Способ одностадийного уваривания затравочного утфеля - 10-летний опыт Жабинского сахарного завода

     С.Л. Филатов, С.М. Петров, д-р техн. наук, проф.
     ООО «НТ-Пром»
     Н.М. Подгорнова,  д-р техн. наук, проф.
     Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского
     О.Н. Сидо, М.В. Зубик
     ОАО «Жабинковский сахарный завод»

     Предъявляемые к утфелю продуктовой кристаллизации технологические и экономические требования (высокий выход и однородная масса кристаллов, хорошая центрифугируемость) трудно выполнимы при использовании шоковой заводки кристаллов различными способами: сахарной пудрой, жидкой кристаллической суспензией и твердопластичной кристаллической пастой. Чаще всего на практике для получения затравочной суспензии («slurry») используется мокрый размол суспензии сахар/изопропанол в шаровой мельнице [1].

     Недостаточная площадь поверхности кристаллов размером, как правило, около 10 мкм указанных затравочных материалов приводит во время фазы образования кристаллов к необходимости вынужденного замедления процесса кристаллизации («выжиданию», т.е. уменьшению интенсивности выпаривания воды) и нежелательному росту перенасыщения выше метастабильной области, так как рост кристаллов в этой фазе не успевает за увеличением концентрации раствора. Происходящее при этом образование вторичных центров кристаллизации («муки»), в первую очередь конгломератов, ведёт к ухудшению качества продукта. К тому же из-за неравномерного профиля перенасыщения в обычном испарительном вакуум-аппарате значительная и неконтролируемая часть вводимых кристаллов вновь растворяется. При всех этих нюансах введение затравки (технически трудная фаза заводки кристаллов) имеет решающее значение для качества конечного продукта – белого сахара. Как показала практика, для того чтобы лучше контролировать эту фазу, необходимо выделить её как по месту, так и по времени из процесса кристаллизации испарением [12]. Технологически эффективным и апробированным решением применения затравочного материала является технология получения и использования затравочных утфелей для метода полной заводки кристаллической фазы.

     Развитие  технологии  кристаллизации  сахарозы  при  уваривании утфелей привело к разработке следующих методов получения затравочного утфеля.

     Брауншвейгский метод [2, 12, 13], включающий в себя три этапа:

     Регенсбургский процесс [14], заключающийся в том, что образование кристаллов происходит после фазы сгущения сиропа до СВ=80,5%, нагрева сиропа в том же вакуум-аппарате и последующего осуществления кристаллизации интенсивным охлаждением сиропа в температурном интервале от 80 до 70 о С со скоростью охлаждения 0,25 о С/мин посредством соответствующего программного изменения давления вторичного пара. После завершения кристаллизации охлаждением, примерно через 40 мин после введения «slurry», содержание кристаллов достигает 18%, а размер кристалла – около 0,17 мм.

     Способ  одностадийного  уваривания  [10,  11]  предусматривает приготовление  суспензии  измельчением  сахара  в  изопропаноле, получение частиц размером 6–10 мкм и использование «slurry» в  количестве,  достаточном  для полной  заводки  кристаллов  при уваривании  затравочного  утфеля  в  вакуум-аппарате  с  механическим циркулятором до заданного содержания  и  размера  кристаллов.

     Исходя из характеристики данных трёх способов следует сделать вывод о большей технологичности получения затравочного утфеля способом одностадийного уваривания, что и предопределило его использование с 2006 г. на Жабинковском сахарном заводе. Отличиями этого способа являются:

     Как  показала  многолетняя практика,  в  результате  использования затравочного утфеля достигнута  полная  управляемость размером  готовых  кристаллов  на каждой ступени уваривания и решён вопрос с труднореализуемой и длительной стадией кристаллообразования  на  II  и  III  ступенях кристаллизации  увариванием, поскольку со снижением чистоты утфеля  эффективность  шоковой заводки  кристаллов  обычными способами  (введение  сахарной пудры,  затравочной  суспензии или  пасты)  существенно  снижается.  Например, коэффициент неоднородности CV кристаллов белого сахара  снизился  с  38,7  до 24,0%  (рис.  1), что соответствует отличному качеству гранулометрического состава сахара, верхней границей которого считается CV≤25% [3].
     
