Кристаллическая основа в процессе уваривания утфеля. Теория кристаллизации. Влияние ПАВ на заводку кристаллов

Кристаллизация сахара – наиболее энергоемкий процесс в сахарном производстве, так как на него расходуется около половины тепловой энергии, направляемой на технологические нужды.

Теория кристаллизации.

Сахароза хорошо растворяется в воде, особенно в кислой среде. Растворимость сахарозы зависит от температуры и давления.

Н0 – коэффициент растворимости, который определяет количество сахарозы, растворенной в 1 кг воды при данной температуре.

Раствор, в котором при данной температуре максимально растворилась сахароза, называется насыщенным, а дальнейшего растворения не происходит потому, что гидратированные молекулы сахарозы и свободной воды находятся в равновесии. С повышением температуры растворимость сахарозы увеличивается,

так как происходит расслабление связи гидратированных молекул сахарозы, и часть свободной воды высвобождается. Коэффициент насыщения зависит от температуры и чистоты раствора. Соли щелочных металлов повышают растворимость сахарозы, а соли кальция, инвертные сахара понижают.

Если объем несахаров меньше межмолекулярного пространства, то молекулы несахара вытесняют свободную воду, которая может гидратироваться с сахарозой, и растворимость сахарозы увеличивается. Если объем несахаров больше межмолекулярного пространства, то растворимость сахарозы ухудшается, так как молекулы несахара вытесняют сахарозу из гидратированной молекулы, образуются гидратированные молукулы несахара. При увеличении температуры степень гидратации несахаров уменьшится, увеличится растворимость сахарозы и коэффициент насыщения. Если объем несахаров меньше межмолекулярного пространства и их концентрация в растворе велика, то при разных температурах наблюдается постоянство коэффициента насыщения. Раствор, который содержит больше растворенной сахарозы, чем насыщенный в данных условиях называется пересыщенным. Истинный коэффициент пересыщения показывает во сколько раз больше растворено сахарозы в данном растворе по сравнению с насыщенным при одинаковой температуре и чистоте.

Пересыщенный раствор отличается от насыщенного тем, что в пересыщенном растворе меньше свободной воды, а больше пустот в межмолекулярном пространстве. С увеличением пересыщения пустоты растут. Пересыщение в процессе кристаллизации происходит при выпаривании воды в вакуум-аппарате и за счет охлаждения в мешалках-кристаллизаторах.

Скорость кристаллизации сахарозы.

Скорость кристаллизации сахарозы при Кп=1: раствор стабилен, так как не происходит ни образование центров кристаллизации ни нарастание кристаллов.

В метастабильной зоне (Кп=1,2) самопроизвольного зарождения кристаллов не происходит. Их вводят извне (затравка сахарной пудры) и происходит равномерное нарастание кристаллов без образования новых центров кристаллизации.

В лабильной зоне (Кп>1,2) недостает свободной воды для полной гидратации молекул сахарозы, появляются молекулы с низкой степенью гидратации, т.е. образуются новые центры кристаллизации.Наращивание кристаллов неравномерное. Это нежелательно, так как выпадение мелких кристаллов приводит к плохому центрифугированию, сита забиваются (мелкие кристаллы растворяют повышением температуры или добавлением небольшого количества воды).

Разность концентраций сахарозы в перенасыщенном и насыщенном растворах – движущая сила кристаллизации.

С увеличением истинного коэффициента пересыщения возрастает скорость кристаллизации сахарозы, от которой зависит продолжительность уваривания утфеля.

Таким образом, процесс кристаллизации проводят в две стадии: зарождают центры кристаллизации и наращивают кристаллы.

Центры кристаллизации создают доведением сахарного раствора до лабильного состояния, вводят затравку (сахарную пудру), происходит возникновение новых центров кристаллизации.

Раствор переводят во вторую стадию, для этого понижают коэффициент пересыщения до метастабильности, где происходит исключительно наращивание кристаллов без образования новых центров кристаллизации, чтобы утфель был высокого качества с однородными кристаллами. При этом нельзя сильно уменьшать коэффициент пересыщения, так как будет низкая скорость кристаллизации, увеличится продолжительность процесса, снизится производительность вакуум-аппарата.

Один из самых важных технологических параметров кристаллизации – степень равномерности кристаллов сахара в утфеле и величина их линейных размеров.

Повышенная неравномерность кристаллов в утфеле приводит к увеличению расхода воды для предотвращения вторичного кристаллообразования при увеличении утфеля и на пробеливание сахара, а также количество возвратов на повторную переработку.

