CC BY
61УДК 664.1.054
Повышение качества белого сахара при уваривании утфеля в горизонтальных вакуум-аппаратах непрерывного действия
С.М. ПЕТРОВ, д-р техн. наук, проф. (e-mail:petrovsm@mail.ru)
С.Л. ФИЛАТОВ, ООО «НТ-Пром»
Н.М. ПОДГОРНОВА, д-р техн. наук, проф.
Московский государственный университет технологий и управления В.И. ТУЖИЛКИН, д-р техн. наук, проф.
Московский государственный университет пищевых производств
Как известно, одной из причин, препятствующих производству пригодного для экспорта белого сахара категории «Экстра» (ГОСТ 33222—2015) из-за его соответствия категории 2 («Стандарт» в странах ЕС), является цикличность процесса промышленного получения сахарных утфелей в вакуум-аппаратах периодического действия (ВАПД).
Технология периодического уваривания утфелей характеризуется нестабильностью получаемых параметров сваренных утфелей (содержание кристаллов, размер и дисперсия кристаллов), обусловленной плохой воспроизводимостью условий кристаллообразования и наращивания кристаллов, неэффективным контролем и управлением увариванием, периодическим способом осуществления процесса, существенным недостатком которого являются периодические подкачки увариваемого продукта (сиропа). Последствия этого выражаются в нестабильности качества белого сахара и недостижении требуемых показателей по содержанию минеральной золы и цветности. Поэтому одной из основных задач сахарного производства по-прежнему остаётся получение высококачественного сахара в процессе кристаллизации в вакуум-аппаратах.
Большая часть сахара, производимого в настоящее время, кристаллизуется при уваривании утфелей в ВАПД. Во всём мире в год кристаллизуется и пере-кристаллизовывается более 200 млн т сахара. Понятно, что эффективность осуществления процесса кристаллизации — это весьма важный критерий в сахарном производстве. Эффективное уваривание утфелей определяется в основном такими понятиями, как качество кристаллов, эффективность энергоиспользования, техническая готовность вакуум-аппаратов, продолжительность процесса кристаллизации и рядом других технологических и экономических пока-
зателей, и все они сильно зависят от уровня организации контроля и управления этим сложным технологическим процессом.
Процесс кристаллизации в вакуум-аппаратах периодического действия относится к нестационарным, сопровождается градиентами температур, изменениями физических характеристик утфелей (пересыщения, вязкости, плотности), существованием перегретого пристенного слоя в кипятильных трубах, замедлением циркуляции в течение цикла уваривания, трёхкратным увеличением массы утфеля относительно первоначального набора аппарата и другими вариативными параметрами.
Как было показано, более прогрессивным способом с точки зрения повышения и стабилизации качества белого сахара, а также эффективности энергоиспользования является уваривание утфеля в вакуум-аппарате непрерывного действия [3—5, 7].
Конструктивные особенности горизонтальных вакуум-аппаратов непрерывного действия (ВАНД) с горизонтальными паровыми трубками (англ. CVP — continuous vacuum pan) разработки компании Fives (рис. 1) были описаны ранее [3] и показаны их технические преимущества в сравнении с ВАПД и вертикальными вакуум-аппаратами непрерывного действия типа VKT [5].
Технология наращивания кристаллов в CVP из кристаллической основы маточного утфеля за счёт большой суммарной поверхности кристаллов маточного утфеля позволяет осуществлять оптимальный режим кристаллизации во всём цикле уваривания утфеля на непрерывной подкачке сиропа при равенстве скоростей создания пересыщения и роста кристаллов. При этом однородность кристаллов существенно улучшается за счёт реализации двойной рекристаллизации, осуществляемой на первом этапе при наращивании
КОМПЛЕКСНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ САХАРНЫХ ЗАВОДОВ
в ВАПД затравочных кристаллов маточного утфе-ля размером 0,25—0,35 мм из затравочной суспензии («slurry») с размером кристаллов 0,008—0,01 мм, для получения которой используется мокрый размол суспензии сахар/изопропанол в шаровой мельнице. На втором этапе уваривания продуктового утфеля в CVP осуществляется повторная рекристаллизация при наращивании кристаллов до заданного размера готовых кристаллов и происходит дальнейшее снижение их неоднородности. Это наглядно иллюстрируется графиком (рис. 2), из которого следует, что даже при использовании затравочных кристаллов с CV = 34 % (неудовлетворительная неоднородность кристаллов, получаемых в ВАПД) дальнейшее наращивание их в CVP приведёт к выравниванию однородности кристаллов и снижению коэффициента неоднородности до CV = 28 %.
