах периодического действия. Некоторые из них фиксированы исходной конструкцией (тип аппарата или циркуляция в нём), в то время как другие постоянно варьируются и коррелируют-ся между собой (чистота сиропа, размер и качество затравочных кристаллов, подача пара, температура, вакуум, концентрация, уровень пересыщения, продолжительность каждого этапа и т. д.). Для получения утфеля хорошего качества необходимо установить наилучшую последовательность операций по этим параметрам и обеспечить правильное применение выбранной стратегии для каждого типа вакуум-аппарата и каждой заводки кристаллов.
Количество slurry и объёмный расход маточного утфеля являются параметрами, которые нужно изменять для управления гранулометрическим составом белого сахара.
Анализ использования затравочных материалов показал, что возможно дальнейшее развитие технологии полной заводки необходимого численного количества кристаллов на основе применения затравочной суспензии (slurry), полученной методом мокрого измельчения сахара в шаровых мельницах. Недоработка предыдущих решений заключалась в недостаточно точной оценке количества кристаллов в slurry.
Для полидисперсной системы slurry необходимо применять следующую двухпараметрическую оценку (рис. 1):
— размер кристаллов в полидисперсной системе;
— число кристаллов в единице массы (объёма).
№ 12 • 2022 САХАР
39
Погрешности измерения имели место в определении каждого из этих двух параметров, что обусловлено следующими обстоятельствами. При микроскопиро-вании недостаточно учитывалась разрешающая способность оптических микроскопов, обсчитывалось малое количество частиц (недостоверные статистические результаты определения их размеров), мелкая фракция обломков кристаллов (см. рис. 1) безусловно растворялась в вакуум-аппарате, что создавало дополнительную погрешность определения их количества [5].
В современных технологиях кристаллизации сахарозы правильное дозирование затравочной суспензии позволяет на стадии заводки кристаллов вводить необходимое количество кристаллов заданного размера.
На рис. 2 показано, что бесформенные обломки кристаллов затравочной суспензии (см. рис. 1)
приобретают ту же форму, что и другие кристаллы, именно из-за анизотропии скорости роста и явления рекристаллизации. На интенсивность рекристаллизации влияет дисперсность суспензии. Чем меньше размер обломков кристаллов, тем быстрее они растворяются при повышении температуры, а при понижении их рост замедляется. В таких условиях интенсивность рекристаллизации мелких кристаллов выше, чем крупных [7]. Это даёт возможность проводить процесс уваривания ут-фелей в оптимальном режиме, исключающем растворение вводимых при заводке кристаллов и повторное кристаллообразование на стадии их наращивания, повысить выход кристаллического белого сахара и снизить тепло- и энергозатраты в продуктовом отделении сахарного завода.
При отработке технологии адаптивного дозирования slurry предложено усовершенствовать анализ
изображений slurry с использованием системы технического зрения, применять вероятностные оценки в расчёте размеров частиц и способ уточнения размеров кристаллов и их количества дополнительными настраиваемыми коэффициентами. Одновременно рекомендуется скорректировать техно -логический регламент уваривания утфеля I продукта: график изменения содержания сухих веществ в цикле уваривания («кривая варки»), а также применять более точное управление коэффициентом пересыщения а (погрешность поддержания ±0,02Да) межкристального раствора утфеля в период заводки кристаллов с использованием микроволнового концентра-томера. Суть технологии адаптивного дозирования slurry — отработанная на практике стадия образования кристаллов в затравочном утфеле по одностадийному методу уваривания [9] полностью перенесена в продуктовый вакуум-
Рис. 1. Микрофотосъёмка кристаллоструктуры суспензии slurry цифровой камерой Levenhuk M800 PLUS, общее увеличение изображения 100х
Рис. 2. Кристаллоструктура утфеля первого продукта, микросъёмка с увеличением 10х
40 САХАР № 12 • 2022
аппарат за счет реализации системы анализа кристаллоструктуры и эффективного управления шириной метастабильной зоны. Результаты технологии адаптивного дозирования slurry эквивалентны применению маточного утфеля.
В новом способе предложен алгоритм адаптивной коррекции ошибки дозирования slurry. Для этого разработана имитационная модель процесса дозирования затравочной суспензии с блоком коррекции его ошибки (рис. 3). Проведены также экспериментальные исследования уваривания утфеля первого продукта, которые подтвердили заложенные теоретические положения.
