Проект реконструкции сокоочистительного отделения ООО ”Сахар Золотухино

2 Способы умягчение сока II сатурации

в сахарной промышленности

 

 

Основными методами умягчения  сока II сатурации классическая схема, процесс Гриллас и AKZО – процесс [1].

Классическая схема заключается  в пропускании сока через сильнокислотный катионит в Na-форме с последующей регенерацией его 10 %-ным раствором хлорида натрия. Расход соли составляет 200 г на литр смолы или 9,55 г на 1 г замещенного СаО.

В промышленных условиях установка  умягчения с классической схемой состоит обычно из трех ионообменных реакторов: два работают в режиме, а третий находится на регенерации. В случае, когда жесткость сока очень высокая, более экономичной является двухреакторная схема: один на умягчении, второй – на регенерации.

Так как катионит после  пропускания через него сока необходимо отмывать от сахара, а после регенерации – от присутствия раствора хлорида натрия, то в результате вспомогательных операций установка дает значительное количество сточных вод, содержащих хлориды. Эти агрессивные сточные воды засоляют поля фильтрации.

Кроме того, проведение насолаживания  и обессахаривания ионита влекут за собой разжижение соков. Таким образом, можно выделить следующие недостатки классической схемы:

• разжижение соков;
• расход горячей воды на отмывку катионита;
• значительный расход хлорида натрия;
• образование агрессивных сточных вод.

Процесс Гриллас лишен  недостатков классической схемы. Регенерация в этом случае проводится концентрированными продуктами сахарного производства: сиропом или оттеком утфеля II кристаллизации.

Умягчение сока и регенерация катионита осуществляется по следующей технологической схеме, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1 – Технологическая  схема  умягчения сока II сатурации (процесс Гриллас)

 

Фильтрованный сок II сатурации подают в аппарат, заполненный катионитом в натриевой форме; проходя через слой катионита, сок умягчается и направляется на выпарную установку, после чего сироп возвращается на регенерацию катионита. Регенерация осуществляется в противотоке сиропом, содержащим около 60 % СВ. После регенерации соответствующую колонну включают в стадию умягчения.

При использовании для регенерации всего сиропа достигается эффект умягчения сока 97 % и содержание солей кальция в умягченном соке 0,0025 % к массе сока.

Таким образом, процесс Гриллас по сравнению с классическим способом имеет следующие преимущества:

• исключается расход химического реагента для регенерации;
• отсутствует разжижение соков за счет воды;
• не изменяется ионный состав несахаров сока после его умягчения;
• не требуется расход воды;
• отсутствуют регенерационные стоки.

AKZO-процесс использует в качестве регенерата раствор каустической соды в умягченном соке. Выделяющийся при ионообмене с истощенной смолой кальций соединяется с присутствующей сахарозой и образует комплекс растворимых сахаратов кальция, при этом температура регенерационного раствора не должна превышать 50 °С.

Отработанный регенерационный  раствор, содержащий сахараты кальция и некоторый избыток (до 35 % от начальной концентрации) натрия направляется на сатурацию, при этом сахараты посредством углекислого газа разлагаются на сахарозу и СаСО₃, который выпадает в осадок. Избыточная щелочь будет благоприятно воздействовать на эффективность осаждения извести на сатурации. Следовательно, нагрузка по солям кальция при умягчении будет менее значительной.

Применение данного метода увеличивает эффективность регенерации по сравнению с классической схемой. В AKZO-процессе, представленном на рисунке 2, не используется вода, а только сок, поэтому не происходит разбавления в системе. Не образуются также сточные воды, т.к. отработанный регенерационный раствор сатурируется на II сатурации.

Все описанные выше схемы  используют катионит в Nа-форме. Однако возможно использование катионита в Н-форме и К-форме.

