ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Кристаллизация сахара охлаждением утфеля последнего продукта является одной из наиболее важных стадий технологической переработки сахарной свеклы, так как здесь происходят основные потери сахара с мелассой, достигающие 75 % от всех потерь сахара в производстве. Значительный вклад в изучение процесса кристаллизации сахара, обоснование параметров истощения мелассы, выбора режима охлаждения утфеля последнего продукта внесли видные отечественные и зарубежные ученые: И.Г. Бажал, И.Ф. Бугаенко, А.А. Герасименко, П.В. Головин, А.И. Громковский, И.С. Гулый, М.И. Даишев, Ю.М. Жвирблянский, И.Н. Каганов, Ю.Д. Кот, К.К. Полянский, В.Д. Попов, А.Р. Сапронов, П.М. Силин, Н.П. Силина, В.И. Тужилкин, А. Бригель-Мюллер, Г. Вавринец, К. Вагнеровски, Р.А. Мак-Джиннис, Д. Шлипхаке и многие другие.
Однако до сих пор не разработано математическое описание процесса кристаллизации сахара в чистых и технических растворах, позволяющее с оцененной точностью описывать наиболее часто цитируемые в литературе опытные данные, а также эксперименты, принятые ICUMSA в качестве официальных. Не исследовано подобие физико-химических параметров мелассы при ее ускоренном насыщении в вибрирующем слое кристаллов сахара. Не разработаны на основе этих исследований и адекватных математических моделей экспресс-метод определения параметров нормальной мелассы и алгоритм нахождения оптимального температурного режима охлаждения утфеля. Отсюда вытекает актуальность поставленной в диссертационной работе научной задачи, заключающейся в моделировании и усовершенствовании процесса массовой кристаллизации сахара охлаждением утфеля последнего продукта. В настоящее время для ее решения сложились все необходимые условия: отработаны технические решения по ускоренному насыщению мелассы в вибрирующем слое кристаллов сахара, опубликован
обширный экспериментальный материал об основных закономерностях кристаллизации сахара, включая данные по растворимости, скорости кристаллизации, вязкости и др., стали доступными недорогие высокопроизводительные персональные и карманные компьютеры, разработаны высокоэффективные методы вычислительной математики для моделирования и оптимизации технологических процессов, вырос уровень квалификации персонала сахарных заводов.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР кафедры технологии сахаристых веществ ВГТА «Разработка новых и совершенствование существующих технологий, оборудования и методов контроля сахарного производства» (№ гос. регистрации 01.970.000492), а также по НИР «Развитие инновационной технологии кристаллизации сахаристых
веществ» (хоз. договор № 21/02 с ОАО «Сахарный завод «Жердевский»).
Цель и задачи диссертационной работы. Цель исследования заключалась в моделировании и усовершенствовании процесса массовой кристаллизации сахара охлаждением утфеля последнего продукта. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- провести экспериментальные исследования по ускоренному насыщению меласс в вибрирующем слое кристаллов сахара, определить физико-химическое подобие кинетической зависимости содержания сухих веществ (СВ) и электрического сопротивления (R) меласс для прогнозирования процесса их насыщения;
- исследовать влияние температуры на коэффициент насыщения технических сахарных растворов;
- получить адаптивные модели процесса массовой кристаллизации сахара охлаждением утфеля и уравнения регрессии для расчета коэффициентов активности при моляльных концентрациях сахарозы в нечистых насыщенных и пересыщенных растворах; предложить уравнение
теплообмена для вертикальных кристаллизаторов;
- разработать экспресс-метод определения оптимальных параметров нормальной мелассы с использованием настраиваемых на конкретный раствор математических моделей вязкости и коэффициента насыщения;
- разработать алгоритм оптимизации температурного режима охлаждения утфеля последнего продукта;
- исследовать влияние начальных параметров утфеля, подготовленного к кристаллизации, на выход сахара при оптимальном охлаждении утфеля;
- предложить технические устройства для интенсификации процесса массовой кристаллизации сахара охлаждением утфеля;
- оценить экономическую эффективность от реализации разработанных алгоритмов и созданных устройств
Научная новизна. Разработано адекватное математическое описание процесса массовой кристаллизации сахара охлаждением утфеля, включающее модели растворимости и скорости роста кристаллов сахарозы в чистых и технических растворах и вязкости этих растворов, уравнение теплового баланса кристаллизатора. Установлено физико-химическое подобие кинетической зависимости содержания сухих веществ и электрического сопротивления меласс. Разработан экспресс-метод определения оптимальных параметров нормальной мелассы. В классе функций третьего порядка разработан алгоритм оптимизации температурного режима охлаждения утфеля последнего продукта с использованием аппарата нелинейного программирования - метода конфигураций Хука-Дживса (МКХД), включающий расчет оптимального расхода охлаждающей воды в секции кристаллизатора. Получена зависимость выхода кристаллического сахара от начальных параметров утфеля при его оптимальном охлаждении в виде уравнения гиперболического параболоида.
