Технологічна оптимізація якості вапняного молока для підвищення ефекту очищення дифузійного соку

Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.18.05 - Технологія цукристих речовин та продуктів бродіння

ТЕХНОЛОГІЧНА ОПТИМІЗАЦІЯ ЯКОСТІ ВАПНЯНОГО МОЛОКА ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТУ ОЧИЩЕННЯ ДИФУЗІЙНОГО СОКУ

ВИКОНАЛА ГУСАРУК ТЕТЯНА СВЯТОСЛАВІВНА

Київ - 2008



АНОТАЦІЯ

Гусарук Т.С. Технологічна оптимізація якості вапняного молока для підвищення ефекту очищення дифузійного соку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.05 - Технологія цукристих речовин та продуктів бродіння. - Національний університет харчових технологій, Київ, 2008.

Дисертація присвячена дослідженню впливу питомої поверхні гідроксиду кальцію вапняного молока на його фізико-хімічні властивості, процес очищення дифузійного соку та якість очищених соків. Показано вплив вихідної кристалічної структури вапняків на питому поверхню вапна та гідроксиду кальцію водно-вапняної суспензії. В дисертації представлено результати теоретичних та експериментальних досліджень причин погіршення реологічних властивостей вапняного молока, виявлено взаємозалежність цього явища з погіршенням седиментаційно-фільтраційних властивостей соків І сатурації та встановлено позитивний вплив підвищеної дисперсності твердої фази Са(ОН)₂ вапняного молока на якість очищених соків.

Науково обґрунтовано застосування водно-вапняної суспензії з питомою поверхнею її твердої фази у діапазоні 4,1…4,43 м²/г, що дозволяє підвищити ефективність процесів очищення дифузійного соку, уникнути ускладнень на станціях приготування вапняного молока та фільтрації, покращити якісні показники очищеного соку.

Експериментально встановлено температурні умови випалу вапняків за різної вихідної кристалічної структури з метою одержання вапна із раціональним діапазоном питомої поверхні його твердої фази.

Доведено ефективність використання активованої фізичними методами, водно-вапняної суспензії для інтенсифікації процесів вапнування та карбонізації соків бурякоцукрового виробництва.



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

вапнування цукровий дифузійний реологічний

Актуальність теми. В комплексній державній програмі реструктуризації і розвитку бурякоцукрової галузі особливу увагу приділено питанням економії сировини, допоміжних матеріалів та підвищенню ефективності технології переробки цукрових буряків. В повному обсязі ці питання стосуються виробництва вапна для технологічних потреб цукрового виробництва. За даними промисловості під час виробництва 2006 р. цукрові заводи використали 530 тис. тонн вапна, для чого було випалено 1 млн. 405 тис. тонн вапняку з використанням 92 тис. тонн високосортового твердого палива.

На сьогоднішній день відомо, що режими випалу та гасіння вапна впливають на процес очищення та якість очищених соків. Але остаточно ще не встановлено механізм цієї залежності, невідомо чому вапно із високою здатністю до хімічної взаємодії утворює за всіх інших рівних умов водно-вапняну суспензію, яка втрачає свої реологічні властивості, що супроводжується начебто нічим не мотивованим погіршенням седиментаційно-фільтраційних показників соку І карбонізації. Це робить необхідним більш детального вивчення впливу фізико-хімічних властивостей вапняного молока на його технологічні якості. Інтерес до цього питання обумовлений ще і тим, що подальше одержання та застосування вапна у виробництві цукру пов'язане із інтенсифікацією процесів та підвищенням потужності обладнання вапняних відділень, що неможливо без поглибленого знання про фізико-хімічні властивості вапна та водно-вапняної суспензії.

Тому завдання щодо вивчення технологічних властивостей вапна та водно-вапняної суспензії, що сприятиме підвищенню виходу цукру, зниженню його собівартості, а також зниженню питомих витрат вапняку та палива на його випал, є актуальним та має важливе значення для технології отримання цукру.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувались відповідно до тематик науково-дослідних робіт НУХТ згідно з дорученням МОН України «Розробити технологію отримання білого цукру з використанням нетрадиційних методів очищення соку» (0101U000453) та «Розроблення способів інтенсифікації процесів очищення дифузійного соку у бурякоцукровому виробництві» (0106U000413).

Автор особисто брав участь у проведенні лабораторних та промислових досліджень, обробленні та аналізі отриманих результатів.

Мета і завдання досліджень. Мета роботи - на основі теоретичних та експериментальних досліджень фізико-хімічних властивостей водно-вапняної суспензії: активності, реологічних параметрів, розчинності гідроксиду кальцію, залежно від питомої поверхні твердої фази Са(ОН)₂ обґрунтувати і розробити вимоги цукрового виробництва до технологічної якості вапняного молока, дати уточнення щодо режиму випалу та гасіння вапна.

Для досягнення зазначеної мети необхідно вирішити наступні задачі:

- простежити вплив кристалічної структури найбільш часто вживаних в цукровій галузі вапняків на дисперсність вапна та твердої фази гідроксиду кальцію водно-вапняної суспензії;

- провести дослідження впливу дисперсності гідроксиду кальцію водно-вапняної суспензії на її технологічні властивості: активність, реологічні параметри, здатність до переходу у розчин;

- дослідити кінетику переходу у водний, модельний цукровий розчини та дифузійний сік гідроксиду кальцію водно-вапняних суспензій, які отримані із технічного вапна, в залежності від питомої поверхні твердої фази Са(ОН)₂;

- вивчити кінетику зміни питомої поверхні твердої фази Са(ОН)₂ під час вапнування водних, модельних цукрових розчинів та дифузійного соку;

- експериментально визначити вплив величини питомої поверхні Са(ОН)₂ водно-вапняної суспензії на її реологічні властивості, встановити оптимальні межі питомої поверхні, за яких вапняне молоко буде мати прийнятні для цукрової галузі реологічні параметри, та запропонувати метод їх оперативного контролю;

