Investigations on optimisation of the cooling rate of cooling crystallisation of afterproduct massecuite during sucrose recovery

Abstract

In mehrstufigen Kristallisationsverfahren sinkt die Zuckerqualität mit steigender Stufenzahl infolge der Anreicherung der Nichtzuckerstoffe im Muttersirup. Für Nichtzuckeranteile von mehr als 40 % der Trockensubstanzmasse im Muttersirup sinkt die Kristallisationsrate so stark, dass die Melasse 8 bis 14 % des in den Rüben enthaltenen Zuckers aufweist. Zur Minimierung dieser Saccharoseverluste bietet sich wegen der ausgeprägten Temperaturabhängigkeit der Saccharoselöslichkeit eine Kühlungskristallisation an, in deren Verlauf die Temperatur auf etwa 40 °C reduziert wird. Die in der Literatur geäußerten Auffassungen über die zweckmäßigen Kühlraten unterscheiden sich stark. In den mitteleuropäischen Zuckerfabriken liegen die Zeiten für die Kühlungskristallisation zwischen 36 und 48 Stunden, in Ausnahmefällen bei 72 Stunden. In der vorliegenden Arbeit wird versucht, den Prozess der Kühlungskristallisation im Nachprodukt zu optimieren. Die Einflussparameter sollen so gestaltet werden, dass mit einer optimalen Übersättigung (yÜ = 1,25) eine hohe Kristallwachstumsrate erreicht werden kann und dadurch die Zeit für die Kühlungskristallisation entsprechend verkürzt wird. Zur Ermittlung der optimalen Abkühlkurve wurden zwei Arten Strategien realisiert: die lineare Kühlung (1) und die degressive Kühlung (2). Die erzielten Kristallwachstumsraten weichen im oberen Temperaturbereich deutlich von den von GRUT bzw. EKELHOF in schwach gerührten Kristallsuspensionen gemessenen Werte ab. Wir erreichen Raten von 160 mg/(m²×min) bei einer Reinheit von 66 % und einer Temperatur von 70 °C. Der verbesserte Stoffübergang und damit die höhere Kristallwachstumsrate in der Anfangsphase (hohe Kühlrate), konnte mittels einer höheren Übersättigung und bei Erhöhung der Rührleistung nachgewiesen werden. Dies ist besonderes bei Temperaturen J > 60 °C der Fall. Eine Verkürzung der Kühlzeit ist mit höheren Kristallwachstumsraten infolge steigender Übersättigungen möglich. Auf diese Weise wird das Kristallwachstum über die Mechanismen des Stoffüberganges und der Einbaureaktion zeitlich koordiniert. Aus den Versuchen kann abgeleitet werden, dass die Kühlungskristallisation in zwei Prozess-abschnitten sinnvoll ist. Im ersten Abschnitt, oberhalb der Temperatur von 55 ± 2 °C, sollte schnell gekühlt und intensiv gerührt werden. Im zweiten Abschnitt unter 55 ± 2 °C kann die Abkühlung mit Raten von 1 K/h weitergeführt werden, weil die Einbaureaktion geschwindigkeitsbestimmend wird. Bei dieser Prozessführen ist eine Gesamtdauer der Kühlungskristallisation in der Größenordnung von 12 Stunden erzielbar. Degressive Kühlraten liegen im ökonomischen Interesse der Zuckerindustrie. Die schnelle Abkühlung kann in einem oder mehreren Schritten mit Hilfe der Entspannungsverdampfung realisiert werden. Ihr Einsatz ist bisher auf Kristallsuspensionen mit Reinheiten über 85 % begrenzt. Dabei kann am Ende der Hochkochphase der Druck von 200 mbar innerhalb einer Stunde auf etwa 90 mbar verringert und die Temperatur von ca. 82 °C auf etwa 65 °C gesenkt werden. Anschließend wird das Magma in kontinuierlichen Kühlungskristallisatoren abgekühlt. Die Entspannungsverdampfung kann in Fabriken mit geringen Kühlungskristallisationskapazitäten zu einer deutlichen Senkung der Melassereinheit führen.In multi-stage crystallisation procedures sugar quality decreases with an increasing number of stages due to the enrichment of non-sucrose substances in the mother liquor. For non-sucrose contents of more than 40 % on dry substance in the mother liquor the crystallisation rate decreases in a way that the molasses holds 8 to 14 % of sucrose contained in the sugar beet. Due to the temperature dependence of sucrose solubility cooling crystallisation at which the temperature is reduced to approximately 40°C is preferred in order to minimise sugar losses. The views on appropriate cooling rates expressed in the literature differ strongly. In Central European sugar factories times for cooling crystallisation vary between 36 and 48 hours, in exceptional cases about 72 hours. The present work deals with the optimisation of cooling crystallisation of afterproduct massecuite. The influence parameters are to be arranged in such way that with optimal supersaturation (y = 1,25) a high crystal growth rate can be achieved and thus time for cooling crystallisation is accordingly shortened. Two strategies were used for determining the optimal cooling curve: linear cooling (1) and digressive cooling (2). In the upper temperature range the obtained crystal growth rates deviate clearly from values of GRUT and EKELHOF measured in weakly agitated crystal suspensions. We achieved rates of 160 g/(m2*min) at a purity of 66 % and a temperature of 70 °C. The improved mass transfer and thus the higher crystal growth rate in the initial phase (high cooling rate) could be proven by means of a higher supersaturation and with an increase of the agitating power. This is specially the case at temperatures above 60°C. A shortening of the cooling period is possible with higher crystal growth rates due to rising supersaturation. In this way crystal growth is coordinated temporally by mechanisms of mass transfer and surface reaction. As conclusions of the research results, it can be said that cooling crystallisation in two process steps is meaningful. In the first section above a temperature of 55 ± 2°C the afterproduct should be cooled fast and agitated intensively. In the second section under 55 ± 2°C cooling can be resumed at rates below 1 K/h because the surface reaction becomes ratedetermining. With these procedures a total period of cooling crystallisation in the order of magnitude of 12 hours is attainable. Digressive cooling rates lie within the economic interest of the sugar industry. Fast cooling can be realised in one or more steps with assistance of flash evaporation. Its employment is so far limited to crystal suspensions with purities over 85 %. At the end of the evaporation crystallisation process the pressure can be reduced from 200 mbar to 90 mbar within one hour and the temperature from 82°C to 65°C. Subsequently the massecuite is cooled down in continuous cooling crystallisers. In sugar factories with small cooling crystallisation capacities flash evaporation can lead to a clear lowering of the molasses purity