Преимуществами умягчения в Н-форме являются:

• высокая емкость ионитов по сравнению с другими системами для умягчения (0,6 г-экв/л для Гриллас или AKZO-систем против 2,5 г-экв/л для данной системы);
• регенерация катионита стехиометрическим количеством кислоты благодаря высокому сродству смолы к иону водорода;
• возможность нейтрализации обработанного сока активным MgO, приводящим к снижению выхода мелассы.

Существенными моментами  для данной системы являются ее недостатки:

• риск инверсии сахарозы на катионите в Н-форме;
• чувствительность системы к взвешенным примесям раствора;
• более низкая стабильность слабокислотных катионитов.

Рисунок 2 – Технологическая  схема  умягчения сока II сатурации по AKZO-методу

Кроме того, эта схема  имеет также и обычные недостатки классической схемы:

• расход воды для промывки катионита;
• разбавление сока водой;
• потери сахара в каждом цикле.

 

3 Технология умягчения  сока II сатурации в противотоке

 

3.1 Технологическая схема

 

 

Технологический процесс  умягчения сока II сатурации состоит из следующих основных операций [1, с.118]:

• умягчения сока II сатурации;
• регенерации катионита;
• отмывки катионита от регенерирующего раствора;
• перегрузки катионита из колонны в колонну через определенные промежутки времени.

Схема умягчения гибко  вписывается в технологическую  схему завода. Для этого фильтрованный  сок II сатурации направляется в напорный сборник, откуда самотеком поступает в нижнюю коническую часть колонны умягчения. Восходящий поток сока контактирует с катионитом в натриевой форме, проходит через слой смолы снизу вверх и через верхний дренаж удаляется в сборник сока перед выпарной установкой 7.

В слое смолы протекает  реакция ионообмена, при которой  ионы кальция из сока переходят на катионит, а эквивалентное количество ионов натрия переходит в сок. При этом выходящий поток сока постоянно контактирует с отрегенерированным катионитом, что обеспечивает высокую степень умягчения. Поступающий поток сока контактирует с насыщенным катионитом, что обеспечивает полное использование его обменной емкости.

Из сборника насосами через  подогреватели сок направляется на выпарную установку. Часть умягченного сока через запорно-регулирующий клапан поступает в сборник умягченного сока для промывки 9.

Периодически, через 30 мин. полностью насыщенная кальцием порция катионита, находящаяся в нижней части колонны, выводится эрлифтом в колонну регенерации. Одновременно в верхнюю часть колонны умягчения загружается отреагированный и отмытый катионит. Количество перегружаемого за одну перегрузку катионита составляет 2 м³. Количество перегрузок в час зависит от содержания солей кальция в исходном соке, количества пропущенного сока – от заданного эффекта умягчения.

Умягченный сок из сборника 9 насосом 8 подается в нижнюю часть колонны промывки катионита 3, где осуществляется отмывка смолы умягченным соком от регенерационного раствора с получением щелочного промоя.

Через верхнее дренажное  устройство промой отводится в сборник  промоя 10. Далее промой с поступающим самотеком из сборника 5 40 % - ным раствором NaOH образует регенерационный раствор требуемой концентрации и подается в нижнюю часть колонны регенерации 4. Учитывая небольшой расход умягченного сока для промывки катионита, а также время нахождения его в сборниках и колонне промывки, не требуется специального охлаждения промоя для приготовления регенерационного раствора, т.к. температура его при этом не превышает 60°С.

В колонне регенерации  происходит ионообменная реакция, в  результате насыщенный кальцием раствор сахарат отводится через верхний дренаж и направляется в сборник фильтрованного сока I сатурации.

Поступающий в колонну  свежеприготовленный регенерационный  раствор контактирует с частично отрегенрированным катионитом, что обеспечивает высокую степень регенерации. Выходящий из колонны регенерационный раствор контактирует с насыщенным кальцием катионитом, что обеспечивает практически полную утилизацию ионов натрия и высокую концентрацию солей кальция в отобранном регенерате.

