Фугование утфелей происходит после кристаллизации, как последний шаг очистки сахар для исключения несахаров с поверхности кристаллов и существенного снижения содержания воды, которая в дальнейшем испаряется во время процесса сушки. Однако эта пследняя стадия очистки от несахаров не может устранить дефектов, возникающих на более ранних стадиях. Качество белого сахара зависит от всех шагов обработки сахарной свеклы перед варкой (хранение свеклы, диффузией, очисткой, концентрацией) и в особенности, от кристаллизации, которая более всего влияет на распределение размеров кристаллов и распределения несахаров внутри кристалла.
Важность качества кристаллов для стабильности белого сахара в отношении комкования была ранее показана в [1]. Поэтому поглащение водяного пара существенно зависит от распределения размеров кристаллов и от несахаров на поверхности кристаллов, особенно для сахаров, недостатоно промытых в центрифугах, а так же для пар кристаллов и конгломератов, который сохраняют несахара между кристаллами.
Для стандартизации условий управления промышленным центрифугированием, компанией G.T.S. (Группа Технологий Сахарной Промышленности) с 1970 года выполняются лабораторные испытания.Эти испытания состоят в обеспечении условий идеальной промывки используя процедуру двойной магматизации насыщенным чистым раствором сахарозы. Анализ критериев качества (в Европе приняты наличие жженого сахара и цветность) сахара до и после испытаний дает возможность обнаружения дефектов в выполнении промышленного центрифугирования.
Так же G.T.S. было изучено перераспределение несахаров между кристаллом и первичным раствором [2] аналогично исследованиям Verhaart и др. [3]. Анализ результатов, которым уже около 40 лет показывает важность управления циклом центрифугирования, когда желательно удалить пленку исходного раствора, окружающую кристалл. Более того, G.T.S. разработаны циклограммы центрифугирования как для центрифуг периодического действия, так и для непрерывных центрифуг. В настоящей статье обобщены рекомендации G.T.S. и проанализированы перераспределение несахаров и их промываемость.
Испытания предназначены для определения качества сахара после центрифугирования и имеют своей целью улучшение условий работы центрифуг белого сахара. Они были иницированы группой кристаллизации Компании G.T.S. в 1970 году. Испытания состоят в сравнении качества кристаллов белого сахара, выгруженного из периодической промышленной центрифуги с тем же сахаром (из того же утфеля) обработанного в лаборатории. При помощи насыщенного раствора сахарозы выполняется два последовательных приготовления магмы при нормальной температуре в пропорции 100 г сахара на 100 г насыщенного раствора. Раствор взбалтывается в течение 15 минут в мензурке.После каждых двух процедур магматизации производится центрифугирование в лабораторных центрифугах. Полученный сахар затем промывается изопропанолом (30 мл) и сушится. Первые испытания с тремя шагами магматизации были остановлены, поскольку достаточно всго двух этапов.
G.T.S. дате естественный результат. Действительно, образец сахара на выходе из контролируемой центрифуги состоит из кристаллов, окруженных пленкой исходного раствора и других кристаллов, которые слишком сильно ромыты (частично растворены). Если испытание показывает существенный дефект, необходимо отобрать различные образцы из выгрузки центрифуги и повторить испытания снова. Это может помочь в выявлении гетерогенности, которая часто возникает из-за машины или неправильной установки системы промывки. Результаты испытаний G.T.S. выполненных в 1975 году приведены в Таблице 1. В таблице содержание зол и цветность (баллы EU) даны до и после приготовления магмы.
|
Заводы |
Золы (баллы EU) |
Цветность (баллы EU) |
||
|
до |
после |
до |
после |
|
|
A |
4.6 |
1.8 |
1.6 |
0.9 |
|
B |
3 |
2.1 |
1.8 |
1.3 |
|
C |
4.1 |
2.8 |
2.6 |
1.8 |
|
D |
5.5 |
3.9 |
2.7 |
2 |
|
E |
6.6 |
4 |
3.6 |
2.9 |
|
F |
8.8 |
4 |
4.5 |
3.6 |
|
G |
9.6 |
6.3 |
5.1 |
3.7 |
Таблица 1: Цветность и содержание зол (баллы EU) до и после приготовления магмы [2]
Рисунок 1 показывает сравнение между количеством зол и цветностью, определенными после испытанийцентрифугирования. В целом, золы намного более легко удаляется с поверхности кристалла, чем красители. Некоторые расхождения наблюдаются между образцами разных заводов. Они скорее всего возникают из-за различия в настройках системы промывки.
