Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные технологии и оборудование для осуществления сатурации (аналитический обзор литературы) 13
1.1. Существующие способы проведения процесса I сатурации 13
1.2. Электрокинетический механизм адсорбции несахаров поверхностью карбоната кальция 19
1.3, Способы интенсификации I сатурации 22
1.3.1. Оптимальные условия процесса сатурации 22
1.3.2. Получение структуры осадка с высокими седиментационно-фильтрационными свойствами 28
1.3.3. Способы повышения утилизации диоксида углерода из сатура-ционного газа 32
1.4. Аппаратурное оформление I сатурации 39
1.5. Цель и задачи исследования 42
Глава 2. Обоснование достоверности результатов исследований (методики и экспериментальные установки) 43
2.1. Характеристики основных реагентов 43
2.2. Описание и методика работы на экспериментальных установках 44
2.2.1. Экспериментальная инжекторно-барботажная установка 44
2.2.2. Пилотная инжекторно-барботажная установка 49
2.3. Методика экспериментального исследования инжекторно-барботаж-ной сатурации 53
2.4. Установка для измерения величины ^-потенциала СаС03. 55
2.5. Методика определения коэффициента использования С02 57
2.6. Математическая обработка результатов исследований 58
Глава 3. Разработка технологических режимов инжекторно-барботажной сатурации 60
3.1. Определение скорости поглощения СОг дефекованным соком 60
3.2. Эффект адсорбционной очистки сахарсодержащего раствора в зависимости от электрокинетического потенциала СаСОз 72
3.3. Дисперсионный анализ сатурационных осадков 77
3.4. Технологические режимы инжекторно-барботажной сатурации дефекованного сока 85
3.5. Инжекторно-барботажная сатурация клеровки сахара-сырца 108
Глава 4. Гидродинамическая обстановка в инжекторно барботажном сатураторе 114
4.1. Обоснование степени карбонизации на инжекторной ступени 116
4.2. Влияние противодавления на эффективность инжекторной сатурации
4.3. Влияние геометрических параметров инжектора на гидродинамическую обстановку ...120
Глава 5. Разработка аппаратурного оформления для инжекторно-барботажной сатурации 124
5.1. Аппаратурное оформление инжекторно-барботажных сатураторов... 124
5.2. Принципы снижения карбонатных отложений в инжекторных
устройствах 143
Основные выводы и результаты 150
Список использованной литературы
- Оптимальные условия процесса сатурации
- Экспериментальная инжекторно-барботажная установка
- Эффект адсорбционной очистки сахарсодержащего раствора в зависимости от электрокинетического потенциала СаСОз
- Влияние геометрических параметров инжектора на гидродинамическую обстановку
Введение к работе
В соответствии с общемировыми тенденциями приоритетными направлениями развития пищевой промышленности являются ресурсосбережение и мониторинг окружающей среды. Особенно актуальны эти направления для сахарного производства, поскольку оно - одно из самых ресурсоемких отраслей пищевой промышленности.
Для решения научно-технических и производственных проблем сахарной промышленности в соответствии с федеральной целевой программой "Увеличение производства сахара в Российской Федерации в 1997 - 2000 годах и на период до 2005 года" планируется увеличить производство свеклы до 37,86 млн, т в год, а объем выработки сахара — до 4 млн. т [156]. В связи с этим одной из основных задач, обеспечивающих увеличение производства сахара в Российской Федерации, считается сокращение потерь свеклы и сахара при уборке, транспортировке, хранении и переработке сырья на основе внедрения новой техники и передовых технологий [18, 64, 65, 74, 76].
Возможности традиционной технологии сахарного производства при достижении соответствующего уровня автоматизации вскоре будут максимально исчерпаны, поэтому достижение указанных целей возможно при условии инновационного развития, включающего научные исследования, технические разработки и их использование в производстве [13, 118].
Одним из основных направлений научных исследований по проблемам сахарной промышленности является разработка теоретически обоснованных методов интенсификации процессов очистки сахарсодержащих растворов с помощью различных физических и химических воздействий, разработка новых технологических процессов и аппаратов, позволяющих сократить расход извести и сатурационного газа [19,34, 64, 65, 142].
Процессы очистки диффузионного сока основываются на применении извести и угольной кислоты. Обработка этими реагентами оптимизировалась на протяжении многих лет и до настоящего времени по эффективности, экономичности и
7 практической применимости ей нет равных среди других методов очистки [20].
