Удосконалення промислової кристалізації цукрози із застосуванням рециркуляції

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

УДК 664.1.054

Бабко Євген Миколайович

Удосконалення промислової кристалізації цукрози

застосуванням рециркуляції

05.18.12 - Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних

і фармацевтичних виробництв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському державному університеті харчових технологій Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник:доктор технічних наук, доцент Мирончук Валерій Григорович, Український державний університет харчових технологій, завідувач кафедри технологічного обладнання харчових виробництв

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кулінченко Віталій Романович, Український державний університет харчових технологій, професор кафедри процесів і апаратів та технології консервування

кандидат технічних наук, Данкевич Григорій Миколайович, директор ДП "Яготинський цукровий завод"

Провідна установа:Український НДІ цукрової промисловості Міністерства АПК України (м. Київ).

Захист відбудеться 12 вересня 2001 року о_ 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.02 Українського державного університету харчових технологій за адресою:

01033 Київ-33, вул. Володимирська, 68, корпус А, ауд. 311.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського державного університету харчових технологій за адресою:

01033 Київ-33, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий07.08.2001 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцентЗав'ялов В.Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Забезпечення конкурентноспроможності виробленого в Україні цукру на внутрішньому та зовнішньому ринках є актуальним завданням сьогодення. Одним з невідкладних питань, що стоять перед вітчизняними спеціалістами цукрової промисловості, є зниження питомих витрат сировини, палива та інших матеріалів, збільшення виходу продукції та поліпшення її якості за рахунок впровадження інтенсивних технологій, створення та забезпечення галузі високопродуктивним обладнанням, що забезпечить збільшення ефективності виробництва в цілому.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню питання удосконалення промислової кристалізації цукрози на основі подальшого розвитку теорії та практики тепло- та масообмінних процесів, які дозволяють зменшити витрати матеріальних та енергетичних ресурсів, їх втрат на виробництві та поліпшити якість готової продукції.

Аналіз показує, що існуючі способи промислової кристалізації цукристих речовин мають невикористані резерви для підвищення якості продукції, збільшення її виходу та зменшення питомих енерговитрат на виробництво. Традиційні методи вирішення цих питань практично вичерпали свої можливості. Потрібні нові підходи на основі сучасних теоретичних уявлень про процеси та явища, що відбуваються в процесі кристалізації речовин з розчинів.

Використання принципів теорій рециркуляції, рекристалізації, розкриття впливу окремих факторів на тепло- та масообмінні процеси кристалізації дозволяють не тільки вдосконалювати, а й розробляти нові способи та апаратуру для промислової кристалізації цукрози.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Дисертаційна робота виконана відповідно до приоритетного напрямку наукових робіт УДУХТ на 1996-2000 р.р. “Розробка наукових основ тепломасообмінних процесів харчових виробництв з метою створення нового високоефективного обладнання, засобів механізації та комплексної автоматизації для харчових та переробних галузей АПК”.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є збільшення виходу товарного цукру стандартної якості та зменшення енерговитрат на його виробництво шляхом удосконалення існуючих та розробки нових способів та обладнання для промислової кристалізації на основі теоретичних та експериментальних досліджень робочих процесів масової кристалізації цукру.

Відповідно до поставленої мети досліджень були сформульовані наступні завдання досліджень:

дати наукове обгрунтування удосконалення промислової кристалізації цукрози на основі застосування рециркуляції;

установити вплив робочих процесів масової кристалізації цукрози на конструктивні рішення кристалізаційних апаратів та методи її реалізації;

сформулювати заходи для підвищення ефективності роботи вакуум-апаратів та розробити конструкцію високоефективного секційного вакуум-апарата безперервної дії у цукровому виробництві;

розробити гнучку схему уварювання і кристалізації цукрового утфелю останньої ступені кристалізації з застосуванням рециркуляції.

Об'єктами досліджень є системи кристалізації цукру.

Предметами досліджень є цукровий утфель і схеми кристалізації цукру.

Методи досліджень включають в себе розроблені методики досліджень з метою визначення впливу введеної ззовні водяної пари в цукровий розчин і утфель на інтенсифікацію процесу масової кристалізації, створення на їх основі кристалізаційного обладнання, а також аналітичні дослідження з використанням комп'ютерних технологій по використанню рециркуляції продуктів кристалізаційних відділень на цукрових заводах.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень науково обгрунтовано удосконалення промислової кристалізації цукрози шляхом застосування рециркуляції.

Показано, що введена ззовні водяна пара інтенсифікує процес масової кристалізації цукрози за двома складовими: кінетичною - на початку процесу до моменту досягнення критичної концентрації кристалів в утфелі і дифузійною - за рахунок рекристалізації після досягнення критичної концентрації кристалів в утфелі.

Установлено, що введена ззовні водяна пара збільшує швидкість утворення центрів кристалізації цукрози та скорочує час досягнення критичної концентрації кристалів в утфелі (7…16%), вище якої створюються ізогідричні умови ведення процесу масової кристалізації цукрози.

