XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Диффузионные аппараты предназначены для извлечения сахарозы из свекловичной стружки методом горячей водной экстракции.

     На этапе перехода сахарной промышленности к реализации непрерывного процесса экстрагирования сахара из свёклы ведущие сахаропроизводящие страны пошли различными путями технической реализации (оформления) механизированных экстракторов – диффузионных установок. Например, в Российской Федерации, как и ранее в СССР, применяются колонные и наклонные шнековые, в Англии и Франции – ротационные, в Германии – колонные [5, 19]. К диффузионным установкам непрерывного действия предъявлялись следующие основные требования:

обессахаривание как можно более тонкой свекловичной стружки с равномерным её омыванием экстрагентом – водой;

строгое противоточное движение свекловичной стружки и сока с минимизацией рециркуляционных потоков стружки и сока;

минимальные потери сахара в жоме при максимальной концентрации диффузионного сока;

высокая чистота диффузионного сока.

     Каждый из названных типов диффузионных установок имеет свои достоинства и недостатки, описываемые в основном отдельными (единичными) качественными характеристиками без использования количественного обобщающего критерия, позволяющего выбрать аппарат необходимого типа с учётом предъявляемых требований технологического и экономического характера и качества перерабатываемого сырья.
     Так, колонные диффузионные установки занимают небольшую производственную площадь, позволяют поддерживать высокую удельную нагрузку диффузионного пространства стружкой, имеют высокий коэффициент заполнения колонны стружкой, отличаются большой эксплуатационной стабильностью, позволяют получить диффузионный сок низкой температуры. Однако на их работу сильно влияет качество перерабатываемой стружки, затруднительный отбор сока через горизонтальное сито колонны (при отсутствии дополнительных боковых), снижение термоустойчивости сока за счёт его значительных рециркуляционных потоков, ухудшение технологических показателей при работе с производительностью меньше номинальной и др.
     Наклонные шнековые диффузионные установки, по сравнению с другими типами, имеют меньшую металлоёмкость, более простое конструктивное оформление, достаточную удельную нагрузку диффузионного пространства стружкой. К их недостаткам следует отнести сложности в создании «головного» нагрева стружки, склонность к образованию локальных заторов («пробкованию») стружки при её перегреве или недостаточно высоком качестве свёклы, значи-тельные отличия температуры стружки в поперечном сечении аппарата, необходимость работы на более грубой стружке, ухудшение технологических показателей при работе с производительностью меньше номинальной, значительная активность инвертазы в первой зоне установки и др.
     Ротационные диффузионные установки отличаются строгим противоточным движением свекловичной стружки и сока, а следовательно, отсутствием рецир-
куляции сока и стружки, возможностью независимого и гибкого поддержания производительности установки и удельной загрузки стружкой секций барабана, сокращением длительности активной экстракции до 55–60 минут при минимальных потерях сахара в жоме и высокой чистоте диффузионного сока, со-хранением соотношения фаз в отсеках аппарата при его остановках и последующих пусках, сохранением технологических показателей при работе с производительностью меньше номинальной. В качестве недостатков можно отметить большую металлоёмкость, небольшой коэффициент заполнения барабана стружкой и соком, коррозионный износ внутренней поверхности (современные барабаны изготавливаются из стали, устойчивой к коррозии) и др.
     Вопрос выбора типа диффузионного аппарата приобретает актуальность в настоящее время, когда многие сахарные заводы России в ходе реконструкции  и наращивания производственной мощности осуществляют модернизацию свеклоперерабатывающих отделений. К сожалению, отечественные машиностроительные предприятия в основном прекратили выпуск диффузионных установок, поэтому сахарные заводы вынуждены использовать зарубежные аппараты (BMA, «Buckau-Wolf», «Fives Cail» и др.). В связи с этим появление отечественной диффузионной установки ОРДУ-НТ 06 производительностью 6 тыс. т свёклы в сутки, разработанной, изготовленной, смонтированной и запущенной на Буинском сахарном заводе в работу компанией «НТ-Пром» при сотрудничестве с французской фирмой «FivesCail» и компанией «Техника – Технология – Конструкции», может существенно улучшить оснащение требующих модернизации российских сахарных заводов высокотехнологичным оборудованием отечественного производства [2].

