Rafinérie Krystalizace svařování cukrovin 1
Krystal sacharosy
Jednoklonná soustava Tři krystalografické osy
+A-A klinodiagonála +B-B ortodiagonála +C-C svislá Poměr šířky : délce : výšce = a : b : c = 1 : 1,26 : 0,88
a b c 2
Spirálový růst krystalů
3
4
Rozpustnost sacharosy ve vodě Herzfeldovo číslo
S H0 = ----------100 - S 284,1 H0 = -------------158,7 - t
závislost S = f(t) podle Vavrinecze pro teploty od -13 do 100 oC: S = 64,447 + 0,08222 . t + 1,6169.10-3 . t2-1,558.10-6 . t3 - 4,63.10-8 . t4
5
Rozpustnost sacharosy v technických cukerných roztocích · · · · ·
je obvykle vyšší než ve vodě vyjadřuje se jako součin H1 = H0 . Kn , kde Kn je koeficient nasycení koeficient nasycení závisí na složení daného technického cukerného roztoku snížením čistoty technického cukerného roztoku se koeficient nasycení zvyšuje závislost koeficientu nasycení na poměru N/W dobře popisuje rovnice odvozená Wiklundem, Wagnerowskim a Vavrineczem Kn = a . N/W + b + (1- b) . exp(- c . N/W)
6
7
Krystalizační proces: 1) nukleace (vznik zárodků) 2) růst krystalů • podmínkou nukleace a růstu krystalů je existence přesyceného cukerného roztoku • hnací silou nukleace i růstu krystalů je rozdíl mezi skutečnou koncentrací v roztoku a koncentrací nasyceného roztoku (přesycení) Přesycení cukerného roztoku se vyjadřuje koeficientem přesycení Kp, který je dán vztahem Kp = H/H1, H - hmotnostní poměr P/W v daném roztoku H1 - hmotnostní poměr P/W v nasyceném roztoku Stanovení koeficientu přesycení pomocí mikrotopného stolku s mikroskopem - Saturoskopu, experimentální stanovení teploty nasycení Kp =
(H0)n/H0
8
Saturoskop
9
Metastabilní oblast • nedochází zde k tvorbě nových zárodků, pouze k růstu krystalů • oblast přesycení vhodná pro odpařovací i chladicí krystalizaci • hranice metastabilní oblasti jsou ovlivněny především teplotou, čistotou a přítomností tuhé fáze • spodní hranice odpovídá nasycenému roztoku
Stanovení šířky metastabilní oblasti
10
Teorie růstu krystalů z roztoku Průběh krystalizačního procesu se skládá z následujících fází: a) transport molekul sacharosy z roztoku k difúzní vrstvě b) difúze molekul sacharosy difúzní vrstvou c) povrchová difúze molekul na povrchu krystalu (v reakční vrstvě) a zařazení do krystalové mřížky
11
Difuze molekul sacharosy - Fickův zákon dm/dτ = A . D/d . (c - cr) = A . kd . (c - cr) m τ A D d c cr kd
hmotnost sacharosy prodifundované difuzní vrstvou čas plocha povrchu krystalu difuzní koeficient tloušťka difuzní vrstvy střední koncentrace roztoku koncentrace roztoku na rozhraní difuzní a reakční vrstvy konstanta
12
Zařazení molekul do krystalové mřížky (tj. povrchová reakce) dm/dτ = kr . A . (cr - c0)r kr c0 r
rychlostní konstanta povrchové reakce koncentrace u povrchu krystalu, tj. koncentrace roztoku reakční řád povrchové reakce (r = 1)
nasyceného
krystalizační rychlost v ustáleném stavu kd . kr v = dm/(dτ . A) = ----------- . (c - c0) = K . (Kp - 1) k d + kr K
krystalizační konstanta obsahující vlivy obou dějů 13
Vliv parametrů na krystalizační rychlost
14
VARNA
15
Zrnič s míchadlem
Vybavení zrniče: -měření a regulace tlaku, teploty, výšky hladiny a elektrické vodivosti (nebo jiný par.) cukroviny v zrniči -ovládací obvody pro přítahy sirobů (šťávy), přívod páry a očkovací zařízení - snímání mezí hladin v zásobních nádržích a mísidlech 16
17
Zlepšení cirkulace cukroviny v zrniči Průběh součinitele prostupu tepla při svařování k s míchadlem
k (W/m2 K)
• přívod sirobu pod topnou komoru • vstřikování páry nebo horkého vzduchu • míchadlo v cirkulační rouře zrniče 50 - 100 ot/min • co nejmenší výška sloupce cukroviny nad topnou komorou • co nejvyšší užitečný teplotní spád mezi párou a cukrovinou • intenzifikace krystalizace • lepší styk krystalů se sirobem • homogenní teplotní pole • dokonalejší vyčerpávání sirobů • zkrácení doby varu • zlepšení přestupu tepla • použití méně kvalitní topné páry