Центрифугирование утфелей с неравномерными кристаллами требует дополнительных затрат электроэнергии, усложняются также процессы сушки сахара и его хранение, повышается запыленность. Проходящие через фильтрующие сита центрифуг для утфеля последней кристаллизации мелкие кристаллы увеличивают содержание сахара в мелассе.

В связи с этим актуальна разработка новых технических решений получения и кристаллизации утфеля с целью понижения затрат тепловой энергии и улучшения качества белого сахара при минимальных потерях последнего в мелассе.

Проблема повышения равномерности кристаллов может быть в значительной мере решена применением способа полной заводки кристаллов с использованием затравочных суспензий или паст поверхностно-активных веществ с содержанием микрокристаллов сахара высокой степени равномерности 10-20 мкм.

При кристаллизации с выпариванием критическая технологическая фаза – наращивание введенных с затравочной пастой кристаллов до размеров, больших 150 мкм, - период максимальной угрозы конгломерации.

Чтобы достичь минимального образования конгломератов в этой фазе, необходимо поддерживать интенсивную циркуляцию утфеля и постоянное, невысокое, равномерное во всех зонах пересыщение межкристального раствора, а также ослабить, насколько это возможно, гидродинамическое взаимодействие кристаллов в период начального их наращивания.

Такие условия трудно реализовать в вакуум-аппарате в начальный период уваривания, когда скорость выпаривания опережает скорость кристаллизации, а наличие поверхности теплообмена обуславливает неравномерность температурных и концентрационных полей в объеме кристаллизата.

Эту фазу начального наращивания кристаллов предлагается вынести из вакуум-аппарата и готовить кристаллическую основу, нарастив кристаллы от 10-20 мкм (в затравочной пасте с ПАВ) до среднего размера 150-250 мкм. Применение  кристаллической основы для начального набора вакуум-аппаратов I кристаллизации позволит значительно повысить равномерность кристаллов в утфелях, уменьшить потери тепловой и электрической энергии в кристаллизационном отделении, увеличить производительность вакуум-аппаратов.

Чем больше содержание кристаллов сахара в утфеле и сухих веществ в межкристальном растворе, тем больше вязкость утфеля.

В случае содержания кристаллов в сваренном утфеле более 39% происходит их частичное растворение. При этом количество растворившихся кристаллов тем больше, чем больше содержание их в утфеле. Так, если содержание кристаллов в сваренном утфеле 40%, то растворение их составляет 0,5%. Кроме того, за счет растворения кристаллов происходит повышение чистоты межкристального раствора. В этом случае исключается также полностью и пересыщение, т.е. раствор становится насыщенным, поэтому чтобы из него выкристаллизовывался сахар, его нужно охлаждать в большей степени, чем, например, раствор с небольшим пересыщением.

В утфеле с содержанием кристаллов до 39% растворение кристаллов не наблюдается, а происходит снятие пересыщения и растворение муки. Поэтому в сваренном утфеле должно быть оптимальное содержание кристаллов. Это зависит от качества неперабатываемой свеклы и соответственно величины чистоты нормальной мелассы.

Для свеклы, при переработки которой получается нормальная меласса с чистотой 55%, оптимальное содержание кристаллов в сваренном утфеле составляет 39%

При охлаждении утфеля с 75 0С до 65 0С происходит выкристаллизовывание сахара и соответственно изменение содержания кристаллов сахара в утфеле и межкристальном растворе.

Утфели с содержанием кристаллов более 55% сверхвязкие. Утфель, охлажденный в кристаллизаторе от 65 0С до 40 0С, допускает предельное содержание кристаллов 46% при вязкости 250 Па·с. Дальнейшее превышение массы кристаллов может привести к поломке мешательных устройств кристаллизатора.

Средний размер кристаллов сахара составляет 0,5 мм. С одной стороны, чем  мельче кристаллы, тем быстрее скорость кристаллизации, а с другой стороны, если размер кристаллов меньше среднего, то концентрация их в растворе больше. С увеличением концентрации увеличивается вязкость, кристаллам становится труднее перемещаться в межкристальном растворе, и скорость кристаллизации уменьшается.

Существует несколько способов для снижения вязкости утфеля перед выгрузкой из вакуум-аппарата:

- раскачка водой (при этом уменьшается содержание сухих веществ в утфеле, что может не соответствовать ГОСТу);

- нагревание ( происходит образование меланоидинов – увеличивается цветность утфеля, а также происходит разрушение сахарозы);

- добавление ПАВ (является самым оптимальным способом снижения вязкости утфеля).