автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.05, диссертация на тему:Применение сорбентов для очистки соков свеклосахарного производства

РГ6 од

2 3 ШОН 1333

КИЕВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи

ШКАЛ Татьяна Ивановна

ПРИМЕНЕНИЕ СОРБЕНТОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ СОКОВ СВЕКЛОСАХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

05.18.05 - технология сахаристых веществ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев - 1993

Работа выполнена в Киевском технологическом институте пищевой промышленности.

Научные руководители:

доктор технических наук БОБРОВНИК Л.Д. доктор технических наук ФЕЛЬДМАН А.И. Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор МАНК В.В. ~~

кандидат технических наук, ведущий научные сотрудник ПАНКИН Л.И.

Ведущая организация: Институт пищевой химии и технологии АН Украины и Госпищепрома Украины

на заседании специализированного совета Д 068.17.04 в Киевском технологическом институте пищевой промышленности по адресу: г.Киев, ул.Владимирская,68

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КТИПП

Защите состоится

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

Хомичак).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТН

Актуальность настоящей работы определяется необходимостью интенсификации процессов умягчения сока II сатурации и создания бессточных технологических схем.

Целью работы является исследование и разработка высокоэффективного бессточного процесса умягчения сока II сатурации ионообменным методом и определение оптимальных технологических параметров для его промышленной реализации.

В соответствии с целью определены следующие задачи:

- выбор сорбентов, обладающих улучшенными сорбционными свойствами и устойчивостью к воздействию высоких температур;

- изучение механизма взаимодействия выбранных сорбентов с ионами кальция в присутствии технологических сред свеклосахарного производства и определение оптимальных условий реализации процесса;

- изучение возможности регенерации сорбентов растворами веществ, обладающих наряду с высокой вытеснительной способностью свойствами, обуславливающими возможность их повторного использования в верстате сахарного завода;

- определение и анализ физико-химических закономерностей процесса ионообменного умягчения сока II сатурации и разработка наиболее целесообразной технологической с хеш для его реализации;

- выбор эффективной математической модели, адекватно описывающей процесс умягчения сока II сатурации;

- расчет оптимальных технологических параметров промышленного бессточного процесса умягчения сока II сатурации методом математического моделирования.

Научная новизна работы определяется следующим:

- впервые показана возможность эффективного умягчения сока II сатурации природным неорганическим сорбентом - клиноптилолитом, и

определены основные характеристики процесса;

- подробно изучен механизм взаимодействия клинохггалолита и сильнокислотного катеонита КУ-2*8 с технологическими средами свеклосахарного производства;

- впервые установлена возможность использования для регенерации сорбентов раствора ацетата натрия, приготовленного па основе умягченного сока II сатурации;

- предложена математическая модель, адекватно описывающая про-' цесс умягчения сока II сатурации и регенерации сорбентов в циклическом режиме.

Практическая значимость работы определяется тем, что:

- разработана бессточная технологическая схема умягчения сока II сатурации, основанная на использовании клиноптилолита;

- разработана бессточная высокоэффективная технологическая схема умягчения сока II сатурации катионитом КУ-2*8, реализованная в непрерывном ступенчато-противоточном режиме;

- рассчитаны оптимальные параметры промышленных процессов с использованием методов математического моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты исследования возможности эффективного умягчения сока II сатурации природным неорганическим сорбентом - клиноптило-литом, и основные характеристики процесса;

- результаты изучения механизма взаимодействия клиноптилолита и сильнокислотного катионита КУ-2*8 с технологическими средами свеклосахарного производства;

- результаты исследования возможность использования для регенерации сорбентов раствора ацетата натрия, приготовленного на осно-

¿г

во умягченного сока II сатурации;

- математическая модель, адекватно описывающая процесс умягчения сока II сатурации и регенерации сорбентов в циклическом режиме.