     При приготовлении затравочного утфеля соблюдается принцип наибольшего совпадения его чистоты с чистотой продуктовых утфелей, поэтому используются различные оттёки (табл. 1):


 Таблица 1. Параметры и дозирование затравочного материала для уваривания продуктовых утфелей

Параметр

Затравочный утфель

Затравочная суспензия «slurry»

утфель I

утфель II

утфель III

утфель I

утфель II

утфель III

Количество дозирования затравочного материала, м3

1,0-1,4

1,5

3,0

30 мл

150 мл

200-250 мл

Продукты для уваривания (получения) затравочного материала

сироп, клеровка сахаров II и III, второй оттек утфеля I

первый оттек утфеля I кристаллизации

смесь 1 : 2 сахар/изопропанол

СВу, %

88,5

89,2

89,2

--

--

--

Дбу, %

92-94

88,3

88,3

--

--

--

КР, %

36,5

40

40

32

32

32

Плотность, г/см3

1,47

1,47

1,47

0,94

0,94

0,94

Средний размер кристаллов, мкм

180-220

200-300

200-300

8-10

8-10

8-10

Температура затравочного материала, °С

75-78

74-76

74-76

25

25

25

Изменение среднего размера МА и коэффициента неоднородности CV кристаллов сахара

     Уваренный затравочный утфель спускается в приёмную мешалку, из которой утфельным насосом направляется  по  циркуляционному контуру затравочного утфеля, и из последнего дозируется в вакуум-аппараты в качестве кристаллической  основы  для  уваривания  продуктовых  утфелей. Затравочный  утфель  циркулирует по замкнутому контуру трубопровода  (условным  диаметром Dу=150  мм)  с  температурой  72–76оС.  Температура затравочного утфеля в момент спуска  вакуум-аппарата составляет 74–78оС.


Схема получения затравочного утфеля для утфеля I кристаллизации

Рис.2 Схема получения затравочного утфеля для утфеля I кристаллизации


     На  Жабинковском  заводе  используются два раздельных циркуляционных  контура  затравочного утфеля для утфеля I кристаллизации и затравочного утфеля для утфеля II и III кристаллизации.

     Затравочный утфель для I–III кристаллизации уваривается в вакуум-аппарате с механическим циркулятором до массовой доли сухих веществ 88–89%, при достижении максимального уровня продукта в аппарате размер кристаллов должен быть 180–300 мкм, содержание кристаллов в утфеле 36–40%.

     Уваривание утфелей I, II, III кристаллизации с применением затравочного утфеля осущест-вляют при минимальном наборе оттёков 28–30% (низком уровне) от полной вместимости вакуум-аппарата.

       Технология применения затравочного утфеля при уваривании утфеля I кристаллизации заклю чается в следующем. В аппаратах первого продукта уваривается сироп до вязкости, соответствующей вводу затравки, и после этого подаётся определённое количество затравочного утфеля, соответствующее полной заводке количества кристаллов. Масса затравочного утфеля рассчитывается в зависимости от заданного размера конечного кристалла и кристаллосодержания. После введения затравочного утфеля непосредственно реализуется этап уваривания утфеля, соответствующий наращиванию кристаллов сахара. В результате изменения традиционного этапа шоковой заводки кристаллов сокращается время уваривания, увеличивается однородность кристаллов, повышается управляемость процесса.

     Таким образом, использование затравочного утфеля исключает традиционную стадию шоковой заводки кристаллов в вакуум-аппаратах, которая является особенно трудоёмкой и длительной при уваривании утфелей II и III кристаллизации из оттёков низкой чистоты.

