книги из ГПНТБ / Попов В.Д. Основы теории тепло- и массообмена при кристаллизации сахарозы
.pdfв. д . п о п о в
ОСНОВЫ
ТЕОРИИ ТЕПЛО-
И МАССООБМЕНА ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ САХАРОЗЫ
МОСКВА ПИЩЕВАЯ П Р О М Ы Ш Л Е Н Н О С Т Ь
1973
|
Г о с . пубпичн.іЯ |
|
|
н ay ч и о • г л\нич\> |
|
|
б и б л и о т е к а |
СС:.>іл |
У Д К 664.1.054 : 66.01S.'i4 + |
fajWVMY'Н°' |
|
«Основы теории тепло- и |
массообмена |
при |
кристаллиза |
|||||
ции сахарозы», П О П О В В. Д . 1973. |
|
|
|
|
||||
^ |
книге |
изложены |
основные теоретические |
представления |
||||
и опытные |
данные о |
рабочих |
процессах, |
протекающих |
при |
|||
промышленной кристаллизации |
сахарозы |
из |
растворов |
мето |
||||
дом |
выпаривания в вакуум-аппаратах и методом охлаждения |
|||||||
в мешалках-кристаллизаторах. |
|
|
|
|
|
|||
Данные |
автора и других |
исследователей |
обобщены |
для |
использования при разработке, расчете, изготовлении, испыта
нии и эксплуатации кристаллизационной аппаратуры |
периоди |
||
ческого и непрерывного действия. |
|
|
|
Основными результатами |
выполненных |
работ |
являются: |
а) формирование системы |
кинетических |
представлений о |
промышленном процессе кристаллизации сахарозы, как о еди ном комплексе взаимодействующих во времени процессов ма териального и энергетического обмена;
б) получение ряда количественных закономерностей, вы ражающих взаимосвязь факторов, влияющих на процесс кри сталлизации и составляющих основу будущей теории оптимальных рабочих процессов кристаллизации из растворов; в) разработка расчетных методик для определения неко
торых |
параметров |
процесса |
и |
размеров кристаллизационных |
|||
аппаратов; |
|
|
|
|
|
|
|
г) |
разработка |
схемных |
и |
конструктивных решений для |
|||
реализации процесса |
непрерывной кристаллизации |
с |
автома |
||||
тическим регулированием; |
|
|
|
|
|||
д) |
промышленная |
проверка части предложенных |
устройств |
||||
и 'аппаратов. |
|
|
|
|
|
|
|
Проблема непрерывной |
кристаллизации сахарозы |
вклю |
чает множество задач различного характера, имеющих обще промышленное значение. В данной книге рассмотрены в основ ном вопросы тепло- и массообмена.
Таблиц 9, иллюстраций 156, список литературы 278 назва
ний.
Р е ц е н з е н т д-р техн. наук А. С. Гинзбург
Издательство «Пищевая промышленность», 1973 г.
П |
3176—056 |
56—73 |
|
|
044(01)—73 |
В В Е Д Е Н И Е
Способ получения кристаллического сахара путем выращивания кристаллов в кипящем пересыщенном ра створе является русским изобретением и принадлежит рабочим Балаклеевского сахарного завода Киевской губернии старосте А. И. Федосееву и варщику И. Фо менко (1851 г.).
Интенсификация процесса кристаллизации путем на ращивания взвешенных в растворе кристаллов за счет подпитки свежего раствора в благоприятных темпера турных условиях и под вакуумом привела более ста лет назад к коренному изменению технологии сахаро варения. В основных чертах эта технология сохрани лась до наших дней.
В настоящее время большинство технологических процессов производства сахара осуществляется в не прерывно действующей аппаратуре. Исключением яв ляется кристаллизация сахарозы в вакуум-аппаратах периодического действия, что является большим недо статком современной технологии производства. Работа периодически действующего кристаллизационного отде ления нарушает непрерывность потока на технологиче
ском тракте, |
вызывает пиковые расходы греющего па |
||||||
ра, тормозит |
завершение |
комплексной |
автоматизации |
||||
сахарных заводов. |
|
|
|
|
|
||
Проблема |
непрерывной |
кристаллизации |
|
сахарозы |
|||
возникла давно [116]. Отдельные ее задачи |
формулиро |
||||||
вались |
и решались, |
начиная с 20-х годов, |
в |
трудах |
|||
М. Д. |
Зуева, |
А. И. |
Востокова, И. |
А. |
Кухаренко, |
||
А. П. |
Соколова, П. |
В. |
Головина, |
П. М. |
Силина, |
С. Ф. Жигалова, Ю. М. Жвирблянского, И. Н. Каганова, С. 3. Иванова, А. А. Жидкова, Г. М. Знаменского, М. Л. Вайсмана и других советских ученых [90]. Си стематически исследовались закономерности периоди ческого процесса; в этой области был накоплен огром ный фактический материал, особенно в трудах школы проф. И. А. Кухаренко [88, 117, 118 и др.].
