Вязкость мелассы
25-04-2017, 19:24
Вязкость мелассы, отделяемой из последнего утфеля на центрифугах, действительно является ограничивающим препятствием. Хотелось бы оставлять в утфеле меньше воды, что позволило бы выкристаллизовать больше сахара, но при этом получается меласса большей концентрации и большей вязкости, что чрезмерно замедляет фуговку последнего утфеля.
При нормальной работе мелассы представляют собой не пересыщенный, а лишь насыщенный раствор сахара при температуре фуговки последнего утфеля. Состояние насыщения достигается подогревом утфеля перед фуговкой на 5—7° С (иногда водной раскачкой, что хуже, так как больше растворяет сахар). Легко выяснить, от каких факторов зависит Ч получаемой мелассы.
Пусть СВ мелассы при фуговке — r. Тогда в ней на 100 кг содержится (100 — r) кг воды, в которой и находится в растворе сахар в количестве
где Н — растворимость чистого сахара при температуре фуговки; ?' — коэффициент насыщения.
Следовательно, Ч мелассы
Как видим, Ч мелассы увеличивается с уменьшением СВ (г), т. е. с увеличением разбавления утфеля. Этот фактор r зависит от качества работы. Нужно работать по возможности с максимальной концентрацией, а для этого требуется, чтобы утфель имел ровный кристалл, без «муки», чтобы центрифуги имели максимальное число оборотов и были в достаточном количестве. Другой фактор, влияющий на Ч мелассы,— это коэффициент насыщения ?': чем он больше, тем выше чистота. Этот фактор зависит от качества несахаров, т. е. в основном от состава свеклы.
Для первого же фактора (r) нужно иметь некоторую норму, характеризующую нормальную работу.
Нормальная чистота мелассы. Вязкость отделяемой на центрифугах мелассы при современном оборудовании пробельной сахарных заводов в России должна быть около 44 пз (4,4 н*сек/м2). При нормальной здоровой свекле такую вязкость имеют мелассы с «нормальными» СВ, которые зависят от температуры фуговки (табл. 33).
Итак, нормальная меласса является насыщенным сахарным раствором, имеющим нормальные СВ, соответствующие температуре фуговки. Чистота такой мелассы является «нормальной» чистотой. Это отнюдь не какая-то «предельно истощенная» меласса; если уменьшить количество воды в утфеле, то можно бы еще выкристаллизовать некоторое количество сахара, но тогда получилась бы меласса с большими СВ и с вязкостью выше 44 пз (4,4 н*сек/м2), а при этих условиях и при современном оборудовании фуговка была бы трудна. Во всяком случае при отличной работе можно допускать СВ меласс выше нормы и получать мелассу по Ч ниже нормальной. Наоборот, при плохой работе приходится допускать СВ меласс ниже нормы и Ч мелассы получается выше нормальной.
Для разных заводов и для различного времени производства нормальная Ч мелассы различна, так как различен коэффициент насыщения ?'. Пусть в одном случае ?' = 1,1, а в другом ?' = = 1,2; тогда вычисляя по формуле, выведенной для чистоты мелассы, и принимая нормальные СВ для температуры 40° С, r = 82,0 и H = 2,37, найдем для одного случая qп = 57,2, а для другого qп = 62,4.
Метод определения нормальной чистоты мелассы. Как сказано выше, нормальной мелассой называется меласса, которая при содержании 82,0% СВ по рефрактометру без разбавления (или 83,5% по рефрактометру методом разбавления 1:1) и при температуре 40° С является насыщенным сахарным раствором. Следовательно, чтобы определить на опыте норму чистоты для мелассы данного завода, нужно экспериментально найти зависимость между СВ мелассы, насыщенной при 40° С и ее Ч.
