CC BY
48
УДК 664.1.05
Технологические и экономические аспекты
кристаллизации сахара
В.И. Тужилкин, д-р техн. наук, профессор, В.А. Ковалёнок, д-р техн. наук, профессор А.М. Гаврилов, канд. техн. наук, доцент, К.А. Уразбаева, канд. хим. наук, доцент, Д.А. Клемешов, канд. техн. наук, Е.Н. Прокофьев, аспирант Московский государственный университет пищевых производств
В настоящее время Россия активно проводит работу по интеграции в мировое экономическое сообщество в рамках членства в ВТО, что создает более жесткие условия по защите продовольственного рынка нашей страны. В этих условиях сохранение отечественного свеклосахарного производства и повышение его конкурентоспособности должны идти в направлении увеличения объемов производства сахарной свеклы, но не за счет увеличения посевных площадей, а за счет повышения эффективности свекловичных плантаций и перерабатывающего производства.
Решение неотложных задач, стоящих перед свеклосахарным комплексом с учетом экономического состояния страны, требует иных подходов, чем это было раньше. Для повышения эффективности работы свеклосахарного комплекса в странах ЕС и повышения его конкурен-
/ Пищевая /■■.. промышленность \
/ ^^"Ho-Re-CaV Институциональное потребление
1 \ 1 \ Население ' . ^ Непродовольственное потребление V Не идентифицировано
Рис. 1. Структура потребления сахара в РФ в 2013 г.
Число действующих сахарных заводов в 2012 г.
Регион На сырце На свекле Всего
Южный ФО 5 19 19
ЦЧР 5 48 48
Вол га-Урал 1 10 10
Алтай 0 1 1
Приморье 1 0 1
Всего 12 78 79
тоспособности со странами, производящими сахар из тростника, в 70-х годах был разработан сахарный режим, который включал систему мер, позволяющих правительству в системе рыночных отношений активно влиять на процессы, происходящие в сахарной промышленности стран, входящих в сообщество, в сфере ценовой политики на сырье и готовую продукцию и надежно защищать национальных производителей сахара от значительных колебаний цен мирового рынка.
Производство и потребление сахара носит сезонный характер. Свекловичный сахар в основном производится в сентябре - ноябре, сырцовый - в марте - июле. Пик потребления приходится на лето и !У-й квартал. На рис. 1 приведена структура потребления сахара в Российской Федерации в 2013 г.
По оценке ИКАР емкость российской сахарной индустрии в 20122013 гг. составила около 4,5 млрд долл. США. (оптовые цены со склада), в том числе импортный белый сахар - 0,3 млрд долл.
В 1999-2012 гг. при поддержке мер защиты от импорта динамично, почти непрерывно росло производство свекловичного сахара (с коротким снижением в 2009-2010 гг. из-за неблагоприятной погоды), в первую очередь за счет роста продуктивности отрасли, а также роста посевных площадей под сахарную свеклу. В таблице показано количество действующих сахарных заводов.
Фактические производственные мощности только действующих заводов на сахарной свекле в 2012 г. составили 307 тыс. т в сутки.
Имеющиеся в России мощности позволяют переработать за 140 сут до 43 млн т сахарной свеклы (в зачетной массе) и произвести до 5,7 млн т свекловичного сахара.
Сырцовую схему имеют 74 завода. Общая мощность переработки всех заводов - 40,0 тыс. т сырца в сутки, в том числе перерабатывавших сырец в 2009-2012 гг. - 23 тыс. т сырца в сутки.
Имеющиеся в России мощности только действующих заводов позволяют переработать до 8,8 млн т сахара-сырца и произвести до 8,5 млн т сырцового сахара.
Стоимость одного сахарного завода очень велика (порядка 10 млн долл.), поэтому основные тенденции к повышению эффективности предприятий сводятся к модернизации уже действующих предприятий с увеличением их производительности и внедрению новых, прогрессивных технологических схем и оборудования.
Учитывая современное состояние сахаропроизводящего комплекса становится актуальной задачей снижение себестоимости выпускаемой продукции за счет интенсификации действующего производства путем внедрения новых, энергоэффективных технологий.
Кристаллизация сахара - один из основных процессов в технологии сахара. Это завершающий этап всего производства. От правильного осуществления этого процесса во многом зависят выход, себестоимость и
качество готовой продукции и, в конечном итоге, экономическая эффективность всего производства [1, 2].