В сахарной промышленности в настоящее время работают в основном диффузионные аппараты трех типов: колонные, наклонные и ротационные. Все они имеют определенные недостатки, что не позволяет обеспечить оптимальные условия проведения процесса экстрагирования, с тем чтобы получить максимальный выход сахара.
Как уже было показано, основными факторами, влияющими на ход процесса экстрагирования и полноту извлечения сахара из стружки, являются температурный режим, особенно в начальной стадии процесса, направление движения фаз, гидродинамика процесса, соотношение расхода масс экстрагента и стружки.
Рассмотрим работу существующих типов диффузионных аппаратов.
Тепловая обработка свекловичной стружки для экстрагирования из нее сахара может осуществляться либо непосредственно в диффузионном аппарате, либо в ошпаривателе, где стружка должна нагреваться за небольшой промежуток времени с 5—10 до 70— 80 °С.

Требования к конструкции. Диффузионные аппараты должны обеспечивать:

минимальные потери сахарозы в жоме;

высокое качество диффузионного сока;

строгий противоток воды и стружки;

необходимую температуру и продолжительность процесса;

непрерывность процесса;

полную автоматизацию всех технологических процессов.

Наклонные диффузионные аппараты

Аппараты этого типа представляют собой наклонный под углом 11º к горизонту металлический корпус, который состоит из двух полуцилиндров. В корпусе от двух приводов в разные стороны вращаются два ленточных шнека.

Стружка поступает стружка поступает в нижнюю, а питательная вода в верхнюю часть. Кроме того, в верхней части аппарата имеется выбрасывающее колесо с карманами для удаления жома. В нижней торцевой части аппарата у торцевой стенки имеются сита, через которые производится отбор диффузионного сока. Сита очищаются от стружки ножами, которые крепятся на валах. В нижней части аппарата имеются четыре паровых камеры, через которые производится обогрев аппарата паром третьего корпуса выпарки. Температура соко-стружачной смеси в первой камере 68 ºС, во второй – 72 ºС, в третьей – 72 ºС, в четвёртой – 70 ºС. Шнеки вращаются синхронно, что обеспечивается электрическим и механическим устройством.

Температура питательной воды – 66 ºС.

Количество воды – 120 % к массе стружки.

Потери сахара в жоме – 0,3%.

Удельная нагрузка – 700 кг стружки/м3 объёма.

Откачка – 115-120 % к массе стружки.

Приблизительное пребывание стружки в аппарате – 70 мин.

Нагрузка на двигатель при нормально загруженном аппарате – 220А.

Скорость вращения шнеков – 0-1,1 об/мин.

Для удобства монтажа шнеков в аппарате они сделаны разъёмными и состоят и пяти секций каждый. Секции соединены между собой фланцами и промежуточными катушками. Промежуточные катушки укладываются в подшипники скольжения, смазка подшипников производится централизованно.

Перед пуском аппарата в работу производится его внутренний осмотр, затем аппарат на малых оборотах испытывается на холостом ходу. После этого аппарат заполняется водой до уровня на 200 мм ниже ленты самого нижнего шнека. Вода подаваемая в аппарат в это время имеет температуру 70 ºС. После наполнения аппарата водой включается обогрев аппарата через паровые камеры, после того как температура в аппарате поднимется до 72 ºС, начинается подача стружки при минимальных оборотах, соответствующая 70 % оптимальной нагрузки аппарата. Через 30 – 40 мин начинается сока, увеличивают число оборотов и количество подаваемой стружки.

Работа аппарата полностью автоматизирована, обслуживающий персонал контролирует качество и количество поступающей стружки, питательной воды, потери сахара в жоме, температурный режим по камерам, нагрузку на двигатель.

Основная ненормальность в работе аппарата – высокие потери сахарозы в жоме.

Причины:

плохое качество стружки;

недостаточное время пребывания стружки в аппарате;

недостаточное количество питательной воды;

низкая температура питательной воды;

низкая температура в аппарате.

Пробкование:

низкий уровень соко-стружачной смеси в аппарате;

неправильная сборка шнеков;

высокое рН питательной воды.

Достоинства аппарата:

простота конструкции;

удобство в обслуживании и ремонте;

полная автоматизация работы.

Недостатки:

транспортирующие элементы аппарата – шнеки не обеспечивают одинаковое время пребывания всех порций стружки в аппарате, т.е. одна часть стружки находится в аппарате 65 мин, а другая – 110.

