НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

КОБЕР ВІКТОР ТЕОДОРОВИЧ

УДК 664.1.054

Розроблення способів інтенсифікації

уварювання цукрових утфелів

05.18.05 – Технологія цукристих речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському науково – дослідному інституті цукрової промисловості Міністерства аграрної політики України та на Гнідавському цукровому заводі асоціації “Волиньцукор”.

Науковий керівник Доктор технічних наук, професор Штангеєв Валерій Остапович – Український науково-дослідний інститут цукрової промисловості, директор інституту.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ліпєц Антон Адамович, Національний університет харчових технологій, професор кафедри технології цукристих речовин.

Кандидат технічних наук, Михайлик Вячеслав Аврамович, Інститут технічної теплофізики НАН України, провідний науковий співрбітник.

Провідна установа Інститут харчової хімії і технології НАН України та Міністерства аграрної політики, м. Київ.

Захист відбудеться 27.11.2002 р. о 1600 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.058.04 Національного університету харчових технологій за адресою 01033, м. Київ – 33, вул. Володимирська, 68, аудиторія А – 311.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою 01033, м. Київ – 33, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розіслано 25.10.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої

вченої ради, к.т.н. асистент Кобилінська О.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Одним із базових процесів у технології виробництва цукру є кристалізація, завдяки якій видаляється до 70% нецукрів. При цьому втрати цукру досягають 75% від загальних, що майже вдвічі більше, ніж на сучасних цукрових заводах передових країн.

Дисертаційна робота присвячена удосконаленню технології уварювання цукрового утфелю з метою зменшення втрат цукру від термічного розкладання, підвищення його виходу та якості, що є актуальним завданням сьогодення.

Зв'язок роботи 3 науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану науково-дослідних робіт УкрНДІЦП по програмі КФК 040201 “Прикладні наукові та науково-технічні розробки з пріоритетних напрямів”. Автор прийняв участь у проведені досліджень в лабораторних та промислових умова, обробці та аналізі отриманих результатів.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є збільшення виходу товарного цукру, підвищення його якості шляхом удосконалення існуючих способів уварювання цукрових утфелів на основі теоретичних та експериментальних досліджень технологій масової кристалізації.

Відповідно до поставленої мети були визначені такі задачі досліджень:

- встановити вплив технологічних факторів на питому швидкість кристалізації цукрози та кінетику її розкладання в умовах уварювання утфелів;

- дати наукове обгрунтування удосконалення технології уварювання утфелів на основі застосування вдування неконденсованих газів;

-розробити заходи для підвищення ефективності уварювання утфелю ІІ кристалізації.

Об'єктами досліджень є технології кристалізації цукру.

Предметами досліджень є цукрові утфелі.

Методи досліджень включають в себе розроблені методики визначення питомої швидкості кристалізації цукрози та її втрати від термічного розкладання в залежності від технологічних факторів, а також методику досліджень впливу вдування в утфель при його уварюванні неконденсованих газів.

Наукова новизна одержаних результатів:

- на основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень науково обгрунтовано можливість удосконалення промислового уварювання утфелів шляхом вдування неконденсованих газів;

- верше розроблено принципово новий розрахунково-експери-ментальний метод визначення миттєвої питомої швидкості кристалізації цукрози в умовах уварювання утфелів, знайдена емпірична залежність її від технологічних факторів;

- установлено емпіричну залежність кількості розкладеної цукрози від рН, температури та чистоти міжкристальних розчинів в умовах уварювання утфелів;

-показано, що ефективність вдування водяної пари та неконденсованих газів зростає зі збільшенням вмісту кристалів в утфелі та зменшенням чистоти його міжкристального розчину.

Практичне значення одержаних результатів. Результати теоретичних, лабораторних та промислових досліджень були реалізовані за такими напрямками:

одержані математичні залежності кількості розкладеної цукрози та миттєвої питомої швидкості її кристалізації від технологічних факторів використовувались при розробці удосконаленої технології уварювання утфелю ІІ кристалізації;

-удосконалено технологію уварювання утфелю ІІ кристалізації шляхом вдування неконденесованих газів випарної установки, впровадження у виробництво якої на Гнідавському цукровому заводі дозволило скоротити тривалість процесу та втрати цукру від термічного розкладання на 10...15 %, кольоровість – на 7...10 % і збілшити середній розмір кристалів на 15... 25 %.

Економічний ефект від впровадження склав 203 тис.грн. при переробці 100 тис.т цукрових буряків.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці методик, проведенні теоретичних, лабораторних і промислових досліджень, обробці і узагальненні одержаних результатів та їх публікації, складанні висновків та рекомендацій промисловості. Пристрій для підсилення циркуляції утфелю ІІ кристалізації розроблено та змонтовано в вакуум-апаратах на Гнідавському цукровому заводі.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях та семінарах головних спеціалістів цукрових заводів України (2002 р.), Міжнародній науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів НУХТ (2002 р.), другому міжнародному професійному семінарі “Пути повышения эффективности работы сахарных заводов при переработке свеклы и сахара-сырца”“Сахар-2002” (г . Москва, МГУПП, 2002 р.).

Робота виконувалась у відділі кристалізації УкрНДІЦП. Автор висловлює вдячність працівникам Гнідавського цукрового заводу за допомогу при проведенні промислових досліджень.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 друкованих праць, в тому числі 5 статей у фахових виданнях, 3 тез доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях і семінарах та 1 патент України та заявка на патент України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і трьох додатків.