Однако в довоенное время еще не было объектив-
з
Ных условий для реализации прбмыШлённогй процесса
кристаллизации |
в аппаратах непрерывного |
действия, |
несмотря на ряд |
предложенных и испытанных |
моделей |
и конструкций. |
Отсутствие математического |
описания |
кинетики тепловых и массообменных процессов, средств
контроля |
и автоматического |
регулирования |
затормозили |
переход |
к непрерывному |
процессу кристаллизации. |
|
Лишь за |
последние 20 лет |
общий подъем |
науки и тех |
ники ускорил проведение научных работ по сахаротехнике и стимулировал образование исследовательских коллективов для решения данной проблемы.
За последние годы разработка процесса непрерыв ной кристаллизации сахара и его аппаратурного оформ ления стала одной из важнейших задач современной техники сахарного производства. Решением этой слож ной проблемы занят ряд организаций и отдельных ис следователей — Всесоюзный научно-исследовательский институт сахарной промышленности (ВНИИСП), Киев ский технологический институт пищевой промышленно
сти (КТИПП), |
Институт |
коллоидной |
химии |
и |
химии |
|||||||||
воды |
АН УССР |
(ИКХХВ), |
Московский |
технологиче |
||||||||||
ский |
институт |
пищевой |
промышленности |
(МТИПП), |
||||||||||
Гниванский |
сахарный |
завод |
(В. А. Данильцев) |
и др. |
||||||||||
Работы по |
проблеме |
ведутся |
и |
за |
рубежом |
(во |
Фран |
|||||||
ции, Англии, ФРГ, Польше и других странах) |
[92, 138]. |
|||||||||||||
К |
числу |
сложившихся |
научных |
коллективов |
отно |
|||||||||
сится |
группа |
исследователей |
КТИППа, |
|
объединенная |
|||||||||
традиционным |
для |
института |
научным |
|
направлением, |
|||||||||
определившимся |
в |
основном |
послевоенными |
работами |
||||||||||
профессоров — П. В. Головина |
[38], |
Г. М. Знаменского |
||||||||||||
[80 ,81, 82, 83, 84], автора |
и его |
аспирантов — В. Т. Га- |
||||||||||||
ряжи, |
И. И. Саганя, |
А. |
М. Черного, |
И. Г. Бажала, |
И. С. Гулого, И. С. Скрипко, И. А. Белоконя, В. Г. Тре
губа, Н. А. |
Шевандина, Ю. А. Терентьева, |
С. М. Кон |
|||
стантинова, |
Е. А. Недужко, С. И. Сиренко, В. П. Трой- |
||||
но, Д. Е. Синат-Радченко |
и др. [5, 13, 31, 43, |
47, |
77, |
||
133, 144, 190, 199, 204, 215, |
224, 237, 245, |
264 |
и |
др.]. |
В итоге работ этого коллектива были получены ос новные данные о теплопередаче и циркуляции в утфельных вакуум-аппаратах и кристаллизаторах, уточнены теплофизические.параметры сахарных растворов и утфелей, положенные в основу тепловых и гидродинамиче ских расчетов, сформулированы основные представле-
ния |
о |
кинетике и |
взаимосвязи |
процессов теплообмена |
|||
и кристаллизации. |
На |
основе этих |
данных |
разработан |
|||
ряд |
схем, способов |
и. конструкций, |
защищенных автор |
||||
скими |
свидетельствами. |
|
|
|
|
||
|
С |
1965 г. работы |
научного |
коллектива |
вошли в |
стадию промышленного внедрения. Так, в 1969 г. на Гниванском сахарном заводе принят Государственной комиссией МПП УССР и включен в постоянную ра боту промышленный вакуум-аппарат непрерывного дей ствия «Адмиралтеец-3» системы КТИППа для уварива ния I I продукта. На Хмельницком сахарном заводе испытана выпарная установка, автоматизированная по схеме КТИППа, предусматривающей будущее вклю чение вакуум-аппаратов непрерывного действия в теп ловую схему завода.
Основным научным результатом проведенных теоре тических, лабораторных и промышленных исследований является разработка и формирование некоторых исход ных положений теории промышленного процесса кри сталлизации сахарозы. В этой книге делается попытка наметить контуры будущей теории кристаллизации на основе уравнений статики, кинетики и динамики основ ных процессов, протекающих в кристаллизационной аппаратуре периодического и непрерывного действия.