- технологические схемц умягчения сока II сатурации клипопти-лолитом и катионитом КУ-2»8 в Иа+ - форме, организованные в традиционном прямоточном и ступенчато-противоточном режиме.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на 58 и 59 Научных конференциях КТШШ В 1992 и 1993 ГГ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Изложена на 148 стр. основного текста, содержит 35 рисунков и 23 таблицы. Список использованной литературы включает 131 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен обзор и сравнительная характеристика различных схем умягчения сока II сатурации свеклосахарного производства. Показано, что создание экономически выгодного бессточного процесса умягчения сока II сатурации возможно при:

- использовании сорбционных материалов характеризующихся наряду с высокими емкостными и кинетическими свойствами, повышенной термостабильностью и сорбционной инертностью по отношению к органическим компонентам, присутствующим в соке II сатурации;

- применении высокоэффективной ионообменной аппаратуры, позволяющей проводить процесс умягчения при скорости не менее

30 мэ/м2*час и резко сократить расход необходимых реагентов;

- использование для регенерации сорбентов натрий-содержащих соединений, легко вытесняющих Са2+, не склонных к образованию труднорастворимых соединений с ним и, в то же время, легко утилизируемых в сахарном производстве.

Во второй главе излагаются результаты экспериментальных исследований основных закономерностей ионного обмена при умягчении сока II сатурации и регенерации сорбентов.

Для выбора ионита проведено сравнительное исследование процесса извлечения кальция из модельных растворов, имитирующих по составу сок II сатурации на следующих сорбентах: органических -КУ-2»8, КБ-4; синтетических цеолитах ИаХ и КаА; природных цеолитах - клиноптилолитах грузинского, владивостокского и закарпатского месторождений.

В качестве критерия для оценки сорбциошшх свойств ионитов использовали величину весового коэффициента распределения К(1.

Полученные значения коэффициента распределения приведены в табл.1.

Анализ результатов показал, что лучшими сорбционными свойствами по отношению к ионам кальция из числа подвергнутых исследованию ионитов отличаются КУ-2«8, КБ-4, цеолит КаА и грузинский клинопти-лолит. Для этих сорбентов были определены основные кинетические и равновесные параметры, епализ которых определил выбор для дальнейших исследований природного клиноптилолита месторовдения Тедзами (Грузия) и органического сильнокислотного катионита КУ-2*8.

Для разработки эффективного метода- сорбционной очистки сока II сатурации от кальция и выбора адекватной математической модели процесса необходимо было изучить механизм сорбционного взаимодействия кальция с органическим катионитом КУ-2»8 и природными цеолитом -

г

ТАБЛИЦА 1

КОЭФФИЦИЕНТЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ (Кй) КАЛЬЦИЯ ДЛЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОРБЕНТОВ И ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ ПРИ СОРБЦИИ ИЗ РАСТВОРА, СОДЕРЖАЩЕГО Сах - 12%, Са - 200 мг/Л

N пп Марка, наименование сорбента Кй

20°С 90°С

1. КУ-2*8 449,6 231,6

2. КБ-4 430,0 325,6

3. Цеолит ПаА 34,9 169,0

4. Цеолит ИаХ 21,3 52,6

5. Клиноптилолит грузинский 67,2 189,0

6. Клиноптилолит закарпатский 10,0 11,0

7. Клиноптилолит владивостокский 30,0 46,0

клиноптилолитом. При исследовании механизма сорбции кальция вышеуказанными сорбентами определяли лимитирующую стадию процесса, изучали влияние температуры и состава раствора на скорость его прохождения, а также на величину сорбции кальция из растворов в равновесных условиях. Линейный характер зависимостей показал, что лимитирующей стадией процесса сорбции кальция из модельного раствора, имитирующего по составу сок II сатурации, как клшопти-лолитом, так и катионитом КУ-2*8, является внутренняя диффузия.

В таблице 2 приведены коэффициенты диффузии и коэффициента распределения кальция для клиноптилолита и катионита КУ-2*8 в Иа+ -форме при различных значениях температуры и состава раствора.

s

ТАБЛИЦА 2.