Робота викладена на 108 сторінках основного тексту, містить 21 рисунок, 27 таблиць та 3 додатки. Список використаної літератури містить 155 вітчизняних та зарубіжних джерела.

РОЗДІЛ 1. Аналіз сучасних способів інтенсифікації уварювання утфелів. На основі огляду літератури подано аналіз існуючих способів інтенсифікації процесу уварювання цукрових утфелів, відзначено їх достоїнства і недоліки.

Установлено, що численні варіанти підсилення циркуляції утфелю не вирішують задачі інтенсифікації його уварювання: механічне підсилення циркуляції потребує значних капіталовкладень для переобладнання вакуум-апаратів, вдування в утфель водяної пари збільшує витрати палива, вдування повітря перевантажує вакуум-насоси. Розв'язанню цієї проблеми заважає відсутність достовірних даних про питому швидкість кристалізації цукрози в залежності від коефіцієнта пересичення, температури, масової частки кристалів і чистоти міжкристального розчину в умовах кипіння. Також відсутні дані про кількість цукрози, яка розкладається в умовах уварювання утфелів при різних температурах, рН та чистоті міжкристального розчину.

РОЗДІЛ 2. Об'єкти та методи досліджень. Схему лабораторної установки для цих досліджень подано на рис.1. Вона складається з кристалізатора 1, розміщеного в термостатованому стакані 2,термостата 4 та 8, вентилятора 7, зволожувача повітря 9 та регулятора витрат повітря 10.

Досліди проводили таким чином. Готували кристали для всіх дослідів розсівом цукру-піску на ситах з отворами 0,4 та 0,5 мм, видаляючи при цьому конгломерати. Визначали масу одного кристалу шляхом зважування на аналітичних вагах наважки і підрахунку їх числа.

Міжкристальний розчин для штучного утфелю готували розчиненням

Рис.1. Схема кристалізаційної установки.

цукрози в дистильованій воді та змішуванням розрахованої кількості меляси. Розчин перегрівали на 10...І5°С вище температури досліду, потім охолоджували і перед загрузкою в кристалізатор відбирали пробу для аналізу вмісту сухих речовин методом висушування в вакуум-сушильній шафі при 70°С та цукрози-поляриметричним способом. Цей же розчин заливали також в зволожувач повітря 9, включали термостати 4 і 8 з підігрітою до температури досліду водою і вентилятор 7. Витрати повітря задавали регулятором 10. Через отвір 5 загружали задану кількість нагрітих кристалів та розчину, закривали герметично гумовою пробкою, включали секундомір. Вдування насиченого вологою повітря моделювало процес кипіння утфелю.

Через визначені проміжки часу відбирали проби міжкристального розчину масою близько 3 г, зважували в закритому бюксі на аналітичних вагах і визначали вміст сухих речовин методом висушування.

В зв'язку з тим, що після відбору проби в утфелі змінюються вміст кристалів та гідродинамічний режим кристалізації, дослід повторювали, загружаючи новий гетерогенний розчин початкового складу, але наступну пробу вже відбирали через більш довгий проміжок часу. Всього за один дослід відбирали не менше семи проб, контролюючи під мікроскопом відсутність вторинних кристалів.

Залежність вмісту сухих речовин від часу описували рівнянням, отриманим методом найменших квадратів:

СР = СР0 + А? + В? 2 (1)

де СР0 – вміст сухих речовин в міжкристальному розчині на початку досліду, %;

? – тривалість кристалізації, с;

А і В – константи, які залежать від коефіцієнта пересичення, температури, чистоти міжкристального розчину, вмісту кристалів в утфелі, площі їх поверхні та гідродинамічних умов кристалізації, їх визначали експериментально для кожного досліду.

На основі одержаних даних розраховували вміст сухих речовин в міжкристальному розчині, його чистоту, коефіцієнт пересичення, вміст кристалів в утфелі, площу їх поверхні та миттєву швидкість кристалізації цукрози К:

(2)

де Кр0 – початковий вміст кристалів в утфелі, %;

S100 – площа поверхні кристалів в 100 г утфелю, м2.

Дослідження впливу дійсного коефіцієнта пересичення міжкристаль-ного розчину на питому швидкість кристалізації цукрози в умовах уварювання утфелів проводили при температурах 50, 60 та 70°С, вмісті кристалів в утфелі – 5, 10, 15, 20, 25, 30 і 35 %, чистоті міжкристального розчину-70 ...100 % та коефіцієнті його пересичення - 1,04...1,14. Результати двох таких дослідів подані в табл.1 і на рис.2.

Залежність вмісту сухих речовин в міжкристальному розчині від тривалості процесу кристалізації, одержана на основі поданих в табл.1 експериментальних даних, має такий вигляд:

СР = 77,915 – 1,41·10-3? + 4,92·10-7 ?2 (3)

Результати всіх експериментів обробили з використанням методики В.О.Штангеєва–Л.І.Требіна і одержали емпіричну залежність миттєвої питомої швидкості кристалізації цукрози від дійсного коефіцієнта пересичення міжкристального розчину, його температури, чистоти та вмісту кристалів в утфелі:

К=0,019(1-0,006 Кр)(?–1)1,095 ґ ехр(0,055·t – 8,8·(100–Ч)/Ч), г/(м2с) (4)

де ? -дійсний коефіцієнт пересичення міжкристального розчину;

t - температура, °С;

Ч -чистота міжкристального розчину, %.

Таблиця 1. Технологічні показники кристалізації чистого цукрового утфелю при температурі 70°С.