Актуальность работы. Интенсификация процессов свеклосахарного производства и создание высокоэффективного оборудования могут быть осуществлены только путем развития физико-химических основ, обеспечивающих оптимальные условия проведения процессов тепло- и массообмена, гидродинамического взаимодействия фаз [157].
Одним из важнейших этапов технологии получения сахара из свеклы является процесс известково-углекислотной очистки диффузионного сока.
Применительно к традиционной технологии производства сахара вопросы ресурсосбережения и интенсификации процессов на технологическом этапе известково-углекислотной очистки диффузионного сока на сахарных заводах решены недостаточно. Характерным примером служит повышенный расход известнякового камня на производство, который в РФ в 2002 г. составлял 6,98 % к массе свеклы, а в странах ЕС - 2,65 %. Сокращение расхода извести в настоящее время связано с оптимизацией адсорбционной очистки карбонатом кальция, образующимся при известково-углекислотной обработке сахарсодержащих растворов [85].
Современные способы формирования структуры осадка и его седимен-тационно-фильтрационных свойств практически снимают вопрос о необходимости больших затрат извести на эти цели. Затраты извести на осаждение неса-харов диффузионного сока не превышают 0,25-0,30 % по массе свеклы. Поэтому сокращение расхода извести в настоящее время связано с оптимизацией адсорбционной очистки карбонатом кальция, образующимся при известково-углекислотной обработке сахарсодержащих растворов [120].
Как известно, степень использования диоксида углерода (СОг) в сатурационном газе зависит, в основном, от конструкции сатуратора.
В отечественной сахарной промышленности типовым оборудованием для проведения первой сатурации является модернизированный барботерный сатуратор Ш1-ПАС [142]. На ряде заводов такие аппараты, а также сатураторы 1С модернизированы с установкой лучевых барботеров. Опыт эксплуатации таких сатура-
8 торов [119, 129] показал, что во всем объеме аппарата активная щелочность близка к конечной, т.е. около ОД % СаО и не обнаруживается зон высокой щелочности в объеме аппарата. Это свидетельствует о неудовлетворительной гидродинамической и технологической обстановке в сатурационном аппарате. Как известно, в условиях низкой суммарной щелочности нельзя увеличить эффект адсорбционной очистки на осадке карбоната кальция, который обладает повышенной адсорбционной способностью при образовании в условиях высокой щелочности.
В большинстве случаев на сахарных заводах РФ коэффициент использования диоксида углерода в типовых сатураторах не превышает 50-60 %, что значительно ниже минимально допустимой величины 73 % [136] при сбалансированном потреблении известкового молока и сатурационного газа для очистки диффузионного сока и клеровки сахара-сырца [86, 87]. Вследствие этого заводы вынуждены перерасходовать топливо при дополнительном обжиге известняка и выводить часть извести на товарную. Кроме того, при низком коэффициенте использования диоксида углерода увеличиваются тепловые потери [29], время сатурации, повышается цветность соков и нарушается экологическая обстановка атмосферы из-за излишних выбросов диоксида углерода с отработанным са-турационным газом [126].
Техническая оснащенность сатурационными аппаратами предприятий сахарной промышленности не отвечает современным требованиям, в связи с чем программой «Сахар» предусмотрено проектирование и изготовление опытного образца аппарата I сатурации корпорацией «Компомаш» и РНИИСП [156].
Известно, что степень удаления солей кальция при известково-углекислотной очистке диффузионного сока влияет на чистоту очищенного сока, накипеобразование в процессе выпаривания, кристаллизацию и потери сахара в мелассе. Поэтому большое внимание уделяется мероприятиям, направленным на максимальное снижение содержания солей кальция в очищенных соках за счет интенсификации процессов очистки, в том числе процессов сатурации. Например, повышение чистоты очищенного сока на 1% приводит к уве-
9 личению выхода сахара приблизительно на 0,3 % к массе свеклы [139].
Большой вклад в исследования, связанные с совершенствованием технологии известково-углекислотной очистки внесли ученые: П.М. Силин, С.З. Иванов, А.Р. Сапронов, М.И. Даишев, В.М, Перелыгин, И.Ф. Бугаенко, Л.Д. Бобровник, Л.П. Рева, К.П. Захаров, В.З. Семененко, Ю.И. Молотилин, В.А. Лосева, В.А. Голыбин, М.П. Купчик, А.А. Славянский, Ю.И. Сидоренко, Н.М. Подгорнова, Р.С. Решетова и многие другие.