Практическая значимость работы заключается в разработке экспресс—метода определения оптимальных параметров нормальной мелассы. Разработаны технологический регламент для кристаллизации сахара охлаждением утфеля в вертикальных кристаллизаторах и оригинальные устройства для ускоренного насыщения мелассы и автоматического контроля ее вязкости. Новизна технических решений защищена патентом РФ №2196984. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы составит 1 453,5 тыс. руб. в год.
10
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ
ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ САХАРА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ УТФЕЛЯ ПОСЛЕДНЕГО ПРОДУКТА
1.1. Краткое описание существующих технологий последней ступени кристаллизации
Рациональная технологическая схема продуктового отделения свеклосахарного завода должна иметь столько ступеней кристаллизации, чтобы при переработке свеклы среднего качества обеспечивать максимальное обессаха-ривание мелассы с суммарным эффектом кристаллизации 30...33 % и коэффициентом извлечения сахара примерно 78 % /104, 105/. Наиболее полно этим требованиям соответствует трехкристаллизационная схема с аффинацией сахара III кристаллизации первым оттеком утфеля I кристаллизации, принятая в РФ в качестве типовой. Эта схема обеспечивает получение стандартного сахара-песка при минимальном содержании сахарозы в мелассе.
Двухкристаллизационная технологическая схема значительно проще трехкристаллизационной и используется при переработке свеклы с низкой сахаристостью /117/. Большинство отечественных заводов работает по двух-кристаллизационной схеме.
В странах дальнего зарубежья, как правило, используются многоступенчатые схемы кристаллизации. Технология переработки утфеля последней ступени кристаллизации включает в себя получение утфеля в вакуум-аппаратах, где происходит изобарическая кристаллизация сахарозы за счет выпаривания воды и дополнительную кристаллизацию сахара методом изогидрического охлаждения в кристаллизационной установке, состоящей из каскада кристаллизаторов. Здесь он охлаждается в течение 26...50 часов при пересыщении примерно 1,1 /3...6, 104, 105, 112, 117/с 75 °С до 40 °С со ско-
11
ростью 1...2 °С/ч /152/. Чем выше содержание СВ в утфеле, тем больше выкристаллизовывается сахарозы. Пределом окончательного сгущения является ухудшение текучести утфеля, связанного с затруднениями при его спуске из ВА. Смысл сгущения «до потери текучести» состоит в том, чтобы перед спуском в кристаллизационную установку можно было в утфель добавить горячую воду /104, 117/, то есть «раскачать» его и снизить, таким образом, пересыщение межкристального раствора до 1,05... 1,08. Горизонтальные кристаллизаторы снабжены медленно вращающимися мешалками, и кристаллизация происходит в движении при постепенном охлаждении утфеля. Растворимость сахарозы в маточном растворе с понижением температуры падает. Часть растворенной сахарозы будет находиться в пересыщенном растворе и при подходящих условиях температуры и размешивания отлагаться на уже существующих кристаллах. Межкристальный раствор будет истощаться, а размер кристалла увеличиваться.