?, ? СР% КР,% ? S100, м2 К·102,г/(м2с)

0 77,915 10,00 1,0850 0,1017 5,64

36 77,865 10,20 1,0819 0,1031 5,41

74 77,313 10,41 1,0786 0,1044 5,17

113 77,762 10,62 1,0754 0,1059 4,93

153 77,711 10,82 1,0723 0,1072 4,70

194 77,660 11,03 1,0691 0,1086 4,47

237 77,608 11,23 1,0659 0,1099 4,24

Кінетику розкладання цукрози в умовах уварювання утфелів вивчали шляхом досліджень якісних змін висококонцентрованих цукрових розчинів чистотою 65 ... 100 % і рН 6...9 при їх кип'ятінні із зворотним холодильником при температурах 80–І04°С. Результати такого досліду, поставленого при температурі 100 °С, подано в табл.2.

Таблиця 2. Розкладання цукрози в розчинах різної чистоти при температурі 100°С.

Тривалість нагрівання, год. рН СР, % Цк, % Ч, % Розкладено цукрози, % до вихідної

0 7,26 82,14 53,57 65,22

4 7,01 82,20 51,ЗО 62,41 2,81

0 7,24 80,77 57,69 71,43

4 7,03 80,91 56,19 69,45 1,98

0 7,27 79,17 62,50 78,94

4 7,00 79,20 61,50 77,65 1,29

0 7,24 78 ,26 65,22 83,33

4 7,03 78,45 64,58 82,32 1, 01

0 7,27 77,06 68,81 39,29

4 7,01 77 ,22 68,39 88,57 0,72

0 7,25 76,13 71,43 93,75

4 7,02 76,45 71,24 93,19 0,56

0 7,25 75,00 75,00 100

4 6,92 75,20 74,91 99,61 0,39

Обробкою всіх одержаних результатів вивели емпіричну залежність кількості розкладеної за одну годину цукрози від рН, температури та чистоти міжкристального розчину:

РЦк=(І,398 - 0,327рН+0,0203рН2)3,04·І0-5ехр(0.104t-5,66-0,0566 ·Ч), % (5)

РОЗДІЛ 4. Розроблення гідродинамічного способу інтенсифікації уварювання утфелю. При розробці способів інтенсифікації процесу уварювання утфелів виникла необхідність виявити ступінь відповідності тепло- та масообміну в промислових вакуум-апаратах.

Для цього відбирали проби в процесі уварювання утфелю ІІ кристалізації в промисловому вакуум-апараті ВАЦ-600 на Гнідавському цукровому заводі. Для уварювання утфелю використовували І відтік утфелю І кристалізації чистотою 80 % і вмістом сухих речовин 81 % .Утфель уварювали при температурі 79...81 °С. У відібраних пробах розраховували по результатах аналізів вміст кристалів, приріст їх маси в процесі уварювання, чистоту міжкристального розчину та коефіцієнт пересичення. По масі підкачаного відтоку розраховували масу утфелю в вакуум-апараті. Мікрофотографічним методом визначали середній розмір кристалів і розраховували площу поверхні та загальне їх число в вакуум-апараті (табл.3). По залежності (4) визначали питому швидкість кристалізації. За приростом маси кристалів розраховували фактичну швидкість масової кристалізації цукрози, а з допомогою формули (4) – теоретичну.

Таблиця 3. Технологічні параметри уварювання утфелю ІІ кристалізації в промисловому вакуум-апараті ВАЦ-600.

?, ?? утфель міжкристальний відтік Кр, % Маса, т Середній розмір кристалів, мм Число криста-лів, N·1011 Масова швидкість кристалізації, кг/с

СР, % Цк, % СРм,% Цкм,% утфелю кристалів теоретична фактична

0 84,9 67,9 83,8 65,6 6,7 22,0 1,474 0,08 82,3

25 86,4 69,1 84,8 65,6 10,2 25,0 2,550 0,12 42,2 0,717 1,148

50 88,4 70,7 86,0 64,8 16,8 31,0 5,208 0,17 30,3 1,772 1,175

120 91,0 72,8 36,8 63,4 25,7 25,7 10,614 0,25 19,4 1,287 1,139

165 91,1 72,9 87,0 61,2 30,2 44,0 13,288 0,30 І4,І 0,990 0,860

226 91,8 73,4 87,3 60,9 32,0 50,2 16,064 0,33 12,8 0,758 0,654

321 92,4 73,9 87,5 58,5 37,1 54,0 20,034 0,39 9,65 0,696 0,512

360 92,6 74,1 87,6 58,1 38,1 55,5 2І,145 0,42 8,15 0,474 0,349

425 92,8 74,2 87,7 57,5 39,3 57,9 22,755 0,44 7,63 0,412 0,308

490 92,9 74,3 87,8 56,6 40,8 59,0 24,072 0,47 6,62 0,338 0,281

З цих даних можна зробити висновок, що в процесі уварювання утфелю ІІ кристлізації в промисловому вакуум-апараті масова швидкість кристалізації поступово збільшується, досягає максимуму і потім зменшується. При цьому фактична масова швидкість кристалізації цукрози на початку уварювання утфелю випереджає теоретичну, що може визвати вторинне кристалоутворення. Починаючи з 25-30 хв. від заводки кристалів фактичний масообмін суттєво відстає від теоретичного, що викликає необхідність його інтенсифікації.

Для досліджень гідродинамічного способу інтенсифікації уварювання утфелю вдосконалили лабораторну установку, розроблену в УДУХТ (рис.3), з її допомогою ставили досліди, які моделювали уварювання цукрових утфелів як з вдуванням водяної пари, так і без нього.

