CC BY
47
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10719 УДК 664.162:557.15
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОГО ГИДРОЛИЗА КРАХМАЛА
В. В. АНАНСКИХ, кандидат технических наук, зав. лабораторией (e-mail: [email protected])
Н. Д. ЛУКИН, доктор технических наук, директор Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов - филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН, ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Московская обл., 140051, Российская Федерация
Резюме. Большинство отечественных предприятий, производящих крахмальную патоку, оснащены установками для непрерывного кислотного гидролиза крахмала, которые осуществляют операции разжижения крахмала, его гидролиз и нейтрализацию кислого сиропа. Разжижение происходит в циркуляционном контуре, где подкисленная крахмальная суспензия непрерывно смешивается с 6...9 частями горячего (120 °С) разжиженного раствора, затем продукт подогревается до 135 °С и направляется в выдерживатель, в котором в течение 3.4 мин. происходит гидролиз крахмала. Полученный паточный сироп нейтрализуют содовым раствором и выдувают в испаритель, где температура его мгновенно снижается. Установки снабжены двумя теплообменниками, выполненными в виде струйных или кожухотрубных нагревателей. При использовании струйных нагревателей содержание сухих веществ (СВ) в нейтрализованном паточном сиропе составляет более 36 %, тогда как в случае применения кожухотрубных теплообменников СВ сиропа превышает43 %. При увеличении температуры крахмальной суспензии, направляемой на гидролиз, с 20 до 50 °С расход пара на проведение этой технологической операции снижается более чем на 18 %. Производительность установки непрерывного гидролиза крахмала для завода можно увеличить с 200 т патоки в сутки до 250 т/сут. путем повышения температуры суспензии крахмала перед осахариванием до 50 °С. Усовершенствование конструкции установки непрерывного гидролиза крахмала позволяет увеличить производственную мощность завода с минимальными затратами, при снижении расхода пара и повышении концентрации нейтрализованного сиропа. Ключевые слова: непрерывный гидролиз крахмала, струйные нагреватели, кожухотрубные теплообменники, расход пара.
Для цитирования: Ананских В. В., Лукин Н. Д. Совершенствование конструкции установки непрерывного гидролиза крахмала //Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 7. С. 80-82. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10719.
Гидролиз крахмала - первая технологическая операция при производстве сахаристых веществ, он протекает в присутствии катализаторов - минеральных кислот или ферментных препаратов. При гидролизе происходит разрыв полисахаридной молекулы крахмала и присоединение в месте разрыва молекулы воды [1]. К сахаристым крахмалопродуктам, полученным путем ферментативного гидролиза, относятся мальто-декстрины, патока различного углеводного состава и глюкоза. Они характеризуются различным содержанием редуцирующих веществ (РВ). Так, у сиропов маль-тодекстринов величина этого показателя варьирует от 4 до 25 %, паточных сиропов - от 26 до 45 % и более, глюкозных сиропов - от 91 до 98 %.
Паточные сиропы также получают кислотным способом, при котором в качестве катализатора используют соляную кислоту [2]. Содержание РВ в таком случае колеблется от 36 до 44 %. Продолжительность кислотного гидролиза составляет 5 мин., тогда как ферментативный гидролиз длится от 4 до 12 ч.
При увеличении мощности действующего предприятия по выработке патоки требуется замена оборудования на более мощное, обеспечивающее необходимую производительность. В этом случае предприятие несет значительные затраты на покупку, доставку и демонтаж старого, а также установку нового оборудования. Во время этих работ предприятие останавливает производство, что также ведет к снижению прибыли. Для решения такой проблемы можно изменить некоторые технологические параметры, например, повысить температуру крахмальной суспензии, направляемой на гидролиз, и оснастить линию дополнительным оборудованием, не останавливая производство. При этом используется тепло, полученное после испарителя, и тем самым снижается расход свежего пара, используемого действующим оборудованием. Благодаря снижению удельного расхода пара можно увеличить экономический эффект.
Цель исследований - совершенствование конструкции установки непрерывного гидролиза крахмала и определение возможности её применения для увеличения производственной мощности завода с минимальными затратами, которые характеризуются расходом пара и содержанием сухих веществ (СВ) нейтрализованного сиропа.
Условия, материалы и методы. Из цеха сырого крахмала для подготовки к гидролизу крахмальная суспензия концентрацией 38...40 % СВ поступает в сборник 1 (рис. 1). Для обеспечения непрерывной работы их предусмотрено два. Объем сборника рассчитывают таким образом, чтобы закачиваемой крахмальной суспензии было достаточно для непрерывной работы в течение 30...60 мин. Вместе с крахмальной суспензией вносят порцию соляной кислоты из мерника 2, при этом дозировка газа НС1 составляет 0,23...0,25 % к сухим веществам крахмала. Крахмальную суспензию подают в осахариватель центробежным насосом 3. В зависимости от производительности завода ее расход может меняться от 7,0 до 18,5 м3/ч при давлении не менее 0,4 МПа.
