способ умягчения водного сахаросодержащего раствора сахарного производства, способ извлечения сахара из такого раствора и установка для их осуществления

Формула изобретения

1. Способ умягчения водного сахаросодержащего раствора сахарного производства, предусматривающий его контактирование с катионообменной смолой в натриевой и/или калиевой форме для замены ионов кальция и/или магния на ионы натрия и/или калия и получения содержащего их сахаросодержащего раствора и регенерацию катионообменной смолы, отличающийся тем, что регенерацию смолы проводят полученной в процессе хроматографического извлечения сахара фракцией, содержащей наибольшее количество ионов натрия и/или калия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в указанную фракцию перед регенерацией катионообменной смолы вводят ионы натрия и/или калия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанную фракцию перед регенерацией катионообменной смолы концентрируют.

4. Способ извлечения сахара из водного сахаросодержащего раствора сахарного производства, предусматривающий его умягчение путем контактирования с катионообменной смолой в натриевой и/или калиевой форме для замены ионов кальция и/или магния в указанном растворе на ионы натрия и/или калия и получения содержащего их сахаросодержащего раствора, хроматографическое разделение последнего на ионообменной смоле на две фракции, одна из которых обогащена сахаром, а другая - ионами натрия и/или калия, и регенерацию катионообменной смолы, содержащей ионы кальция и/или магния после умягчения указанного раствора, отличающийся тем, что регенерацию проводят фракцией, обогащенной ионами натрия и/или калия, полученной в процессе хроматографического разделения водного сахаросодержащего раствора.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что перед регенерацией катионообменной смолы указанную фракцию концентрируют.

6. Способ по любому из пп.4 - 5, отличающийся тем, что перед регенерацией, в указанную фракцию, обогащенную ионами натрия и/или калия, вводят дополнительное их количество.

7. Способ по любому из пп.4 - 6, отличающийся тем, что для хроматографического разделения сахаросодержащего раствора используют катионообменную смолу в натриевой и/или калиевой форме.

8. Установка для умягчения водного сахаросодержащего раствора сахарного производства и извлечения из него сахара, включающая по меньшей мере одну колонну с катионообменной смолой в натриевой и/или калиевой форме для умягчения указанного раствора, снабженную трубопроводами подачи последнего в нее и отвода умягченного раствора, подачи регенерирующего раствора и его отвода из колонны, и по меньшей мере одну хроматографическую колонну, снабженную трубопроводами подачи элюента и умягченного водного сахаросодержащего раствора и отвода фракции, обогащенной сахаром, и фракции, обогащенной ионами натрия и/или калия, отличающаяся тем, что она снабжена средством, сообщающим трубопровод подачи регенерирующего раствора в колонну с трубопроводом отвода фракции, обогащенной натрием и/или калием, из хроматографической колонны.

9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что указанное средство включает устройство концентрирования регенерирующего раствора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается способа умягчения водного сахаросодержащего раствора сахарного производства, способа извлечения сахара из такого раствора, а также соответствующей установки для осуществления указанных способов.

Таким сахаросодержащим раствором, требующим умягчения для дополнительного извлечения сахара, является в частности меласса. Как известно, мелассой называют остающуюся после стадии кристаллизации сахаров патоку, из которой кристаллизовать сахар обычными методами уже не удается. Тем не менее, весьма желательно получить из мелассы дополнительное количество сахара, поскольку его содержание в мелассе довольно велико.

Известные авторам и используемые в настоящее время во Франции и США технологии применяют для дополнительного извлечения сахара ионообменную хроматографию на соответствующих колоннах, содержащих сильную катионообменную смолу в натриевой (Na⁺) или калиевой (K⁺) форме. Однако поскольку меласса содержит значительные количества растворенных магниевых и/или кальциевых солей, то катионообменная смола в процессе хроматографии сахаросодержащего раствора, полученного из мелассы, заряжается ионами кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺), и ее разделяющая способность сравнительно быстро падает. Периодическое прерывание процесса для регенерации катионообменной смолы представляет значительные удобства и сопровождается расходованием регенерирующего агента и снижением производительности.