Отдельные разделы диссертационной работы выполнялись в 2003-2004 гг. в рамках проекта № 204.04.03.033 «Повышение утилизации диоксида углерода при осуществлении инжекторной сатурации сахарсодержащих растворов и разработка аппаратов с высоким эффектом адсорбционной очистки» (номер государственной регистрации НИР: 01.20.03 15696) по научно-технической программе Министерства образования РФ: "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", подпрограмма: 204 «Технологии живых систем». Работа выполнена также по координационному плану госбюджетной НИР кафедры технологии сахаристых веществ ВГТА «Разработка новых и совершенствование существующих технологий, оборудования и методов контроля сахарного производства» (номер государственной регистрации 01970000492).
Научная новизна. Получены математические модели в виде многомерных полиномиальных регрессий второго порядка для степени адсорбционного удаления несахаров, чистоты диффузионного сока, щелочности фильтрованного сока I сатурации и скорости седиментации.
Определены оптимальные условия проведения инжекторно-барботажной I сатурации методом безусловной оптимизации, исходя из максимальной степени удаления растворенных несахаров и с учетом фильтрационно-седиментационных показателей осадков.
Оценено влияние противодавления в инжекторной ступени на технологические режимы инжекторно-барботажной сатурации.
Установлено влияние противодавления на величину объемного коэффициента подачи газо-жидкостной смеси в инжекторе при изменении главного геометрического параметра.
Изучен эффект адсорбционной очистки сахарсодержащего раствора на инжекторной ступени в зависимости от электрокинетического потенциала (С,-потенциала) CaCOj.
Приоритет новых технических решений, направленных на совершенствование и интенсификацию технологии известково-углекислотной очистки свеклосахарных соков и клеровок сахара-сырца в сатураторах защищен патентами РФ на изобретения №№ 2196829, 2217502, 2230122, 2230123, 2204740, 2241863.
Практическая значимость и реализация результатов работы. По результатам научных исследований для практического использования предложены двухступенчатый инжекторно-барботажный способ сатурации сахарсодержащих растворов и аппаратурное оформление, прошедшие апробацию в заводских условиях, а также самоочищающиеся от карбонатных отложений инжекторы.
Показано, что значение рН сока I сатурации, используемое для управления и оптимизации процесса необходимо уточнять по щелочности и корректировать по чистоте диффузионного сока на основе установленной трехфактор-ной зависимости этих параметров.
В результате выполнения работы рекомендованы промышленности аппараты, в которых для повышения степени утилизации диоксида углерода из са-турационного газа используются принципы создания противодавления, развития поверхности контакта фаз, непрерывного обновления фаз и их усиленной турбулизации: сатуратор по пат. № 2230122 с разделением корпуса аппарата на две ступени: инжекторную, осуществляемую при повышенном давлении и бар-ботажную; установка для очистки сахарсодержащего раствора по пат. № 2230123, в которой ступень предварительной инжекторной сатурации раствора от- работанным сатурационным газом реализована безнасосным способом за счет гидростатического давления, вызванного перепадом высоты по уровню раствора в дефекаторе и сатураторе; модернизация типового аппарата I сатурации в аппарат инжекторно-барботажного типа по пат № 2196829 путем оснащения сатуратора выносной обечайкой с жидкостно-газовым инжектором для предварительной сатурации; установка для сатурации сахарсодержащего раствора с двумя газожидкостными инжекторными ступенями и использованием в качестве активной среды парогазовой смеси по пат. № 2217502; устройство для дефекосатурации сахарсодержащего раствора по заявке № 2003129932 с целью получения осадка карбоната кальция с улучшенными фильтрационно-седиментационными свойствами и повышения эффективности очистки; самоочищающиеся от карбонатных отложений жидкостно-газовые инжекторы с электродинамическими излучателями по патентам № 2204740, 2241863.
Разработана технологическая схема очистки сахарсодержащих растворов с использованием инжекторно-барботажной сатурации.
Предложенные способы инжекторно-барботажной сатурации испытаны на пилотной установке и внедрены в производство на ЗАО «Кристалл-Бел», (п. Чер-нянка, Белгородская обл.). Расчетный экономический эффект в результате экономии известняка и топлива составляет за 1 месяц - 358318 руб. при переработке 3327 т/сутки свеклы и 256252 руб. при переработке 713 т/сутки сахара-сырца.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре технологии сахаристых веществ Воронежской государственной технологической академии при чтении лекций, выполнении курсового и дипломного проектирования, при проведении научно-исследовательской работы со студентами; включены в методические пособия.
