Авторы
Зелепукин Ю.И. – канд. техн. наук, доц. каф. технологии бродильных и сахаристых производств ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий (ВГУИТ), тел. 8-910-341-47-24, эл. почта: yura.zelepukin.57@mail.ru.
Яньшин В.П. — генеральный директор ООО ИК «Вектор», тел 8-905-655-99-49, Электронная почта: leto5056@mail.ru.
Зелепукин С.Ю. – инженер-технолог ООО «Вестерос».
Введение
Производство сахара в России, по прогнозам, достигнет 6,00 млн т в 2021/22 г. – рост после 5,13 млн т в прошлом сезоне, но резкий спад по сравнению с рекордными 7,900 млн т в 2019/20 г. Россия остаётся крупнейшим производителем свекловичного сахара в 2021/22 г.
В свеклосахарный комплекс Российской Федерации входят около 4500 свеклосеющих хозяйств и 68 работавших в 2020 г. сахарных заводов. Длительность производственного сезона в среднем по стране составила 103 суток, что на 29 суток меньше уровня прошлого (2019) года. Свыше среднеотраслевого показателя работали 23 сахарных завода. Свыше 120 суток работало 15 заводов, а свыше 130 суток 8 сахарных заводов. Общая производственная мощность сахарных заводов по состоянию на 1 января 2021 г. составила 391,79 тыс. т переработки свеклы в сутки (на 1января 2020 г. – 391,34 тыс. т). Прирост производственных мощностей за 2020 год составил 0,45 тыс. т переработки свеклы в сутки. Средняя производственная мощность одного сахарного завода, работавшего в 2020 г, составила 5,29 тыс. т переработки свеклы в сутки, что на уровне 2019 г.
Мощность 6,0 тыс. т переработки свеклы в сутки и выше достигли на 25 сахарных заводах, что на уровне 2019 г. Самые крупные сахарные заводы — это Добринский сахарный завод (Липецкая обл.) – 12,00 тыс. т, Ленинградский (Краснодарский край) – 11,50 и Успенский (Краснодарский край) – 11,00 тыс. т. Средняя производственная мощность одного сахарного завода (тыс. т переработки свеклы в сутки) в Курской области выросла на 1% с 3,94 до 3,98. Среднесуточная производительность сахарных заводов по переработке свеклы (тыс. т в сутки) Курской области упала почти на 9,2 % с 34,70 до 31,51. Использование производственной мощности сахарных заводов во II полугодии (%) в области снизилась на 10,1 % с 97,8 % до 87,9 %.
Анализ работы некоторых сахарных заводов за производственный период 2021-2022 г. показывает, что резервов по повышению производительности завода, выхода сахара и его качества, снижению потерь сахарозы на предприятиях достаточна и необходима тщательная и правильная организация технологического производства, схем тепло- и водообеспечения, согласованная работа которых позволит достигнуть необходимых и запланированных результатов. Необходимо повышение профессиональной подготовки специалистов всех уровней, которые смогли бы не только участвовать в разработке рациональных технологических режимов, но и постоянном контроле за соблюдением этих режимов.
На некоторых предприятиях неучтенные потери достаточно высокие. Это должно служить достаточным основанием для руководства предприятия обратиться в стороннюю организацию для проведения технологического аудита завода. Авторы занимались подобной работой и достигли положительных результатов в этой работе. Целесообразнее проводить полный аудит технологической схемы, т.к. это дает достоверную картину состояния технологической схемы и позволяет учесть все негативные аспекты в работе завода. Целесообразно иметь также достоверную информацию по состоянию тепловой и схемы водообеспечения, что можно получить также после проведения аудита этих схем. Только согласованная работа предприятия в технологическом плане с непременной увязкой всех технологических вопросов с тепловой схемой и водообеспечением позволит организовать рациональное решение по выпуску продукции высокого качества при минимальных затратах разнообразных ресурсов на производство.