Вот почему совершенствование и интенсификация процесса кристаллизации является актуальной задачей.
Технология периодического уваривания утфелей известна давно. Но ей присущи недостатки в виде нестабильности получаемых параметров сваренных утфелей (содержание кристаллов, размер и дисперсия кристаллов), связанные с плохой воспроизводимостью условий кристаллообразования и наращивания кристаллов, неэффективным контролем и управлением увариванием, периодическим способом осуществления процесса, существенный недостаток которого - периодические подкачки увариваемого продукта (сиропа). Поэтому одной из основных решаемых задач сахарного производства по-прежнему остается получение высококачественного сахара в процессе кристаллизации в вакуум-аппаратах [3, 4].
Не отрицая перспективности технологии непрерывного получения сахара, отметим, что до настоящего времени в России она не получила широкого промышленного распространения. С определенной степенью вероятности можно утверждать, что вряд ли в ближайшие годы ВАНД быстро заменят все вакуум-аппараты периодического действия (ВАПД)
[4].
Не отвергая других возможных решений, можно констатировать, что к настоящему времени сформировалось семь направлений промышленной реализации предлагаемой технологии, а именно:
получение сахара на кристаллической основе этого же утфеля;
кристаллизация с использованием искусственно приготовленного утфе-ля;
кристаллизация с применением маточного раствора;
кристаллизация сахара с переносом стадии сгущения сиропа до лабильного состояния на отдельную ступень выпаривания;
кристаллизация с отбором утфе-лей предыдущих или последующих ступеней;
кристаллизация сахара с последовательной перетяжкой утфелей по ступеням кристаллизации;
комбинированные методы (с различными концентрациями сиропа).
С целью анализа режимов кристаллизации и выявления положительных эффектов в МГУПП при финансовой поддержке РГНФ в рамках проекта проведения научных исследований («Повышение экономической эффективности сахарных заводов за счет создания информационно-моделирующего комплекса»), проект №13-02-00176, выполнено исследование и созданы математические модели всех рассмотренных способов кристаллизации сахара и проведено имитационное моделирование.
Результаты моделирования показали высокую перспективность методов моделирования кристаллизации сахара. Исходя из позиций энергоэффективности, был выбран комбинированный метод уваривания утфеля на основе сиропов разных концентраций. При этом удалось выявить ряд интересных закономерностей.
Во-первых, применение способа кристаллизации с применением высоко концентрированных сиропов, а равно как и низко концентрированных, наталкивается на проблему эффективного использования полезной емкости вакуум-аппарата.
Оказалось, что, если осуществлять кристаллизацию при постоянном пересыщении, с использованием сиропов низкой концентрации, то утфель достигает конечной концентрации с недоиспользованием полезной емкости вакуум-аппарата. И, наоборот, при поступлении на подкачивание сиропа высокой концентрации, вакуум-аппарат переполняется готовым утфелем.
Выходом из создавшегося положения может служить разработка ново-
го способа кристаллизации с использованием сиропов двух концентраций.
Сущность его состоит в том, что сначала на кристаллизацию подают сироп низкой концентрации, а затем, в строго определенное время, начинают подавать сироп высокой концентрации. Для практической реализации данного способа был разработан специальный алгоритм управления, который реализует данное предложение.
Сопоставим результаты вариантов кристаллизации по предлагаемому способу и по традиционной классической технологии. На рис. 2-5 представлены результаты сравнительных испытаний.
Как видно из приведенных данных, уваривание в ручном режиме характеризуется значительными колебаниями многих параметров и требует постоянного активного вмешательства в процесс специалиста. При этом длительность процесса и расход пара выше, чем при кристаллизации по предлагаемому способу.
В результате моделирования процесса кристаллизации сахара с учетом состава примесей, определяемых интегральными значениями коэффициентов качества (т, Ь, с, к) в уравнении Кнас= Ь+т НС/ВД + ес НС/ВД для различных зон свеклосеяния, ус-
Рис. 2. Процесс уваривания утфеля 1-го продукта в автоматическом режиме 290 мин (окончание процесса)
Рис. 3. Показатели процесса уваривания (ру, рр раУкр Ту) в автоматическом режиме
тановлено сильное влияние на продолжительность кристаллизации, выход сахара, расход топлива и другие технологические показатели работы завода. Аналогичное влияние на продолжительность, технологические и теплотехнические показатели кристаллизуемых продуктов оказывают число, размер, форма кристаллов и их масса. Учет всех этих факторов для эффективного управления технологическими процессами возможен лишь при применении информационно-моделирующих систем.