Эффект кристаллизации в кристаллизационной установке, т.е. разность чистоты утфеля при спуске из ВА и чистоты межкристального раствора перед центрифугированием, составляет 4...6% /104/. При этом суммарный эффект уваривания и кристаллизации утфеля III -примерно 18 %.
После охлаждения утфель подвергают центрифугированию, отделяя кристаллы желтого сахара от межкристального раствора, содержащего почти все несахара, поступившие с сиропом. Из оставшегося раствора практически невозможно на существующем оборудовании получить кристаллическую сахарозу. Поэтому оттек, полученный после центрифугирования последнего утфеля и называемый мелассой, используют в спиртовом и дрожжевом производствах и в сельском хозяйстве.
В настоящее время осуществляется переход отечественной сахарной промышленности на более производительные вертикальные кристаллизаторы /65, 67, 101/. Горизонтальные аппараты большой единичной мощности оказа-
12
лись непригодными из-за их громоздкости, неравномерности температурных полей (перепад до 10 °С) и зон пересыщения, а также сложности регулирования заданного режима охлаждения утфеля /184/.
Фирма ВМА (Германия) /154/ выпускает вертикальный кристаллизатор вместимостью 150.м3 (диаметр корпуса 4,5 м, высота Юм, площадь поверхности охлаждения 144 м2), который имеет 10 ярусов охлаждающих элементов, расположенных по поперечному сечению. Вертикальный вал с лопастями, расположенными между охлаждающими элементами, обеспечивает активное перемешивание утфеля со средней скоростью вращения вала 0,4.чин~х. Рекомендуемое время охлаждения утфеля в таком аппарате до температуры 38...40 °С составляет 38...40 ч. Перед центрифугированием ут-фель нагревается в течение 6...7 часов, а при необходимости разбавляют водой в отдельном аппарате, расположенном между кристаллизаторами.
Разработаны кристаллизаторы с вертикальными охлаждающими трубами, снабженные размешивающими лопастями, проходящими вдоль оси кристаллизатора и поворачивающимися только в секторе ±52,5 ° /187/. Для первичного охлаждения утфеля от 78...80 °С до 60...65 °С со скоростью примерно 5 °С/ч используют кристаллизаторы с развитой площадью поверхности охлаждения, а дальнейшее охлаждение до 35...40 °С осуществляют со скоростью 1,0... 1,2 °С/ч в кристаллизаторах с меньшей площадью поверхности. В таких кристаллизаторах расстояние между трубами охлаждения больше, что обусловлено повышенной вязкостью утфелЫаиболее приемлемыми для отечественных сахарных заводов являются вертикальные кристаллизаторы Ш1-ПКВ, выпускаемые Яготинским опытным механическим заводом (Украина) /101/. Их технические характеристики следующие: диаметр -4,5 м, высота -14,5 м, масса 37 т, занимаемая площадь -21 м2, площадь поверхности охлаждения -170 м2, вместимость -150 л*3, производительность -8,5 т/ч, частота вращения перемешивающего устройст-
13
ва 0,3...0,9 мин'1. Для сахарного завода производительностью 3 тыс. т требуется три таких кристаллизатора. Вертикальные кристаллизаторы должны работать в строго непрерывном режиме. Для обеспечения равномерного поступления утфеля в центрифуги используется вертикальный смеситель /22/.
Согласно требований инструкции /152/ типовой режим кристаллизации сахара характеризуется тем, что утфель охлаждают до 35...40 °С в течение времени не менее 36 часов. Температура охлаждающей воды должна быть на 12... 14 °С ниже температуры утфеля во 2 мешалке-кристаллизаторе. В процессе кристаллизации утфель раскачивают разбавленной мелассой, добавляя ее в специальный отсек при температуре утфеля 60...65 °С.
Кристаллизация сахара охлаждением до настоящего времени является недостаточно изученным процессом, совершенствованию которого посвящено большое количество публикаций /9, 37, 45, 144..146, 223, 227/.