Для этого три порции исследуемой мелассы сгущают (или разбавляют) до различных концентраций — приблизительно до 80, 82 и 84% (по рефрактометру без разбавления). Сгущение можно выполнять или в колбе под разрежением, или просто в фарфоровой чашке на песчаной бане при энергичном перемешивании. В три банки емкостью 200 г помещают по 100 г сгущенных проб мелассы, прибавляют в каждую банку по 20 г мелкого сахарного песка (прошедшего через сито с отверстиями диаметром 0,5 мм и задержанного ситом с отверстиями диаметром 0,25 мм). Банки закрепляют во вращающейся станине водяного термостата, делающей, например, 0,5 об/мин. Температура в термостате должна быть точно 40° С. Кристаллизация продолжается 3—4 дня, что достаточно для достижения состояния насыщения (если СВ мелассы не выше 85%). Затем отделяют оттек (отсасыванием, фуговкой в лабораторной центрифуге или отжиманием через ткань). В полученных трех пробах насыщенной мелассы определяют СВ, сахар и чистоту. Пусть получили такой результат:
Строим диаграмму зависимости Ч от СВ (рис. 161). Получаем для наших трех проб три точки (1, 2 и 3). Проводим по ним линию 1—3 (обычно получается почти прямая линия), которая выражает зависимость Ч от СВ. На этой прямой найдем точку а, соответствующую нормальным СВ 82,0%. Эта точка а, как видим, соответствует Ч 58,6%, которую и следует считать нормальной Ч для данного завода. Если меласса завода имеет Ч выше 58,6%, то работа кристаллизации неудовлетворительна; если же Ч ниже 58,6%, то работу следует признать отличной. Диаграмма ясно показывает, что данный завод мог бы получить мелассу весьма низкой Ч, например 55,0% (точка b), но концентрация такой мелассы была бы 85,3%) (рефрактометрическая), что весьма затруднило бы фуговку, так как вязкость мелассы была бы больше в 5—6 раз, чем следует, — 44 пз (4,4 н*сек/м2).
Всякое уменьшение разбавления (раскачка) утфеля и повышение СВ мелассы снижает ее Ч, например, повысив концентрацию межкристальной мелассы до 82,5% вместо 82,0% (точка с), получим Ч 58,0% вместо прежней 58,6%.
Наоборот, если нам из-за плохого качества утфеля или из-за неудовлетворительной работы центрифуг придется усилить раскачку утфеля и снизить СВ мелассы, например, до 81,0 (точка d), то Ч мелассы повысится до 59,7%.
Для различных меласс кривые (прямые), выражающие функциональную зависимость Ч от СВ насыщенных меласс, будут совершенно различны, так как для разных меласс различны коэффициенты насыщения (рис. 162), которые определяются качественным составом несахаров. На рис. 162 дан ряд прямых, выражающих результаты опытной кристаллизации для 17 меласс различных заводов.
Как видим, нормальная Ч для различных меласс колебалась в весьма широких пределах — от 52,0 (для 1-го Кубанского завода) до 65,0 (для Товарковского завода). Ч меласс, полученных на всех этих заводах, обычно колеблется около нормальной Ч для этих меласс, что подтверждает правильность выбора величины нормальных СВ.
Впоследствии был предложен ряд упрощенных и ускоренных методов определения нормальной Ч меласс. В настоящее время, после работ Садового, Захарова, Чэнь И-сянь и Силина, на определение нормальной чистоты мелассы требуется уже не 4 суток, а лишь 3 ч. Итак, понятие нормальной Ч мелассы позволило дать метод контроля Ч заводских меласс и качества работы завода по кристаллизации последнего утфеля. Этот метод принят на сахарных заводах России.
Вязкость меласс. Так как вязкость меласс имеет большое значение в вопросах кристаллизации сахара и фуговки утфелей, то ей посвящен ряд исследований.
Было найдено, что при температуре 40° С и «нормальных» СВ 82% (по рефрактометру без разбавления) мелассы, полученные при переработке здоровой свеклы на заводах в России, в среднем имеют вязкость 44 пз (4,4 н*сек/м2) с колебаниями от 37 до 50 пз (5,0 н*сек/м2).
Вязкость меласс быстро растет с повышением концентрации, причем эта зависимость выражается прямыми линиями, если на диаграмме нанести вязкость в логарифмическом масштабе, а концентрацию — в молярных долях (как было принято для сахара на номограмме 152). При этом оказалось, что прямые вязкости меласс идут параллельно прямым вязкости для чистых сахарных растворов.