Уваривание утфеля I продукта осуществляется в вакуум-аппарате непрерывного действия типа CCTD (cail continuous double pans), имеющем сдвоенный горизонтальный корпус W-образной формы, который разделён продольной вертикальной перегородкой на два автономных аппарата. Корпус разделён также поперечными перегородками на 11 отсеков, в которых имеются калиброванные проёмы для зигзагообразного перемещения утфельной массы и лучшей реализации режима вытеснения утфеля из отсека в отсек. Таким образом, циркуляция в аппарате осуществляется за счёт горизонтального поступательного движения утфеля с естественной циркуляцией внутри отсеков и непрерывным отводом утфеля из отсека в отсек за счёт разности уровней утфеля, причём из последнего отсека утфель откачивается насосом [3].
Объём каждого отсека обеспечивает равное время пребывания утфеля, что оптимизирует работу аппарата и стабилизирует показатели качества готового утфеля по содержанию кристаллической фазы и размерам кристаллов.
Принцип работы аппарата — непрерывный, с установившимся (стационарным) процессом, близким к идеальному вытеснению. Разность по высоте между первым и последним отсеками обеспечивает продольное перемещение утфельной массы. При этом высота утфеля над паровой камерой составляет 0,2—0,3 м. Время уваривания утфеля I продукта 130—145 мин, тогда как полный цикл уваривания в ВАПД с цирку-лятором длится 160 мин. Отношение поверхности нагрева CCTD к полезной вместимости 10—13, что почти в два раза превышает этот показатель для ВАПД, у которого это отношение равно 6—8.
При рассмотрении непрерывного уваривания следует более подробно остановиться на преимуществах технологии уваривания утфелей в горизонтальных ВАНД по сравнению с ВАПД, оснащёнными цирку-
ляторами как основным типом аппаратов, применяемых до настоящего времени для получения утфеля I кристаллизации [6].
Преимущества получения белого сахара лучшего качества в аппаратах типа CCTD по сравнению с ВАПД обусловлены следующими факторами.
В изотермо-изогидрических условиях при кипении кристаллизующегося утфеля в условиях непрерывного уваривания используется принцип рециркуляции, в соответствии с которым укрупнение кристаллов происходит по колебательному механизму. Необходимыми условиями для её протекания являются периодические колебания температуры и концентрации межкристального раствора, полидисперсность кристаллов и различная растворимость. В соответствии с теорией рекристаллизации мелкие кристаллы растут медленнее, а растворяются быстрее, чем крупные. В результате многократных колебаний температуры и концентрации межкристального раствора происходит наращивание больших кристаллов за счёт рас-
п п
К. ^ !>
Продольная перегородка
11 отсеков с нарастающим объёмом (4 х 1 + 6 х2 + 1 х4)
Горизонтальное расположение паровых труб
Продольная перегородка
Поперечная перегородка
Узел паровых труб
Верхний проход утфеля
Щит
Нижний проход утфеля
Рис. 1. Горизонтальный сдвоенный вакуум-аппарат непрерывного действия типа CCTD (компания Fives, Франция) [3]: а) общий вид горизонтального вакуум-аппарата CCTD; б) схема конструкции отсеков и поверхности нагрева
а
Рис. 2. Корреляция экспериментальных оценок коэффициентов неоднородности в кристаллической основе СУо, используемой для уваривания утфеля Iкристаллизации в горизонтальном вакуум-аппарате СУР и готовых кристаллов СУУ1[8]
творения мелких кристаллов [2]. Интенсификации процесса рекристаллизации способствует увеличение частоты рециркуляции утфеля через поверхность нагрева вакуум-аппарата, что эффективнее достигается в ВАНД с низким уровнем утфеля.
Известно , что с увеличением числа циклов рециркуляции утфеля средний размер полученных кристаллов увеличивается, что также очевидно эффективнее происходит при низком и постоянном уровне утфеля над поверхностью нагрева в CCTD, чем при переменном уровне в ВАПД, изменяющемся от 0,2 до 2,25 м.
