Процесс кристаллизации имеет большое значение в сахарной промышленности, т.к. без кристаллизации невозможно получить сахар в чистом и удобном для применения виде. Кристалл является наиболее высокоорганизованным представителем неживой природы. Он характеризуется тем, что его атомы расположены в строгом пространственном порядке. Расстояние между атомами в кристалле являются постоянными и характерными для этого вещества. Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: возникновение кристаллов и рост их до необходимого размера. Если процесс образования кристаллов протекает быстро и непрерывно, то в осадок выпадает большое число мелких кристаллов. Если же в начале процесса образуется не большое число центров кристаллизации и в дальнейшем процесс протекает без дополнительного образования новых центров, то осадок будет состоять из крупных однородных кристаллов.
При периодическом проведении процесса, если желательно получить однородные по величине кристаллы, целесообразно образовывать, как можно больше центров кристаллизации в начальный момент. Образование центров кристаллизации можно достигнуть путем добавления в кристаллизатор с насыщенным или перенасыщенным раствором необходимого количества зародышей, чаще всего виде раздробленных кристаллов. Зародыши могу образовываться на месте в ходе процесса. Новые центры кристаллизации могут возникать различными путями.
- Образование центров кристаллизации в результате истирания кристаллов находящихся в растворе. При сильном перемешивании кристаллизующейся жидкости от кристаллов могут отламываться не большие куски; дробление кристаллов может также происходить в результате растрескивания под влиянием нагрева. Куски и обломки кристаллов быстро восстанавливают свою первоначальную форму, являются, таким образом, центрами кристаллизации.
- Образование центров кристаллизации в результате механического воздействия. Энергичное перемешивание, соударения кристаллов в растворе друг с другом или со стенками кристаллизатора, с паровой камерой также могут вызвать образование новых центров.
- Образование центров кристаллизации в результате затравочного влияния кристаллов, уже находящихся в растворе. Этот метод кристаллообразования является, по-видимому, наиболее важным для практики.
- Образование центров кристаллизации в ограниченных зонах раствора в результате локального изменения концентрации. Например, отвод тепла через стенку сосуда приводит к возникновению температурных градиентов вблизи них, что способствует пересыщению раствора; последнее, в свою очередь, ускоряет процесс образования зародышей. Сильному пересыщению концентрации вблизи поверхности раствора и образованию центров кристаллизации способствует и процесс испарения. Процессы образования кристаллов в результате истирания, локального понижения температуры и концентрации раствора нужно по возможности подавлять. Влияние механического воздействия перемешивающих устройств на кристаллизацию зависит от скорости перемешивания, числа и размера кристаллов. Перемешивание необходимо проводить без значительных динамических нагрузок на образовавшиеся кристаллы сахара. Перемешивание оказывает значительно более важный эффект – эффект затравки. Так, например, 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 промышленного ведения процессов кристаллизации для получения однородного продукта используют растворы с затравкой. Затравка вносится в момент, когда концентрация раствора достигнет определенного пересыщения ,соответствующая образованию новых зародышей. 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 осаждения кристаллического материала зависит от поверхности растущих кристаллов и от степени пересыщения раствора. Эта скорость должна быть равномерной по всему объему кристаллизатора и соответствовать скорости удаления растворителя, 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 зародышей, 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, наличие примесей и образование центров кристаллизации на поверхностях раздела. 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 (смотри 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, кристаллы значительно менее прочные по сравнению с кристаллами, полученными при производительности, отвечающей меньшей степени пересыщения.
(нажмите на рисунок, чтобы увеличить)
Рассмотрим процесс варки утфеля первого продукта в традиционном вакуум – аппарате без рециркуляционной мешалки.
При заполнении до 50-55 % объема (уровня) в вакуум – аппарате идет интенсивная циркуляция, теплопередача и процесс уваривания в это время можно назвать оптимальным. Температура утфеля в нижней и верхней части вари имеет близкую по значению величину, перепад составляет не более 5?C и колеблется от 73 ?C ( низ вакуум – аппарата) до 68 ?C( верхняя часть утфеля).Разрежение верхней части вакуум — аппарата составляет( – 0,8 ати).Скорость кристаллизации невысокая (1500-2000мг(мин./м2).Вязкость сравнительно высокая и не отличается большой разницей по высоте вари. В это время идет процесс первой стадии наращивания кристалла сахара.
