CC BY
105УДК 664.1.05
Способы повышения эффективности работы кристаллизационного отделения сахарных заводов
P.C. РЕШЕТОВА, д-р техн. наук (e-mail: reshetova@kubstu.ru) О.Ю. БГАНЦЕВА, канд. техн. наук Д.Н. ПЕШКОВА, магистрант
ФГБОУВО «Кубанский государственный технологический университет»
Введение
Производство сахара по своей сложности, трудо- и энергоёмкости является лидером среди всех пищевых производств.
Технологическая схема производства сахара предусматривает использование большого количества оборудования, энерго- и ресурсных затрат, а также ряд физико-химических процессов, среди которых кристаллизация сахара — один из важнейших. Технология этих процессов во многом уже отработана и описана в учебной и научно-технической литературе [1, 2]. Основной задачей кристаллизационного отделения является получение максимального выхода сахара, соответствующего требованиям ГОСТа.
Перед кристаллизационным отделением стоят две, во многом противоречивые, задачи:
— получить сахар потребительского достоинства, соответствующий требованиям ГОСТа;
— обеспечить минимальное содержание сахара в конечном оттёке (мелассе), выводимом из производства.
Основные процессы, используемые для решения этих задач, относятся: к физико-химическим — получение пересыщенных растворов, кристаллизация из них сахара, максимальное истощение
мелассы и чисто механическим — центрифугирование утфелей с получением кристаллического сахара и оттёков.
Обоснование выбора
эффективного способа заводки
кристаллов сахара
Кристаллы сахарозы образуются только в пересыщенных растворах. Для этого из сиропа, который является ненасыщенным раствором, дополнительно выпаривают воду под разрежением до получения пересыщенного раствора (коэффициент пересыщения 1,25—1,35). В пересыщенном растворе могут образовываться зародыши кристаллов, но самопроизвольное их появление довольно затруднено, а иногда, при наличии некоторых несахаров, практически невозможно. Следует отметить, что самопроизвольно центры кристаллизации образуются не одновременно, и это приводит к образованию кристаллов сахарозы разных размеров, к тому же в этом случае количество образовавшихся центров невозможно регулировать. Было замечено, что в присутствии в пересыщенном сахарном растворе мельчайших нерастворимых частичек либо при механическом воздействии (например, быстрой подкачки сиропа) начинают образовываться кристаллы сахара.
Использование сахарной пудры в качестве затравки
Исходя из этого наблюдения для надёжного и быстрого образования центров кристаллизации сахарозы в пересыщенный раствор стали вводить сахарную пудру.
Затравка в виде сахарной пудры является самым простым и самым неэффективным способом. Сахарную пудру получают путём дробления уже готовых кристаллов сахара на мелкие осколки, при этом они имеют разную неправильную форму (рис. 1а).
При попадании этих осколков в пересыщенный раствор в первую очередь происходит достраивание кристаллов сахара до первоначальной формы декаэдра, и чем меньше осколок кристалла, тем большее время тратится на достраивание и тем позже начинается дальнейший рост кристалла. На рисунке 1 (б, в) показано, как достраивается кристалл сахарозы при разных размерах осколков, введённых в пересыщенный раствор. Затенённая часть кристалла — это введённый осколок сахара, светлая — наращиваемая часть.
В случае использования сахарной пудры как центров кристаллизации получается разный гранулометрический состав кристаллов сахара не только из-за разного размера осколков сахара,
но и из-за того, что при введении пудры в вакуум-аппарат, как правило, образуются ещё и новые центры кристаллизации [3]. Всё это продлевает время кристаллизации, усложняет процесс уваривания утфелей, их центрифугирование и увеличивает неучтённые потери сахара за счёт перекристаллизации.
Использование
кристаллизационной пасты
в качестве затравки
Чтобы достичь несколько лучших результатов при заводке кристаллов, можно использовать специальную кристаллизацио-ную пасту, которая готовится на основе сахарной пудры, т. е. из тех же осколков кристаллов сахара. Правда, для приготовления пасты стараются получать более равномерные осколки, применяя мельницы, максимально измельчающие кристаллы сахара [4, 5]. Однако и в этом случае вначале происходит достраивание введённых осколков до кристалла, и только затем начинается его рост. Гранулометрический состав при этом более ровный, но время уваривания утфелей практически не меняется. Для сахарного производства очень важно провести процесс кристаллизации в течение оптимального времени и получить равномерный, среднего размера кристалл сахара, который в дальнейшем легко поддаётся обработке и не снижает выход конечного продукта.