На основании алгоритма адаптивной коррекции дозирования slurry достигается решение следующих вопросов:
— повышается точность дозирования slurry при полной заводке кристаллов за счет оценки гранулометрических характеристик дисперсной фазы суспензии MAq и CVc (анализ изображений);
— с использованием микроволнового концентратомера измеряется пересыщение сгущаемого сиропа и точнее поддерживается заданная ширина метастабильной зоны в пересыщенных увариваемых оттеках;
— осуществляется регулирование интенсивности и дискретности подкачек увариваемых оттеков.
Преимущества усовершенствованной технологии заводки кристаллов на основе slurry:
— прогнозирование результата заводки кристаллов на основе системы анализа показателей исходной суспензии slurry, которая учитывает дисперсность кристаллов и количество растворившейся их мелкодисперсной фракции (обычно не принимается во внимание). Система анализа изображений предусматривает определение объема выборки кристаллов для расчета дисперсного состава исходя из логарифмического закона распределения. Определяются статистические оценки математического ожидания среднего размера кристаллов MAq slurry, среднеквадратичное отклонение и коэффициент вариации CV€. На основании этих оценок рассчитывается коэффициент корректировки дозирования slurry за счет растворения обломочной и мелкодисперсной фракции кристаллов;
— гарантированное наращивание кристаллов slurry обеспечивается дополнительными техническими решениями в системе
АСУ ТП уваривания утфеля (использование микроволнового концентратомера) посредством более точного поддержания коэффициента пересыщения на стадии заводки кристаллов в границах от 1,08 до 1,10;
— небольшие капитальные затраты, не требуется сложное оборудование.
Основными показателями оценки гранулометрического состава белого сахара являются средний размер кристаллов MA и коэффициент их неоднородности CV. Чем меньше коэффициент неоднородности, тем больше равномерность кристаллов и их размеры близки к средней величине. В промышленных условиях коэффициент неоднородности < 25 % характеризует сахар как продукт отличного качества, свыше 25 и до 28—29 % — хорошего качества, более 35 % — неудовлетворительного качества [8].
В настоящей работе затравочную суспензию получали методом мокрого размола кристаллов сахара с изопропиловым спиртом в шаровой мельнице DITMAR ZONEN. Гранулометрический состав кристаллов в суспензии, по данным кристаллографической лаборатории Утрехтского университета
^ Корректировка ^ дозирования
Затравочная суспензия
у
Свойства суспензии
МА„
СУ,
▼
Оптимизация уваривания утфеля
CV„
Готовый утфель
МА„
Рис. 3. Алгоритм адаптивной коррекции ошибки дозирования slurry в ВАПД
№ 12 • 2022 САХАР 41
(Нидерланды), характеризуется фракциями, параметры которых представлены в табл. 1.
Для количественной оценки качества затравочной суспензии разработана воспроизводимая методика анализа изображений с использованием оптической микроскопии и цифровой камеры Levenhuk M800 PLUS. Метод приготовления суспензии, реализованный на мельнице DITMAR ZONEN, позволил получить кристаллы, которые отличаются от содержащихся в остальных исследованных суспензиях низким коэффициентом вариации (самый высокий исследованный коэффициент вариации составил 75,2 %, самый низкий — 50,4 %), что кор-релируется со временем измельчения и соотношением сахара к изо-пропиловому спирту.
Пересыщение не является непосредственно измеряемой величиной, поскольку оно должно быть рассчитано по другим измерениям. В промышленном вакуум-аппарате процесс роста кристаллов осуществляется в результате тщательного балансирования скорости испарения воды с подачей необходимого количества сиропа для компенсации сахарозы, которая из межкристального раствора встраивается в кристаллическую фазу. Это достигается за счёт контроля содержания сухих веществ утфеля (СВу) микроволновым кон-центратомером и реализации так называемой кривой уваривания, которая связывает желаемое изменение СВу с уровнем, достигаемым массой утфеля внутри ВАПД, что и принимается в качестве меры управления процессом.
Таблица 1. Гранулометрический состав кристаллов в затравочной суспензии
Кривая зависимости массовой доли сухих веществ утфеля СВу от уровня заполнения аппарата Ly полностью параметризована указанием начальной и конечных точек и параметра р, определяющего её форму, как показано на рис. 4. Кривая СВу = /(L^) задана при тестировании системы и автоматически корректируется алгоритмом программы управления с учётом чистоты подаваемого сиропа. Фаза наращивания кристаллов завершается, когда уровень в вакуум-аппарате достигает значения, определяющего его максимальную вместимость.
В июле 2022 г. на сахарном заводе ООО «Раевсахар» проведены испытания технологии адаптивного дозирования затравочной суспензии slurry для заводки кристаллов в процессе уваривания ут-феля первого продукта в вакуум-аппаратах при переработке сахара-сырца (табл. 2 и рис. 5).