Поэтому предлагали удалять кальциевые и/или магниевые соли из сахаросодержащего раствора посредством ионного обмена на катионообменной смоле, находящейся в калиевой и/или натриевой форме, до хроматографического извлечения сахара. Поскольку при этом ионы натрия и/или калия катионообменной смолы прогрессивно замещаются ионами кальция и/или магния раствора, катионообменная смола должна периодически подвергаться регенерации, которую обычно осуществляют с помощью раствора хлорида натрия. Однако при этом расходуется регенерирующий агент (хлорид натрия), а в сточные воды попадает часть сахаров. Таким образом, известная регенерационная система является не вполне удовлетворительной.

Задача настоящего изобретения поэтому состоит в создании способа умягчения сахаросодержащего раствора без вышеуказанных недостатков.

Эта задача решается посредством того, что в известном способе умягчения водного сахаросодержащего раствора сахарного производства, предусматривающем его контактирование с катионообменной смолой в натриевой и/или калиевой форме для замены ионов кальция и/или магния на ионы натрия и/или калия и получения содержащего из сахаросодержащего раствора и регенерацию катионообменной смолы, согласно изобретению регенерацию катионообменной смолы проводят содержащим ионы натрия и/или калия раствором, полученным в процессе хроматографического извлечения сахара из сахаросодержащего раствора и содержащего наибольшее количество этих ионов.

Далее полученный после хроматографии раствор, вытекающий из колонны и обогащенный ионами калия и/или натрия, называется "фракцией" или "элюированной фракцией", чтобы избежать путаницы с сахаросодержащим раствором, направляемым на хроматографию.

Изобретение позволяет, во-первых, рационально использовать вытекающую из хроматографической колонны фракцию, которую ранее сливали в сточные воды, во-вторых, устранить необходимость подачи специального регенерирующего агента типа хлорида натрия и в-третьих, обеспечить дополнительный выход сахара.

Предпочтительно, в указанную фракцию, полученную в процессе хроматографии и обогащенную ионами калия и/или натрия, перед тем, как использовать ее для регенерации катионообменной смолы, вводят ионы натрия и/или калия.

Указанная фракция перед регенерацией катионообменной смолы также может концентрироваться, чтобы интенсифицировать регенерацию благодаря большей концентрации ионов натрия и/или калия и регенерирующей жидкости.

Желательно также, чтобы катионообменная смола представляла собой сильную катионообменную смолу в натриевой и/или калиевой форме, а также желательно, чтобы обогащенную ионами калия и/или натрия смолу получали из хроматографической колонны, содержащей сильную катионообменную смолу в натриевой и/или калиевой форме, при элюировании водой.

В качестве сильной катионообменной смолы можно выбрать, помимо прочего, любую смолу с полимерной матрицей, например, полистирольного или полиакрилатного типа, сшитой сшивающим агентом, таким как дивинилбензол, причем к упомянутой матрице сшиваются катионообменные группы, например сильнокислые группы сульфоновой кислоты. Особый интерес представляет смола IR 200 фирмы "Ром энд Хаас".

Второй объект изобретения касается способа извлечения сахара из водного сахаросодержащего раствора сахарного производства, использующего вышеупомянутый способ его умягчения.