Розроблена математична модель для визначення оптимальної кількості водяної пари, що вводиться ззовні в киплячий цукровий утфель для інтенсифікації процесу кристалізації цукрози в вакуум-апаратах.

Установлено, що для інтенсифікації масової кристалізації цукру в вакуум-апаратах оптимальна кількість додатково введеної пари в утфельну масу становить 2,28 % від загальних витрат пари на повний цикл роботи вакуум-апарата, що забезпечує збільшення виходу товарного цукру і скорочує час уварювання цукрового утфелю на 15…20%.

Установлено, що центрифугування утфелю останньої ступені кристалізації безпосередньо з вакуум-апарата в кількості до 30% готового утфелю та повернення в рецикл отриманого при цьому відтоку поліпшує якість кристалів цукру, зменшує вміст цукрози в мелясі збільшує вихід цукру до 0,3 % до маси перероблених буряків.

Практичне значення одержаних результатів роботи. Результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень реалізовані за такими напрямками:

Розроблена методика розрахунку секційних прямотечійно-рециркуляційних камер росту кристалів вакуум-апаратів безперервної дії, що дозволяє поліпшити необхідні конструктивні, технологічні та інші параметри процесу безперервної промислової кристалізації цукру.

Розроблена нова конструкція вакуум-апарата безперервної дії для кристалізації цукрози (Патент України № 37859 А МПК 6С 13 F 1/00, C 13 G1/00 від 15.05.2001).

Показана можливість використання на цукрових заводах існуючих 2-х продуктових схем кристалізації для роботи в умовах підвищеної чистоти сиропу-нето.

Розроблена гнучка схема уварювання і кристалізації утфелю останньої ступені кристалізації, що, для умов Півненківського цукрового заводу, дозволяє зменшити вміст цукрози в мелясі на 0,057%, підвищити продуктивність кристалізаційного обладнання та поліпшити якість кристалів цукру. Економічна ефективність від чого складає 78 208,8 тис. грн.

Особистий внесок здобувача в отримані наукових результатів полягає в проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, створенні експериментальних установок, розробці методик та проведенні лабораторних та промислових досліджень, обробці і узагальненні результатів експериментів та їх публікацій. Аналіз та узагальнення результатів досліджень виконані разом з науковим керівником д.т.н. Мирончуком В.Г. та науковим консультантом - академіком Української академії аграрних наук, д.т.н., проф. Гулим І.С.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації доповідались на Міжнародній науково-технічній конференції “Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість” (Київ, 1997 р.), X Міжнародній конференції “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв” (Лівів, 1999 р.), VІ Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та перспективи створення та впровадження нових ресурсо- та енергозберігаючих технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості” (Київ, 1999 р.), 62-й, 63-й, 64-й, 65-й, 67-й наукових конференціях УДУХТ (Київ 1996, 1997, 1998, 1999, 2001).

Робота виконувалась на кафедрі технологічного обладнання харчових виробництв Українського державного університету харчових технологій. Автор висловлює вдячність працівникам Півненьківського та Кирнасівському цукрових заводів за допомогу у виконанні досліджень.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 12 друкованих праць, в тому числі 6 статей у фахових виданнях, 4 тези доповідей на Міжнародних науково-технічних конференціях та 2 Патенти України.

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

Робота викладена на 119 сторінках основного тексту, містить 24 рисунки, 6 таблиць та 6 додатків. Список використаної літератури містить 173 вітчизняних та зарубіжних джерел.

цукор утфель рециркуляція кристалізація

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

ВСТУП. Обгрунтована актуальність теми, визначено зв'язок з науковими програмами, темами, планами, сформульовані та визначені мета, задачі, об'єкт і методи досліджень, наведена наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, особистий внесок автора, апробація результатів роботи.

РОЗДІЛ 1. Зроблено аналіз теоретичних та експериментальних даних промислової кристалізації речовин з розчинів, існуючих кристалізаційних схем у цукрових виробництв, а також проаналізовано вплив рециркуляції на робочі процеси кристалізації цукрози.

Показано, що практичне використання рециркуляції в системах кристалізації цукрози ведеться за двома основними напрямками: рециркуляція суспензій, що кристалізуються безпосередньо в кристалізаційному обладнанні та рециркуляція продуктів в багатоступіневих схемах кристалізації цукрози.

Проведений теоретичний аналіз систем кристалізації цукристих речовин показав, що інтенсивність процесу масової кристалізації залежить від багатьох, часто взаємопов`язаних факторів: технологічних, тепло-масообмінних, гідродинамічних, конструктивних та інших. Разом з тим, недостатній експериментальний матеріал спонукав на виконання додаткових досліджень процесу промислової кристалізації цукрози з метою визначення шляхів інтенсифікації процесу, удосконалення обладнання і систем кристалізації, зменшення енерговитрат в промисловому виробництві цукру.