Практически способ осуществляют следующим образом. В вакуум-аппарат первой кристаллизации набирают с выпарки сироп СВ=50-65 %, сгущают до Ппе =1,10-1,12, затем вво-
Рис. 4. Уваривание утфеля 1-го продукта в ручном режиме (расход сиропа задается в зависимости от коэффициента пересыщения) - окончание процесса
СВск=68ч74 % определяют по уравнению:
ф =838,8-1137,7СВ 2+
~п ' ' ск2
+1909,4СВ ,СВ -1376,9СВ Ч . (1)
' ск1 ск2 ' ск1 ск 4 '
Момент времени (фк) окончания процесса кристаллизации определяют по регрессионному уравнению:
фк=1633,3+469,46СВск1-
522,5СВ 12+79,4СВ ,-1775,44 . (2)
' ск1 ' ск2 ' ск
Расход пара (Qп) в течение процесса кристаллизации поддерживают в пределах 4600ч13500 кг/ч и определяют по регрессионному уравнению:
Q = 597803-46303СВ ,2-
^ п ск1
- 1363345 Чск + 894506Чск2 + + 197006СВС ,СВ~ 100550СВ Ч Г
ск2 ск1 ск
-158697 СВ 2 Ч ..
ск2 ск
(3)
дят затравочную суспензию, содержащую заданное число центров кристаллизации.
В дальнейшем наращивание кристаллов проводят в два этапа. На первом этапе для поддержания необходимого пересыщения П =1,10-1,12 подкачивают с выпарки сначала сироп низкой концентрации СВс=50-65 % до момента времени фп.
После этого на втором этапе продолжают наращивание кристаллов, подкачивая только концентрированный сироп с клеровкой СВк=68-76 % и поддерживая пересыщение Ппер=1,10—1,12 до достижения утфе-лем требуемого объема вакуум-аппарата 60 т и СВк=92-92,5 %.
Момент времени (ф) начала подачи сиропа с клеровкой
В уравнениях (1), (2), (3): СВск1-концентрация сиропа с клеровкой в диапазоне 50ч65 %; СВск2- концентрация сиропа с клеровкой в диапазоне 68ч74 %; Чсг~ чистота сиропа с клеровкой в диапазоне 88ч94 %; Qп - расход пара на поддержание п" =1,10ч1,12.
пер ' '
Предложенный способ получения утфеля первой кристаллизации обладает следующими достоинствами: сгущение сиропа с выпарки до
П =1,10-1,12, а не до 1,25-1,30, попер ' ' ' 1—1/ II
зволяет снизить расход пара на стадии сгущения до момента образования центров кристаллизации;
введение четко заданного числа центров кристаллизации при достижении П =1,10-1,12 позволяет бопер
лее устойчиво управлять процессом роста кристаллов в метастабильной зоне, избежать образования конгломератов и друзов, улучшить гранулометрический состав сахара-песка;
использование на первом этапе для наращивания кристаллов и поддержания П =1,10-1,12 только сиропа с
пер
выпарки обеспечивает лучшие условия кристаллизации из-за исключения попадания в состав подкачиваемого продукта вредных продуктов разложения сахарозы (редуцирующих веществ, меланоидина, красящих веществ и др.), что, несомненно, имеет место при возврате клеровок;
более эффективное использование полезного объема вакуум-аппарата и независимо от изменений технологических, теплотехнических, физико-химических показателей, колебаний состава примесей, получение в любом случае массы утфеля 60 т и СВ =92 %;
у '
сокращение потерь от термического разложения сахарозы и улучшение качества готовой продукции;
Рис. 5. Показатели процесса уваривания в ручном режиме
снижение расхода пара на уваривание.
Для практической реализации в промышленном масштабе предлагаемого способа используется информационно-моделирующий комплекс в виде компьютерного блока, решающего систему уравнений (1, 2, 3) в явном виде.
Достоинства предлагаемого способа: на 28-30 % сокращается продолжительность уваривания утфеля и повышается, таким образом, производительность продуктового отделения; снижается расход пара по заводу; создаются благоприятные условия для полной автоматизации процесса роста кристаллов.