Расход суспензии контролируют электромагнитным расходомером 4. Подготовленную крахмальную суспензию направляют в смеситель 5 инжекторного типа, который предназначен для ее ввода в циркуляционный контур и равномерного смешивания с горячим разжиженным крахмалом. Смешиваясь с горячим циркулирующим продуктом, крахмал мгновенно переходит в однородное растворимое состояние и частично разжижается, что характеризуется снижением его вязкости до 250...300 мПас.
Циркуляционный насос 6 предназначен для перекачивания через смеситель 5 и теплообменник 7 разжиженного гидролизата в количестве в 6...9 раз превышающем подачу суспензии крахмала в контур. Струйный теплообменник 7 циркуляционного контура обеспечивает нагрев продукта водяным насыщенным паром до температуры 120 оС. Горячий разжиженный продукт поступает в струйный смеситель 5, смешивается с крахмальной суспензией, в результате чего его температура снижается до 110 оС.
Крахмальная суспензия, попадая в замкнутую систему циркуляционного контура, вытесняет такое же количество разжиженного продукта. Он выводится из
q = ехр(2,894 + Ln(P) - 0,0016 • f ■ Ln(t)) кг/ч,
Рис. 1. Схема установки непрерывного гидролиза крахмала с нагревателями в виде струйных теплообменников.
контура и направляется во второй струйный нагреватель 8, где нагревается до температуры 130...135 оС, при которой происходит гидролиз крахмала. Нагрев продукта происходит за счет впрыскивания в него водяного пара, что приводит к снижению содержания СВ сиропа.
Выдерживатель 9 служит зоной осахаривания, в нем продукт находится в течение 3...4 мин. при температуре 130...135 оС. Размеры выдерживателя - длина трубы и её диаметр - зависят от производительности завода. После выдерживателя кислый паточный сироп поступает в регулятор давления 10, а затем направляется в нейтрализатор непрерывного действия 11, куда дозировочным насосом 12 подается содовый раствор до достижения рН сиропа не более 4,0. Контроль рН осуществляют с помощью рН-метра.
Для снижения давления продукта после зоны выдерживания с 0,4 до 0,1 МПа установлен испаритель 13. В результате самоиспарения образуется значительное количество вторичного пара, который выводят из испарителя вместе с образовавшимся при нейтрализации углекислым газом. С целью экономии образующийся вторичный пар можно направлять в теплообменник (в схеме не обозначен) для нагрева крахмальной суспензии. Окончательная нейтрализация паточного сиропа содовым раствором проводится в сборниках нейтрализованного сиропа 14 до рН 4,6...4,8.
Конструкция установки непрерывного гидролиза крахмала с использованием кожухотрубных тепло-
обменников и протекание процесса гидролиза (рис. 2) аналогичны, за исключением нагревателей (7 и 8), которые заменены кожухотрубными теплообменниками. Добавленный в схему кожухотрубный теплообменник (15), выполняет функцию нагревателя крахмальной суспензии перед гидролизом.
На базе компьютерной программы Excel разработана специальная программа, позволяющая провести продуктовый расчет, определить расходы продукта и пара, их концентрации, исходные данные для расчета и подборатеплообменников и насосов. Она позволяет определять технологические параметры процесса гидролиза крахмала в зависимости от производительности установки, содержания сухих веществ крахмальной суспензии, направляемой на гидролиз, и температуры суспензии.
Результаты и обсуждение. Зависимость расчетных величин расхода пара в струйных нагревателях на проведение гидролиза крахмала от производительности завода (100...250 т/сут.) и температуры крахмальной суспензии, направляемой на гидролиз, после обработки данных с помощью компьютерной программы Table Curve 3D v4.0 можно представить в виде формулы:
(1)
где q1 - расход пара на гидролиз крахмала, кг/ч; Р - производительность завода по патоке, т/сут.; ? -температура крахмальной суспензии, оС.
Рис. 2.
вателями.
Схема установки непрерывного гидролиза крахмала с кожухотрубными нагре-
Уравнение для определения расхода пара при использовании кожухотрубных теплообменников в зависимости от производительности завода и температуры крахмальной суспензии, направляемой на гидролиз, имеет следующий вид:
С72=ехр(3,038 + /.п(Р)-0,0016-Г/.л(0 кг/ч. (2)
Уравнения (1) и (2) отличаются только величиной свободного коэффициента, причем в уравнении (2) для кожухотрубных теплообменников она выше. Это вызвано тем, что при использовании струйных нагревателей скрытая теплота парообразования расходуется на нагрев продукта полностью, причем температура конденсата снижается до температуры продукта и, соответственно, уменьшается расход пара. В установке с кожухотрубными теплообменниками скрытая теплота парообразования расходуется на нагрев стенок трубки теплообменника, затем нагревается продукт, а конденсат, имеющий температуру пара, возвращается в котельную. В соответствии с этим эффективность использования прямого контакта пара с продуктом выше, чем кондуктивный нагрев.
