SE522434C2 - Framställning av socker vari råsaften koncentreras och renas genom behandling med koldioxid - Google Patents

Description

- ou u :sou 10 15 20 25 30 35 522 434 çíiväfifidfiåjuràd 2 60-70°C och reducerat tryck för avlägsnande av ytter- ligare vatten och bildning av sockerkristaller, som utvinnes.

Trots att stora ansträngningar gjorts för att effek- tivisera den ovan beskrivna, kända tekniken för fram- ställning av socker är den mycket energikrävande. Sålunda åtgår ca 180 kWh för varje ton betor vid sockerframställ- ning i en modern sockerfabrik. Det motsvarar ca 22 000 ton olja för tillverkning av ca 200 000 ton socker, vilket är àrsproduktionen för en normal sockerfabrik.

Vidare åtgår ca 40 000 ton kalk och ca 3 000 ton koks för rening av råsaften, och från reningen erhålles en mot- svarande mängd slamkalk. Slamkalken kan i vissa fall användas som jordförbättringsmedel, men utgör i andra fall ett avfall som måste deponeras. Ett ytterligare problem med det kända förfarandet för sockerframställning är att ràsaftreningen är känslig för driftstörningar på grund av skiftande betkvalitet.

Det är tydligt att den kända tekniken för fram- ställning av socker ur sockerhaltigt växtmaterial, såsom sockerbetor och sockerrör, är behäftad med ett flertal nackdelar, och att det skulle innebära ett framsteg om en eller flera av dessa nackdelar kunde mildras eller elimi- neras.

Sammanfattning av uppfinningen Föreliggande uppfinning har till ändamål att åstad- komma ett nytt förfarande för framställning av socker »fràn växtmaterial, företrädesvis sockerrör eller socker- betor, vilket förfarande minskar eller eliminerar flera av nackdelarna med den tidigare kända tekniken. I synner- het medger föreliggande uppfinning en kraftig sänkning av energiförbrukningen till mindre än hälften av den vid nuvarande teknik. Dessutom kan kalk- och koksförbruk- ningen helt eller nästan helt elimineras.

Vid uppfinningen har man funnit att detta ändamål kan uppnås genom att vid sockerframställning behandla råsaften med ett fluidum vid sådana tryck- och tempera- 10 15 20 25 30 35 u a I | nu 522 454 3 turbetingelser att inneslutningsföreningar, s k klatra- ter, bildas av fluidumet och vatten. Mera speciellt bildar vissa fluider, såsom koldioxid, metan, etan, propan, isobutan, m fl, med vatten vid låg temperatur och högt tryck klatrater, även kallade gashydrater, som t ex koldioxidhydrat, såsom skall beskrivas mera utförligt nedan, och detta kan utnyttjas vid sockerframstållning för att från en sockerlösning binda vatten så att socker- lösningen koncentreras och sockerkristaller kan utvinnas.

Vid bildning av inneslutningsföreningen kan fluidumet föreligga i gasform eller i flytande form beroende på rådande tryck och temperatur.

Enligt föreliggande uppfinning åstadkommes sålunda ett förfarande för framställning av socker ur socker- haltigt växtmaterial genom extraktion av sockret med vatten till bildning av en sockerhaltig råsaft, som renas och koncentreras för utvinning av sockret genom kristal- lisation, kännetecknat därav, att råsaften koncentreras genom behandling med ett fluidum vid tryck- och tempera- turbetingelser för bildning av gashydratkristaller, som separeras från råsaften, vilken därigenom bildar en sockerlösning med förhöjd halt av socker, och att denna sockerlösning behandlas vidare för utvinning av socker- kristaller.

Ytterligare kännetecken och fördelar hos uppfin- ningen kommer att framgå av nedanstående beskrivning och de bifogade patentkraven.

Kort ritninqsbeskrivninq På de bifogade ritningarna visar figur l jämvikts- kurvor för koldioxidhydrat med sockerlösningar av olika koncentration; figur 2 visar ett schematiskt flödeschema för en utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen; och figur 3 visar ett schematiskt flödesschema för en alternativ utföringsform av förfarandet enligt uppfin- ningen. 10 15 20 25 30 35 - e u u o a nu 522 454 4 Detaljerad beskrivning av uppfinningen.

