ОТХВ (курс лекцій)2012

збільшуються витрати палива та електроенергії на випарювання надлишкової води під час згущення соку.

Подібні міркування існують і щодо тривалості перебування стружки у апараті. Здавалося б, якщо стружка довше контактуватиме з водою, то з неї вимиється більше сахарози, але наслідком збільшення часу екстрагування є більш повний перехід зі стружки до розчину не тільки сахарози, а й нецукрів, зокрема пектинів. Тому час екстракції обмежують. Час дифузії в апаратах неперервної дії складає 70...80 хвилин.

Стосовно температури дифузії також є обмеження. З одного боку, підвищення температури сприяє збільшенню коефіцієнта дифузії сахарози, тому більше сахарози перейде зі стружки до розчину. З іншого боку, при температурі вище 75ºС відбувається швидке набухання пектинових речовин стружки і зменшується її пружність, отже стружка у апараті злипнеться і більша її частина не омиватиметься водою. А при температурі нижче 70ºС інтенсивно розвиваються мікроорганізми, наслідком чого є псування стружки. Тому в активній частині дифузійних апаратів підтримують температуру 70...75ºС.

13.6. Типи дифузійних установок

Для виділення з бурякової стружки максимально можливої кількості сахарози слід спочатку нагріти стружку до температури денатурації протоплазми бурякових клітин, що є напівпроникною мембраною і пропускає тільки чистий розчинник (воду). Процес такої термообробки має назву ошпарювання.

До схеми колонної дифузійної установки (рис. 46) входить ошпарювач. У ньому стружка з температурою близько 10ºС змішується з соком після колони (70ºС), а потім з таким самим соком додатково підігрітим у підігрівнику соку баштового потоку до 80...83ºС. Сокостружкова суміш (70ºС) перекачується у колону.

Згори до колони подається живильна вода – суміш жомопресової води (після пресів жому) з підігрітою барометричною водою (після барометричних конденсаторів), або деамонізованим конденсатом останніх корпусів випарної установки. Стружка піднімається шнеком, розташованим всередині колони. Вода згори стікає донизу, у протитечії екстрагуючи цукор зі стружки.

Знизу колони виходить вода, насичена цукром – дифузійний сік, згори – знецукрена стружка – жом. З жому на жомовому пресі відпресовують жомопресову воду, що містить певну кількість сахарози. Цю воду повертають на живлення дифузійного апарата. Дифузійний сік виводять з колони до ошпарювача, звідки його відбирають охолодженим приблизно до 40…45ºС і подають на очищення.

131

Рис. 46. Принципова схема колонної дифузійної установки

Перевагами колонної дифузійної установки є: стабільність роботи, мала займана площа, високе питоме навантаження об’єму стружкою, низькі втрати сахарози. З іншого боку, є і недоліки: висока металоємність, сильно подрібнюється стружка, не можна підігріти стружку в колоні (тобто стабілізувати температурний режим), великі втрати теплоти в довкілля з поверхні обладнання та високий відбір соку (120...130%), що потім збільшить потрібну витрату пари на випаровування цієї води.

Дифузійний апарат похилої дифузійної установки (рис. 47) має коритоподібний корпус, всередині якого розташовані два гвинтові шнеки, що обертаються і переміщують стружку знизу догори. Живильну воду подають згори, у протитоці зі стружкою. Дифузійний сік відбирають з нижньої частини апарата і подають на очищення Корпус апарата обладнаний паровими обігрівними камерами, що дає змогу підтримувати всередині оптимальну температуру. Для відведення конденсату з камер передбачені збірники. Неконденсовані гази відводяться на конденсатор.

132

Рис. 47. Принципова схема похилої дифузійної установки

Перевагами похилої дифузійної установки є: стабільність роботи; низький відбір дифузійного соку (110...115%); низька температура дифузійного соку (25...35ºС), що дає змогу утилізувати низькотемпературні вторинні енергоресурси; менші втрати сахарози від термічного розкладення. Але є і недоліки: установка займає велику площу і має нерівномірність прогрівання стружки (біля стінок 74ºС, в центрі 63ºС).

Дифузійний апарат ротаційної дифузійної установки має форму горизонтального циліндра, що обертається (рис. 48). Стружка у ньому переміщується за допомогою гвинтоподібно змонтованих на внутрішній поверхні ситових лопатей. Потік соку циркулює через теплообмінник, нагріваючись до 85ºС, ошпарює стружку, охолоджується до 35...45 ºС і частина його виходить з апарата.

Перевагами ротаційної дифузійної установки є низький відбір дифузійного соку (близько 115%), стабільність роботи, низькі втрати сахарози. Серед недоліків: велика витрата пари через значні втрати у довкілля, потреба у великій площі, висока металоємність. Недоліком є і те, що апарат заповнений на 40%, а велика кількість повітря сприяє корозії корпусу.

133

Рис. 48 Принципова схема ротаційної дифузійної установки.