Рис. 1: Сравнение между цветностью и содержанием зол до и после испытаний центрифугирования.
Контролируемый несахара включают в себя золы и красители. Золы в белом сахаре в основном состоит из potassium и sodium из свеклы. Большая доля (30-50%) зол содержится на поверхности кристалла. Она вымывается при испытании промывки. Разница между полным содержанием зол и количеством поверхностных зол представляет собой долю включений, которая может возникать из-за центрифугирования, но скорее всего имеет своей причиной кристаллизацию. Обычная чистота раствора влияет на содержание зол в белом сахаре. Чем больше чистота раствора, тем больше разница между поверхностным зол до и после магма-теста, выполненного G.T.S. (Рис. 2).
Рис. 2: Влияние чистоты утфеля на содержании зол на поверхности белого сахара
Обнаружено, что дополнительно 300 частиц красителя на 100 г сухого вещества стандартного раствора дают разницу в 0,5 балла цветности сахара по шкале EU. Красители располагаются на поверхности или внутри кристалла, в зависимости от их природы и размеров молекулы красителя. Исследование природы красителей [4] показало, что карамели являются наиболее азотосодержащими и они расположены как на поверхности, так и внутри кристалла. Другие красители, такие HADP (гексоидные продукты распада алкалина) или меланоидины располагаются на поверхности кристалла.
Verhaart и другие [3] добавляли ионы Na+ и K+ перед кристаллизацией и также в исходный раствор перед центрифугирвоанием. Кристаллизация и центрифугирование выполнялись в лаборатории при стандартизованных условиях. После промывки кристаллов и анализа содержания зол, авторы делают заключение, что ионы располагаются на поверхности кристаллов и что оба метода введения ионов, т.е. перед кристаллизацией и перед центрифугированием, ведут к одинаковому результату в части, касающейся сахарных зол.
С другой стороны Verhhart и др. в [3] полагал, что причина включения капель исходного раствора внутри кристалла не проверена, если кристаллы были промыты 100, затем 200, 300 или 400 мл воды. Тем не менее, была продемонстрирована абсобция некоторых красителей и поверхностно активных молекул, таких как сапонины. Было выведено другое логичное заключение, а именно увеличение абсорбции при уменьшении размеров кристаллов.
Переход несахаров во время центрифугирования с поверхности сахара в промывочную воду происходит благодаря двум механизмам: массовый перенос, который ограничен из-за небольшого времени взаимодействия и механический перенос излишней жидкости, окружающей кристалл с промывочной водой, что так же ограничено вязкостью, толщиной и проницаемостью слоя кристаллов в центрифуге. В результате, равновесие между центробежными силами (которые выдавливают воду в стоки) и центростремительными силами (которые вызывают отделение слоев тонкий-толстый) составляет второй фактор снижающий эффективность центрифугирования.
Не смотря на все достижения в создании современных центрифуг, сохраняется необходимость напомнить основные принципы. Описанная ниже циклограмма обобщает важные этапы для оптимального управления центрифугой.
Типичный цикл центрифуги показан на Рис. 3. За время фазы разгона барабана последовательно производится загрузка, предварительная промывки и основная промывка. При постоянной скорости программируется основная часть сепарации центрифугированием. За время фазы торможения производится разгрузка. После окончания цикла производится промывка барабана при средней центробежной силе.
Рис. 3: Типичный цикл работы центрифуги
Оптмизация последовательности операций цикла зависит от периодичности загрузки и в особенности с точки зрения получения постоянной толщины стенки. Загрузка происзодит при постоянных скоростях вращения и подачи. Утфелераспределитель дает возможность получить однородный слой сахара для фиксированного качества утфеля. Очевидно, что постоянство качества утфеля является чрезвычайно важным для оптимизации загрузки.