Досліди без вдування водяної пари проводили таким чином. У вакуум- кристалізатор 1 вводили задану кількість модельного цукрового утфелю, включали нагрівач, розміщений під підйомним каналом кристалізатора. Для поділу кристалізатора на опускний та підйомний канали використали перегородку 4, до якої прикріпили трубку подачі водяної пари в барботер 3.

В процесі кипіння модельного цукрового утфелю випарена вода з конденсатора 13 поступила в вимірник 18. Із мірного пристрою 11 в крис-талізатор підкачували розчин, температуру якого регулювали за допомогою термостата 12. Щоб уварювання утфелю відбувалось в ізогідричних умовах, розчин підкачували таким чином, щоб кількість введеної з підкачкою води була рівною випареній. Температуру утфелю вимірювали термопарами 5, 10 і записували потенціометром 8.

Рис.3. Принципова схема лабораторної установки для дослідження гідродинамічного способу інтенсифікації уварювання

Необхідне розрідження в кристалізаторі створювали вакуум-насосом 17, а стабілізували - електромагнітним клапаном 16 та електроконтактним реле 15, зв'язаним з вакуумметром 14.

Паралельно ставили досліди з вдуванням водяної пари, одержаної при кипінні дистильованої води в парогенераторі 7, розташованому над нагрівачем 6. Температуру пари та розрідження в парогенераторі регулювали вентилем 9.

По концентрації цукрового розчину для підкачки та його кількості розраховували масу утфелю в вакуум-кристалізаторі, вміст в ньому сухих речовин та чистоту міжкристального розчину.

Кількість випареної води розраховували по об'єму конденсату у вимірнику 18. При цьому робили поправку на втрати водяної пари в конденсаторі, які визначали окремим дослідом.

Кількість водяної пари, яку вдували в утфель, визначали в кінці досліду по зменшенню маси води в парогенераторі.

Паралельно ставили два досліди в одних і тих же умовах, але в одному утфель уварювали з вдуванням водяної пари, а в другому – без нього. Було встановлено, що з ростом вмісту кристалів швидкість масової кристалізації та випаровування води зменшується, але при цьому зростає ефективність вдування водяної пари (рис.4). Із пониженням чистоти утфелю також зменшуються швидкість масової кристалізації та випаровування води і збільшується позитивний вплив вдування водяної пари (рис.5). З цього випливає, що максимальну ефективність можна чекати при гідродинамічній інтенсифікації уварювання утфелів низької чистоти на останніх стадіях цього процесу.

Для оптимізації витрат водяної пари штучний утфель ІІ кристалізації чистотою 78 % і початковим вмістом кристалів 20% уварювали з вдуванням різної кількості водяної пари з таким розрахунком, щоб за час проведення досліду його маса зросла з 900 до 1000 г. З поданих в табл.4 даних можна зробити висновок, що оптимальними є витрати водяної пари 2...3 % до маси випареної води.

Таблиця 4. Показники процесу уварювання утфелю ІІ кристалізації з вдуванням різної кількості водяної пари

№ дос-ліду Кількість пари, % до маси випареної води Тривалисть уварювання утфелю, хв. Середній розмір кристалів, мм Дисперсія Коефіцієнт нерівномір-ності

1 0 250,2 0,226 0,089 0,358

2 0,5 242,0 0,224 0,088 0,355

3 1,0 231,0 0,227 0,089 0,350

4 1,5 2І9,І 0,232 0,088 0,337

5 2,0 217,0 0,235 0,088 0,334

6 2,5 208,8 0,23І 0,089 О,322

7 3,0 203,2 0,234 0,088 0,326

8 4,0 206,9 0,232 0,087 0,318

9 5,0 206,0 0,241 0,087 0,310

10 6,0 204 ,1 0,239 0,088 0,309

11 7,0 203,0 0,238 0,088 0,308

12 3,0 202,9 0,239 0,088 0,294

13 9,0 198,0 0,246 0,089 0,301

14 І2,0 200,0 0,249 0,087 0,280

Розділ 5. Розробка вдосконаленої технології уварювання утфелю ІІ кристалізації, промислові дослідження її ефективності та впровадження у виробництво. На основі лабораторних досліджень гідродинамічної інтенсифікації процесу уварювання цукрових утфелів розробили вдосконалену технологію цього процесу. Вона заключається в наступному.

В зв'язку з тим, що гідродинамічна інтенсифікація процесу уварювання ефективніша для продуктів низької чистоти, вдування водяної пари застосували при уварюванні утфелю ІІ кристалізації.

Для економії енергоресурсів використали неконденсовані гази з парової камери даного ваукуум-апарату. При цьому навантаження на вакуум-насоси не збільшується, а надлишкова теплота цих газів використовується для додаткового нагрівання утфелю і випаровування з нього води.

Для вдування неконденсованих газів разом із УкрНДІЦП розробили і змонтували в вакуум-апараті пристрій у вигляді двохкільцевого трубчатого розподільника з отворами для виходу газу. На рис. 6 подано схему такої установки.

Працює установка таким чином. Із аміачної відтяжки неконденсовані гази 4 або водяна пара 5 поступають по трубопроводу з витратоміром 1 в трубчатий розподільник 2, розташований під нагрівальною камерою 3. Через 256 отворів діаметром 3 мм, розташованих в двохкільцевому трубчатому розподільнику, водяна пара або неконденсовані гази вдуваються в утфель, підсилюючи його циркуляцію.

Отвори в трубчатому розподільнику виконані так, щоб струмінь газів, що виходить з них, рухався паралельно нижній трубній решітці по радіальній траєкторії. Цим досягається значна диспергація газів при їх вдуванні в утфель.

