Варианты процесса уваривания утфеля
25-04-2017, 18:12
В области уваривания утфелей за последние 30 лет новаторы производства добились значительных успехов: процесс уваривания ускорен в 2—3 раза. Это достигнуто путем ряда мероприятий, которые главным образом ускоряют выпаривание воды и кристаллизацию сахара. Рассмотрим варианты работы по отдельным стадиям уваривания.
Первоначальное сгущение. Для первоначального сгущения набирают столько сиропа в вакуум-аппарат, чтобы кипящий сироп и после сгущения его покрывал полностью всю поверхность нагрева, что ускоряет выпаривание воды и предотвращает возможность пригорания сиропа к поверхности нагрева. Поэтому для стадии первоначального сгущения приходится взять в аппарат около 7з общего количества сиропа, идущего на полную варку.
Уваривание с начала и до конца идет на полном разрежении, какое дает воздушный насос, т. е. при минимальной температуре кипения, которая по мере сгущения и заполнения аппарата постепенно поднимается от 60—65 до 75—80° С. Максимальное разрежение таким образом создает и максимальную разность температур греющего пара и кипящего сиропа, что увеличивает теплопередачу и ускоряет выпаривание воды. Первоначальное сгущение длится около 30 мин, тогда как раньше оно затягивалось до 45 мин и более, так как образование кристаллов считали необходимым вести при уменьшенном разрежении и температуре около 90° С.
Сироп, подаваемый в аппарат в течение всего процесса уваривания, предварительно подогревают примерно на 5° С выше температуры кипения в аппарате. Поэтому, попадая в аппарат, сироп вскипает вследствие самоиспарения, что ускоряет циркуляцию и теплопередачу и, кроме того, способствует быстрому смешиванию поступающего сиропа со всей увариваемой массой.
«Заводка». Заводка кристалла лучше всего проходит при пересыщении около 1,25 (лабильная зона). Тогда процесс образования достаточного количества кристаллов требует лишь 2—3 мин. В качестве затравки применяют тонко измельченную сахарную пудру, просеянную через шелковое сито (67 нитей на линейный сантиметр). Обычно вводят 30—40 г сахарной пудры.
При старых методах варки утфеля не применили сахарной пудры и дожидались самопроизвольного образования кристаллов, для чего требовалось больше времени и большее сгущение — до ? = 1,4.
Чтобы точнее определять оптимальный момент для задавания сахарной пудры и заводки кристалла, нужно настойчиво рекомендовать применение кондуктометра, так как без него самые опытные варщики очень часто ошибаются. По нашим наблюдениям, иногда они вносят сахарную пудру при пересыщении лишь 1,1, иногда — при 1,5 и далее уже «на ходу» выправляют свои ошибки, т. е. процесс образования кристаллов иногда длится более 5 мин, а то проходит и в течение 0,5 мин.
Чрезвычайно ответственным является определение момента» когда следует прекратить дальнейшее образование кристаллов» т. е. сделать подкачку сиропа и снизить пересыщение до ?= 1,05/1,10. Надо определить на глаз, достаточно ли количество появившиеся кристаллов, а они еще очень малы, чуть заметны. От количества появившихся зародышей кристаллов зависит и величина кристаллов в окончательно сваренном утфеле. Крупность сахарного песка обычно характеризуют следующими данными:
Крупный кристалл легче пробеливается. Но при ускоренных методах варки, особенно если чистота сиропа пониженная, что замедляет кристаллизацию, приходится варить сахар ниже средней крупности. Иначе при малой поверхности кристаллов легко образуется «мука», так как сахар не успевает выкристаллизовываться и пересыщение повышается.
Наблюдать образующиеся кристаллы лучше всего при помощи лупы с десятикратным увеличением.
Очень удобны для непрерывного визуального контроля уваривания кристаллоскопы, которые все шире применяют в настоящее время на сахарных заводах. Они просвечивают тонкий слой утфеля, кипящего в вакуум-аппарате, лучом от электролампы 1, помещенной тоже в утфельной массе. Луч смета выходит далее из аппарата и, наконец, дает на матовом экране 6 проекцию двигающихся кристаллов при увеличении раз в 25 (рис. 155).
Варщик видит, что делается в аппарате, как растут кристаллы, много ли их в утфеле, не образуется ли «мука» и как она растворяется при подкачке сиропа.
Не раз предлагали для более точной и надежной работы совсем не образовывать новых кристаллических центров, а вводить при малом пересыщении такое количество пудры, чтобы она уже содержала полное желательное количество кристаллических зародышей. Этот метод при контроле пересыщения при помощи кондуктометра мог бы сделать тонкую операцию заводки кристаллов совершенно простой, надежной и точной. Однако для такого метода сахарная пудра должна быть особо тонкого помола, чтобы не приходилось вводить ее в чрезмерно больших количествах.
