Научное обоснование и разработка высокоэффективной технологии получения и очистки производственных сахарсодержащих растворов

Актуальность работы. Сахарный подкомплекс занимает важное место в структуре АПК России, является высокоиндустриальным и энергоемким производством. В’этом секторе экономики занято более 250 тысяч специалистов и рабочих, а производство-сахара.песка.из сахарной свеклы осуществляется в 27 регионах страны. Однако' потребности населения и перерабатывающей промышленности в сахаре за счет собственного производстваудовлетворяются только на 53—59%.

Перерабатывающая база сахарной промышленности располагала в 2010 году 84 действующими сахарными заводами, производственные мощности которых составляли 308,1 тыс. т переработки свеклы в сутки и обеспечивали переработку в оптимальные сроки (90—1 ОО суток) 26−27 млн. т сахарной свеклы.

Анализ экономического состояния развития сырьевой базы и наличияшро-изводственных мощностей свеклосахарного производства показывает нарушение принципа сбалансированного развития: дефицит производственных мощностей составляет более 50 тыс. тонн переработки свеклы в сутки. Из-за-нехватки мощностей некоторые производители терпят убытки из-за порчи сырья. Износ основных производственных фондов достигает критического уровня — 70%.

Потребление сахара в России в текущем году оценивается на уровне 5,75,8 млн тонн. В настоящее время российский рынок только на 70% формируется за счет внутреннего производства сахара и на 30% зависит от импорта сахара из Украины, Казахстана, Белорусии, Бразилии. Государственная программа «Развитие свеклосахарного подкомплекса России на 2010;2012 годы» направлена на укрепление российского рынка: строительство новых заводов должно увеличить производство свекловичного сахара до 4−5 миллиона тонн и расширить посевные площади под свеклой на 20 процентов. Продовольственная независимость должна защитить российских потребителей от периодически возникающего на мировом рынке дефицита и роста цен.

Актуальным направлением в работе сахарных заводов является снижение расхода топливно-энергетических ресурсов, которые в значительной степени отражаются на стоимости готовой продукции.

Задачами Программы в том числе являются: уменьшение энергои водопотребления и улучшение экологической обстановки, в промышленных зонах предприятий;

— формирование организационно-экономических механизмов в" сфере производства, заготовки и переработки сахарной свеклы.

В результате реализации программных мероприятий Отраслевой целевой программы «Развитие свеклосахарного подкомплекса России на 2010;2012 годы» должно быть обеспечено к 2012 году снижение расхода условного топлива при переработке сахарной свеклы на 0,2% и общего расхода условного топлива по сахарной промышленности до уровня 4,8% к массе перерабатываемой свеклыуменьшение потерь сахарозы при переработке сахарной свеклы до 2,15% к массе перерабатываемой свеклыповышение рентабельности производства до 6% и роста производительности труда на 18% (табл. 1). Таблица 1 — Основные целевые индикаторы работы сахарной промышленности на период 2010;2012 годы.

Целевой индикатор Значение индикатора.

2010 г. 2011 г. 2012 г.

Производственные мощности по переработке сахарной свеклы, тыс. т в сутки 302,3 310,6 385,96.

Объем заготовки свеклы, млн. тонн 27,5 28,8 31,4.

Выход сахара, % 13,56 13,58 13,76.

Расход сырья на 1 т сахара, тонн 7,4 7,3 7,3.

Расход условного топлива, % к массе свеклы 5,0 4,9 4,8.

Расход известнякового камня, % к массе свеклы 5,2 5,1 5,0.

Потери массы свеклы при хранении, % 3,6 3,3 3,0.

Прогнозируемое повышение рентабельности производства возможно за счет внедрения эффективных технологических приемов при переработке сырья различного технологического достоинства, рационального использования материальных и энергетических ресурсов, оптимизации управления технологическим процессом в целом.

Значительный вклад в развитие теории и практики свеклосахарного производства внесли выдающиеся ученые: Силин П. М., Сапронов А. Р., Бобровник Л. Д., Рева Л. П., Бугаенко И. Ф., Даишев М. И. Проблемами совершенствования технологического обеспечения и аппаратурного оформления процессов отрасли активно занимаются Тужилкин В1И., Спичак В. В., Славянский A.A., Молоти-лин Ю: И., Лосева В. А., Голыбин В. А., Сидоренко Ю. И., Решетова P.C., Чернявская Л. И., Олянская С. П., Хомичак Л. М. и другие ученые.