- вивчити вплив питомої поверхні твердої фази Са(ОН)₂ водно-вапняної суспензії на тривалість процесу карбонізації та питому поверхню карбонату кальцію, який при цьому утворюється;

- дослідити залежність якості очищених соків та їх седиментаційно- фільтраційних властивостей від дисперсності гідроксиду кальцію вапняного молока; визначити оптимальну величину питомої поверхні твердої фази Са(ОН)₂, яка сприятиме отриманню очищених соків високої якості із прийнятними седиментаційно-фільтраційними властивостями;

- експериментально встановити оптимальну температуру випалу вапняків в залежності від їх вихідної кристалічної структури з метою забезпечення прийнятної дисперсності Са(ОН)₂ у вапняному молоці;

- експериментально дослідити вплив активованого електроіскровими розрядами вапняного молока на процес очищення та якість очищених соків;

- розробити експрес-метод визначення активності вапна у вапняному молоці та на його основі - спрощений метод аналітичного визначення густини для оперативного контролю за процесом приготування вапняного молока;

- виконати промислові випробування та впровадження розроблених способів та методик.

Об'єкт дослідження - вплив питомої поверхні твердої фази гідроксиду кальцію водно-вапняної суспензії на її фізико-хімічні властивості та якість очищених соків.

Предмет дослідження - вапняк, вапно, вапняне молоко, модельні цукрові розчини, дифузійний сік, сік попередньої дефекації, соки І та ІІ карбонізацій.

Методи дослідження - мікроскопічний аналіз; дисперсний аналіз методом інтенсивності розсіювання монохроматичного випромінення гелій-неонового лазера; метод визначення питомої поверхні шляхом повітряпроникненості шару порошку вапна та гідроксиду кальцію; удосконалені спеціальні фізико-хімічні та аналітичні методи з використанням сучасних приладів; а також методи математичної оптимізації експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів. Визначено вплив вихідної кристалічної структури вапняків на питому поверхню вапна та гідроксиду кальцію вапняного молока.

Експериментально встановлено, що величина питомої поверхні твердої фази водно-вапняної суспензії, яка отримана із технічних видів вапна, не забезпечує швидкого переходу гідроксиду кальцію у розчин під час очищення дифузійного соку, що робить доцільним застосування активації вапняного молока.

Вперше визначено вплив питомої поверхні гідроксиду кальцію вапняного молока на швидкість перебігу процесу періодичної карбонізації та дисперсність отриманого карбонату кальцію.

Виявлено, що ступінь дисперсності гідроксиду кальцію водно-вапняної суспензії впливає на процес очищення, якість очищених соків та їх седиментаційно-фільтраційні властивості.

Вперше встановлено, що питома поверхня твердої фази гідроксиду кальцію вапняного молока є основним критерієм його технологічної якості та визначена оптимальна її величина.

Експериментально визначено, що для одержання вапняного молока з оптимальною величиною питомої поверхні твердої фази дрібнозернисті вапняки слід випалювати за температур 1150…1250 °С, крупнокристалічні - за температур 1000…1150 °С.

Практичне значення одержаних результатів роботи. Розроблено спосіб встановлення оптимальної температури випалу вапняку із врахуванням кристалічної структури карбонатної сировини (деклараційний патент України № 17995), що включено в останню редакцію «Інструкції по веденню технологічного процесу цукрового виробництва». Очікуваний економічний ефект від впровадження способу для цукрового заводу потужністю 3000 т переробки буряку на добу складе 217 тис. грн.

Розроблено спосіб очищення дифузійного соку вапняним молоком, що активоване електрогідравлічним обробленням, (деклараційний патент України № 2993), який пройшов успішні випробування на ВАТ «Шепетівський цукровий комбінат». Економічний ефект від впровадження способу складає 910 тис. грн. на рік.

Розроблено ацидиметричний метод визначення густини вапняного молока (деклараційний патент України № 13196 А), який випробуваний і рекомендований до впровадження на ВАТ «Саливонківський цукровий завод», ТОВ «Козова-цукор» та ТОВ «Оберіг» (Жашківський цукровий завод). Річний економічний ефект від впровадження методу для цукрового заводу потужністю 3000 т переробки буряку на добу складе 155 тис. грн.

Розроблено лабораторну установку для проведення процесу періодичної карбонізації (деклараційний патент на корисну модель № 18761) в автоматичному режимі за ізотермічних умов з контролем процесу згідно рН.

Особистий внесок здобувача полягає в розробленні методик досліджень, організації та проведенні експериментів, створенні лабораторних установок, обробленні та узагальненні результатів проведених фізико-хімічних досліджень в лабораторних та виробничих умовах, а також підготовленні та опублікуванні результатів досліджень.

У співавторстві проведено: геологічну характеристику найбільш часто вживаних в цукровій галузі типів вапняків - з к.г.н. Цихоцькою Н.Н. (Інститут геології НАН України), математичне оброблення отриманих експериментальних даних - з к.т.н. Мірошником В.О., вплив дисперсності твердої фази Са(ОН)₂ водно-вапняної суспензії на розчинення її у воді, модельних цукрових розчинах та дифузійному соку - з д.т.н. Манком В.В., вплив електроімпульсних розрядів на технологічні властивості водно-вапняної суспензії - з к.т.н. Василівим В.П., вплив дисперсності вапняного молока на його реологічні властивості - з д.т.н. Запольським А.К., вплив дисперсності вапняного молока на якість очищених соків та їх седиментаційно-фільтраційні властивості - з д.т.н. Хомічаком Л.М. Обговорення, аналіз та узагальнення результатів досліджень проведено із науковим керівником к.т.н. Вєрченко Л.М.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначена мета та основні завдання досліджень, показана наукова новизна і практична цінність роботи.

