Получение кристаллического сахара

Оглавление

2.2.7. Получение кристаллического сахара

2.2.7.1. Технологическая схема

Выходящий из выпарной установки сироп содержит по нормативам 65 % сухих веществ, в т.ч. 62 % сахарозы. Процентное отношение содержания сахарозы к содержанию сухих веществ, в данном случае 95,4%, называется чистотой сахарсодержащего продукта. Этот сироп поступает на следующий этап производства - кристаллизацию сахара. На этом этапе выделяют практически чистую сахарозу.

Сахар хорошо растворим в воде, с повышением температуры его растворимость возрастает. Например, при 20 °С в 1 кг воды максимально растворяется 2,007 кг сахарозы (содержание сахарозы в растворе - 66,74 %), а при 80 °С - 3,704 кг (содержание сахарозы 78,74 %) . Сахарный раствор, в котором при данной температуре кристаллы сахара больше не растворяются, называется насыщенным раствором, а отношение количества растворенного сахара на единицу воды называется растворимостью.

Продукты свеклосахарного производства содержат различные несахара. Растворимость сахарозы в воде зависит от качества и количества этих несахаров и в большинстве случаев увеличивается с понижением чистоты раствора. Влияние несахаров на растворимость сахарозы в воде характеризуется коэффициентом, который показывает, на сколько увеличивается или уменьшается растворимость сахарозы в присутствии несахаров по отношению к растворимости сахарозы в чистой воде при той же температуре.

Раствор, в котором на одну часть воды приходится больше сахара, чем в насыщенном растворе, называется пересыщенным. Если насыщенный при температуре 70°С сахарный раствор выпаривать, то по мере удаления из него воды раствор становится пересыщенным и часть сахара будет выделяться в виде кристаллов. То же самое произойдет, если насыщенный при определенной температуре раствор охлаждать.

Степень пересыщения зависит от чистоты раствора и характеризуется коэффициентом пересыщения - числом, показывающим, во сколько раз в данном растворе на единицу воды приходится сахара больше, чем в насыщенном растворе при той же температуре.

Для пересыщенных растворов коэффициент пересыщения больше единицы, для насыщенных - равен единице, ненасыщенных - меньше единицы.

Основная кристаллизация сахарозы проводится выпариванием из пересыщенных растворов в вакуум-аппаратах при низкой температуре (под разрежением) для уменьшения разложения (инверсии) сахарозы и образования красящих веществ.

Технологическая схема кристаллизационного отделения завода имеет несколько ступеней кристаллизации.

При использовании только одной ступени кристаллизации образующийся утфель (так называется смесь кристаллов сахара и межкристальной жидкости) представляет собой малоподвижную массу кристаллов, которую трудно спускать из кристаллизатора (вакуум-аппарата) и перемешивать в мешалке. При двухступенчатой кристаллизации утфель I кристаллизации уваривают до содержания кристаллов 55 % ; при содержании кристаллов свыше 55 % они вплотную придвигаются один к другому и утфель теряет подвижность. В утфеле II кристаллизации количество кристаллов обычно составляет 42-43 %, так как его подвижность дополнительно ограничивается высокой вязкостью межкристального оттека.

 

Рисунок 1 Трехкристаллизационная схема

Рисунок 1 Трехкристаллизационная схема

В России применяются двух- и трехкристаллизационные схемы. На рисунке 1 приведена трехкристаллизационная схема.

По этой схеме очищенный сироп из сборника 1 поступает в вакуум-аппарат 2 на уваривание до содержания 92,5 % сухих веществ. Готовый утфель I кристаллизации (утфель I) спускается в мешалку 18. Из неё утфель поступает через распределитель 19 в центрифуги 20, где центрифугируется с отбором двух оттеков: первого (межкристального раствора утфеля) и второго, полученного в результате промывания (пробеливания) кристаллов сахара горячей водой. Пробеленный сахар влажностью 0,8-1,2 % выгружается из центрифуг и транспортерами направляется на сушку.

