I сатурация сока
28-05-2017, 23:35
Цель I сатурации. Очистка сока адсорбцией является основной целью 1 сатурации. Кроме того, образующийся кристаллический осадок СаСО3 служит основой для создания фильтрующего слоя при последующем фильтровании соков.
Процесс сатурации разделен на I и II стадии, I сатурация дефекованного сока прекращается в той же точке pH, при которой на преддефекации была достигнута оптимальная коагуляция коллоидных веществ. Образовавшийся осадок CaCO3 с адсорбированными на нем несахарами отфильтровывается, а чистый сок подвергается II сатурации, во время которой он освобождается от оставшегося на I сатурации Са(ОН)2 и значительной части солей кальция.
Перед преддефекацией или основной дефекацией диффузионный сок нагревают, но в процессе основной дефекации и I сатурации часть тепла теряется и на выходе из сатуратора температура сока снижается до 80—82 °С. При такой температуре в соке образуются гели и золи карбоната кальция, увеличивается вязкость сока, появляется много пены (гель — состояние коллоидного раствора, при котором частицы связаны между собой и образуют пространственную сетку, ячейки которой заполнены жидкой средой; золь — коллоидный раствор), поэтому перед подачей в отстойники сок снова нагревают до 90 °С.
Количество избыточной извести, прибавляемой к диффузионному соку на основной дефекации, зависит от результатов очистки сока, получаемых на I сатурации. Если перерабатывают свеклу низкого качества и на I сатурации образуется плохо фильтрующийся слизистый осадок, то на основной дефекации увеличивают дозу вводимой извести, для того чтобы на I сатурации можно было получить больше кристаллического осадка СаСО3, способного удерживать на своей поверхности осадок несахаров и сохранять проницаемость фильтрующего слоя. Но такая мера применяется не так часто, так как на заводах стараются работать с минимальным расходом извести.
Химические реакции. В нефильтрованном дефекованном соке, поступающем на I сатурацию, содержится около 1/10 извести в растворе и 9/10 в осадке. Общая титруемая щелочность его, обусловленная наличием Са(ОН)2, КОН и NaOH, составляет 1,0—1,8 % СаО на 100 мл сока (щелочность соков характеризуется различными химическими соединениями, но условно ее принято выражать в процентах СаО, эквивалентных данной щелочности; щелочность определяют титрованием сока раствором НС1 в присутствии фенолфталеина).
При продувании диоксида углерода в соке вначале образуется угольная кислота СО+Н2О=Н2СО3, которая затем реагирует с растворенным гидроксидом кальция.
Вместо прореагировавшего Са(ОН)2 из осадка в раствор переходят новые порции его, и, таким образом, реакция идет почти до полного превращения извести в СаСО3.
Дефекованный сок содержит в растворе около 0,25 % СаО, в начале сатурации эта щелочность быстро снижается примерно до 0,15% СаО и держится на таком уровне, пока в осадке имеется гидроксид кальция. Образующийся СаСО3 в начальной стадии представляет собой слизистый гель — комплексные соединения СаСО3 с сахарозой и избытком СаО, называемые углекальциевыми сахаратами, их можно выразить формулой (СаСО3)* (С12Н22О11)у*(СаО)z. В процессе сатурирования значения у и z уменьшаются, гель становится нестойким и выпадает в осадок, в котором СаСО3 связан с меньшим количеством адсорбированного сахарата кальция.
К концу I сатурации, когда Са(ОН)2 почти полностью превратится в СаСОз, щелочность сока начинает быстро снижаться, осадок СаСО3 из слизистого становится кристаллическим и хорошо фильтруется. I сатурация прекращается, когда в растворе остается небольшое количество растворенного Са(ОН)2, а pH становится равным 10,8—11,5, при этом в осадке гидроксида кальция не остается.