При увеличении уровня вари выше 70 % параметры утфеля и процессы начинают резко меняться.
Циркуляция утфеля верхней части ухудшается. Скорость движения утфеля в верхней части постепенно сокращается и становится равной 0,5 см/сек. (см. рис. 5).
За счет повышения гидростатического давления, снижения циркуляции и теплопередачи увеличивается разность температур утфеля в верхней и нижней части вакуум – аппарата. Температура утфеля в нижней части и по всей высоте паровой камеры составляет 98 ?C,а в верхней части вари температура становиться равной 68 ?C (см. рис. 2).
Вязкость утфеля в верхней части при температуре 68 ?C становится максимальной, коэффициент пересыщения межкристального раствора равняется 1,5.
В зоне паровой камеры при температуре 98 ?C вязкость утфеля снижается, скорость кристаллизации резко возрастает до 4000мг(мин./м2).Здесь коэффициент пересыщения находится в пределах 1,04-1,06.(см. рис. 3 и рис.4).
Здесь идет образование «муки» т.к. скорость кристаллизации очень большая, а поверхность образовавшихся ранее кристаллов еще не велика.
(нажмите на рисунок, чтобы увеличить)
В верхней части вакуум – аппарата за счет того, что температура утфеля снижается с98 ?C до 68 ?C,коэффициент пересыщения возрастает с 1,04 до 1,5,идет интенсивный процесс образования «муки».
Циркуляцию утфеля можно разделить на две части:
- 70% в зоне паровой камеры за счет интенсивного кипения (подъем через кипятильные трубы и опускание через циркуляционную трубу, и кольцевое пространство между паровой камерой и корпусом). Здесь скорость подъема утфеля составляет 20 см./сек., а опускание по циркуляционной трубе – 35 см./сек.
- 30% в верхней зоне вакуум аппарата за счет теплового напора и разрежения в верхней части вакуум- аппарата. Здесь скорость подъема утфеля выше уровня 70 % постепенно снижается и составляет в верхней части аппарата- 0,5 см./сек.
В верхней части ВА идет выделение пара из утфеля, утфель густеет, вязкость увеличивается, циркуляция снижается.
Для улучшения процесса циркуляции и снижения пересыщения приходится добавлять в утфель аммиачную воду.
Только в верхней части вари происходит интенсивное выделение тепла и пара из утфеля. Чтобы это компенсировать приходится производить раскачку утфеля.
Чем хуже циркуляция утфеля в аппарате и больше разница температур утфеля в верхней и нижней части, тем больше надо воды на раскачку утфеля, а следовательно и пара на выпаривание этой воды.
Здесь получается замкнутый круг.
Без раскачки утфеля будет образовываться « мука», а это самый «неприятный» процесс для аппаратчика, т.к. утфель с большим количеством «муки» будет плохо фуговаться.
Процесс раскачки утфеля первого продукта идет в течение второй половины вари и продолжается 1-1,5 часа.
При уровне в 85-90% вводят белую патоку. Белая патока, нагретая до 80-83 ?C ( Инструкция ведения технологического процесса) имеет значительное количество «муки» и мелких кристаллов сахара, которые будут также ухудшать гранулометрический состав утфеля. Аппаратчик с целью улучшения циркуляции держит вентиль пара максимально- открытым, т.к. пар является главным двигателем процесса циркуляции наряду с максимальным разряжением в вакуум — аппарате.
Поэтому и приходится добавлять воду в утфель для растворения «муки» , чтобы получить ровный кристалл сахара. Иного пути получения более- менее равномерного кристалла сахара при традиционном методе варки утфеля — нет. Все это увеличивает расход пара в 1,5-2,5 раза. Время варки также увеличивается на 40 мин. Необходимо нагревать белую патоку до температуры 90-95?C,что позволит сократить водные раскачки.
Циркуляция утфеля второго продукта в вакуум – аппарате, также очень важна т.к. здесь вязкость значительно выше. Циркуляция утфеля на порядок ниже, что приводит к росту неравномерного кристалла и значительному переходу мелких кристаллов сахара в кормовую патоку.
Рассмотрим процесс циркуляции утфеля в вакуум аппаратах различной конструкции.
(нажмите на рисунок, чтобы увеличить)
На рисунке 6. изображено распределение потоков утфельной массы в традиционном вакуум аппарате с подвесной паровой камерой.
