Соли кальция и их влияние на эффективность производства и
реклама
Виробничі питання Вісник цукровиків України Соли кальция и их влияние на эффективность производства и качество сахара Л.Хомичак, член-кор. НААН, заместитель директора Института продовольственных ресурсов НААН, С.Василенко, д.т.н., проф., заведующий кафедры теплоэнергетики и холодильной техники НУПТ В.Кухар, генеральный директор ООО “Фирма ТМА” В сахарном производстве под солями кальция (СК) понимают содержимое растворенное в соке кальция и магния, которое определяется титрованием с ЕДТА (трилон Б). По своим свойствам соли магния несколько отличаются от идентичных солей кальция и потому их роль в технологическом процессе немного меньше. Основным поставщиком иона Мg2+ является известняковый камень, содержимое МgСО3 в котором согласно нормативам не должен превышать 2,0%. Но растворимость солей магния в сравнении с соответствующими солями кальция почти вдвое выше, поэтому при работе с доломитовым известняком нужно на І карбонизации поддерживать щелочность по фенолфталеину не меньше 0,1% СаО (как правило, это отвечает рН20 11,0). При таких условиях магний находится в форме гидроокиси, которой присущий намного меньшая растворимость, чем карбонату, и магний при этих условиях удаляется. В противном случае это может привести к резкому “загоранию” аппаратов испарительной станции (ИС). Повышенное содержимое магния в известняке также не содействует даче извести на ІІ карбонизацию, которая приводит как к аналогичным следствиям, так и к повышению содержимого солей кальция в очищенном соке. Максимальное удаление солей кальция как раз и является основной целью ІІ карбонизации. Но даже при достижении оптимальных значений рН для данного конкретного сока все же некоторое количество кальциевых солей в зависимости от баланса других катионов (в основном калии и натрии) остается в соке. Заводские работники практически не могут влиять на содержимое натрия и калия в корнеплодах, но существуют меры, которые можно и нужно осуществлять для минимизации образования “вредных” анионов или кислот в технологическом процессе. Особенно это касается инвертного сахара, образование которого на технологическом станке нужно свести к минимуму, потому что, раскладываясь во время основного известкования, он превращается в основном в молочную кислоту. Аналогично в результате жизнедеятельности микроорганизмов во время экстрагирования свекольной стружки также образовывается молочная и другие кислоты, которые образовывают с ионом кальция растворимые соли. Еще одним фактором, который содействует повышению содержимого в диффузном соке кислот, является неполное ополаскивание корнеплодов от транспортерно-моечной воды, которая содержит, как правило, широкий спектр кислот, в основном уксусную, молочную и пропионовую. СК, что содержатся в соке, отрицательно влияют как на выход сахара, так и на его качество. Известно [1], что органические соли кальция имеют склонность к связыванию сахарозы в комплексные соединения, которые практически не выкристаллизовываются в ходе уваривания в утфель, поэтому дополнительная часть сахарозы остается в мелассе, выход которой при этих условиях увеличивается. Зольность сахара также может быть повышена через инклюзию и окклюзию таких комплексных соединений кристаллами сахара. Кроме этого, при значительных наша сторінка в Інтернеті: http://sugarua.com 13 № 5 (96) травень 2014 Виробничі питання Вісник цукровиків України количествах солей кальция резко повышается вязкость сиропа, который замедляет процесс уваривания утфеля и приводит к осложнениям отделения кристаллов сахара от маточного раствора путем центрифугирования, которое в целом довольно отрицательно отображается на качестве сахара. Соли кальция существенно влияют на изменение коэффициента теплопередачи испарительных аппаратов и другой теплообменной аппаратуры. Так, для чистой поверхности общий коэффициент теплопередачи составляет в среднем 2000 Вт/м2 К, а пласт накипи 100 мкм снижает его до 1655 Вт/м2 К. В последние десятилетия сахарные заводы в большинстве случаев отказались от станции активной фильтрации сиропов, особенно от фильтров с предыдущим намывом фильтровальных порошков. Вместе с тем, аппараты испарительной станции (ИС) раньше (к активному использованию антинакипинов) выполняли роль тех самых фильтров за счет активной инкрустации поверхности нагревания аппаратов. Так, если завод имел ИС с общей площадью теплообмена около 9000 м 2 (удельная площадь 330 м 2 на 100 т свеклы), а толщина