13.7. Оброблення жому та жомопресової води

Жом, що виходить з дифузійного апарата, містить 90...93% води, у якій розчинена також і сахароза. Для зменшення втрат сахарози з жомом його пресують на жомових пресах до вмісту сухих речовин 20% і отриману жомопресову воду повертають на живлення дифузійної установки. Пресований жом використовують, як корм для худоби.

Свіжий жом швидко псується, тому для тривалого зберігання і транспортування його висушують на жомосушарках різної конструкції гарячою сумішшю повітря та димових газів до вологості 12...14% речовин. Існують конструкції жомосушарок, де жом сушать перегрітою парою. Для зручності використання сухий жом гранулюють.

Жомопресова вода містить близько 2% сухих речовин. Перед використанням для живлення дифузійної установки її слід очистити від механічних домішок, нецукрів, мікроорганізмів. Існують різні схеми очищення, зокрема дефекосатурацією, подібно до дифузійного соку (рис. 49).

134

Рис. 49. Схема оброблення жомопресової води дефекосатурацією 1 – дефекатор; 2 – сатуратор; 3 – гідрозатвор; 4 – відстійник; 5 – сульфітатор; 6 –

теплообмінник; 7 – підігрівник

Запитання для самоперевірки

1.Які особливості цукрової галузі з точки зору теплопостачання?

2.Який хімічний склад цукру-піску? Як його використовують?

3.Опишіть сировину для вироблення цукру. З чого виробляють цукор-пісок

вУкраїні? Чому цукрове виробництво є сезонним?

4.Які домішки та яким чином відділяють від буряків, що надійшли у виробництво? Навіщо буряки нарізають на стружку?

5.Яким чином видобувають сахарозу з стружки? Що таке відбір соку? Які обмеження температури, тривалості, витрати води наявні під час процесу дифузії і чому?

6.Опишіть будову та принцип дії колонної, похилої, та ротаційної дифузійних установок.

7.Як використовують жомопресову воду? Навіщо і яким чином її обробляють?

135

14. ТЕХНОЛОГІЯ ЦУКРИСТИХ РЕЧОВИН. ОЧИЩЕННЯ ТА КОНЦЕНТРУВАННЯ СОКУ.

14.1. Очищення соку

Дифузійний сік має температуру 35…45ºС, темний колір, сильно піниться, має кислу реакцію (рН 6,0...6,5), містить клітковину, пластівці коагульованого білку, розчинні нецукри, що заважають кристалізації сахарози і збільшують її втрати з мелясою. Тому для одержання цукру шляхом випарювання води і кристалізації сахарози потрібне очищення соку.

Очищення соку проводять фільтруванням, відстоюванням, обробленням гашеним вапном (Са(ОН)2), діоксидом вуглецю (СO2) та діоксидом сірки (SO2) у декілька стадій (рис. 50):

Рис. 50. Схема очищення дифузійного соку

Мета дефекації – очищення дифузійного соку від кислот (фосфорної, щавлевої та інших), білків, пектину. Для цього до соку додають гашене вапно у вигляді розчину – вапнякового молока. Кислоти нейтралізуються і утворені погано розчинні солі кальцію випадають у осад. Білки та пектин коагулюють і також випадають в осад.

Дефекацію проводять у дві стадії – попередня (переддефекація) і основна. Якщо не проводити переддефекацію, а одразу додавати все вапно, осад стає желатиноподібним і погано фільтрується.

Кількість вапняного молока, яке слід додавати до соку, розраховують у відсотках негашеного вапна (СaO) до маси буряків. Це необхідно тому, що гашене вапно Сa(OH)2 перебуває у розчині, тому складніше вести його облік. На стадії переддефекації до соку додають вапняне молоко з розрахунку 0,2…0,3% СаО до маси буряків одразу (оптимальна переддефекація) чи протягом 15...30 хв

136

(прогресивна переддефекація). Створюються оптимальні умови для утворення щільного осаду з відносно великих частинок, який добре фільтрується.

Температурний режим: переддефекації: холодна – до 50ºС; тепла – 50...60ºС; гаряча – 85...90ºС. У класичній технологічній схемі цукрових заводів використовують оптимальну гарячу переддефекацію, яку проводять у переддефекаторі Бригель-Мюлера безперервної дії (рис. 51).

Рис. 51 Схема переддефекатора Бригель-Мюлера:

1 – корпус; 2 – перегородки; 3 – мішалка; 4 – шибери для регулювання циркуляції.

Дифузійний сік нагрівають у групі підігрівників вторинною парою різних корпусів випарної установки до 88...90ºС і подають у дефекатор, разом з усім вапняним молоком. Оброблення проводять протягом 3...5 хв.

Після переддефекації одразу проводять основну дефекацію – сік обробляють вапняним молоком з розрахунку загальної витрати вапна 2,5% СаО до маси буряку. При цьому продовжується взаємодія вапна з нецукрами соку і створюється надлишок вапна, потрібний для одержання достатньої кількості карбонату кальцію на першій сатурації. Основну дефекацію проводять у дефекаторі безперервної дії – вертикальному циліндричному апараті з мішалкою. (рис. 52)

137

Рис. 52 Дефекатор безперервної дії

Додаткового підігріву соку на основну дефекацію не проводять і температура його підтримується на рівні 88…90ºС. Вапняне молоко змішується і реагує з соком протягом 10 хвилин.