Оттеки, полученные при центрифугировании утфеля I, перекачивают в сборник 3 для первого оттека и сборник 4 для второго оттека.

Утфель II уваривают в вакуум-аппарате 5 до 93 % сухих веществ, спускают в приемную мешалку 14 и через распределитель 15 подают в центрифугу 16 . При центрифугировании утфеля II получают два оттека и направляют первый оттек в сборник 6, второй - в сборник 7 .

При уваривании утфеля III в вакуум-аппараты 8 последовательно забирают второй и первый оттеки утфеля II. Содержание сухих веществ в готовом утфеле доводят до 93,5-94,0 % и через приемную мешалку 9 его спускают в кристаллизационную установку 10. Здесь в течение 24-28 ч происходит дополнительная кристаллизация сахара охлаждением от 63-67 до 35-40 ° С. Через распределитель 11 утфель III поступает в центрифуги 12, в которых сахар не пробеливается водой. Отбираемый из этих центрифуг оттек (меласса) взвешивают на весах и перекачивают в емкость на хранение.

Сахар III кристаллизации направляют в аффинатор 13, где он смешивается с первым оттеком утфеля I, разбавленным очищенным соком. При этом образуется аффинационный утфель с содержанием 89-90 % сухих веществ. В процессе перемешивания утфеля (в течение 20 мин) в аффинаторе часть несахаров из пленки на кристаллах сахара переходит (диффундирует) в более чистый межкристальный раствор. Такой способ повышения чистоты сахара III кристаллизации называется аффинацией (очисткой). Из аффинатора утфель подается в распределитель 15 и центрифугируется вместе с утфелем II в центрифугах 16.

После этого сахар II и III кристаллизаций подается в клеровочный аппарат 17, где растворяется (клеруется) в соке II сатурации до содержания 65-70 % сухих веществ. Образующаяся при этом клеровка вместе с сиропом из выпарной установки направляется на сульфитацию.

2.2.7.2. Основное оборудование

2.2.7.2.1. Вакуум аппараты

Рисунок 2 Станция вакуум-аппаратов

Рисунок 2 Станция вакуум-аппаратов

На заводах сахарной промышленности России уваривание утфелей осуществляется в периодически действующих вертикальных вакуум-аппаратах.

В корпусе 9 аппаратов (Рис 3) находятся паровые камеры 12. Обогревательные трубки 4 с наружным диаметром 102 мм ввальцованы в нижнюю и верхнюю трубные решетки 13 паровой камеры 12.

Рисунок 3 Схема вакуум-аппарата

Рисунок 3 Схема вакуум-аппарата

Вакуум-аппарат снабжен патрубком 14, через который в аппарат поступают сироп и оттеки.

Греющий пар входит в камеру через патрубок 11. Конденсат отводится из камеры снизу через патрубок 2, а неконденсирующиеся (аммиачные) газы - из верхней части камеры через патрубок 10.

Во время уваривания утфельная масса циркулирует из нижней части аппарата, по трубкам поднимается в верхнюю часть аппарата на верхнюю трубную решетку и опускается по циркуляционной трубе 3 и кольцевому зазору между стенками аппарата и подвесной камерой, затем вновь поднимается по трубкам и таким образом циркулирует в аппарате. В верхней части аппарата установлена ловушка 7 для брызг.

Пар из вакуум-аппарата направляют в конденсатор через патрубок 6. После окончания варки утфель спускается из аппарата.

Спускное отверстие вакуум-аппарата закрывается конусным клапаном 1, управляемым гидроцилиндром 16 . Перед тем, как спускать утфель из аппарата через патрубок 15, закрывают вентиль разрежения и открывают воздушный вентиль 8 для впуска воздуха в аппарат.

Для наблюдения за кипением увариваемой массы и уровнем заполнения аппарата предназначен ряд смотровых стекол, расположенных по высоте аппарата. Стекла можно пропаривать из барботера 5 периодически изнутри аппарата, что предотвращает их засахаривание. При конденсации пара конденсат растворяет и смывает утфельную массу.

