Сушка рафинада

Сушку рафинада, а точнее говоря высушивание сахарного раствора, содержащегося в рафинаде, осуществляют одним из двух способов, резко отличающихся один от другого.
При сушке рафинада первым способом (рис. 186, а) в сушильной камере поддерживают вакуум и образующиеся водяные пары непрерывно отсасывают. Среда, окружающая влажный рафинад, — это почти чистый водяной пар, содержащий лишь небольшую примесь воздуха, проникшего в сушилку.

Во втором способе (рис. 186, б) сушку рафинада ведут горячим воздухом, прокачиваемым через сушильную камеру. Среда, окружающая влажный рафинад, — это воздух более или менее влажный, т. е. смесь сухого воздуха и водяных паров.
Если обозначить давление водяных паров у самой поверхности высушиваемого рафинада через Рр, а давление чистого водяного пара при первом способе сушки либо парциальное давление пара в воздухе принтером способе сушки — через Рп, то скорость испарения влаги будет прямо пропорциональна разности

Отсюда следует, что сушка идет быстрее при высоком значении Рр, что наблюдается при повышении температуры рафинада.
Однако увеличивать температуру рафинада выше определенной величины нельзя, так как при этом может наступить термическое разложение его и ухудшение качества.
Величину Рп можно снижать в первом способе сушки углублением вакуума в сушильной камере, а во втором способе — снижением влагосодержания подводимого воздуха, т. е. повышением его сухости. Быстрое перемещение воздуха способствует удалению пара. Следует иметь в виду, что при сушке рафинада идет процесс испарения воды из пленки сахарного раствора на кристаллах. В первом приближении этот раствор можно считать насыщенным сахаром, и, следовательно, упругость водяных паров над ним меньше, чем упругость над чистой водой.
Сушка рафинада имеет ту существенную особенность, что здесь удаление воды не является самоцелью, но лишь средством для выделения дополнительных количеств твердого сахара, который должен выполнять важнейшую в данном случае функцию — цементацию отдельных кристаллов сахара в единые конгломераты.
Довольно детально изучена динамика сушки брусков рафинада. Найденные закономерности в какой-то мере характеризуют сушку кускового рафинада вообще. Процесс сушки рафинада протекает в два периода.
В первом из них происходит быстрое удаление влаги, во втором процесс идет замедленно.
На рис. 187 изображен ход высушивания бруска рафинада в определенных и постоянных условиях сушки.

На оси абсцисс графика нанесена длительность высушивания т в часах, на оси ординат — влажность бруска рафинада, соответствующая указанной длительности. Кривая хода высушивания имеет точку перегиба, отделяющую быстрое высушивание от замедленного.
На другом графике (рис. 188) на оси ординат нанесена подсчитанная скорость сушки dw/dt, которая соответствует значениям W — снижающейся влажности высушиваемого рафинадного бруска, нанесенной на оси абсцисс.

После уменьшения влажности бруска до некоторой величины, которую называют критической, скорость высушивания резко уменьшается: начинается второй период сушки. Критическая влажность не является единой величиной для любого высушиваемого бруска рафинада: она имеет тем большее значение, чем выше начальная влажность высушиваемого бруска, чем больше твердого сахара выделяется при высушивании. Это видно из следующих данных:

На продолжительность высушивания влияет и начальная объемная плотность рафинада. При большой объемной плотности пористость рафинада меньше, узкие поры быстрее заполняются твердым сахаром и увеличивается величина критической влажности. Замедление процесса высушивания с уменьшением содержания влаги в высушиваемом рафинаде, по-видимому, обусловлено следующими явлениями.
В начале сушки рафинада влага испаряется в основном с его поверхности. Удаление влаги из внутренних слоев его может происходить путем диффундирования влаги к поверхности и испарения ее там либо путем парообразования внутри рафинада с отведением образовавшегося пара.
Оба указанных процесса значительно отличаются между собой. Не исключена возможность, что в какой-то мере они взаимосвязаны. Перемещение вещества в любом виде изнутри рафинада происходит через поры между монокристаллами. По мере выделения цементирующего сахара эти поры могут заполняться частично или даже полностью.
Далее, по мере утончения пленки высушиваемого раствора, расположенного между кристаллами, увеличивается адгезионное и адсорбционное воздействие поверхности кристаллов и на раствор, и на содержащуюся в нем воду, что должно нарастающим образом тормозить высушивание. Не исключена возможность, что и самая структура раствора может изменяться: при высокой концентрации раствора решающую роль в нем играют гидраты молекул сахарозы, в которых вода связана более сильно.
В некоторых случаях при высушивании рафинада может играть роль и воздух, которым частично заполнены поры между кристаллами. Так, при быстром нагревании брусков рафинада с высокой начальной влажностью (3% и более) на их поверхности появляются пузырьки раствора. Это обусловлено как тепловым расширением раствора, так и выталкивающим действием расширяющихся пузырьков воздуха и пара. Вытолкнутый раствор теряет на поверхности воду и выделяет твердый сахар. Это может привести даже к образованию сплошной стекловидной корки, которая приостанавливает дальнейшее высушивание рафинада и приводит к появлению трещин на поверхности рафинадных брусков. Такие бруски приходится браковать.
Практика показала, что рафинад с начальной влажностью более 2% трудно высушить в токе воздуха при атмосферном давлении. Для достижения приемлемых результатов пришлось бы удлинить процесс сушки и усложнить установку. Кроме того, внешний вид рафинада может оказаться неудовлетворительным.
Следовательно, сушка воздухом целесообразна для рафинада с невысокой влажностью. Если же хотят иметь рафинад повышенной прочности, когда приходится исходить из повышенной влажности, то обычно сушку ведут под разрежением, хотя этот метод сушки и более сложен. Под вакуумом может быть достаточно быстро высушен рафинад и повышенной влажности.
Применением разрежения можно заставить кипеть весь раствор сахара, включая и ту часть его, которая находится в середине рафинада. Это облегчает удаление образующегося пара. Скрытая теплота парообразования отбирается от высушиваемого рафинада, температура которого вследствие этого снижается.
Так как разреженный пар или разреженный воздух является плохим проводником тепла, то невозможно одновременно вести и нагревание рафинада, и его высушивание под разрежением. Эти две операции приходится разделять во времени. На некоторых рафинадных заводах их разделяют и территориально, устанавливая отдельно камеры, в которых нагревают рафинад — так называемые подогреватели, и отдельно вакуум-сушилки.
Высушиваемый рафинад размещают на сушковых вагончиках, которые по мере надобности перекатывают из подогревателей в вакуум-сушилки и обратно. На некоторых же заводах подогрев и вакуумирование, т. е. отсасывание паров (эту операцию называют откачкой), производят в одном и том же аппарате, разделяя операции во времени.
Как правило, оказывается необходимой сушка, в которой за откачкой следует повторное нагревание под атмосферным давлением. Количество повторных нагревов обычно равно двум, но в случаях повышенной влажности рафинада может быть больше.