Sàsom nämnts ovan, grundar sig uppfinningen på det förhållandet att vissa fluider med vatten bildar kristal- ler i form av inneslutningsföreningar, s k klatrater, vid låg temperatur och förhöjt tryck. Även om det ligger inom uppfinningens ram att utnyttja olika klatratbildande fluider, föredrages det alldeles speciellt, bl a av ekonomiska skäl och med hänsyn till tillgänglighet, giftighet och brandrisk, att utnyttja koldioxid. Uppfin- ningen kommer därför i det följande att beskrivas med hänvisning till användning av koldioxid som klatratbil- dande fluidum.

Koldioxid bildar med vatten klatratkristaller i form av koldioxidhydrat vid en temperatur under ca 12°C och ett tryck av ca 1-10 MPa. Vid sockerlösningar uppträder en fryspunktnedsättning, vilket medför att temperaturom- ràdet kan utsträckas fràn 0°C ned till ca -10°C beroende pà sockerhalten. Fenomenet med bildning av koldioxid- hydratkristaller utnyttjas vid föreliggande uppfinning för att koncentrera en sockerlösning genom att binda vatten i koldioxidhydratkristaller och därigenom avlägsna vatten från lösningen.

Betingelserna för bildning av koldioxidhydrat- kristaller framgàr av figur 1, som schematiskt visar jämviktskurvor för koldioxidhydrat med sockerlösningar av olika koncentration (i figur 1 är w = sockerhalt i vikar r 10-2). saaam framgår av figur i, bildas koldioxid- hydrat i en ren vattenlösning (m = O) i temperaturomràdet O till ca ll°C vid absoluta tryck i omrâdet från ca 1 till ca 10 MPa. Vid sockerinnehállande lösningar för- skjuts kurvan för koldioxidhydrat mot lägre temperaturer, dvs åt vänster i diagrammet, så att vid en sockerlösning med 65 vikt% socker (w = 0,65) temperaturen skall ligga mellan ca ~lO°C (erhålles genom extrapolation av kurvan i figur 1) och ca l°C och trycket vid ca 1-10 MPa.

Såsom framgår av figur 1, uppvisar de respektive kurvorna vid en viss temperatur och ett visst tryck en 10 l5 20 25 30 35 .nu ø u o o oo 522 434 5 knyck, och vid högre temperatur och tryck har kurvan en brantare lutning. Kurvans knyck är den s k kvadruppel- punkten i vilken det existerar såväl koldioxidhydrat som vatten samt gasformig och flytande koldioxid. Till höger om kurvan och under kvadruppelpunkten föreligger endast vatten och gasformig koldioxid, dvs inte något koldioxid- hydrat. Till höger om kurvan och över kvadruppelpunkten föreligger vatten och flytande koldioxid, men inte något koldioxidhydrat. Till vänster om kurvan och under kvad- ruppelpunkten föreligger koldioxidhydrat tillsammans med vatten och gasformig koldioxid. Till vänster om kurvan och över kvadruppelpunkten, slutligen, föreligger kol- dioxidhydrat tillsammans med vatten och flytande kol- dioxid. Den tjocka heldragna linjen genom kurvornas kvadruppelpunkter i figur 1 markerar skiljelinjen mellan gasformig koldioxid och flytande koldioxid. Under linjen föreligger koldioxiden i gasform, och över linjen före- ligger koldioxiden i flytande form. Det föredrages vid uppfinningen att arbeta vid sådana betingelser att kol- dioxiden föreligger i flytande form.

Allmänt föredrages det vid uppfinningen att tempera- turen ligger mellan ca -10°C och ca +12°C och att trycket väljes i överensstämmelse därmed inom området ca l-10 MPa absolut tryck för bildning av koldioxidhydratkristaller.

Mera föredraget är temperaturen vid uppfinningen 0-lO°C och trycket 2,5-5,0 MPa.