Можно подсчитать приблизительно, что если для вакуум-аппарата на 35 т утфеля хотят вводить лишь 500 г маточной пудры, то такая пудра должна состоять из частичек сахара размером около 20 мкм, т. с. примерно размера крахмального зерна кукурузы (заметим, что сахарная пудра, обычно применяемая на заводах для заводки кристаллов, состоит из частиц величиной около 150 мкм).
Проф. А.А. Шумилов обратил внимание на то, что маточная сахарная пудра, вводимая в аппарат, плохо распределяется в кипящем сиропе, склонна образовывать комья. Поэтому он предложил вместо маточной пудры применять особую сахарную пасту. Такую пасту легко приготовить, если растворить при нагревании до 105° С четыре части сахара на одну часть воды и полученный раствор быстро охлаждать до 20° С при перемешивании (сначала охлаждение идет до 67° С вследствие самоиспарения под вакуумом, а дальше благодаря холодной воде, циркулирующей в кожухе мешалки). При этом получается значительное пересыщение (около ? = 2) и обильно выпадают очень мелкие кристаллы сахара («мука») — от 20 до 100 млн. на 1 г пасты. При уваривании утфеля I рекомендуется брать такой маточной пасты 1,4 кг на 100 ц утфеля. Наблюдения Ярмолинского показали, что применение пасты улучшает процесс образования кристаллов, но все же оказалось, что больше половины кристаллических зародышей растворяется в момент введения пасты в вакуум-аппарат. Это понятно, так как зародыши находятся в пасте в сахарном растворе, который при повышенной температуре вакуум-аппарата делается ненасыщенным. Затем при уваривании количество новых кристаллов увеличивалось примерно в 3 раза. Следовательно, все же цель не достигнута: никакого точного дозирования числа кристаллических зародышей не получалось.
Можно получить лучший результат, если готовить пасту кристаллов на жидкости, не растворяющей сахар, например на спирте, или еще лучше — в бензине. Бензин, быстро вскипающий и испаряющийся в вакуум-аппарате, должен способствовать равномерному перемешиванию кристаллических зародышей с сиропом. Чтобы не приходилось применять чрезмерного количества пасты (не килограммы, а десятки граммов), нужен очень тонкий размол сахара для получения пасты, например, на вибрационной мельнице. Конечно, при применении пасты необходимо также четко контролировать и регулировать пересыщение, применяя кондуктометр. Это позволит предотвратить появление новых кристаллов.
Наращивание кристаллов сахара. По окончании процесса образования кристаллов варщик обычно дает 2—3 «закрепительные» подкачки сиропа. Цель их — снизить пересыщение (например, до 1,10) и прекратить дальнейшее образование новых кристаллов.
Однако название подкачек «закрепительными» указывает, что» варщик старается быстрее вырастить образовавшиеся кристаллы, сделать их более устойчивыми, так как иначе, при малейшем-переходе в область ненасыщенного раствора, крошечные кристаллы немедленно растворяются. П.Д. Головков подметил, что в этот период скорость роста кристаллов очень высока. Это указывает, что варщик держит еще довольно высокое пересыщение для ускорения роста (например, 1,15—1,20) и лишь в конце «закрепительного» периода снижает его. Таким образом, зародыш» быстро увеличиваются, «закрепляются», но в то же время в некотором небольшом количестве образуются и новые зародыши, хотя это «не рекомендуется». Обычно преувеличивают вредное действие такого дополнительного появления зародышей. Вряд ли они могут вызвать заметную неоднородность кристаллов готового утфеля, так как этот период длится несколько минут, что по сравнению с 2 ч времени полного уваривания составляет лишь малую долю.
Дальнейшее наращивание кристаллов включает несколько идущих параллельно процессов:
- кристаллизацию сахара, что снижает пересыщение сиропа;
- выпаривание воды, что поддерживает, а обычно даже и увеличивает пересыщение, обгоняя процесс кристаллизации, и приводит к образованию «муки»;
- подкачки сиропа, снижающие пересыщение и растворяющие «муку» (если эти подкачки столь велики, что делают раствор ненасыщенным).
Обычно уваривание ведут на периодических подкачках сиропа. Рассмотрим, что происходит в увариваемой массе в период между двумя подкачками сиропа.
В начале периода межкристальный сироп не насыщен вследствие предыдущей подкачки, «мука» растворяется, а нормальные кристаллы тоже несколько растворяются с поверхности; вязкость утфеля мала и потому, что раствор разбавлен подкачкой, и потому, что кристаллы удалены (раздвинуты) один от другого добавленным сиропом; при малой вязкости — повышенный коэффициент теплопередачи и быстрое выпаривание воды приводят к появлению пересыщения. Сахар начинает кристаллизоваться все быстрее, количество межкристального раствора уменьшается, содержание кристаллов в утфеле увеличивается, что повышает вязкость и уменьшает теплопередачу и выпаривание воды. Но все же выпаривание обычно обгоняет кристаллизацию, пересыщение растет и если не сделать своевременно подкачку сиропа, то появляется «мука». Эта мука растворяется при следующей подкачке.