Использование маточного
утфеля в качестве затравки
В последнее время на заводах в качестве затравки кристаллов при уваривании утфеля I продукта используют маточный утфель, который предварительно уваривается из сиропа с клеровкой. Для образования в нём центров кристаллизации, как правило, используется затравочная паста. В этом случае достройка кристаллов сахара и их наращивание до размеров от 200 до 350 мкм происходит в отдельном вакуум-аппарате. Полученный маточный утфель отличается высокой равномерностью кристаллов и не содержит конгломератов. При уваривании утфеля I вводится расчётное количество маточного утфеля с необходимым содержанием кристаллов. Этот приём позволяет снизить время уваривания утфеля, что сказывается и на качестве сахара, и на его гранулометрическом составе [6].
На европейских и некоторых российских сахарных заводах (например, на Успенском сахарном заводе в Краснодарском крае) заводку кристаллов в маточном ут-феле производят холодным кри-сталлизатом, в котором уже содержатся зародыши кристаллов сахарозы. При уваривании маточного утфеля происходит только наращивание кристаллов сахара до заданного размера. В этом ут-феле можно регулировать количество кристаллов сахара и, соответственно, проще рассчитать их необходимое количество, по-
даваемое с маточным утфелем на уваривание утфеля I. Холодный кристаллизат можно использовать и для заводки кристаллов на последующие утфели. При таком способе заводки кристаллов эффективность работы кристаллизационного отделения существенно повышается за счёт сокращения времени кристаллизации, расхода пара на уваривание утфелей и увеличения выхода сахара.
Обоснование выбора
эффективной схемы работы
кристаллизационного отделения
Известно, что в одну ступень кристаллизации сахарозы из концентрированных сахарных растворов невозможно получить максимальное количество товарного сахара и мелассу с минимальным его содержанием.
На российских сахарных заводах применяют в основном двух- или трёхпродуктовые схемы кристаллизации, на некоторых из них проводят кристаллизацию сахарозы по двухсполовинной продуктовой схеме [7].
Двухпродуктовая схема кристаллизации используется, если диге-стия свёклы не выше 17 % и чистота сиропа не более 91 %. При высоких уровнях дигестии и чистоты сиропа эта схема не сможет обеспечить максимальное извлечение сахарозы и, как правило, меласса имеет высокую чистоту за счёт высокого содержания в ней сахара. В этом случае более приемлема трёхпродуктовая схема кри-
№ 11 • 2019 САХАР 17
сталлизации, которая позволит существенно снизить содержание сахара в мелассе и повысить его качество, но на выходе сахара сказывается незначительно, так как увеличиваются неучтённые потери сахарозы за счёт дополнительной перекристаллизации жёлтых сахаров.
Выводы и обсуждение
Трёхпродуктовая схема более сложная и энерго- и материало-ёмкая. Более эффективна, по нашему мнению, двухпродуктовая схема с увариванием утфеля II с отбором. По существу она является улучшенным вариантом трёхпродуктовой схемы, в которой последний утфель уваривается на кристаллической основе предыдущего утфеля. Отличие состоит в том, что нет необходимости перетягивать утфель II (промежуточный) в свободный аппарат в качестве кристаллической основы утфеля III.
Начальный утфель II повышенной доброкачественности спускается (отбирается) с аппарата на 2/3 общего объёма, а оставшаяся 1/3 продукта является кристаллической основой для конечного утфеля. Этот конечный утфель уваривается на оттёке отобранной и отфугованной части начального утфеля.
Для отбора 2/3 утфеля II вакуум-аппараты снабжаются трубами, врезанными чуть выше трубной решётки паровой камеры. Труба оборудуется задвижкой, расположенной по возможности ближе к корпусу вакуум-аппарата. Отбираемый утфель II спускается при закрытом паре и отключённом разрежении, центрифугируется, полученный желтый сахар клеруется и направляется на уваривание утфеля I по схеме, принятой на заводе.