Научная работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы I.

Министерства образования и науки РФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 — 2012 годы» (постановление Правительства Российской Федерации от 17 октября 2006 г. N 613), Отраслевой целевой научно-технической программы Министерства сельского хозяйства РФ «Развитие свеклосахарного подкомплекса России на 2010;2012 годы» (приказ Минсельхоза России от 23 октября 2009* г. № 501), в соответствии с планом госбюджетной научно-исследовательской работы кафедры технологии сахаристых веществ Воронежской государственной технологической академии.

Цель и задачи диссертационной работы.

Цель работы — научное обоснование условий и параметров технологических процессов получения и очистки сахарсодержащих растворов, обеспечивающих снижение затрат материальных ресурсов, повышающих качество и выход готовой продукции.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи, вытекающие из современного состояния отрасли:

— проведение диагностики традиционной технологии свеклосахарного производства и определение основных направлений совершенствования технологических процессов, обеспечивающих рациональное использование материальных ресурсов, увеличение выхода и повышение качества белого сахара;

— изучение кинетических закономерностей совместной растворимости гидроксида и карбоната кальция и обоснование области изменения технологических параметров, обеспечивающих максимальное содержание осаждающего агента для различных групп несахаров диффузионного сока и снижение затрат реагентов на процессы известково-углекислотной очистки (ИУО) сахарсодер-жащих растворов;

— обоснование влияния технологических параметров на формирование структуры дефекосатурационных осадков, их адсорбционные и фильтрационно-седиментационные показатели с целью установления оптимальных технологических режимов, обеспечивающих повышение качества продуктов и снижение расхода известняка и топлива по заводу;

— научное обоснование новых технологических решений при получении и очистке сахарсодержащих растворов и аппаратуры для их реализации;

— разработка системы управления технологическим процессом свеклосахарного производства для обеспечения его стационарности и диагностики причин нарушения этого состояния;

— оптимизация основных технологических операций получения сахара из свеклы по технико-экономическим показателям;

— апробация предлагаемых способов получения и очистки диффузионного сока, подтверждающая их реальную эффективность по сокращению материальных ресурсов.

Научная концепция: разработка научных основ управления сложными технологическими процессами сахарного производства, высокоэффективных технологических приемов получения и очистки сахарсодержащих растворов с соответствующим аппаратурным оформлением на основе анализа основных кинетических закономерностей и математического моделирования, обеспечивающих увеличение выхода белого сахара и рациональное использование материальных ресурсов.

Научные положения, выносимые на защиту:

— разработка проблемно-ориентированных методов анализа и принятия решений по управлению сложными технологическими системами для обеспечения стабильного качества продукции;

— обоснование принципов ресурсосбережения за счет рационального использования материальных ресурсов предприятия;

— научное обоснование рациональных режимов технологических процессов, способствующих снижению удельных материальных затрат, увеличению выхода и повышению качества продукции;

— методологический подход к оптимизации производства сахара из свеклы по комплексным технико-экономическим показателям.

Научная новизна. Сформулирован концептуальный подход к определению равновесного состояния в известково-карбонатно-сахарозной системе, позволяющий получать оптимальную концентрацию осаждающих ионов кальция для протекания основных реакций известково-углекислотной очистки нечистых сахарсодержащих растворов, обеспечивающий повышение качества продуктов при снижении расхода реагентов на процессы очистки и затрат топлива на их получение.

Путем комплексного изучения структуры дефекосатурационных суспензий определены их свойства, которые использованы при разработке новых технологических приемов обработки сахарсодержащих растворов.

На основе кинетических закономерностей разработаны математические модели процессов:

— электрохимической активации экстрагента для извлечения сахарозы из свекловичной стружки;

— подготовки экстрагента комбинированным способом с применением электрохимического и химического воздействия;

— предварительной обработки диффузионного сока перед ИУО с использованием безреагентных способов;

— использования дефекосатурационных суспензий свеклосахарного производства для интенсификации технологических операций;

— получения и очистки клеровки тростникового сахара-сырца.

Решена задача оптимизации по повышению эффекта очистки и увеличению выхода готовой продукции при минимизации материальных затрат на производство, что позволило адаптировать, технологический процесс к переработке сырья различного технологического достоинства.