Продуктовое отделение завода
Технологические схемы подавляющего большинства сахарных заводов включают три последовательные ступени кристаллизации с получением утфелей, а затем и сахаров I, II, III кристаллизации и мелассы. Такая схема позволяет получать сахар-песок хорошего качества, соответствующего ГОСТ 33222 – 2015 и, кроме этого, позволяет минимизировать потери сахарозы в мелассе при кристаллизации. В данной статье авторы предлагают обратить внимание на работу продуктовых отделений заводов, т.к. полный анализ работы предприятия займет много места и времени. По мере необходимости авторы будут возвращаться к рассмотрению вопросов и по другим отделениям и участкам свеклосахарного производства.
Уваривание утфеля первой кристаллизации
Уваривание утфеля первой кристаллизации проводится обычно по стандартному технологическому режиму. Заводка кристаллов на многих заводах осуществляется при помощи затравочной суспензии, которая может приготовляться в заводских условиях, а на некоторых предприятиях суспензия закупалась у сторонних организаций. Очень часто затравочная суспензия представлена кристаллообразоватем для пищевой промышленности «Эстер К 01», производства Украина. Этот препарат готов к применению, после интенсивного перемешивания. Данный материал для заводки кристаллов утфеля 1 кристаллизации желательно применяться только в исключительных случаях. Кристаллообразователь «Эстер К 01» предназначен для использования в процессе кристаллизации сахара на начальной стадии уваривания утфелей. Внесение кристаллообразователя в вакуум-аппарат рекомендуется производить при коэффициенте пересыщения сахарного раствора 1,25 — 1,35, т.е. при чрезмерном пересыщении раствора. Расход «Эстер К 01» должен составлять 0,1 мл на одну тонну утфеля, то есть на 60 тонн утфеля первой кристаллизации требуется 6,0 мл. затравочной суспензии. Данное количество этого продукта является настолько малым по объему для вакуум – аппарата, что невозможно добиться равномерного распределения кристаллообразователя по всему объему вакуум-аппарата, а это, автоматически, приводит к неравномерному росту кристаллов сахара внутри аппарата. Традиционно данный кристаллообразователь на сахарных заводах используется в качестве затравки для утфеля второй и третьей кристаллизации, где вакуум – аппараты имеют меньшую емкость и требования к качеству сахара значительно ниже, чем к утфелю первой кристаллизации.
Заводка кристаллов в вакуум-аппаратах должна проводиться затравочной суспензией, приготовление которой должно быть предусмотрено на станции подготовки затравки, включающей две шаровые мельницы, а также роликовый стол.
Вакуум-аппараты I кристаллизации должны быть снабжены циркуляторами, что позволяет обеспечить интенсивное движение утфеля в аппарате, т. к. это существенно влияет на эффективность работы вакуум-аппаратов, которая, в свою очередь, оказывает влияние на качество сахара-песка, его выход. Практика показывает, что циркуляторы с вертикальным приводом могут не обеспечивать равномерного перемешивания продукта по объему аппарата, может иметь место интенсивная циркуляция утфеля внутри вакуум-аппарата в районе перемешивающего устройства. Верхний слой продукта в вакуум – аппарате может иметь меньшую скорость движения, более низкую температуру и повышенный коэффициент пересыщения. Неравномерная циркуляция утфеля по объему вакуум – аппарата может приводить к самопроизвольному образованию и росту новых центров кристаллизации (в зоне с повышенным коэффициентом пересыщения) в верхней части аппарата. Авторами разработан аппарат, который существенно снижает эти недостатки /1 /.