       Результаты уваривания утфелей I, II, III кристаллизации на Жабинковском сахарном заводе при-ведены в табл. 2, 3. Из анализа таблиц следует, что использование затравочного утфеля позволило наряду со стабильно высоким содержанием кристаллов 53–58% в утфеле I кристаллизации, до-стигнуть более высокое содержание кристаллов 52% в утфеле II кристаллизации и максималь-но истощить межкристальный раствор до Ч=69%, что предопределило пониженную чистоту Ч=70,9% утфеля III кристаллизации (по типовой схеме чистота этого утфеля должна быть Ч=73–76%). Одновременно произошло значительное увеличение чистоты жёлтых сахаров II и III кристаллизации, что сделало возможным увеличить выход, осуществить перераспределение клеровок  и  материальных  потоков  в  продуктовом  отделении  с целью снижения количества кристаллической фазы в утфеле III до 21–28%.  Это позволило снизить вязкость утфеля III кристаллизации и положительно отразилось на его последующей обработке при кристаллизации охлаждением и центрифугируемости.

    

Таблица 2. Усредненные результаты уваривания утфеля I кристаллизации на затравочном утфеле.

Наименование показателя

Значение

Дозирование затравочного утфеля в вакуум-аппарат, т

1,47-2,06

Время активной работы вакуум-аппарата, ч

2,5

Потребляемая мощность циркулятора, кВт

45

Количество сваренного утфеля, т

55

Давление греющего пара, кПа

25-30

Температура греющего пара, °С

102-105

Температура кипения утфеля, °С

68-72

Давление вторичного пара в аппарате, кПа

10-25

Сироп

 

СВ, %

69,4

Ч, %

94,3

цветность, условные единицы

30,1

Утфель

 

СВ, %

90,1

Ч, %

93,3

Межкристальный раствор

 

СВ, %

79,5

Ч, %

84,1

Оттек I

 

СВ, %

77,5

Ч, %

85,5

Оттек II

 

СВ, %

73,9

Ч, %

88,6

Содержание кристаллического сахара, %

53-58

Средний размер кристаллов сахара, MA, мм

0,75-0,90

Коэффициент неоднородности (вариации) кристаллов сахара, CV, %

£25

Массовая доля золы (в пересчете на сухое вещество), %

0,02

Цветность сахара в растворе, единиц ICUMSA (l=420 нм)

70-76

Цикл центрифугирования утфеля, мин

2 мин 30 сек



Таблица 3. Усредненные результаты уваривания утфеля II и III кристаллизации на затравочном утфеле.

Наименование показателя

Значение

утфель II

утфель III

Дозирование затравочного утфеля в вакуум-аппарат, т

2,2

4,4

Время активной работы вакуум-аппарата, ч

3,40-4,20

8-10

Количество сваренного утфеля, т

45-50

50-55

Давление греющего пара, кПа

1-2

1-2

Температура греющего пара, °С

96-98

96-98

Температура кипения утфеля, °С

66-68

64-70

Давление вторичного пара в аппарате, кПа

-2

-12,0 - -15,0

Оттек на уваривание

СВ, %

81,5

85,1

Ч, %

69,9

69,0

Утфель при спуске

СВ, %

92,1

91,8

Ч, %

84,8

70,9

Межкристальный раствор утфеля II

СВ, %

85,1

80,4

Ч, %

69,0

60,4

Эффект кристаллизации, %

15-18

8-10

Содержание кристаллического сахара, %

52,3

21-28

Средний размер кристаллов сахара, мм

0,45-0,50

0,25-0,35

Показатели желтого сахара кристаллизации

 Ч, %

99,1-99,3

98,9-99,1

СВ, %

98,6

98,3

 Цветность сахара в растворе, условные единицы (l=560 нм)