Практика показує, що використання додатково введеної в суспензію, що кристалізується, водяної пари створює сприятливі умови для рекристалізації, підвищуючи частоту рециркуляції та інтенсивність перемішування утфелю, що забезпечує інтенсифікацію процесу промислової кристалізації цукрози. Разом з цим, питання визначення оптимальної кількості введеної ззовні водяної пари до цього часу залишилися не вирішеним. Недостатньо також, на нашу думку, використані можливості рециркуляції проміжних продуктів, і особливо останньої ступені кристалізації цукрози, що обмежує можливості збільшення ефекту кристалізації цукрози. З огляду на це, постає необхідність у проведенні теоретичних та експериментальних досліджень складових елементів та систем промислової кристалізації цукрози вцілому.

РОЗДІЛ 2. Наведено опис дослідних установок та методик дослідження процесу кристалізації цукрози та методів визначення характеристик об'єктів досліджень.

РОЗДІЛ 3. Представлені результати лабораторних досліджень впливу водяної пари на інтенсивність рециркуляції, характеристики і хід процесу уварювання і кристалізації цукрового утфелю.

Рис. 1 Схема лабораторної дослідної установки: 1 - потенціометр КСМ-2; 2 - парогенератор; 3 - гріючі елементи LTH2000; 4 - реактор з барботером; 5 - теплообмінник; 6 - конденсатор; 7 - вакуумметр; 8 - вакуум-насос; 9 - мірник конденсату; 10 - термостат U 10

Рис. 2 Вміст води в цукровому розчині в процесі випарювання (при СРпоч.=73,3%): 1 - кипіння за умов атмосферного тиску, при введенні пари; 2 - кипіння за умов атмосферного тиску без введення пари; 3 - кипіння при тиску P=4,4Ч104Па без введення пари; 4 - кипіння при тиску P=4,4Ч104Па з введенням пари; 5 - без кипіння при тиску P=4,4Ч104Па, без введення пари; 6 - введення пари за умов атмосферного тиску, без кипіння

Результати цих досліджень проведених на лабораторній експериментальній установці (рис.1) показують (рис. 2), що введена ззовні в киплячий цукровий розчин додаткова водяна пара підвищує інтенсивність випаровування цукрового розчину, збільшує число актів обміну (циклів рециркуляції) розчину біля поверхні нагрівання, що інтенсифікує теплообмін між поверхнею нагрівання і розчином. Це можна пояснити, по-перше, з погляду гідродинаміки, підвищенням інтенсивності перемішування розчину, що сприяє підвищенню швидкості циркуляції в середньому на 23%. По-друге, з погляду термодинаміки, інтенсифікація відбувається завдяки збільшенню центрів генерації парової фази внаслідок безпосереднього введення ззовні пари в киплячий утфель, яка під час контакту з цукровим розчином передає теплоту від бульбашки водяної пари до розчину. Завдяки цьому прискорюється процес випарювання розчинника (води) із цукрового розчину в середньому на 20%, в порівнянні з випадками, коли додаткова водяна пара не вводиться.

Найбільш ефективний вплив на інтенсивність випарювання розчинника здійснює водяна пара, що вводиться в цукровий розчин, який кипить під вакуумом.

Результати лабораторних досліджень впливу введеної додатково водяної пари на процес уварювання цукрового утфелю та якість отриманого цукру показали, що гранулометричний склад кристалів цукру у випадку введення зовні водяної пари в цукровий утфель, що кипить призводить до збільшення середнього розміру кристалів цукру (рис. 3) та зменшення коефіцієнту їх нерівномірності при скороченні часу варіння на 10...25%. При чому, із збільшенням чистоти цукрового утфелю зростають позитивні результати цього впливу (табл. 1).

Рис. 3 Розподіл кристалів цукру за розмірами (лабораторні дані) отриманих за різних умов процесу уварювання утфелю

Таблиця 1

Результати порівняльних варок штучного цукрового утфелю

ПоказникиБез введення париЗ введенням париБез введення париЗ введенням пари

Чистота утфелю, %99,7599,7586,4186,38

Час уварювання, хв150-155130-135360-380300-310

Середній розмір кристалів, мм0,65-0,670,71-0,730,41-0,420,50-0,51

Коефіцієнт нерівномірності кристалів, од0,35-0,360,32-0,330,38-0,390,36-0,37

Вміст кристалів розміром менше 0,2 мм, %3,5-4,01,2-1,37,4-7,54,9-5,0

Поліпшення гранулометричного складу кристалів цукру при одночасному зменшенні часу уварювання утфелю підтверджує теоретичні висновки про вирішальний вплив парової фази на частоту рециркуляції, що обумовлює інтенсивність росту кристалів за асиметричним механізмом рекристалізації.

Для визначення впливу рециркуляції продуктів на результати роботи варочнокристалізаційного відділення цукрового заводу нами, за програмою “Crystall”, на персональному комп'ютері проведено моделювання роботи цього відділення за типовою схемою та запропонованою нами схемою з використанням часткового центрифугування готового утфелю останнього продукту (до 30%) безпосередньо з вакуум-апарата і поверненням в рецикл отриманого при цьому відтоку. Результати розрахункового експерименту (рис. 4) показали, що за схемою з частковим центрифугуванням утфелю останнього продукту досягається збільшення виходу цукру до 0,3 % в порівнянні з типовою схемою. Отримана математична модель прогнозування впливу рециркуляції продуктів за схемою з частковим центрифугуванням на результати роботи варочнокристалізаційного відділення заводу:

,(1)

де f(x) - частина готового утфелю, який направляється на проміжне центрифугування; x - чистота сиропу-нето; a, b, c - коефіцієнти.

