Підвищення ефективності роботи сокоочисного відцшення

 

Схема з  відділенням осаду нецукрів до основної дефекації на Новокубанському цукровому заводі 

На  Новокубанському цукровому заводі були проведені виробничі випробовування вдосконаленого способу очищення дифузійного соку по схемі з відділенням осаду нецукрів до основної дефекації. [1]

пг

За  цією схемою дифузійний сік підігрівається до температури 75...80°С, піддається прогресивній попередній дефекації до лужності ОД6...0,20% СаО та сатурується у барботерному сатураторі до pH 9,0...9,5. 100% соку поступає на подальше оброблення (відокремлення осаду), а 250...300% пересатурується у „сатураторі в трубі” до pH 7,5...8 та поступає на змішування з переддефекованим соком. На переддефекацію повертається також уся сузпензія соку другої сатурації.

Робота заводу із вдосконаленим  варіантом попереднього очищення дифузійного  соку у схемі з відокремленням осаду нецукрів до основної дефекації протягом усього виробничого сезону була ефективною та стабільною. Приріст чистоти після попереднього очищення дифузійного соку складав 0,3...0,5% у порівнянні зі способом, щовикористовували до цього. Декантат соку з меншою кольоровістю та практично прозорий, пінення не спостерігалось, обладнання працювало стійко, без зупинок для очищення від накипу.

диффузионный  сак (700%)

суспентяосадка сока // сатурации

прогресивная./Предварительная дефекати %Щ.Д20% СаО .

 

ЕФЕКТИВНІСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ ДОДАТКОВИХ ХІМІЧНИХ РЕАГЕНТІВ ПІД ЧАС ПОПЕРЕДНЬОГО ВАПНУВАННЯ ДИФУЗІЙНОГО СОКУ

Для забезпечення високої якості цукру-піску  необхідно приділяти велику увагу  ефективності очищення дифузійного  соку, особливо у разі погіршення технологічних  показників цукрових буряків [2]. При  вапняно- вуглекислотному очищенні важливо отримати сатураційні осади з відповідними седиментаційно-фільтраційними властивостями та забезпечити високу якість очищеного соку. Це завдання в значній мірі залежить від проведення процесу попереднього вапнування, оскільки для забезпечення високого ефекту очищення необхідне не лише максимальне видалення з дифузійного соку розчинних нецукрів, а й отримання дегідратованого, щільного осаду, який в подальшому, за умови дії високих температур та лужності, зберігає свою стійкість та не погіршує умови фільтрування [2, 3].

Відомо [3], що одним з основних критеріїв  оцінки ефективності попереднього вапнування є ступінь видалення високомолекулярних сполук (ВМС) з дифузійного соку. Лише невелика частина цих речовин  гідрофобна і досить легко може коагулювати  під час попереднього вапнування з утворенням дрібнодисперсного  осаду. Більшість нецукрів дифузійного соку, а саме білки, пектинові речовини, сапонін, арабан, галактан та інші відзначаються великою гідрофільністю. Вони мають сильно розвинену гідратну оболонку, тобто вкриті шаром адсорбованих молекул води, що зумовлює їх агрегативну стійкість [5]. Коагуляція таких речовин відбувається значно важче, а осад, що утворився має драглисту структуру, займає більший об’єм та досить легко пептизується в умовах основного вапнування. Оскільки більша частина гідрофільних сполук, в результаті неповної коагуляції, все ж залишаються в соку, то в наступних стадіях очищення вони підвищують в’язкість та забарвленість продуктів, збільшують спінювання.

Літературні джерела [5] вказують на те, що збільшення ефекту видалення ВМС та РКД, підвищення седиментаційно-фільтраційних властивостей соку попереднього вапнування та соку І сатурації, а також підвищення показників якості соку II сатурації, можна досягти використовуючи додаткові реагенти - коагулянти або флокулянти. Для осадження ВМС, в т.ч. пектинових речовин, макромолекули яких мають від’ємний заряд, найбільшу ефективність слід очікувати від застосування коагулянтів - полікатіонітів, зокрема солей алюмінію та полігуанідинів.

Метою наших досліджень є обґрунтування  ефективності застосування додаткових хімічних реагентів - коагулянту чи катіонного флокулянту під час попереднього вапнування з метою підвищення ефекту очищення соку, а також покращення фільтраційно-седиментаційних властивостей осаду. Коагуляційні властивості основного сульфату алюмінію зумовлені його здатністю при гідролізі утворювати поліядерні аквагідроксокомплекси, що мають високий позитивний заряд: [АЬ(Н₂0)₆]³⁺, [АЦН₂0)8(0Н)₂]⁴⁺,

[АЬ₆(Н₂0)₁₂(0Н)₁₂]⁶⁺ [7].