С повышением температуры вязкость меласс быстро понижается. Это понижение следует приблизительно закону (Френкеля)
Итак, логарифм вязкости находится приблизительно в прямолинейной зависимости от 1/Т.
С учетом всех этих закономерностей была разработана номограмма вязкости (рис. 163), позволяющая, зпая иязкость мелассы при некоторой температуре и концентрации (определенной по рефрактометру без разбавления), определять графически вязкость ее при иных концентрациях и температурах.
На номограмме но абсциссе (внизу) нанесены СВ меласс (в масштабе молярных долей сахарозы). Кроме того, тоже по абсциссе (вверху) нанесены температуры (20—80° С) в масштабе, близком к 1/Т. По ординате откладывают вязкость мелассы (пуазы) в логарифмическом масштабе. Ряд прямых, повышающихся слева направо, показывает направление повышения вязкости мелассы с повышением содержания в ней сухих веществ (СВ); ряд прямых, наклоненных книзу слева направо, показывает направление понижения вязкости мелассы с повышением температуры.
Пусть в лаборатории при температуре 24,5° С вязкость мелассы с СВ 78,9% оказалась 60,0 пз (6,0 н*сек/м2). Нужно узнать, какова будет вязкость этой мелассы при температуре 40° С и при СВ 82,0%. Наносим на номограмму точку а, соответствующую вязкости 60,0 пз и температуре 24,5° С. При повышении температуры до 40° С вязкость будет снижаться параллельно наклоняющимся прямым до точки b (соответствующей 40° С). Эту точку — вязкость 12,5 пз (1,25 н*сек/м2) — переносим на ординату, соответствующую СВ мелассы, т. е. 78,9% (точка с).
При повышении СВ до 82% вязкость мелассы будет повышаться параллельно восходящим прямым номограммы и достигнет точки d (соответствующей СВ 82,0%). Искомую вязкость, соответствующую точке d, отсчитаем по ординате и найдем 50,0 пз (5,0 н*сек/м2).
Очень важно было бы определять время от времени вязкость мелассы для нормальных условий (СВ 82,0% без разбавления и 40°С), так как при отклонении состава свеклы от обычного эта вязкость иногда значительно отличается от нормального значения — от 44 пз (4,4 н*сек/м2). Например, Брейтунг нашел, что если в обычной мелассе все катионы заменить на катион калия (при помощи ионного обмена), то вязкость снижается раза в 1,5; при замене же на катион натрия — увеличивается более чем в 2 раза. Особенно большую вязкость получаем при замене всех катионов на катион кальция: она при этом увеличивается раз в 5. Поэтому вполне понятно, что Садовый и Жвирблянский находили очень большие вязкости при нормальных условиях для меласс при переработке испорченной свеклы: эти мелассы были богаты солями кальция (до 2,7%), а вязкость достигала 116—138 пз (11,6—13,8 н*сек/м2), т. е. была в 3 раза больше нормальных 44 пз (4,4 н*сек/м2). Иногда, наоборот, вязкость бывает значительно ниже нормы, например 30 пз (3,0 н*сек/м2).
В этих случаях следовало бы вносить соответствующий корректив и в нормы для СВ при фуговке. Покажем, как это сделать.
Садовый нашел для мелассы Рамонского сахарного завода огромную вязкость — 116 пз (11,6 н*сек/м2) при 82,0% СВ и температуре 40° С. По номограмме легко определить, при каких СВ эта меласса имела бы нормальную вязкость — 44,0 пз (4,4 н*сек/м2). Для этого наносим на номограмму точку г, соответствующую СВ 82,0% и вязкости 116,0 пз (11,6 н*сек/м2), проводим прямую rs, параллельную линии повышения вязкости с увеличением СВ, до пересечения с горизонталью, соответствующей нормальной вязкости 44 пз (4,4 н*сек/м2), — в точке s. Эта точка, оказывается, соответствует СВ 80,0%, что в данном случае и следует считать нормальными СВ (вместо 82,0%).
Легко определить также и нормальную Ч мелассы, соответствующую этим более верным нормальным СВ. Для определения можно воспользоваться диаграммой зависимости Ч этой мелассы от ее СВ. Увидим, что СВ 80% соответствует нормальная Ч 55,5%, тогда как, считая нормальным СВ 82,0%, нашли бы нормальную Ч лишь 52,8%, т. е. меньше, чем следует на 2,7.