Оттёк отбора используется для уваривания конечного утфеля II. Особенностью уваривания конечного утфеля является то, что он ва-
рится до заполнения вакуум-аппарата лишь на 2/3 полного объёма только тем количеством оттёка, которое получилась от центрифугирования отбора из предыдущего аппарата. Утфель конечный направляется на дополнительную кристаллизацию. Данная схема в зависимости от качества свёклы
позволяет работать по двум вариантам: с отбором утфеля II и без отбора.
Схема движения продуктов по описанному способу представлена на рис. 2.
В таблице приведены средние показатели работы кристаллизационного отделения одного из за-
Сироп с клеровкой
I
Уваривание утфеля I продукта
Центрифугирование
Белый сахар
I оттёк
II оттёк
\
Уваривание утфеля II продукта (начального)
Центрифугирование
^ I .
Желтый сахар Оттёк отбора II (начальный)
^ Уваривание утфеля II продукта (конечного)
\
\
_ Клерование
А
Дополнительная кристаллизация
Центрифугирование
■ Жёлтый сахар Меласса II (конечный)
Рис. 2. Векторная схема движения продукта
Сравнительные показатели работы кристаллизационного отделения по двухпродуктовой схеме (вариант 1) и схеме уваривания утфеля II
с отбором (вариант 2)
Продукты Вариант 1, % Вариант 2, %
Дигестия свёклы 16,2 17,9
Чистота сиропа 88,5 91,6
Чистота сиропа с клеровкой жёлтых сахаров 89,9 92,8
Чистота утфеля I 89,5 92,4
Чистота оттёка I 78.8 81,8
Чистота оттёка II 86,8 88,7
Чистота утфеля II (начального) 78,4 82,5
Чистота оттёка отбора - 76,2
Чистота утфеля II (конечного) - 75,6
Чистота мелассы 54,2 53,0
£
о
> Т>
Рис. 3. Эффективная кристаллизационная схема уваривания утфелей: 1 — сборник очищенной клеровки; 2 — охлаждаемый кристаллизатор; 3.1—3.4 — коллектор; 4.1—4.2 — мешалка-дозатор; 5 — приёмная мешалка для кристаллизата; 6— шестерёнчатый насос; 7— вакуум-аппарат маточного утфеля; 8 — приёмная мешалка для маточногоутфеля; 9 — шестерёнчатый насос; 10 — вакуум-аппарат Iпродукта; 11 — приёмная мешалка утфеля I продукта; 12 — сборник IIоттёка Iпродукта у вакуум-аппаратов; 13 — утфелераспределитель Iпродукта; 14 — центрифуга периодическая Iпродукта; 15 — виброконвейер для белого сахара; 16— шестерёнчатый насос; 17 — насос; 18— сборник Iоттёка Iпродукта у вакуум-аппаратов; 19— сборник II оттёка Iпродукта у центрифуг; 20 — сборник сборник Iоттёка Iпродукта у центрифуг; 21 — вакуум-аппарат IIпродукта; 22 — приёмная мешалка для утфеля IIначального; 23 — утфелераспределитель утфеля IIначального; 24 — центрифуга непрерывная утфеля IIначального; 25 — клеровочная мешалка; 26 — центробежный насос; 27 — шестерёнчатый насос; 28 — насос; 29 — сборник Iоттёка утфеля IIначального у вакуум-аппаратов; 30 — вертикальный кристаллизатор; 31 — насос; 32 — утфелераспределитель утфеля IIконечного; 33 — центрифуга периодическая утфеля IIконечного; 34 — сборник мелассы; 35 — насос шестерёнчатый; 36 — приёмная мешалка для утфеля IIконечного
водов Краснодарского края по обычной двухпродуктовой схеме и по схеме уваривания утфеля II с отбором. Исследования проводили в течение всего сезона переработки свёклы. При дигестии свёклы 17 % и ниже работали по двухпродуктовой схеме, а при более высокой дигестии переходили на уваривание утфеля II с отбором.
Сравнительные показатели работы кристаллизационного отделения по двухпродуктовой схеме (вариант 1) и схеме уваривания утфеля II с отбором (вариант 2)
Как видно из данных таблицы, уваривание утфеля II с отбором более полно истощает межкристальный раствор последнего продукта (утфеля II конечного), что обеспечивает получение мелассы с низкой чистотой и, соответственно, с низким содержанием сахара в ней.