Превращения гидроксида кальция происходят по следующей схеме:
Натуральная щелочность. В соке I сатурации часть щелочности обусловлена присутствием Са(ОН)2 и часть — присутствием гидроксидов щелочных металлов (КОН, NaOH). Натуральной щелочностью сока I сатурации называется та часть его щелочности, которая соответствует содержанию гидроксидов щелочных металлов. Она является важным показателем, характеризующим технологические качества перерабатываемой свеклы. Чем выше натуральная щелочность, т. е. чем больше в соке гидроксидов щелочных металлов, тем больше на II сатурации будет образовываться карбонатов (К2СО3, Na2CО3), которые осаждают соли кальция. Следовательно, при высокой натуральной щелочности сока I сатурации содержание солей кальция в соке II сатурации и сиропе будет незначительным. Это облегчает проведение кристаллизации сахарозы и снижает ее содержание в мелассе.
Карбонаты калия и натрия образуются из КОН и NaOН, которые в свою очередь появляются на дефекации в результате реакций осаждения. А соли кальция на дефекации возникают при взаимодействии гидроксида кальция и продуктов разложения редуцирующих веществ, амидов и других соединений. Если продуктов распада редуцирующих и других веществ в соке будет мало, то и концентрация солей кальция невелика, тогда реакции осаждения преобладают над другими реакциями и карбонаты калия и натрия окажутся в среде в большом избытке, т.е. создастся высокая натуральная щелочность. С увеличением концентрации амидов, пектина, редуцирующих веществ, а также кислотности диффузионного сока натуральная щелочность сока уменьшается.
Сок, полученный из свеклы, выращенной в засушливые годы на почвах, чрезмерно удобренных азотистыми удобрениями, или долго хранившейся на складе, обычно имеет низкую натуральную щелочность, величина которой может быть даже отрицательной. При отрицательной натуральной щелочности сока I сатурации на II сатурации не будет доставать карбонатов калия и натрия для осаждения солей кальция. В таком случае недостаток натуральной щелочности компенсируют добавлением в сок перед II сатурацией 10—15 кг тринатрийфосфата (Na3PО4 * 12Н2О) из расчета на 100 т перерабатываемой свеклы, если натуральная щелочность сока выше 0,01% СаО. При натуральной щелочности ниже 0,01% СаО на каждую сотую долю процента снижения натуральной щелочности в сок добавляется 20 кг тринатрийфосфата и 10 кг кальцинированной соды (Na2CO3) на 100 т свеклы. Кроме того, в клеровку сахаров II и III кристаллизаций на каждые 100 т свеклы дают 8—10 кг тринатрийфосфата и 5—7 кг кальцинированной соды. Вместе с осадком фосфата натрия из сока удаляются азотистые соединения, не осаждаемые известью и кальцинированной содой (если она добавляется без тринатрийфосфата).
Натуральная щелочность, определенная по разности между общей щелочностью сока I сатурации и содержанием солей кальция (в % СаО), называется теоретической натуральной щелочностью.
Проведение I сатурации. Обычно I сатурацию прекращают тогда, когда в соке в растворенном состоянии остается небольшое количество гидроксида кальция — 0,08—0,11% СаО (pH 10,8—11,5). Это нормально отсатурированный сок. При более полном удалении гидроксида кальция сатурацией (до 0,05% СаО и ниже) получается пересатурированный сок, который хорошо фильтруется, так как в нем отсутствуют углекальциевые сахараты, но из-за частичной пептизации коагулята он имеет повышенные цветность и содержание солей кальция.
В недосатурированном соке со щелочностью выше 0,11% СаО остается некоторое количество углекальциевых сахаратов, обладающих высокой дисперсностью, а следовательно, и повышенной адсорбционной способностью по сравнению с кристаллическим карбонатом кальция. Поэтому доброкачественность такого сока выше, чем нормально отсатурированного, но фильтруется он хуже.
На доброкачественность и фильтрационную способность сока I сатурации значительное влияние оказывает скорость сатураций, т. е. чем больше диоксида углерода прореагирует в единицу времени в единице объема сока, тем выше будет дисперсность, а следовательно, и адсорбционная поверхность карбоната кальция.