Повышение скорости перемешивания способствует более однородному распределению кристаллов в растворе, что, в свою очередь, увеличивает их затравочное воздействие. Перемешивание повышает скорость образования центров кристаллизации больше, чем скорость роста кристаллов. В большинстве случаев на сахарных заводах для получения однородного продукта используют растворы с затравкой, самым современным методом является метод ввода в вакуум – аппарат, так называемого, маточного утфеля, приготавливаемого по особой технологии, непосредственно на сахарном заводе. Затравка вносится в момент, когда концентрация раствора достигнет определенного пересыщения, соответствующая росту внесенных зародышей кристаллов сахара. После первого внесения в раствор затравки, следует избегать дальнейшего образования центров кристаллизации в процессе роста кристаллов. Это дает возможность получить однородные по величине кристаллы. Скорость образования кристаллического материала зависит от поверхности растущих кристаллов и от степени пересыщения раствора. Эта скорость должна быть равномерной по всему объему кристаллизатора и соответствовать скорости испарения воды из поступающего сиропа, чтобы степень пересыщения оставалась ниже точки интенсивного образования центров кристаллизации. Рост кристаллов и образование центров кристаллизации идут одновременно и продолжаются на протяжении всего цикла работы вакуум-аппарата. При малых степенях пересыщения раствора рост кристаллов будет проходить быстрее, чем образование новых кристаллов, хотя скорость обеих процессов будет оставаться низкой. Эти процессы в значительной мере зависят от таких факторов, как скорость перемешивания, температура, концентрация, размер и число кристаллов, присутствующих в растворе, а также наличие примесей. Обычно стремятся обеспечить максимальную скорость роста кристаллов, совместимую с низкой скоростью образования центров кристаллизации. Такой процесс проводят при степенях пересыщения, близких к зоне резкого возрастания скорости образования центров кристаллизации, т.е. приблизительно там, где на кривой скорости образования центров кристаллизации указана точка В (рис. 1). Однако не всегда выгодно работать при таких условиях, т.к. другие факторы могут оказаться более важными.
При степенях пересыщения, соответствующих быстрому возрастанию скорости образования зародышей, имеется тенденция к агломерации кристаллов, которые значительно менее прочные по сравнению с кристаллами, полученными при производительности, отвечающей меньшей степени пересыщения.
В вакуум – аппаратах первой кристаллизации циркуляторы имеют постоянные обороты, равные 52 об/мин. (заводские данные), что может быть недостаточным для однородного распределения кристаллов в утфеле.
Оптимальное число оборотов циркулятора в вакуум – аппаратах утфеля первой кристаллизации на некоторых сахарных заводах РФ представлено в табл. 1.
| № п/п | Наименование сахарного завода | Регулировка числа оборотов циркулятора | Число оборотов циркулятора |
| 1 | Олымский сахарный завод | Установлен частотный преобразователь | 80 об/мин. |
| 2 | Земетчинский сахарный завод | Установлен частотный преобразователь | — |
| 3 | Знаменский сахарный завод | Установлен 2-х скоростной двигатель | 60 – 80 об/мин. |
| 4 | Немецкие сахарные заводы | Установлены частотные преобразователи | 50 — 80 об/мин. |
Необходимо индивидуально для каждого сахарного завода подбирать оптимальное число оборотов циркулятора для получения однородного кристалла сахара.
Образовавшиеся новые центры кристаллизации затрудняют рост ранее образованных кристаллов. Единственный способ борьбы с образованием новых центров кристаллизации – растворение этих кристаллов водой или соком, что снижает эффективность работы вакуум – аппаратов.
На некоторых сахарных заводах вакуум-аппараты утфеля первой кристаллизации обогреваются вторичным паром второго корпуса выпарной установки (ВУ), температура сокового пара которого имеет температуру 118 оС. Температура кипения утфеля первой кристаллизации в аппарате составляет 72 – 78 оС. Практически на всех российских сахарных заводах, где установлены вакуум – аппараты утфеля первой кристаллизации с циркуляторами, они обогреваются вторичным паром третьего корпуса ВУ, который имеет температуру 113 оС. На сахарных заводах Германии, Франции, Польши, вакуум – аппараты утфеля первой кристаллизации с циркуляторами обогреваются вторичным паром четвертого корпуса ВУ.