У першому розділі «Основні фізико-хімічні властивості вапна та водно-вапняної суспензії як реагенту для очищення дифузійного соку» розглянуто основний технологічний показник вапна - активність. Висвітлено питання природи реакційної здатності вапна, яка є наслідком високої дисперсності та наявності дефектів його кристалів. Показано, що для одержання вапна з високою дисперсністю в цукровій промисловості вапняки випалюють у мякому режимі - за температур 1000…1150 °С, які наближені до температури дисоціації СаСО₃ (Т_дис. 898 °С). Показано, що в разі випалу вапняків в м'якому режимі на дисперсність кристалів вапна впливає також вихідна кристалічна структура вапняків та їх генезис. Проаналізовані сучасні методи оцінки якості вапна в цукровому виробництві та констатовано, що існуючий нині єдиний критерій оцінки технологічної якості вапна - активність не пояснює його аномальну поведінку у ряді випадків, які трапляються на виробництві, а саме - втрату реологічних властивостей водно-вапняною суспензією з подальшим погіршенням седиментаційно-фільтраційних показників соків І карбонізації. Проаналізовані основні фактори, які впливають на фізико-хімічні властивості вапняного молока: активність вапна в ньому, реологічні параметри та розчинність гідроксиду кальцію у воді, цукрових розчинах та дифузійному соку. Розглянуто основні вимоги цукрового виробництва до якості вапняного молока, які зводяться до трьох основних пунктів: вапняне молоко повинне бути максимально густим, максимально очищеним від домішок та мати високу активність. Показана необхідність розроблення додаткових вимог цукрового виробництва до якості вапняного молока з метою оптимізації технологічного процесу його приготування та покращення показників очищеного соку. Розглянуто питання активації водно-вапняної суспензії в цукровому виробництві.

На основі аналізу літературних даних зроблено висновок про необхідність підходу до вивчення фізико-хімічних та технологічних властивостей вапна та гідроксиду кальцію водно-вапняної суспензії, як до дисперсних малорозчинних у воді та цукрових розчинах речовин, вибрані основні напрями та сформульовані конкретні завдання досліджень.

У другому розділі «Об'єкти та методи досліджень» показано структурну блок-схему проведених досліджень за темою дисертаційної роботи і наведено характеристику об'єктів та методів досліджень. Об'єктами досліджень були: вапняк, вапно, вапняне молоко, модельні цукрові розчини, дифузійний сік, сік попередньої дефекації, соки І та ІІ карбонізації.

Для вивчення впливу вихідної кристалічної структури карбонату кальцію у вапняках на дисперсність одержаного вапна та гідроксиду кальцію вапняного молока за умов загальноприйнятого в цукровій промисловості м'якого випалу було вибрано п'ять найбільш часто вживаних типів вапняків: мармур, середньозернистий, ракушняк, мармуроподібний та крейдоподібний. Мікрофотознімки та аналіз тонких шліфів вищеперелічених типів вапняків дозволили кваліфікувати гірські породи за ступенем вихідної дисперсності карбонату кальцію в них.

Для визначення технологічних і фізико-хімічних показників вапняку, вапна, вапняного молока та соків цукрового виробництва використовували як загальноприйняті, так і розроблені або уточнені автором методи. Питому поверхню вапна та твердої фази Са(ОН)₂ вапняного молока вимірювали пневматичним поверхневимірювачем Т-3, а дисперсний склад - за допомогою інтенсивності розсіювання монохроматичного випромінювання лазера за умов проходження його через шар спиртової суспензії вапна та відповідній йому водно-вапняної суспензії на приборі «Mastersizor µ».

В'язкість водно-вапняної суспензії визначили прецизійним прибором «Рео-тест-2» за однакової густини проб - 1,18 г/см³, здатність до розтікання - текучеміром інституту ім. Менделєєва, про здатність суспензії до розшарування судили по швидкості розшарування суспензії об'ємом 250 см³ за 15 хв та по об'єму осаду за 25 хв відстоювання.

На основі експрес-методу визначення активності вапна у вапняному молоці розроблено ацидиметричний спосіб визначення густини водно-вапняної суспензії. Метод дозволяє швидко та точно визначати густину вапняного молока, його активність з послідуючим розрахунком ряду теплотехнічних показників: кількості води, яка поступає на верстат сокоочисного відділення із вапняним молоком; кількість ретурної пари, умовного палива та природного газу для випаровування цієї води.

Для вивчення кінетики переходу Са(ОН)₂ водно-вапняної суспензії у розчин розроблено лабораторну установку, в основу якої лягло потенціометричне автоматичне титрування одержаних водно-вапняних та цукрово-вапняних розчинів.

Сконструйовано лабораторну установку для проведення процесу періодичної карбонізації. Технічним результатом використання установки, стало проведення досліджень перебігу процесу карбонізації в автоматичному режимі за контролем рН. Це дозволяє проводити процес в стабільних умовах на протязі всього експерименту.

Третій розділ «Вплив дисперсності вапна та гідроксиду кальцію водно-вапняної суспензії на її фізико-хімічні властивості» присвячений дослідженню впливу вихідної кристалічної структури вапняку на питому поверхню вапна та твердої фази вапняного молока. Було встановлено, що основні типи вапняків, які використовує цукрова промисловість: мармур, середньозернистий, ракушняк, мармуроподібний та крейдоподібний, мають органогенне походження та полідисперсну структуру кристалів карбонату кальцію. Проте, в мармурах переважає кальцит з великим розміром кристалів - 2…3 мм, в середньозернистому вапняку порода складена переважно із зерен кальциту розміром 30…150 мкм; ракушняк - яскравий приклад карбонатної породи з полідисперсною структурою та переважним розміром зерен 20…50 мкм; у мармуроподібного вапняку розмір зерен коливається від 20 до 30 мкм; у крейдоподібного вапняку переважна кількість зерен має розмір менше 20 мкм.