Рисунок 4 Вакуум-аппарат середины XIX в.

Рисунок 4 Вакуум-аппарат середины XIX в.

Пробный кран в нижней части вакуум-аппарата позволяет отбирать пробы увариваемой массы в процессе работы под разрежением.

2.2.7.2.2. Центрифуги

Утфель представляет собой текучую суспензию, состоящую из двух фаз: твердой (кристаллы сахара) и жидкой (межкристальный раствор). Чтобы получить кристаллический сахар, твердую фазу отделяют от жидкой. Раньше межкристальный раствор отделяли от кристаллов в конических формах с отверстием внизу, поставленных вертикально основанием вверх и заполненных утфелем. Под действием силы тяжести раствор очень медленно, в течение нескольких суток, вытекал через нижнее отверстие, а кристаллы оставались в форме. Часть сахарозы из пленки раствора (т.н. "маточной пленки") выкристаллизовывалась и скрепляла их между собой. Таким способом получали так называемые "сахарные головы".

Рисунок 5 Схема периодической центрифуги

Рисунок 5 Схема периодической центрифуги

Сейчас утфель разделяют механическим способом - в центрифугах и называют этот процесс центрифугированием. Центробежная сила, возникающая при вращении ротора центрифуги с утфелем, во много раз больше силы тяжести, поэтому разделение твердой и жидкой фаз происходит быстро.

Центрифуги бывают периодические и непрерывные.

Рисунок 6 Периодическая центрифуга фирмы BMA

Рисунок 6 Периодическая центрифуга фирмы BMA

Центрифуга периодического действия (Рис 5) состоит из ротора (барабана) 8, закрепленного на вертикальном валу при помощи ступицы с ребрами 11, между которыми имеются проемы для выгрузки сахара. Вал свободно подвешен в верхней точке подвесного устройства 4, дающего ему возможность вместе с подшипниками отклоняться от вертикального положения. С электродвигателем 3 вал соединен эластичной муфтой.

Ротор состоит из перфорированной обечайки с подкладочным (дренажным) ситом из нержавеющей стали или латуни, на которое уложено фильтрующее сито с щелевидными отверстиями. Снаружи ротор закрыт кожухом 7, где находятся питатель 5, датчик загрузки 6, узел промывки сахара 1 и механизм среза сахара 2 . Во время загрузки и центрифугирования утфеля нижнее отверстие ротора закрыто конусом 10, над которым расположен распределительный диск 9 .

Рисунок 7 Станция периодических центрифуг фирмы ВМА

Рисунок 7 Станция периодических центрифуг фирмы ВМА

Вращается ротор от пятискоростного электродвигателя переменного тока с синхронной частотой вращения 1500, 1000, 750, 230 и 115 (в обратном направлении) об/мин .

Рисунок 8 Схема конической центрифуги непрерывного действия

Рисунок 8 Схема конической центрифуги непрерывного действия

В автоматическом режиме центрифуга работает следующим образом. При нажатии кнопки "Пуск" включается электропривод, и ротор разгоняется до частоты вращения 230 об/мин . В этот момент открывается клапан питателя 5, утфель поступает на распределительный диск 9 и под действием центробежной силы равномерно распределяется на фильтрующей поверхности ротора. Толщина слоя утфеля достигает 150 мм .

После заполнения ротора утфелем срабатывает датчик загрузки 6, клапан питателя закрывается и начинается разгон ротора последовательно до частот вращения 750, 1000, 1500 об/мин .

Межкристальный раствор под действием центробежной силы проходит через слой сахара, фильтрующее сито, попадает в пространство между ротором и неподвижным кожухом 7 (закожушное пространство) и по лотку с помощью сегрегатора (подвижной заслонки) направляется в сборник первого оттека.