РАВНОВЕСНЫЕ И КИНЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОРБЦИИ КАЛЬЦИЯ КАТИОНИТОМ КУ-2*8 И КЛИНОПТИЛОЛИТОМ В Ыа+ - ФОРМЕ ИЗ РАСТВОРОВ, СОДЕРЖАЩИХ 12Ж САХАРА И ИОНЫ ПОСТОРОННИХ МЕТАЛЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Исходная концентрация ионов, мг/л Температура, °С Клиноптилолит КУ-2»8

Va мин D•10~в см2/с Kd V* мин D•10~в см2/с Кй

Са2+ К+ Na+

200. 0 0 20 50 1,43 67,2 60 1.19 449,6

200 0 0 90 5,8 11,23 89,0 10,5 6,81 231,6

200 1000 0 20 59 1.21 27,2 58 1,23 298,0

200 1000 0 90 6,5 11,00 39,8 10 1.19 201,0

200 1000 250 20 58 1,23 28,0 49 1,46 292,5

200 1000 250 90 7.5 9,54 40,3 9,1 7,86 194,8

200 0 250 20 60 1.19 68,0 57 1,26 458,0

200 0 250 90 6,5 11 ,00 92,0 10,2 7,02 240,0

Примечание: кинетические параметры приведены для степени завершенности процесса F = 0,5.

Анализ полученных данных показал, что с повышением температуры существенно возрастают значения кинетических коэффициентов для обоих сорбентов, скорость процесса при нагревании возрастает в 5-6 раз, в то время как ионный состав раствора мало влияет на скорость процесса.

Изучение влияния присутствия сахарозы в растворе на процесс сорбции кальция клиноптилолитом показал, что присутствие сахарозы

замедляет процесс сорбции кальция клиноптилолитом из холодных растворов и ускоряет его при температуре выше 60°С.

Для объяснения этого явления в соответствии с уравнением Арре-пиуса были рассчитаны значения энергии активации сорбции ионов кальция клиноптилолитом, которые составили:

для систем вода-кальций - 12 кДж/моль,

вода-сахар-кальций - 32 кДж/моль.

Столь существенные отличия в значениях энергии активации для изучаемых систем могут быть связаны с тем, что сорбция кальция из сахарных растворов имеет более сложный характер и сопряжена с процессами комплексообразования. Так, известно, что в растворах сахарозы кальций присутствует в виде катионного комплекса - моноса-харата кальция СГ2Н220(т»СаО, который при температуре выше 60°С разлагается с образованием свободных ионов кальция, что, по- видимому и сказывается на значениях равновесных и кинетических параметров процесса сорбции.

Это подтвервдается данными, приведенными на рис.1, описывавшими изотермы сорбции кальция клиноптилолитом из чисто водных и водно-сахарных растворов при температуре 20° и 90°0. Анализ результатов показывает, что при температуре 20°С изотерма сорбции кальция из водного раствора (кривая 1) лежит существенно выше, чем изотерма сорбции кальция из водно-сахарного раствора (кривая 2). В то же время кривые, описывающие эти процессы при 90°С (Г и 2') практически сливаются. Коэффициент Генри, описывающий начальный участок изотермы сорбции кальция из водного раствора при 20°С в 1,44 раза выше, чем при сорбции из водно-сахарного раствора, а при температура 90°С - в 1,1 раза. Таким образом, все вышеприведенные факты свидетельствуют о том, что присутствие сахарозы в растворе отрицательно влияет на процесс сорбции кальция за счет связывания

йр

-г й

й ! {

..... Г1шт к'9

(а л ,

3'

V/

>м ' > 3

м/

мг/у,

Рис.1. Изотермы сорбции кальция клшюптилолитом в Ыа+ - форме из растворов: вода-кальций

1 - 20°С 1' - 90°0

вода-сахар(12»)--кальций

- 2 - 20°С 2'- 90°С

вода-сахар (12$)-кальций,калий(1г/л), натрий(0,25г/л) - 3 - 20 С 3'- 90 С

60

20

1

( г'

« и

Рио.2. Изотермы сорбции кальция

катионитом КУ-2«8 в На+ - форме из растворов: вода-сахар(12%)--кальций - 1 - 20°С

Г- 90°С

вода-сахар(12Х)-кальций,калий(1г/л), натрий(0,25г/л) - 2 - 20°С 2'- 90°С

а

его в комплексное соединение - моносахарат кальция, поглощение которого затруднено. Увеличение температуры выше 60°С приводит к разрушению комплексного соединения и, как следствие, к повышению эффективности сорбции кальция из сахарных растворов.

Исследование влияния ионного состава раствора на величину сорбции клиноптилолитом и катионитом КУ-2*8 показало, что присутствие ионов натрия мало влияет на процесс, а наличие ионов калия в растворе снижает сорбцию кальция как на клиноптилолите, так и на КУ-2»8.