Після прожарювання вапняків в лабораторній муфельній печі за температури 1000°С провели дисперсний аналіз спиртових суспензій вапна із мармуру, середньозернистого та крейдоподібного вапняку методом лазерної гранулометрії (рис. 1). Аналіз засвідчив, що всі види вапна мають полідисперсну структуру з розміром кристалів оксиду кальцію від 0,3 до 70 мкм. Але чим більший вихідний розмір кристалу карбонату кальцію у породі, тим крупніший кристал випаленого вапна, і навпаки, дрібнокристалічна крейда за умов м'якого випалу утворює вапно з дрібним кристалом. Дисперсний аналіз відповідних видів водно-вапняної суспензії показав, що отримане із технічного вапна вапняне молоко також характеризується полідисперсною структурою з діапазоном розміру частинок гідроксиду кальцію від 0,03 до 9 мкм (рис. 2). Але більш дисперсне вапно із крейдоподібного вапняку утворює високодисперсну суспензію, вапно із крупним кристалом, яке одержане із мармуру, сприяє утворенню крупнокристалічної суспензії.

Таким чином, експериментально встановлено, що вихідна кристалічна структура вапняків, які найбільш часто вживані в цукровій промисловості, за умов м'якого випалу впливає на питому поверхню вапна та гідроксиду кальцію вапняного молока.

Вивчення залежності технологічних властивостей водно-вапняної суспензії: активності вапна в ній, титрованої лужності та відповідної їй питомої електропровідності вапняної води від питомої поверхні гідроксиду кальцію показало, що підвищена дисперсність гідроксиду кальцію сприяє підвищенню активності вапна у вапняному молоці, збільшенню титрованої лужності та питомої електропровідності дисперсійного середовища - вапняної води.

Враховуючи, що реакції гідроксиду кальцію вапняного молока з нецукрами під час вапнування та реакції з діоксидом вуглецю під час карбонізації відбуваються у розчині, окремо було вивчено кінетику переходу твердої фази гідроксиду кальцію з різною питомою поверхнею у воду, 13 % модельний цукровий розчин та дифузійний сік.



Дослідження проводились в ізотермічних умовах за температури 85 °С, а у відібраних через кожну хвилину пробах визначалась титрована лужність потенціометричним титруванням (рис. 3 - 5). На рис. 3 - 5 зверху паралельно осі абсцис проведені прямі, які вказують на величину рівноважної розчинності - максимальну кількість Са(ОН)₂, яка може перейти у розчин по досягненню рівноваги. Одержані дані свідчать, що концентрація гідроксиду кальцію у розчинах, значно залежить від вихідної питомої поверхні твердої фази гідроксиду кальцію: із збільшенням її в розчин за один і той же час переходить більша кількість лугу. Але навіть за високорозвиненої питомої поверхні стабільна розчинність ні у водному, ні у цукровому розчинах, ні в дифузійному соку за термін вапнування (від 15 до 30 хв) не досягається. На основі цього можна зробити висновок, що величина питомої поверхні твердої фази водно-вапняних суспензій, які одержані із технічних видів вапна, не забезпечує швидкого розчинення гідроксиду кальцію у дифузійному соку, що робить доцільним застосування заходів по додатковому подрібненню твердої фази за рахунок активації вапняного молока.

Використавши масив експериментальних даних по впливу питомої поверхні гідроксиду кальцію на кінетику переходу його у воду та цукрові розчини, розрахували кінетику зміни питомої поверхні, середньозважений діаметр частинок Са(ОН)₂ та швидкість переходу у розчин гідроксиду кальцію в залежності від його вихідної питомої поверхні. Одержані дані свідчать, що вихідна питома поверхня суттєво впливає на швидкість переходу Са(ОН)₂ у розчин, а саме: чим більша питома поверхня твердої фази, тим більша швидкість переходу її у розчин, особливо в перші хвилини, бо за будь-якої питомої поверхні в перші хвилини вапнування у розчин переходять найдрібніші частинки твердої фази. З часом відбувається «вилуговування» кристалів гідроксиду кальцію: дуже дрібні цілком розчиняються, більш великі зменшуються в діаметрі і загальна питома поверхня з часом зменшується. Тому на стадію сатурації гідроксид кальцію потрапляє із питомою поверхнею, яка в 4 - 6 разів менша за вихідну, але більш рівномірна.



Підтвердженням тому є дисперсний склад гідроксиду кальцію високодисперсної водно-вапняної суспензії після вапнування 13 % цукрового розчину (рис. 6). Як свідчать одержані дані, після 15 хв вапнування зовсім зникають дрібні частинки, зменшується кількість частинок середнього розміру і залишаються зовсім незайманими крупні кристали, але полідисперсність зберігається.

Таким чином, питома поверхня твердої фази гідроксиду кальцію вапняного молока є основним чинником збільшення швидкості переходу його у розчин, яка значно прискорюється наявністю в розчині цукру.

Вплив дисперсності твердої фази гідроксиду кальцію вапняного молока на його фізико-хімічні властивості: активність вапна в суспензії, загальну питому електропровідність, реологічні параметри, вивчали на прикладі п'яти типів водно-вапняних суспензій з однаковою (1,18 г/см3) густиною (табл. 1).

Було встановлено, що ви-сокодисперсне вапняне молоко із густиною 1,18 г/см³ має значно більшу активність вапна, але погіршену текучість. В зв'язку з цим для надання вапняному молоку прийнятних реологічних властивостей у виробництві його розбавляють водою майже до густини 1,1 г/см³.

В таблиці 1 представлені значення густини вапняного молока, за якої воно в разі підвищеної дисперсності гідроксиду кальцію набуває прийнятної текучості і з якою воно поступає на очищення дифузійного соку. Текучість є оберненою величиною динамічної в'язкості.

