Предварительная дефекация
26-05-2017, 20:14
Цель предварительной дефекации. Уже при добавлении к диффузионному соку небольшого количества извести проявляется коагулирующее действие ее на такие несахара, как коллоидные вещества и высокомолекулярные соединения. С увеличением щелочности образующийся осадок становится плотнее, а сок прозрачнее. Максимум коагуляции (от латинского соаgulatio — свертывание) наблюдается в интервале оптимального pH 10,8—11,5 (рис. 43).
При увеличении pH больше оптимального значения происходит частичная пептизация осадка, т. е. переход осадка в раствор, кривая коагуляции опускается вниз.
Поэтому, чтобы наиболее полно осадить коллоидные вещества и не допустить пептизации осадка при последующем нарастании щелочности диффузионного сока, процесс дефекации делится на две стадии. На первой стадии к слабокислому соку добавляется 0,15—0,35 % СаО (к массе свеклы), pH постепенно повышается и значительная часть коллоидных веществ коагулирует (это преддефекация). На второй стадии в преддефекованный сок вводится 2,5—2,8% СаО (к массе свеклы), pH повышается до 12,2—12,3 и под действием высокой щелочности происходит разложение ряда несахаров (это основная дефекация).
Различают два основных способа преддефекации — оптимальную и прогрессивную. Обработка диффузионного сока известью в один прием, когда вся масса извести, необходимая для достижения оптимального значения pH, вводится в сок сразу, называется оптимальной преддефекацией. Постепенное и равномерное (прогрессивное) добавление извести в диффузионный сок в течение 20—40 мин, когда pH плавно повышается до определенного значения, называется прогрессивной преддефекацией.
На сахарных заводах осуществляется как холодная, так и горячая преддефекация. Во время холодной преддефекации диффузионный сок без подогрева смешивается с известью, а при горячей преддефекации сок сначала нагревается до 85—90 °С и потом к нему добавляют известь.
Химические реакции. Коагуляция и осаждение коллоидных веществ. Эти реакции происходят в основном под действием ионов кальция, образующихся при диссоциации Ca(OH)2. Коллоидные вещества имеют две оптимальные зоны коагуляции: в кислой среде при pH 3—4, в щелочной - при pH 10,8—11,5. В кислой среде они коагулируют в изоэлектрической точке в результате нейтрализации электрического заряда. При этом нейтрально заряженные коллоидные частицы теряют устойчивость и соединяются в крупные агрегаты. В щелочной среде в присутствии извести у коллоидных частиц изоэлектрической точки нет, а коагулируют они в результате образования с кальцием нерастворимых соединений.
В зависимости от состава несахаров диффузионного сока, температуры и продолжительности процесса зона оптимальной коагуляции коллоидных и высокомолекулярных веществ растянута в интервале pH 10,8—11,5 и более. Поэтому преддефекация диффузионного сока проводится при малом количестве извести, а не при избытке ее, когда плавного нарастания щелочности не происходит.
Оптимум коагуляции несахаров определяют в лаборатории завода по скорости осаждения коагулята в диффузионном соке при медленном добавлении извести. Значение pH, при котором установлена максимальная скорость осаждения коагулята, считается оптимальным.
Быстро отстаивающийся преддефекованиый сок содержит крупные, плотные частицы осадка, которые легко отделяются при фильтровании.
Всего во время хорошо проведенной преддефекации в осадок переходит около % коллоидных и высокомолекулярных веществ.
Нейтрализация кислот и осаждение кристаллоидов. Ионы кальция, вступая в контакт с анионами некоторых кислот, образуют слаборастворимые, выпадающие в осадок соли кальция. Кальцием осаждаются анионы щавелевой, уксусной, лимонной, оксилимонной, яблочной и винной кислот. Другие безазотистые органические кислоты, а также аминокислоты и бетаин известью не осаждаются. Из минеральных кислот почти полностью выпадают в осадок анионы фосфорной и частично серной кислот.
Кислоты, реагирующие с ионами кальция, находятся в диффузионном соке как в свободном состоянии, так и в виде солей калия, натрия и др. Например, реакции нейтрализации и осаждения щавелевой кислоты и ее калиевой соли протекают следующим образом:
Реакция со свободной щавелевой кислотой называется реакцией нейтрализации. В ней кроме иона кальция участвуют и гидроксильные ионы, которые, связывая водородные ионы щавелевой кислоты, образуют воду.
