УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЕРЕСЫЩЕНИЯ КИПЯЩИХ РАСТВОРОВ Советский патент 1945 года по МПК C13G1/00 

При варке сахарных утфелей в вакуумаппаратах требуется поддерживать определенную степень пересыщения межкристального раствора для того, чтобы рост кристаллов совершался правильно и равномерно. При больших периодических подкачках раствора в рат кристаллизация идет она периодически то останавливается, то достигает такого напряжения, при котором может выпадать вторичный кристалл - «мука». В результате такой скачкообразной работы получается недостаточное истощение межкристального раствора, приобретающего к концу варки высокую плотность и вязкость, а утфель при этом нередко получается с «мукой». Более правильно удерживать коэффициент пересыщения постоянным на некоторой средней величине, путем непрерывного питания аппарата раствором. Однако для работы на непрерывной подкачке нужен строгий непрерывный контроль пересыщения, и еще лучше, если пересыщение будет непрерывно автоматически регулироваться. В настоящее время не существует приборов для автоматического регулирования пересыщения, а контроль этого показателя при помощи известных приборов очень сложен и не надежен.

Как известно, пересыщение растворов определяется отношением наличной концентрации С к растворимости сахара R при данной температуре t:

При незначительных колебаниях температуры в процессе кристаллизации растворимость R_t можно считать постоянной. Тогда коэффициент пересыщения будет прямо пропорционален концентрации раствора С, и можно управлять процессом путем контроля концентрации маточного раствора.

Для контроля этой концентрации было предложено много различных приборов: 1) эбуллиоскопических - различные брасмоскопы, брасмометры и линейки, в которых концентрация измеряется «повышением точки кипения» посредством термометра и вакуумметра; 2) оптические приборы - рефрактометры; 3) электрометрические приборы - кондуктометры. Все эти приборы не получили распространения на практике и мало пригодны для автоматизации процесса варки утфелей.

Настоящее предложение - устройство для автоматического (регулирования пересыщения кипящих растворов - построено на принципе контроля кристаллизации, который заключается в следующем. По эбуллиоскопической диаграмме коэффициентов пересыщения можно заметить, что степень пересыщения раствора при постоянном давлении его паров приблизительно пропорциональна относительному понижению упругости паров раствора сравнительно с чистым растворителем. (Диаграмма Маликова А.Д. для контроля кристаллизации, опубликованная в руководстве по сахарному производству проф. Головина П. В., Москва, 1933 г.).

Так, например, водный сахарный раствор, кипящий при температуре 80° под разрежением R=53,7 см ртутного столба, имеет пересыщение K=1,3 и дает понижение упругости паров ΔР=1855 мм. вод.столба. Вода при температуре 80° имеет упругость пара Р=4827 мм вод. столба. Если раствор имеет пересыщение K=1,1, то он под таким же разрежением R=53,7 см кипит при температуре 78° и дает понижение упругости паров ΔP₁=1465 мм вод. столба.

Упругость водяных паров при температуре 78° равна Р=4437 мм вод. столба. Таким образом определенному коэффициенту пересыщения K соответствует и определенное относительное понижение упругости паров раствора .

Следовательно, при постоянном давлении паров раствора Р его пресыщение почти пропорционально относительному понижению упругости паров

Но из физики мы знаем, что согласно закону Ваво, относительное понижение упругости паров растворов при постоянном давлении пропорционально молекулярной концентрации растворенного вещества:

где n - число молекул растворенного вещества, n₀ - число молекул растворителя, P¹ - упругость паров раствора при данной температуре и Р - упругость паров чистого растворителя при той же температуре, С - молекулярная концентрация раствора

или, что то же самое, объемная концентрация растворенного вещества в растворе аналогична смеси газообразных веществ.

Следовательно, коэффициенты пресыщения K пропорциональны молекулярной (объемной) концентрации вещества в растворе при постоянном давлении его паров:

Таким образом, измеряя депрессию упругости паров раствора ΔP=P-P¹, при постоянном давлении P¹, тем самым можно измерять объемную концентрацию С, или коэффициент пересыщения раствора K при постоянном давлении P¹

Отношение упругости паров чистого растворителя при постоянном давлении P¹ определяется только изменениями повышений точек кипения ΔТ, которые, как известно из закона Рауля, не зависят от температуры, а только от концентрации раствора. Следовательно, при постоянном P¹ давлении паров раствора весь член

определяется только изменениями концентрации раствора. Действительно, если мы, имеем постоянное разрежение в аппарате R=53,7 см или абсолютное давление P¹=(760-537)·13,6=2972 мм вод. столба, то кипящий сахарный раствор имеет пересыщение K¹=1,1, причем понижение упругости паров для этого раствора P₀-P¹=1465 мм вод. столба и t_кип=78°.