Для оценки влияния катионов К+ и N8* на сорбционные свойства изучаемых ионитов были определены коэффициенты селективности обмена ионов на клиноптилолите и катионите КУ-2*8, значения которых приведены в табл.З.

ТАБЛИЦА 3

КОЭФФИЦИЕНТЫ СЕЛЕКТИВНОСТИ ОБМЕНИВАЮЩИХСЯ ИОНОВ ДЛЯ КЛШОПТИЛОЛИТА И КУ-2*8.

Коэффициент селективности Клиноптилолит/Иа+ КУ-2*8/На+

20°С 90°С 20°0 90°С

С 1.8 3,3 2,3 0,74

с 1,97 2,61 3,36 1,7

с 1,09 0,79 1 ,46 2,34

Анализ результатов показывает, что сродство обоих ионитов к ионам Са2* при температуре 20°С выше, чем к ионам натрия и калия. С повышением температуры конкурентоспособность калия уменьшается для КУ-2*8 и увеличивается для клиноптилолита. Выпуклый характер изо-

терм, (рис.1 и 2), полученных для клиноптилолита и катионита НУ-2»8 при температуре 20° и 90°С, свидетельствует о том, что оба сорбента обладают повышенным сродством к ионам кальция и могут быть использованы для его глубокого извлечения из растворов вышеприведенных составов.

Для изучения возможности глубокой декальцинации сока II сатурации, а также с целью определения характеристик, необходимых для выбора наиболее аффективных аппаратурных решений и расчета их параметров методом математического моделирования были проведены исследования процесса сорбции кальция из модельных растворов в динамических условиях.

Исследование процесса сорбции кальция из модельного раствора, имитирующего по составу сок II сатурации в динамических условиях проводили на опытном термостатируемом ионообменном адсорбере со следующими параметрами:

для клиноптилолита: диаметр - 20 мм

высота заполнения - 450 мм; для катионита КУ-2*8: диаметр - 20 мм

высота заполнения - 250 мм. Распределение кальция по высоте слоя сорбента изучалось на лабораторном ионообменном адсорбере со следующими параметрами: диаметр - 29 мм

высота заполнения - 2000 мм. На рис.3 представлены выходные кривые, полученные в случае пропускания раствора через колонку со скоростью 200 мл/час при тем- пера-туре 20° и 90°С. Анализ результатов показывает, что оба сорбента способны достаточно глубоко извлекать кальций из раствора, имитирующего по составу сок II сатурации. Емкостные характеристики КУ-2*8 существенно выше, чем клиноптилолита. Однако, у последнего они

возрастают при повышении температуры до 90°С, а у КУ-2«8 они максимальны при температуре 20°С. Удельный объем обоих ионитов не изменяется в процессе очистки, что важно было установить для правильного выбора ионообменной аппаратуры. Фронты всех полученных выходных кривых имеют достаточно острый характер, что свидетельствует о концентрировании кальция в слоях сорбента, примыкающих к месту подачи раствора и приводит к мысли о возможности организации процесса в противоточном режиме с выводом части отработанного сорбента для регенерации.

Для проверки этого предположения был изучен характер распределения кальция по высоте слоя сорбентов. • Результаты приведены на рис.4 и 5. Анализ полученных зависимостей показывает, что в обоих случаях устанавливается стационарный режим процесса с параллельным переносом фронта сорбции и постоянной скоростью его движения. Однако, если в случав КУ-2*8 размытие фронта минимально и его протяженность составляет 10 см, а формирование фронта происходит на высоте 30 см, то в случае клиноптилолита протяженность фронта составляет 110 см, а его формирование происходит на высоте 50 см. Скорость движения фронта сорбции составляет для КУ-2*8 - 2,5 см/час, а для клиноптилолита - 35 см/час. Полученные результаты позволяют предположить, что при умягчении сока с использованием КУ-2*8 организация процесса в ступенчато-противоточном режиме позволяет реализовать, все преимущества последнего. В то же время, очистку сока от кальция на клиноптилолите более целесообразно осуществлять в аппаратах с неподвижным слоем сорбента при невысоких скоростях пропускания раствора.