Такое уваривание на периодических подкачках сиропа можно вести на «слабой» пробе или на более или менее «крепкой» пробе, т. е. стараться поддерживать в течение всего процесса уваривания или сравнительно малое, или сравнительно большое содержание кристаллов в увариваемом утфеле.
При варке на «слабой» пробе выпаривание воды идет быстро, так как вязкость мала, но скорость кристаллизации тоже мала и поэтому в конце концов получается масса с малым содержанием кристаллов и чрезмерно большим количеством сиропа, который необходимо сгущать, причем сахар не успевает выкристаллизовываться на малую поверхность кристаллов и образуется много «муки», которая могла и не появляться в течение всего уваривания до этого окончательного сгущения. При варке на крепкой пробе выпаривание воды идет медленнее и разница между скоростью кристаллизации и нарастанием пересыщения от выпаривания воды меньше.
Насколько велика бывает разница в содержании кристаллов перед заключительной стадией варки, видно из двух примеров: варщик Кравченко в этот момент имел утфель с 37,1 % кристаллов, а варщик Юркова — лишь с 18,2%, т. е. в 2 раза меньше.
Новаторы-варщики, например П.М. Турбин (Эртильский завод), часто применяли варку утфеля с промежуточным отвариванием, т. е. значительным сгущением до содержания около 50% кристаллов и последующей большой раскачкой для растворения «муки». Такая отварка делается перед последними подкачками сиропа. В этот момент Ч межкристального оттека уже понижена, а поверхность имеющихся кристаллов велика. Поэтому не столь обильно выпадает «мука» при энергичном отваривании и значительном пересыщении; в то же время отваривание ускоряет рост кристаллов, а образовавшаяся (как при отваривании, так и ранее) «мука» растворяется при следующей за отвариванием большой раскачке.
Все же, конечно, при всякой раскачке для растворения «муки» одновременно частично растворяются с поверхности и основные нормальные кристаллы, что замедляет их дальнейшее выращивание, т. е. замедляет весь процесс уваривания. Это особенно заметно, когда приходится для освобождения от «муки» делать не одну, а две отварки с большими раскачками после них. Иногда применяют для более энергичных раскачек не сироп, а очищенный сок, идущий на выпарку. Это особенно вредно, так как и замедляет уваривание, и увеличивает расход пара и топлива. Лучше обходиться, по возможности, без промежуточных отварок и чрезмерных раскачек утфеля.
Было бы еще лучше уваривать утфель на непрерывной подкачке сиропа, что может дать значительное ускорение процесса, так как при этом нет остановок в процессе кристаллизации и нет периодических замедлений теплопередачи и выпаривания перед периодическими раскачками в моменты максимальных сгущений утфеля. При уваривании на непрерывной подкачке сиропа его подают через особый вентиль малого размера и так регулируют процесс, чтобы пересыщение удерживалось приблизительно на постоянном уровне, обеспечивающем достаточно быструю кристаллизацию сахара, но не превышающем границ метастабильной области, чтобы не образовывались новые кристаллы.
При регулировании процесса на непрерывной подкачке нужно иметь в виду, что особенно опасен начальный период роста кристаллов: в этот период поверхность кристаллов еще очень мала, поэтому выкристаллизовывание сахара замедленно, а выпаривание идет быстро, так как утфель содержит лишь очень малый объемный процент кристаллов и очень подвижен. Поэтому быстро нарастает пересыщение.
Казалось бы, что для того, чтобы удержать нужный уровень пересыщения, можно увеличить приток сиропа, но тогда будет чрезмерно увеличиваться объем сиропа в аппарате при малом объемном содержании кристаллов и малой их поверхности. Это тоже угрожает в дальнейшем выпадением «муки». Очевидно, в этот начальный период варки нужно регулировать подачу пара в аппарат, замедлять выпаривание воды, а скорость притока сиропа удерживать на постоянном уровне.
Нужно добиваться, чтобы объемное содержание кристаллов и увариваемом утфеле поддерживалось на определенном уровне (около 25—30%), что снижает возможность появления «муки», по не слишком замедляет теплопередачу. В период поступления последних порций сиропа опасность появления «муки» уже гораздо меньшая, так как имеется весьма развитая поверхность кристаллов, а Ч межкристального сиропа понижена. Кондукто-метрический контроль уваривания может значительно облегчить выполнение уваривания на непрерывной подкачке сиропа.
Добавка оттеков в утфель. При двухпродуктовой схеме работы приходится, как уже было сказано, брать на уваривание утфеля I продукта весь белый оттек, а иногда и часть зеленого, чтобы снизить Ч зеленого оттека до 76—77% и иметь возможность при уваривании II утфеля получить достаточно обессахаренную мелассу.
Оттек (белый) начинают добавлять после того, как вакуум-аппарат уже наполнен приблизительно на 3/4 полного объема. В этот момент прекращают дальнейшие подкачки сиропа, а Ч межкристального оттека близка к Ч белого оттека.