Såsom framgått ovan, utnyttjas bildning av kol- dioxidhydratkristaller vid uppfinningen åtminstone för koncentrering av ràsaft vid framställning av socker. Kol- dioxidhydratkristallerna har härvid den fördelen att de inte endast binder vatten fràn sockerlösningen och där- igenom koncentrerar den, utan de binder genom inneslut- ning även föroreningar och suspenderat material i rå- saften så att denna renas. Härigenom erbjudes en möjlig- het att eliminera den hittillsvarande reningen av rå- saften med tillsättning av kalk och koldioxid och bild- ning av stora mängder slamkalk undvikes. Denna kombine- 10 15 20 25 30 35 522 434 6 rade rening och koncentrering av ràsaften enligt uppfin- ningen genomföres företrädesvis till en sockerkoncentra- tion av ca 30-50 vikt% hos sockerlösningen.

Den fortsatta behandlingen av den koncentrerade sockerlösningen för utvinning av sockerkristaller kan ske på olika sätt.

Enligt en särskild aspekt av uppfinningen utnyttjas bildning av koldioxidhydratkristaller även vid den fort- satta behandlingen av sockerlösningen, varigenom ytter- ligare koncentrering och utvinning av sockerkristaller sker.

Alternativt kan fortsatt behandling ske genom fler- stegsindunstning till bildning av högkoncentrerad tjock- saft med en sockerhalt av ca 80-85 vikt% vid en tempera- tur av ca 80-lOO°C, samt utfällning av sockerkristaller genom expansions-kylkristallisation, dvs sockerlösningen kyls, företrädesvis till en temperatur av ca 30-40°C, under eventuell samtidigt trycksänkning. Eventuellt kan expansions-kylkristallisationen ske i flera steg med mellanliggande indunstning.

Enligt ytterligare ett alternativ kan den fortsatta behandlingen ske på konventionellt sätt, såsom beskrivits tidigare, genom kokning och kristallisation i kokpannor vid reducerat tryck (indunstningskristallisation).

För att gynna och påskynda bildningen av koldioxid- hydratkristaller ympas företrädesvis sockerlösningen med koldioxidhydratkristaller eller is.

Behandlingen av sockerlösningen enligt uppfinningen för bildning av koldioxidhydratkristaller sker i en tryckkärlsreaktor, som kan vara utformad för satsvis drift eller, företrädesvis, för kontinuerlig drift. T ex kan reaktorn vara av autoklavtyp eller, företrädesvis, av rörreaktortyp.

De bildade koldioxidhydratkristallerna kan avlägsnas från sockerlösningen medelst kända separationsförfaran- den, såsom filtrering, centrifugering eller hydrocyklon. lO 15 20 25 30 35 5 2 2 4 3 4 šïï* - šf-.filšï - 7 Vid avskiljningen av koldioxidhydratkristallerna medföljer normalt en viss mängd sockerlösning, och det föredrages därför att tvätta de separerade koldioxid- hydratkristallerna för avlägsnande av eventuell med- följande sockerlösning, vilken därefter kan äterföras till processen. Tvättningen kan ske med exempelvis vatten, men företrädesvis sker den med en blandning av flytande koldioxid och vatten.

Behandlingen enligt uppfinningen av sockerlösningar med koldioxid för bildning av koldioxidhydrat kan ske med användning av gasformig eller flytande koldioxid. Vid viskösa sockerlösningar föredrages det att använda flytande koldioxid för att hälla viskositeten pà en lämp- lig nivå.

Vid behov eller om sä önskas kan viskositeten hos sockerlösningen även sänkas genom tillsättning av ett särskilt viskositets- och sockerlöslighetssänkande medel.

Detta utgöres företrädesvis av en med vatten blandbar vätska, som är inert gentemot socker och koldioxid. Ett särskilt föredraget exempel pà ett sådant viskositets- sänkande medel är etanol. Det viskositetsökande medlet tillsättes vid uppfinningen företrädesvis till en halt av högst ca 5 vikt%.

Oavsett om gasformig eller flytande koldioxid används bringas den lämpligen i kontakt med sockerlös- ningen sä att en sà stor kontaktyta som möjligt uppnàs mellan koldioxiden och sockerlösningen. Detta kan ske genom pä lämpligt sätt utformade mynstycken för insprut- ning av koldioxid i reaktorn och/eller genom omröring av blandningen av sockerlösning och koldioxid i reaktorn.

Efter att ovan ha beskrivit uppfinningen och dess allmänna utformning skall den nedan beskrivas med hänvis- ning till figurerna 2 och 3 och de där schematiskt visade utföringsformerna.