инкрустаций составила 100 мкм, то общее количество твердой фазы, изъятое из сиропа, составила около 1 м 3 или 1,8 т солей кальция. При толщине же накипи в 1 мм масса удаленных солей кальция составляет 18,0 т, или за 60 суток беспрерывной работы это означает, что ежесуточно ИС удаляла из сиропа 300 кг солей кальция. Учитывая вышеизложенное, считаем, что при наличии широкого применения антинакипинов станция фильтрования сиропа с намывом фильтровальных порошков или осадка сока ІІ карбонизации являются неотъемлемой составляющей современной технологии получения сахара высокого качества. Соответствующий опыт, технология и оборудования (например, фильтры типа АМО, специальные фильтрпрессы) есть на ООО “Фирма ТМА”. Часто считают, что снижение содержимого солей кальция в очищенном соке обеспечит защита поверхности нагревания от инкрустации, но реальность намного более сложная. Очень важно также учитывать содержимое солей кальция в воде, которой набирается испарительная станция при пуске завода. Полагается, что оптимальной жесткостью воды при этих условиях является значения меньше 20 мг/л, которого можно достичь или специальной подготовкой воды (например, брать воду, которая подготовлена для паровых котлов) или же обработать такую воду известью, отсатурировать ее, добавить расчетное небольшое количество соды и отфильтровать или же отдекантовать. После пуска завода важно контролировать не только содержимое солей кальция в очищенном соке, но и количество нерастворимых веществ (мути), что поступают на ИС. Присутствие нерастворимых частичек карбоната кальция в таком случае приведет не только к увеличению вероятности образования накипи на первых корпусах ИС, но и существенно уменьшит эффективность использования антинакипинов. В связи с этим желательно для постоянного контроля фильтрованного сока с целью недопущения попадания зависших частичек карбоната кальция на ИС устанавливать проточные 15мутномеры, что работают по принципу рассеяния лазерного луча на зависших частичках. Использование таких приборов позволит также установить причину попадания зависших частичек на выпарку. Так, если распределение частичек нерастворимого осадка за размерами в фильтрате аналогично такому в не фильтрованном соке, то причина состоит в наличии отверстий в фильтровальной ткани или же неплотном установлении фильтровальных элементов. Если же распределение частичек в фильтрованном соке свидетельствует о меньшем среднем их размере, то можно утверждать, что имеющаяся ткань имеет весьма большие поры, то есть невысокая ее плотность. Нужно помнить, что наличие наша сторінка в Інтернеті: http://sugarua.com 14 № 5 (96) травень 2014 Виробничі питання Вісник цукровиків України нерастворимых мелких частичек в фильтрованном соке ІІ карбонизации может вызвать также к повышению нагрузки на фильтрах сиропа и может привести к снижению общей производительности завода. Роль антинакипинов, которые представляют собой в основном полимеры с короткой молекулярной цепью, сводится к присоединению кристалликов кальциевых солей, которые образовываются во время сгущения сока, их дефлокуляции, изменения электрокинетического потенциала и, как следствие, увеличению сил электростатического отталкивания, которые в несколько раз превосходят силы притяжения, что в конечном результате приводит к содержанию их в виде суспензии и препятствует отложению их на поверхности нагревания. Поэтому частички карбоната кальция, которые прошли через фильтры сока ІІ карбонизации, связывают добавленный антинакипин и уменьшают количество действующего вещества для связывания новообразовавшихся частичек, которое резко снижает эффективность использования антинакипина. Поскольку соли кальция начинают выпадать по мере повышения содержимого сухих веществ в соке во время его сгущения, то в идеале антинакипин следует прибавлять в каждый отдельный испарительный аппарат в пропорции приблизительно 3,5:2,0:1,5:1,0:2,0. Затрата антинакипинов определяется в большинстве случаев на основе практического опыта и методом проб и ошибок. Чтобы надежно прогнозировать требования к качеству и количеству антинакипина, недостаточно определение в соке лишь содержимого солей кальция, желательно определять также концентрацию анионов (сульфатов, карбонатов и оксалатов), а также концентрацию осадка, который прошел через фильтры сока ІІ карбонизации. Для того чтобы в условиях ІІ карбонизации не допустить пресыщение сока карбонатом кальция, процесс желательно проводить таким образом, чтобы скорость образования мицелл СаСО3 была меньшей чем скорость его кристаллизации. На этот процесс влияет ряд факторов, но в условиях реального производство в условиях ІІ карбонизации повлиять на пресыщение СаСО3 возможно лишь изменением температуры, продолжительности процесса кристаллизации СаСО3 и излишком его кристаллов. Практикой работы нескольких сахарных заводов (Саливонковский, им.