Оттеки перед их подачей в вакуум-аппарат не разбавляют водой, чтобы не приходилось потом эту воду выпаривать, а по предложению новаторов-варщиков лишь подогревают открытым паром до 85—90° С для растворения содержащихся в оттеках кристаллов сахара. Белый оттек забирают обычно за две подкачки, затем, если нужно, берут и зеленый оттек. Каждая подкачка оттека выполняется медленно (за 10—15 мин) для лучшего перемешивания с утфелем и во избежание слишком бурного вскипания и перебросов при поступлении сильно перегретого оттека.
Окончательное сгущение утфеля. Как уже было сказано, эта операция имеет значение для большей полноты выкристаллизовывания сахара и для снижения Ч зеленого оттека. Обычно доводят концентрацию утфеля I до 92,5% СВ, причем содержание кристаллов сахара достигает 55%. Раньше стремились еще больше повысить содержание кристаллов (до 60%)), но это требовало чрезмерной затраты времени (в 2—3 раза больше), от чего в настоящее время отказались. Это одна из главных причин значительного ускорения процесса уваривания.
Спуск утфеля и пропарка. При спуске утфеля его обрызгивают горячей (75° С) водой для предотвращения образования «муки» и для снижения вязкости оттека. Затрачивается около 0,5% воды по массе утфеля.
Раствор после пропарки аппарата поступает в ту же мешалку, куда и утфель. При использовании методов новаторов производства цикл работы аппарата таков (табл. 32).
Но, конечно, па длительность уваривания значительно влияет и качество увариваемого сиропа, его чистота и щелочность.
Непрерывное уваривание утфелей. Это — одна из очередных, еще не решенных задач сахарной промышленности. Кроме облегчения труда варщиков, непрерывное уваривание имело бы большое значение для улучшения теплового хозяйства и экономии топлива. Расход пара на уваривание был бы постоянен, а не колебался бы, увеличиваясь в 2—3 раза, как в настоящее время; вакуум-аппараты могли бы работать, как IV корпус выпарки; легко было бы частично использовать пар вакуум-аппаратов для подогревания диффузионного сока.
Впервые непрерывное уваривание было осуществлено (1930 г.) в аппарате Востокова и Зуева на трех сахарных заводах России. Это был вертикальный аппарат, к которому для непрерывного выпуска утфеля была присоединена снизу барометрическая труба высотой 7—8 м, опущенная нижним концом в мешалку для утфеля. На трубе был шибер для регулирования отбора утфеля. Аппарат работал несколько лет, уваривая утфель II продукта, но получались очень неоднородные кристаллы. Неудовлетворительный результат вполне понятен, так как в аппарате не расчленены отдельные фазы процесса и готовый утфель мог перемешиваться с вновь поступающим сиропом. Однако даже при слаборазработанной конструкции аппарат все же работал. Это указывает па полную возможность осуществить непрерывное уваривание.
В настоящее время ведутся настойчивые работы по осуществлению непрерывного уваривания утфелей, что необходимо также, чтобы можно было поставить вопрос о полной автоматизации всего сахарного производства.
Утфель промежуточного продукта. Утфель II продукта трехпродуктовой схемы уваривается из оттеков утфеля I продукта, причем следует начинать варку на более чистом белом оттеке, что облегчает успешное образование кристаллов. Оттеки, из которых варится утфель, не разбавляют водой, чтобы их не приходилось выпаривать, но нагревают открытым паром до 85—90° С для растворения имеющихся в них кристаллов.
Уваривание в основном ведется так же, как и уваривание утфеля I продукта, но для образования кристаллов приходится брать несколько больше пудры (60—80 г) и вести процесс образования кристаллов при большем пересыщении (1,3—1,35). Уваривание требует больше времени (по нормам — около 5 ч) и доводится при окончательном сгущении до более высокой концентрации— около 93% СВ.
Утфель промежуточного продукта фугуют также нагорячо сразу после спуска в мешалку.
Утфель последнего продукта. Утфель III продукта при трехпродуктовой схеме или II продукта при двухпродуктовой варится из оттеков предыдущего продукта, имеющих Ч около 75—76% (не ниже 75 и не выше 79). Эти оттеки тоже нагревают предварительно до 85—90° С. Образование кристаллов ведут при пересыщении около 1,4 и в качестве затравки применяют 100—150 г сахарной пудры.
Длительность уваривания еще больше (6—9 ч по нормам). Концентрация доводится до 94% СВ; перед спуском из аппарата концентрация утфеля снижается до определенной величины (см. ниже) путем подкачки горячей воды в аппарат или же утфель опрыскивается водой при спуске его.
Кристаллы при уваривании последнего утфеля получаются гораздо мельче, чем в утфеле I (в 1 г — 30—60 тыс. кристаллов), так как нужна большая поверхность кристаллизации, чтобы при весьма низкой скорости кристаллизации выкристаллизовывать сахар без образования «муки».