Мета цих дослідів – виявити можливість замінити водяну пару неконденсованими газами при вдуванні в утфель для інтенсифікації його уварювання. При цьому необхідно виявити, як впливають вони на кольоровість утфелю, його кристалоструктуру та тривалість уварювання.

Поставлена задача вирішувалася таким чином, що паралельно уварювали утфель різними способами: звичайним та з гідродинамічною інтенсифікацією циркуляції шляхом вдування неконденсованих газів або водяної пари.

Для забезпечення однакових температурних режимів уварювання утфелів обома способами уварювання утфелів розпочинали одночасно, використовуючи одні й ті ж продукти для підкачок та нагрівальну пару. Водних підкачок не використовували.

Після заводки кристалів через кожні 30 хв. відбирали проби утфелю для аналізу. З метою більш рівномірного нарощування вмісту сухих речовин в утфелі підкачки здійснювали безперервним способом. Результати одного з цих дослідів подано в табл. 5.

Ці дослідження показали, що вдування водяної пари в утфель ІІ кристалізації скорочує тривалість його уварювання з 10,1 до 7,83 годин, тобто на 22,4 %. Таке ж скорочення тривалості процесу мало місце і при застосуванні неконденсованих газів вторинної пари ІІ корпусу випарної установки. Це свідчить про інтенсифікацію уварювання утфелю за рахунок вдування в нього водяної пари чи неконденсованих газів.

Важливим технологічним показником процесу уварювання утфелю є наростання кольоровості та втрати цукрози від термічного розкладання. Як видно з табл.5, при звичайному уварюванні утфелю ІІ кристалізації кольоровість збільшилась на 50 %, з вдуванням водяної пари – на 34 %, неконденсованих газів – на 34,4 %. Це досягнуто за рахунок зменшення тривалості процесу уварювання, а також за рахунок вирівнювання температури в зоні теплообмінної поверхні. Незначне зростання кольоровості при вдуванні газів, до складу яких входить аміак, можна пояснити як незначною його концентрацією, так і малою тривалістю контакту з цукровим розчином. Але головною причиною слід вважати незначну площу поверхні газових бульбашок, де можлива хімічна реакція взаємодії аміаку з нецукристими речовинами міжкристального розчину.

Таблиця 5. Результати випробовування способу інтенсифікації уварювання утфелю ІІ кристалізації вдуванням водяної пари і неконденсованих газів.

Показники Спосіб уварювання утфелю

без вдування з вдуванням водяної пари з вдуванням неконден-сованих газів

Початковий 1 відтік утфелю 1

СР, % 81,6 81,4 81,8

Ч, % 79,8 79,6 79,8

Кольровість, од. опт. густини на 100 СР 2970 3040 2995

Утфель ІІ кристалізації:

СР, % 93,2 93,8 93,8

Ч, % 79,8 79,6 79,8

Кр, % 43,9 44,4 44,8

Кольровість, од. опт. густини на 100 СР 4455 4073 4022

Наростання кольоровості утфелю при уварюванні, % 50,0 34,0 34,3

СР, % 88,2 88,6 88,6

Ч, % 61,6 61,4 61,4

Тривалість уварювання, год. 10,1 7,83 7,85

Тиск нагрівальної пари, кПа 130 130 130

Тиск у вакуум-апараті, кПа 20 21 20

Маса звареного утфелю, т 59,6 59,9 59,7

Маса випареної води, т 8,47 9,12 8,76

Пара для вдування в утфель:

тиск, кПа – 130 122

витрати, кг/год – 100 100

витрати, % до маси випареної води – 8,6 9,0

Кристали цукру:

середній розмір, мм 0,28 0,35 0,35

коефіціент нерівномірності 36,1 30,7 30,2

Розкладено цукрози, % до початкової 0,099 0,077 0,077

В табл. 5 подано розраховані за формулою (5) дані по розкладанню цукрози при уварюванні утфелю ІІ кристалізації різними способами. З цих даних видно, що за рахунок вдування водяної пари або неконденсованих газів кількість розкладеної цукрози зменшилась з 0,099 до 0,077 % від початкової маси. Таке зменшення маси розкладеної цукрози на 28,6 % можна пояснити скороченням тривалості уварювання утфелю.

Важливим позитивним результатом вдування неконденсованих газів є збільшення середнього розміру кристалів та зменшення коефіцієнту їх нерівномірності. Так, середній розмір кристалів за рахунок такої інтенсифікації збільшився з 0,28 до 0,35 мм, тобто на 25 %. Розрахунки свідчать, що при цьому чистота жовтого цукру підвищується з 95,14 до 96,01 %. Це позитивно вплине на кольоровість клеровки та готової продукції.

Для оптимізації процесу були проведені промислові дослідження, в яких витрати неконденсованих газів змінювали від 20 до 200 кг/год. Результати таких дослідів подано в табл.6.

З одержаних результатів можна зробити висновок, що при вдуванні неконденсованих газів покращуються всі показники звареного утфелю ІІ кристалізації: зменшується тривалість процесу, кількість розкладеної цукрози, наростання кольоровості, коефіцієнт нерівномірності кристалів, зростає їх середній розмір.

Так, при вдуванні неконденсованих газів у кількості 2,01% до маси випареної води (21 кг/год.) тривалість уварювання скоротилась з 9,9 до 8,7 год., тобто на 12,1%. При збільшенні витрат неконденсованих газів тривалість уварювання утфелю зменшується незначно. Так, при витратах 5,76 % до маси випареної води утфель був зварений за 8,6 год., а при витратах 7,96 –за 8,55 год. Тому витрати неконденсованих газів 2...3 % до маси випареної води слід вважати оптимальними, перевитрати їх не можуть бути економічно виправданими.