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненные автором доложены на отчетных научных конференциях ВГТА (Воронеж, 2002-2004); научно-практической конференции «Пути повышения эффективности сахарного производства» (Курск, РНИИСП, 2003); научно-технической конференции «Технологии живых систем: Раздел 04. «Высокоэффективные пищевые технологии и технические средства для их реализации» (Москва, МГУПП, 2003, 2004); научно-практической конференции РАСХН «Наукоемкие и конкурентоспособные технологии продуктов питания со специальными свойствами» (Углич, 2003); международной научно-практической конференции «Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств» (Краснодар, 2002); международной научно-практической конференции «Актуальные направления развития экологически безопасных технологий производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» (Воронеж, ВГАУ, 2003); II международной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество» (Краснообск, 2002).
Работа награждена двумя дипломами за участие в конференции-выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, МГУПП, 2003, 2004), а также дипломом международной научно-технической конференции «Пища. Экология. Человек» (Москва, МГУПБ, 2003).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе получено 6 патентов РФ на изобретения и подана 1 заявка.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, пять глав, выводы и рекомендации промышленности, список использованной литературы и приложения. Работа изложена на 201 странице, включающих 147 страниц основного текста, 30 рисунков, 16 таблиц, библиографический список 165 отечественных и 40 иностранных источников и 28 страниц приложений.
Диссертационная работа выполнялась на кафедре технологии сахаристых веществ ВГТА и на сахарном заводе ЗАО «Кристалл-Бел».
Оптимальные условия процесса сатурации
Адсорбционная очистка сока от несахаров при оптимальном осуществлении вносит существенный вклад в общий эффект очистки, так как на I сатурации из сока адсорбируется до 20 % всех несахаров, удаляемых при известково-углекислотной очистке [16].
Эффект очистки на I сатурации зависит от ряда технологических факторов, важнейшими из которых являются: количество извести, щелочность (рН), температура, продолжительность процесса.
Расход извести на очистку является главным из этих факторов. С увеличением количества добавляемой извести, как это следует из уравнения изотермы адсорбции Фрейндлиха [17, 20], степень удаления несахаров (соответственно и величина эффекта очистки) возрастает по степенной зависимости х/т=кС, (5) где х/т - количество адсорбированного вещества на единицу массы адсорбента; С - равновесная концентрация; к и п - постоянные.
В среднем при переработке свеклы нормального качества при расходе извести 1,5 % СаО эффект очистки составляет около 30 %. При увеличении расхода извести с 1,5 до 2,0 % - он возрастает до 37 % [20].
Величина щелочности и рН сатурации. Один из этапов повышения эффективности процесса I сатурации - поддержание правильного технологического режима, в частности оптимальных значений рН (щелочности) соков [79, 127, 178, 204]. Известно, что конечная величина рН (щелочности) I сатурации устанавливается, исходя из седиментационно-фильтрационных характеристик соков [136]. Реже оптимальное значение рН устанавливают по минимальной цветности соков [168, 172]. Общепринятым оптимальным интервалом значений рН в условиях I сатурации считаются величины 10,8-11,2 (щелочность сока 0,09- 0,11 % СаО), Однако, как показывает практика, очень часто эта границы не соответствуют качественным показателям сока, что и приводит к затруднениям на последующих технологических этапах производства.
Ряд исследователей считают, что оптимальная щелочность сока I сатурации является определяющей для эффекта очистки. Например, при повышении щелочности сока I сатурации от 0,07 до 0,11 % СаО дополнительно адсорбируется 15 % красящих веществ [185,196,198,199].
В работе [79] для свеклы хорошего качества рекомендованы несколько другие значения рН2о сока I сатурации 11,2-11,3 (щелочность 0,10-0,12 % СаО), при которых обеспечивается предельное количество удаляемых несахаров. Однако при этом подчеркивается, что высокие адсорбционные свойства могут не соответствовать хорошим фильтрационным и седиментационным показателям соков.
В Инструкции [47] говорится, что «оптимальной щелочностью сока I сатурации считается максимально высокая щелочность этого сока, при которой работа фильтрационного отделения протекает нормально».
На отечественных сахарных заводах оптимальные условия процесса I сатурации определяют, как правило, по скорости осаждения, изредка - по фильтрационному коэффициенту [79].
В последние годы за рубежом появились сообщения о методе определения оптимальной щелочности сока I сатурации по минимуму цветности фильтрованного сока II сатурации. Для этого строится кривая коагуляции по светопо-глощению при длине волны А,=560 нм в зависимости от величины рН. Установлено, что минимум цветности достигается при той же величине рН, что и для оптимума коагуляции белков [85]. В работе подчеркнуто, что оптимальная щелочность сока I сатурации обычно находится в пределах от 0,075 до 0,11 г СаО/100 см3 и связана с фильтрационными свойствами и удалением несахаров.