Уваривание в основном ведется теми же методами, что и для утфеля I. Рекомендуются более частые небольшие подкачки, чтобы быстрее уваривать без появления «муки».
Первоначальное сгущение. Для первоначального сгущения набирают столько сиропа в вакуум-аппарат, чтобы кипящий сироп и после сгущения его покрывал полностью всю поверхность нагрева, что ускоряет выпаривание воды и предотвращает возможность пригорания сиропа к поверхности нагрева. Поэтому для стадии первоначального сгущения приходится взять в аппарат около 7з общего количества сиропа, идущего на полную варку.
Уваривание с начала и до конца идет на полном разрежении, какое дает воздушный насос, т. е. при минимальной температуре кипения, которая по мере сгущения и заполнения аппарата постепенно поднимается от 60—65 до 75—80° С. Максимальное разрежение таким образом создает и максимальную разность температур греющего пара и кипящего сиропа, что увеличивает теплопередачу и ускоряет выпаривание воды. Первоначальное сгущение длится около 30 мин, тогда как раньше оно затягивалось до 45 мин и более, так как образование кристаллов считали необходимым вести при уменьшенном разрежении и температуре около 90° С.
Сироп, подаваемый в аппарат в течение всего процесса уваривания, предварительно подогревают примерно на 5° С выше температуры кипения в аппарате. Поэтому, попадая в аппарат, сироп вскипает вследствие самоиспарения, что ускоряет циркуляцию и теплопередачу и, кроме того, способствует быстрому смешиванию поступающего сиропа со всей увариваемой массой.
«Заводка». Заводка кристалла лучше всего проходит при пересыщении около 1,25 (лабильная зона). Тогда процесс образования достаточного количества кристаллов требует лишь 2—3 мин. В качестве затравки применяют тонко измельченную сахарную пудру, просеянную через шелковое сито (67 нитей на линейный сантиметр). Обычно вводят 30—40 г сахарной пудры.
При старых методах варки утфеля не применили сахарной пудры и дожидались самопроизвольного образования кристаллов, для чего требовалось больше времени и большее сгущение — до ? = 1,4.
Чтобы точнее определять оптимальный момент для задавания сахарной пудры и заводки кристалла, нужно настойчиво рекомендовать применение кондуктометра, так как без него самые опытные варщики очень часто ошибаются. По нашим наблюдениям, иногда они вносят сахарную пудру при пересыщении лишь 1,1, иногда — при 1,5 и далее уже «на ходу» выправляют свои ошибки, т. е. процесс образования кристаллов иногда длится более 5 мин, а то проходит и в течение 0,5 мин.
Чрезвычайно ответственным является определение момента» когда следует прекратить дальнейшее образование кристаллов» т. е. сделать подкачку сиропа и снизить пересыщение до ?= 1,05/1,10. Надо определить на глаз, достаточно ли количество появившиеся кристаллов, а они еще очень малы, чуть заметны. От количества появившихся зародышей кристаллов зависит и величина кристаллов в окончательно сваренном утфеле. Крупность сахарного песка обычно характеризуют следующими данными:
Крупный кристалл легче пробеливается. Но при ускоренных методах варки, особенно если чистота сиропа пониженная, что замедляет кристаллизацию, приходится варить сахар ниже средней крупности. Иначе при малой поверхности кристаллов легко образуется «мука», так как сахар не успевает выкристаллизовываться и пересыщение повышается.
Наблюдать образующиеся кристаллы лучше всего при помощи лупы с десятикратным увеличением.
Очень удобны для непрерывного визуального контроля уваривания кристаллоскопы, которые все шире применяют в настоящее время на сахарных заводах. Они просвечивают тонкий слой утфеля, кипящего в вакуум-аппарате, лучом от электролампы 1, помещенной тоже в утфельной массе. Луч смета выходит далее из аппарата и, наконец, дает на матовом экране 6 проекцию двигающихся кристаллов при увеличении раз в 25 (рис. 155).
Варщик видит, что делается в аппарате, как растут кристаллы, много ли их в утфеле, не образуется ли «мука» и как она растворяется при подкачке сиропа.
Не раз предлагали для более точной и надежной работы совсем не образовывать новых кристаллических центров, а вводить при малом пересыщении такое количество пудры, чтобы она уже содержала полное желательное количество кристаллических зародышей. Этот метод при контроле пересыщения при помощи кондуктометра мог бы сделать тонкую операцию заводки кристаллов совершенно простой, надежной и точной. Однако для такого метода сахарная пудра должна быть особо тонкого помола, чтобы не приходилось вводить ее в чрезмерно больших количествах.
Можно подсчитать приблизительно, что если для вакуум-аппарата на 35 т утфеля хотят вводить лишь 500 г маточной пудры, то такая пудра должна состоять из частичек сахара размером около 20 мкм, т. с. примерно размера крахмального зерна кукурузы (заметим, что сахарная пудра, обычно применяемая на заводах для заводки кристаллов, состоит из частиц величиной около 150 мкм).
