Рост кристаллов сахарозы при интенсивной циркуляции раствора низкой чистоты через вибрирующий слой Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

На рис. 2 отчетливо виден ступенчатый характер кинетики нарастания сигнала поляризационного сорбционного датчика, что, очевидно, связано со ступенчатым характером возгонки различных фракций дыма из древесины по мере ее разогрева,

В сечениях I, II и III, соответствующих областям насыщения сигнала, измеряли частотные зависимости сигнала поляризационного датчика, представленные на рис. 3.

В каждом из сечений времена релаксации определяли по дисперсионным кривым на уровне половины амплитуды максимального сигнала по формуле:

Авых = const/1 + (сог) ,

где ЛВЫ1 — амплитуда сигнала с датчика, В;

const — постоянная, зависящая от концентрации сорбированных частиц; ш — циклическая частота напряжения, стимулирующего сорбцию, Гц; х — время релаксации дипольных моментов сорбированных частиц, с.

Во всех случаях время релаксации составило 7-10 4—8-10 ; с.

ВЫВОДЫ

1. Независимость времени релаксации от стадии процесса указывает на то, что превалирующим сорбентом на всех стадиях является одно и то же вещество. Именно концентрацию этого вещества на поверхности продукта копчения можно целенаправленно варьировать, меняя частоту стимулирующего сорбцию высокого напряжения.

2. Представленное устройство позволяет электрическими методами измерять концентрацию дымовых частиц и регулировать их движение на поверхность продуктов копчения. Актуальной задачей является применение таких устройств в процессе электростатического копчения, когда процесс протекает за достаточно короткий промежуток времени.

" ЛИТЕРАТУРА

1. Курко В.И. Химия копчения. — М.: Пищевая пром-сть, ■ 1969.— 343 с.

2. Никитин Б.Н. Основы теории копчения рыбы. — М.:^1. Легпромбытиздат, 1982. — 248 с.

Кафедра технологии мяса и мясных продуктов

Поступила 15.08.2000 г.

664.1.054

РОСТ КРИСТАЛЛОВ САХАРОЗЫ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ РАСТВОРА НИЗКОЙ ЧИСТОТЫ ЧЕРЕЗ ВИБРИРУЮЩИЙ СЛОЙ

С.М. ПЕТРОВ, А.А. ЯСИР ' V

Воронежская государственная технологическая академия

Вибрационные методы интенсификации массообменного процесса кристаллизации в сахарной промышленности пока не нашли широкого применения. Это можно объяснить как недостаточной изученностью механизма влияния вибрационного перемешивания на кинетику роста кристаллов сахара, так и отсутствием рекомендаций для разработки эффективных вибрационных кристаллизаторов. В работах [1-3] была показана перспективность применения низкочастотных механических колебаний частотой до 50 Гц, создаваемых для интенсификации массообменных процессов в пищевой технологии.

Повышения скорости кристаллизации сахарозы . из пересыщенных сахарных растворов, лимитируемой диффузионным механизмом, можно достигать путем увеличения суммарной поверхности кристаллов и интенсивного вибрационного перемешивания раствора [1,4, 5].

В работах [4, 5] исследован процесс кристаллизаций сахарозы под воздействием низкочастотных колебаний на кристаллы, находящиеся в сетчатых кассетах, диаметром намного меньшим диаметра сосуда, содержащего пересыщенный раствор сахарозы.

В сахарной промышленности ввиду высокой вязкости утфелей целесообразно использовать ин-фразвуковые колебания для интенсификации процесса кристаллизации сахарозы с целью уменьшения затрат энергии и создания необходимой виб-

рационной защиты рабочего персонала и оборудования. Поэтому нами была предпринята дальнейшая попытка изучения влияния инфразвуковых колебаний на скорость кристаллизации сахарозы из не чистых сахарных растворов при интеграль-

Рис. 1

ном распределении концентрации в растворе, близком к аппаратам идеального смешения.

Цель работы — исследование влияния вибрационного перемешивания на скорость роста кристаллов сахарозы из растворов низкой чистоты. Эксперимент проводили на установке, состоящей из. термостата с двумя стаканами и вибропривода. В стакан / диаметром 110 мм (рис. 1) помещали кассету 2, состоящую из верхней 3 и нижней 4 частей диаметром 99 мм, так, что между кассетой и стенкой стакана по всему его сечению оставался небольшой зазор. Кассету закрепляли на вертикальном штоке 5, совершающем возвратно-поступательные колебания в вертикальном направлении с амплитудой А 6,5 мм и частотой колебаний/ 0 - 5 с \ создаваемых эксцентриковым вибрационным механизмом.