Если же упарить раствор так, чтобы повышение точки кипения его увеличилось на 2°С, т.е. температура кипения под постоянным давлением P¹ поднялась до 78+2=80°, то получится новое понижение упругости паров P-P¹=4827-2972=1855 мм.

По вышеприведенной формуле новый коэффициент пересыщения при t_кип=80° и P¹=2972 мм должен получиться равным:

По диаграмме Маликова этот коэффициент должен быть равен приблизительно 1,3, что довольно близко к вычисленной величине.

Из этих примеров видно, что если раствор кипит под постоянным давлением P¹, то коэффициент пересыщения имеет прямую пропорциональность к отношению понижений упругостей паров раствора .

Поэтому для измерения степени пересыщения растворов можно «воспользоваться измерением разности упругостей паров раствора и растворителя ΔP=P-P¹ кипящих при одинаковой переменной температуре, причем давление паров раствора P¹ должно быть постоянным. Следовательно, для применения предлагаемого метода контроля пересыщения по разности упругостей между паром растворителя и паром раствора необходимо применять регулятор постоянного разрежения в аппарате. Даже и без такого регулятора разрежение при варке утфелей обычно мало колеблется (на 3-4 см ртутного столба), например, от 52 до 55 см. Такие колебания разрежения будут вызывать. при постоянной регулируемой величине P-P¹ колебания коэффициента пересыщения K не более, чем на 0,15, что вполне допустимо.

Для автоматического регулирования пересыщения кипящих растворов в сосуд с раствором (вакуум-аппарат) вставляется термопатрон (паровой термометр), наполненный чистым растворителем (для водных растворов - водой). Паровые пространства варочного сосуда и термопатрона соединяются между собой через манометрическое устройство, которое измеряет разность упругостей паров растворителя и раствора P-P¹, кипящих при одинаковой температуре в аппарате, причем давление паров кипящего раствора P¹ поддерживается постоянным. Измеряемая депрессия паров раствора ΔР, таким образом, является показателем его концентрации.

На фиг. 1 чертежа изображено предлагаемое устройство в разрезе, а на фиг. 2 - общий вид выпарной установки с автоматическим регулятором.

Регулятор, действующий по изложенному способу контроля депрессии, имеет следующее устройство. В стенке вакуумаппарата 1 укреплен термопатрон 2, состоящий из медной трубки, наполненной чистой водой и погруженной в кипящий внутри аппарата водный раствор. Термопатрон 2 является обычным капсулем, применяемым в паровых термометрах, и тонкой трубки 3 соединен с гармониковой мембраной 4, являющейся капсульной пружиной, которая полностью заполнена водой, запаяна и вместе с термопатроном 2 составляет герметически замкнутую систему. В патроне 2 при нагреве образуется насыщенный водяной пар, который выдавливает из него воду по трубке 3 и более или менее растягивает мембрану 4. Мембрана 4 заключена в закрытую мембранную коробку 5, которая штуцером 6 сообщается с полостью кипящего раствора в аппарате 1. Следовательно, в мембранной коробке 5 на наружную поверхность мембраны 4 действует давление паров кипящего в аппарате раствора, плюс гидростатическое давление слоя раствора h. Штуцер 6 располагается на аппарате в той же горизонтальной плоскости, что и патрон 2 (на чертеже штуцер и патрон расположены в разных плоскостях для наглядности). Поэтому на мембрану 4 снаружи действует давление паров раствора, а изнутри на нее действует давление паров чистого растворителя, кипящих при одинаковой температуре - внутри и снаружи термопатрона 2.

Таким образом мембрана 4 испытывает разность давлений пара чистого растворителя и раствора, кипящих при одинаковой температуре, т.е. она измеряет депрессию раствора - абсолютное понижение упругости его паров P-P¹, при любом давлении P¹+hγ в аппарате. Давление паров раствора в аппарате P¹ (разрежение) при помощи регулятора разрежения поддерживается постоянным. Высота слоя раствора h по мере наполнения аппарата возрастает. Следовательно, к концу варки прибор будет регулировать повышенную против начальной величину концентрации межкристального раствора. Это как раз и нужно при варке сахарных утфелей, чтобы коэффициент пересыщения межкристального сиропа, к концу уваривания, с понижением доброкачественности раствора, повышался. Если же нужно до конца варки пересыщение сохранять постоянным, то для этого нужно штуцер 6 соединить с верхней надсоковой частью вакуумаппарата, тогда в мембранной коробке 5 будет действовать только разрежение P¹, без учета слоя раствора hγ.