Данная ситуация вынуждает учитывать зависимость среднего линейного размера кристаллов от изменения высоты слоя утфеля.
Следует также заметить, что конструкции применяемых в ВАПД осевых циркуляторов, выполненные в виде мешалок в центральной циркуляционной трубе, несколько различаются, но при этом оказываются недостаточно эффективными и значительно уступают радиальным мешалкам, установленным под поверхностью нагрева вакуум-аппаратов [1]. Однако их использование на существующих аппаратах предусматривает значительную модернизацию приводов перемешивающих устройств и днищ эксплуатируемых вакуум-аппаратов. Кроме того, ввиду способности ВАПД работать без испарения в течение длительного периода необходимы мощные мешалки с удельной мощностью до 1 кВт/м3 утфеля и более (от 90 до 110 кВт на вакуум-аппарате вместимостью 60 м3). Фактически номинальная потребляемая мощность достигается только непосредственно перед разгрузкой. В течение большей части цикла потребляется только 50 % номинальной мощности, так как вязкость в сиропе значительно ниже, чем в утфеле.
Преимущество горизонтального, секционированного вакуум-аппарата непрерывного действия состоит в том, что в результате его применения оптимизированы условия наращивания кристаллов на непрерывной подкачке сиропа, приводящие к улучшению качества кристаллов в готовом продукте (рис. 3).
На фотографиях кристаллов, сделанных непосредственно в утфеле без его разбавления, показано:
— значительное увеличение среднего размера кристаллов, а также сужение распределения по размерам при наращивании в CVP;
Рис. 3. Фотографии затравочных кристаллов, взятых из отсека № 1 (а) и готовых кристаллов утфеля на момент выгрузки из отсека № 11 (б) непрерывного вакуум-аппарата СУРIпродукта [7]
а
КОМПЛЕКСНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ САХАРНЫХ ЗАВОДОВ
— высокое содержание кристаллов больших размеров и узкое распределение размера кристаллов в ут-феле I продукта.
Таким образом, на основании корреляционной статистической обработки промышленных кристаллических суспензий затравочных и продуктовых ут-фелей, полученных при непрерывном уваривании, представляется возможным сделать верифицированный вывод о том, что когда необходимо решать задачу достижения узкого распределения размеров кристаллов, следует использовать затравочный (маточный) утфель с коэффициентом неоднородности кристаллов СУ <= 30—34 %. Это позволит при повторной рекристаллизации кристаллов затравочного утфеля и наращивании их в CCTD достигнуть коэффициента неоднородности СУ <= 25—28,5 % (в гранулометрии сахара оценивается как хорошее качество кристаллов).
С точки зрения гидродинамики движения утфель-ной массы необходимо иметь в СУР систему потока, секционированного на 11 (или более) отсеков в одном корпусе (рис. 4), осуществлять хорошую циркуляцию и обеспечивать однородные условия кипения в отсеках [5, 7].
Для управления процессом, а также прогнозирования цветности товарного белого сахара, получаемого при непрерывном уваривании утфеля, можно устанавливать корреляцию между цветностью утфеля и сахара (рис. 5).
Существенной проблемой управления периодическим увариванием утфелей в ВАПД является точность измерения текущих концентраций межкристального раствора утфеля при их использовании для расчёта коэффициента пересыщения. Если, например, принимать полный диапазон роста кристаллов
от а = 1,00 до а = 1,14, то эффект погрешности ±1 % только при измерении концентрации жидкости (типичная точность хорошо откалиброванного микроволнового прибора pro-M-tec, Microwave module ^-ICC 2.45 perform the brix and density control) может быть довольно серьёзным, как показано на рис. 6 (а) (мониторинг изменения а) и 6 (б) (определение точки ввода затравки плюс уставка (задаваемое значение контролируемого пересыщения) для оптимального управления кристаллизацией). Ошибка ±0,07 в пересыщении сахарного сиропа из-за возможной ошибки ±1 % в данных о концентрации жидкости представляет собой примерно полный диапазон технологических операций (от а = 1,00 до 1,14). Это, конечно, совершенно неприемлемо, тем более если задача заключается в том, чтобы поддержать а в диапазоне близком, но безопасном ниже верхнего предела а. Концентрация межкристальной жидкости должна измеряться с гораздо большей точностью (по крайней мере ±0,1 %) в течение всего цикла уваривания утфеля, исключая нарушения, вызываемые наличием кристаллов и пузырьков пара (микроволновый прибор не способен выборочно измерять концентрацию жидкости в присутствии кристаллов) [9, 10].