Стратегия автоматизированного управления основными технологическими параметрами, влияющими на стадию полной заводки
кристаллов при использовании затравочных суспензий slurry, может привести к улучшению работы вакуум-аппарата периодического действия при выполнении двух условий. Во-первых, необходимым усовершенствованием алгоритма управления является адаптивная коррекция ошибки дозирования slurry по методу полной заводки. Для этого с помощью цифровой камеры нового поколения проводили онлайн-мониторинг микрокристаллов затравочной суспензии размером 5—8 мкм, полученных методом мокрого размола. Во-вторых, необходимо осуществлять управление последующей стадией наращивания микрокристаллов до размеров, устойчивых к дальнейшему росту, с использованием микроволнового концентратомера, позволяющего в онлайн-режиме измерять и точнее поддерживать в пересыщенных увариваемых оттёках ширину метастабильной зоны, которая требуется на стадии роста кристаллов малых размеров. Для этого нужно постоянно корректировать интенсивность и дис-
Размер частиц, мкм Массовая доля,%
1-5 39
6-10 57
> 10 4
Таблица 2. Результаты испытаний адаптивного дозирования затравочной суспензии slurry для полной заводки кристаллов при уваривании утфеля первого
продукта
Шоковая заводка Полная заводка кристаллов
Наименование параметра кристаллов суспензией при адаптивном
сахарной пудрой дозировании
Стадия уваривания утфеля:
сгущение, мин 25 20
заводка и обработка кристаллов, 10 5
мин
уваривание утфеля до готовности (СВ 91,5-92,0 %), мин 130 100
общее время цикла уваривания, 165 125
мин
Коэффициент неоднородности кристаллов (средний по выборке) С V*, % 38,6 26,7
Средний размер кристаллов, мм 0,76 0,76**
Эффект кристаллизации, ед. (Дб утфеля - Дб первого оттёка) 8-10 9-12
Содержание кристаллов в утфеле, % к массе утфеля (СХ^— СХмф)-100 51-53 53-56
100-СХ^
*
— средняя величина полученных данных испытании. ** — при заданной величине конечного кристалла 0,78 мм.
42 САХАР № 12 • 2022
94
92
90
со
8 <и
<и со
Н
г3
Н ^ ^ *.
3 S
S sf N Si &f 86
s
о
О CQ
<и
0
1
¿г
84
82
80
//
s —
2
//
а
з g
0 t
1
<■0 §
со о
I
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Уровень утфеля в аппарате, Lу, %
Рис. 4. Кривая зависимости массовой доли сухих веществ от уровня утфеля при различной чистоте:
1 - в < 1; 2 - в = 1; 3 - в > 1
60
50
40
30
20
10
2
Vv
// \\
! // \ 1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Средний размер кристалла, мм
Рис. 5. Дисперсия кристаллов сахара при ситовом анализе: 1 — контроль, MA = 0,68мм, CV = 39,3 %; 2 — уваривание утфеля на slurry, MA = 0,63 мм, CV = 31,9 %
1,4
1,6
кретность подкачек увариваемых оттёков. В результате применения адаптивного алгоритма дозирования затравочной суспензии при уваривании утфелей увеличиваются производительность вакуум-аппарата и выход кристаллической фазы, улучшается гранулометрический состав кристаллического сахара. Введение алгоритма адаптивной коррекции позволяет повысить точность дозирования slurry.
Эффективным результатом стадии наращивания кристаллов при уваривании утфеля является их выравненный гранулометрический состав со средним размером более 630 мкм и коэффициентом вариации (CV) ниже 30 %. Этого можно добиться только при тщательном учёте массы, размера и однородности кристаллов исходной затравки, а также при поддержании избыточного пересыщения межкристального раствора в ме-тастабильной зоне, оцениваемом достаточно узким интервалом а от 1,11 до 1,13 (чистота питающего сиропа более 90 %) [4].
Выводы
Полная заводка кристаллов затравочной суспензией представляется важной, но сложной за-
дачей для оптимизации процесса кристаллизации сахарозы, улучшения гранулометрического состава кристаллов и повышения эффективности уваривания утфеля первого продукта. С развитием современной технологии кристаллизации при управлении увариванием утфелей в последние годы были достигнуты успехи в методах кристаллообразования и регулирования работой ВАПД.