Проф. А.А. Шумилов обратил внимание на то, что маточная сахарная пудра, вводимая в аппарат, плохо распределяется в кипящем сиропе, склонна образовывать комья. Поэтому он предложил вместо маточной пудры применять особую сахарную пасту. Такую пасту легко приготовить, если растворить при нагревании до 105° С четыре части сахара на одну часть воды и полученный раствор быстро охлаждать до 20° С при перемешивании (сначала охлаждение идет до 67° С вследствие самоиспарения под вакуумом, а дальше благодаря холодной воде, циркулирующей в кожухе мешалки). При этом получается значительное пересыщение (около ? = 2) и обильно выпадают очень мелкие кристаллы сахара («мука») — от 20 до 100 млн. на 1 г пасты. При уваривании утфеля I рекомендуется брать такой маточной пасты 1,4 кг на 100 ц утфеля. Наблюдения Ярмолинского показали, что применение пасты улучшает процесс образования кристаллов, но все же оказалось, что больше половины кристаллических зародышей растворяется в момент введения пасты в вакуум-аппарат. Это понятно, так как зародыши находятся в пасте в сахарном растворе, который при повышенной температуре вакуум-аппарата делается ненасыщенным. Затем при уваривании количество новых кристаллов увеличивалось примерно в 3 раза. Следовательно, все же цель не достигнута: никакого точного дозирования числа кристаллических зародышей не получалось.
Можно получить лучший результат, если готовить пасту кристаллов на жидкости, не растворяющей сахар, например на спирте, или еще лучше — в бензине. Бензин, быстро вскипающий и испаряющийся в вакуум-аппарате, должен способствовать равномерному перемешиванию кристаллических зародышей с сиропом. Чтобы не приходилось применять чрезмерного количества пасты (не килограммы, а десятки граммов), нужен очень тонкий размол сахара для получения пасты, например, на вибрационной мельнице. Конечно, при применении пасты необходимо также четко контролировать и регулировать пересыщение, применяя кондуктометр. Это позволит предотвратить появление новых кристаллов.
Наращивание кристаллов сахара. По окончании процесса образования кристаллов варщик обычно дает 2—3 «закрепительные» подкачки сиропа. Цель их — снизить пересыщение (например, до 1,10) и прекратить дальнейшее образование новых кристаллов.
Однако название подкачек «закрепительными» указывает, что» варщик старается быстрее вырастить образовавшиеся кристаллы, сделать их более устойчивыми, так как иначе, при малейшем-переходе в область ненасыщенного раствора, крошечные кристаллы немедленно растворяются. П.Д. Головков подметил, что в этот период скорость роста кристаллов очень высока. Это указывает, что варщик держит еще довольно высокое пересыщение для ускорения роста (например, 1,15—1,20) и лишь в конце «закрепительного» периода снижает его. Таким образом, зародыш» быстро увеличиваются, «закрепляются», но в то же время в некотором небольшом количестве образуются и новые зародыши, хотя это «не рекомендуется». Обычно преувеличивают вредное действие такого дополнительного появления зародышей. Вряд ли они могут вызвать заметную неоднородность кристаллов готового утфеля, так как этот период длится несколько минут, что по сравнению с 2 ч времени полного уваривания составляет лишь малую долю.
Дальнейшее наращивание кристаллов включает несколько идущих параллельно процессов:
- кристаллизацию сахара, что снижает пересыщение сиропа;
- выпаривание воды, что поддерживает, а обычно даже и увеличивает пересыщение, обгоняя процесс кристаллизации, и приводит к образованию «муки»;
- подкачки сиропа, снижающие пересыщение и растворяющие «муку» (если эти подкачки столь велики, что делают раствор ненасыщенным).
Обычно уваривание ведут на периодических подкачках сиропа. Рассмотрим, что происходит в увариваемой массе в период между двумя подкачками сиропа.
В начале периода межкристальный сироп не насыщен вследствие предыдущей подкачки, «мука» растворяется, а нормальные кристаллы тоже несколько растворяются с поверхности; вязкость утфеля мала и потому, что раствор разбавлен подкачкой, и потому, что кристаллы удалены (раздвинуты) один от другого добавленным сиропом; при малой вязкости — повышенный коэффициент теплопередачи и быстрое выпаривание воды приводят к появлению пересыщения. Сахар начинает кристаллизоваться все быстрее, количество межкристального раствора уменьшается, содержание кристаллов в утфеле увеличивается, что повышает вязкость и уменьшает теплопередачу и выпаривание воды. Но все же выпаривание обычно обгоняет кристаллизацию, пересыщение растет и если не сделать своевременно подкачку сиропа, то появляется «мука». Эта мука растворяется при следующей подкачке.
Такое уваривание на периодических подкачках сиропа можно вести на «слабой» пробе или на более или менее «крепкой» пробе, т. е. стараться поддерживать в течение всего процесса уваривания или сравнительно малое, или сравнительно большое содержание кристаллов в увариваемом утфеле.