(1)-Зона пониженной циркуляции утфеля, которая составляет 30% от общего объема вари утфеля. Утфель имеет температуру 68 С, коэффициент пересыщения ?=1,5 , здесь идет процесс интенсивного образования мелких кристаллов сахара (муки).
(2)–Зона повышенной температуры и кристаллизации, составляет 70 % объема вари утфеля. Температура утфеля в этой зоне-98?С, здесь также идет образование мелких кристаллов сахара.
На рисунке 7. Зона пониженной циркуляции утфеля (1) составляет 20% от общего объема вари утфеля. На рисунке 7,8. Зона интенсивной циркуляции утфеля (2). Здесь скорость движения утфеля за счет циркуляции достегает 6м/сек.
В этой зоне возможно дробление кристаллов сахара, которые могут являться новыми центрами кристаллизации. Эта зона составляет 5-10%. На рисунке 7. Зона циркуляции (3) составляет 70- 75% от общей массы вари. В этой зоне процессы циркуляции и кристаллизации приближаются к оптимальным, но еще далеки до идеальных.
Предлагается внедрить вертикальный метод циркуляции утфеля при помощи шнекового насоса.
Устройство вакуум аппарата с вертикальной циркуляцией.
Центральная циркуляционная труба с изменяющейся высотой обеспечивает вертикальную циркуляцию утфеля
(нажмите на рисунок, чтобы увеличить)
Утфель поступает в циркуляционную трубу из верхней части вакуум- аппарата и шнековым насосом закачивается под нижнюю трубную решетку паровой камеры шестью трубопроводами диаметром 400мм, диаметр шнекового насоса 800мм. Число оборотов шнека-20-60 об./мин.
При этом методе циркуляция утфеля в верхней части увеличится в 4 раза по сравнению с традиционным методом. Температура утфеля будет находится в пределах от 85?C до 90 ?C (для утфеля первого продукта) и 80-85?С ( для утфеля второго продукта) , т.е. перепад температур уменьшится в 6 раз по сравнению с традиционным методом (см. рис. 2).
Скорость кристаллизации будет находиться в пределах 2500 -2750мг. мин./м2, что является оптимальной скоростью кристаллизации сахара для утфеля первого продукта (см. рис. 3).
Коэффициент пересыщения будет находиться в пределах 1,04-1,1, что позволит исключить пересыщение межкристального раствора и исключить раскачки утфеля. (см. рис. 4).
Скорость движения утфеля в верхней части за счет работы шнекового насоса и упорядочения движения утфеля возрастет в 6 раз (с 0,5 до 3 см./сек). За счет работы механического циркулятора, возможно сокращение подачи пара в вакуум- аппарат и снижение разряжения до (-0,6 ати). При этом повысить температуру утфеля в верхней части аппарата до 85 ?C, добиться увеличения скорости кристаллизации в 1,5- 1,8 раза и сократить чрезмерно высокую скорость кристаллизации в нижней части вакуум – аппарата (с 3500до 2500) в 1,5 раза.
За счет внедрения вертикальной циркуляции утфеля в вакуум- аппаратах первого и второго продукта увеличится выход кристаллического сахара из утфеля первого продукта на 10 % .
Снизится содержание сахара в кормовой патоке. Вертикальный метод циркуляции утфеля позволяет производить варку утфеля первого продукта на густых сиропах с СВ до 74 %,т.к. исключаются из работы зоны повышенной кристаллизации. Снизится расход топлива.
Суммарный экономический эффект по внедрению метода вертикальной циркуляции превышает стоимость затрат в 4 раза.
Внедрение вакуум — аппаратов с вертикальной циркуляцией утфеля позволит обеспечить перевод работы продуктового отделения по схеме с двумя продуктами, при этом возможно получить «нормальную» кормовую патоку.
Список использованной литературы:
- Силин П.М. « Технология сахара»- М.: Пищевая промышленность1967г.- 625 с.
- Инструкция по химико-техническому контролю и учету сахарного производства-К.: ВНИИСП,1983.-476с.
- Герасименко А.А. «Кристаллизация сахара» К.:Наукова думка-1965-315с.
- Д.Пери « Справочник химика» М.: Химическая технология 1967г. 854с.
- Шумилов А.А. «Варка утфелей в сахарном производстве с применением кристаллической массы, Пищпромиздат, М.,1938г.
- Кухар В.Н., Лысюк П.И. и др. « Вакуум аппараты с циркуляторами» Сахар 2006№7 С 48-52.