Sàsom antyds i figur 2, anländer betor 1 till en betmottagning 2 pà en sockerfabrik där de tvättas och skäres till snitsel 3. Snitseln 3 matas till en extrak- 10 15 20 25 30 35 522 454 8 tionsapparat 4, där den extraheras i motström med ca 70°C varmt vatten för urlakning av sockret i snitseln och bildning av en sockerhaltig lösning, s k ràsaft 5. Efter avskiljning av den extraherade snitseln matas ràsaften 5 till en reaktor 6, företrädesvis en rörreaktor, med ej närmare visade organ för tillförsel av ràsaft, koldioxid och eventuella ytterligare tillsatser samt för kylning av reaktorn och utmatning av bildat koldioxidhydrat respek- tive tjocksaft. I reaktorn kyls ràsaften till en tempe- ratur understigande ca 12°C, företrädesvis ca 1-5°C, och trycksätts till ett absolut tryck av ca 1-10 MPa, före- trädesvis ca 2,5-5 MPa. Därefter tillföres ràsaften gas- formig eller, företrädes-vis, flytande koldioxid 7 och den erhållna blandningen tillsättes ympkristaller 8 av koldioxidhydrat eller is för utfällning av koldioxid- hydratkristaller från ràsaften. Vid bildningen av kol- dioxidhydratkristallerna binds vatten och suspenderat material från ràsaften i koldioxidhydratkristallerna, varigenom ràsaften koncentreras och renas. De bildade. koldioxidhydratkristallerna 9 avlägsnas från reaktorn och tvättas med flytande koldioxid och vatten i en ej visad tvättanordning, såsom en motströms torntvätt. De tvättade kristallerna smältes därefter vid förhöjd temperatur sá att koldioxiden kan skiljas frán vattnet, varefter vattnet avleds medan koldioxiden àterföres till proces- sen. Om processen körs i området för koldioxidgas (under den grova heldragna linjen i figur l) erfordras en kompressor för komprimering av gasen för att åter kunna använda den i reaktorn. Om däremot processen körs i omrâdet för flytande koldioxid (över den grova heldragna linjen i figur 1) bortfaller behovet av kompressor och det är tillräckligt att kyla koldioxiden genom värmeväx- ling innan den àterförs till reaktorn.

Den till ca 30-50 vikt% sockerhalt koncentrerade, och fràn koldioxidhydratkristaller befriade tjocksaften 10 utmatas fràn reaktorn och matas till en andra tryck- reaktor 11, vari kristallisation av socker sker under eva-an w - .nan 10 15 20 25 30 35 fortsatt uppkoncentrering av tjocksaften genom bildning av koldioxidhydrat. Tjocksaftens viskositet är härvid förhållandevis hög, varför förfarandet i reaktorn ll sker med användning av flytande koldioxid och eventuellt även med tillsättning av ett viskositets- och sockerlöslig- hetssänkande medel, såsom etanol, för att hålla viskosi- teten på en tillfredsställande nivå.

Koldioxidhydratkristallerna och sockerkristallerna utfälls samtidigt i reaktorn ll, och de bildade kristal- lerna avlägsnas från reaktorn och separeras från varandra i en ej visad separator. Kolhydratkristallerna 12 tvättas och smälts på det sätt som beskrivits ovan i samband med reaktorn 6, varefter koldioxiden återförs till processen för förnyad användning. Sockerkristallerna 13 tvättas och tillvaratages som produkt.

Vid den alternativa utföringsform som schematiskt åskådliggjorts i figur 3, genomföres de inledande delarna av förfarandet pà samma sätt som beskrivits i samband med figur 2. Motsvarande delar har därför givits samma hän- visningsbeteckningar och någon ytterligare beskrivning av dessa delar ges inte här. Utföringsformen enligt figur 3 skiljer sig från den enligt figur 2 genom att tjocksaften 10 från den första reaktorn 6 efterbehandlas för kristal- lisation av socker på konventionellt sätt, d v s det är endast koncentreringen och reningen av råsaften som sker genom bildning av koldioxidhydrat. Därvid leds den till 30-50 vikt% sockerhalt koncentrerade tjocksaften från reaktorn 6 till en indunstningsanläggning 14 med flera steg, i vilken indunstarna företrädesvis är av plattyp. I indunstningsanläggningen höjs tjocksaftens sockerkon- centration till ca 80-85 vikt% vid en temperatur av ca 80-100°C så att en högkoncentrerad tjocksaft erhålles.