Представляло интерес исследовать процесс одновременной сорбции калия и кальция в динамических условиях. Выходные кривые сорбции калия и кальция изучаемыми ионитами представлены на рис.6 и 7. Ане-

Рис.3. Выходные кривые сорбции кальция из модельного раствора, содержащего 12S сахарозы, 185 кг/л; „Са2+, 1050 иг/л К+ и 255 мг/л Na4" катеонитом КУ-2*8 в Ка+ - форма при температуре 20°С (1) и 90°0 (2) и клиеопти-лолитом в Na* - форме при температуре 20°С (3) И 90°С (4).

Рис.4. Кривые распределения кальция по высоте слоя катионита КУ-2*8 при температуре 20°С, скорости процускуния раствора 8,13 и3/и2-чао и времени пропускания раствора 5ч (1), 10ч (2), 20ч (3). 30ч (4), 50ч (5).

\ ' \ \ 1 \ \ 1 \

V V к >

N \

> \

¿0 40 60 i 1С Ю 120 И т

Рис.5. Кривые распределения кальция по высоте слоя кливопти-лолита при температуре 20°С, скорости процускуния раствора 8,13 мэ/м2>час и времени пропускания раствора 1ч (1), 2ч (2), Зч (3).

Рис.6. Выходные кривые сорбции кальция (1) в калия (2) из модельного раствора, содержащего 12% сахара, 200 мг/л Caz+, 1010 мг/л К+ и 250 мг/л Иа+ клиноптилолитом в Ка+ - форма при температуре 90°С.

Ср «Чл

ш

ш

Л09

Рис.7. Выходные кривые сорбцш кальция (1) и калия (2) из модельного раствора, содержащего 12* сахара, 206 мг/л Са2+, 880 мг/л К+ н 250 мг/л Ыа+ катионитом Ку-2*8 в Ка+- форме при температуре 90°0.

20 40 60 80 ПК

/б

лиз полученных результатов показывает, что на клиноптилолите наблюдается одновременная сорбция калия и кальция, что является положительным моментом, поскольку калий - один из наиболее сильных ме-лассообразователей и его присутствие в сахарном сиропе является нежелательным. На катионита КУ-2*8 наблюдается иная картина: проскок по калию происходит значительно раньше, чем по кальцию.

Анализ информации о сравнительной сорбции калия в кальция из модельных растворов показывает, что при регенерации сорбентов элю-ент после обработки клиноптилолите будет содержать калий и кальций, а в случае КУ-2»8- в основном кальций, что необходимо учитывать при организации бессточной схемы процесса умягчения сока II сатурации.

Эксперименты, проведенные для выбора наиболее эффективного раствора для регенерации ионитов показал, что наиболее полно процесс десорбции кальция как из катионита КУ-2*8, так и из клиноптилолита происходит при их обработке растворами, содержащими сахарозу и ацетат натрия, причем, полная регенерация клиноптилолита достигается при пропускании трах объемов раствора на один объем сорбента при температуре 20°С и 4-х объемов при температуре 90°С. Для глубокой регенерации КУ-2*8 требуется 4 объема раствора при температуре 90°С и 6 - при 20°С. Концентрации натрия в растворе, применяемом для регенерации клиноптилолита составляет 11 г/л, что в 18,2 раза меньше, чем в требуемом для аналогичной степени регенерации растворе N801. Для регенерации катионита КУ-2*8 применялся раствор с концентрацией натрия 15 г/л, что в 13,3 раза меньше, чем в соот-ветствупцем растворе МаС1 а КУ-2»8 - 15 г/л.

Исследовался процесс декальцинации реального сока II сатурации клиноптилолитом в режиме сорбция-регенерация в лабораторных условиях на установке, имитирующей режим работы традиционного ионообмен-

ного фильтра с неподвижным слоем сорбента (Д = 20 мм, Ь = 450 мм) со скоростью подачи сока 200 мл/час и скоростью подачи регенераци-онного раствора 100 мл/час. Прямоточный режим процесса был выбран в связи с тем, что клиноптилолит отличается невысокой механической прочностью, что делает невозможным применение его в ступенчато-про-тивоточном аппарате, где ионит будет сильно разрушаться при перегрузке его из аппарата в аппарат. С целью изучения влияния многоциклового режима работы на сорбционные и механические характеристики клиноптилолита было проведено 5 циклов сорбция-регенерация с использованием реального сока II сатурации и регенерационного раствора, содержащего 90 г/л КаАс>ЗН20, приготовленного на основе умягченного сока. Полный цикл работы установки включал следующие стадии:

- сорбция

- удаление раствора из колонки

- регенерация (2 объема элюента на 1 объем сорбента)

- промывка (2 объема умягченного сока на 1 объем сорбента).