Бобровник Л. Д. указывает [16], что оптимальной щелочностью I сатурации считают щелочность, при которой получают сок минимальной цветности и сату-рационный осадок с хорошими седиментационно-фильтрационными свойствами.
Анализ литературных данных [20, 47, 79, 137, 183, 187] показал, что при условии установления оптимальной величины рН (щелочности) на I сатурации не учитывается степень адсорбционной очистки сока от несахаров, в частности, от анионов кислот, белковых и красящих веществ.
Таким образом, как показано в работах [127, 130], целью дальнейших исследований должно являться изучение степени удаления анионов кислот, белковых и красящих веществ в зависимости от рН (щелочности) I сатурации, (определения их максимальных значений, соответствующих оптимальным условиям проведения процесса.
Экспериментальная инжекторно-барботажная установка
Повышение степени использования диоксида углерода на I сатурации до 60-70 % имеет важное значение для обеспечения нормального расхода известняка и топлива, а также ритмичной работы станции очистки сока, однако на большинстве сахарных заводов не достигается этот уровень использования 0(.
К практически целесообразным способам повышения утилизации диоксида углерода следует отнести: 1) насыщение сатурационного газа водяным паром; 2) увеличение высоты барботажного слоя в сатураторе; 3) диспергирование сатурационного газа с помощью трубок Рихтера; 4) сатурация под повышенным давлением; 5) сатурация с использованием массообменных элементов и пульсационных воздействий; 6) распиливание сока или клеровки в наджидкостном пространстве сатуратора.
Первый способ заключается в насыщении сатурационного газа перед вводом его в аппарат водяным паром до равновесного парциального давления при температуре сока в сатураторе [146], Перед поступлением в аппарат сату-рационный газ имеет обычно температуру около 60 С и содержит водяной пар в количестве, соответствующем равновесному парциальному давлению его при температуре (30-35 С) выхода газа из лаверов. При барботаже сатурационный газ нагревается до температуры сока и насыщается водяным паром (на сатурации испаряется до 1,5 % воды). Вследствие испарения воды пар поступает в поднимающиеся пузыри сатурационного газа, и, так как поглощение СОг и выделение пара осуществляется через одну и ту же поверхность контакта газ-сок, часть поверхности контакта становится недоступной для поглощения диоксида углерода. Кроме того, основному потоку СО2 оказывает существенное сопротивление противоположно направленный паровой поток от поверхности контакта в объем газового пузыря. В результате наблюдается снижение скорости поглощения диоксида углерсйвеиазіЕішнюлБвоианяньбійІ вияьішается в предложенном способе путем устранения встречного поглощаемому газу парового потока и увеличения эффективной поверхности контакта газ-сок, так как исключается выделение пара с поверхности сока и она полиостью участвует в поглощении диоксида углерода. В результате лабораторных опытов [146] установлено, что без насыщения газовой смеси водяным паром степень использования С02 равнялась 49,5 %, а при предварительном насыщении газа паром - 75,0 %.
Проведенные заводские исследования сатурации дефекованного сока показали, что при предварительном насыщении сатурационного газа водяным паром II корпуса выпарной установки степень использования СОг выше в среднем в 1,3 раза, чем при работе без предварительного насыщения газа.
Были также проведены испытания предложенного способа повышения степени использования ССЬ при сатурации дефекованной клеровки в типовом аппарате I сатурации, которые показали, что предварительное насыщение сатурационного газа водяным паром из I корпуса выпарной установки при температуре поступающей в сатуратор клеровки позволило повысить использование диоксида углерода в среднем на 20 %.
Увеличение высоты барботажного слоя в сатураторе. Опыт работы существующих сатураторов свидетельствует о низкой утилизации газа, при которой коэффициент использования С02 составляет 50-60 % [142] . Исследованиями лаборатории очистки сока ВНИИСПа [25, 55] установлено, что утилизация С02 возрастает с повышением уровня сока в сату Рис. 2, Зависимость коэффициента утилизации С02 раторе (рис. 2). При этом от высоты уровня сока в типовом сатураторе достигаются более высокие скорости потока, хорошее перемешивание диффузионного сока и известкового молока, увеличиваются поверхность и время контакта взаимодействующих фаз (диоксида углерода и дефекованного сока). Из графика следует, что при уровне сока 4,0 м коэффициент использования СОг находится в пределах 70 %.