Denna högkoncentrerade tjocksaft 15 matas till en kristallisationsenhet 16, som inbegriper en eller flera kristallisationsanordningar, t ex i form av kombinerade expansions- och kylkristallisatorer, vari sockerkristal- lerna tillväxer kontinuerligt genom successiv sänkning av v-o 10 15 20 25 30 35 10 temperaturen genom samtidig kylning och expansion genom trycksänkning. Nedkylningen göres till ca 30-40°C. De bildade sockerkristallerna separeras fràn den kvarvarande sockerlösningen (moderluten) och tvättas i en ej visad centrifug för erhällande av sockerkristaller 17 som produkt. Detta kristallisationssteg kan upprepas en eller flera gånger med mellanliggande värmning och indunstning av sockersaften.

Ovanstående beskrivning har givits för att belysa och exemplifiera uppfinningen, utan att emellertid be- gränsa densamma till de beskrivna utföringsformerna.

Det inses av beskrivningen ovan att uppfinningen innebär ett väsentligt framsteg inom tekniken genom sin enkelhet, men framför allt även genom den stora fördel i form av minskat energi- och ràvarubehov som den innebär.

Energibehovet vid förfarandet enligt uppfinningen in- skränker sig i huvudsak till det som krävs för åstad- kommande av erforderliga tryck- och temperaturbetingelser i koldioxidreaktorn. Genom att arbeta i omrädet för flytande koldioxid erfordras endast värmeväxling vid àtercirkulation av använd koldioxid och genom att värme- växla kristallisationsenergin mot energibehovet vid smältningen av koldioxidhydratkristallerna kan för- farandets energieffektivitet ökas ytterligare. Dessutom elimineras behovet av råvarorna kalk och koks helt eller så gott som helt. Sammanlagt bedömes energibehovet vid förfarandet enligt uppfinningen kunna sänkas ned till hälften och kanske ända ned till endast en tredjedel av behovet vid ett konventionellt förfarande för framställ- ning av socker.

Efter att sålunda ha beskrivit uppfinningen skall den nedan belysas genom ett ej begränsande exempel.

Exempel Vid försöket enligt detta exempel användes en 2 liter cylindrisk reaktor med en höjd av 210 mm, en innerdiameter av 110 mm och en väggtjocklek av 50 mm.

Reaktorn var försedd med en kylslinga, en omrörare med 10 15 20 25 30 35 522 434 ll variabelt varvtal, ett inmatningsrör för koldioxid, en tryckgivare, en temperaturgivare, samt ett provtagnings- rör. Trycket i reaktorn reglerades med koldioxid fràn en högtrycksbehàllare med koldioxid via en reglerventil.

Temperaturen i reaktorn reglerades med ett kylmedium, som pumpades genom kylslingan. Bottentömning av reaktorn gjordes genom provtagningsröret via en silduk med 0,1 mm maskvidd.

I reaktorn satsades 1,5 liter ràsaft fràn socker- betor med en sockerkoncentration av ca 17 vikt%. Rásaften hade försilats genom en silduk med maskvidden 0,5 mm.

Omröraren startades och reaktorn kyldes till ca 4°C. Kol- dioxidgas insläpptes i reaktorn och trycket höjdes till ca 5 MPa. Vid detta tillstànd föreligger koldioxid i vätskeform. Vidare är vid detta tillstànd underkylningen för bildning av koldioxidhydratkristaller ca 4°C. Även om koldioxidhydratkristaller kan bildas i gränsskiktet mellan vatten och koldioxid i vätskeform, bildas de företrädesvis i gränsskiktet mellan vatten och koldioxid i gasform. För den skull sänktes därför trycket långsamt ner mot kokpunkten för koldioxid. När de första fina gasbubblorna började uppträda bildades spontant plötsligt små fina vita korn. Dessa korn var koldioxid- hydratkristaller, som bestod av vatten som bildat skal runt de små koldioxidbubblorna. En svag tryckökning i reaktorn fick skalen att kollapsa till fina flingor. Vid upprepning av trycksänkningen bildades nya koldioxid- hydratkristaller i form av vita korn, som kollapsade vid förnyad tryckökning. En oscillerande tryckändring omkring kokpunkten för koldioxid resulterade i en ganska snabb tillväxt av koldioxidhydratkristaller, som snart fyllde hela reaktorn.