Вивчення залежності динамічної в'язкості від питомої поверхні твердої фази показало, що високорозвинена питома поверхня Са(ОН)₂ із вапна, яке одержане із високодисперсної крейди в 16 разів більш в'язке, ніж суспензія із вапна, яке одержане із крупнокристалічного мармуру.

А як було вже встановлено, високодисперсні вапняки за умов загальноприйнятого в нашій галузі м'якого випалу дають високодисперсне вапно.



Таблиця 1. Вплив питомої поверхні Са(ОН)₂ водно-вапняної суспензії на її фізико-хімічні властивості та деякі технічні показники

Пит. пов. СаО, м2/г	Питома пов. Са(ОН)2, м2/гр	Активність вапна у вапн. мол., % СаО маси СаОзаг	Динам. в'язкість вапн. мол., Па·с	Розтікання вапн. мол., мм	Густина, з якою вапн. мол. поступає на очищення диф. соку, г/см3	К-ть води, що іде із вапн. мол. на випар., т/добу	К-ть рет. пари, що іде на випар. води, т/добу
0,288	5,830	97,0	0,389	72,5	1,1	532	212,8
0,252	5,226	93,5	0,291	101,2	1,12	438	175,2
0,229	4,905	91,8	0,232	104,0	1,14	375	150
0,165	4,100	91,5	0,182	115,0	1,18	285	114
0,153	3,560	91,0	0,024	123,7	1,18	285	114

Висока гідрофільність та висока дисперсність вапна під час гасіння створюють водно-вапняну суспензію, в якій майже не залишається вільної води, в результаті чого погіршуються її реологічні властивості. Це дає підстави дійти висновку: погіршення реологічних властивостей вапняного молока пов'язано із невідповідно низькою температурою випалу високодисперсних вапняків, що потребує коректив режиму випалу по вихідній кристалічній структурі вапняків.

Математичний аналіз масиву експериментальних даних, середні значення яких представлені в табл. 1, з вибраною як параметр оптимізації загальною питомою електропровідністю встановив, що динамічну в'язкість, текучість водно-вапняної суспензії за високої її активності, які не створюють перешкод транспортуванню по трубопроводах, очищенню від домішок, дозуванню в сік та не потребують додаткового розбавлення водою, мають суспензії із загальною питомою електропровідністю, яка лежить в діапазоні 0,35…0,55 S·м^-1. Визначеному діапазону питомої електропровідності відповідає водно-вапняна суспензія, швидкість осідання 250 см³ якої не менше 3 мм/хв, а об'єм осаду не більше 70 % за густини 1,18 г/см³. Тому у виробництві для оперативного контролю за реологічними параметрами вапняного молока пропонуємо використовувати один із цих методів.

В розділі чотири «Вплив дисперсності твердої фази гідроксиду кальцію водно-вапняної суспензії на процес очищення дифузійного соку та якість одержаних соків» наведено результати досліджень по впливу питомої поверхні твердої фази вапняного молока на технологічні показники очищеного соку. Для з'ясування, як впливає питома поверхня гідроксиду кальцію вапняного молока на перебіг процесу карбонізації, було простежено за тривалістю періодичної карбонізації дифузійних соків з чистотою 85,2…86,2 %, які були оброблені водно-вапняною суспензією з різною питомою поверхнею твердої фази (табл. 2).

Таблиця 2. Вплив питомої поверхні твердої фази вапняного молока на тривалість карбонізації вапнованого дифузійного соку

Питома поверхня твердої фази вапняного молока, м2/г	Тривалість карбонізації, с
5,825	476
5,225	505
4,906	555
4,421	565
4,350	575
4,251	595
4,101	600
3,800	665
3,560	738



Одержані результати свідчать, що оброблення дифузійних соків вапняним молоком на більш дисперсному та менш дисперсному вапняному молоці. Аналіз одержаних даних свідчить (табл. 3), що найкращі седиментаційно-фільтраційні показники прискорює процес періодичної карбонізації та сприяє утворенню більш дисперсного осаду карбонату кальцію. Криві розподілу (рис. 7.) частинок СаСО3 осадів, які одержані під час періодичної карбонізації модельних цукрових розчинів, що були оброблені водно-вапняною суспензією з різною питомою поверхнею твердої фази Са(ОН)2, свідчать про його полі дисперсність. Проте, чим більш була розвинена питома поверхня твердої фази Са(ОН)2 реагенту, тим дрібнішим буде карбонат кальцію, який утворений за умов періодичної сатурації. Для визначення впливу питомої поверхні твердої фази Са(ОН)2 вапняного молока на седиментаційно-фільтраційні властивості соків І сатурації було проведено 2 серії експериментів: мають соки, які оброблені вапняним молоком із менш розвиненою питомою поверхнею гідроксиду кальцію. З підвищенням дисперсності твердої фази Са(ОН)₂ в 1,95 разів фільтраційний коефіцієнт збільшується майже в 5 разів, швидкість осідання сповільнюється в 2,7 разів та збільшується об'єм осаду в 1,4 рази.

Таблиця 3. Седиментаційно-фільтраційні властивості соку І карбонізації в залежності від питомої поверхні Са(ОН)₂ водно-вапняної суспензії

Пит. пов. Са(ОН)2, м2/г	Сік І карбонізації
	S5, см/хв	V25, %	Fк, с/см2
5,825	1,2	41,1	16,9
5,225	1,6	40,6	13,65
4,906	2,0	37,9	11,75
4,421	2,3	33,3	7,3
4,350	2,4	32,9	6,65
4,251	2,6	31,1	5,8
4,101	2,3	32,8	5,7
3,800	2,9	30,8	4,65
3,560	2,8	30,6	4,25
2,985	3,2	29,0	3,2

Отже, дисперсність реагенту впливає на тривалість процесу періодичної сатурації, дисперсність осаду карбонату кальцію та седиментаційно-фільтраційні властивості соків І сатурації.