При протекании процесса свекловичной стружки в наклонных диффузионных аппаратах марки DC-12, образуется повышенное количество пены, связано это с увеличением дигестии свеклы, особенно в последние годы, также одной из важных проблем является повышенный расход греющего пара, для нагревания сокостружчатой смеси внутри самого аппарата. Основными целями модернизации является снижение расхода пара на подогрев, а также снижение пенообразования на поверхности слоя смеси без использования специальных пеногасителей. В процессе исследования проблемы использовались методы логического и технического анализа. В основу модернизации поставлена задача усовершенствования конструкции диффузионного аппарата для проведения скоростного нагрева сокостружечной смеси и улучшения процесса извлечения сахарозы в головной части диффузионного аппарата без использования дополнительных аппаратов (предошарителей, ошпаривателей и т. п.).

Поставленная задача достигается тем, что диффузионный аппарат, который включает наклонный корпус с паровыми камерами и размещенными двумя шнеками, разделенный на секции поперечными пустотелыми балками с установленными на них подшипниками, лобовым ситом, разгрузочным устройством, патрубками для подвода пара, отвода конденсата. Согласно модернизации, на пустотелых балках между первой и второй секциями установлены барботирующие устройства, через которые в сокостружковую смесь подается пар, который подводится в пустотелые балки через отдельный паропровод с обратным клапаном и регулирующей арматурой.

Причинно-следственная связь между предложенными техническими решениями и технико-экономическим результатом будет в следующем. Вследствие установки клапанов для барботирования паром, можно интенсивно увеличивать температуру смеси в первой секции, доводя её до 70 °С. Комплекс клапанов так же выполняет функцию пеногасителя.

Таким образом, предложенная конструкция шнекового диффузионного аппарата наклонного типа позволяет более эффективно использовать его рабочий объем, обеспечивая установленную температуру сокостружечной смеси уже в первой секции способствует более эффективному извлечению сахарозы из стружки, что приводит к снижению его потерь в отходах (жоме). Использование всего объема аппарата для проведения процесса экстрагирования способствует увеличению его производительности на 10…15 %.

Рис. 1 – Принципиальная схема модернизации наклонного диффузионного аппарата

Список литературы

1. Руководство по выполнению выпускной квалификационной работы (бакалавриат) [Текст]: учебное пособие / В. Н. Шаршов, А. И. Ключников. В. Ю. Овсянников, А. В. Прибытков; Воронеж. гос. ун - т. инж. технол. – Воро-неж: ВГУИТ, 2019. – 70 с.

2. Машины и аппараты пищевых производств [Текст] учебник для вузов: в 2 кн. 2: Учеб. для вузов/ С. Т. Антипов, И. Т. Кретов, А. Н. Остриков и др.; Под ред. акад. РАСХН В. А. Панфилова. – М.: Высш. шк., 2005. – 680 с.

3. Остриков А.Н., Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Практикум: учеб. пособие / А.Н. Остриков, О.В. Абрамов, А.В. Прибытков, А.И. Потапов - Воронеж: ВГУИТ, 2014. - 200 с.

4. Проектирование механических передач [Текст] учебно-справочное пособие для ВУЗов: Учеб. Для вузов/ С.А. Чернавский, Г.А. Снесарев, Б.С. Козинцев и др. – 6-е изд. переработ. и доп. – М.: «Альянс», 2008. – 590 с.

5. Адрианов И.О. Ремонт и монтаж оборудования свеклосахарных заводов [Текст] учебник: Учеб. для техникумов пищевой промышленности/ Адрианов И.О. - М. «Пищевая промышленность», 1973. - 214с.

6. В.О. Штангеев Современные технологии и оборудование свеклосахарного производства [Текст] учебник: Учеб. / В 2-х ч. 4.1. / В.О. Штангеев, В.Т. Кобер, Л.Г. Белостоцкии и др.; Под. ред. В.О. Штангеева. – К. «Сахар Украины», 2003. - 352 с.

7. Патент RU 2560955 Россия, МПК⁽⁵¹⁾C13В 10/12. Способ продувки диффузионного аппарата [Текст] / Заявитель Кульнева Н.Г, Швецов А.А., Манько Ю.И./ Патентообладатель - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный университет инженерных технологий (ФГБОУ ВПО ВГУИТ) (RU) - №2014113814/13; заявл. 08.04.2014; опубл. 20.08.2015

Код для цитирования: Скопировать