Рисунок 9 Ротор конической центрифуги

Рисунок 9 Ротор конической центрифуги

Центрифугированием удаляется почти весь межкристальный раствор, на кристаллах остается только тонкая пленка, придающая сахару желтоватый цвет. Чтобы снять её, слой сахара промывают (пробеливают) нагретой до 90-100 °С водой, в результате чего образуется второй оттек.

Рисунок 10 Коническая центрифуга фирмы ВМА

Рисунок 10 Коническая центрифуга фирмы ВМА

На пробеливание сахара расходуют 3-3,5 % воды к массе утфеля, в которой растворяется 10-12 % к массе утфеля кристаллической сахарозы. Вода на пробеливание поступает в узел промывки 1 сразу после отделения межкристального раствора. Одновременно в лотке, отводящем оттеки, поворачивается сегрегатор, направляя второй оттек в соответствующий сборник.

После пробеливания начинается торможение электродвигателя центрифуги в порядке, обратном разгону: 1500, 100,750, 230, 0 об/мин . После полной остановки ротор начинает вращаться в обратную сторону, разгоняясь до частоты вращения 115 об/мин .

По команде программного устройства центрифуги конус 10 поднимается и отклоняется в сторону, нож 2 поворачивается к слою сахара и, постепенно опускаясь, срезает его. Срезанный сахар влажностью около 0,8 % просыпается в проемы между ребрами 11 на желоб виброконвейера и передается в сушилку. Как только центрифуга освободится от сахара, нож отводится от сита, поднимается и привод его выключается.

После промывки сит ротор останавливается и сегрегатор возвращается в положение отвода первого оттека. На этом заканчивается цикл (3-4 мин для утфеля I) работы центрифуги.

На рис.6 показан внутренний вид периодической центрифуги фирмы ВМА (Германия), на рис.7 - станция обработки утфеля, оснащенная периодическими центрифугами этой же фирмы.

Рисунок 11 Станция непрерывных центрифуг фирмы ВМА

Рисунок 11 Станция непрерывных центрифуг фирмы ВМА
Рисунок 12 Схема пульсирующей центрифуги непрерывного действия

Рисунок 12 Схема пульсирующей центрифуги непрерывного действия

Автоматизированные центрифуги периодического действия с программным управлением при всей их универсальности имеют ряд недостатков, поэтому утфели последней и промежуточной кристаллизаций, аффинационный утфель более эффективно разделять в конических центрифугах непрерывного действия с инерционной выгрузкой сахара (Рис 8).

В центрифугах подобного типа утфель поступает сверху в нижнюю часть ротора и слоем толщиной до 5 мм под действием центробежной силы, направленной вдоль стенки ротора, перемещается снизу вверх по фильтрующей поверхности. Межкристальный раствор проходит через сито и стекает по неподвижной поверхности кожуха, а сахар выходит через верх ротора и отбрасывается в кольцевую камеру. Для повышения чистоты желтого сахара на сито в верхней части конуса подается промывающая жидкость.

Если в центрифугах циклического действия подвижный слой сахара у поверхности сита выполняет роль фильтра, задерживая мелкие кристаллы и образуя своды над отверстиями сит, то в конических центрифугах фильтром служит сито, размеры отверстий которого (0,08...0.1 мм) не должны превышать размера кристаллов.

В сахарорафинадном производстве применяется пульсирующая центрифуга непрерывного действия. Пульсирующей она называется в соответствии с принципом удаления осадка из ротора центрифуги. Ротор центрифуги непрерывно заполняется утфелем, а осадок удаляется периодически при постоянной скорости вращения ротора. Во время перемещения со ступени на ступень ротора осадок разрыхляется, что способствует хорошему отделению оттеков.

Рисунок 13 Центрифуга середины XIX в.

Рисунок 13 Центрифуга середины XIX в.