Дослідження впливу питомої поверхні гідроксиду кальцію на якість очищених соків (табл. 4) засвідчили, що на відміну від седиментаційно-фільтраційних властивостей, підвищення дисперсності реагенту в 1,95 разів позитивно впливає на якість очищених соків: загальний ефект очищення підвищується в середньому на 6,4 %, зменшуються на 37,2 % вміст солей Са²⁺ та на 44 % - забарвленість.



Таблиця 4. Фізико-хімічні показники соків ІІ карбонізації, що очищенні вапняним молоком з різною питомою поверхнею твердої фази Са(ОН)₂

Тип вапняку	Режим випалу, °С	Пит. пов. Са(ОН)2, м2/г	Дифузійний сік	Сік ІІ карбонізації
			СР,%	Цк, %	Ч, %	Ч, %	СР, %	Зб., од. опт. густ.	Солі Са2+, % СаО маси СР
Крейдоподібний	1000…1150	5,825	13,66	11,72	85,77	90,0	13.2	205	0,157
	1150…1250	4,421	13,15	11,21	85,25	89,7	13,61	228	0,165
Мармуроподібний	1000…1150	5,225	13,75	11,85	86,18	90,2	14.21	240	0,165
	1150…1250	4,350	13,25	11,32	85,43	89,6	13,78	270	0,172
Ракушняк	1000…1150	4,906	13,72	11,79	85,93	90,0	13.32	268	0,170
	1150…1250	4,251	13,26	11,31	85,29	89,5	13,18	298	0,180
Середньозернистий	1000…1150	4,101	13,45	11,51	85,58	89,7	13.74	271	0,185
	1150…1250	3,800	13,78	11,88	86,21	89,6	13,45	351	0,195
Мармур	1000…1150	3,560	13,72	11,80	86,00	89,8	13.27	333	0,226
	1150…1250	2,985	13,56	11,63	85,77	89,2	13,22	371	0,250

Таким чином, використання водно-вапняної суспензії із підвищеною дисперсністю твердої фази покращує якість очищеного соку. Проте, погіршення седиментаційно-фільтраційних властивостей соків І сатурації, вимагає шукати оптимальні межі питомої поверхні реагенту, за яких сік буде мати високий ефект очищення із прийнятною фільтраційною здатністю. Математичне оброблення масиву експериментальних даних (табл. 3, 4) з обраною, як параметр оптимізації, питомою поверхнею гідроксиду кальцію вапняного молока дозволило встановити оптимальні значення питомої поверхні Са(ОН)₂, які знаходяться в межах 4,1…4,43 м²/г, чому відповідає вапно з питомою поверхнею 0,165…0,185 м²/г.

Отже, теоретично та експериментально доведено, що питома поверхня твердої фази гідроксиду кальцію вапняного молока є основним критерієм його технологічної якості. Одночасно експериментально було встановлено, що для отримання вапна оптимальної якості у разі випалу дрібнозернистих вапняків температура випалу повинна підтримуватись на рівні 1150…1250°С, за випалу крупнокристалічних та середньозернистих карбонатних порід - температура може знижуватись до 1000…1150°С.

П'ятий розділ «Виробничі випробування та впровадження розробок» присвячений експериментальній перевірці, промисловому випробуванню і аналізу ефективності запропонованих наукових та технічних рішень.

В промислових умовах випробувано спосіб очищення дифузійного соку вапняним молоком, яке активоване електроіскровими розрядами. Встановлено, що за цих умов активність вапна у вапняному молоці зростає на 14 %, ефект очищення дифузійного соку підвищується на 4 % (табл. 5).

Таблиця 5. Результати виробничих випробувань способу очищення дифузійного соку вапняним молоком, яке активоване електроіскровими розрядами

Показники	До впровадження	Після впровадження
Дифузійний сік: Чистота, %	86,0	86,0
Сік І карб.: Швидкість відстоювання, S5, см/хв	2,7	2,5
Об'єм осаду, V25, %	28	30
Фільтраційний коефіцієнт, Fк, сек./см2	3,6	3,8
Сік ІІ карбонізації: Чистота, %	89,5	90,1
Забарвленість, од. опт. густ.	334	288
Солі кальцію, % СаО до маси СР	0,36	0,28
Ефект очищення, %	28,0	32,0
Активність вапн. мол., % СаО до маси СаОзаг	82,9	96,9
Вміст СаОзаг, %	14,6	20,8
Вміст СаОакт, %	12,1	20,15
Густина вапн. мол., г/см3	1,12	1,18
К-сть непогаш. дом. у вапн. мол., г/дм3/ % м. б.	25,5/0,54	10,5/0,16
К-сть води, що поступає ВУ, т/добу	433,32	281,96
К-сть рет. пари, що іде на випар. води, т/добу	173,33	112,64
К-сть ум. палива для отрим. рет. пари, т/добу	17,3	11,2

Економічний ефект від застосування способу очищення дифузійного соку активованим вапняним молоком на Шепетівському цукровому комбінаті потужністю 2650 т переробки буряків на добу за тривалості виробництва 48 діб складає 910,2 тис. грн. На розроблений метод одержано патент України № 2993.

В промислових умовах випробувано ацидиметричний метод визначення густини вапняного молока, який дає можливість швидко та об'єктивно встановлювати значення густини вапняного молока, активність вапна в ньому та теплотехнічні показники, які від цього залежать, що дозволяє поставити метод на потік контролю за роботою станції приготування вапняного молока.

Використання ацидиметричного методу визначення густини у виробництві показало, що він забезпечує оперативний контроль за технологічною якістю вапняного молока та підтримання густини на стабільному нормативному рівні 1,18…1,20 г/см³. Це сприяє скороченню витрат вапна на очищення дифузійного соку в середньому за сезон тривалістю в 70 діб на 91 т для цукрового заводу потужністю до 3000 т переробки буряків за добу, зниженню витрат вапняку та палива на його випал, відповідно на 0,4 % та 0,03 % до маси буряків. На розроблений метод одержано патент України № 13196 А. Метод випробуваний і рекомендований до впровадження на ВАТ «Саливонківський цукровий завод», ТОВ «Козова-цукор» та ТОВ «Оберіг» (Жашківський цукровий завод).