Получение затравочной суспензии методом мокрого измельчения сахара в шаровых мельницах для уменьшения размера частиц сопровождается существенными стохастическими изменениями морфологии кристаллов в виде осколочного облика и габитуса. Восстановление морфологии кристаллов осуществляется по ре-кристаллизационному механизму посредством достраивания осколочных форм частиц до кристаллов правильной формы при поддержании пересыщения раствора в метастабильной зоне.
Таким образом, основа разработки и оптимизации технологии эффективного использования затравочной суспензии для полной заводки кристаллов определяется объединением решений моделиро-
вания дозирования затравочной суспензии с коррекцией дозы на растворяемую часть микрокристаллов при рекристаллизации, зависящей от количества циклов циркуляции в вакуум-аппарате, и управлением на стадии заводки узким диапазоном метастабиль-ной зоны пересыщенного раствора как эффективного механизма рекристаллизации.
Испытания показали, что достигнуто значительное повышение качества кристаллов сахара и надёжности процесса кристаллообразования по методу полной заводки с использованием slurry.
Список литературы
1. Bennar, M. Optimal particle size distribution of white sugar / М. Bennar [et al.] // Listy Cukrovarnicke a Reparske. — 2012. — Т. 128. - № 12. - С. 385-389.
2. Bouche, C. Further progress on crystal growth on-line monitoring / С. Bouche, В. Gaillac // International sugar journal. — 2015. — Т. 117. — № 1397. - С. 354-361.
3. Iswanto, N. The growth rate spread of sugar seed crystals / N. Iswanto [et al.] // International sugar journal. - 2006. - Т. 108. -№ 1296. - С. 711-717.
№ 12 • 2022 САХАР 43
9-10 февраля
2023 года
Москва
Рэдиссон Славянская
14-я международная КОНФЕРЕНЦИЯ
сельскохозяйственных производителей и поставщиков средств производства и услуг для аграрного сектора
4. Rozsa, L. Selection of the Operating Parameters in Sugar Crystallization Control / L. Rozsa [et al.] // Conference: Sugar Industry Technologists', at: Bonita Springs, Florida, USA. - 2018.
5. Громковский, А.И. Дозирование затравочных материалов в современных технологиях кристаллизации сахарозы / А.И. Громковский, Н.Н. Бражников, Ю.И. По-следова // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. — 2012. — № 3. — С. 170—172.
6. Даниэльс, Р. Усовершенствованная система анализа изображений для промышленных кристаллических суспензий сахара / Р. Даниэльс, Д. Нувс, А. Витенберг // Сахар и свёкла. — 2018. — № 1. — С. 5—12.
7. Кулинченко, В.Р. Промышленная кристаллизация сахаристых веществ: монография / В.Р. Кулинченко, В.Г. Мирончук. — Киев : НУПТ, 2012. — 426 с.
8. Липская, Н.И. Качество сахара и пути его повышения. Рекомендации / Н.И. Липская, Т.И. Турбан. — Минск : Научно-практический центр НАН Беларуси по продовольствию, 2008. - 77 с.
9. Способ одностадийного уваривания затравочного утфеля — 10-летний опыт Жабинковского сахарного завода / С.Л. Филатов, С.М. Петров, Н.М. Подгорнова [и др.] // Сахар. - 2017. - № 7. -С. 28-34.
Аннотация. Показано развитие технологии полной заводки кристаллов при уваривании утфеля первого продукта на основе применения затравочной суспензии (slurry), полученной методом мокрого измельчения сахара в шаровых мельницах. Преимущества усовершенствованной технологии заводки кристаллов на основе slurry заключаются в повышении точности прогнозирования результата кристаллообразования посредством использования системы анализа показателей исходной суспензии, которая учитывает дисперсность кристаллов и количество растворившейся их мелкодисперсной фракции. При этом применяются вероятностные оценки в расчёте размеров частиц и использован алгоритм адаптивной коррекции ошибки дозирования slurry.
Ключевые слова: затравочная суспензия, прогнозирование полной заводки кристаллов, адаптивная коррекция дозирования, утфель первого продукта. Summary. The development of the technology for the complete loading of crystals during the boiling of the massecuite of the first product based on the use of a seed suspension (slurry) obtained by the method of wet grinding of sugar in ball mills is shown. The advantages of the improved slurry-based crystal planting technology are to increase the accuracy of predicting the result of crystal formation through the use of an analysis system for the initial suspension indicators, which takes into account the dispersion of crystals and the amount of their finely dispersed fraction that has dissolved. In this case, probabilistic estimates are used in the calculation of particle sizes and the algorithm for adaptive correction of the dosing error slurry is used.
Keywords: seed slurry, prediction of full loading of crystals, adaptive dosing correction, first product massecuite.
44 САХАР № 12 • 2022