В утфелемешалках-кристаллизаторах в начальный период охлаждения наблюдаются значительные колебания пересыщения межкристального раствора, плотности и размера кристаллов, которые с течением времени затухают. Устойчивость системы повышают исключением зарождения новых кристаллов, увеличением линейной скорости их роста /194/.
При снижении чистоты сахарного раствора скорость кристаллизации резко уменьшается. Например, при снижении чистоты на 10 % скорость кристаллизации уменьшается в 4...6 раз. М.С. Жигалов и И.Н. Каганов объясняют это сильным влиянием молекул несахаров, которые вклиниваются между молекулами кристаллизующейся сахарозы, в результате чего их взаимное притяжение резко уменьшается /41/.
Для регулирования пересыщения и снижения вязкости в утфель перед выгрузкой из вакуум-аппарата и во время охлаждения добавляют воду, количество которой часто не нормируется. И.Ф. Бугаенко рекомендовал определять количество воды для разбавления утфеля с учетом содержания СВ и
14
его чистоты /17/. И.Н. Акиндинов /4/ для снижения отношения НСХIВ до 2,5 предложил смешивать утфель с разбавленной мелассой непосредственно перед его центрифугированием, а К. В агнеровский рекомендовал не разбавлять утфель водой, а нагревать его /228/.
Так как смешивание утфеля последней кристаллизации с водой способствует переводу части сахара в мелассу, увеличивая таким образом его потери, то И.Г. Бажал и И.С. Гулый предложили технологию кристаллизации утфеля охлаждением без водных раскачек, заменив подачу воды температурными колебаниями с амплитудой 20...25 °С /9, 35/. Например, при добавлении 0,1 % воды содержание сахара в мелассе увеличивается на 0,23 % к массе переработанной свеклы.
Содержание кристаллов в утфеле в конце охлаждения не должно превышать для горизонтальных кристаллизаторов 42 % массовых, что возможно только при чистоте утфеля 76...78 %. Если чистота утфеля выше 78...80 %, то необходимо использовать предцентрифугирование. Из-за избыточного содержания кристаллов высокая чистота утфеля приводит к резкому повышению вязкости и необходимости неконтролируемого разбавления утфеля водой /229/.
Одним из самых сложных вопросов, касающихся технологии кристаллизации сахара охлаждением, является проблема выбора температуры охлаждения утфеля и длительность процесса кристаллизации. Существует два основных мнения по данной проблеме. Одни авторы /5, 6, 176, 178, 227/ считают, что скорость охлаждения должна быть линейной, а другие /32, 167, 195, 209, 230/ -нелинейной. Относительно абсолютного значения скорости охлаждения большинство исследователей сходится во мнении, что линейная скорость охлаждения должна быть в пределах 1...2 °С/ч. Большинство сторонников нелинейной скорости охлаждения считают, что ее профиль должен быть вогнутым, хотя некоторые исследователи /167/ рекомендуют выпуклый
15
профиль охлаждения, причем в начале кристаллизации скорость изменения температуры должна быть 5...6 °С/ч, а в конце охлаждения 1... 1,5 °С/ч.
Длительность процесса полиметрической кристаллизации зависит от качественного состава несахаров и может колебаться по данным разных исследователей/215, 238/от 19 до 40...60 часов.
Свои методики определения температурного режима кристаллизации охлаждением предлагают А.И. Громковский /32/, И.Ф. Бугаенко /19, 20/, М.И. Даишев /37/. К. Вагнеровский /231/ установил влияние на скорость по-литермичекой кристаллизации утфеля скорости вращения размешивающего устройства /228/, которая согласно его исследованиям должна быть в пределах 0,3... 1,0 мин'1. При достаточно быстром размешивании утфель насыщается пузырьками воздуха, и вязкость его резко увеличивается.