Заключение
Двухпродуктовая схема с увариванием утфеля II с отбором существенно снижает чистоту и выход мелассы за счёт того, что количество утфеля II конечного, направляемого на дополнительную кристаллизацию, как правило, на 1/3 меньше, чем при классических двух- и трёхпродуктовых схемах. Поскольку уваривание конечного утфеля производится на основе оставшейся в аппарате части утфеля, время его уваривания меньше, чем при уваривании утфеля III, следовательно, расход пара тоже снижается. Для перехода на работу по данной схеме не требуется больших финансовых затрат, необходимо лишь грамотно провести перекомпоновку оборудования. Обязательным условием при этом является использование раздельной системы разрежения для I и II продуктов.
Таким образом, вышеизложенное подтверждает целесообразность применения на сахарных
заводах двухпродуктовой схемы с увариванием утфеля II с отбором.
Аппаратурная схема кристаллизационного отделения с увариванием утфеля II с отбором представлена на рис. 3.
Список литературы
1. Сапронов, А.Р. Технология сахара: учебник / А.Р. Сапронов, Л.А. Сапронова, С.В. Ермолаев. — СПб. : Профессия, 2013. — 296 с.
2. Тужилкин, В.А. Кристаллизация сахара: монография / В.А. Тужилкин. — М. : МГУПП, 2007. — 336 с.
3. Бажал, И.Г. Влияние размера кристаллов на их скорость роста и растворения / И.Г. Бажал [и др.] // Известия ВУЗов СССР. — М. : Пищевая технология, 1966. — С. 137—140.
4. Карпенко, В.А. Новый затравочный материал / В.А. Карпенко, А.К. Сущенко, А.Ф. Кравчук,
B.О. Штангеев // Сахарная промышленность. — 1994. — № 2. —
C. 16—17.
5. Колчинский, Е.В. Затравка ССС-Р как инициатор-катализатор кристаллизации сахара / Е.В. Кол-чинский, Л.П. Станиславский // Сахар. — 2003. — № 6. — С. 43—44.
6. Подгорнова, Н.М. Оценка эффективности способов заводки кристаллов при уваривании сахарных утфелей / Н.М. Подгорнова, С.М. Петров, Н.И. Полуянова // Сахар. — 2005. — № 6. — С. 44—47.
7. Мищук, Р.Ц. Сравнение эффективности схем кристаллизации сахара / Р.Ц. Мищук, А.Н. Са-вич, Д.М. Гриб // Сахар. — 2004. — № 6. — С. 30—31.
Аннотация. Установлено, что основными факторами, влияющими на эффективность работы кристаллизационного отделения сахарных заводов, являются способ заводки кристаллов и кристаллизационная схема уваривания продуктов. Проведён анализ способов заводки кристаллов сахара. Обосновано, что более эффективно осуществлять заводку кристаллов маточным утфелем, так как при этом кристаллоструктура и гранулометрический состав сахара получаются наиболее равномерными. Аргументирована эффективность использования двухпродуктовой схемы с отбором 2/3 части утфеля II для промежуточного отделения сахара и возврата полученного оттёка на доваривание оставшейся в аппарате 1/3 части утфеля. Этот приём позволяет получать мелассу с низким содержанием сахара даже при высокой исходной дигестии свёклы и чистоте сиропа, снижать расход пара на уваривание утфелей.
Ключевые слова: сироп, клеровка, сахароза, кристаллоструктура, заводка кристаллов, маточный утфель, оттёк, кристаллизационная схема. Summary. It is established that the main factors affecting the efficiency of the crystallization department of sugar factories are the method of planting crystals and the crystallization scheme of boiling products. An analysis is made of the methods of planting sugar crystals. It is substantiated that it is more efficient to carry out the crystal filling with the uterine massecuite. In this case, the crystal structure and granulometric composition of sugar are the most uniform. The efficiency of using a two-product scheme with the selection of 2/3 of the massecuite II for intermediate separation of sugar and returning the resulting effluent to add 1/3 of the massecuite remaining in the apparatus is substantiated. This technique allows you to get molasses with a low sugar content even with a high initial beet digestion and purity of syrup, to reduce the steam consumption for boiling massecuite.
Keywords: syrup, remelt, sucrose, crystal structure, graining, massecuite, runoff, crystallization scheme.