Таблиця 6. Результати порівняльних випробовувань звичайного способу уварювання утфелю ІІ кристалізації та з вдуванням неконденсованих газів

Показники Витрати неконденсованих газів, кг/год

0 21,0 29,8 60,7 82,0

Початковий І відтік утфелю І: СР, % Ч, % 81,8 79,9 81,6 79,9 81,8 79,6 81,6 79,9 81,6 79,8

Кольоровість, од. опт. густини на 100СР 2930 2960 2872 2916 2932

Утфель: СР, % Цк, % Ч, % Кр, % 93,8 74,9 79,85 44,6 94,0 75,1 79,89 45,4 93,6 74,5 79,59 43,7 94,0 75,1 79,89 44,7 93,6 74,7 79,81 44,3

Кольоровість, од. опт. густини на 100СР 4307 4209 4078 4138 4222

Наростання кольоровості утфелю при уварювані, % 47,0 42,2 42,0 41,9 41,6

Міжкристальний розчин: СР, % Ч, % 88,0 62,16 87,8 61,96 87,6 62,44 87,8 62,64 88,0 62,05

Тривалість уварюваня, год 9,90 8,70 8,60 8,60 8,55

Маса звареного утфелю, т 59,5 59,8 59,6 59,7 59,9

Маса випареної води, т 8,73 9,09 8,60 9,07 8,81

Неконденсовані гази для вдування: тиск, кПа витрати, % до маси випареної води - - 124 2,01 122 2,98 123 5,76 125 7,96

Кристали цукру: середній розмір, мм коефіцієнт нерівномірності,% 0,31 37,4 0,34 34,0 0,35 33,4 0,35 32,7 0,36 32,6

Розкладено цукрози, % 0,100 0,088 0,087 0,087 0,086

Вплив вдування неконденсованих газів на інтенсифікацію уварювання утфелю на різних стадіях процесу досліджували в промислових умовах на Гнідавському цукровому заводі. В цих дослідах вивчали кінетику випаровування води, наростання вмісту редукуючих речовин та кольоровості утфелю (рис.7). Витрати неконденсованих газів в процесі уварювання утфелю були постійними – 35,6 кг/год., це близько 3 % до маси випареної води.

Із рис.7 видно, що темп випаровування води не постійний, він зменшується в другій половині процесу. Кольоровість же наростає в другій стадії уварювання утфелю швидше, ніж в першій. Такий же характер мають графіки наростання редукуючих речовин, що свідчить про прискорення реакції розкладання цукрози в висококонцентрованих утфелях. Причиною такого прискорення є перегрівання утфелю біля теплообмінної поверхні, бо товщина перегрітого шару зростає зі збільшенням вмісту кристалів, в'язкості міжкристального розчину та зменшенням швидкості циркуляції.

Вдування неконденсованих газів підсилює циркуляцію утфелю й інтенсифікує процес його уварювання: зменшується тривалість, наростання кольровості, редукуючих речовин та втрат цукрози від розкладання. Інтенсифікація процесу, як видно з рис.7, прискорюється в другій половині уварювання утфелю ІІ кристалізації.

Тому для виявлення найефективнішого розподілу неконденсованих газів для вдування в утфель ІІ кристалізації були поставлені досліди. В промислових умовах уварювали утфель з одних і тих же продуктів в однакових температурних режимах. Відмінність була лише в тому, що в досліді

№ 1 (табл. 7) утфель уварювали без вдування неконденсованих газів, в досліді № 3-вдували їх з постійними витратами 35 кг/год., починаючи через 4 год. після початку процесу, а в досліді №2 – протягом всьго циклу.

Як видно з поданих в табл.7 результатів,тривалість уварювання утфелю скоротилась за рахунок безперервного вдування неконденсованих газів з 9 до 7,5 год., а при гідродинамічній інтенсифікації лише в другій половині процесу – до 7,8 год. Відповідно збільшився і середній розмір кристалІв –з 0,30 до 0,37 та 0,36 мм.

Про незначне зменшення ефекту від скорочення майже вдвічі витрат неконденсованих газів свідчать подані на рис.8 результати гранулометричних досліджень кристалоструктури звареного утфелю ІІ кристалізації. Кристали розміром до 0,1 мм при вдуванні неконденсованих газів у другій половині процесу уварювання утфелю встигають вирости як шляхом кристалізації, так і рекристалізації по коливальному механізму.

Таким чином доведено, що при вдуванні, неконденсованих газів в кількості 2,5...3,5 % до маси випареної води в другій половині процесу увварювання утфелю ІІ кристалізації його тривалість скорочується на І8...20%, а середній розмір кристалів зростає на 20...25%.

Таблиця 7. Ефективність вдування неконденсованих газів випарної установки на різних стадіях уварювання утфелю ІІ кристалізації.