Результати розрахунків та дослідної їх перевірки в лабораторних умовах підтвердили адекватність моделі експериментальним даним (рис. 4)

Рис. 4 Залежність маси (а) та чистоти (б) товарного цукру від кількості готового утфелю, що направляється на проміжне центрифугування при різній чистоті сиропу-нето: 1 - Чс-н = 89 %; 2 - Чс-н = 90 %; 3 - Чс-н = 91 %; 4 - Чс-н = 92 %; 5 - Чс-н = 93 %

Таким чином, застосування часткового (до 50 %) центрифугування утфелю останнього продукту безпосередньо з вакуум-апарата та рециркуляція отриманого відтоку дозволить значно поліпшити технологічні характеристики роботи продуктового відділення цукрового заводу.

При цьому зі збільшенням чистоти сиропу-нето від 89 до 93 % частка утфелю, що може направлятися на центрифугування зростає до 50 %.

РОЗДІЛ 4. Наводяться методики та результати промислових досліджень масової кристалізації цукрози.

Відомо, що переведення процесу кристалізації з дифузійної стадії в кінетичну, де спостерігається максимальна швидкість кристалізації, забезпечує його інтенсифікацію шляхом збільшення припливу розчиненої цукрози до поверхні кристалів. З цією метою ми застосували і проаналізували введення в киплячий цукровий утфель водяної пари, як один із методів інтенсифікації процесу масової кристалізації цукрози в вакуум-апараті.

Нашими лабораторними дослідженнями з визначення впливу введеної ззовні водяної пари на процес випарювання показано, що вже на першій стадії отримання цукрового утфелю (до заведення кристалів) введена ззовні водяна пара інтенсифікує процес уварювання цукрового сиропу.

На стадії заведення кристалів для зменшення їх конгломерацій рекомендується підтримувати найбільш інтенсивну циркуляцію, завдяки чому розподіл у всьому об'ємі розчину вакуум-апарата введеної затравки відбувається більш швидко і рівномірно.

Введення ззовні водяної пари зменшує час заведення кристалів внаслідок перемішування, збільшує швидкість утворення центрів кристалізації та скорочує час досягнення критичної концентрації кристалів в утфелі (Кр=7...16%), вище якої утфель набуває властивості структурованої рідини, що створює ізогідричні умови ведення процесу за яких відбувається інтенсивна рекристалізація за асиметричним механізмом. Наслідком цього є поліпшення гранулометричного складу цукру, тобто кристали будуть більш крупними і рівномірними.

Наведені фактори підтверджуються нашими лабораторними та промисловими дослідженнями.

Напівпромислова дослідна установка (рис. 5) була змонтована на Кирнасівському цукровому заводі і підключена до існуючих на заводі систем, що забезпечило дослідження в умовах реального виробництва.

Рис. 5 Схема напівпромислової дослідної установки: 1 - вакуум-апарат; 2 - уловлювач; 3 - конденсатор; 4 - потенціометр КСМ-2; 5 - мірник конденсату вторинної пари; 6 - мірник конденсату гріючої пари; 7 - сухопарник; 8 - збірник вторинної пари конденсату; 9 - збірник гріючої пари конденсату.

Проведені нами дослідження на напівпромисловій моделі вакуум-апарата показали, що гранулометричний склад цукру у випадку введення зовні водяної пари в киплячий цукровий утфель в кількості 2...3%, призводить до збільшення розміру кристалів цукру на 10...20% (рис. 6) та зменшення часу уварювання: цукрового сиропу, починаючи від початку уварювання до моменту заведення кристалів, в середньому, на 20...25 % по відношенню до часу уварювання сиропу при аналогічних умовах без введення парової фази; цукрового утфелю - в середньому на 15...20 % по відношенню до повного часу уварювання при аналогічних умовах без введення ззовні парової фази.

Рис. 6 Зміна розміру кристалів цукру при уварюванні утфелю: 1 - без введення пари; 2 - із введенням пари

Промислові дослідження, які проведені на вакуум-апараті періодичної дії, визначили вплив введеної ззовні водяної пари на характеристики утфелю, що кристалізується. Для цього, уварювання утфелю проводили за двома режимами: з введенням ззовні водяної пари та без введення водяної пари при інших рівних умовах ведення процесу.

Досліди показали, що в результаті додаткового введення ззовні в киплячий утфель водяної пари (Р = 0,115…0,118 МПа) значно поліпшуються гідродинамічні умови процесу, що обумовлює поліпшення гранулометричного складу кристалів цукру. Аналіз гідродинамічних умов процесу уварювання проводили шляхом визначення числа Рейнольдса (Re). З цією метою по мірі проведення дослідів визначали технологічні характеристики сиропу і утфелю шляхом аналізу його проб, використовуючи методи хіміко-технологічного контролю бурякоцукрового виробництва. За відомою методикою визначали, для процесу згущення цукрового сиропу динамічну в'язкість m, густину розчину r, кінематичну в'язкість n і число Re.