При нормальной работе мелассы представляют собой не пересыщенный, а лишь насыщенный раствор сахара при температуре фуговки последнего утфеля. Состояние насыщения достигается подогревом утфеля перед фуговкой на 5—7° С (иногда водной раскачкой, что хуже, так как больше растворяет сахар). Легко выяснить, от каких факторов зависит Ч получаемой мелассы.
Пусть СВ мелассы при фуговке — r. Тогда в ней на 100 кг содержится (100 — r) кг воды, в которой и находится в растворе сахар в количестве
(100 — r) Н?',
где Н — растворимость чистого сахара при температуре фуговки; ?' — коэффициент насыщения.
Следовательно, Ч мелассы
q = 100(100 — r) H?'/r
Как видим, Ч мелассы увеличивается с уменьшением СВ (г), т. е. с увеличением разбавления утфеля. Этот фактор r зависит от качества работы. Нужно работать по возможности с максимальной концентрацией, а для этого требуется, чтобы утфель имел ровный кристалл, без «муки», чтобы центрифуги имели максимальное число оборотов и были в достаточном количестве. Другой фактор, влияющий на Ч мелассы,— это коэффициент насыщения ?': чем он больше, тем выше чистота. Этот фактор зависит от качества несахаров, т. е. в основном от состава свеклы.
Для первого же фактора (r) нужно иметь некоторую норму, характеризующую нормальную работу.
Нормальная чистота мелассы. Вязкость отделяемой на центрифугах мелассы при современном оборудовании пробельной сахарных заводов в России должна быть около 44 пз (4,4 н*сек/м2). При нормальной здоровой свекле такую вязкость имеют мелассы с «нормальными» СВ, которые зависят от температуры фуговки (табл. 33).
Итак, нормальная меласса является насыщенным сахарным раствором, имеющим нормальные СВ, соответствующие температуре фуговки. Чистота такой мелассы является «нормальной» чистотой. Это отнюдь не какая-то «предельно истощенная» меласса; если уменьшить количество воды в утфеле, то можно бы еще выкристаллизовать некоторое количество сахара, но тогда получилась бы меласса с большими СВ и с вязкостью выше 44 пз (4,4 н*сек/м2), а при этих условиях и при современном оборудовании фуговка была бы трудна. Во всяком случае при отличной работе можно допускать СВ меласс выше нормы и получать мелассу по Ч ниже нормальной. Наоборот, при плохой работе приходится допускать СВ меласс ниже нормы и Ч мелассы получается выше нормальной.
Для разных заводов и для различного времени производства нормальная Ч мелассы различна, так как различен коэффициент насыщения ?'. Пусть в одном случае ?' = 1,1, а в другом ?' = = 1,2; тогда вычисляя по формуле, выведенной для чистоты мелассы, и принимая нормальные СВ для температуры 40° С, r = 82,0 и H = 2,37, найдем для одного случая qп = 57,2, а для другого qп = 62,4.
Метод определения нормальной чистоты мелассы. Как сказано выше, нормальной мелассой называется меласса, которая при содержании 82,0% СВ по рефрактометру без разбавления (или 83,5% по рефрактометру методом разбавления 1:1) и при температуре 40° С является насыщенным сахарным раствором. Следовательно, чтобы определить на опыте норму чистоты для мелассы данного завода, нужно экспериментально найти зависимость между СВ мелассы, насыщенной при 40° С и ее Ч.