Анализ полученных результатов (табл.4 и 5) показывает,, что

использование клиноптилолита позволяет очистить сок II сатурации от ионов кальция и-калия не изменяя его технологические характеристики - концентрацию сахара и чистоту. Было установлено также, что реализация пяти циклов сорбция-регенерация практически не влияет на величину РДОЕ и приводит к незначительному разрушению сорбента, что свидетельствует о возможности многократного использования клиноптилолита в процессе декальцинации сока II сатурации.

В ходе эксперимента показана также возможность организации процесса без образования сточных вод - весь промывной раствор использовали для приготовления элюента. Объем промывного раствора, необходимый для приготовления элюента, оказался достаточным для ка-

ТАБЛИЦА 4

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ДЕКАЛЬЦИНАЦИИ СОКА II САТУРАЦИИ КЛИНОПШОЛИТОЫ

N цикла Объем очищенного сока,? /V Р о Концентрация компонентов в очищенном соке

Са2+,мг/л К+,мг/л Сах.Ж СВ,* ч,ж

1 13,5 6,48 < 4 12 12,9 93

2 13,8 6,5 < 4 12 12,9 93

3 14,2 6,42 < 4 12 12,9 93

4 14,2 6,4 < 4 12 12.9 93

5 14,45 6,5 < 4 12 12,9 93

ТАБЛИЦА 5

ИЗМЕНЕНИЕ СОРБЦЙОННЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВО-СТВ КЛИНОШИЛОЛИТА ПРИ ЦИКЛИЧЕСКО- РАБОТЕ В РЕЖИМЕ СОРБЦИЯ-РЕГЕНЕРАЦИЯ

N цикла Степень регенерации, % Концентрация компонентов в влюенте, г/л ч.% РДОЕ, мг-экв/г Степень разрушения сорбента,*

Ка+ Са2+ К+

1 94 9,9 1,16 6,66 65,2 0,696 0,8

2 96 9,68 1,215 6,96 64,5 0,712 0,63

3 96 9,52 1,25 7,157 64,5 0,733 0,42

4 97 9,46 1,26 7,23 63,8 0,733 0,4

5 96 9,42 1,272 7,28 64,5 0,745 0,4

чественной отмывга сорбента, о чем свидетельствует постоянство технологических характеристик очищенного сока. Отработанный рогенера-ционный раствор содержит в среднем до 5,15 г/л ацетата кальция, до 18,3 г/л ацетата калия, до 33,6 г/л ацетата натрия и 12" сахара и характеризуется чистотой 64,5%.

Процесс декальцинации сока II сатурации катионитом КУ-2*8 исследовался на опытной установке в условиях действующего произ-

Рис.8. Схема опытной установки умягчения сока II сатурации катионитом КУ-2»8 в N3+ - форме. 1 - адсорбер, 2 - регенератор, 3 - сборник необработанного сока, 5 - сборник умягченного сока, 7 -- сборник регенерационного раствора, 4,6,9 - насоси, 8 - промыватель.

водства. Опытные испытания проводили на станции дефекосатурации Ма-тусовского сахарного завода. Установка включала в себя адсорбер и регенератор ступенчато-противоточного типа. Технологическая схема опытной установки представлена на рис.8. Производительность установки составляла 0,12 мэ/час умягченного сока. Линейная скорость пропускания сока - 15-16 м/час.

Схема включает следующие стадии:

- ионообменное умягчение сока II сатурации в ступенчато-проти-воточном аппарате;

- регенерация отработанной части ионита раствором КаАс-ЗН20 на основе умягченного сока II сатурации;

- промывка отрегенерированного катионита умягченным соком в количестве 2 объемов на 1 объем отрегенерированной смолы.

Расход ренерационного раствора составлял 4 л/ч. Расход регенерируемого сорбента - 1 л/ч.