Сформулирована и решена задача оценки стационарности технологического процесса свеклосахарного производства и причин выхода из этого состояния для принятия оперативных управленческих решений.

Практическая значимость, и реализация результатов работы. Разработаны и научно обоснованы способы получения производственных сахарсодер-жащих растворов при переработке сахарной свеклы и тростникового' сахара-сырца (пат. РФ № 2 260 622, 2 260 623, 2 264 470, 2 314 350) и устройства для их электрохимической обработки (авт. свид. № 1 717 637, пат. № 2 183 676, 2 235 132), позволяющие за счет комбинированного электрохимического воздействия. снизить содержание несахаров в растворах перед ИУО, расход известняка и топлива на обработку.

Предложены способы очистки сахарсодержащих растворов (авт. свид. № 1 602 871, пат № 2 244 011), направленные на повышение качества и увеличение выхода готовой продукции.

Определены рациональные условия использования щелочных возвратов при очистке диффузионного сока. Усовершенствована конструкция отстойника (пат. № 2 293 119), позволяющего эффективно отделять суспензию с осадком несахаров перед основной дефекацией.

Установлены технологические параметры известково-карбонатных суспензий (рН, температура), обеспечивающие их высокие адсорбционные и фильтрационно-седиментационные свойства. Предложена и испытана авторская методика определения дисперсности частиц известково-карбонатных суспензий.

Разработан алгоритм диагностики текущего состояния сложной технологической системы с использованием структурно-параметрического моделирования, предложена методика выявления параметров, являющихся причиной выхода системы из стационарного состояния. Проведена опытная апробация полученных результатов на ОАО «Хохольский сахарный комбинат» и Садовском сахарном заводе Воронежской области.

Проведены, производственные испытания разработанных способов получения и очистки сахарсодержащих растворов на Эртильском, Ливенском, Ра-монском и Золотухинском сахарных заводах.

Материалы, диссертационной работы использовали при проведении теоретических и практических занятий по дисциплинам «Технология сахарного производства», «Управление технологическими процессами на основе математического моделирования», «Методы исследования свойств сырья и готовой продукции», «Физико-химические основы технологии», «Основы инженерного творчества и учебно-исследовательская работа студентов», «Водное хозяйство сахарных заводов», «Основы инженерного управления сахарного производства».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационное исследование соответствует п. 1, 2, 5 паспорта специальности 05.18.05 — «Технология сахара и сахаристых продуктов, чая, табака и субтропических культур».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных и региональных научно-практических конференциях и семинарах (Москва, 2001, 2005;2006), (Курск, 2002;2003, 2007;2009), (Орел, 2004), (Псков, 2009), (Брянск, 2009), (Новосибирск, 2002), (Тамбов, 1996), (Яготин, 1989), (Воронеж, 1990, 1996;1997, 1999, 2004, 2009;2010), отчетных научных конференциях ВГТА (1993;2011).

Публикации. По материалам работы опубликованы 113 научных работ, в том числе 23 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования материалов докторских диссертаций, 2 монографии, 3 учебных пособия с грифом УМО Т1Ш и ПИ, 11 авторских свидетельств и патентов РФ на изобретения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. На основе статистического анализа основных показателей деятельности свеклосахарного завода предложен алгоритм диагностики его функционирования как совокупности сложных технологических процессов. Выявлены факторы, влияющие на эффективность отдельных стадий и намечены основные направления совершенствования технологических процессов на основе разработки и внедрения ресурсосберегающих технологий получения и очистки са-харсодержащих растворов.

2. Разработана и экспериментально обоснована технология подготовки экстрагента для диффузионного извлечения сахарозы из свекловичной стружки с использованием электрохимической активации (ЭХА). Предложена конструкция устройства для проведения ЭХА (пат. РФ № 2 183 676).

3. С использованием методов математического моделирования исследовано влияние основных технологических параметров на качественные показатели очищенного сока. Определены оптимальные параметры процесса ЭХА с применением различных химических реагентов (пат. РФ № 2 260 622, 2 254 470, 2 314 350).

4. Разработана технология обработки диффузионного сока перед извест-ково-углекислотной очисткой, позволяющая повысить эффективность очистки сока за счет комплексного воздействия на различные группы несахаров. Обоснована возможность сокращения расхода основных реагентов (оксида кальция и диоксида углерода) при использовании электрообработки. Предложены устройства для проведения электрообработки сахарсодержащих растворов (а.с. № 1 717 637, пат. РФ № 2 235 132).