Для этого три порции исследуемой мелассы сгущают (или разбавляют) до различных концентраций — приблизительно до 80, 82 и 84% (по рефрактометру без разбавления). Сгущение можно выполнять или в колбе под разрежением, или просто в фарфоровой чашке на песчаной бане при энергичном перемешивании. В три банки емкостью 200 г помещают по 100 г сгущенных проб мелассы, прибавляют в каждую банку по 20 г мелкого сахарного песка (прошедшего через сито с отверстиями диаметром 0,5 мм и задержанного ситом с отверстиями диаметром 0,25 мм). Банки закрепляют во вращающейся станине водяного термостата, делающей, например, 0,5 об/мин. Температура в термостате должна быть точно 40° С. Кристаллизация продолжается 3—4 дня, что достаточно для достижения состояния насыщения (если СВ мелассы не выше 85%). Затем отделяют оттек (отсасыванием, фуговкой в лабораторной центрифуге или отжиманием через ткань). В полученных трех пробах насыщенной мелассы определяют СВ, сахар и чистоту. Пусть получили такой результат:
Строим диаграмму зависимости Ч от СВ (рис. 161). Получаем для наших трех проб три точки (1, 2 и 3). Проводим по ним линию 1—3 (обычно получается почти прямая линия), которая выражает зависимость Ч от СВ. На этой прямой найдем точку а, соответствующую нормальным СВ 82,0%. Эта точка а, как видим, соответствует Ч 58,6%, которую и следует считать нормальной Ч для данного завода. Если меласса завода имеет Ч выше 58,6%, то работа кристаллизации неудовлетворительна; если же Ч ниже 58,6%, то работу следует признать отличной. Диаграмма ясно показывает, что данный завод мог бы получить мелассу весьма низкой Ч, например 55,0% (точка b), но концентрация такой мелассы была бы 85,3%) (рефрактометрическая), что весьма затруднило бы фуговку, так как вязкость мелассы была бы больше в 5—6 раз, чем следует, — 44 пз (4,4 н*сек/м2).
Всякое уменьшение разбавления (раскачка) утфеля и повышение СВ мелассы снижает ее Ч, например, повысив концентрацию межкристальной мелассы до 82,5% вместо 82,0% (точка с), получим Ч 58,0% вместо прежней 58,6%.
Наоборот, если нам из-за плохого качества утфеля или из-за неудовлетворительной работы центрифуг придется усилить раскачку утфеля и снизить СВ мелассы, например, до 81,0 (точка d), то Ч мелассы повысится до 59,7%.
Для различных меласс кривые (прямые), выражающие функциональную зависимость Ч от СВ насыщенных меласс, будут совершенно различны, так как для разных меласс различны коэффициенты насыщения (рис. 162), которые определяются качественным составом несахаров. На рис. 162 дан ряд прямых, выражающих результаты опытной кристаллизации для 17 меласс различных заводов.
Как видим, нормальная Ч для различных меласс колебалась в весьма широких пределах — от 52,0 (для 1-го Кубанского завода) до 65,0 (для Товарковского завода). Ч меласс, полученных на всех этих заводах, обычно колеблется около нормальной Ч для этих меласс, что подтверждает правильность выбора величины нормальных СВ.
Впоследствии был предложен ряд упрощенных и ускоренных методов определения нормальной Ч меласс. В настоящее время, после работ Садового, Захарова, Чэнь И-сянь и Силина, на определение нормальной чистоты мелассы требуется уже не 4 суток, а лишь 3 ч. Итак, понятие нормальной Ч мелассы позволило дать метод контроля Ч заводских меласс и качества работы завода по кристаллизации последнего утфеля. Этот метод принят на сахарных заводах России.
Вязкость меласс. Так как вязкость меласс имеет большое значение в вопросах кристаллизации сахара и фуговки утфелей, то ей посвящен ряд исследований.
Было найдено, что при температуре 40° С и «нормальных» СВ 82% (по рефрактометру без разбавления) мелассы, полученные при переработке здоровой свеклы на заводах в России, в среднем имеют вязкость 44 пз (4,4 н*сек/м2) с колебаниями от 37 до 50 пз (5,0 н*сек/м2).
Вязкость меласс быстро растет с повышением концентрации, причем эта зависимость выражается прямыми линиями, если на диаграмме нанести вязкость в логарифмическом масштабе, а концентрацию — в молярных долях (как было принято для сахара на номограмме 152). При этом оказалось, что прямые вязкости меласс идут параллельно прямым вязкости для чистых сахарных растворов.
С повышением температуры вязкость меласс быстро понижается. Это понижение следует приблизительно закону (Френкеля)
Итак, логарифм вязкости находится приблизительно в прямолинейной зависимости от 1/Т.