Принцип действия центрифуги заключается в следующем (Рис 12). Утфель по питающей трубе и загрузочной воронке, состоящей из двух стенок 6 и 7, непрерывно поступает в ступенчатый ротор 4, вращающийся с постоянной скоростью. Воронка предназначена для равномерного распределения утфеля по всей окружности I ступени ротора. В то время как все ступени ротора, толкатель 3 и воронка вращаются синхронно с постоянной скоростью, толкатель 3 и две ступени ротора I и III, связанные жестко с ним, совершают, кроме того, и возвратно-поступательное движение в осевом направлении при помощи поршня 1 через шток 2 в полом валу 8 . Под действием центробежной силы от утфеля, поступающего на I ступень ротора, отделяется оттек, который отводится через сита и каркас ступеней ротора в сборники; при этом на ступенях образуется слой сахара. Осевым движением толкателя, а также вследствие подпора утфеля, поступающего на I ступень, сахар последовательно сталкивается по направлению к концу ротора. При движении толкателя влево масса упирается в кольцо нижней части неподвижного конуса 7 и сбрасывается на II ступень в освободившееся пространство, которое было занято I ступенью ротора. Таким же образом сахар сбрасывается с III ступени на IV . При движении толкателя вправо утфель поступает на I ступень, а сахар сбрасывается со II ступени на III, и с IV ступени сахар через вращающийся диск 5 поступает в приемник центрифуги. Следовательно, за один рабочий цикл поршня гидропривода из центрифуги удаляется определенное количество отфугованного сахара. Промывка сахара осуществляется при помощи трубы и форсунки.

2.2.7.2.3. Утфелемешалки

Рисунок 14 Утфелемешалка

Рисунок 14 Утфелемешалка
Рисунок 15 Утфелемешалка середины XIXв.

Рисунок 15 Утфелемешалка середины XIXв.

Аппарат предназначен для приема сваренного утфеля из вакуум-аппаратов периодического действия.

Утфелемешалка (Рис 14) представляет собой металлический горизонтально расположенный корпус 3 с полуцилиндрическим днищем и двумя торцевыми стенками. Внутри корпуса на подшипниках скольжения 2 вращается с помощью мотор-редуктора через червячную передачу 1 вал 8 со спирально установленными на нем лопастями 6, соединенными между собой стальной полосой 7. Залив утфеля производится сверху через патрубки 5, спуск через шибер 9. Привод имеет механизм 4 ручного проворачивания вала.

2.2.7.2.4. Утфелераспределители

Рисунок 16 Утфеле- распределитель

Рисунок 16 Утфеле- распределитель

Аппарат предназначен для распределения и равномерной подачи утфеля в несколько центрифуг.

Утфелераспределитель (Рис 16) представляет собой установленный на раме 6 горизонтальный желоба, длина которого соответствует длине фронта батареи центрифуг.

В желобе против каждой центрифуги имеется отверстие, которое закрывается заслонкой 5 шибера. Заслонка приводится в действие от пневмоцилиндра. При открытой заслонке утфель по лотку 4 поступает в центрифугу.

Внутри утфелераспределителя расположен полый вал 3, снабженный перемешивающим приспособлением в виде скребков 1 . Привод вала осуществляется от двигателя через редуктор и червячную передачу. Желоб 2 снаружи имеет тепловые рубашки, внутрь которых подается горячая вода для поддержания постоянной температуры утфеля перед фуговкой.

2.2.7.2.5. Кристаллизационная установка

Рисунок 17 Кристаллизатор

Рисунок 17 Кристаллизатор
Рисунок 18 Схема кристаллизатора

Рисунок 18 Схема кристаллизатора

Из вакуум-аппарата утфель последней кристаллизации поступает в приемную утфелемешалку, а оттуда - в кристаллизационную установку, которая обычно состоит из шести утфелемешалок-кристаллизаторов с дисковой поверхностью теплообмена и действует в непрерывном режиме.