Сучасні методи комп’ютерного моделювання  дозволяють прогнозувати ефективність застосування хімічних реагентів на основі вивчення механізму взаємодії  нецукрів дифузійного соку під час різних стадій очищення, тобто за відповідних умов та основних хімічних реакцій. Оскільки пектинові речовини в значній мірі визначають структуру осаду нецукрів та його

ЗО

властивості, тому нами проведено моделювання  механізму взаємодії макромолекул пектину з катіонами кальцію, аквагідроксокомплексу алюмінію та полігексаметиленгуанідину (ПГМГ) із застосуванням комп’ютерної програми НурегСЬеш. Під час комп’ютерного моделювання хімічної взаємодії, як і зазвичай при моделюванні, використовують спрощений механізм. Зокрема, в процесі екстрагування сахарози з бурякової стружки у дифузійному соку накопичуються пектинові речовини з різною молекулярною масою та хімічною структурою внаслідок деметоксилювання та розриву полімерного ланцюга макромолекул пектинових речовин з утворенням продуктів деструкції. Необхідно проте зазначити, що у водному розчині, незалежно від структури та хімічного складу, молекули пектинових речовин набувають негативного заряду. Тому для моделювання були обрані ланцюги молекули пектину, які складаються з 12 ланок. Після оптимізації відповідної системи (рис. 1), спостерігається зміна конформації макромолекул пектину із згортанням до компактної глобули.

 

Рис. 1. Система, що складається з 4 молекул пектину (п=12), 6 катіонів кальцію та 4 катіонів алюмінію після взаємодії

При застосуванні, окрім гідроксиду кальцію, для очищення дифузійного  соку коагулянту основного сульфату алюмінію спостерігається хімічна  коагуляція внаслідок взаємодії  високомолекулярних сполук - пектинових речовин з катіонами кальцію  та алюмінію. За рахунок нейтралізаційної коагуляції речовин колоїдної дисперсності на стадії попереднього вапнування відбувається утворення крупних агрегатів- пластівців, що формують осад. Формуванню крупних пластівців осаду сприяє властивість основного сульфату алюмінію утворювати димерні або тетрамерні аквагідроксокомплекси із зарядом міцел +4 та +6 і більше. Аквагідроксокомлекси сорбуються дискретно на різних активних ділянках поверхні міцелярних агрегатів, внаслідок чого утворюється мозаїчна структура зарядженої поверхні, на якій можлива сорбція інших іонів неорганічних та органічних сполук.

Дія полімерного реагенту на основі полігексаметиленгуанідину обумовлена його структурою та хімічною будовою. Зокрема, полімер полігексаметиленгуанідину гідрохлорид являє собою послідовність повторень ланок будови [15]:

...-(СД)₆ІУЯ-С-ІУДСД)₆Лда- с -м/-...

II II

ншсь нннсі

Число ланок в одній полімерній молекулі складає від 2-3 до 50-60 залежно  від способу приготування. В якості аніонної складової застосовують хлорид-іон, фосфат-іон та аніони інших кислот як неорганічних, так і органічних. При дисоціації макромолекули у  водному розчині утворюється  позитивно заряджений катіон ПГМГ за рахунок присутніх груп )С=М3₂⁺.

Моделювання системи проводили  як за наявності катіонів кальцію, так  і за їх відсутності. При введенні до системи, що складається з молекули пектину (п = 48, ступінь етерифікації - 50 %), двох молекул ПГМГХ (п = 18) спостерігається  взаємодія, яка призводить до обмеження  обертання ланок макромолекул пектину  внаслідок їх зшивання з ПГМГХ  з утворенням розпушених клубків.

 

 

ПГМГХ

Рис. 2. Система, що складається з 2 макромолекул пектину (п=12), 4 катіонів кальцію, 2 катіонів алюмінію та 1 макромолекули ПГМГ після взаємодії Моделювання взаємодії ПГМГ з пектиновими речовинами за наявності в системі катіонів кальцію (рис. 2) свідчить, що іони кальцію через більшу рухливість витісняють катіонні залишки ПГМГХ, внаслідок чого в макромолекулі ПГМГХ залишаються вільні катіонні групи, які взаємодіють з різними макромолекулами пектинових речовин, утворюючи між ними „містки”. При цьому зв’язок макромолекул пектинових речовин відбувається через макромолекули ПГМГХ з утворенням об’ємного осаду.

Згідно типового способу, при проведенні попереднього вапнування передбачається поступове підвищення лужності та рН соку [2]. При цьому поступово створюються умови осадження для різних груп нецукрів. Найбільш повне видалення нецукрів досягається, якщо при прогресивному 

підлужуванні в інтервалі  рНго 8,5 ... 10 здійснюється pH-пауза, необхідна для створення зони стабілізації гідрофільних речовин колоїдної дисперсності

• так званого “стабілізаційного ефекту”, який полягає у неповній дегідратації часток нецукрів та збільшенні від’ємного заряду поліелектролітів кислотного характеру у зв’язку з посиленням дисоціації карбоксильних груп [3]. Застосування катіонного полімерного флокулянту найбільш доцільним є в процесі попереднього вапнування в стадії утворення міцел кальцієвих солей пектинових речовин, що забезпечить одержання часточок осаду більших розмірів за рахунок їх зв’язування з утворенням розгалуженої структури, що забезпечить його добре відстоювання та фільтрування.