Роль предварительной промывки заключается в "проталкивании" излишней жидкости и снижении вязкости последних фракций первичного раствора для того, чтобы облегчить его отделение. Длительность преварительной промывки и скорость при которой она начинается заивисят от конкретной центрифуги и требуемого качества сахара. Для большей эффективности, предварительная промывка не должна начинаться слишком рано. Из практического опыта следует, что оптимальный момент соотвествует моменту изменения цвета "с коричневого на желтый" при скорости вращения 350 об/мин. На этом этапе, если предварительная промывка производится слишком рано, можно наблюдать обратный ход воды с возвращением коричневого цвета. Таблица 2 обобщает влияние предварительной промывки на цветность сахара. Для заданной длительности цикла, предварительная промыка улучшает цветность сахара по сравнению с применением только промывки.
|
Предварительная промывка (мин) |
Промывка (мин) | Цветность |
| 0 | 9 | 36 |
| 0 | 7 | 45 |
| 3 | 5 | 30 |
| 3 | 7 | 27 |
Таблица 2: Влияние предварительной промывки (длительности) на цветность сахара
Эта опрерация при правильном программировании в цикле существенно улучшаает качество патоки. Она должна производиться между предварительной и основной промывкой (Рис. 4). Влияние данной опреации на качество патоки отражается на Рисунке 5, где приводится сравнение между патокой с и без промывки корпуса. Эта промыка улучшает чистоту и снижает цветность. Однако, время этой операции должно быть выбрано оптимальным.
Рис. 4: Промыка корпуса в цикле работы центрифуги
Рис. 5: Промывка стенки корпуса и ее влияние на качество патоки
Объем воды, используемой для промывки зависит от качества утфеля (вязкозти, распределения размеров кристаллов). В противоположность распространенному мнению, объем воды на промывку не пропорционален количеству центрифугируемого сахара. Нельзя путать центрифугу со "стриральной машиной". Избыток воды приводит к потере сахара (примерно1 кг сахара на 1 кг избыточной воды).
Для заданного объема воды, количество промываемого сахара может различаться в зависиости от раположения промывки внутри цикла. Необходимо установить оптимальные условия для центрифуги каждого типа (см. Рис. 6 и Таблицу 3).
Промывка с распылением (многофорсуночная) должна обеспечивать равномерное распределение промывочной воды. Однако, самым важным фактором является толщина слоя сахара в барабане центрифуги. Утфелераспределитель должен обеспечивать однородный слой утфеля в процессе загрузки, в то время, как датчик толщины слоя изменяет длительность промыки в зависимости от количества сахара в барабане.
Рис. 6: Оптимальная скорость центрифугирования
| Скорость | Баллы EU | Сумма | |
| Цветность | Содержание зол | ||
| 1150 | 4,6 | 8,6 | 13,2 |
| 1100 | 3,9 | 7,0 | 10,9 |
| 1030 | 3,8 | 6,0 | 9,8 |
| 980 (оптимум) | 3,6 | 5,5 | 9,1 |
| 910 | 4,1 | 5,8 | 9,9 |
| 850 | 3,8 | 5,9 | 9,7 |
Таблица 3: Изменение баллов EU (цветности и содержания золы) в зависимости от скорости центрифугирования
Выгрузка очень часто выполняется неудовлетворительным образом поскольку существенное количество сахара остается на барабане и не растворяется после промывки барабана. Необходимо регулярно контролировать положение ножа выгрузки.
Иногда трудно правильно вымыть нижнюю часть барабана. При этом сахар скапливается внизу и препятствует отделению патоки. Это проявляется в виде желтых полос на белом сахаре в конце операции выгрузки. Это показывает, что требуется более тщательная промывка барабана.
Сепарация при помощи центрифуг непрерывного действия существенно улучшает ритмичность работы сахарного производства, однако эта технология не обеспечивать хорошего качества белого сахара.
В идеале, в утфеле хорошего качества размер кристалла должен быть более 300 мкм и должны отсутствовать более мелкие частицы (<50 мкм). Однородное распределение размеров кристаллов улучшает текучесть. Увеличение доли мелких кристаллов дает высокую чистоту черной патоки. Рисунок 7 показывает влияние мелких кристаллов на чистоту черной патоки. Увеличение мелкости частиц в утфеле в 2%-ой зоне с 70 мкм до 60 мкм дает почти дополнительный 1 пункт чистоты черной патоки.