При промышленном внедрении способа необходимо оснастить один из выпарных аппаратов системой автоматического управления процессом сгущения сиропа до СВ=68-75 %, выделив его в отдельную ступень выпаривания. Сгущение следует осуществлять при повышенном остаточном давлении, что позволит более эффективно использовать ут-фельный пар на технологические нужды и дополнительно снизить расход пара и топлива по заводу. Для реализации способа потребуется установить сборник для хранения концентрированного сиропа с автоматизированной системой поддержания его в состоянии, близком к насыщенному.
ЛИТЕРАТУРА
1. Интенсификация процесса уваривания утфелей/В.Т. Гаряжа [и др.]. -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 152 с.
2. Сапронов, А.Р. Технология сахарного производства/А.Р. Сапронов.-СПб.: Профессия, 2013. - 295 с.
3. Тужилкин, В.И. Некоторые особенности уваривания утфелей/В.И. Тужилкин, А.И. Сорокин, В.А. Коваленок//
Совершенствование технологии переработки сырья для сахарной промышленности, освоение новых видов оборудования и компьютеризации производства. - М.: МГУПП. - Ч. 2. - С. 3-7.
4. Schliephake, D. Beitrag zur vollstandigenBerecbnung der
Kristallizationsgeschiwindichkeit der Saccarose/D. Schliephake, B. Ekelhof. -Zuckerind. - 1983. - B. 108. - N. 12. - S. 1127-1138.
Технологические и экономические аспекты кристаллизации сахара
Ключевые слова
экономическая эффективность; моделирование; оптимизация; технологическая система; технологический процесс; полунепрерывная кристаллизация; математическая модель.
Реферат
В статье выявлены резервы энергопотребления в сахарной промышленности на основе совершенствования и интенсификации технологии промышленной кристаллизации сахара. На основе ряда фундаментальных математических уравнений разработана универсальная математическая модель изобарической испарительной кристаллизации сахара. В ходе изучения кинетики этого процесса определены основные параметры, использование которых дает возможность определять направления интенсификации промышленной кристаллизации сахара. Указаны граничные значения варьирования этими параметрами; показана роль качественного состава несахаров в кинетике кристаллизации продуктовых утфелей. Разработаны практические способы улучшения испарительной кристаллизации сахара, обеспечивающие экономию топливно-энергетических затрат на предприятиях отрасли.
Авторы
Тужилкин Вячеслав Иванович, д-р техн. наук, профессор, Коваленок Владимир Александрович, д-р техн. наук, профессор, Гаврилов Алексей Михайлович, канд. техн. наук, доцент, Уразбаева Клара Абдыразаковна, канд. хим. наук, доцент, Клемешов Дмитрий Анатольевич, канд. техн. наук, Прокофьев Евгений Николаевич, аспирант, Московский государственный университет пищевых производств, 125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, tvi39@yandex.ru
Technological and Economic Aspects of Sugar Crystallization
Key words
economic efficiency; modeling; optimization; system technology; technological process; semi continuous crystallization; mathematical model.
Abstracts
The article identified reserves of energy in the sugar industry by improving and intensifying technology of industrial sugar crystallization. On the basis of a number of fundamental mathematical equations developed universal mathematical model of izobarmeskoj evaporation crystallization of sugar. A study of the kinetics of the process defines the basic parameters, which makes it possible to determine the direction of intensifying industrial crystallization of sugar. The boundary values of the variation in these parameters; the role of no sugar in the kinetics of crystallization of grocery massecuite. Develop practical ways of improving the evaporation and crystallization of sugar that provide savings in fuel and energy costs for the industry.
Authors
Tuzhilkin Vyacheslav Ivanovich, Doctor of Technical Science, Professor, Kovalyonok Vladimir Alexandrovich, Doctor of Technical Science, Professor, GavrilovAlexey Mikhaylovich, Candidate of Technical Science, Docent, Urazbaeva Klara Abdyrozakovna, Candidate of Chemical Science, Docent,
Klemeshov Dmitriy Anatolyevich, Candidate of Technical Science, Prokofyev Evgeniy Nikolaevich, Graduate Student, Moscow State University of Food Production, 11, Volokolamskoye Shosse, Moscow, 125080, tvi39@yandex.ru