З результатів розрахунків (рис. 7), видно, що із збільшенням вмісту кристалів цукру, утфель набуває більш чітко виражених структурно-реологічних властивостей, режим течії утфелю стає ламінарнім і введення ззовні водяної пари інтенсифікує перемішування утфелю і як наслідок цього - теплообмін і рекристалізацію. Це вцілому забезпечує інтенсифікацію процесу масової кристалізації цукрози. Отже, введення ззовні водяної пари інтенсифікує процес масової кристалізації цукрози за двома складовими - за рахунок кінетичної складової на початку процесу, до досягнення критичної концентрації кристалів, та за рахунок рекристалізації після досягнення критичної концентрації кристалів.

Рис. 7 Зміна Re протягом часу уварювання t: 1 - без введення пари; 2 - із введенням пари

Враховуючи, що середній розмір кристалів цукру збільшується прямо пропорційно кількості циклів рециркуляції, інтенсифікація процесу масової кристалізації досягається шляхом збільшення числа циклів рециркуляції утфелю біля нагрівальної поверхні вакуум-апарата, що підтверджує дані І.С. Гулого і В.Г. Мирончука. Результати проведених досліджень лягли в основу розробленої нами методики розрахунку секційних прямотечійно-рециркуляційних камер росту кристалів вакуум-апаратів безперервної дії з врахуванням інтенсифікації процесу масової кристалізації цукрози шляхом введення в утфель додаткової пари.

На часі постало питання визначення оптимальної кількості введеної додатково в утфель пари для забезпечення максимальної інтенсифікації процесу. Для цього, використовуючи дані Мирончука В.Г., отримали залежності швидкості кристалізації dG/dt від часу уварювання при різній кількості введеної ззовні в киплячий цукровий утфель водяної пари. Кількість введеної ззовні водяної пари в утфельну масу знаходилась в інтервалі 80...220 кг/год (рис. 8), що відповідає 1,28...3,52 % від загальних витрат пари на повний цикл роботи вакуум-апарата. Аналіз показав, що введення ззовні водяної пари більш 2,28% вже не дає суттєвої інтенсифікації процесу кристалізації.

Рис. 8 Зміна швидкості кристалізації цукру утфелю останньої кристалізації протягом часу уварювання при додатковому введенні пари: 1 - 0%; 2 - 1,28%; 3 - 2,0%; 4 - 2,28%; 5 - 3,52%

Визначення оптимальної кількості введеної ззовні водяної пари в киплячий цукровий розчин останнього продукту нами було проведено з використанням методів математичного планування експерименту. Для побудови плану другого порядку і створення квадратичної математичної моделі застосовували матрицю оптимального планування Бокса (Вn). Це метод планування відноситься до D-оптимальних методів (від слова determinant), застосування яких гарантує отримання максимальної кількості достовірної інформації при проведенні мінімальної кількості експериментів.

Факторами впливу були вибрані: Q - кількість додатково введеної ззовні в киплячий цукровий розчин водяної пари від загальних витрат пари на повний цикл роботи вакуум-апарата, %; tі/tц - відносний час уварювання.

Швидкість кристалізації цукру останнього продукту розглядалася як змінна стану.

Була проведена нормалізація незалежних факторів за допомогою безрозмірних змінних.

Адекватність одержаної математичної моделі перевіряли за критерієм Фішера:

,(2)

де S2ад - дисперсія адекватності, яка характеризує відхилення результатів експерименту відносно лінії регресії; S2відт - дисперсія відтворюваності, яка характеризує похибку досліду при незмінних значеннях факторів.

Для визначення дисперсії відтворюваності використовували результати досліджень в центрі плану. Розрахунковий критерій Фішера для даної моделі Fрозр=0,147, що менше табличного його значення Fтабл=3,050, визначеного для рівня значимості 5%. Після підтвердження адекватності математичної моделі, рівняння (2) переводили із кодованого вигляду в натуральний і для практичних розрахунків використовували формулу (3):

.(3)

Для пошуку мінімуму поверхні відгуку ми застосували градієнтний метод. Отримали найбільше значення швидкості кристалізації цукру при оптимальному значенні кількості введеної ззовні водяної пари (Q = 2,28 %) в утфельну масу від загальних витрат пари на повний цикл роботи вакуум-апарата.

Для умов роботи Кирнасівського цукрового заводу це забезпечило збільшення виходу товарного цукру на 0,093 % до маси перероблених буряків і скорочення часу варіння цукрового утфелю на 15…20 %. Отже, генерована та введена ззовні в киплячий утфель водяна пара збільшує розмір кристалів цукру завдяки рекристалізації і збільшенню кількості циклів рециркуляції, поліпшуючи гранулометричний склад кристалів у процесі масової кристалізації цукрози.

РОЗДІЛ 5. Наведені дані про практичне використання результатів досліджень та удосконалення і розробку нових методів та апаратів промислової кристалізації цукру.