Как считает Хомичак Л. М. [160], этого вполне достаточно для работы станции сатурации при обжиге известняка твердым топливом. Он мотивирует это тем, что из всего количества С02, содержащегося в сатурационном газе, - 70 % получено от разложения СаСОз, а 30 % - от сгорания твердого топлива. Например, при содержании в сатурационном газе 36 % С02 24 % получено от разложения СаСОз, а 12 % - от сгорания твердого топлива. То-есть общее количество С02 в сатурационном газе превышает эквивалентное ему и подлежащее нейтрализации количество извести на 30 %. Избыточные 30 % газа компенсируют низкий КПД сатуратора. Из этого Хомичак Л. М. делает вывод, что хорошо работающий сатуратор, как в свеклосахарном, так и в сырцовом производстве - это сатуратор, способный утилизировать 70 % общего СОг, содержащегося в сатурационном газе. Значительное превышение этой величины приведет к ситуации полностью противоположной тому, что на заводе называ 35 ется "нехваткой газа". Например, при степени использования диоксида углерода равной 90 %, не будет хватать извести, и для поддержания нормальной шёлочности сатурируемых соков придётся неоправданно увеличивать количество извести, даваемой на очистку сока, повышая тем самым расход известняка и топлива, идущего на его обжиг. Кроме того, увеличенный выше нормативного расход извести приводит к форсированию работы печи, заставляя уве-личивать съём СаО в т/м -сутки. Это ужесточает обжиг и даёт много пережога, который не разгашивается при получении известкового молока и удаляется с отходами при его очистке, а Са(ОН)2 получается грубодисперсным, не обеспечивающим высокий эффект очистки при дефекосатурации. В результате, при всех прочих равных условиях может снизиться выход сахара.
Данное обоснование Хомичака Л. М. находится в противоречии с тенденциями развития зарубежной сахарной промышленности [85, 189], где на I сатурации уже достигнут Ky SO-90 % за счет увеличения высоты барботажного слоя (в аппаратах фирмы «ВМА» уровень сока поддерживается равным 7 м).
Рева Л, П. также считает [126, 147], что наиболее простым способом повышения утилизации диоксида углерода является увеличение уровня сока в аппарате до 4,5-5,0 м, но это связано с необходимостью установки высоконапорных газовых насосов. Для этого применяются поршневые насосы, турбокомпрессоры и ротационные компрессоры, которые потребляют значительную мощность. Например, для подачи 10 м3 сатурационного газа потребляемая мощность составляет: РМК - 20 кВт, ТК - 20 кВт и поршневых насосов -15 кВт [33].
Эффект адсорбционной очистки сахарсодержащего раствора в зависимости от электрокинетического потенциала СаСОз
Обоснованием целесообразности инжекторной ступени сатурации является то, что диоксид углерода относится к труднорастворимому в воде газу, поэтому при наличии химических поглотителей, растворенных в жидкости (в данном случае Са(ОН)2 и С Ь Оц-СаО), реакция между газом и абсорбентом происходит на поверхности жидкостной пленки [114, 123]. Поскольку коэффициент диффузии СОг в газе во много раз превышает коэффициент диффузии его в соке, то факторами, определяющими скорость поглощения, являются концентрация химически активной части абсорбента (а именно скорость диффузии Са(ОН)2 и СігНггОп-СаО из массы сока к поверхности раздела фаз) и величина поверхности контакта фаз.
Сделанные оценки скорости поглощения СОг на инжекторной ступени позволяют сделать вывод о том, что при максимальном увеличении межфазовой поверхности контакта С02 и щелочного сахарсодержащего раствора в пенном потоке, обеспечении непрерывного обновления поверхности контакта фаз, их усиленной турбулизации и поддержании избыточного давления можно успешно вести процесс I сатурации двухступенчатым инжекторно-барботажным способом.
Процесс формирования осадка на I сатурации является сложным и протекает через ряд промежуточных стадий. Преимущественно большинство авторов выделяют три периода, наблюдаемые при поглощении С02 дефекованным соком [16, 62, 63, 81, 82, 131, 132, 141, 186, 197].
В начале процесса, на первом этапе, образуются комплексные соединения - углекальциевые сахараты. При этом раствор остается чистым и щелочность в нем не изменяется пропорционально количеству поглощенного С02. Образование растворимых карбонато-сахаратов кальция подтверждается понижением поляризации раствора. Затем, при дальнейшем сатурировании на втором этапе, когда к раствору прибавляется более половины СОг, эти соединения превращаются в коллоидные растворы — золи, а затем на третьем этапе - гель карбоната кальция, переходящий в кристаллический СаСОз Однако лимитирующей стадией всего этого процесса является растворение газа С02. Скорость растворения углекислого газа зависит от различных факторов: величины рН среды, концентрации сахарозы, температуры, интенсивности перемешивания и парциального давления С02 [157].