5,8

11,9


     В процессе отработки технологии использования затравочного утфеля при уваривании утфеля I кристаллизации решены вопросы более чем трёхкратного снижения объёма первоначального дозирования затравочного утфеля с 4–4,5 м 3   до 1,0–1,4 м 3 за счёт оптимального уменьшения размеров  его  кристаллов. В результате производственной апробации первоначальной схемы дозирования затравочного утфеля из циркуляционного контура, снабжённого верхним напорным сборником, выявлены его недостатки, заключающиеся в  трудноконтролируемом  дозировании затравочного утфеля при одновременной подаче от верхнего  напорного  сборника  и  насосной  подачи  из  циркуляционного  контура.

     С  учётом  накопленного  на  Жабинковском  сахарном  заводе практического  опыта  технологии одностадийного уваривания и использования затравочного утфеля в качестве кристаллической основы для полной заводки кристаллов в утфелях I, II, III кристаллизации компания  «НТ-Пром»  предлагает комплекс технических средств системы затравочного утфеля (СЗУ) для  повышения  её  эффективности, включающий в себя:

Микрофотосъемка кристаллоструктуры


   
     Технологическая схема получения утфелей с использованием СЗУ (рис.  4)  включает в себя вакуум-аппарат 1 для получения затравочного утфеля, приёмную мешалку затравочного утфеля 2, вакуум-аппараты периодического действия 3, каждый из которых снабжён раздаточным трубопроводом 4, оборудованным запорной арматурой 5 с исполнителем для подвода и дозирования затравочного утфеля.  В СЗУ входит система циркуляции затравочного утфеля между приёмной 

Система дозирования затравочного утфеля из циркуляционного контура с насосной подачей и без верхнего напорного сборника


вакуум-аппарат 1 для получения затравочного утфеля, приёмную мешалку затравочного утфеля 2, вакуум-аппараты периодического действия 3, каждый из которых снабжён раздаточным трубопроводом 4, оборудованным запорной арматурой 5 с исполнителем для подвода и дозирования затравочного утфеля. В СЗУ вхо-дит система циркуляции затравочного утфеля между приёмной мешалкой 2 и вакуум-аппаратами 3, кото рая содержит утфельный насос 6 (2 шт.), подключённый к нему и раздаточным трубопроводам 4 циркуляционный (нагнетательный) трубопровод 7 с расходомером 8 и трубопровод возврата 9 затравочного утфеля в приёмную мешалку. Трубопроводы 4, 7, 9, а также приёмная мешалка 2 обеспечены устройствами термостатирования утфеля в виде электрокабельных систем 19, 20. Система циркуляции утфеля снабжена контроллером для управления дозированием затравочного утфеля в вакуум-аппараты, а на трубопроводе возврата 9 установлена запорная арматура 10 с исполнителем для управления циркуляцией затравочного утфеля между приёмной мешалкой 2 и вакуум-аппаратами 3. Утфельный насос 6 снабжён частотным приводом для регулирования количества подаваемого затравочного утфеля в циркуляционный трубопровод 7, а контроллер подключён к исполнителям запорной арматуры 5 и 10 на раздаточных трубопроводах 4 и трубопроводе возврата 9 с возможностью её синхронного переключения.