Показники № досліду

1 2 3

Витрати неконденсованих газів, кг/год 0 35 35

Витрачено некондесованих газів за час уварювання утфелю: всього, кг в % до маси випареної води 0 0 274 3,12 144 1,65

Початковий відтік утфелю ІІ: СР, % Ч, % 81,4 80,0 81,6 80,0 81,0 80,0

Кольоровість, од. опт. густини на 100СР 3052 3052 3052

Утфель ІІ кристалізації: СР, % Цк, % Ч, % Кр, % 93,6 74,9 80,0 44,0 93,6 74,9 80,0 44,1 93,6 74,9 80,0 44,3

Кольоровість, од. опт. густини на 100СР 4550 3986 4083

Наростання кольоровості утфелю при уварювані, % 49,1 30,6 33,8

Міжкристальний розчин: СР, % Цк, % Ч, % 87,5 55,2 63,0 87,5 55,2 63,0 87,6 55,2 62,9

Тривалість уварюваня, год 9,0 7,5 7,8

Маса звареного утфелю, т 59,3 59,4 59,2

Маса випареної води, т 8,89 8,74 9,36

Середній розмір кристалів, мм 0,30 0,37 0,36

Розкладено цукрози, % 0,094 0,073 0,074

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На основі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено спосіб інтенсифікації уварювання утфелю ІІ кристалізації вдуванням неконденсованих газів.

2. Розроблено принципово новий розрахунково-експериментальний метод визначення миттєвої питомої швидкості кристалізації цукрози в умовах уварювання цукрових утфелів.

3. Лабораторними дослідженнями доведено, що миттєва питома швидкість кристалізації цукрози в умовах уварювання цукрових утфелів залежить від вмісту кристалів, температури, коефіцієнта пересичення міжкристального розчину та його чистоти, запропоновано емпіричну математичну залежність між цими величинами, яка може бути використана для розрахунків нових технологічних режимів.

4. На основі лабораторних досліджень виявлено математичну залежність кількості розкладеної цукрози в умовах уварювання утфелю від температури, pH та чистоти міжкристального розчину, необхідну для оцінки ефективності застосування нових технологій.

5. Дослідженнями уварювання утфелю ІІ кристалізації в промисловому вакуум-апараті встановлено, що на останніх стадіях цього процесу масообмін не досягає теоретично можливого, в зв'язку з чим виникає потреба його інтенсифікації.

6. Лабораторними дослідами доведено, що при уварюванні утфелю І кристалізації швидкість масової кристалізації цукрози зростає за рахунок вдування водяної пари зі збільшенням вмісту кристалів від 5 до 30% відповідно на 10,0 та 20,3%.

7. Встановлено, що ефективність вдування водяної пари зростає зі збільшенням вмісту кристалів та зменшенням чистоти міжкристального розчину, тому застосувати її доцільно на останніх стадіях уварювання утфелю ІІ кристалізації.

8. Лабораторними дослідженнями доведено, що оптимальною кількістю водяної пари, яку вдувають при уварюванні утфелю І кристалізації, є 1,5 ... 2,0 %, ІІ кристалізації – 2,0 ... 3,0% до маси випареної води.

9. Дослідженнями ефективності вдування водяної пари при уварюванні утфелів в лабораторних умовах показано, що оптимальною є температура перегріву пари на 7 ... 14?С.

10. Промисловими дослідженнями доведено, що при вдуванні неконденсованих газів у другій половині процесу уварювання утфелю ІІ кристалізації в кількості 2,5 ... 3,5% до маси води, випареної за весь період варки, його тривалість скорочується на 10 ... 15%, а середній розмір кристалів цукру зростає на 20 ... 25%.

11. Установлено, що при вдуванні неконденсованих газів та досягнутого при цьому скороченні тривалості уварювання утфелю ІІ кристалізації його кольоровість зменшується на 7 ... 10%.

12. Економічний ефект від впровадження у виробництво на Гнідавському цукровому заводі розробленого способу інтенсифікації уварювання утфелю ІІ кристалізації складає 203 тис. грн. при переробці 100 тис. т цукрових буряків.

Перелік робіт, опублікованих за темою дисертації

1. Кобер В.Т., Штангеєв В.О., Требін Л.І. Вплив коефіцієнта пересичення і чистоти міжкристального розчину на питому швидкість кристалізації цукрози в умовах уварювання утфелю // Цукор України.-2001.- №4.- С. 18-20.( Особистий внесок: участь в розробці методик експериментів, в їх проведенні, обробці та узагальненні результатів).

2. Кобер В.Т., Штангеєв В.О., Требін Л.І. Вплив вмісту кристалів і температури на питому швидкість кристалізації цукрози в умовах уварювання утфелю // Цукор України.-2001.- № 3.-С.16-17. ( Особистий внесок: проведення лабораторних досліджень, участь в обробці та узагальненні результатів ).

3. Штангеєв В.О., Григораш М.П., Кобер В.Т. Актуальні проблеми цукрової промисловості та її технічного рівня // Цукор України.-2001.- №1-2 (21).- С. 2-4. ( Особистий внесок: участь в проведенні аналізу роботи цукрових заводів).

4. Кобер В.Т., Штангеєв В.О., Требін Л.І. Долідження гідродинамічного способу інтенсифікації уварювання утфелів // Цукор України.-2002.- №1.- С. 31-33. ( Особистий внесок: проведення лабораторних досліджень, участь в обробці, узагальненню та публікації одержаних результатів).

5. Кобер В.Т., Штангеєв К.О., Савич А.Н. Интенсификация уваривания утфеля 2-й кристаллизации // Сахар.- 2002.- №2.- С. 50-51. ( Особистий внесок: підготовка та проведення досліджень, участь в обробці, узагальненню та публікації одержаних результатів).

6. Спосіб визначення питомої швидкості кристалізації цукрози в умовах уварювання гетерогенного цукрового розчину (Кобер В.Т., Штангеєв В.О., Требін Л.І.). Патент України на винахід № 42215 від 17.06.2002 р. Бюл. № 6. (Особистий внесок: участь в розробці суттєвих відмінностей та формули винаходу).