Различные авторы рекомендуют поддерживать в процессе кристаллизации разные значения пересыщений /117, 169, 175, 178, 189, 228, 232/, которые укладываются в диапазон 1,1... 1,45. Большинство исследователей считает, что пересыщение должно быть близко к 1,25... 1,3. К. Вагнеровский установил оптимальное пересыщение ап опт как функцию от температуры t:
anonT=0,OOht + l,l3. (1.1)
Роль, которую в процессе кристаллизации играют кристаллосодержа-ние и линейный размер кристаллов или их число, давно привлекает внимание ученых /10, 211/. В /211/ показана технологическая необходимость развитой поверхности кристаллизации, которую можно добыть лишь за счет увеличения числа кристаллов при одновременном уменьшении их размеров.
Многими авторами установлен экстремальный характер скорости роста кристаллов сахарозы /109, 125, 130, 135/ и подчеркивается необходимость подержания при кристаллизации соответствия скоростей роста кристаллов и охлаждения утфеля /32/.
16
1.2. Анализ теоретических представлений о росте кристаллов сахарозы
Сущность процесса кристаллизации состоит в том, что за счет движущей силы, происходит переход сахара из растворенного состояния в кристаллическое, причем движущая сила процесса определяется степенью отклонения среды от состояния равновесия, а также разностью свободной энергии начального и конечного состояния системы. Но наличие движущей силы еще не гарантирует /190/ течение процесса, так как молекулы растворенного вещества в слое у поверхности кристалла находятся в потенциальной яме из-за связи друг с другом. Чтобы отложиться на поверхности кристалла молекулы должны преодолеть энергетический барьер своих связей с соседними частицами.
Благодаря флуктуациям в растворах или расплавах, молекулы растворенного вещества могут приобретать энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера. Чем больше средняя энергия частиц, тем большее их число преодолевает энергетический барьер в единицу времени. С повышением температуры возрастает средняя внутренняя энергия раствора, увеличиваются величины и частота флуктуации, растет активность молекул и число переходов через энергетический барьер. При переходе через энергетический барьер и соударениях движущихся молекул происходит образование дозародышевых ассоциатов по обратимой схеме /25/:
А + А1А<±Ап (1.2)
где А — молекула сахарозы; Дч, At - ассоциат сахарозы соответственно на
прошлом и текущем шагах взаимодействия.
При достижении критического размера зерна вероятность прямой реакции резко увеличивается, а обратной - уменьшается. Считают, что критическим размером зародыша является конгломерат из 80... 100 молекул сахарозы с размером примерно 2 нм /217/. Зародышеобразованию способствует
17
перемешивание раствора, ориентирующее движение молекул. Наиболее эффективным побудителем зародышеобразования в пересыщенных растворах является внесение в него кристаллического сахара /117/, что широко используется в технологии его производства. Несахара, содержащие анионы Н+ и катионы ОН~, замедляют процесс зародыше образования, а содержащие Са2+ наоборот ускоряют его.
Для описания перехода вещества из растворенного в кристаллическое состояние предложено большое число разнообразных теорий, но наибольшее распространение получила диффузионная теория роста кристаллов /69...76, 98, 104, 138, 139, 191, 192, 202, 204, 205/. Она хорошо объясняет большинство явлений, связанных с массовой кристаллизацией сахарозы, как в лабораторных, так и промышленных условиях. Недостатком ее является то, что она не объясняет образование огранки кристаллов по плоскостям и различия в скорости роста разных граней.
Активными сторонниками этой теории, внесшими фундаментальный вклад в ее развитие, являются отечественные и зарубежные ученые И.Г. Ба-жал, ,А.И. Громковский, И.С. Гулый, А.В. Зубченко, К.К. Полянский, В.И. Тужилкин, В.М. Харин, Р. Аустмайер, Д. Шлипхаке, Ф. Шнайдер, и многие другие.
Согласно диффузионной теории, кинетика роста кристаллов определяется скоростью массообмена между жидкой и твердой фазами, зависит от многих гидродинамических условий и физико-химических процессов на поверхности раздела фаз /140, 211/.
Скорость роста кристаллов определяется переносом вещества к поверхности растущего кристалла /69, 138, 188, 206, 211/ и реакцией на этой поверхности769,70, 138, 191, 214, 215/:
Кд=кд(С0-Сд); (1.3)

 Часть из работы     Получить работу