В то же время при работе струйных нагревателей происходит разбавление сиропа конденсатом, что приводит к снижению его концентрации. Так, если на гидролиз направляется крахмальная суспензия с содержанием СВ 40 % и температурой 20 оС, концентрация СВ в нейтрализованном паточном сиропе составит 36,3 %, если же температуру крахмальной суспензии повысить до 50 оС, то содержание СВ сиропа после установки возрастет до 37,5 %.
При использовании в качестве нагревателей кожу-хотрубных теплообменников и условии, что концентрация СВ в крахмальной суспензии независимо от температуры составляет 40 %, в нейтрализованном сиропе содержание СВ возрастет до 43,8 %. Изменение температуры крахмальной суспензии, направляемой на гидролиз, не влияет на концентрацию СВ сиропа, так как разбавление конденсатом отсутствует, а растет она в результате прироста сухих веществ при гидролизе и удаления части влаги в испарителе.
Повышение температуры крахмальной суспензии приводит к линейному уменьшению расхода пара, особенно на стадии разжижения в контуре. Если производительность завода увеличить с 200 до 250 т/сут. при повышении температуры суспензии крахмала с
Литература.
1. Крахмал и крахмалопродукты / Н. Г. Гулюк, А. И. Жушман, Т. А. Ладур и др. М.: Агропромиздат, 1985. 240 с.
2. ГОСТ 33917-2016. Патока крахмальная. Общие технические условия. М.: Госстандарт России, 2016.
Рис. 3. Зависимость расхода пара в кожухотрубных теплообменниках от температуры крахмальной суспензии для заводов разной производительности: —о— - производитель завода 200 т/сут; -о- - производитель завода 250 т/сут.
20 до 50 оС, расход пара остается без изменения, что позволяет сохранить габариты теплообменника. При этом его удельный расход изменится с 0,456 т/т до 250 т/сут. - 0,365 т/т (рис. 3), что экономически выгодно. Таким образом, при необходимости увеличения производительности завода по патоке до 250 т/сут. можно использовать установку для гидролиза крахмала, на которой производили 200 т патоки в сутки, однако в технологическую схему на стадии нагрева крахмальной суспензии потребуется добавить кожухотрубный теплообменник (см. рис. 2, поз. 15), используя при этом вторичный пар после испарителя.
Выводы. В соответствии с проведенными расчетами предложено усовершенствование конструкции установки непрерывного гидролиза крахмала, позволяющее увеличить производственную мощность завода при минимальных затратах, снижении расхода пара и повышении концентрации нейтрализованного сиропа. Увеличение содержания СВ в сиропе приводит к уменьшению расхода теплоэнергии на станции сгущения сиропа до товарной концентрации.
Повышение температуры крахмальной суспензии позволит снизить расход пара и, соответственно, количество тепла на гидролиз, которого будет достаточно для имеющейся поверхности теплообмена без увеличения её размеров.
IMPROVEMENT OF THE CONSTRUCTION OF AN INSTALLATION FOR CONTINUOUS HYDROLYSIS
OF STARCH
V. V. Ananskikh, N. D. Lukin
All-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. Most of the domestic enterprises producing starch syrup are equipped with installations for the continuous acid hydrolysis of starch where starch liquefaction, its hydrolysis, and neutralization of acid syrup are made. Liquefaction occurs in a circulation loop where acidified starch suspension continuously mixes up with 6-9 parts of hot (120 C) diluted solution, then the product is heated up to 135 C and goes to a holder unit for 3-4 min to be cleaved. The received starch syrup is neutralized with soda solution and blown out into the evaporator where the temperature decreases instantly. Installations are supplied with two heat exchangers being as jet or jacket-tube heaters. When using the jet heaters the amount of dry solids (DS) in the neutralized starch syrup is over 36%, but for the jacket-tube heat exchangers the DS content in the syrup exceeds 43%. When the temperature of the starch suspension going for the hydrolysis is increased from 20 to 50 C, the steam consumption for this procedure reduced by more than 18%. The capacity of a continuous starch hydrolysis unit for a plant can be increased from 200 tons of syrup per day to 250 tons per day by raising the temperature of the starch suspension to 50 C before saccharification. The improvement of the design of the installation for continuous conversion of starch allows to increase the production capacity of a plant with minimum expenses, reduce steam consumption and increase the neutralized syrup concentration.
Keywords: continuous conversion of starch; jet heaters; jacket-tube heat exchangers; steam consumption. Author Details: V. V. Ananskikh, Cand. Sc. (Tech.), head of laboratory (e-mail: [email protected]); N. D. Lukin, D. Sc. (Tech.), director. For citation: Ananskikh V. V., Lukin N. D. Improvement of the Construction of an Installation for Continuous Hydrolysis of Starch. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 7. Pp. 80-82 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10719.