Уменьшение размера кристаллов СаСО3 не оказывает заметного влияния на скорость фильтрования сока, так как мелкокристаллический осадок, имея развитую площадь поверхности частиц с положительным зарядом, больше адсорбирует отрицательно заряженных коллоидных частиц, сохраняя хорошую пористость фильтрующего слоя, тогда как нефиксированные (не закрепленные на СаСО3) гели закупоривают каналы между кристаллами СаСО3 и задерживают фильтрование сока.
Но при наличии в схеме очистки сока отстойников, чтобы получить крупные, хорошо осаждающиеся, кристаллы СаСО3, сок на I сатурации сатурируется не менее 10 мин. А при работе с фильтрами-сгустителями (без отстойников) скорость сатурации можно увеличивать, получая осадок с мелкими кристаллами.
I сатурация проводится в противоточном решетчатом сатураторе (рис. 47), представляющем собой вертикальный цилиндрический сосуд, расширенный в верхней части. Это сделано для улавливания пены, образующейся в процессе сатурации. В нижней части корпуса / на равном расстоянии друг от друга по высоте установлены три решетчатые перегородки 2, предназначенные для равномерного распределения пузырьков сатурационного газа в соке.
Дефекованный сок поступает в сатуратор сверху на неподвижную распределительную тарелку 3, а сатурационный газ нагнетается компрессором снизу. Газовый компрессор располагается ниже сатуратора, поэтому газ подается в сатуратор через V-образное колено, образующее гидравлический затвор, что препятствует вытеканию сока из сатуратора через компрессор при его остановках.
Отработавший сатурационный газ выводится в атмосферу, а капли сока задерживаются зонтом 5 и сепаратором 4.
Отсатурированный сок поступает в среднее отделение контрольного ящика 8, где с помощью подвижного щитка 7 поток делится на две части: одна часть возвращается на преддефекацию, вторая идет на фильтрование и последующую переработку.
Высота столба сока в сатураторе поддерживается примерно 4,3 м. Предельный уровень пены контролируется с помощью трубки 6: если из нее в контрольный ящик вытекает сок, то для гашения пены в верхнюю часть сатуратора подается пар.
Оптимальное значение pH сока I сатурации контролируется автоматически. Готовность сока определяется по скорости осветления образца, взятого из контрольного ящика.
Процесс сатурации разделен на I и II стадии, I сатурация дефекованного сока прекращается в той же точке pH, при которой на преддефекации была достигнута оптимальная коагуляция коллоидных веществ. Образовавшийся осадок CaCO3 с адсорбированными на нем несахарами отфильтровывается, а чистый сок подвергается II сатурации, во время которой он освобождается от оставшегося на I сатурации Са(ОН)2 и значительной части солей кальция.
Перед преддефекацией или основной дефекацией диффузионный сок нагревают, но в процессе основной дефекации и I сатурации часть тепла теряется и на выходе из сатуратора температура сока снижается до 80—82 °С. При такой температуре в соке образуются гели и золи карбоната кальция, увеличивается вязкость сока, появляется много пены (гель — состояние коллоидного раствора, при котором частицы связаны между собой и образуют пространственную сетку, ячейки которой заполнены жидкой средой; золь — коллоидный раствор), поэтому перед подачей в отстойники сок снова нагревают до 90 °С.
Количество избыточной извести, прибавляемой к диффузионному соку на основной дефекации, зависит от результатов очистки сока, получаемых на I сатурации. Если перерабатывают свеклу низкого качества и на I сатурации образуется плохо фильтрующийся слизистый осадок, то на основной дефекации увеличивают дозу вводимой извести, для того чтобы на I сатурации можно было получить больше кристаллического осадка СаСО3, способного удерживать на своей поверхности осадок несахаров и сохранять проницаемость фильтрующего слоя. Но такая мера применяется не так часто, так как на заводах стараются работать с минимальным расходом извести.
Химические реакции. В нефильтрованном дефекованном соке, поступающем на I сатурацию, содержится около 1/10 извести в растворе и 9/10 в осадке. Общая титруемая щелочность его, обусловленная наличием Са(ОН)2, КОН и NaOH, составляет 1,0—1,8 % СаО на 100 мл сока (щелочность соков характеризуется различными химическими соединениями, но условно ее принято выражать в процентах СаО, эквивалентных данной щелочности; щелочность определяют титрованием сока раствором НС1 в присутствии фенолфталеина).