5. Обоснована возможность получения и очистки концентрированных сахарсодержащих растворов (клеровки тростникового сахара-сырца и желтых Сахаров) с использованием постоянного электрического поля (пат. РФ № 2 260 623). Предлагаемые способы позволяют повысить чистоту очищенной клеровки на 0,8−1,0%, снизить массовую долю редуцирующих веществ и цветность на 10−34 и 15−23% соответственно.

6. Изучена растворимость карбоната кальция в известковых и известково-сахарозных растворах. Выявлены параметры, позволяющие получить максимальную концентрацию осаждающего агента в условиях сахарного производства: температура процесса 60−80 °С, рН раствора 8,0- 10−11. Проведение производственных процессов в обоснованном интервале параметров позволит сократить расход реагентов для проведения ИУО, снизить содержание солей кальция-в <. полупродуктах сахарного производства, уменьшить накипеобразование на поверхности теплообмена.

7. Исследованы технологические свойства известково-карбонатно-сахарозных суспензий, включающие фильтрационно-седиментационные показатели, дисперсность и адсорбционные свойства. Установлено, что лучшие фильтрационные показатели имеют производственные суспензии при рН 9−10. Однородность и размер утстиц водных и сахарозных суспензий выше при рН 8 и температуре 80 °C.

8. Изучено влияние различных групп несахаров на растворимость карбоната кальция" в известково-карбонатно-сахарных суспензиях и технологические свойства суспензий. Установлено, что все несахара повышают растворимость карбоната кальция. В присутствии глюкозы и хлорида кальция дисперсность суспензий увеличивается, а фильтрационно-седиментационные свойства повышаются. Молочная и глютаминовая кислоты существенно ухудшающие фильтрационные свойства суспензий.

9. На основе экспериментальных исследований определены рациональные технологические режимы активации известково-карбонатных суспензий, возвращаемых на преддефекацию, позволяющие достичь оптимального соотношения материальных затрат и качества очищенного сока. С использованием методов математического моделирования выбраны оптимальные параметры активации суспензий.

10. С использованием методов многомерного статистического анализа разработан механизм оценки стационарности сложной технологической системы свеклосахарного производства и выявления факторов, послуживших причиной выхода системы из стационарного состояния (Программа «Причинно-следственный анализ многомерных стохастических процессов» № 50 201 001 625). Метод апробирован в условиях Ольховатского сахарного комбината и Садовского сахарного завода.

11. Исследовано влияние комплекса несахаров на точность лабораторных анализов продуктов свеклосахарного производства. Предложена усовершенствованная методика определения массовой доли сухих веществ в продуктах сахарного производства (а.с. № 1 784 911).

12. Предложена методика выявления сверхнормативных потерь сахарозы на отдельных стадиях технологического процесса и в производстве в целом, позволяющая оценить эффективность производства и размер недополученной прибыли вследствие нерациональной организации производственного процесса. Методика апробирована на ряде сахарных заводов Воронежской области.

13. Обоснованы способы очистки диффузионного сока с применением флокулянтов для активирования известково-карбонатных суспензий на предварительной дефекации (а.с. № 1 602 871, пат. № 2 222 011). С использованием методов математического моделирования определены оптимальные условия проведения активации и использования активированных суспензий на преддефека-ции. Способы апробированы на сахарных заводах ЦЧР.

14. Исследована возможность снижения расхода оксида кальция на очистку диффузионного сока за счет отделения осадка несахаров преддефекован-ного сока до основной дефекации. Определены фильтрационно-седиментационные показатели преддефекосатурационных соков, качественные показатели и термоустойчивость очищенного сока. Предложено устройство для отделения преддефекосатурационного осадка (пат. РФ № 2 293 119).

15. Разработана многовариантная технологическая схема получения и очистки сахарсодержащих растворов, позволяющая с учетом качества перерабатывающего сырья выбирать оптимальные режимы, обеспечивающие высокий эффект очистки диффузионного сока при минимальном потреблении материальных и энергетических ресурсов.

МНОГОВАРИАНТНАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ И ОЧИСТКИ ДИФФУЗИОННОГО СОКА.