Учитывая возможный спрос потребителей и трудности выработки литого рафинада, В.М. Волохвянский предложил выпускать на наших заводах некоторое количество медленно тающего «прессованного рафинада со свойствами литого». Особенности его технологии состоят в повышенной влажности прессуемой кашки (около 2,5—3%) при не очень высоком коэффициенте прессования.
Казалось бы, что для приближения свойств прессованного рафинада к литому следовало бы работать при высоком коэффициенте прессования, например ?, равном 34%. Однако полученный таким образом рафинад, хотя и отличается высокой объемной плотностью и большим сопротивлением раздроблению, при потреблении вприкуску довольно быстро распадается на мелкие кристаллики. Поэтому прессуют этот рафинад при ? = 28/30%, но увеличивают количество сахарного раствора в кашке, который должен сцементировать монокристаллы, т. е. повышают влажность брусков. При выработке крепкого прессованного рафинада обычно применяют вакуум-сушилки, в которых производят и откачки, и нагрев.
Для лучшего противодействия давлению наружного воздуха вакуум-сушилке придают цилиндрическую форму и размещают ее в горизонтальном положении. Длина вакуум-сушилки 11,5 м, диаметр 2,5 м. Вдоль пола сушилки размещены рельсы, по которым передвигаются сушковые вагончики. В сушилке обычно помещается 10 вагончиков, производительность ее около 150—170 ц рафинада в сутки. Массивные двери сушилки снабжены резиновым уплотнением и особыми прижимающими засовами для обеспечения герметичности. Внутри сушилки, вдоль боковых сторон ее, расположены радиаторы, обогреваемые паром, с общей поверхностью нагрева, превышающей 2000 м2. Во избежание местного перегрева рафинада вагончики отделены от радиаторов щитами. Для создания в период нагрева циркуляции воздуха в сушилке в ее верхней части установлено пять вентиляторов, приводимых во вращение электродвигателями. Вакуум-сушилка соединена трубопроводом с конденсатором, сообщающимся с вакуум-насосом.
Бруски (и кусочки) обычного прессованного рафинада можно успешно высушивать в непрерывном потоке горячего воздуха. При этом вагончики с брусками рафинада перемещают в одном направлении — по коридору туннеля, через который прокачивают нагретый воздух. Рационально проводимая сушка воздухом должна удовлетворять ряду требований технологических и теплотехнических:
- температура воздуха, подаваемого в сушилку, не должна превышать 100° С;
- количество высушивающего воздуха, поступающего в сушилку, должно быть сведено к разумному минимуму, для чего воздух, выводимый из сушилки, должен содержать возможно больше водяных паров, т. е. быть ближе к состоянию насыщения. Для этого приходится осуществлять достаточно длительное и тесное соприкосновение воздуха с рафинадом. Уменьшение количества выводимого воздуха уменьшает тепловые потери с ним;
- температура отводимого воздуха должна быть по возможности ниже;
- для уменьшения тепловых потерь температура высушенного рафинада должна быть возможно ниже в момент, когда его выводят из сушилки. Для этого горячий высушенный рафинад обдувают в противотоке воздухом, забираемым из помещения завода. достигая таким путем предварительного подогрева этого воздуха;
- следует избегать соприкосновения горячего и сухого воздуха с сырым рафинадом во избежание нежелательных явлений, которые были указаны выше.
Достаточно проста по своему устройству сушилка в виде одноканальных туннелей, которые широко применяются в рафинадных цехах сахаро-песочных заводов. В них сушильные вагончики вводятся с одного конца туннеля и выводятся с другого. В туннеле размещается 9—11 вагончиков, которые передвигаются один за другим. Сушка производится в противотоке. Сырой рафинад приходит в соприкосновение с воздухом, которым уже последовательно осуществлялась сушка рафинада в 7—8 вагончиках. Температура этого воздуха невысока, он увлажнился в достаточной степени, поэтому опасность резкого нагрева и высушивания рафинада исключена.
Туннельная сушилка может быть выполнена не только в виде одного сквозного канала, вагончики могут перемещаться в ней как бы по кольцу, т. е., например, по двум камерам, расположенным рядом, причем длина каждой камеры около 30 м.
Схематический план туннельной сушилки, состоящей из двух параллельных камер, изображен на рис. 189.