Одразу після основної дефекації сік подають на першу сатурацію. Мета сатурації – створити дрібнокристалічний осад СаСО3, на якому адсорбувати нецукри. Для цього через дефекований сік з розчиненим у ньому вапном продувають сатураційний газ, що містить 30...36% СО2. Сатураційний газ і вапно отримують на цукровому заводі випалюванням вапняку (СаСО3) у спеціальних шахтних печах.

У соці, що надходить на першу сатурацію: близько 10% вапна міститься у розчині, а решта – у вигляді осаду. Під час продування СО2 майже все надлишкове вапно випадає в осад у вигляді СаСО3. При цьому повне видалення вапна (до 0,05% СаО і менше) небажане, бо отримується пересатурований сік, в якому підвищені барвність і вміст солей кальцію.

Частки осаду СаСО3 адсорбують іони Са2+, що несуть позитивний заряд і тому притягають до поверхні всі негативно заряджені нецукри (насамперед пектинові ланцюжки). Чим більше утворюється осаду СаСО3 і чим дрібніші його частинки, тим повніше очищується сік. Тому (а також для покращення подальшого фільтрування) і був потрібен надлишок вапна на стадії дефекації.

Першу сатурацію проводять у протитечійному сатураторі (рис. 53) – циліндричному апараті з конічним дном і розширеною верхньою частиною для

138

запобігання спінюванню соку. Чим вища швидкість сатурації, тим дрібніші частки осаду і вища їх адсорбційна здатність. Сатурацію проводять при температурі 80...85ºС протягом 8...10 хвилин. Відсатурований сік подають на фільтрування.

Рис. 53. Протитечійний сатуратор

Відфільтрований сік перед другою сатурацією нагрівають до 102°С, що поліпшує умови її проведення і виключає утворення розчиненого в соці гідрокарбонату кальцію.

Мета другої сатурації – максимальне осадження вапняку, зменшення вмісту солей кальцію та деяких кислот за рахунок їх адсорбції на СаСО3, знебарвлення. Наявність солей кальцію погіршує уварювання соку, призводить до утворення накипу на поверхнях нагріву, збільшує втрати цукру з мелясою.

Для розкладення бікарбонату кальцію і осадження якомога більшої кількості СаСО3 другу сатурацію ведуть при температурі кипіння соку 101...102ºС протягом 10 хв. При цьому відбувається додаткове фізико-хімічне очищення соку внаслідок адсорбції на поверхні частинок СаСО3 солей кальцію, поверхневоактивних речовин та інших нецукрів. Іноді з цією метою безпосередньо в сатуратор подають невелику кількість вапняного молока (0,2…0,5% до маси буряку).

139

Фільтрування соків після першої та другої сатурації проводять для відділення завислих часток що, не випали в осад. Сік першої сатурації містить близько 5% твердих часток, після другої сатурації – 0,2...0,5%. Після першої, грубої фільтрації сік фільтрують ще раз для відділення дрібнодисперсних завислих часток. Також фільтрують сироп для відділення осаду, який випадає під час випарювання.

Під час фільтрування товщина шару осаду і його опір зростають. Тому під час фільтрування зі сталим тиском швидкість фільтрування поступово зменшується, а при фільтруванні зі сталою швидкістю зростає тиск. З підвищенням температури зменшується в’язкість рідини, що прискорює фільтрування, тому сік перед першим фільтруванням нагрівають до 80…90ºС.

Сік першої сатурації, що містить близько 5% твердих часток, подають у листкові фільтри-згущувачі (ФІЛС), де відбувається його розділення на дві фракції – фільтрат в кількості 75…80% від всього соку, який подають на повторне фільтрування, і згущену суспензію в кількості 20…25%. Згущена суспензія містить 18…20% осаду, який потім відфільтровують на барабанних вакуумфільтрах. Фільтраційний осад містить 75…80% СаСО3 і 20…25% білків, пектинових речовин, кальцієвих солей органічних кислот, мінеральних речовин, води. Найчастіше його використовують в сільському господарстві як добриво для кислих ґрунтів.

Для повторного фільтрування соку першої сатурації і фільтрування соку другої сатурації використовують дискові вакуум-фільтри.

Сульфітація (рис. 54) є останньою стадією очищення соку. Її мета – знебарвлення та знезараження соку, зменшення його в’язкості. Під час сульфітації сік обробляють діоксидом сірки (SO2). На цукрозаводі, спалюючи сірку в спеціальних печах, отримують сульфітаційний (сірчистий) газ, що містить

10...15% SO2.

Рис. 54. Схема сульфітації соку:

1 – піч для спалення сірки; 2 – циклон-допалювач; 3 – відцентровоструменева форсунка; 4 – сульфітатор

Сульфітацію проводять у зрошувальних або рідинно-струменевих сульфітаторах. Під час пропускання SO2 через сік утворюється сірчиста кислота

140