Отже, на основі комп’ютерного  моделювання можна зробити висновок про доцільність застосування більш  ефективних коагулянтів (основних сульфатів  і хлоридів алюмінію) та катіонних  флокулянтів для кращого видалення  високомолекулярних нецукрів в процесі попереднього вапнування дифузійного соку.

Для експериментальних  досліджень використовували наступні реагенти: сульфат алюмінію, основний сульфату алюмінію, основний хлорид алюмінію („Полвак-40”, ,Долвак-68”), полігексаметиленгуанідину

гідрохлорид („Біодез”).

Дослідження проводили  в лабораторних умовах наступним  чином: дифузійний сік з температурою 60...65 °С обробляли гідроксидом кальцію  до значення рНго 8,5...9,5, після чого вводили відповідний додатковий реагент. Після попереднього вапнування частину соку фільтрували та визначали у фільтраті забарвленість, вміст білків, цукрози та сухих речовин. Результати досліджень наведені у таблиці 1. Основні стадії очищення проводили згідно типового способу із загальними витратами СаО (% до маси буряків) - 100 % до маси нецукрів дифузійного соку. На рис. 3-4 наведені результати досліджень технологічних показників очищеного соку (для дифузійного соку

з вмістом сухих речовин 14,8 %, цукрози 12,8 % та чистотою 86,4 %).

На основі аналізу результатів  експериментальних досліджень необхідно  відзначити, що застосування додаткових хімічних реагентів на стадії попереднього вапнування дифузійного соку сприяє покращенню технологічних показників очищеного соку. Так, спостерігається зменшення забарвленості очищеного соку на 20...З5 %, підвищення чистоти соку на

1. 6... 1,0 од. порівняно з типовим способом очищення.

Технологічні  показники соку попереднього вапнування

Реагент	Показники
	Витрати реагенту, % до м.с.	Чистота, %	Забарвленість соку, од. опт. густ. ІСЦМБА	Вміст білків, % на 100 г СР
Сульфат	0,02	88,65	625,7	0,37
алюмінію	0,04	88,84	600,7	0,35
	0,06	89,21	575,9	0,33
ОСА	0,02	89,02	581,7	0,34
	0,04	89,26	502,1	0,32
	0,06	89,35	496,8	0,31
Полвак-40	0,02	88,86	672,4	0,34
	0,04	89,12	615,7	0,32
Полвак-68	0,02	88,94	620,4	0,34
	0,04	89,16	592,6	0,31
Біодез	0,004	88,85	763,8	0,33
	0,006	89,14	710,8	0,3
контроль	-	88,24	930,7	0,44

 

витрати реагенту, % до м.с.

 

Рис. З. Залежність ефекту вапняно-вуглекислотного очищення соку від витрат додаткового реагенту під час попереднього вапнування, де відповідно: С А - сульфат алюмінію; ОСА - основний сульфат алюмінію; ОХА — основний хлорид алюмінію.

о 325 и     

с⁴

Ё 275  І 

о

і=і: 225   -І 

^& * /■ і

Рис. 4. Усереднені показники забарвленості очищеного соку у разі застосування додаткових реагентів для очищення дифузійного соку під час попереднього вапнування, де відповідно: СА - сульфат алюмінію у кількості 0,04 %; ОСА - основний сульфат алюмінію (0,04 %); ОХА — основний хлорид алюмінію (0,04 %); ПГМГХ - (0,006 %).

Слід відмітити, що найбільш перспективним є застосування основного  сульфату алюмінію у кількості 0,02-0,04 % до маси соку , оскільки основні солі алюмінію (гідроксохлорид, гідроксосульфат) мають кращу адсорбційну здатність порівняно зі сульфатом алюмінію, за рахунок більш повного

перебігу  гідролізу при збільшенні їх основності та зміщенні рН в лужне середовище.

Проведені експериментальні дослідження підтвердили  ефективність застосування додаткових реагентів під час попереднього вапнування з метою підвищення ефекту очищення дифузійного соку. Застосування основних солей алюмінію є більш  перспективним порівняно зі сульфатом  алюмінію, оскільки в результаті збільшення співвідношення ОН' та АІ³⁺ у розчині утворюються полікатіони з вищою позитивною валентністю, що передбачає менші витрати додаткового реагенту при очищенні дифузійного соку. На стадії попереднього вапнування за рахунок нейтралізаційної коагуляції речовин колоїдної дисперсності відбувається утворення крупних агрегатів- пластівців, що формують осад. Формуванню крупних пластівців осаду сприяє властивість основного сульфату алюмінію утворювати димерні або тетрамерні аквагідроксокомплекси із зарядом міцел +4 та +6 і більше. Отже, використання основного сульфату алюмінію дозволяє досягти кращих результатів як з точки зору чистоти, так і забарвленості очищеного соку.