В сушилке четыре зоны (I—IV). В первой зоне сырой рафинад соприкасается с теплым воздухом, частично уже насыщенным водяными парами. Часть этого воздуха выводится из конца сушилки, а часть забирается вентилятором, подогревается в калорифере до 50—55° С и подается в начало той же первой зоны. Во второй зоне вагончики с рафинадом обдуваются уже более горячим воздухом с температурой 70—75° С. В третьей зоне вагончики обдуваются воздухом, нагретым до температуры 80 и даже 85° С. В этой зоне вагончики могут перемещаться в прямотоке с воздухом, так как рафинад на них уже основательно подсушен и нуждается лишь в досушивании. В четвертой зоне уже высушенный рафинад встречается в противотоке с холодным, но сухим наружным воздухом, который здесь несколько подогревается. Вывод из сушилки всего отработанного воздуха привел бы к значительной тепловой потере; полное же возвращение воздуха в сушилку вызвало бы желательное его дальнейшее насыщение влагой, но сильно замедлило бы процесс высушивания до полной его остановки.
Повторное соприкосновение одного и того же сушащего воздуха с рафинадом рационально, так как при этом воздух лучше насыщается водяными парами. Количество возвращаемого воздуха регулируют так, чтобы влагосодержание его в первой зоне не превысило определенного значения. Итак, в рассматриваемой схеме работы сушилки удаление влаги из рафинада происходит в такой последовательности. Сырой рафинад в первой зоне соприкасается с относительно влажным воздухом. Ввиду значительной влажности рафинада и легкости паровыделения процесс высушивания все же будет осуществляться. Во второй и третьей зонах частично уже подсушенный рафинад последовательно соприкасается со все более горячим воздухом и отдаст ему большую часть своей влаги. В четвертой зоне рафинад отдает свежему сухому воздуху часть своего тепла и последние порции влаги. Вагончики с рафинадом перемещаются по рельсам туннелей в нужном (одном) направлении периодически, причем движущее устройство обычно воздействует лишь на один вагончик, который подталкивает остальные.
Рафинад можно сушить горячим воздухом и в вертикальных шахтах, в которых сахар непрерывно перемещается замкнутым вертикальным конвейером. Более подробно такая сушка будет рассмотрена при описании автоматизированных линий.
В технике известен метод сушки различных материалов при помощи переменного тока высокой частоты.
Мы уже указывали выше, что молекулы воды и сахара являются диполями. Если поместить сахар между электродами конденсатора, один из которых заряжен положительно, а другой — отрицательно, то молекулы сахара стремятся расположиться так, чтобы их полюсы повернулись в направлении к разноименно заряженным электродам, т. е. положительно заряженный полюс молекулы к отрицательному электроду и наоборот.
Под действием часто меняющегося электрического поля и меняющихся полюсов происходит столь же частая переориентировка полярных молекул. Это явление сопровождается трением между молекулами, на что затрачивается часть электрической энергии поля, которая превращается в тепло. Под действием токов высокой частоты однородная масса бруска рафинада в отличие от обычной сушки, когда прогрев идет от поверхности к сердцевине, прогревается равномерно и одновременно по всей толще, что с технологической точки зрения следует считать весьма желательным, так как уменьшается опасность образования корки на поверхности брусков.
Скорость сушки током высокой частоты в десятки раз больше скорости тепловой сушки. Соответствующие опыты показали возможность высушивания токами высокой частоты брусков рафинада на непрерывно действующей конвейерной установке в течение 5—10 мин.
Эти же опыты показали, что хорошие результаты сушки получались лишь при невысокой начальной влажности брусков, например, не превышающей 1,2%. За рубежом токи высокой частоты находят некоторое применение при сушке кусков рафинада, по-видимому, при их исходной невысокой влажности.
Опыты ВНИИСПа показали, что бруски с более высокой влажностью оказывались недосушенными. Удлинение времени сушки влажного рафинада приводило к деформации брусков. При повышении же температуры (свыше 125°С) бруски рафинада быстро желтели. И.Ф. Зеликман предложил комбинированный метод сушки рафинада, при котором критическая влажность достигалась бы в тепловой сушилке и лишь «последующий быстрый нагрев, под воздействием которого прошло бы дальнейшее досушивание, осуществлялся в поле токов высокой частоты.
Имеются сведения, что кусочки рафинада при не очень высокой исходной влажности могут быть довольно быстро высушены при помощи инфракрасных лучей.
После сушилок рафинад должен быть охлажден. В рафинаде после сушки остается некоторое количество влаги. При охлаждении теплого рафинада из этого сахарного раствора выделяется дополнительное количество твердого сахара, что повышает твердость рафинада. При этом также испаряется некоторое остаточное количество влаги, дополнительно выделяя соответствующее количество сахара в твердом виде. Во время выстаивания охлаждаемого рафинада происходит выравнивание содержания остатков сахарного раствора по всему объему рафинада, что также способствует улучшению структуры рафинада и его прочности. В связи с изложенным высушенный рафинад обычно охлаждают. В некоторых случаях рафинад охлаждают в особых камерах продуванием воздуха. Мы уже указывали, что по ГОСТу в готовом рафинаде допускается содержание влаги 0,2—0,4%) в зависимости от сорта.