По закону Генри растворимость газа в жидкости прямопропорциональна парциальному давлению его над поверхностью адсорбента. По закону Дальтона парциальное давление компонента в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в смеси. Поэтому при повышенном давлении растворимость диоксида углерода в соке увеличивается [121].
Известно, что для получения высокого эффекта адсорбционной очистки необходим мелкодисперсный осадок, образующийся при высокой щелочности, что достигается в зоне инжекторной сатурации. В результате повышенной раздробленности поверхность карбоната кальция приобретает дополнительный избыток поверхностной энергии, что существенным образом влияет на интенсификацию всех поверхностных явлений, в том числе адсорбцию несахаров.
Осадок СаСОз в момент образования на инжекторной ступени представляет собой коллоидную систему и характеризуется электрокинетическим по-тенциалом, который в условиях избытка ионов Са имеет положительный заряд. На положительно заряженной поверхности мелкокристаллического СаСОз с высоким зарядом поверхности происходит адсорбция многовалентных проти-воионов-анионов несахаров дефекованного сока и отрицательно заряженных частиц осадков коллоидов ВМС дефекованного сока в сверхэквивалентных количествах. В этих условиях происходит перезарядка поверхности и изменение знака С, - потенциала, из положительного он становится отрицательным. При этом силы межмолекулярного притяжения преобладают над силами электростатического отталкивания, что способствует потере агрегативной устойчивости частиц осадка и их укрупнению.
Однако при последующей карбонатации на барботажной ступени углекислым газом происходит наряду с адсорбционными процессами дальнейшее наращивание кристаллического СаСОз, которое связано с количеством извести, имеющейся в соке. За счет этого происходит уплотнение агрегатов, их инкрустация карбонатом кальция, что способствует лучшей фильтрации. Это хорошо согласуется с работами ВНИИСП и исследованиями Пражского химико-технологического института [14, 20, 49, 83, 149, 164].
Время пребывания, равное 5 мин, высота аппарата барботажной ступени пилотной установки (рис. 7, 8) и, связанная с этим степень карбонатации, достигающая максимального значения, равного 75 %, могут быть рассчитаны таким образом, чтобы сатурационный процесс протекал без рециркуляции сока. При этом возрастает производительность процесса, увеличивается в условиях высокой щелочности термоустойчивость сока и исключается возможность пеп-тизации агрегатов осадка.
Экспериментально установлено, что фильтрационно-седиментационные свойства осадка в этих условиях не уступают осадкам, полученным по типовой технологической схеме с 5-й кратной насосной рециркуляцией.
Влияние геометрических параметров инжектора на гидродинамическую обстановку
Сатурация щелочных растворов сахара при его высоких концентрациях (клеровок сахара-сырца) имеет существенные особенности, которые обусловлены не только возрастающим влиянием реологических характеристик раствора, но и химизмом процессов, протекающих с участием сахарозы.
В клеровках сахара-сырца, имеющих СВ 55 %, вся известь находится в растворе, и реакция между карбонат-ионом идет преимущественно с кальцием, находящимся в комплексе с сахарозой и в результате образуются углекальцие-вые сахараты [67, 70, 72, 84, 158, 166, 167]: 2[CamCxnf +ІСОГ [СатСхп]2(С03);. Это приводит к тому, что в первый период после прохождения ССЬ через дефеко ванную клеровку отсутствует карбонат кальция в осадке. Наблюдается постепенное, а не спонтанное образование СаСОз.
Наличие углекальциевых сахаратов приводит не только к повышению вязкости клеровок, но и проявлению псевдопластических свойств сатурированной клеровки. Это неизбежно ухудшает гидродинамические условия сатурации и снижает скорость абсорбции С02 [67, 182]. Например, коэффициент массоот-дачи снижается в 4-5 раз по сравнению с сатурацией дефекованного сока [84], а коэффициент утилизации при этом может составлять 42-55 %, что приводит к перерасходу известняка соответственно на 50-20 % [86].