     Установка для получения утфелей работает следующим образом. Затравочный утфель получают в вакуум-аппарате 1.  При достижении содержания сухих веществ 88–89%  и  содержания  кристаллов 36–40% готовый затравочный утфель  выгружают  в  приёмную мешалку  затравочного  утфеля  2. Уваривание  на  маточном  утфеле продуктовых  утфелей  осуществляют  в  вакуум-аппаратах  периодического  действия  3  посредством  дозирования  его  в  пересыщенный  раствор  в  качестве полной  заводки  кристаллов.  Дозирование затравочного утфеля осуществляют через каждый раздаточный трубопровод 4 при открытии запорной арматуры 5. Из приёмной мешалки затравочный утфель при  помощи  утфельного насоса 6 при пониженной подаче (20  м 3 /ч),  обеспечивающей  циркуляцию  утфеля  без  осаждения кристаллов,  поступает  в  циркуляционный  трубопровод  7  с  расходомером  8,  по  которому  определяется количество дозируемого затравочного утфеля в вакуум-аппараты 3. Дозирование затравочного  утфеля  в  вакуум-аппараты осуществляется  поочерёдно  через раздаточные трубопроводы 4. Перед началом дозирования затравочного утфеля в вакуум-аппараты 3 увеличивают до максимального значения объёмную подачу (60  м3/ч)  утфельного  насоса 6 с помощью частотного привода. Это в значительной мере увеличивает интенсивность движения затравочного утфеля в системе циркуляции и исключает отложение кристаллической фазы.  В момент дозирования затравочного утфеля в вакуум-аппарат закрывается запорная арматура 10 и одновременно синхронно открывается запорная арматура 5.

     С этого момента прекращается циркуляция затравочного утфеля в трубопроводе возврата 9, затравочный  утфель  поступает  только в раздаточный трубопровод 4 одного из вакуум-аппаратов 3. При этом осуществляется измерение объёмного расхода затравочного утфеля расходомером 8. В момент начала дозирования затравочного утфеля в вакуум-аппарат опре-деляют по расходомеру текущее значение расхода и контроллером для управления дозирова-нием рассчитывается конечное показание расходомера для дозирования.  В момент измерения расходомером заданного конечного показания расхода затравочного утфеля контроллер выдаёт сигналы на открытие запорной арматуры 10 и одновременное синхронное закрытие запорной арматуры 5, а также на снижение частотным преобразователем до минимальной величины объемной подачи (20 м 3 /ч) утфельного насоса 6.  При этом затравочный утфель вновь движется по циркуляционному трубопроводу с минимальной скоростью.
 
     За счёт сокращения времени дозирования затравочного утфеля при повышении объёмной подачи утфельного насоса 6 минимальным становится интервал времени между первыми и последними вводимыми кристаллами в вакуум-аппарат и за счёт этого достигается выравнивание гранулометрического состава кристаллов продуктового утфеля.

     Использование способа дозирования затравочного утфеля непосредственно из  циркуляционного трубопровода 7 с синхронизацией  работы  запорной  арматуры 5 и 10 повышает точность дозирования  затравочного  утфеля в вакуум-аппарат и обеспечивает полную заводку центров кристаллизации.

     Предложенная установка позволяет повышать точность и сокращать время дозирования затравочного утфеля в вакуум-аппараты, обеспечивает улучшение гранулометрического состава готовых кристаллов, обеспечивает стабильную циркуляцию затравочного утфеля в циркуляционном контуре без отложения кристаллической фазы.

     Для дальнейшего повышения однородности кристаллов затравочного утфеля и, соответственно, продуктовых утфелей рекомендуется использовать затравочную суспензию «slurry» с равномерным гранулометрическим составом кристаллов, имеющих совершенную призматическую форму, а не разрушенную при размоле сахара в частички разломанных кристаллов.  Решением вопроса является использование затравочных кристаллов «slurry» совершенной формы, полученных путём зародышеобразования при кристаллизации охлаждением [1, 2, 4, 5, 7, 9]. Это даёт возможность получать более однородное распределение кристаллов по размерам и в товарном сахаре с уменьшением содержания конгломератов.