Книга относится к циклу работ, направленных на усовершенствование существующей аппаратуры перио дического действия и на создание новой автоматизиро ванной аппаратуры непрерывного действия для выпари
вания, сгущения и кристаллизации |
сахарных |
ра |
створов. |
|
|
В книге изложены в основном результаты исследо ваний автора, его аспирантов и сотрудников, достигну
тые |
за |
последние |
15 лет. Работы, выполненные до |
1956 |
г., |
частично |
обобщены в монографии автора |
«Тепловой расчет утфельных вакуум-аппаратов», издан ной Гостехиздатом Украины (Киев) в 1958 г. [163].
По своему объему книга не претендует на исчерпы вающее описание всех достигнутых результатов; основ
ное внимание в ней уделяется анализу |
наблюдаемых |
|
фактов и их приближенному математическому |
описа |
|
нию с целью разработки инженерной методики |
расчета |
|
рабочих процессов в аппаратуре для |
кристаллизации |
|
сахара, |
|
|
Процесс промышленной кристаллизации сахара скла дывается из взаимодействующих процессов тепло- и массообмена, происходящих в движущейся кристалли
зующейся |
массе — утфеле. |
Вследствие |
значительной |
||||
сложности |
изучаемых |
процессов |
математическое |
опи |
|||
сание их |
базируется |
в основном на макрокинетических |
|||||
представлениях |
о суммарных |
эффектах |
процесса |
и |
|||
лишь частично |
охватывает |
элементарные |
акты, проис |
ходящие на поверхности раздела фаз. Поэтому боль шинство предлагаемых формул приближенно соответ ствует в основном потребностям инженерных расчетов. Вместе с тем приведенный фактический материал дол жен быть подвергнут дальнейшей обработке и разви тию; результаты должны быть уточнены на уровне микрокинетики с целью раскрытия действительного ме ханизма процессов.
Данная работа ограничена освещением вопросов теплообмена между поверхностью нагрева и кипящим или охлаждаемым утфелем, массообмена при выпарива нии утфеля и превращении растворенной сахарозы в твердую фазу, движения кипящего утфеля через проточ ную часть вакуум-аппаратов. Этим далеко не исчерпы вается перечень изучаемых вопросов, содержащихся в
перспективных планах исследований |
научных |
коллек |
||||
тивов. |
|
|
|
|
|
|
Поэтому изложению |
конкретного |
материала |
темы |
|||
предпосылается очерк путей решения задач |
непрерыв |
|||||
ной кристаллизации |
(глава I ) , дающий |
общее |
представ |
|||
ление о месте и роли рассматриваемых |
вопросов. |
|
||||
Предлагаемую |
книгу |
следует |
рассматривать |
как |
одну из первых ступеней, ведущих к разработке строй
ной теории непрерывной кристаллизации из |
растворов |
и общей методики расчета и конструирования |
кристалли |
зационной аппаратуры, работающей в оптимальных ре
жимах |
[19, |
100, |
101, |
120, |
125, |
132, |
187]. |
|
|
Необходимо |
издание |
ряда |
других книг |
теоретиче |
|||||
ского и |
прикладного характера, |
отражающих обилие |
|||||||
фактического материала, |
накопленного |
за |
последние |
||||||
годы в |
области |
исследования, расчета, |
конструирова |
ния и эксплуатации кристаллизационной аппаратуры в химической и пищевой промышленности.
В работе использованы многие опытные данные раз личных авторов. Совмещение новых и старых данных,
несмотря на неизбежное различие методик опытов, поз воляет объективно оценить общность наблюдаемых за
кономерностей. Предпочтение |
отдано более наглядному |
|||
графическому представлению |
результатов |
вместо таб |
||
лиц, которые приведены лишь для |
базовых |
(«репер- |
||
ных») значений физических величин. |
|
|
|
|
Большое внимание уделено |
физическим |
параметрам |
||
сахарных растворов и утфелей, без |
которых |
немысли |
||
мы никакие расчеты и обобщения |
опытных |
данных |
||
(глава I I ) . К сожалению, эти данные |
еще |
не |
полностью |
удовлетворяют потребностям исследователей, что в осо бенности относится к утфелям и продуктам с низкой доброкачественностью.