Реакция с калиевой солью щавелевой кислоты — это реакция осаждения. В результате этой реакции в соке после преддефекации вместо Са(ОН)3 появляется КОН в количестве, эквивалентном концентрации анионов, дающих осадок с кальцием, т. е. образование свободной щелочи (КОН) возможно только в том случае, когда анион кислоты образует с катионом кальция нерастворимую соль. Чем выше доля осаждаемых на преддефекации анионов к общему содержанию их в диффузионном соне, тем больше будет образовываться на сатурации карбонатов щелочных металлов (К2СО3, Na2СО3), характеризующих натуральную щелочность сока.
Реакции осаждения анионов кислот не успевают полностью завершиться на преддефекации и продолжаются на основной дефекации.
Кроме ионов кальция осаждающим действием обладают и гидроксильные ионы, вызывающие осаждение из диффузионного сока солей магния, алюминия, железа. Например:
Проведение оптимальной преддефекации. Оптимальная преддефекация осуществляется при 85—90 °С нормально отсатурированным нефильтрованным соком 1 сатурации в количестве 100—150 % к массе свеклы и дефекованным соком в количестве 15—30 % к массе свеклы. После смешивания соков в соотношении, определенном заранее заводской лабораторией, достигается оптимальное значение pH.
При возврате нефильтрованного сока I сатурации в диффузионный сок вводятся положительно заряженные частицы СаСО3, которые служат центрами коагуляции для отрицательно заряженных органических несахаров (белков, пектиновых и коллоидных веществ). В дальнейшем в процессе сатурации на образовавшихся конгломератах кристаллизуется СаСО3, и таким образом органические несахара оказываются внутри кристаллов карбоната кальция, что улучшает фильтрационные свойства осадка.
Чем больше возвращается сока I сатурации на преддефекацию, тем больше образуется крупных и быстрооседающих частиц. Но возврат большой массы сока I сатурации приводит к ухудшению качества и снижению термоустойчивости очищенного сока (термоустойчивость способность сока при нагревании длительное время сохранять свои технологические качества почти неизменными) Это объясняется тем, что значительная часть сока, нагретого до высокой температуры, длительное время циркулирует по замкнутому контуру, в результате чего образуется большое количество продуктов распада.
Если в схеме очистки сока имеются отстойники для отстаивания сока I сатурации, то на преддефекацию возвращается нефильтрованный сок I сатурации.
При замене отстойников листовыми фильтрами (ФиЛС) на преддефекацию возвращается сгущенная суспензия сока I сатурации.
Некоторые заводы, где хорошо работают отстойники, вместо сока I сатурации возвращают на преддефекацию примерно половину сгущенной суспензии сока I сатурации.
Вместо сгущенной суспензии сока I сатурации на преддефекацию можно возвращать весь фильтрационный осадок сока II сатурации, поверхность которого мало загрязнена несахарами и поэтому заряжена положительно. Однако возврат необходимого количества фильтрационного осадка сока II сатурации возможен только при проведении дефекации перед II сатурацией, когда на II сатурации образуется достаточное количество карбоната кальция.
Возврат сгущенной суспензии сока I сатурации или фильтрационного осадка сока II сатурации будет иметь положительный эффект только в том случае, если на очистку диффузионного сока расходуется не менее 100 % СаО к массе несахаров диффузионного сока. Тогда сатурационный осадок (СаСО3) будет иметь положительный электрический заряд.
При расходе СаО меньше 80 % к массе несахаров сатурационный осадок приобретает отрицательный электрический заряд и возврат его приводит, наоборот, к ухудшению процесса преддефекации и качества очищенного сока.
Оптимальную преддефекацию проводят в вертикальном преддефекаторе (рис. 44).
Диффузионный сок, сок 1 сатурации и дефекованный сок по отдельным патрубкам поступают в нижнюю часть преддефекатора, состоящего из цилиндрического корпуса 3, лопастной мешалки 4, пеносбрасывателя 1 и мешалки 5 для взмучивания осадка. Контрлопасти 2 препятствуют круговому движению сока. Преддефекованный сок отводится через переливную коробку в аппарат основной дефекации.
Проведение прогрессивной преддефекации. Смешивая при оптимальной преддефекации резко отличающиеся между собой значением pH соки, не удается избежать местного перещелачивания смеси, что снижает эффект осаждения коллоидных веществ. Поэтому на многих заводах применяется прогрессивная преддефекация, когда известь добавляется с такой скоростью, чтобы величина ее пересыщения не приводила к появлению новых частиц коагулята, а росли только первоначально образовавшиеся частицы. Это способствует получению крупнозернистого осадка.