Рис. 7: Влияние мелких кристаллов на чистоту черной патоки
Если качество утфеля низкое, необходимо ограничить скорость подачи. Разделение утфеля должно быть как можно более однородным (однородная толщина по всей стенке центрифуги). Это необходимо для получения сахара хорошего качества и эффективной промывки с одной стороны и безопасности (снижение уровня вибрации) с другой стороны.
5.3. Скорость подачи воды и условия промывки
В общем, скорость подачи воды на промывку не должна превышать 3...4% от скорости подачи утфеля. Способ промывки, в особенности для радиального или коаксиального разделения, должен соответствовать требуемым качеству сахара и чистоте патоки.
Часто используется только коаксиальная промывка, так как радиальная промывка приводит к увеличению чистоты патоки. Однако, только правильно настроенная радиальная промывка дает необходимую чистоту сахара низкой категории с меньшей подачей воды, чем при коаксиальном способе промывки.
Так же необходимо помнить, что высокая скорость подачи воды при коаксиальном способе так же увеличивает чистоту патоки. Таблица 4 дает сравнение между коаксиальным и радиальным методами промывки.
| Эксперимент | Промывка (л/час) | Чистота | ||
| Коаксиальная | Радиальная | Патоки | Сахара | |
| A | 180 | 0 | 60,9 | 90,4 |
| B | 140 | 40 | 60,7 | 94,2 |
Таблица 4: Сравнение между коаксиальным и радиальным пособами промывки
Для снижения вязкозти утфеля, для промывки используется пар. Однако, разница температур утфеля и пара не должна превышать 10°С. При большей разнице, заметным становится смыв сахара в патоку (Таблица 5).
| ΔT (°C) | Δ в чистоте |
| 0 | 0,4 |
| 5 | 0,4 |
| 10 | 0,6 |
| 15 | 0,8 |
| 20 | 1,0 |
Таблица 5: Обогащение патоки сахаром в зависимости от разницы температур между утфелем и паром
Давление на кристалы сахара на сите вызывает их разрушение. Это разрушение кристаллов более заметно, если сито изношено и помято. Таблица 6 обобщает данные об истирании кристаллов сахара в центрифуге, в особенности в части количества мелких частиц. Нерафинированный сахар может содержать в 10 раз больше мелких частиц, чем было в утфеле.
В качестве общего правила, рекомедуется менять сита через каждые 2 месяца работы. Из опыта известно, что износ сит происзодит особенно интенсивно в начале сезона из-за частиц окалины, металла или ржавчины в утфеле. Обычно в первые дни сезона используют сита, бывшие в употреблении.
| Утфель | Нерафинированный сахар | ||||
| Средний диаметр | % кристаллов | Средний диаметр | % кристаллов | ||
| < 60 мкм | < 70 мкм | < 60 мкм | < 70 мкм | ||
| 292 | 0,5 | 1,3 | 226 | 5,6 | 5,6 |
| 322 | 0,2 | 0,5 | 302 | 6,2 | 6,2 |
Таблица 6
1 Rogé, B. (2001): Ph. D. Thesis, Université de Reims Champagne-Ardenne, France
2 G.T.S. (1977): Proceedings of studies at Montrouge laboratory. Unpublished
3 Vehaart, M.L.A.; Poel, P.W. van der; Visser, N.H.M. de (1967): The partition
of non-sugars between sucrose crystals and the surrounding liquor. C.I.T.S. Proceedings, Falsterbo, 163–190
4 Ahari, Dj.; Genotelle, J. (1961) La coloration en sucrerie. Ind. Agric. Alim. 78, 719–723
Адреса авторов:
B. Rogé, M. Mathlouthi, Laboratoire de Chimie Physique Industrielle, UMR FARE, Université de Reims Champagne-Ardenne, B.P. 1039, F-51687 Reims Cedex 2, France;
E. Burzawa, J. Genotelle, вышли на пенсию после работы в Groupement Technique de Sucreries (G.T.S.), France.
Оригиная версия статьи: Centrifugal control and the quality of white sugar: Resulst from G.T.S. still of topical interest
Комментарии