Базуючись на теоретичних та експериментальних дослідженнях сформульовані вимоги до конструкції вакуум-апарата, а саме: підтримання максимально можливої швидкості циркуляції утфелю, що уварюється, з метою забезпечення максимальної частоти рециркуляції; оптимальних умов тепломасообміну; відсутність застійних зон; оптимальний початковий набір та оптимальний рівень утфелю, що уварюється.

Крім цього конструкція вакуум-апарата безперервної дії повинна забезпечувати як можна довший період уварювання в безперервному режимі; чітке розділення в просторі основних стадій процесу уварювання цукрових утфелів: згущення розчину; кристалоутворення та ріст кристалів; устрої для згущення розчину (концентратор) та камера росту кристалів (КРК) повинні бути розділені на секції, в яких забезпечується підтримання максимальної частоти рециркуляції на кожній стадії процесу уварювання. Пристрої для введення в утфель додаткової пари повинні забезпечувати оптимальну її подачу в межах 2,28% до загальних витрат на цикл варіння.

Результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень реалізовані на практиці за кількома направленнями:

Розроблена методика розрахунку секційних прямотечійно-рециркуляційних камер росту кристалів вакуум-апаратів безперервної дії з врахуванням гідродинамічного стану в апараті яка включає в себе: а) технологічний розрахунок КРК; б) визначення геометричних розмірів рекристалізаційної камери; в) гідродинамічний розрахунок КРК; г) розрахунок та вибір конструкції пристрою для введення пари в КРК.

Враховуючи перелічені вимоги до конструкцій вакуум-апаратів та результатів досліджень нами була запропонована конструкція вакуум-апарата безперервної дії для уварювання цукрових утфелів (рис. 9) в якому конструкція камери росту кристалів створює кращі умови процесу кристалізації за рахунок інтенсифікації рециркуляції та рекристалізації і збільшує продуктивність апарата.

Рис. 9 Схема вакуум-апарата безперервної дії: 1 - корпус; 2, 3 - трубчаті гріючі поверхні; 4, 5 - циркуляційні канали; 6* - верхні вертикальні перегородки; 7* - нижні вертикальні перегородки; 8, 9 - циліндричні обичайки; 10* - пучки кип'ятильних труб; 11 - колектори для підведення цукрового розчину; 12 - колектор для підведення цукрового розчину у верхній частині; 13, 14, 15, 16, 18, 20 - патрубки; 17 - сепаруючий пристрій; 19 - пристрій для додаткового введення ззовні в киплячий утфель водяної пари; 21 - днище камери росту кристалів ( *6, 7, 10 - умовно не показані).

Розроблена схема уварювання і кристалізації утфелю останньої ступені кристалізації з частковим центрифугуванням готового утфелю до 30%, безпосередньо з вакуум-апарата і поверненням його відтоку в рецикл (рис.10).

Рис. 10 Схема способу уварювання і кристалізації утфелю останньої ступені кристалізації: 1 - вакуум-апарат; 2 - патрубок; 3 - приймальний перемішувач; 4 - перемішувачі-кристалізатори; 5, 6 -утфелерозподілювачі; 7, 8 - центрифуги; 9 - конвеєр; 10, 11, 12 - збірники

Робота продуктового відділення за вказаною схемою на Півненківському цукровому заводі дозволила зменшити вміст цукру в мелясі на 0,057% та збільшити виробничу потужність перемішувачів-кристалізаторів до 30% при одночасному збільшенні виходу товарного цукру стандартної якості.

Висновки

На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень науково обгрунтовано удосконалення промислової кристалізації цукрози шляхом застосування рециркуляції.

-Показано, що введена ззовні водяна пара інтенсифікує процес масової кристалізації цукрози за двома складовими: кінетичною - на початку процесу до моменту досягнення критичної концентрації кристалів в утфелі і дифузійною - за рахунок рекристалізації після досягнення критичної концентрації кристалів в утфелі.

-Установлено, що введена ззовні водяна пара прискорює утворення центрів кристалізації цукрози та скорочує час досягнення критичної концентрації кристалів в утфелі (7…16%), вище якої створюються ізогідричні умови ведення процесу масової кристалізації цукрози.

-Розроблена математична модель для визначення оптимальної кількості, введеної ззовні в киплячий цукровий утфель водяної пари, для інтенсифікації процесу кристалізації цукрози в вакуум-апаратах.

-Визначено, що оптимальна кількість додатково введеної пари в утфельну масу для інтенсифікації масової кристалізації цукру 2,28 % від загальних витрат пари на повний цикл роботи вакуум-апарата, що забезпечує збільшення виходу товарного цукру і скорочує час уварювання цукрового утфелю на 15…20%.

-Розроблена методика розрахунку секційних прямотечійно-рециркуляційних камер росту кристалів вакуум-апаратів безперервної дії, що дозволяє поліпшити необхідні конструктивні, технологічні та інші параметри процесу безперервної промислової кристалізації цукрози.

-Опрацьована нова конструкція вакуум-апарата безперервної дії для кристалізації цукрози (Патент України № 37859 А МПК 6С 13F1/00, C13G1/00 від 15.05.2001).