При продувании диоксида углерода в соке вначале образуется угольная кислота СО+Н2О=Н2СО3, которая затем реагирует с растворенным гидроксидом кальция.
Н2СО3 + Са (ОН)2 = CaCO3 + 2Н2О.
Вместо прореагировавшего Са(ОН)2 из осадка в раствор переходят новые порции его, и, таким образом, реакция идет почти до полного превращения извести в СаСО3.
Дефекованный сок содержит в растворе около 0,25 % СаО, в начале сатурации эта щелочность быстро снижается примерно до 0,15% СаО и держится на таком уровне, пока в осадке имеется гидроксид кальция. Образующийся СаСО3 в начальной стадии представляет собой слизистый гель — комплексные соединения СаСО3 с сахарозой и избытком СаО, называемые углекальциевыми сахаратами, их можно выразить формулой (СаСО3)* (С12Н22О11)у*(СаО)z. В процессе сатурирования значения у и z уменьшаются, гель становится нестойким и выпадает в осадок, в котором СаСО3 связан с меньшим количеством адсорбированного сахарата кальция.
К концу I сатурации, когда Са(ОН)2 почти полностью превратится в СаСОз, щелочность сока начинает быстро снижаться, осадок СаСО3 из слизистого становится кристаллическим и хорошо фильтруется. I сатурация прекращается, когда в растворе остается небольшое количество растворенного Са(ОН)2, а pH становится равным 10,8—11,5, при этом в осадке гидроксида кальция не остается.
Превращения гидроксида кальция происходят по следующей схеме:
Натуральная щелочность. В соке I сатурации часть щелочности обусловлена присутствием Са(ОН)2 и часть — присутствием гидроксидов щелочных металлов (КОН, NaOH). Натуральной щелочностью сока I сатурации называется та часть его щелочности, которая соответствует содержанию гидроксидов щелочных металлов. Она является важным показателем, характеризующим технологические качества перерабатываемой свеклы. Чем выше натуральная щелочность, т. е. чем больше в соке гидроксидов щелочных металлов, тем больше на II сатурации будет образовываться карбонатов (К2СО3, Na2CО3), которые осаждают соли кальция. Следовательно, при высокой натуральной щелочности сока I сатурации содержание солей кальция в соке II сатурации и сиропе будет незначительным. Это облегчает проведение кристаллизации сахарозы и снижает ее содержание в мелассе.
Карбонаты калия и натрия образуются из КОН и NaOН, которые в свою очередь появляются на дефекации в результате реакций осаждения. А соли кальция на дефекации возникают при взаимодействии гидроксида кальция и продуктов разложения редуцирующих веществ, амидов и других соединений. Если продуктов распада редуцирующих и других веществ в соке будет мало, то и концентрация солей кальция невелика, тогда реакции осаждения преобладают над другими реакциями и карбонаты калия и натрия окажутся в среде в большом избытке, т.е. создастся высокая натуральная щелочность. С увеличением концентрации амидов, пектина, редуцирующих веществ, а также кислотности диффузионного сока натуральная щелочность сока уменьшается.
Сок, полученный из свеклы, выращенной в засушливые годы на почвах, чрезмерно удобренных азотистыми удобрениями, или долго хранившейся на складе, обычно имеет низкую натуральную щелочность, величина которой может быть даже отрицательной. При отрицательной натуральной щелочности сока I сатурации на II сатурации не будет доставать карбонатов калия и натрия для осаждения солей кальция. В таком случае недостаток натуральной щелочности компенсируют добавлением в сок перед II сатурацией 10—15 кг тринатрийфосфата (Na3PО4 * 12Н2О) из расчета на 100 т перерабатываемой свеклы, если натуральная щелочность сока выше 0,01% СаО. При натуральной щелочности ниже 0,01% СаО на каждую сотую долю процента снижения натуральной щелочности в сок добавляется 20 кг тринатрийфосфата и 10 кг кальцинированной соды (Na2CO3) на 100 т свеклы. Кроме того, в клеровку сахаров II и III кристаллизаций на каждые 100 т свеклы дают 8—10 кг тринатрийфосфата и 5—7 кг кальцинированной соды. Вместе с осадком фосфата натрия из сока удаляются азотистые соединения, не осаждаемые известью и кальцинированной содой (если она добавляется без тринатрийфосфата).