С учётом изложенных моментов в CCTD используется альтернативный вариант управления увариванием утфеля I кристаллизации на основе динамических моделей, которые базируются на расчётах материального баланса, реализуемых на основе измерения расходов материальных потоков сиропа, затравочного утфеля, конденсата и готового утфеля. Успех во многом зависит от высокой точности адаптивных моделей, которые корректно обрабатывают статические и переходные состояния реального процесса уваривания утфеля и не подвержены последствиям ошибок
94 г
QQ _I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Расстояние вдоль корпуса аппарата CVP, % от длины корпуса
Рис. 4. График изменения содержания сухих веществ в отсеках № 1—11 СУР при уваривании утфеля Iкристаллизации [7]_
Цветность утфеля, ед. Ш
Рис. 5. Взаимосвязь цветности белого сахара с цветностью утфеля [11]
Рис. 6. Изменение границ коридора ошибок в ходе измерения коэффициента пересыщения межкристального раствора при уваривании утфеля Iкристаллизации [9]
в измерении коэффициента пересыщения межкристального раствора. При этом совершенно меняется активная роль оператора в управлении процессом уваривания утфеля на пассивную мониторинговую, что в какой-то мере позволит в будущем исключить понятие «варщик утфеля».
Таким образом, уваривание утфеля I кристаллизации в CCTD с использованием повторной рекристаллизации кристаллической основы утфеля и новых принципов управления кристаллизацией сахара, опирающихся на метод баланса массы, основанных на системе уравнений, которые уравновешивают количество сахарозы, примесей и воды в вакуум-аппарате во время кристаллизации сахара, позволяют стабилизировать качество белого сахара, приблизить его параметры к категории «Экстра» и достичь однородности кристаллов, оцениваемой коэффициентом вариации СУ = 25—27 %. При этом проявляются преимущества непрерывного процесса перед периодическим, выражающиеся в стабильности, управляемости, возможности плавной корректировки подкачек сиропа в зависимости от изменения чистоты сиропа (и не только: в частности, концентрации, качественного состава примесей в зависимости от региона возделывания свёклы и др.).
Эффективная и экономически целесообразная технология уваривания утфеля I кристаллизации в горизонтальных вакуум-аппаратах непрерывного действия типа CCTD обусловливается достижением следующих результатов и технических эффектов:
— происходит значительное увеличение среднего размера кристалла от затравочного утфеля до продуктового утфеля; это улучшает удельную напряжённость (нагрузку) полезной вместимости аппарата CCTD и, следовательно, экономическую эффективность по сравнению с ВАПД;
— узкое распределение по размерам кристаллов, чем достигается хорошая производительность центрифу-
гирования и уменьшается степень растворения сахара при промывании кристаллов;
— высокая скорость роста кристаллов без опасности образования вторичных кристаллов («муки») и обеспечение высокой производительности CCTD;
— хорошие показатели истощения межкристального раствора за счёт уваривания утфеля с высоким содержанием сухих веществ и высоким содержанием кристаллов;
— способность аппарата эффективно работать для широкого диапазона темпов производства утфеля;
— работа с минимальным потреблением пара и возможность использования паров низкого давления, что позволяет повысить эффективность использования пара для завода;
— применение простой и эффективной схемы управления на основе материальных балансов, обеспечивающей постоянное поддержание высокой производительности;
— минимальный операторский контроль;
— возможность управления CCTD по заложенному алгоритму в течение длительного времени между программами очистки;
— использование простых и быстрых процедур для пуска, остановки и очистки вакуум-аппарата.
Список литературы
1. Брунс, М. Улучшение эффективности циркуляции с помощью радиального перемешивающего устройства в вакуум-аппаратах, работающих в горизонтальном каскаде кристаллизаторов / М. Брунс [и др.] // Сахар и свёкла. — 2008. — № 1. — С. 16-21.
2. Кулинченко, В.Р. Промышленная кристаллизация сахаристых веществ / В.Р. Кулинченко, В.Г. Мирончук. — К. : НУПТ, 2012. — 426 с.