      Преимущества технологии заводки кристаллов в утфеле с использованием затравочного утфеля:

Список литературы
1. Вальтер, М. Новый способ полу-чения  кристаллической  затравки  – разработка  и  результаты  применения на заводах / М. Вальтер [и др.] // Сахар и свёкла. – 2010. – № 2. – С. 15–17.
2. Кравчук, А.Ф. Кристаллизация сахара:  практические  и  теоретические достижения  /  Сахар.  –  2010.  –  №  12. – С. 44–46.
3.  Липская,  Н.И.  Качество  сахара  и пути его повышения (рекомендации) / Н.И. Липская, Т.И. Турбан // Минск : Научно-практический  центр  НАН Беларуси по продовольствию, 2008. –  77 с.
4. Патент 2245924 РФ. Способ получения  затравочной  суспензии  /  С.М. Петров, Н.М. Подгорнова, Н.Н. Солуянова; Опубл. в Б.И. 2005, № 4.
5.  Патент  2320727  РФ.  Способ  получения  затравочной  суспензии /  Т.С.  Корниенко  [и  др.];  Опубл.  в Б.И. 2008, № 9.
6.  Патент  2378385  РФ.  Установка для получения утфелей / С.Л. Филатов  [и др.]; Опубл. в Б.И. 2010, № 1.
7. Петров, С.М. Новый затравочный материал  с  призматическим  габитусом кристаллов / С.М. Петров [и др.] // Сахар. – 2010. – № 1. – С. 41–44.
8.  Петров,  С.М.  Повышение  качества свекловичного сахара до экспортного  уровня  /  С.М.  Петров  [и  др.]  // Сахар. – 2017. – № 5. – С. 30–33.
9. Петров, С.М. Получение кристаллического  затравочного  материала в  кристаллизаторе с охлаждением / С.М. Петров [и др.] // Сахар. – 2009. – № 5. – С. 56 61.
10.  Сидо,  О.Н.  Современный  подход  к  увариванию  утфелей  на  основе  системы  затравочного  утфеля и  стандарт-сиропов  /  О.Н.  Сидо  [и др.] // Цукор України. – 2007. – № 4.  С. 20–24.    
11.  Сидо,  О.Н.  Уваривание  утфелей на основе затравочного утфеля и стандарт-сиропов  /  О.Н.  Сидо  [и  др.]  // Сахар. – 2007. – № 3. – С. 39–43.
12.  Техническая  программа.  Кристаллизация  сахара.  Проспект  BMA. http://bmarussland.ru/bma_docs/sahar/Prospekt_Krist_russ_4.pdf.
13. Ruytings, D. Equipment and factory experiences with seed magma production by cooling crystallization / D.  Ruytings // International Sugar Journal, 2005, VOL. 107. – NO 1284. – P. 666–677.
14.  Van  der  Poel,  P.W.  Sugar Technology  Beet  and  Cane  Sugar Manufacture  /  P.W.  van  der  Poel,  H. Schiweck, T. Schwartz // Berlin : Verlag Dr. Bartens KG. –1998. – P. 710–714.

Аннотация. На длительном опыте работы ОАО «Жабинковский сахарный завод» показана эффективность и совершенствование технологии заводки кристаллов в утфелях I, II, III кристаллизации с использованием затравочного утфеля, полученного способом одностадийного уваривания. Описана оригинальная система дозирования затравочного утфеля в вакуум-аппараты, которая в совокупности с техническими средствами контроля повышает точность и сокращает время дозирования, что обеспечивает улучшение гранулометрического состава кристаллов и качества свекловичного сахара до требований экспортного уровня. 
Ключевые слова: затравочный утфель, способ одностадийного уваривания, улучшение качества и гранулометрического состава сахара, эффективность использования затравочного утфеля, система дозирования. 
Summary. The long-term experience of Zhabinka Sugar Plant OJSC demonstrates the efficiency and improvement of the technology of the planting of crystals in the I, II, III 
crystallization massecuites using a seed hopper obtained by the single-stage boiling method. An original metering system for seeding massecuite in vacuum machines is described, which, together with the technical means of control, improves accuracy and reduces the dosing time, which improves the granulometric composition of the crystals and the quality of the sugar beet sugar to the requirements of the export level.
Keywords: seeding massecuite, one-stage boiling method, improvement of the quality and granulometric composition of sugar, the efficiency of the use of seeding massecuite, the dosing system.

Возврат к списку