Анализ результатов проведенных испытаний показал, что использование ступенчато-противоточного режима умягчения сока II сатурации с применением катионита КУ-2*8 в Ка+ - форме позволяет достаточно глубоко очищать сок II сатурации от ионов кальция (содержание Са в очищенном соке < 50 мг/л). Качественные показатели сока II сатурации при этом не изменялись.

Отработанный регенерационный раствор содержи в среднем до 2,2 г/л ацетата кальция, до 7,5 г/л ацетата калия, до 5,7 г/л ацетата натрия и 12% сахара и характеризуется чистотой 64,0%.

В третей главе был проведен анализ существующих математических моделей динамики ионообменной сорбции и выбрана послойная модель, как наиболее подходящая для решения задачи динамики сорбции из многокомпонентных смесей.

Послойная модель включает уравнения баланса, имеющие для каж-

2t

дой поступающей порции раствора следующий вид:

- ct(s-1,p)j = m Ja{f3,p.) - а{(з.р-'У] (1)

и уравнения изотерм обмена:

Uz. 1/z,

= К----(2)

0"*J C,/ZJ

°J °J

где s - номер элементарного слоя сорбента длиной £; m - объем элементарного слоя сорбента; р - номер пропускаемой порции раствора; V = Sut - объем порции раствора; S - площадь сечения колонки; и -- линейная скорость потока раствора; т - характерный масштаб времени лимитирующей кинетической стадии; at - концентрация i-ro сорбируемого иона в растворе; с{ - концентрация i-го иона в сорбенте; г{ - заряд i-ro иона; - константа обмена t-ro иона на J-ый.

При этом теряется возможность явного учета кинетики и учет кинетического механизма сорбции производится выбором величин £ и т. Так, для внутренней диффузии £ = vlf/DT, а г = й2/!), где й - средний радиус зерен сорбента, Г - коэффициент распределения, D - коэффициент внутренней диффузии.

По программе, реализующей метод решения послойной математической модели на ПЭВМ IBM PC/AT рассчитаны выходные кривые и распределение по слою сорбента ионов Са2+, К+, Na+ для процесса ионообменного извлечения кальция из сахарных растворов, имитирующих по составу сок II сатурации. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных свидетельствует о том, что используемая математическая модель адекватна описываемому процессу и, следовательно, позволяет рассчитывать его технологические характеристики.

С использованием математической модели были рассчитаны параметры процесса и был выбран оптимальный технологический режим.

Анализ полученных результатов показал, что процесс умягчения

сока II сатурации клиноптилолитом в - форме целесообразно вести в аппаратах с неподвижным слоем сорбента при высоте слоя 200-300 см и при скорости пропускания раствора 5 м/ч. Время сорбционного действия слоя составит 6-9 часов. В случае применения катионита КУ-2*8 ведение процесса ионообменного умягчения целесообразно вести в ступенчато-противоточном аппарате в аппарате диаметром 200 см и высотой не менее 400 см в следующем режиме:

- скорость потока раствора на стадии сорбции - 40 м/ч;

- объем выгружаемой на регенерацию порции ионита - 25% общего слоя загрузки;

- периодичность выгрузки ионита - 2 часа;

г степень регенерации отработанного слоя сорбента - 70%.

В четвертой главе дано описание предлагаемых принципиальных технологических схем умягчения сока II сатурации клиноптилолитом и катионитом КУ-2«8 в На+ - форме для сахарного завода производительностью 3000 т свеклы в сутки. Схемы приведены на рис.9 и рис.10.

Технологическая схема умягчения сока II сатурации клиноптилолитом включает следующие стадии:

- сбор и усреднение сока,

- ионообменная очистка сока от кальция клиноптилолитом,

- регенерация клиноптилолита,

- промывка клиноптилолита,

- приготовление регенерационного раствора.'