Кассету закрывали сверху и снизу сеткой с диаметром отверстий 0,5 мм. Внутри кассеты помещали определенное количество кристаллов сахарозы размером 0.6-0.75 мм, создающих .вибрирующий слой 6 в зависимости от требуемой пороз-

НОСТИ £.

Кассета с кристаллами совершала колебательные движения внутри стакана термостата, содержащего около 1250 г раствора сахара с коэффициентом пресыщения а 1,1 и чистотой Ч 80 %.

При движении кассеты вниз часть межкристаль-ного'раствора входила в кассету (площадь сечения F0) через нижние свободные отверстия сетки площадью Рсо со скоростью шсо. На полуггериоде колебания раствор фильтровался через слой, кристаллов площадью Рк со скоростью шк, обеспечивая противоточное движение кристаллов и межкристального раствора в режиме, близком к полному вытеснению. При этом уменьшалась толщина гидродинамического пограничного слоя и тем самым ускорялся переход молекул сахарозы от межкристального раствора к поверхности кристаллов.Дру-гая часть межкристального раствора, циркулируя по кольцевому зазору площадью F3 со скоростью ш3, перемешивалась с выходящим раствором через верхние свободные отверстия сетки. При этом кристаллы сахарозы перемещались вверх и удерживались верхней сеткой кассеты.

При движении кассеты вверх межкристальный раствор входил в нее через ъерхние отверстия сетки и аналогично фильтровался через слой кристаллов сахарозы, который двигался вниз под воздействием внешней вынуждающей силы.

Процесс кристаллизации изучали при ? 60°С и частотах колебаний 0-5 Гц, время кристаллизации составляло 15—20 мин. После окончания процесса кристаллизации осуществляли отделение кристаллов сахарозы от межкристального раствора в лабораторной центрифуге при факторе разделения ^ 3920. ' '

Пленку межкристального раствора, которая оставалась на поверхности кристаллов, Пк (%) определяли по формуле

Як = 100 - (Схк - Схм/100 - Сху), (I)

где Схк, Схк —содержание сахара соответственно • в кристаллах и в межкристальном растворе после центрифугирования по рефрактометру, %.

После этого определяли прирост*массы чистых криста 1лов сахарозы ДМ (мг) в опыте по формуле

ДМ = ДМ -(ДМ,/7/100] (2) ;

где ДМ( — прирост маССы кристаллов сахароии‘; о':

зы с пленкой межкристального рас-" ■ твора, мг.

Скорость кристаллизации сахарозы К (мг/м2,мин) рассчитывали [6] по формуле ■ '■■■

: К = АМ/гБ, (3)

где х — время кристаллизации, мин;

5 — суммарная поверхность кристаллов сахарозы, помещенных в кассету, м .

Суммарную поверхность кристаллов 5 (см2) оп- ■

редел ял и [б! по формуле -

5 = 4,12 1>"0. (4)

где Р — масса одного кристалла, г;

ф— суммарное число кристаллов, поме-: щенных в кассету, шт.

В качестве контрольного опыта в отдельном стакане одновременно проводили процесс кристал-лизации с легким перемешиванием. г -

Отличие данной работы от исследований [4, 5] заключается в однозначном моделировании фильтрационного режима течения раствора через в~ рирующий слой кристаллов, достигаемого за счет малого зазора между кассетой и стаканом. Это обеспечивает повышение скорости течения раствора относительно движения кассеты, задает более точные гидродинамические условия и приводит к более быстрому обтеканию кристаллов внутри кассеты межкристальным раствором. ' V'

Из условия несжимаемости среды сумма потерь давления при переходе межкристального раствора через свободные отверстия сетки ДРсо и потерь давления в слое кристаллов ДР^ [1] равна потере давления при переходе раствора, через сечение зазора, т. е.

А^.о + д^дя,, (5)

при равенстве суммарного расхода раствора через ‘

свободные отверстия дсо = а»с оРс о и через слрй ‘

кристаллов дк ^ сикРк объему, вытесняемому сечением кассеты ца = ш0Р0 в единицу времени, т, е. г

, Чо = ?с.с + ч-, ■ ,Т:

Преобразуем уравнение (6): ,,,.

и) / + а/ } = и) . (7) ■ ■

с о/ С.О к/ к о \ /

Уравнения неразрывности потока межкристаль- : ^ ного раствора через /гсо имеет вид

"к/к = ®с.,/с.0- (8) !-

Выражая ДРС0 и ДР3 в уравнейии (6) как гидравлические сопротивления движению межкристального раствора, получили уравнение

§сАО'2 + ь>к74 &ка>3/4, (9);

где а>0=4 А[ — среднеинтегральное значение ско- ’ рости движения кассеты на периоде колебаний, м/с;

А — амплитуда колебаний, м; ■

[ — частота колебаний, Гц;

Сс.о^Ц/^2. *;,г::

сг = §3//3 — константы, характеризующие 'гйд-‘ родинами^еские" сопротивления Сетки и зазора соответственно; м'

ц

й)

Ре

коле

скор

чере

где I

Г]

лов

нен]

где

з?