bez míchadla
18
19
Svařování cukrovin 1) příprava - vypaření párou, zkouška těsnosti - úprava sirobů - 85 oC, 70 - 75 %, alkalita
2) zahušťování - sirob na základ varu - se stoupajícím zahuštěním roste teplota varu, - při tlaku 67 až 80 kPa je teplota 78 - 82 oC
3) zrnění očkováním - Kp 1,10 - 1,25 - mikroočko - suspenze krystalků sacharosy o velikosti 1 - 10 μm v ethanolu nebo propanolu
4) úprava zrna - stabilizace - přechod z fáze tvorby zrna do fáze růstu krystalů metastabilní oblast, Kp se sníží na 1,08 - 1,12 20
21
5) naváření Kp 1,10, sacharosa krystaluje z matečného sirobu, ten se vyčerpává, znovu se přitahuje další sirob až je dosažena horní hladina cukroviny v zrniči
6) vysoušení zahuštění cukroviny na sacharizaci 92 %
7) spouštění varu do mísidla se přidává nahřátý mísicí sirob, aby se snížilo přesycení matečného sirobu cukroviny při jejím ochlazení
22
Práce s očkovacím zádělem Výhody: • zlepšení granulometrie uvařeného krystalu • úspora páry při zkrácené době varu • zjednodušení schématu práce na varně Průběh svařování v zrniči: 1) Příprava ke svařování 2) Natažení očkovacího zádělu očkovací záděl - zadinový cukr + těžká šťáva nebo sirob 3) Naváření - vedení varu 4) Vysoušení 5) Spouštění varu
23
24
Automatizace svařování cukrovin regulace a řízení vlastního svařování cukroviny v zrniči 5 návazných regulačních obvodů: barometrické kondenzace ředění sirobů ohřívání sirobů signalizace hladin sirobů v nádržích výroby mikroočka hlavní vstupní veličina - koeficient přesycení veličiny pomocné - obsah krystalů, výška hladiny K měření koeficientu přesycení se využívá: měrné elektrické vodivosti viskozity (konzistence) zvýšení bodu varu příkonu elektromotoru pro pohon míchadla index lomu, permitivita, absorbce radioaktivního záření aj. 25
κ = κnas . Kp-2,8
26
27
28
29
Dvouúrovňový řídicí systém základní úroveň - řídicí automaty nadřazená úroveň - osobní počítač komunikace obsluhy s řídicím systémem - celkové schéma varny s informací o stavu všech zrničů (fáze varu, hladiny, elektrická vodivost), zaplnění nádrží - podrobná informace o každém zrniči (fáze varu, hladina, elektrická vodivost, teplota, tlak, poloha ventilů) - menu pro zadávání příkazů pro každý zrnič (zahájení varu, ukončení varu, opakování očkování, volba režimu práce) - menu pro zadávání příkazů pro manipulaci s cukrovinami v mísidlech a chladičích (vypuštění cukroviny do žlabu nad odstředivkami, přečerpávání zadinové cukroviny) - menu pro změnu hodnoty vybraného řídicího parametru
30
31
Přednosti počítačového řízení varny - zajištění stability provozu
- reprodukovatelnost výsledků - zlepšení kvality produktu - zkrácení doby varu - zvýšení výkonu varny - předcházení zbytečným ztrátám v důsledku pozdních zásahů obsluhy
32
Periodické svařování cukrovin Obecné nevýhody: • nerovnoměrnost práce varny • velké výkyvy ve spotřebě páry • velké kolísání podtlaku • tvorba sekundárního zrna, srostlic a barevných látek • výkyvy teplot a koncentrace v zrniči
33
Kontinuální svařování cukrovin odstranění obecných nedostatků periodického svařování cukrovin Výhody: • nízká spotřeba tepla • pravidelný odběr páry • pracuje se s vyšším zahuštěním šťáv a sirobů (až 70 %) • odstranění vedlejších spotřeb • využití brýdových par ze zrniče k dalším náhřevům • zvýšení výtěžku krystalového cukru • hlubší vyčerpání matečného sirobu • zjednodušení instalace • menší spotřeba místa Nevýhody: • nevyrovnaná granulometrie výsledného krystalu • vytváření cukerných inkrustací na plášti zrniče 34