Отработанный регенерационный раствор имеет низкую чистоту

(64-65%) и значительный объем (18 м3/час). Эффективное использование регенерационного раствора, образующегося при использовании клиноптилолита в традиционной технологической схеме свеклосахарного производства не представляется возможным. Целесообразно использовать такой раствор для разбавления мелассы при ее хроматографа-

Рис.9. Принципиальная технологическая схема умягчения сока

II сатурации юшноптилолзтом в На - формо: 1-сборник сырого сока; 2,5,7,-насосы; 3-иопообменный 4ильтр в ренине сорбции; 6-приготовлэние регенерационного раствора; 8-ионообношшй фильтр в режиме регенерации; 9-ионооомон-ныа фильтр в режиме промывки; 10-сборник отработанпого регенерационного раствора

Рис.10. Принципиальная технологическая схема умягчения II сатурации катеонитом КУ-2*0 в На - форда:

сока

1 - противоточный иоцообмоннкк; 2-догрузочный бункер; 3 -противоточный регенератор; 4,9-Оункеры; 5,7.10-ем-кости; 6,8,11 - насосы.

ческим разделении с целью дополнительного извлечения сахара. Ожидаемый дополнительный выход сахара в целом по заводу составит более \% к массе перерабатываемой свеклы.

Технологическая схема умягчения сока II сатурации ионообменной смолой КУ-2*8 включает аналогичные стадии, но района в ступенча-то-противоточном режиме. Расчеты показали, что при ее реализации образуется 1,56 м3/час регенерационного раствора с чистотой 6465%, который наиболее целесообразно использовать для раскачки утфе-ля III кристаллизации. Такой способ использования регенерационного раствора приводит к некоторому увеличению выхода сахара III продукта и не привносит никаких отрицательных моментов в технологический процесс кристаллизации сахарозы.

Умягчение сока II сатурации позволяет предотвратить образование накипи на выпарных аппаратах и снизить тем самым количество потребляемого пара и, соответственно, энергоносителей на его производство. Анализ работы заводов Франции и Дании показал, что умягчение сока II сатурации дает возможность сократить в два раза поверхность нагрева выпарной станции, что также дает значительную экономию энергоресурсов. Кроме того, отсутствие кальция в продуктовом отделении снижает вязкость утфелей, что значительно улучшает центрифугирование последних, тем самым сокращая время пребывания продукта на верстате и уменьшая потери сахарозы от разложения.

ВЫВОДУ

На основании анализа литературных источников и полученных экспериментальных данных установлено следующее:

1. Наиболее перспективными материалами для умягчения сока II сатурации является природный сорбент - клиноптаголит и катионит

КУ-2*8.

2. Эффективность процесса сорбции кальция клиноптилолитом возрастает с повышением температуры, а КУ-2*8 - снижается, однако, до температуры сока 90°С могут быть использованы оба сорбента.

3. На основании определения основных динамических характеристик процесса обоснованы принципиальные аппаратурные решения и получены исходные данные для его расчета.

4. Обосновано применение и доказана адекватность послойной математической модели процесса, с помощью которой рассчитаны основные параметры процесса и его аппаратурного оформления.

5. На основании проведенных исследований выбран наиболее эффективный элюент - раствор ацетата натрия и выбраны наиболее эффэк-тивные методы применения регенерационных растворов в производстве.

6. Проведенная апробация разработанных методов в условиях производства подтвердила их эффективность и возможность промышленного применения.

7. При наличии на сахарных заводах технологических схем умягчения сока II сатурации в прямоточном режиме представляется целесообразным заменить используемый дорогостоящий органический катеонит на более дешевый природный сорбент - клиноптилолит.

8. При проектировании новых схем умягчения рационально осуществлять их решение в ступенчато-противоточпом режиме с использованием катионита КУ-2«8.

Автор выражает глубокую благодарность руководству и коллективу совместного украинско-польского предприятия "Еврохим" и лично зав. научным отделом, к.х.н. Митченко Т.Е. за оказанную научную и практическую помощь в осуществлении данной работы.

Основное содержание работы представлено в следующих публикациях:

1. Л.Бобровник, Т.Мыкал, А.Фельдман, Т.Митченко. Технология умягчения сока II сатурации свеклосахарного производства клинопти-лолитом. - Харчова 1 переробна промислов1сть. - N2. - 1993. - с.9--10.

2. Т.Митченко, Н.Макарова, Т.Мыкал. Сорбция кальция юшнопти-лолитом. - Харчова 1 переробна промислов1сть. - N2. - 1993. -с.10.

3. Т.Мыкал, А.Фельдман, Т.Митченко. Умягчение сатурационного сока. - Харчова 1 переробна промисловЮть. - N2. - 1993. - с. 11-14.