зави сетй соп| сече [7] с

В

при

ме»

мет]

СЛ01

под

емы

стьв

где

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, №5-6, 2000

57

/к> /се

4.

Го?

отношение площадей поверхности кристаллов /гк, свободных отверстий Рс 0 и площади сечения зазора F3 к площади поперечного сечения кассеты Р.,;

со„

£

Ьс.о’

=

(Ю)

Характер зависимости удельного сопротивления кристаллов от разности давлений ДР показан на рис. 2.

— скорости движении кассеты, течения межкристального раствора через свободные отверстия сетки, фильтрации раствора через слой кристаллов и скорость течения межкристального раствора через зазор соответственно;

— коэффициенты местных сопротивлений при перетоке межкристального раствора через свободные отверстия сетки и зазор.

Решая систему уравнений (7)—(9) за полупериод колебаний, получили уравнение (10) для расчета скорости фильтрации межкристального раствора через вибрирующий слой кристаллов [2]:

ДР.кПа

Рис. 2

■Д ус .о £ \'(С, + С,)К '

где к = рм/рк-поправочный множитель, учитывающий различие плотностей меж-о ; кристального раствора и кристал-

- лов сахара;

рн, рк - плотности межкристального рас-

- 1 твора и кристаллов сахарозы,

кг/м3.

Гидравлическую характеристику слоя кристаллов сахарозы в кассете Ск рассчитывали по уравнению .

Ск = £к*/2/Рм/Д (11)

где X — объемная доля кристаллов сахаро-

зы;

|к — удельное сопротивление кристаллов, Н-с/м4.

Значение £со определяли [7] по таблице (8-6) в зависимости от коэффициента живого сечения сетки Рх = Р<.0/Р0. При пересчете коэффициента сопротивления со скоростного давления в одном сечении на скоростное давление в другом сечении [7] определяли С,; ПО формуле .

^ = ^ъ/ру. (12)

Величину £к устанавливали экспериментально при фильтровании в термостатируемых условиях межкристального раствора с определенными параметрами сухих веществ, чистоты и вязкости через слой кристаллов высотой /г, находящийся на сетке под воздействием разности давлений АР, создаваемых по обе стороны сетки с определенной скоростью V. Расчет £к производили '8] по формуле

-■- ДР/1/мй, (13)

где АР — разность давлений, создаваемых по обе стороны сетки, Па;

V — скорость фильтрации межкристального раствора через слой кристаллов, находящихся на сетке, м/с;

/г — вязкость межкристального раствора, Па-с,

/г — высота слоя кристаллов в сосуде, м.

Полученные значения §к позволили расчетным путем установить, что перекрытие сечения кристаллизатора на 83% приводит к двукратному увеличению относительной скорости обтекания кристаллов сахарозы.

На рис. 3 представлена экспериментальная зависимость скорости кристаллизации сахарозы от скорости движения межкристального раствора при вибрационном перемешивании.

Рис. 3

Анализируя рис. 3, можно заключить, что эффективность воздействия вибрирующих в стесненных условиях кристаллов на гидродинамический слой значительно возрастает при увеличении фильтрационного режима течения межкристального раствора. Кроме того, достижение максимальных значений скорости кристаллизации происходит при небольшой интенсивности вибрационного движения сетчатой кассеты. Проведенные опыты позволяют рекомендовать реализацию фильтрационного режима обтекания кристаллов как наиболее эффективного в вибрационных кристаллизаторах. - •

ВЫВОДЫ

1. Максимальное перекрытие сечения аппарата сетчатой кассетой с кристаллами, приводимой в вибрационное движение, и создание порозности слоя 0,75 увеличивает относительную скорость циркуляции раствора в 2 раза по сравнению со скоростью самой кассеты. Гармонические колебания слоя кристаллов сахарозы с А 6,5 мм и { 4-5 с способствуют увеличению скорости кри-

сталлизации сахарозы в 3-4 раза из раствора с СВ 79,5%, Ч 80% при г 60°С.

2. Максимальная скорость кристаллизации достигается при вибрационной скорости течения межкристального раствора, равной 0,15 м/с (частота колебаний 3 Гц), что говорит об эффективности фильтрации раствора через вибрирующий слой кристаллов сахарозы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Игнатенков А.Л., Лобода П.П. Перенос дисперсной твердой фазы в массообменных аппаратах с вибрирующими устройствами / / Респ. межвед. науч.-техн. сб. ’Пищевая пром-сть”. — Вып. 27. — 1981. — С. 85-86.