3. Петров, С.М. Вакуум-аппарат непрерывного действия — энергосберегающее решение работы продуктового отделения / С.М. Петров, С.Л. Филатов, И.В. Шаруда // Сахар. — 2011. — № 5. — С. 59—63.
4. Петров, С.М. Непрерывное уваривание утфеля первого продукта в горизонтальных вакуум-аппаратах / С.М. Пе-
ДЕКСТРАНАЗА 2 F
Декстраназа 2F производства компании Mitsubishi-Kagaku Foods Corporation позволяет:
1
снизить вязкость раствора;
повысить скорость кристаллизации конечного продукта за счёт разрушения структуры декстрана; предотвратить засорение фильтров и вентилей трубопровода;
облегчить сепарирование на центрифуге;
экономить энергетические и временные затраты;
улучшить характеристики патоки.
Импортёр - АО «Каваками Паркер»
Тел.: +7 (495) 933-86-08
Факс: +7 (495) 626-51-59
Адрес: 119180, г. Москва,
Большая Якиманка, д. 31, пом. 1,1А, офис 401
Дистрибьютер -ООО «Волгоградское производственное объединение «Волгохимнефть» Тел.: +7 (84477) 6-91-46, 6-91-52 e-mail: vhn@vhn.ru www.vhn.ru
тров, С.Л. Филатов, И.В. Шаруда // Сахар. - 2013. - № 6. -С. 56-61.
5. Петров, С.М. Преимущества непрерывного уваривания ут-феля / С.М. Петров [и др.] // Сахар. - 2017. - № 4. - С. 30-37.
6. Штангеев, В.О. Современные технологии и оборудования свеклосахарного производства. В 2 ч. Ч. 2 / В.О. Штангеев [и др.] / под ред. В.О. Штангеева. - К. : Цукор Украши, 2004. - 320 с.
7. Broadfoot, R. Design and operating criteria for maximizing the benefit of continuous vacuum pans / Proceedings International Society of Sugar Cane Technologists Proceedings of the XXV Congress 25, pp. 31-40, Guatemala, Guatemala City.
8. Rein, P.W. A review of experience with continuous vacuum pans in Tongaat-Hulett Sugar // Proceedings of The South African Sugar Technologists' Association. - June 1986. - P. 76-83.
9. Rozsa, L., Arriaza, G.M., Romero, M.T. Advanced Control of Crystallisation Based on the Direct Use of On-line Data on Supersaturation: Theory and Practice. Sugar industry technologists. Annual meeting. May 12-15. Guangzhou, China.
10. Rozsa, L. On-line monitoring and control of supersaturation and other massecuite parameters in vacuum pans: A control engineering approach. International sugar Journal 2011, Vol. 113, no. 1356. - P. 853-862.
11. Thompson, P., Fry, P. and Hasrajani, N. Thoughts on Refinery Boiling Schemes. Sugar Knowledge International Limited, UK. September 7th, 2012. http://www.sugarxperts. com/dokus/Raff.BoilingScheme.pdf.
Аннотация. Сделано обоснование повышения качества белого сахара при уваривании утфеля I кристаллизации в горизонтальных вакуум-аппаратах непрерывного действия. Выводы основаны на улучшении однородности продуктовых кристаллов за счет повторной рекристаллизации кристаллической основы затравочного утфеля и повышения точности управления кристаллизацией сахара посредством поддержания материального баланса в аппарате, реализуемого путем измерения расходов материальных потоков сиропа, затравочного утфеля, конденсата и готового утфеля.
Ключевые слова: непрерывное уваривание утфеля, горизонтальный вакуум-аппарат, рекристаллизация, качество кристаллов, балансовое управление.
Summary. Made the rationale of improving the quality of white sugar when boiling of massecuite I crystallization in a horizontal vacuum apparatuses of continuous action. The conclusions are based on the improvement in uniformity grocery crystals by the repeated recrystallization of the crystalline framework of the massecuite seed and improve the accuracy of control by the crystallization of sugar by maintaining a material balance in the device, which is implemented by measuring the costs of material flows of syrup, seed massecuite, condensate and the finished massecuite.
Keywords: Continuous boiling of the massecuite, horizontal vacuum apparatus, recrystallization, crystal quality, balance control.