Цюрупи и др.) доказана эффективность дополнительного удаления солей кальция во время ІІ известь карбонизации на 15…18% за разработанным нами образом двухстепенного проведения этого процесса, который предусматривает предыдущую частичную карбонизацию произвесткованного фильтрованного сока І карбонизации отработанным газом ІІ карбонизации за счет установления специальных устройств в верхней части аппарата ІІ карбонизации (более подробно в журнале Сахар Украины, №3 (27) за 2002 р.). В технологическом процессе довольно часто приходится добавлять разное количество щелочных добавок в зависимости от натуральной щелочности сока для поддерживания соответствующих значений рН на дальнейших стадиях получения сахара. За счет этого также происходит дополнительное снижение содержимого солей кальция в очищенном соке. Как правило, в сок добавляют соду, тринатрийфосфат или оксид магния. Но нужно учитывать, что избыточное количество щелочных реагентов при наша сторінка в Інтернеті: http://sugarua.com 15 № 5 (96) травень 2014 Виробничі питання Вісник цукровиків України внесении в сок ІІ карбонизации, равно как и 17перекарбонизация на ІІ карбонизации, может привести к интенсивному накипеобразованию на поверхности теплообменной аппаратуры. Это связано с так называемым “содовым парадоксом”, когда содержимое ионов карбоната в соке превышает содержимое катионов кальция, при этом последний превращается в бикарбонат и переходит снова в растворимое состояние. Не рекомендуется также введения соды в фильтрованный сок І карбонизации, поскольку это может вызвать “загорание ” поверхности теплообмена подогревателей сока перед ІІ карбонизацией. Кроме этого, добавка щелочных реагентов на ІІ карбонизацию приводит к ухудшению фильтрационной способности сока, что обусловлено уменьшением размера образованных частичек карбоната кальция и изменением распределения частичек за средним размером. Это происходит поэтому, что добавка карбоната натрия в сок приводит к практически мгновенному осаждению иону кальция в виде дробнодисперсного карбоната, тогда как образования карбоната кальция под действием сатурационного газа и хорошего перемешивания в аппарате ІІ карбонизации происходит в довольно продолжительном промежутке времени (продолжительность карбонизации как правило 10 мин., продолжительность пребывания в дозревателях почти 20 мин.). Поэтому добавку щелочных реагентов нужно старательно контролировать, поскольку ухудшение фильтрационной способности сока ІІ карбонизации может привести к поступлению на ИС сока с высоким содержимым нерастворимых частичек (мути). Довольно часто в составе инкрустаций из поверхности теплообмена ИС находят относительно высокое содержимое сульфатов кальция. Исследования показывают, что основной причиной такого явления является не только интенсивная обработка питательной воды сернистым газом или серной кислотой, но прежде всего добавка в питательную воду гипса с целью повышения тургора свекольной стружки и содержимого сухих веществ в прессованном жоме. Установлено, что добавка гипса больше 110 кг на 100 т свеклы не содействует существенному повышению сухих веществ прессованного жома, но приводит к резкому повышению содержимого сульфатов в очищенном соке. Конечно, количество удаленных во время очистки солей кальция, как правило, зависит от количества добавленного извести. Однако эффект удаления аминокислот и амидов мало зависит от этого фактора, поэтому аминокислоты являются одним из основных источников образования растворимых солей кальция. Соответственно зная содержимое редуцирующих веществ и альфа-аминного азота и солей кальция в очищенном соке, можно по критерию К.Вукова оценить правильность проведения очистки диффузного сока [2]. Кроме этого, аминокислоты – буферные вещества, которые снижают рН сока ІІ карбонизации, уменьшая, таким образом, степень удаления солей кальция. Это еще раз говорит о целесообразности переработки свеклы с высокой степенью технологической зрелости и минимальным содержимым альфааминного азота. Контактные телефоны: 050-331-82-01, 099-637-86-84, 050-469-11-08 наша сторінка в Інтернеті: http://sugarua.com 16 № 5 (96) травень 2014