2. Лобода П.П., Игнатенков А.Л. Особенности противоточ-ного массообмена между твердой фазой и жидкостью в поле низкочастотных колебаний / / Изв. вузов. Пищевая технология. — 1983. — № 6. С. 107-110.

3. Игнатенков А.Л., Лобода П.П. Эффективность продольного перемешивания твердой фазы в массообменных аппаратах с колеблющимися устройствами / / Сахарная пром-сть. — 1986. — № 7. — С. 23-25.

4. Шестов А.Г., Петров С.М. Оценка величины пограничных слоев на кристаллах сахарозы и лактозы при йнфра-звуковых воздействиях / / Изв. вузов. Пищевая технология. — 1995. — Л? 3-4. — С. 46-48.

5. Шестов А.Г., Петров С.М., Тужилкин В.И. Математическая модель массообмена при кристаллизации сахарозы в инфразвуковом поле // Сахарная пром-сть. — 1994. — № 6. — С. 25-27.

6. Герасименко А.А. Кристаллизация сахара. — Киев: Паукова думка, 1965. — 216 с.

7. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М., 1960. — 466 с.

8. Жужиков В.А. Фильтрование. — М.: Химия, 1980. — 400 с.

Кафедра технологии сахаристых веществ

Поступила 24.02.2000 г.

где

664.1

СПОСОБЫ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ УТФЕЛЕЙ

где

Г.М. ЧУДАКОВ

Северо-Кавказский научно-исследовательский институт сахарной свеклы и сахара

Разделение утфеля на кристаллический сахар и вязкий межкристальный раствор осуществляют в роторе фильтрующих центрифуг периодического и непрерывного действия. Оптимальным режимом работы центрифуг в условиях установившегося движения тепловых и массовых потоков считается такой технологически обоснованный режим, при котором получается сахар заданного качества, с минимальными потерями в оттеках, при максимальной производительности и минимальных энергозатратах.

Для получения сахара заданного качества в процессе центрифугирования применяют промывку кристаллов сахара горячей водой или клерсом.

Наиболее прогрессивным способом разделения утфелей последнего продукта считается центрифугирование с промывкой кристаллов желтого сахара аффинирующими насыщенными растворами меньшей вязкости и разделение полученных оттеков по чистоте [1]. Он, однако, не нашел широкого применения, так как выпускаемые центрифуги не комплектуются устройствами для четкого деления оттеков.

В настоящее время на многих сахарных заводах применяются способы раскачки утфеля последнего продукта перед центрифугированием для снятия пересыщения. Горячая вода подается в количестве 1,0-1,2% под слой утфеля прерывисто в нескольких точках по длине кристаллизатора или через пористые пластины. Режим подготовки утфеля к центрифугированию рекомендован и может быть использован для работы на центрифугах непрерывного действия.

Применяется также способ с пропариванием. Как правило, он комбинируется с другими вариантами и служит для стабилизации тепловлажностного режима работы центрифуг.

Для центрифуг непрерывного действия рекомендуется также способ промывки кристаллов струей горячей воды температурой 65~70°С в количестве до 2,5% к массе утфеля. Вода должна

подаваться в ооласть, находящуюся на ускорительной чаше ротора перед струей утфеля за 50-80 мм. При такой схеме подачи воды улучшается качество желтого сахара при незначительном повышении чистоты оттеков.

Повысить эффективность разделения путем снижения вязкости межкристального раствора утфеля позволяет способ с использованием нагретого оттека, который заключается в следующем [2]. Часть отцентрифугированного оттека нагревают до 80-95°С и подают в центральную зону ускорительной чаши ротора. Нагретый оттек и утфель смешиваются в поле действия центробежных сил. При этом происходит выравнивание температуры смеси, снижение вязкости и более полное выделение оттека.

Так как время пребывания утфеля при повышенной температуре мало, то растворение кристаллов сахара незначительное.

Цель работы — обоснование возможности промывки кристаллов сахара нагретым оттеком и выявление между ними количественных соотношений, обеспечивающих наилучшие фильтрующие свойства центрифуги. Предполагается, что нагретый оттек, попадающий в центрифугу, мгновенно смешивается с утфелем, образуя разбавленный утфель с пониженной вязкостью межкристального раствора.

Согласно закону Дарси, скорость фильтрации через осадок определяется выражением

С, = KJ>fh

(1)

где

/С— коэффициент фильтрации;

Р — потери давления на фильтрующей перегородке;

/гс — толщина слоя осадка.

Для центрифуг непрерывного действия под Ас можно понимать эквивалентную толщину слоя осадка, равную по сопротивлению слою сахара и фильтрующей основы.

Известно, что

= К.<?/у,

К,

(2)

где К — коэффициент пропорциональности;

й — средний диаметр кристаллов сахара;

где

где

где

За: ра от

где