Исходя из анализа результатов проведенных исследований [51, 67, 84, 86, 104, 105, 107, 109, ПО, 111] можно утверждать, что для повышения эффективности абсорбции диоксида углерода, особенно концентрированными известко-во-сахарными растворами, сатурацию необходимо вести при повышенной начальной щелочности сатурируемой системы, низкой температуре процесса, максимальном увеличении межфазной поверхности контакта фаз "раствор-газ", непрерывном обновлении фаз и их усиленной турбулизации. Известно также, что различные группы красящих веществ максимально адсорбируются при различных значениях щелочности. Поэтому для эффективной адсорбции необходимо снижение щелочности от начальной до оптимальной величины. Такой прием сатурации целесообразно осуществлять в аппарате с прямоточной пер вой ступенью и при повышенной начальной щелочности раствора.
Исходя из сформулированных выше технических и технологических критериев испытывали инжекторно-барботажный способ сатурации клеровки сахара-сырца в лабораторных условиях (табл. 13) на экспериментальной установке (рис. 4, 5). Для приготовления клеровки с содержанием сухих веществ 55 % использовался сахар-сырец цветностью 19 условных единиц. При инжекторной сатурации в аппарате создавалось воздушным компрессором противодавление Рс=0,02-0,04 МПа и устанавливался расход газа по материальному балансу реакции взаимодействия СаО и СС 2 с учетом расхода извести, подаваемой с раствором.
Максимальный эффект очистки, оцениваемый по изменению чистоты растворов и оптической плотности при инжекторно-барботажной сатурации клеровки был достигнут при рН 10,1-10,2.
Эффективность I сатурации клеровки сахара-сырца инжекторно-барбо-тажным способом целесообразно проанализировать отдельно выделяя эффекты на первой ступени. Так например, средний эффект очистки (табл. 13) после инжекторной ступени составляет 23,7 % и практически равен эффекту очистки при сатурации в течение 24-25 мин барботажным способом в опытах №№ 1,5, 6 (табл. 14), что подтверждает указанные выше предпосылки о высокой адсорбционной способности СаСОз в момент образования при прямоточном взаимодействии фаз и высокой начальной щелочности клеровки. Степень удаления красящих веществ на инжекторной ступени в среднем составила 15,8 %, что ниже удаления несахаров 59,9 % на барботажной. При этом коэффициент утилизации СОг на инжекторной ступени имеет среднюю величину 60,3 %, в то время как на барботажной - 39,4 %,
После двухступенчатой инжекторно-барботажной сатурации клеровки сахара-сырца преимущества по сравнению с периодической барботажной сатурацией в слое 0,5-0,85 м становятся более очевидными. Эффект очистки возрастает с 23,7 до 65,4 %, а общий коэффициент утилизации увеличивается до 76 %. Показано, что кинетика изменения щелочности сатурируемой клеровки барботажным способом имеет вид близкий к гиперболе и иллюстрирует низкую интенсивность его протекания (экстраполированная длительность процесса 37 мин). Для сравнения, инструкцией [46] предусмотрена длительность процесса I сатурации в зависимости от типа аппарата не менее 30-35 мин.
Анализ результатов инжекторной ступени сатурации показывает, что снижение содержания извести в клеровке сахара-сырца происходит с 1,85-2,7 % до 1,17-1,64 % СаО. Это еще раз показывает, что целесообразно применять комбинирование инжекторной ступени сатурации с барботажной для получения конечной щелочности и равномерного наращивания кристаллов СаС03.
Эффективность двухступенчатой инжекторно-барботажной сатурации проверялась в заводских условиях ЗАО «Кристалл-Бел» безрециркуляционным способом на пилотной установке производительностью по клеровке 5 м3/ч (рис. 7, 8). Инжекторная ступень сатурации осуществлялась при давлении жидкостного потока на инжекторе 0,15-0,18 МПа и противодавлении сатурационно-го газа 0,03-0,04 МПа. Пробоотбор осуществлялся одновременно после инжекторной и барботажной ступеней (табл. 15).
В типовом сатураторе осуществлялась двойная рециркуляция сатурируемой клеровки: внутриаппаратная газлифтным способом с помощью цилиндрической вставки и во внешнем контуре за счет распыления сатурированной клеровки форсунками в наджидкостном пространстве сатуратора. Технологический процесс в типовом сатураторе (табл. 16) осуществлялся в соответствии [46].
Анализируя данные, полученные в ходе испытаний, можно сделать обоснованные выводы о том, что инжекторно-барботажная сатурация клеровки сахара-сырца с повышенным давлением на инжекторной ступени позволяет: 1. Повысить степень адсорбционного удаления красящих веществ из клеровки сахара-сырца с 40-45 до 65-70 %. 2. Увеличить коэффициент использования диоксида углерода сатурацион-ного газа с 42-50 до 60-65 %. 3. Снизить расход известнякового камня на 3 % и исключить образование товарной извести.