С учетом всех этих закономерностей была разработана номограмма вязкости (рис. 163), позволяющая, зпая иязкость мелассы при некоторой температуре и концентрации (определенной по рефрактометру без разбавления), определять графически вязкость ее при иных концентрациях и температурах.
На номограмме но абсциссе (внизу) нанесены СВ меласс (в масштабе молярных долей сахарозы). Кроме того, тоже по абсциссе (вверху) нанесены температуры (20—80° С) в масштабе, близком к 1/Т. По ординате откладывают вязкость мелассы (пуазы) в логарифмическом масштабе. Ряд прямых, повышающихся слева направо, показывает направление повышения вязкости мелассы с повышением содержания в ней сухих веществ (СВ); ряд прямых, наклоненных книзу слева направо, показывает направление понижения вязкости мелассы с повышением температуры.
Пусть в лаборатории при температуре 24,5° С вязкость мелассы с СВ 78,9% оказалась 60,0 пз (6,0 н*сек/м2). Нужно узнать, какова будет вязкость этой мелассы при температуре 40° С и при СВ 82,0%. Наносим на номограмму точку а, соответствующую вязкости 60,0 пз и температуре 24,5° С. При повышении температуры до 40° С вязкость будет снижаться параллельно наклоняющимся прямым до точки b (соответствующей 40° С). Эту точку — вязкость 12,5 пз (1,25 н*сек/м2) — переносим на ординату, соответствующую СВ мелассы, т. е. 78,9% (точка с).
При повышении СВ до 82% вязкость мелассы будет повышаться параллельно восходящим прямым номограммы и достигнет точки d (соответствующей СВ 82,0%). Искомую вязкость, соответствующую точке d, отсчитаем по ординате и найдем 50,0 пз (5,0 н*сек/м2).
Очень важно было бы определять время от времени вязкость мелассы для нормальных условий (СВ 82,0% без разбавления и 40°С), так как при отклонении состава свеклы от обычного эта вязкость иногда значительно отличается от нормального значения — от 44 пз (4,4 н*сек/м2). Например, Брейтунг нашел, что если в обычной мелассе все катионы заменить на катион калия (при помощи ионного обмена), то вязкость снижается раза в 1,5; при замене же на катион натрия — увеличивается более чем в 2 раза. Особенно большую вязкость получаем при замене всех катионов на катион кальция: она при этом увеличивается раз в 5. Поэтому вполне понятно, что Садовый и Жвирблянский находили очень большие вязкости при нормальных условиях для меласс при переработке испорченной свеклы: эти мелассы были богаты солями кальция (до 2,7%), а вязкость достигала 116—138 пз (11,6—13,8 н*сек/м2), т. е. была в 3 раза больше нормальных 44 пз (4,4 н*сек/м2). Иногда, наоборот, вязкость бывает значительно ниже нормы, например 30 пз (3,0 н*сек/м2).
В этих случаях следовало бы вносить соответствующий корректив и в нормы для СВ при фуговке. Покажем, как это сделать.
Садовый нашел для мелассы Рамонского сахарного завода огромную вязкость — 116 пз (11,6 н*сек/м2) при 82,0% СВ и температуре 40° С. По номограмме легко определить, при каких СВ эта меласса имела бы нормальную вязкость — 44,0 пз (4,4 н*сек/м2). Для этого наносим на номограмму точку г, соответствующую СВ 82,0% и вязкости 116,0 пз (11,6 н*сек/м2), проводим прямую rs, параллельную линии повышения вязкости с увеличением СВ, до пересечения с горизонталью, соответствующей нормальной вязкости 44 пз (4,4 н*сек/м2), — в точке s. Эта точка, оказывается, соответствует СВ 80,0%, что в данном случае и следует считать нормальными СВ (вместо 82,0%).
Легко определить также и нормальную Ч мелассы, соответствующую этим более верным нормальным СВ. Для определения можно воспользоваться диаграммой зависимости Ч этой мелассы от ее СВ. Увидим, что СВ 80% соответствует нормальная Ч 55,5%, тогда как, считая нормальным СВ 82,0%, нашли бы нормальную Ч лишь 52,8%, т. е. меньше, чем следует на 2,7.