-Дано рекомендації по використанню на цукрових заводах існуючих двохпродуктових схем кристалізації для роботи в умовах підвищеної чистоти сиропу-нето.

-Розроблена гнучка схема уварювання і кристалізації утфелю останньої ступені кристалізації з частковим центрифугуванням безпосередньо з вакуум-апарата до 50 % готового утфелю та поверненням в рецикл отриманого при цьому відтоку. Спосіб уварювання і кристалізації утфелю останнього продукту впроваджено на Півненківському цукровому заводі, що дозволило збільшити вихід цукру стандартної якості; зменшити вміст цукрози в мелясі на 0,057%, поліпшити якість кристалів цукру, та збільшити виробничу потужність перемішувачів-кристалізаторів до 30%. Річний економічний ефект складає 78 208,8 грн.).

Новизна технічних рішень підтверджена 2-ма Патентами України.

Перелік опублікованих праць за темою дисертації

1. Дослідження впливу введеної зовні водяної пари на інтенсивність випарювання цукрових розчинів /Погорілий Т.М., Бабко Є.М., Мирончук В.Г., Гулий І.С. - К.: Харчова промисловість, 2000. - Вип. 45. - С. 14 - 17.

2. Бабко Є.М., Мирончук В.Г., Гулий І.С. Визначення конструктивних характеристик секційних вакуум-апаратів // Наукові праці УДУХТ. - К.: 2000. - №6. - С. 95 - 96.

3. Бабко Е.Н., Погорелый Т.М., Мирончук В.Г. Влияние ввода извне водяного пара на уваривание сахарных растворов и утфелей // М.: Сахар. - 1999. - №3. - С. 16 - 17.

4. Бабко Е.Н., Погорелый Т.М., Мирончук В.Г. Улучшение реологических свойств сахарных утфелей в процессе их уваривания путем введения извне водяного пара // М.: Сахар. - 1999. - №4. - С. 16 - 17.

5. Бабко Є.М., Мирончук В.Г. Методика розрахунку рекристалізаційних камер утфельних вакуум-апаратів неперервної дії // Харчова промисловість. - Київ: УДУХТ, 2001. - №46. - C. 17 - 20.

6. Особливості впливу введеної зовні водяної пари на процес уварювання цукрових розчинів / Т.М. Погорілий, Є.М. Бабко, В.Г. Мирончук, І.С. Гулий // Придніпровський науковий вісник. Техн. науки. - Дніпропетровськ, 1998. - №124 (191). - С. 34 - 37.

Авторські свідоцтва та патенти:

7. Патент України № 24151 А МПК 6С 13 F 1/00 Спосіб кристалізації фруктозних розчинів / Мирончук В.Г., Лементар С.Ю., Гулий І.С., Бабко Є.М., Погорілий Т.М. - Опубл. 30.10.98. - № 5.

8. Патент України № 37859 А МПК 6С 13 F 1/00, C 13 G1/00 Вакуум-апарат безперервної дії для кристалізації цукру / Мирончук В.Г., Гулий І.С., Бабко Є.М., Погорілий Т.М. - Опубл. 15.05.2001. - № 4.

IІІ. Тези доповідей на наукових конференціях:

9. Мирончук В.Г. Гулий І.С., Бабко Є.М. Розрахунок конструктивних та рециркуляційних характеристик вакуум-апаратів // Тез. доп. міжнар. н.-т. конф. “Розроблення та впровадження прогресивних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість”. - К.: 1997. - С. 13.

10. Бабко Є.М., Погорілий Т.М., Мирончук В.Г. Інтенсифікація уварювання цукрових розчинів та утфелів під впливом введеної ззовні водяної пари // Тез. доп. Х міжнар. конф. “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв”. - Львів: 1999. - С. 51-52.

11. Бабко Є.М., Мирончук В.Г. Дослідження систем кристалізації цукру з метою їх удосконалення // Тез. доп. 6-ї міжнар. науково-техн. конф. “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості”. - К.: РВЦ УДУХТ. - 2000. - С. 25-27.

12. Бабко Є.М., Мирончук В.Г. Спосіб одержання і кристалізації цукрового утфелю останнього ступеня кристалізації// Наук. праці. 67-ї наук. конф. студентів, аспірантів і молодих вчених. - ч. ІІ. - К.: УДУХТ. - 2001.- С. 16.

Бабко Є.М. Удосконалення промислової кристалізації цукрози застосуванням рециркуляції. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв, Український державний університет харчових технологій, Київ, 2001.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню питань удосконалення промислової кристалізації цукрози.

На основі проведених досліджень систем багатоступіневої кристалізації цукру та їх складових елементів науково обгрунтовано удосконалення промислової кристалізації цукрози із застосуванням рециркуляції та рекристалізації. Розроблена математична модель для визначення оптимальної кількості введеної ззовні в киплячий цукровий утфель водяної пари для інтенсифікації процесу кристалізації цукрози в вакуум-апаратах. Розроблені: методика розрахунку секційних прямотечійно-рециркуляційних камер росту кристалів вакуум-апаратів безперервної дії; нова конструкція вакуум-апарата безперервної дії для кристалізації цукрози; гнучка схема уварювання і кристалізації утфелю останньої ступені кристалізації з частковим центрифугуванням утфелю та поверненням в рецикл отриманого при цьому відтоку. Приведені дані про ефективність розробок.