Единство процесса кристаллизации в аппаратах пе риодического и непрерывного действия позволяет рас
сматривать их с общей точки зрения, |
и многие данные |
|||
об изученном |
периодическом |
процессе |
переносить |
на |
создаваемый |
непрерывный |
процесс, предсказывая |
его |
результат с оцениваемой степенью приближения. При этом может быть использован огромный фактический материал по периодической кристаллизации, накоплен ный несколькими поколениями сахаротехников. Вместе с тем при создании нового автоматизированного непре рывного процесса и его аппаратурном оформлении воз никают совершенно новые задачи, которые ранее нель зя было предвидеть. Содержание этих задач представ ляет общий научный и практический интерес, выходя
щий |
за пределы сахарного производства. В связи с этим |
|||
приводимые в книге |
данные, |
методы расчета |
и спосо |
|
бы |
регулирования |
процесса |
кристаллизации |
имеют |
общее значение и могут быть использованы при разра ботке кристаллизационной аппаратуры для ряда других веществ пищевой, фармацевтической и химической про
мышленности. |
|
|
|
|
|
Основной задачей |
теории |
процесса |
кристаллизации |
||
является раскрытие |
физической |
сущности |
его механиз |
||
ма с помощью математического описания |
физической |
||||
модели, соответствующей основным |
закономерностям |
||||
его протекания во времени |
и |
рабочем |
пространстве |
промышленных аппаратов. Начальные этапы исследова ния новой проблемы характеризуются накоплением первичного экспериментального материала и анализом наблюдаемых фактов для построения рабочих гипотез.
Это положение относится и к проблеме непрерывной кристаллизации сахарозы, что оправдывает несколько необычное построение книги. Так, общие закономерно сти процесса (глава I I I ) рассматриваются вначале как экспериментальные факты, подлежащие изучению, раскрытию и описанию в математической или графиче ской форме. Далее описываются те отдельные стороны суммарного процесса (главы IV, V и V I ) , которые при существующем состоянии наших знаний удалось выде лить и объяснить. В дальнейшем, при более полном изучении и описании других слагаемых промышленного процесса появится возможность их оптимального син теза в завершающей главе работы. Пока такие воз
можности |
рассмотрены лишь предположительно (гла |
|||||
вы V I I и V I I I ) . |
|
|
|
|||
Прикладная часть работы содержит методики рас |
||||||
чета |
кристаллизационных |
аппаратов |
(глава |
I X ) , ко |
||
торые |
по |
мере изучения процесса подлежат уточнению |
||||
и должны |
совершенствоваться. Методики иллюстрируют |
|||||
способы |
и |
возможности |
применения |
рекомендуемых |
||
формул для |
расчета отдельных параметров |
процесса. |
Систематический расчет и конструирование кристалли
зационных аппаратов выходят за пределы |
задач |
дан |
||||||||
ной |
книги. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
списке |
литературы |
отдано |
предпочтение |
работам |
|||||
в области |
сахаротехники, |
преимущественно |
выполнен |
|||||||
ным научным коллективом |
КТИППа. |
|
|
|
|
|||||
Замечания |
по работе |
просим |
направлять |
в |
адрес |
|||||
Киевского |
технологического |
института |
пищевой |
про |
||||||
мышленности: Киев, 17, ул. Владимирская, 68, |
КТИПП, |
|||||||||
кафедра теоретической и |
общей |
теплотехники, |
а |
также |
||||||
в адрес |
издательства |
«Пищевая промышленность»: |
||||||||
113035, Москва, 1-й Кадашевский |
пер., |
12. |
|
|
|
Г л а в а I.
ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ НЕПРЕРЫВНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ САХАРА
Т Е Х Н О Л О Г И Ч Е С К АЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО САХАРА
По принятой технологической схеме свеклосахарно го производства кристаллический белый сахар получают так (рис. I—1) [4].
Содержащий сахар диффузионный сок, полученный путем экстрагирования сахарозы водой из свекловичной стружки, проходит станцию очистки СО и через подо
греватель |
Пі поступает |
в многокорпусную |
выпарную |
||||||
установку |
(МВУ) в |
количестве |
125—127% к |
массе |
|||||
переработанной |
свеклы |
при |
начальной |
концентрации |
|||||
сухих |
веществ |
(СВ) около |
15%. |
Пройдя |
последова |
||||
тельно |
через несколько |
корпусов |
МВУ |
(например, че |
|||||
рез три корпуса) Л ь Кг, Кз |
и концентратор |
Кц, |
сок |
превращается в сироп в количестве 26—27% к массе
свеклы с |
концентрацией |
сухих веществ |
60—65%. |
Сгущение |
сока достигается |
последовательно |
выпарива |
нием воды в каждом корпусе (выпарном |
аппарате); |
||
при этом |
греющий пар в количестве D{ подается только |
в первый корпус; остальные корпуса обогреваются вто
ричными парами предшествующих |
корпусов (D2, |
D3, £>Кц). |
|
За счет промежуточных отборов пара между корпу сами (Ei, Е2, Е3) обогревается теплообменная аппара тура сахарного завода, в том числе и вакуум-аппараты всех ступеней кристаллизации (ВА I , ВА II, ВА III). Вторичный пар из концентратора Кц, работающего в расчетном режиме самоиспарения (при £ > к ц =0), в ко-