Измеряемая мембраной 4 депрессия раствора уравновешена пружиной 7, которая давит на золотник управления 8 и далее на мембрану 4. Путем сжатия пружины 7 винтом 9 можно задать регулятору большую или меньшую величину регулируемой концентрации раствора. При возрастании депрессии испарения раствора, а следовательно, и его концентрации, мембрана 4 расширяется и своим давлением переставляет золотник 8, вследствие чего гидравлически управляемый клапан усиливает подачу разбавляющего раствора в аппарат. После этого концентрация кипящего раствора понижается, депрессия его паров уменьшается и мембрана 4, под действием пружины 7, снижается, вследствие чего золотник 8 возвращается в исходное положение и клапан подачи раствора прикрывается до начала нового возрастания депрессии раствора.

Таким образом незначительные колебания концентрации кипящего раствора вызывают соответствующие движения золотника 8, управляющего качательным (сиропным) клапаном, причем механической силой, приводящей золотник в движение, являются изменения депрессии - понижения упругости паров раствора, в чем и состоит автоматическое регулирование его концентрации.

Для передачи регулирующих импульсов от золотника 8 на автоматический клапан, к золотнику 8 подведена вода из водопровода. Водяная передача здесь выбрана потому, чтобы не применять сальников между полостью золотника 8 и мембранной коробки 5 и не уменьшать чувствительности прибора. Шток золотника 8 проходит в мембранную коробку 5 даже с некоторым зазором, пропускающим около 20 см³ воды в минуту через мембранную коробку 5 в аппарат 1. Это нужно для того, чтобы мембранная коробка 5 была всегда заполнена водой и не могла засориться кристаллами ни во время действия аппарата, ни при спуске из него готового утфеля. Специально для периодической промывки мембранной коробки 5 устроен кран 11.

Работа варочного аппарата, например, вакуумаппарата в сахарном производстве, с предлагаемым регулятором пересыщения производится следующим образом. Маховичком 12 при помощи указателя 14 и диска 13 регулятор настраивают на определенную величину депрессии раствора, соответствующую определенному коэффициенту пересыщения при заданном разрежении в аппарате, например, K=1,15-1,20. Эта настройка регулятора для определенного продукта - утфеля - производится только один раз на любое число периодических варок утфеля в данном аппарате и может изменяться только при резком изменении качества сиропов. Перед варкой золотник 8 должен находиться под давлением рабочей воды.

В начале варки набирают в аппарат определенную порцию сиропа, необходимую для заводки кристалла, и, упаривая его, сгущают до «пробы», определяемой по вагометру или термометру, и дают пудру для заводки кристалла. После заводки кристалла открывают подачу сиропа через автоклапан регулятора и тем заканчивают ручные операции по обслуживанию вакуум-аппарата. Автоматический регулятор пересыщения с момента включения через него сиропа будет сам непрерывно питать аппарат сиропом так, чтобы пересыщение имело незначительные колебания относительно заданной постоянной его величины.

Если утфель варится из растворов нескольких сортов, например из сиропа и оттеков, то нужно следить за количеством вари в аппарате по прибору и, когда будет сварено заданное количество утфеля из сиропа, нужно закрыть сироп и открыть через клапан регулятора подачу в аппарат соответствующей патоки.

Когда в аппарате получится предельное количество утфеля, его работа останавливается простым закрытием вентиля на коммуникации, подающей последний раствор - патоку. Ни при пуске вакуумаппарата в действие, ни при его остановке и выгрузке утфеля никаких манипуляций с регулятором пересыщения производить не требуется - он, как и обычный манометр или термометр, остается всегда готовым к работе.

Устройство для автоматического регулирования пересыщения кипящих растворов с применением вставляемой в раствор закрытой гильзы, содержащей чистый растворитель, отличающееся тем, что названная гильза соединена с мембранным или ему подобным регулятором, связанным известным образом с вентилем на питающей трубе и присоединенным к жидкостному пространству аппарата на том же уровне, на котором помещена гильза.