При варке на «слабой» пробе выпаривание воды идет быстро, так как вязкость мала, но скорость кристаллизации тоже мала и поэтому в конце концов получается масса с малым содержанием кристаллов и чрезмерно большим количеством сиропа, который необходимо сгущать, причем сахар не успевает выкристаллизовываться на малую поверхность кристаллов и образуется много «муки», которая могла и не появляться в течение всего уваривания до этого окончательного сгущения. При варке на крепкой пробе выпаривание воды идет медленнее и разница между скоростью кристаллизации и нарастанием пересыщения от выпаривания воды меньше.
Насколько велика бывает разница в содержании кристаллов перед заключительной стадией варки, видно из двух примеров: варщик Кравченко в этот момент имел утфель с 37,1 % кристаллов, а варщик Юркова — лишь с 18,2%, т. е. в 2 раза меньше.
Новаторы-варщики, например П.М. Турбин (Эртильский завод), часто применяли варку утфеля с промежуточным отвариванием, т. е. значительным сгущением до содержания около 50% кристаллов и последующей большой раскачкой для растворения «муки». Такая отварка делается перед последними подкачками сиропа. В этот момент Ч межкристального оттека уже понижена, а поверхность имеющихся кристаллов велика. Поэтому не столь обильно выпадает «мука» при энергичном отваривании и значительном пересыщении; в то же время отваривание ускоряет рост кристаллов, а образовавшаяся (как при отваривании, так и ранее) «мука» растворяется при следующей за отвариванием большой раскачке.
Все же, конечно, при всякой раскачке для растворения «муки» одновременно частично растворяются с поверхности и основные нормальные кристаллы, что замедляет их дальнейшее выращивание, т. е. замедляет весь процесс уваривания. Это особенно заметно, когда приходится для освобождения от «муки» делать не одну, а две отварки с большими раскачками после них. Иногда применяют для более энергичных раскачек не сироп, а очищенный сок, идущий на выпарку. Это особенно вредно, так как и замедляет уваривание, и увеличивает расход пара и топлива. Лучше обходиться, по возможности, без промежуточных отварок и чрезмерных раскачек утфеля.
Было бы еще лучше уваривать утфель на непрерывной подкачке сиропа, что может дать значительное ускорение процесса, так как при этом нет остановок в процессе кристаллизации и нет периодических замедлений теплопередачи и выпаривания перед периодическими раскачками в моменты максимальных сгущений утфеля. При уваривании на непрерывной подкачке сиропа его подают через особый вентиль малого размера и так регулируют процесс, чтобы пересыщение удерживалось приблизительно на постоянном уровне, обеспечивающем достаточно быструю кристаллизацию сахара, но не превышающем границ метастабильной области, чтобы не образовывались новые кристаллы.
При регулировании процесса на непрерывной подкачке нужно иметь в виду, что особенно опасен начальный период роста кристаллов: в этот период поверхность кристаллов еще очень мала, поэтому выкристаллизовывание сахара замедленно, а выпаривание идет быстро, так как утфель содержит лишь очень малый объемный процент кристаллов и очень подвижен. Поэтому быстро нарастает пересыщение.
Казалось бы, что для того, чтобы удержать нужный уровень пересыщения, можно увеличить приток сиропа, но тогда будет чрезмерно увеличиваться объем сиропа в аппарате при малом объемном содержании кристаллов и малой их поверхности. Это тоже угрожает в дальнейшем выпадением «муки». Очевидно, в этот начальный период варки нужно регулировать подачу пара в аппарат, замедлять выпаривание воды, а скорость притока сиропа удерживать на постоянном уровне.
Нужно добиваться, чтобы объемное содержание кристаллов и увариваемом утфеле поддерживалось на определенном уровне (около 25—30%), что снижает возможность появления «муки», по не слишком замедляет теплопередачу. В период поступления последних порций сиропа опасность появления «муки» уже гораздо меньшая, так как имеется весьма развитая поверхность кристаллов, а Ч межкристального сиропа понижена. Кондукто-метрический контроль уваривания может значительно облегчить выполнение уваривания на непрерывной подкачке сиропа.
Добавка оттеков в утфель. При двухпродуктовой схеме работы приходится, как уже было сказано, брать на уваривание утфеля I продукта весь белый оттек, а иногда и часть зеленого, чтобы снизить Ч зеленого оттека до 76—77% и иметь возможность при уваривании II утфеля получить достаточно обессахаренную мелассу.
Оттек (белый) начинают добавлять после того, как вакуум-аппарат уже наполнен приблизительно на 3/4 полного объема. В этот момент прекращают дальнейшие подкачки сиропа, а Ч межкристального оттека близка к Ч белого оттека.
