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 |
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 |
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 |
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. |
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 |
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 |
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 |
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 |
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 |
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 |
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 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. |
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 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 |
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 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 |
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 |
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 |
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 |
1 )
КОММЕНТАРИИ