При проведении прогрессивной преддефекации нет необходимости, как во время оптимальной, строго контролировать оптимальное значение pH среды, поэтому в преддефекатор добавляется больше извести на 20—30 %, чем требуется для достижения оптимального pH. Прогрессивную преддефекацию проводят в преддефекаторе (рис. 45).
Диффузионный сок поступает в I секцию аппарата, а известковое молоко с помощью дозатора — в VI в количестве, обеспечивающем выходящему из нее дефекованному соку оптимальный pH. Через щели, образованные шиберами 4 и корпусом аппарата, часть более щелочного сока из одной секции переливается в другую навстречу потоку диффузионного сока. Щелочность сока при этом увеличивается равномерно от первой до последней секции.
Количество возвращаемого сока регулируется изменением частоты вращения мешалки и размера щелей между кромками шиберов 4 и корпусом аппарата так, что pH сока в секциях нарастает примерно следующим образом: I — 7,8 до 8,2; II — 8,3 до 8,8; III — 9,0 до 9,5; IV — 9,7 до 10,0; V — 10,4 до 10,8; VI — 11,0 до 11,5.
В первых секциях концентрация гидроксильных ионов в соке нарастает медленнее, чем в последних, что необходимо для создания зоны стабилизации коллоидных частиц. В этой зоне при определенном значении pH, зависящем от технологических качеств свеклы (в интервале pH 8,3—9,5), коллоидные частицы проходят через метастабильную (неустойчивую) фазу — «стареют» (образуется стабилизированный золь), что предшествует их массовой коагуляции. При введении в сок в конце зоны стабилизации (во 11 или III секцию преддефекатора) центров коагуляции — кристаллов карбоната кальция (с соком I сатурации, сгущенной суспензией сока I сатурации или фильтрационным осадком сока II сатурации) —коллоидные частицы легко осаждаются на поверхность кристаллов, образуя конгломераты.
Оптимальное значение pH метастабильной фазы коллоидных веществ определяется в заводской лаборатории для каждой партии перерабатываемой свеклы.
Основным условием успешного осуществления прогрессивной преддефекации является равномерность движения сокового потока при неизменном количестве возвращаемой сгущенной суспензии или сока I сатурации.
В процессе преддефекации перемешиваемый сок сильно пенится. Для гашения пены применяются растительные жиры или отходы их производства в виде эмульсии.
При увеличении pH больше оптимального значения происходит частичная пептизация осадка, т. е. переход осадка в раствор, кривая коагуляции опускается вниз.
Поэтому, чтобы наиболее полно осадить коллоидные вещества и не допустить пептизации осадка при последующем нарастании щелочности диффузионного сока, процесс дефекации делится на две стадии. На первой стадии к слабокислому соку добавляется 0,15—0,35 % СаО (к массе свеклы), pH постепенно повышается и значительная часть коллоидных веществ коагулирует (это преддефекация). На второй стадии в преддефекованный сок вводится 2,5—2,8% СаО (к массе свеклы), pH повышается до 12,2—12,3 и под действием высокой щелочности происходит разложение ряда несахаров (это основная дефекация).
Различают два основных способа преддефекации — оптимальную и прогрессивную. Обработка диффузионного сока известью в один прием, когда вся масса извести, необходимая для достижения оптимального значения pH, вводится в сок сразу, называется оптимальной преддефекацией. Постепенное и равномерное (прогрессивное) добавление извести в диффузионный сок в течение 20—40 мин, когда pH плавно повышается до определенного значения, называется прогрессивной преддефекацией.
На сахарных заводах осуществляется как холодная, так и горячая преддефекация. Во время холодной преддефекации диффузионный сок без подогрева смешивается с известью, а при горячей преддефекации сок сначала нагревается до 85—90 °С и потом к нему добавляют известь.
Химические реакции. Коагуляция и осаждение коллоидных веществ. Эти реакции происходят в основном под действием ионов кальция, образующихся при диссоциации Ca(OH)2. Коллоидные вещества имеют две оптимальные зоны коагуляции: в кислой среде при pH 3—4, в щелочной - при pH 10,8—11,5. В кислой среде они коагулируют в изоэлектрической точке в результате нейтрализации электрического заряда. При этом нейтрально заряженные коллоидные частицы теряют устойчивость и соединяются в крупные агрегаты. В щелочной среде в присутствии извести у коллоидных частиц изоэлектрической точки нет, а коагулируют они в результате образования с кальцием нерастворимых соединений.
В зависимости от состава несахаров диффузионного сока, температуры и продолжительности процесса зона оптимальной коагуляции коллоидных и высокомолекулярных веществ растянута в интервале pH 10,8—11,5 и более. Поэтому преддефекация диффузионного сока проводится при малом количестве извести, а не при избытке ее, когда плавного нарастания щелочности не происходит.
Оптимум коагуляции несахаров определяют в лаборатории завода по скорости осаждения коагулята в диффузионном соке при медленном добавлении извести. Значение pH, при котором установлена максимальная скорость осаждения коагулята, считается оптимальным.
Быстро отстаивающийся преддефекованиый сок содержит крупные, плотные частицы осадка, которые легко отделяются при фильтровании.
Всего во время хорошо проведенной преддефекации в осадок переходит около % коллоидных и высокомолекулярных веществ.
Нейтрализация кислот и осаждение кристаллоидов. Ионы кальция, вступая в контакт с анионами некоторых кислот, образуют слаборастворимые, выпадающие в осадок соли кальция. Кальцием осаждаются анионы щавелевой, уксусной, лимонной, оксилимонной, яблочной и винной кислот. Другие безазотистые органические кислоты, а также аминокислоты и бетаин известью не осаждаются. Из минеральных кислот почти полностью выпадают в осадок анионы фосфорной и частично серной кислот.
Кислоты, реагирующие с ионами кальция, находятся в диффузионном соке как в свободном состоянии, так и в виде солей калия, натрия и др. Например, реакции нейтрализации и осаждения щавелевой кислоты и ее калиевой соли протекают следующим образом:
Реакция со свободной щавелевой кислотой называется реакцией нейтрализации. В ней кроме иона кальция участвуют и гидроксильные ионы, которые, связывая водородные ионы щавелевой кислоты, образуют воду.
Реакция с калиевой солью щавелевой кислоты — это реакция осаждения. В результате этой реакции в соке после преддефекации вместо Са(ОН)3 появляется КОН в количестве, эквивалентном концентрации анионов, дающих осадок с кальцием, т. е. образование свободной щелочи (КОН) возможно только в том случае, когда анион кислоты образует с катионом кальция нерастворимую соль. Чем выше доля осаждаемых на преддефекации анионов к общему содержанию их в диффузионном соне, тем больше будет образовываться на сатурации карбонатов щелочных металлов (К2СО3, Na2СО3), характеризующих натуральную щелочность сока.
Реакции осаждения анионов кислот не успевают полностью завершиться на преддефекации и продолжаются на основной дефекации.
Кроме ионов кальция осаждающим действием обладают и гидроксильные ионы, вызывающие осаждение из диффузионного сока солей магния, алюминия, железа. Например:
Проведение оптимальной преддефекации. Оптимальная преддефекация осуществляется при 85—90 °С нормально отсатурированным нефильтрованным соком 1 сатурации в количестве 100—150 % к массе свеклы и дефекованным соком в количестве 15—30 % к массе свеклы. После смешивания соков в соотношении, определенном заранее заводской лабораторией, достигается оптимальное значение pH.
При возврате нефильтрованного сока I сатурации в диффузионный сок вводятся положительно заряженные частицы СаСО3, которые служат центрами коагуляции для отрицательно заряженных органических несахаров (белков, пектиновых и коллоидных веществ). В дальнейшем в процессе сатурации на образовавшихся конгломератах кристаллизуется СаСО3, и таким образом органические несахара оказываются внутри кристаллов карбоната кальция, что улучшает фильтрационные свойства осадка.
Чем больше возвращается сока I сатурации на преддефекацию, тем больше образуется крупных и быстрооседающих частиц. Но возврат большой массы сока I сатурации приводит к ухудшению качества и снижению термоустойчивости очищенного сока (термоустойчивость способность сока при нагревании длительное время сохранять свои технологические качества почти неизменными) Это объясняется тем, что значительная часть сока, нагретого до высокой температуры, длительное время циркулирует по замкнутому контуру, в результате чего образуется большое количество продуктов распада.
Если в схеме очистки сока имеются отстойники для отстаивания сока I сатурации, то на преддефекацию возвращается нефильтрованный сок I сатурации.
При замене отстойников листовыми фильтрами (ФиЛС) на преддефекацию возвращается сгущенная суспензия сока I сатурации.
Некоторые заводы, где хорошо работают отстойники, вместо сока I сатурации возвращают на преддефекацию примерно половину сгущенной суспензии сока I сатурации.
Вместо сгущенной суспензии сока I сатурации на преддефекацию можно возвращать весь фильтрационный осадок сока II сатурации, поверхность которого мало загрязнена несахарами и поэтому заряжена положительно. Однако возврат необходимого количества фильтрационного осадка сока II сатурации возможен только при проведении дефекации перед II сатурацией, когда на II сатурации образуется достаточное количество карбоната кальция.
Возврат сгущенной суспензии сока I сатурации или фильтрационного осадка сока II сатурации будет иметь положительный эффект только в том случае, если на очистку диффузионного сока расходуется не менее 100 % СаО к массе несахаров диффузионного сока. Тогда сатурационный осадок (СаСО3) будет иметь положительный электрический заряд.
При расходе СаО меньше 80 % к массе несахаров сатурационный осадок приобретает отрицательный электрический заряд и возврат его приводит, наоборот, к ухудшению процесса преддефекации и качества очищенного сока.
Оптимальную преддефекацию проводят в вертикальном преддефекаторе (рис. 44).
Диффузионный сок, сок 1 сатурации и дефекованный сок по отдельным патрубкам поступают в нижнюю часть преддефекатора, состоящего из цилиндрического корпуса 3, лопастной мешалки 4, пеносбрасывателя 1 и мешалки 5 для взмучивания осадка. Контрлопасти 2 препятствуют круговому движению сока. Преддефекованный сок отводится через переливную коробку в аппарат основной дефекации.
Проведение прогрессивной преддефекации. Смешивая при оптимальной преддефекации резко отличающиеся между собой значением pH соки, не удается избежать местного перещелачивания смеси, что снижает эффект осаждения коллоидных веществ. Поэтому на многих заводах применяется прогрессивная преддефекация, когда известь добавляется с такой скоростью, чтобы величина ее пересыщения не приводила к появлению новых частиц коагулята, а росли только первоначально образовавшиеся частицы. Это способствует получению крупнозернистого осадка.
При проведении прогрессивной преддефекации нет необходимости, как во время оптимальной, строго контролировать оптимальное значение pH среды, поэтому в преддефекатор добавляется больше извести на 20—30 %, чем требуется для достижения оптимального pH. Прогрессивную преддефекацию проводят в преддефекаторе (рис. 45).
Диффузионный сок поступает в I секцию аппарата, а известковое молоко с помощью дозатора — в VI в количестве, обеспечивающем выходящему из нее дефекованному соку оптимальный pH. Через щели, образованные шиберами 4 и корпусом аппарата, часть более щелочного сока из одной секции переливается в другую навстречу потоку диффузионного сока. Щелочность сока при этом увеличивается равномерно от первой до последней секции.
Количество возвращаемого сока регулируется изменением частоты вращения мешалки и размера щелей между кромками шиберов 4 и корпусом аппарата так, что pH сока в секциях нарастает примерно следующим образом: I — 7,8 до 8,2; II — 8,3 до 8,8; III — 9,0 до 9,5; IV — 9,7 до 10,0; V — 10,4 до 10,8; VI — 11,0 до 11,5.
В первых секциях концентрация гидроксильных ионов в соке нарастает медленнее, чем в последних, что необходимо для создания зоны стабилизации коллоидных частиц. В этой зоне при определенном значении pH, зависящем от технологических качеств свеклы (в интервале pH 8,3—9,5), коллоидные частицы проходят через метастабильную (неустойчивую) фазу — «стареют» (образуется стабилизированный золь), что предшествует их массовой коагуляции. При введении в сок в конце зоны стабилизации (во 11 или III секцию преддефекатора) центров коагуляции — кристаллов карбоната кальция (с соком I сатурации, сгущенной суспензией сока I сатурации или фильтрационным осадком сока II сатурации) —коллоидные частицы легко осаждаются на поверхность кристаллов, образуя конгломераты.
Оптимальное значение pH метастабильной фазы коллоидных веществ определяется в заводской лаборатории для каждой партии перерабатываемой свеклы.
Основным условием успешного осуществления прогрессивной преддефекации является равномерность движения сокового потока при неизменном количестве возвращаемой сгущенной суспензии или сока I сатурации.
В процессе преддефекации перемешиваемый сок сильно пенится. Для гашения пены применяются растительные жиры или отходы их производства в виде эмульсии.