Уваривание утфеля – сложный тепловой процесс выпаривания воды, дополнительно осложненный процессом кристаллизации. Скорость выпаривания воды определяется разностью температур греющего пара и кипящей утфельной массой. Кристаллизация зависит от скорости роста кристаллов. Необходимо добиться равновесия двух процессов – выпаривания воды из сиропа и кристаллизации сахарозы. Если выпаривание будет проходить более интенсивней, чем кристаллизация – это приведет к повышению коэффициента пересыщения, что спровоцирует образование новых мелких кристаллов сахара («муки»). Так, при обогреве вакуум – аппарата вторичным паром второго корпуса ВУ, в паровую камеру будет поступать в 1,5 раза больше тепла, чем с паром третьего корпуса ВУ. Исходя из анализа фракционного состава белого сахара можно предположить, что при обогреве вакуум- аппаратов паром второго корпуса ВУ наблюдается интенсивное выпаривание воды из сиропа, существенный рост коэффициента пересыщения, что приводит к образованию «муки». Необходимо подобрать такой режим уваривания утфеля первой кристаллизации (особенно в период кристаллизации сахара), чтобы максимально исключить процесс образования вторичных центров кристаллизации, так называемой «муки», которая образуется в местах с повышенной концентрацией сахарозы и пузырьками пара увлекается (флотируется) и выносится в слой пены, находящейся сверху утфельной массы. Водяные пары отделяются от утфельной массы, а «мука» накапливается в утфеле, в верхней части вакуум — аппарата.
Основная задача при уваривании и пробелки утфеля первой кристаллизации заключается в получении из сиропа и второго оттека утфеля первой кристаллизации сахарозы в виде достаточно крупных, равномерных, правильных, бесцветных кристаллов сахара – песка. Уваривание и пробелку утфеля первой кристаллизации следует вести так, чтобы получить, по-возможности, большой выход белого сахара и, следовательно, возможно меньший выход оттеков, так как дальнейшая переработка их связана с дополнительными издержками и неизбежными потерями сахара из-за термического разложения сахарозы в продуктовом отделении.
Работа вакуум-аппаратов с высокой разностью температуры между теплоносителем и обогреваемой жидкости может приводить к интенсивному кипению раствора внутри аппарата, что усложняет работу аппаратуры по автоматизации вакуум-аппарата. Не исключено образование вторичных центров кристаллизации, т.е. выпадению «муки» в аппарате.
Для отделения сахара целесообразно устанавливать высокоскоростные центрифуги периодического действия с частотно-регулируемыми приводами для снижения общего потребления электроэнергии. Для работы нескольких центрифуг должна быть предусмотрена блокировка разгона центрифуг между собой.
Насосный парк необходимо оснастить объемными насосами. Установка центробежных насосов, имеющие высокую скорость вращения ротора для перекачивания густых продуктов исключается. Следует обратить внимание на работу насосного парка завода. Отсутствие правильно возрастает аварийность насосного парка, преждевременный выход его из строя. Для повышения эффективности рабаты насосного парка целесообразно провести обследование, например, прибором-анализатором «Агат-М». Обычно измерения вибрации производятся на подшипниковых опорах в 3-х взаимно перпендикулярных направлениях (вертикальном, поперечном и осевом) по ГОСТ 10816-1-97. Разцентровка валов насосов и электродвигателей приводит не только к повышенному шуму и вибрации, ухудшая тем самым санитарные условия для обслуживающего персонала, но и к повышенному износу оборудования, снижению его производительности.
На некоторых сахарных заводах РФ приступают к установке непрерывно действующих вакуум — аппаратов утфеля первой кристаллизации. Но к этому вопросу необходимо относиться очень внимательно. Такие аппараты требуют значительных капитальных вложений, окупаются долго, требуют обязательной установки предварительной подготовки «выращивания» кристаллической массы, периодической пропарки части вакуум-аппарата от образовавшихся конгломератов кристаллов сахара, что требует дополнительного оборудования для переработки этих полупродуктов. Только после тщательной и всесторонней обработки этого сложного вопроса можно приступать к установке непрерывно действующих вакуум-аппаратов утфеля первой кристаллизации.