35
Kontinuální horizontální zrnič
36
Kontinuální věžový zrnič 1 – těžká šťáva, sirob 2 – očkovací záděl, magma 3 – cukrovina 4 – brýdové páry 5 – topná pára 6 – kondenzát Sirob
S1=72 %
Očkovací záděl
S2=88 %
m2=17,4 t/h
OK2=50 % d2=0,37 mm
Cukrovina
S3=92 %
m3=100 t/h
OK3=58 % d3=0,7 mm
37
38
Barometrická kondenzace Účel: • zajistit úplnou kondenzaci brýdových par ze zrničů a z posledního tělesa odparky • vytvářet potřebný podtlak Typy barometrické kondenzace: •
sprchová - individuální i centrální
•
trysková
•
povrchová 39
Barometrická kondenzace
40
Automatická regulace barometrické kondenzace
chladicí voda
4
1 2 3 4
4
k vývěvě
Teploměr Ovládací panel Pneumatický ventil Barometrický kondenzátor 41
42
Zpracování cukroviny v mísidlech -Mísení a homogenizace cukroviny se sirobem o S=70 % -Přídavek sirobu – 5 – 15 % na hmotnost cukroviny -Úprava přesycení a snížení viskozity matečného sirobu -Intenzifikace přestupu hmoty (výměna sirobu v okolí krystalů) i přestupu tepla -Postupné ochlazování cukroviny a další krystalizace sacharosy z přesyceného matečného sirobu
43
Mísidlo, krystalizátor
44
Zpracování zadinových cukrovin Cíl zadinové práce: ¨ maximální vycukernění matečného sirobu • krystalizace sacharosy z nejméně čistých matečných sirobů, kde je rychlost krystalizace značně limitována vysokou viskozitou matečného sirobu • úprava Kp na optimální hodnotu z hlediska rychlosti krystalizace • snížením Kp na 1,05 - 1,08 se podstatně snižuje viskozita matečného sirobu Snížení Kp lze dosáhnout: ¨ zředěním cukroviny v mísidle sirobem nebo vodou ¨ ohřátím cukroviny 45
46
Výpočet množství zřeďovací vody - Sýkorův vzorec mw = (S - P)/k - (100- S) = N/k - W mw S P k
množství zřeďovací vody (% cukroviny) sacharizace cukroviny (%) polarizace cukroviny (%) koeficient odpovídající tzv. cílové melase (normální melase), obvykle k = 2,0 - 2,4
Přídavek zřeďovací vody ¨do zrniče těsně před spouštěním cukroviny ¨po malých dávkách do krystalizátorů, aby došlo k rychlé homogenizaci cukroviny ¨poslední přídavek nejpozději 4 h před odstřeďováním
47
Chladicí krystalizátor
48
Kontinuální krystalizační linka ∗ kaskáda propojených horizontálních chladicích krystalizátorů ∗ protiproudné chlazení cukroviny otočným chladicím systémem se studenou vodou ∗ teplotní diference mezi chladicí vodou a cukrovinou nesmí překročit 12 °C, jinak dochází ke krystalizaci cukru na chladicích elementech ∗ na konci linky temperace cukroviny na teplotu odstřeďování Nevýhody: • nedokonalá homogenizace cukroviny a zřeďovací vody nebo sirobu • nerovnoměrný průtok cukroviny linkou • nízká chladicí účinnost • netěsnosti chladicího systému • velká půdorysná plocha
49
50
Věžové kontinuální krystalizátory (vertikální) • • • • • • • •
ředicí sirob nebo voda se přidávají před vstupem do krystalizátoru průtok cukroviny samospádem dobrá homogenizace cukroviny příznivé podmínky pro krystalizaci pravidelný tok cukroviny krystalizátorem pevná chladicí vestavba vysoká kapacita zařízení malá půdorysná plocha
51
Obrázky, obr. 4.42
Vertikální krystalizátor
52
53
54
Expanzní krystalizace • adiabatické odpařování vody v dobře izolovaných, uzavřených mísidlech za sníženého tlaku 9 - 14 kPa • ochlazování cukroviny neprobíhá tepelnou výměnou s kapalinou, ale samočinným odpařováním • intenzivní vaření • zvýšení Kp matečného sirobu • zvětšení velikosti krystalů • zvýšení viskozity cukroviny • ke snížení viskozity je nutné kontinuální vracení ohřátého matečného sirobu, kterým se cukrovina v mísidle mísí • vysoké nároky na kondenzaci a vývěvu (zajištění tlaků kolem 10 kPa) 55
Linka na výrobu surového cukru s vakuovými mísidly
podtlak 14 kPa
podtlak 9 kPa
kondenzátor p = 5 kPa
Δ Q = 17-19 %
56