Ключові слова: випарювання, уварювання, кристалізація, рекристалізація, рециркуляція, теплообмін, утфель, цукроза, розчин, центрифугування, вакуум-апарат, кристалізатор, пара.

Бабко Е.Н. Усовершенствование промышленной кристаллизации сахарозы применением рециркуляции. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - Процессы и оборудование пищевых, микробиологических і фармацевтических производств, Украинский государственный университет пищевых технологий, Киев, 2001.

Диссертационная работа посвящена решению вопроса усовершенствования промышленной кристаллизации сахара на основе дальнейшего развития теории и практики тепло- и масообменных процессов, которые позволяют уменьшить затраты материальных и энергетических ресурсов, их потерь на производстве и улучшить качество готовой продукции.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований систем многоступенчатой кристаллизации сахара и их составных элементов, анализа процессов, способов и аппаратов промышленной кристаллизации сахарозы обосновано усовершенствование промышленной кристаллизации сахарозы на основе применения рециркуляции и рекристаллизации.

Дополнительное введение извне водяного пара в кристаллизирующуюся суспензию создает благоприятные условия для рекристаллизации, повышая частоту рециркуляции и интенсивность перемешивания утфеля, что подтверждают наши лабораторные и промышленные исследования. Это обеспечивает интенсификацию промышленной кристаллизации сахарозы. Введение извне водяного пара сокращает время заводки кристаллов вследствие перемешивания, ускоряет образование центров кристаллизации и уменьшает время достижения критической концентрации кристаллов в утфеле (7…16%), выше которой утфель приобретает свойства структурированной жидкости. Это создает изогидрические условия ведения процесса, благодаря которым происходит интенсивная рекристаллизация по асимметрическому механизму.

Разработана математическая модель для определения оптимального количества введенного извне в кипящий сахарный утфель водяного пара для интенсификации процесса кристаллизации сахарозы в вакуум-аппаратах. Разработана методика расчета секционных прямоточно-рециркуляционных камер роста кристаллов вакуум-аппаратов непрерывного действия, которая разрешает с помощью современных компьютеров улучшить необходимые конструктивные, технологические и прочие параметры процесса непрерывной промышленной кристаллизации сахара. Разработана новая конструкция вакуум-аппарата непрерывного действия для кристаллизации сахарозы. Разработана гибкая схема уваривания и кристаллизации утфеля последней ступени кристаллизации с частичным центрифугированием готового утфеля до 50%, непосредственно с вакуум-аппарата и возвращением его оттека в рецикл. Работа продуктового отделения по указанной схеме на Пивненковском сахарном заводе позволила повысить чистоту клеровки до 1,52 %, уменьшить содержание сахара в мелясе на 0,057 % и увеличить производственную мощность мешалок-кристаллизаторов до 30%.

Приведены данные об эффективности разработок.

Ключевые слова: выпаривание, уваривание, кристаллизация, рекристаллизация, рециркуляция, теплообмен, утфель, сахар, сахароза, раствор, суспензия, центрифугирование, вакуум-аппарат, кристаллизатор, пар.

Annotation

Babko E.M. Improvement of an industrial crystallization of Saccharose by applying of recirculating. - Manuscript

The dissertation for the scientific degree of candidate of technical science on a speciality 05.18.12. - Processes and equipment of food, microbiological and pharmaceutical productions. - Ukrainian State University of Food Technologies, Kyiv, 2001.

The dissertation operation is devoted to the solution of an improvement question an industrial crystallization of Saccharum. The further development of the theory and practice of heat and mass exchange process allow to diminish the costs material and power resources, of their losses on production and to improve quality of finish products.

Conducted idealized and the experimental researches of an many-staged systems crystallization of Saccharum justify improvement of an industrial crystallization of saccharose on the basis of applying recirculating and recrystallization. The mathematical model for definition of an optimum amount of the steam, entered from the outside in boiling sugar massecuite, for intensification of saccharose crystallization process in vacuum pans is developed. The computational methods of sectional uniflow - recycling cameras of a chips growth in vacuum pans of a continuous operation are developed. It allows with the help of modern computers to improve indispensable design, technological and other arguments of a continuous industrial crystallization process of Saccharum. The new construction of a continuous operation vacuum pan for a crystallization of saccharose is developed. The flexible scheme with intermediate centrifuging of the last stage crystallization sugar mass immediately from a vacuum pan and homing in recycling run-off syrup, obtained at it, and crystallizations of the last stage crystallization sugar mass is developed. The datas on efficiency of development are indicated.

The key words: an evaporation, crystallization, recrystallization, recirculating, heat change, massecuite, Saccharum, saccharose, solution, slurry, centrifuging, vacuum pan, crystallizer, steam.

Размещено на Allbest.ru

...