Уваривание утфеля второй и третьей кристаллизации
На некоторых сахарных заводах вакуум-аппараты утфеля второй и третьей кристаллизации не имеют циркуляторов. Желательна установка циркуляторов, что позволит улучшить работу аппаратов, снизить расход пара, повысить качественные показатели утфелей. Заводка кристаллов в вакуум-аппаратах второй и третьей кристаллизации может осуществляться кристаллообразоватем для пищевой промышленности «Эстер К 01». В случае уваривания утфеля третьей кристаллизации на кристаллической основе утфеля второй кристаллизации, кристаллическая затравка не требуется.
Охлажденный утфель III кристаллизации целесообразно подавать в смеситель утфеля и мелассы, где за счет горячей мелассы происходит снижение вязкости утфеля III кристаллизации перед центрифугированием. Меласса, обычно в количестве 5 – 10 % к массе утфеля, нагревается в пластинчатом теплообменнике до 80о С. После чего смесь утфеля и мелассы поступает в утфелераспределитель с перемешивающим устройством, а затем на центрифугирование в автоматическом режиме.
Клеровка желтого сахара утфеля III кристаллизации обычно поступает в клеровочную мешалку. На отдельных сахарных заводах имеется возможность пробеливать желтый сахар III кристаллизации конденсатом. По мнению авторов, целесообразно рассмотреть вопрос о проведения аффинации утфеля последней кристаллизации. Это позволило бы повысить качество сахара-песка и увеличить его выход. Цель аффинации — повысить чистоту сахара последней кристаллизации, который после растворения возвращается на уваривание утфеля I кристаллизации. Наиболее известным является способ аффинации желтого сахара утфеля последней кристаллизации, предусматривающий смешивание сахара последней кристаллизации с первым оттеком утфеля первой кристаллизации. В процессе перемешивания утфеля в течение 20 минут в аффинаторе часть несахаров из пленки на кристаллах сахара переходит (диффундирует) в более чистый межкристальный раствор /2/.
Авторами был разработан и затем опробован в промышленных условиях на одном из сахарных заводов Белгородской области способ аффинации. По сравнению с известным способом, предложенный способ аффинации желтого сахара позволяет повысить чистоту аффинированного сахара на 0,5 % и снизить его цветность на 12,5 % /3/.
Анализируя работу вакуум-аппаратов на многих сахарных заводах следует отметить, что не всегда работа вакуум-конденсационной установки (ВКУ) соответствует желаемым требованиям. Очень часто вакуум-аппараты работают при разряжении 0,07 – 0,08 МПа, вместо необходимого значения 0,090 — 0,095 МПа. Для достижения нормальной работы ВКУ необходимо тщательно проанализировать работу конденсаторов и лучше эту работу доверить высококлассным специалистам. Очень часто даже незначительные изменения в конструкцию аппарата (ВКУ) позволяет существенно повысить его производительность, а в целом по заводу это позволит повысить выход сахара-песка и улучшить его качественные показатели.
Выводы
Работа продуктового отделения во многом определяет технико-экономические показатели работы сахарного завода в целом. Желательно, чтобы все вакуум-аппараты утфеля I, II и III кристаллизации были оснащены циркуляторами, что позволит сократить время уваривания утфелей, снизить расход пара на их уваривание, уменьшить термическое разложение сахарозы в процессе уваривания, повысить качество готовой продукции.
Вакуум-аппараты необходимо обогревать вторичным паром низкого потенциала с учетом необходимой разности потенциалов между теплоносителем и обогреваемой средой. Следует стремиться при уваривании утфелей в вакуум-аппаратах к равновесию двух процессов – выпаривания воды из сиропа и кристаллизации сахарозы. Это также положительно скажется на выходе сахара и его качестве.
Желательно предусмотреть проведение аффинации утфеля последней кристаллизации. Правильно организованная работа по проведению аффинации утфеля последнего позволит повысить чистоту аффинированного сахара на 0,5 % и снизить его цветность на 12,5 %, что положительно повлияет на качество товарного сахара-песка.
Необходимо повысить эффективность работы вакуум-конденсационной установки, что также положительно скажется на выходе и качестве готовой продукции.