Оттеки перед их подачей в вакуум-аппарат не разбавляют водой, чтобы не приходилось потом эту воду выпаривать, а по предложению новаторов-варщиков лишь подогревают открытым паром до 85—90° С для растворения содержащихся в оттеках кристаллов сахара. Белый оттек забирают обычно за две подкачки, затем, если нужно, берут и зеленый оттек. Каждая подкачка оттека выполняется медленно (за 10—15 мин) для лучшего перемешивания с утфелем и во избежание слишком бурного вскипания и перебросов при поступлении сильно перегретого оттека.
Окончательное сгущение утфеля. Как уже было сказано, эта операция имеет значение для большей полноты выкристаллизовывания сахара и для снижения Ч зеленого оттека. Обычно доводят концентрацию утфеля I до 92,5% СВ, причем содержание кристаллов сахара достигает 55%. Раньше стремились еще больше повысить содержание кристаллов (до 60%)), но это требовало чрезмерной затраты времени (в 2—3 раза больше), от чего в настоящее время отказались. Это одна из главных причин значительного ускорения процесса уваривания.
Спуск утфеля и пропарка. При спуске утфеля его обрызгивают горячей (75° С) водой для предотвращения образования «муки» и для снижения вязкости оттека. Затрачивается около 0,5% воды по массе утфеля.
Раствор после пропарки аппарата поступает в ту же мешалку, куда и утфель. При использовании методов новаторов производства цикл работы аппарата таков (табл. 32).
Но, конечно, па длительность уваривания значительно влияет и качество увариваемого сиропа, его чистота и щелочность.
Непрерывное уваривание утфелей. Это — одна из очередных, еще не решенных задач сахарной промышленности. Кроме облегчения труда варщиков, непрерывное уваривание имело бы большое значение для улучшения теплового хозяйства и экономии топлива. Расход пара на уваривание был бы постоянен, а не колебался бы, увеличиваясь в 2—3 раза, как в настоящее время; вакуум-аппараты могли бы работать, как IV корпус выпарки; легко было бы частично использовать пар вакуум-аппаратов для подогревания диффузионного сока.
Впервые непрерывное уваривание было осуществлено (1930 г.) в аппарате Востокова и Зуева на трех сахарных заводах России. Это был вертикальный аппарат, к которому для непрерывного выпуска утфеля была присоединена снизу барометрическая труба высотой 7—8 м, опущенная нижним концом в мешалку для утфеля. На трубе был шибер для регулирования отбора утфеля. Аппарат работал несколько лет, уваривая утфель II продукта, но получались очень неоднородные кристаллы. Неудовлетворительный результат вполне понятен, так как в аппарате не расчленены отдельные фазы процесса и готовый утфель мог перемешиваться с вновь поступающим сиропом. Однако даже при слаборазработанной конструкции аппарат все же работал. Это указывает па полную возможность осуществить непрерывное уваривание.
В настоящее время ведутся настойчивые работы по осуществлению непрерывного уваривания утфелей, что необходимо также, чтобы можно было поставить вопрос о полной автоматизации всего сахарного производства.
Утфель промежуточного продукта. Утфель II продукта трехпродуктовой схемы уваривается из оттеков утфеля I продукта, причем следует начинать варку на более чистом белом оттеке, что облегчает успешное образование кристаллов. Оттеки, из которых варится утфель, не разбавляют водой, чтобы их не приходилось выпаривать, но нагревают открытым паром до 85—90° С для растворения имеющихся в них кристаллов.
Уваривание в основном ведется так же, как и уваривание утфеля I продукта, но для образования кристаллов приходится брать несколько больше пудры (60—80 г) и вести процесс образования кристаллов при большем пересыщении (1,3—1,35). Уваривание требует больше времени (по нормам — около 5 ч) и доводится при окончательном сгущении до более высокой концентрации— около 93% СВ.
Утфель промежуточного продукта фугуют также нагорячо сразу после спуска в мешалку.
Утфель последнего продукта. Утфель III продукта при трехпродуктовой схеме или II продукта при двухпродуктовой варится из оттеков предыдущего продукта, имеющих Ч около 75—76% (не ниже 75 и не выше 79). Эти оттеки тоже нагревают предварительно до 85—90° С. Образование кристаллов ведут при пересыщении около 1,4 и в качестве затравки применяют 100—150 г сахарной пудры.
Длительность уваривания еще больше (6—9 ч по нормам). Концентрация доводится до 94% СВ; перед спуском из аппарата концентрация утфеля снижается до определенной величины (см. ниже) путем подкачки горячей воды в аппарат или же утфель опрыскивается водой при спуске его.
Кристаллы при уваривании последнего утфеля получаются гораздо мельче, чем в утфеле I (в 1 г — 30—60 тыс. кристаллов), так как нужна большая поверхность кристаллизации, чтобы при весьма низкой скорости кристаллизации выкристаллизовывать сахар без образования «муки».
Уваривание в основном ведется теми же методами, что и для утфеля I. Рекомендуются более частые небольшие подкачки, чтобы быстрее уваривать без появления «муки».