Натуральная щелочность, определенная по разности между общей щелочностью сока I сатурации и содержанием солей кальция (в % СаО), называется теоретической натуральной щелочностью.
Проведение I сатурации. Обычно I сатурацию прекращают тогда, когда в соке в растворенном состоянии остается небольшое количество гидроксида кальция — 0,08—0,11% СаО (pH 10,8—11,5). Это нормально отсатурированный сок. При более полном удалении гидроксида кальция сатурацией (до 0,05% СаО и ниже) получается пересатурированный сок, который хорошо фильтруется, так как в нем отсутствуют углекальциевые сахараты, но из-за частичной пептизации коагулята он имеет повышенные цветность и содержание солей кальция.
В недосатурированном соке со щелочностью выше 0,11% СаО остается некоторое количество углекальциевых сахаратов, обладающих высокой дисперсностью, а следовательно, и повышенной адсорбционной способностью по сравнению с кристаллическим карбонатом кальция. Поэтому доброкачественность такого сока выше, чем нормально отсатурированного, но фильтруется он хуже.
На доброкачественность и фильтрационную способность сока I сатурации значительное влияние оказывает скорость сатураций, т. е. чем больше диоксида углерода прореагирует в единицу времени в единице объема сока, тем выше будет дисперсность, а следовательно, и адсорбционная поверхность карбоната кальция.
Уменьшение размера кристаллов СаСО3 не оказывает заметного влияния на скорость фильтрования сока, так как мелкокристаллический осадок, имея развитую площадь поверхности частиц с положительным зарядом, больше адсорбирует отрицательно заряженных коллоидных частиц, сохраняя хорошую пористость фильтрующего слоя, тогда как нефиксированные (не закрепленные на СаСО3) гели закупоривают каналы между кристаллами СаСО3 и задерживают фильтрование сока.
Но при наличии в схеме очистки сока отстойников, чтобы получить крупные, хорошо осаждающиеся, кристаллы СаСО3, сок на I сатурации сатурируется не менее 10 мин. А при работе с фильтрами-сгустителями (без отстойников) скорость сатурации можно увеличивать, получая осадок с мелкими кристаллами.
I сатурация проводится в противоточном решетчатом сатураторе (рис. 47), представляющем собой вертикальный цилиндрический сосуд, расширенный в верхней части. Это сделано для улавливания пены, образующейся в процессе сатурации. В нижней части корпуса / на равном расстоянии друг от друга по высоте установлены три решетчатые перегородки 2, предназначенные для равномерного распределения пузырьков сатурационного газа в соке.
Дефекованный сок поступает в сатуратор сверху на неподвижную распределительную тарелку 3, а сатурационный газ нагнетается компрессором снизу. Газовый компрессор располагается ниже сатуратора, поэтому газ подается в сатуратор через V-образное колено, образующее гидравлический затвор, что препятствует вытеканию сока из сатуратора через компрессор при его остановках.
Отработавший сатурационный газ выводится в атмосферу, а капли сока задерживаются зонтом 5 и сепаратором 4.
Отсатурированный сок поступает в среднее отделение контрольного ящика 8, где с помощью подвижного щитка 7 поток делится на две части: одна часть возвращается на преддефекацию, вторая идет на фильтрование и последующую переработку.
Высота столба сока в сатураторе поддерживается примерно 4,3 м. Предельный уровень пены контролируется с помощью трубки 6: если из нее в контрольный ящик вытекает сок, то для гашения пены в верхнюю часть сатуратора подается пар.
Оптимальное значение pH сока I сатурации контролируется автоматически. Готовность сока определяется по скорости осветления образца, взятого из контрольного ящика.