Периодически, через 30 мин. полностью  отрегенерированная порция катионита, находящаяся в нижней части колонны  регенерации, выводится эрлифтом в  колонну промывки 4. Отмытая порция катионита перегружается в верхнюю часть колонны умягчения.

Преимущество этого метода регенерации перед классическими  в том, что он позволяет исключить  сброс сточных вод, т.к. в процессе регенерации кальций удаляется со смолы в виде комплекса растворимых сахаратов кальция. Отработанный регенерационный раствор возвращается на станцию очистки, где в дальнейшем сахараты разлагаются на сахарозу и осадок СаСО₃ под действием углекислого газа. При работе по данному методу не происходит разбавления соков.

Для того, чтобы исключить  попадание ионов натрия в отработанный регенарационный раствор, а также  добиться максимальной концентрации кальция  в нем, необходимо четко соблюдать  все параметры регенерации.

Так как количество насыщаемого  катионита зависит от объема пропущенного сока и содержания солей кальция в нем, то количество отработанного регенерационного раствора и содержание солей кальция в нем также будут изменяться в зависимости от удельной нагрузки при регенерации.

Для того чтобы избежать возврата больших количеств отработанного  регенерационного раствора в технологический  поток, необходимо стремиться к снижению удельной нагрузки при регенерации. В то же время, концентрация солей кальция в отработанном регенерационном растворе ограничена условием образования растворимых сахаратов кальция.

 

3.2 Устройство колонны

 

 

Колонна умягчения представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд с коническим днищем, закрытый сверху крышкой [1, с.120]. Общая высота колонны – 8290 мм, диаметр – 1600 мм, полный объем – 14,68 м³, объем загруженного катионита – 10 м³.

В конической части колонны  расположен эрлифт для перекачки  смолы из аппарата в аппарат, представляющий собой трубу диаметром 100 мм, расположенную по центру внутри колонны и не доходящую до верхней решетки конического днища 300 мм. Перегрузка катионита осуществляется при помощи сжатого воздуха давлением 2,5 атм, подведенного в трубу эрлифта.

Для отвода умягченного сока в верхней части колонны в  слое смолы находится трубчатый  дренаж диаметром 300 мм с сеткой. Размер ячейки сетки 0,4 мм.

Основным параметром работы колонны умягчения является количество ежечасно насыщаемого катионита, которое  необходимо перегрузить в колонну регенерации. Эта величина зависит от количества сока II сатурации, проходящего через колонну и содержания в нем солей кальция, от которого, в свою очередь, зависит рабочая емкость катионита.

Количество сока II сатурации определяется:

 

Y – количество сока II сатурации, поступающее в колонну умягчения, т/ч;

A = 6000 т свеклы в сутки – производительность завода;

O = 120% к массе свеклы – откачка.

 

Тогда количество солей кальция, поступающее с соком II сатурации, составит:

 

М_СаО – масса солей кальция, поступающих с соком II сатурации в колонну умягчения, т/ч;

С = 0,03 % к массе сока –  концентрация солей кальция в  соке II сатурации.

 

Тогда объем ежечасно насыщаемого катионита определяется как:

 

Е – обменная емкость катионита, г СаО/л;

 

Тогда формула для расчета  объема ежечасно насыщаемого катионита  примет вид:

 

 

 

3.3 Расчет количества отработанного  регенерационного раствора

 

 

Полная обменная емкость катионита при умягчении равна 45 г СаО/л, а остаточная емкость при регенерации – не более 5 г СаО/л [1, c.157].

При содержании солей кальция  в соке II сатурации 0,03% к массе сока, ежечасное поступление кальция с соком составит:

 

Учитывая, что обменная емкость катионита при умягчении составляет 45 г/л, количество насыщаемого катионита составит:

 

При удельной нагрузке по регенерационному раствору 2 ч^-1, его объем составит:

 

Количество солей кальция, которое перейдет из катионита в раствор при регенерации, составит: