Скорость кристаллизации

24-05-2017, 09:45

Известно несколько способов выражения скорости кристаллизации. В сахарном производстве общепринятым является выражение скорости кристаллизации в мг выкристаллизовавшегося сахара за 1 мин на 1 м2 поверхности кристаллов.
Кристаллизацию сахарозы можно рассматривать как процесс, протекающий в две фазы. В первой фазе происходит диффузия молекул сахарозы через слой раствора к поверхности кристалла, в во второй происходит выкристаллизовывание сахарозы на твердой поверхности кристалла. В первой фазе скорость кристаллизации определяется скоростью диффузии молекул сахарозы.
Количество продиффундировавшей сахарозы М, согласно закону Фика, прямо пропорционально разности концентраций (С-с), поверхности кристаллов F, времени диффундирования т и обратно пропорционально толщине слоя раствора d
Скорость кристаллизации

Скорость кристаллизации сахарозы К выражают как количество сахара, выкристаллизовавшегося за 1 мин (т = 1) на 1м2 поверхности кристаллов (F = 1).
При параметрах кристаллизации т = 1 и F = 1 М=К. Подставив эти значения в уравнение (19), получим

Согласно теории Эйнштейна, коэффициент диффузии D зависит от температуры Т и вязкости ?

где k - константа.
Подставив значение D в уравнение (20), получим

Скорость кристаллизации во второй фазе, то есть фазе перехода из раствора в кристаллическое состояние, обычно значительно больше скорости кристаллизации, обусловленной диффузией в первой фазе. Поэтому определяющим фактором при кристаллизации сахарозы является скорость ее диффузии, следовательно, для описания процесса кристаллизации из нечистых сахарных растворов можно использовать уравнение (22).
Скорость кристаллизации зависит:
• от величины коэффициента пересыщения;
• от температуры;
• от вязкости;
• отчистоты;
• от взаимного перемещения раствора и кристаллов относительно друг друга.
Влияние ряда из перечисленных факторов на скорость кристаллизации обусловлено тем, что они оказывают влияние на диффузию сахарозы из раствора к поверхности кристалла сахара.
Скорость кристаллизации сахарозы растет с увеличением температуры, коэффициента пересыщения и чистоты (при прочих равных условиях). При одинаковой чистоте и одинаковой величине коэффициента пересыщения скорость кристаллизации зависит от температуры. Например, при коэффициенте пересыщения 1,05 скорость кристаллизации при 40°С примерно в пять раз выше скорости кристаллизации при 20°С.
Это еще раз подчеркивает, что величина коэффициента пересыщения характеризует способность данного раствора растворять или выкристаллизовывать часть сахарозы, но не является величиной, характеризующей скорость кристаллизации. Следует иметь в виду, что при одинаковой величине коэффициента пересыщения сахароза, в зависимости от других параметров, может кристаллизоваться с различной скоростью.
Между скоростью кристаллизации и избыточным пересыщением в нечистых сахарных растворах имеются определенные закономерности:
• Каждой чистоте раствора соответствует свой оптимум величины коэффициента пересыщения, при котором скорость кристаллизации будет максимальной. Если величина коэффициента пересыщения будет выше оптимальной, то в этом случае будут образовываться дополнительные кристаллы.
• Существуют оптимальные коэффициенты пересыщения для растворов разной чистоты, при которых происходит самозарождение кристаллов. С понижением чистоты растворов самозарождение кристаллов все более затрудняется и полностью приостанавливается в растворе чистотой 70% и ниже.
• Скорость кристаллизации сахарозы из сиропа высокой чистоты (Ч = 94% - свекла «маломелассная») примерно в два раза больше скорости кристаллизации из сиропа более низкой чистоты (Ч = 88% - свекла «многомелассная»).
• Скорость кристаллизации с понижением чистоты раствора резко снижается. Так, если скорость кристаллизации сахарозы из чистого сахарного раствора принять за 100, то относительные скорости кристаллизации нечистых растворов имеют следующие величины:

• На скорость кристаллизации оказывает влияние не только вязкость, но и состав несахаров при одинаковой чистоте продукта; нечистые сахарные растворы, имеющие низкие величины коэффициента насыщения, которым соответствуют высокое содержание солей кальция и низкое содержание щелочных металлов, отличаются большими скоростями кристаллизации, несмотря на несколько повышенные вязкости этих растворов.
• Аминокислоты, их соли, амиды, бетаин и многие другие азотистые соединения снижают скорость кристаллизации.
• С увеличением пересыщения сахарного раствора скорость кристаллизации растет в растворах любой чистоты и при любой температуре, но до известного предела, обусловленного образованием новых центров кристаллизации и повышением вязкости. Зависимость между скоростью кристаллизации и избыточным пересыщением не является линейной.
• С повышением температуры скорость кристаллизации сахарозы увеличивается в растворах любой чистоты и пересыщения. Температура является существенным фактором кристаллизации. Она влияет и на вязкость растворов в сторону ее понижения, несмотря на то, что с повышением температуры содержание сухих веществ в растворах с одинаковой чистотой и одинаковым пересыщением возрастает. Так, например, раствор с чистотой 90% и коэффициентом пересыщения 1,15 при температуре 40, 60 и 75°С содержит соответственно сухих веществ 75,2, 78,8 и 81,6 %, что влияет на повышение вязкости этих растворов. Однако с повышением температуры вязкость снижается. При этом ее снижение за счет повышения температуры больше, чем увеличение за счет повышения концентрации сухих веществ. В результате этого вязкость снижается, а скорость кристаллизации возрастает.
• В растворах с высокой чистотой влияние температуры проявляется преимущественно непосредственно, о чем свидетельствует высокий рост скорости кристаллизации при относительно небольшом уменьшении вязкости.
• В растворах с низкой чистотой влияние температуры проявляется преимущественно косвенно, что подтверждается значительным снижением вязкости при повышении температуры.
• С понижением чистоты вязкость возрастает, что обусловлено повышением содержания сухих веществ (несахаров и частично сахара) при равных условиях (температура, пересыщение и другие).
• Для раствора с определенной величиной пересыщения существует интервал температуры, в котором сахароза способна кристаллизоваться.
• Оптимальная температура кристаллизации в зависимости от чистоты приведена в табл. 32.