Результати досліджень по встановленню температури випалу вапняку з врахуванням його кристалічної структури були впроваджені у вигляді рекомендацій до «Інструкції по веденню технологічного процесу цукрового виробництва». В разі впровадження у виробництво рекомендацій Інструкції по встановленню режиму випалу вапняку з врахуванням його кристалічної структури економічний ефект для цукрового заводу потужністю 3000 т переробки буряків на добу за тривалості сезону в 30 діб складе 216,7 тис. грн. На розроблений спосіб одержано патент України № 17995.



ВИСНОВКИ

1. Обстеження зразків вапняків, які найбільш часто вживані в цукровій галузі, показало, що всі вони мають полідисперсну кристалічну структуру зерен карбонату кальцію, але більшість із них відноситься до середньо- та дрібнозернистих порід із розміром кристалів СаСО₃ від 1 до 150 мкм.

2. Експериментально встановлено, що розміри кристалів вапна, яке одержано із технічних вапняків за умов загальноприйнятого в нашій галузі м'якого випалу (Т=1000…1150 °С), коливається в межах 0,3…70 мкм і залежить від вихідної кристалічної структури вапняку: із крупнокристалічного вапняку отримують вапно із крупним кристалом, дрібнокристалічний вапняк дає високодисперсне вапно.

3. Підтверджено, що за одних і тих же умов гасіння вапна дисперсність його впливає на питому поверхню водно-вапняної суспензії. Вперше встановлено, що технічне вапно із вапняків, які використовують в цукровому виробництві, дає вапняне молоко, питома поверхня твердої фази якого знаходиться в межах 3,5…5,8 м²/г, що обумовлено розмірами кристалів Са(ОН)₂ - 0,02…10 мкм.

4. Вивчення кінетики переходу гідроксиду кальцію із технічних видів вапняного молока у водний, цукровий розчин та дифузійний сік в залежності від питомої поверхні твердої фази засвідчило, що наявності високорозвиненої питомої поверхні (5,8 м²/г) недостатньо для досягнення рівноважної концентрації Са(ОН)₂ у розчині за час вапнування. Встановлено, що кількість Са(ОН)₂, яка під час вапнування дифузійного соку переходить у розчин, складає 14…22 % СаО маси нецукрів, що свідчить про необхідність в умовах виробництва застосування активації вапняного молока.

5. Підтверджено, що основним чинником збільшення швидкості переходу у розчин Са(ОН)₂ є його питома поверхня. Встановлено, що процес переходу Са(ОН)₂ значно прискорюється наявністю в розчині цукру, а також, що процес вапнування супроводжується «вилуговуванням» кристалів та кристалітів Са(ОН)₂, в результаті чого водно-вапняна суспензія потрапляє на стадію карбонізації із питомою поверхнею в 4 - 6 разів нижчою за вихідну.

6. Встановлено, що причиною погіршення реологічних властивостей водно-вапняної суспензії (підвищення в'язкості, зниження текучості) є підвищення дисперсності твердої фази Са(ОН)₂, яку отримують в разі гасіння високодисперсного вапна, що одержане випалом дрібнозернистих вапняків в м'якому режимі.

7. Запропоновано у виробництві контролювати значення реологічних властивостей водно-вапняної суспензії за швидкістю розшарування її та за загальною питомою електропровідністю. Визначено, що водно-вапняна суспензія із оптимальними реологічними властивостями розшаровується не повільніше 3 мм/хв, утворюючи за 25 хв осад об'ємом не більше 70 % всього об'єму суспензії, чому відповідає загальна питома електропровідність, що лежить в межах 0,35…0,55 S·м^-1.

8. Експериментально доведено, що дисперсність твердої фази Са(ОН)₂ вапняного молока впливає на процес періодичної карбонізації. Із збільшенням питомої поверхні Са(ОН)₂ майже вдвічі тривалість процесу карбонізації дефекованого соку зменшується в середньому в 1,9 рази, що сприяє отриманню карбонату кальцію з більш високою дисперсністю.

9. Теоретично обґрунтовано та експериментально доведено, що за використання водно-вапняної суспензії із підвищеною дисперсністю твердої фази Са(ОН)₂ значно підвищується якість очищених соків, проте погіршуються їх седиментаційно-фільтраційні властивості.

10. Визначено межі оптимальної питомої поверхні гідроксиду кальцію - 4,1…4,43 м²/г, за яких вапняне молоко буде мати прийнятні реологічні властивості, очищення ним дифузійного соку сприятиме високому ефекту очищення за хороших седиментаційно-фільтраційних показників соків І карбонізації.

11. Виявлено, що механізм встановлення попередніми дослідниками впливу температури випалу та температури води, яка подається на гасіння, на якість очищених соків, полягає в різній дисперсності як вапна, так і гідроксиду кальцію вапняного молока.

12. Встановлено, що для отримання вапняного молока з задовільними технологічними властивостями температуру випалу потрібно корегувати за вихідною кристалічною структурою вапняків - дрібнозернисті вапняки випалювати за температур, які не нижчі 1150…1250 °С, крупнокристалічні - за температур 1000…1150 °С. Дані рекомендації включені в нову «Інструкцію по веденню технологічного процесу цукрового виробництва».

13. Економічний ефект від впровадження у виробництво корегування температури випалу за вихідною кристалічною структурою вапняків для цукрового заводу потужністю 3000 т переробки буряків на добу за тривалості виробництва 30 діб складе 217 тис. грн.

14. Проведено промислові випробування способу очищення дифузійного соку вапняним молоком, яке активоване електрогідравлічним обробленням, на ВАТ «Шепетівський цукровий комбінат». Економічний ефект в разі впровадження способу складе 910,2 тис. грн.

15. Розроблено експрес-метод визначення активності вапна у вапняному молоці, на основі чого створено методику аналітичного визначення густини водно-вапняної суспензії, яка пройшла промислові випробування на ВАТ «Саливонківський цукровий завод», ТОВ «Козова-цукор», ТОВ «Оберіг» (Жашківський цукровий завод).

16. Створено лабораторний пристрій для проведення процесу періодичної карбонізації в автоматичному режимі за ізотермічних умов з контролем процесу по рН.



СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Експрес-метод визначення активності вапняного молока / Л.М. Вєрченко, Л.М. Хомічак, О.І. Джоган, Т.С. Гусарук. - Цукор України. - 2004. - № 3-4. - С. 27- 29.

2. До питання активації вапняного молока електроіскровими розрядами / Л.М. Вєрченко, Л.М. Хомічак, В.П. Василів, А.І. Маринін, А.І. Варфоломеєв, Т.С. Гусарук. - Наукові праці НУХТ. - 2004. - № 15. - С. 1.

3. Вплив кристалічної структури вапняку на дисперсність вапняного молока / Л.М. Вєрченко, Л.М. Хомічак, Т.С. Гусарук, Ю.В. Слива, А.І. Маринін, Н.Н. Цихоцька. - Цукор України. - 2005. - № 1-2. - С. 31-34.

4. Гусарук Т.С., Вєрченко Л.М. Технологічну якість вапняного молока потрібно підвищувати / Цукор України. - 2005. - № 5. - С. 26-28.

5. Гусарук Т.С., Вєрченко Л.М., Хомічак Л.М. Аналітичний метод визначення густини вапняного молока в цукровому виробництві / Цукор України. - 2006. - № 3. - С. 28-30.

6. Гусарук Т.С., Вєрченко Л.М., Хомічак Л.М. Оптимальний режим випалу вапняку - запорука економії енергоресурсів / Цукор України. - № 5. - 2006. - С. 20-21.

7. Вплив дисперсності гідроксиду кальцію вапняного молока на його реологічні властивості / Т.С. Гусарук, Л.М. Вєрченко, Л.М. Хомічак, В.О. Мірошник. - Цукор України. - 2007. - № 1. - С. 24-27.

8. Вплив питомої поверхні твердої фази гідроксиду кальцію вапняного молока на швидкість переходу його у розчин / Т.С. Гусарук, Л.М. Вєрченко, Л.М. Хомічак, В.В. Манк. - Цукор України. - 2007. - № 2. - С. 28-30.

9. Пат. 2993 U України, МПК С13D3/02. Спосіб очищення дифузійного соку / А.І. Українець, Л.М. Хомічак, Л.М. Вєрченко, В.П. Василів, Ю.В. Слива, А.І. Маринін, Т.С. Гусарук. - 2004032061; Заявл. 19.03.2004; Опубл. 15.09.2004., Бюл. № 9.

10. Пат. 13196 U України, МПК С04В 2/04. Спосіб ацидиметричного визначення густини вапняного молока / Л.М. Вєрченко, Л.М. Хомічак, Т.С. Гусарук, В.П. Василів. - u 200509433; Заявл. 07.10.2005; Опубл. 15.03.2006., Бюл. № 3.

11. Пат. 18761 U України, МПК В01L 5/00. Лабораторний пристрій для проведення процесу карбонізації / Т.С. Гусарук, Л.М. Вєрченко, Л.М. Хомічак - u 200606058; Заявл. 01.06.2006; Опубл. 15.11.2006., Бюл. № 11.

12. Пат. 17995 U України, МПК С04В 2/00. Спосіб встановлення оптимального режиму випалу вапняку / Т.С. Гусарук, Л.М. Вєрченко, Л.М. Хомічак - u 20060454; Заявл. 04.05.2006; Опубл. 16.10.2006. Бюл. № 10.

13. Гусарук Т.С., Вєрченко Л.М. Вплив кристалічної структури вапняку на технологічні властивості вапняного молока / Тези доповідей 71-ї наукової конференції молодих вчених, аспірантів студентів. - К.: НУХТ, 2005. - Ч. 2. - С. 7.

14. Гусарук Т.С., Вєрченко Л.М. Вплив технологічних властивостей вапняного молока на процес очищення дифузійного соку та якість очищених соків / ІХ міжнародна науково-технічна конференція «Нові технології та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості сьогодення і перспективи». - К.: НУХТ, 2005. - Ч. 2. - С. 18.

15. Гусарук Т.С., Вєрченко Л.М., Хомічак Л.М. Аналітичний метод визначення густини вапняного молока в цукровому виробництві / Матеріали науково-технічної конференції цукровиків України. - К.: Цукор України. - 2006. - С. 196-201.

16. Гусарук Т.С., Вєрченко Л.М. Вплив вихідної кристалічної структури вапняку на питому поверхню вапна, вапняного молока та карбонату кальцію / Тези доповідей 72-ї наукової конференції молодих учених, аспірантів і студентів. - К.: НУХТ, 2006 - Ч. 2. - С. 6.

17. Гусарук Т.С., Вєрченко Л.М., Хомічак Л.М. Вимоги цукрового виробництва до технологічних властивостей вапняного молока / Матеріали науково-технічної конференції цукровиків України. - К.: Цукор України. - 2007. - С. 183- 187.

18. Гусарук Т.С., Вєрченко Л.М. Вплив питомої поверхні гідроксиду кальцію водно-вапняної суспензії на його реологічні властивості / Тези доповідей 73-ї наукової конференції молодих учених, аспірантів і студентів. - К.: НУХТ, 2007. - Ч. 2. - С. 141-142.

Размещено на Allbest.ru

...