Den koncentrerade ràsaften tömdes fràn reaktorn genom silduken, varvid koldioxidhydratkristallerna och en del av ràsaftens föroreningar stannade kvar i reaktorn.

Koldioxidhydratkristallerna tvättades genom att flytande koldioxid sköljdes över kristallerna. Temperaturen höjdes ' ' 522 434 -..2I§ff~ 12 i reaktorn, varvid koldioxidhydratkristallerna smälte och vattnet kunde tömmas ut ur reaktorn. Den flytande kol- dioxiden làg som ett skikt över vattenfasen och kunde enkelt separeras. H Genom ovanstående behandling höjdes ràsaftens sockerkoncentration från ca 17 vikt% till ca 22-23 vikt%.

Genom upprepning av behandlingen har koncentrerad rásaft med en sockerkoncentration av ca 54 vikt% erhållits.

Claims (11)

10 15 20 25 30 35 522 434 13 PATENTKRÅV

1. Förfarande för framställning av socker ur socker- haltigt växtmaterial, som väljs bland sockerbetor och sockerrör, genom extraktion av sockret med vatten till bildning av en sockerhaltig ràsaft, som renas och koncentreras för utvinning av sockret genom kristal- lisation, k ä n n e t e c k n a t därav, att ràsaften koncentreras och renas genom behandling med flytande eller gasformig koldioxid vid en temperatur från -10 till +l2°C och ett tryck av 1-10 MPa för bildning av gashydrat-kristaller, som separeras fràn ràsaften, vilken därigenom bildar en renad sockerlösning med förhöjd halt av socker, och att denna sockerlösning behandlas vidare för utvinning av sockerkristaller.

2. Förfarande enligt kravet 1, vid vilket ràsaften behandlas med koldioxid vid en temperatur av O-l0°C och ett tryck av 2,5-10 MPa.

3. Förfarande enligt kravet 1 eller 2, vid vilket ràsaften ympas med koldioxidhydrat eller is.

4. Förfarande enligt något av kraven 1-3, vid vilket ràsaften behandlas med koldioxid till bildning av en sockerlösning med en sockerhalt av 30-50 vikt%.

5. Förfarande enligt något av kraven 1-4, vid vilket sockerlösningen behandlas vidare med koldioxid till bild- ning av ytterligare koldioxidhydratkristaller och socker- kristaller, vilka separeras fràn sockerlösningen och från varandra.

6. Förfarande enligt kravet 5, vid vilket sockerlös- ningen vid den vidare behandlingen med koldioxid till- sättes ett viskositets- och sockerlöslighetssänkande medel.

7. Förfarande enligt nàgot av kraven 1-4, vid vilket sockerlösningen behandlas vidare med behandling i minst ett steg genom indunstning med efterföljande kristal- lisation av sockerkristaller. :ana 1: sa ia 19 Q:äfianzmsmxauaïkraväzüsfizsi ______ ”SE fëïzcsi ca sz 1a2a.a@@ 10 15 522 434 14

8. Förfarande enligt kravet 7, vid vilket indunst- ningen sker till en sockerkoncentration av 75-85 vikt% vid en temperatur av 80-100°C.

9. Förfarande enligt kravet 7 eller 8, vid vilket den indunstade sockerlösningen kyles till 30-40°C för kristallisation av socker.

10. Förfarande enligt nàgot av kraven 7-9, vid vilket sockerlösningen behandlas vidare i tvà steg genom indunstning med efterföljande kristallisation av socker.

11. ll. Förfarande enligt nàgot av de föregående kraven vid vilket de separerade koldioxidhydratkristallerna smälts för separation av bundet vatten samt frigöring av flytande eller gasformig koldioxid, som àterföres till förfarandet för förnyad bildning av koldioxidhydrat- kristaller. I