Для улучшения циркуляции утфеля кристаллизаторы соединены: первый и второй, третий и четвертый, пятый и шестой - переходными трубами в нижней части, а второй и третий, четвертый и пятый - желобами в верхней части. Суммарная полезная вместимость и площадь поверхности теплообмена кристаллизационной установки рассчитаны так, чтобы обеспечить охлаждение утфеля с 65-68 до 35-40 °С в течение не менее 36 ч (при трехкристаллизационной схеме). При таком охлаждении происходит дополнительная кристаллизация сахара на образовавшихся в вакуум-аппарате кристаллах сахара. Кроме этого предусмотрен еще один кристаллизатор для некоторого нагревания утфеля перед центрифугированием. Полезная вместимость одного кристаллизатора соответствует полезной вместимости вакуум-аппарата.

Поступая в первый кристаллизатор (Рис 18), утфель с помощью дисков 2 (Рис 19) и лопастей 1 перемешивается и продвигается вдоль оси вала к перегородке 4, образующей с торцевой стенкой корпуса 5 секцию с мешалкой 6 . Из этой секции через проем 8 утфель переходит в следующий кристаллизатор, где движется в обратном направлении и т.д. Навстречу потоку утфеля через полый вал 7 в пустотелые диски 2 поступают аммиачные конденсаты, предварительно охлажденные в выносном теплообменнике. Конденсаты подают в охлаждающую систему последнего кристаллизатора, а выводят из второго кристаллизатора (нумерация от приемного кристаллизатора). Температура охлаждающей воды должна быть на 12-14 °С ниже температуры утфеля во втором кристаллизаторе.

Рисунок 19 Вал с дисками кристаллизатора

Рисунок 19 Вал с дисками кристаллизатора

Внутри пустотелых дисков 2, соединенных между собой трубками 3, установлены две фигурные перегородки 10, направляющие охлаждающую воду в нужном направлении. Перегородки 9 способствуют зигзагообразному движению утфеля вдоль оси кристаллизатора.

2.2.7.2.6. Аффинаторы

Рисунок 20 Аффинатор

Рисунок 20 Аффинатор

Аппарат предназначен для проведения аффинации желтого сахара.

Аппарат (Рис 20) представляет собой установленный на раме 1 корпус 8. В торцевых стенках корпуса крепятся подшипники скольжения 3, которые служат опорами для двух параллельных валов 5, вращающихся от привода 9 . На валах крепятся лопасти 7 с лентой 6, расположенной по винтовой линии, которыми перемешивается и перемещается масса вдоль корпуса к выходному отверстию. В загрузочной части установлена решетка 4 . На участках валов, находящихся под решеткой, крепятся кулаки 2 . При вращении валов кулаки проходят между полосами решетки и измельчают комки сахара. В конце корпуса установлен сливной ящик 11 со сливным патрубком 12, в котором имеется перегородка с регулируемым по высоте порогом. Это дает возможность изменять полезный объем аппарата, а следовательно, и время пребывания массы в нем. В нижней части желоба расположен спускной патрубок 10 для полной разгрузки аппарата.

2.2.7.2.7. Клеровочные аппараты

Рисунок 21 Схема клеровочного аппарата

Рисунок 21 Схема клеровочного аппарата

Аппараты предназначены для растворения (клерования) сахара.

Клеровочный аппарат (Рис 21) представляет собой вертикальный цилиндр с пропеллерной мешалкой 2, вращающийся с частотой 180 об/мин . Для улучшения циркуляции продукта внутри аппарата установлен конический диффузор 3 с ребрами 4 . Смесь сахара и воды (сока) нагревают через барботер 1 паром и интенсивно перемешивают. Для того чтобы процесс был непрерывным, два клеровочных аппарата соединяют между собой переходной трубой. В первый аппарат подают сахар, воду и пар. Образовавшийся сироп с частью нерастворившихся кристаллов переходит через ситчатую перегородку 5 во второй аппарат и там подогревается до температуры 85 °С и доводится до концентрации сухих веществ около 60 % .

 

2.2.5. Сгущение сока 2.2.7. Сушка и упаковка сахара

 

Новости

Аналитика и интересное о сахаре

News in English (delayed)