7. Кобер В.Т., Савич А.Н., Штангеєв В.О. Перевірка методу інтенсифікації процесу уварювання утфелю вдувом пари./ Міжнародна наукова конференція молодих вчених, аспірантів і студентів. Програма і матеріали конференції. Київ, НУХТ, 2002. Ч.ІІ.-с.9.

8. Штангеев К.О., Кобер В.Т. Современные проблемы энергосбережения в сахарной промышленности.- Материалы второго международного семинара “Пути повышения эффективности работы сахарных заводов при переработке свеклы и сахара-сырца”-“Сахар-2002”, Москва МГУПП, 2002.-с.28. ( Особистий внесок: участь в проведенні аналізу сучасного стану енергозбереження на цукрових заводах).

9. Кобер В.Т. Інтенсифікація процесу уварювання утфелю ІІ кристалізації вдувом пари з аміачних відтяжок.- Матеріали науково-технічного семінару цукровиків України “Шляхи підвищення ефективності бурякоцукрового виробництва”, Київ, 2002.-с.180-181.( Особистий внесок: підготовка та проведення досліджень, участь в обробці, узагальненню та публікації одержаних результатів).

Крім того, подана заявка на видачу патенту:

Установка для дослідження питомої швидкості кристалізації цукрози в умовах кипіння цукрового утфелю. Заявка на видачу патенту України № 2002021494 від 22.02.2002 р. (Особистий внесок: участь в розробці суттєвих відмінностей та формули винаходу).

АНОТАЦІЯ

Кобер В.Т. Розроблення способів інтенсифікації уварювання цукрових утфелів.– Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.05 – технологія цукристих речовин, Національний університет харчових технологій, Київ, 2002.

Дисертаційна робота присвячена удосконаленню технології уварювання цукрового утфелю.

На основі проведених досліджень науково обгрунтовано можливість інтенсифікації промислової кристалізації цукрози вдуванням неконденсованих газів. Розробленим розрахунково-експериментальним методом вперше визначено миттєву швидкість кристалізації цукрози в умовах уварювання цукрових утфелів і виведено математичну залежність її від вмісту кристалів, температури, коефіцієнта пересичення та чистоти міжкристального розчину. Розроблено й впроваджено у виробництво на Гнідавському цукровому заводі спосіб уварювання утфелю 2 кристалізації. Промисловими дослідженнями встановлено, що за рахунок вдування неконденсованих газів в утфель тривалість його уварювання скорочується на 10...15 %, кольоровість зменшується на 7...10 %, а середній розмір кристалів цукру збільшується на 20...25 %.

Ключові слова: уварювання, утфель, цукроза, розчин, неконденсовані гази, пара.

АННОТАЦИЯ

Кобер В.Т. Разработка способов интенсификации уваривания сахарных утфелей.– Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.05 – технология сахаристых веществ, Национальный университет пищевых технологий, Киев, 2002.

Диссертационная работа посвящена совершенствованию технологии уваривания сахарного утфеля за счет интенсификации процесса уваривания путем вдувания неконденсирующихся газов и оптимизации режимов варки утфеля в вакуум-аппаратах.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях научно обоснована и подтверждена в производственных условиях возможность интенсификации промышленной кристаллизации сахарозы в вакуум-аппаратах с естественной циркуляцией утфеля вдуванием неконденсирующихся газов из греющих камер выпарных и вакуум-аппаратов.

С помощью разработанного расчетно-экспериментального метода впервые определена величина мгновенной скорости кристаллизации сахарозы в условиях уваривания сахарных утфелей и получена математическая зависимость учитывающая степень влияния массового содержания кристаллов, температуры варки, коэффициента пресыщения и чистоты межкристального раствора.

Исследованиями в производственных условиях установлено, что на заключительной стадии уваривания утфеля скорость массообмена отстает от теоретически возможной величины и возникает необходимость в его интенсификации.

По результатам исследований в лабораторных условиях получено математическое соотношение для определения величины потерь сахарозы в условиях уваривания утфелей в зависимости от температуры, pH, чистоты межкристального раствора и продолжительности процесса, которая использована для оценки эффективности применения разработанной технологии интенсификации уваривания утфелей.

Получен патент Украины на способ определения удельной скорости кристаллизации сахарозы в условиях уваривания гетерогенного сахарного раствора и подана заявка на патент Украины по конструкции установки для исследования удельной скорости кристаллизации сахарозы в условиях кипения сахарного утфеля.

Установлено, что эффективность интенсификации процесса кристаллизации утфеля возрастает при увеличении содержания кристаллов и уменьшении чистоты межкристального раствора, поэтому вдувание пара наиболее рационально использовать на последних стадиях уваривания утфелей ІІ и III кристаллизаций .

Определены величины оптимального количества вдуваемого пара или неконденсирующихся газов.

Разработан и внедрен в производство на Гнидавском сахарном заводе способ уваривания утфеля 2 (последней) кристаллизации и устройство для вдувания неконденсирующихся газов под греющую камеру вакуум-аппарата с целью интенсификации процесса массообмена и сокращения продолжительности уваривания утфеля.

Промышленными исследованиями установлено, что за счет интенсификации процесса уваривания утфеля сокращается продолжительность процесса варки, и соответственно, снижаются потери сахара от термического разложения на 10…15 %, уменьшается цветность на 7…10 % и увеличивается средний размер кристаллов на 15…25 %.

Работа сдана приемочной комиссии, назначенной приказом по Волынскому ПАО сахарной промышленности и рекомендована к