Моделирование и усовершенствование процесса массовой кристаллизации сахара охлаждением утфеля последнего продукта

• Автор: Арапов, Денис Владимирович
• Шифр специальности: 05.18.12, 05.18.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 226 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ САХАРА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ УТФЕЛЯ ПОСЛЕДНЕГО ПРОДУКТА

1.1. Краткое описание существующих технологий последней ступени кристаллизации

1.2. Анализ теоретических представлений о росте кристаллов сахарозы.

1.3. Анализ существующих теорий

мел ассообразования

1.3.1. Растворимость сахарозы в чистых и технических растворах

1.3.2. Внутреннее строение сахарных растворов.

1.3.3. Мелассообразование и способы определения чистоты нормальной мелассы.

1.4. Контроль и моделирование вязкости растворов

сахарозы.
1.4.1. Средства и способы контроля вязкости.
1.4.2. Вязкость чистых растворов сахара.
1.4.3. Вязкость производственных сахарных
растворов
1.4.4. Вязкость сахарных утфелей и суспензий
1.5. Выводы и цель выполняемой работы.
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
НАСЫЩЕНИЯ МЕЛАССЫ В ВИБРИРУЮЩЕМ СЛОЕ
КРИСТАЛЛОВ САХАРА.
2.1. Описание экспериментальной установки и приборов для измерения параметров исследуемых меласс
2.2. Получение опытных данных по насыщению заводских меласс
2.3. Результаты исследований по насыщению меласс и анализ полученных данных
2.4. Краткие итоги главы 2.
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА МАССОВОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ САХАРА
ОХЛАЖДЕНИЕМ УТФЕЛЯ
3.1. Математическое описание процесса массовой кристаллизации сахара охлаждением утфеля.
3.2. Модель вязкости водных сахарных растворов.
3.3. Моделирование растворимости сахарозы в чистых и технических растворах.
3.3.1. Растворимость сахарозы в чистых растворах.
3.3.2. Растворимость сахарозы в технических
растворах
3.4. Кинетическая модель скорости кристаллизации сахарозы из чистых растворов.
3.5. Общая кинетическая модель скорости роста кристаллов сахара в чистых и технических
растворах
3.6. Идентификация модели массовой кристаллизации сахара охлаждением утфеля
3.7. Краткие итоги главы
ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА МАССОВОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ САХАРА ОХЛАЖДЕНИЕМ УТФЕЛЯ
4.1. Алгоритм функционирования системы оптимизации процесса массовой кристаллизации сахара охлаждением утфеля.
4.2. Экспрессметод определения оптимальных параметров нормальной мелассы
4.3. Расчет оптимального температурного профиля охлаждения утфеля.
4.3.1. Постановка задачи оптимизации и алгоритм решения
4.3.2. Расчет расхода охлаждающей воды в вертикальный кристаллизатор
4.3.3. Исследование влияния начальных параметров
утфеля на выход сахара.
4.4. Краткие итоги главы 4.
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ МАССОВОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ САХАРА ОХЛАЖДЕНИЕМ УТФЕЛЯ
5.1. Устройство для ускоренного насыщения мелассы УН1.
5.2. Система автоматического контроля вязкости мелассы СКВ1.
5.3. Краткие итоги главы
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.
Библиографический список
Приложения
Приложение
Приложение 2.
Приложение
Приложение 4.
Приложение 5.
Приложение 6.
Приложение 7.
Приложение 8.
Приложение 9.

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


Несахара, содержащие анионы ЬГ и катионы ОН, замедляют процесс зародыше образования, а содержащие Са2 наоборот ускоряют его. Для описания перехода вещества из растворенного в кристаллическое состояние предложено большое число разнообразных теорий, но наибольшее распространение получила диффузионная теория роста кристаллов . Она хорошо объясняет большинство явлений, связанных с массовой кристаллизацией сахарозы, как в лабораторных, так и промышленных условиях. Недостатком ее является то, что она не объясняет образование огранки кристаллов по плоскостям и различия в скорости роста разных граней. Активными сторонниками этой теории, внесшими фундаментальный вклад в ее развитие, являются отечественные и зарубежные ученые И. Г. Бажал, ,А. И. Громковский, И. С. Гулый, Зубченко, К. К. Полянский, В. И. Тужилкин, В. М. Харин, Р. Аустмайер, Д. Шлипхаке, Ф. Шнайдер, и многие другие. Согласно диффузионной теории, кинетика роста кристаллов определяется скоростью массообмена между жидкой и твердой фазами, зависит от многих гидродинамических условий и физикохимических процессов на поверхности раздела фаз 0, 1. С0, СР, С концентрация сахарозы в объеме пересыщенного раствора, у поверхности кристалла и концентрация насыщения соответственно,
Для упрощения уравнения 1. КхкхСрСи. Так как граничную концентрацию СР измерить трудно, то движущей силой считают разность концентраций С0Ся, которая легко измеряется. ККК0С0СН, 1. СС 1. Представив выражение 1. Ка К. Р0 РЛ Р,, 1. Р0 Ра, Рр общее сопротивление, диффузионное и сопротивление, обусловленное кристаллохимической реакцией, см. РдУ и Рр определяется из уравнения Аррениуса2, 4. Установлено, что, в результате гидратации и таутомстрии, изменяется эффективная концентрация сахарозы в растворе 8. Активной является не фактическая концентрация раствора, а та, которая используется для процесса кристаллизации. Тогда выражение для скорости кристаллизации 1. Существуют и другие теории кристаллизации термодинамическая теория ГиббсаФольмера, базирующаяся на представлениях о прерывистом, послойном росте кристаллов, молекулярнокинетическая теория, разработанная Косселем и уточненная Странским и Каишевым, дислокационная теория роста. Например, в 0 установлено, что рост кристаллов в пересыщенном растворе протекает послойно, высота слоя равна примерно нм, а скорость кристаллизации при пересыщении 1, равна 2 мгм1 ч. Однако теория СтранскогоКаишсва, также как и представления Фольмсра, справедлива для условий малых пересыщений . Достаточно подробный анализ недостатков разработанных теорий приведен в 0. В 1, 5, 1 показано влияние температуры как на величины диффузионного и кристаллохимического сопротивления, так и на скорость кристаллизации в целом. КкК0а0аиу. При образовании кристаллов всегда наблюдается перепад индукции, когда раствор остается прозрачным и видимая кристаллизация отсутствует 0. Временной интервал этого периода зависит от условий кристаллизации и бывает как короткий, так и продолжительный. Д. Шлипхаке 3, 9, 0 для чистых сахарных растворов показал, что пересыщение, соответствующее максимальной скорости кристаллизации, всегда выше пересыщения, при котором наблюдается самопроизвольный рост кристаллов. П.М. Силин 7 проводил опыты с кристаллами размером I мм при температуре ,5 С при объемной доле кристаллов в утфеле 0,. Он определил, что скорость роста кристаллов в стесненных условиях 0, примерно равна скорости их роста при свободном осаждении в режиме Стокса р 0,. Авторы 9 уточнили, что скорость роста кристаллов неизменна до некоторой критической величины ркр, которая определяется началом взаимовнедрения диффузионных слоев соседних кристаллов. При этом уменьшается поверхность раздела фаз, участвующая в массообменс, и скорость кристаллизации падает. При увеличении объемной доли кристаллов более 0, , что имеет место при массовой промышленной кристаллизации, скорость роста мелких кристаллов сахара становится больше скорости роста крупных кристаллов. В 0, 1для случая, когда межкристальные расстояния соизмеримы с толщиной диффузионного слоя, установлено неравномерное распределение концентрации раствора в его объеме.