Итак, из упомянутых технологий известно умягчение сахаросодержащего раствора путем контактирования с катионообменной смолой в натриевой и/или калиевой форме для замены ионов кальция и/или магния в указанном растворе на ионы натрия и/или калия, хроматографическое разделение полученного умягченного сахаросодержащего раствора на ионообменной смоле на две фракции, одна из которых обогащена сахаром, а другая - ионами натрия и/или калия, и регенерацию катионообменной смолы, содержащей ионы кальция и/или магния после умягчения указанного раствора, а усовершенствование способа извлечения сахара по изобретению состоит в том, что регенерацию проводят фракцией, обогащенной ионами натрия и/или калия, полученной в процессе хроматографического разделения водного сахаросодержащего раствора. Аналогично тому, как это уже изложено выше, и в данном способе предпочтительно, чтобы перед регенерацией катионообменной смолы фракцию, обогащенную ионами натрия и/или калия, концентрировали. Перед регенерацией в раствор, обогащенный ионами натрия и/или калия, может быть введено дополнительное их количество, что также улучшает степень регенерации смолы и потому является предпочтительным.

Предпочтительно, для хроматографического разделения сахаросодержащего раствора используют катионообменную смолу в натриевой и/или калиевой форме.

Третий объект изобретения касается установки для осуществления способов по изобретению, а именно установки для умягчения водного сахаросодержащего раствора сахарного производства и извлечения из него сахара, включающей по меньшей мере одну колонну с катионообменной смолой в натриевой и/или калиевой форме для умягчения указанного раствора, а также снабженной трубопроводами подачи последнего в нее и отвода умягченного раствора, подачи регенерирующего раствора и его отвода из колонны, и по меньшей мере одной хроматографической колонной, снабженной трубопроводами подачи элюента и умягченного водного сахаросодержащего раствора и отвода фракции, обогащенной сахаром, и фракции, обогащенной ионами натрия и/или калия, причем, согласно изобретению установка снабжена средством, сообщающим трубопровод подачи регенерирующего раствора в колонну с трубопроводом отвода фракции, обогащенной натрием и/или калием, из хроматографической колонны.

Указанное средство, сообщающее трубопровод подачи регенерирующего раствора в колонну с трубопроводом отвода фракции, обогащенной натрием и/или калием, предпочтительно включает в себя устройство для концентрирования регенерирующего раствора.

Далее изобретение поясняется вариантом его выполнения, в котором показана работа установки для умягчения и извлечения сахаров из сахаросодержащего раствора, со ссылкой на сопровождающий чертеж, на котором представлена схема установки по изобретению.

Установка по изобретению содержит известные умягчающие установки 1, 2, каждая из которых включает в себя колонну с сильной катионообменной смолой в натриевой и/или калиевой форме, например смолу IR200 фирмы "Ром энд Хаас".

У каждой колонны, в ее верхней части, имеется трубопровод 3, 4 для подачи водного сахаросодержащего раствора, например, мелассы, предварительно осветленной и разбавленной деионизированной водой.

Осветление может быть осуществлено любым известным способом, например, по патенту США 5110363.

Разбавление проводят так, чтобы содержание сухого вещества в растворе составляло от 10 до 70 мас.%.

Раствор мелассы, подвергнутый такому осветлению и разбавлению, в основном содержит сахара, минеральные соли натрия, калия, кальция и, возможно, магния и окрашивающие вещества.

Каждая умягчающая колонна 1, 2 также снабжена у ее дна трубопроводом 5, 6 для отвода умягченного сахаросодержащего раствора, который идет к трехходовому крану 7, от которого отходит трубопровод 8, другой конец которого подсоединен к верхней части хроматографической колонны 9.

При необходимости на каждом трубопроводе 5, 6 могут быть установлены циркуляционные насосы 10, 11. Верхняя часть каждой колонны 1, 2 снабжена трубопроводом 12, 13 для подачи регенерационной жидкости, а нижняя часть снабжена трубопроводом 12a, 13a для отвода отработанной регенерационной жидкости, причем на каждом трубопроводе имеется отсекающий клапан 12b, 13b.

Хроматографическая колонна 9 относится по своему типу к колонне, содержащей неподвижный носитель, включающий в себя сильную катионообменную смолу в натриевой и/или калиевой форме, причем элюирующей жидкостью является вода, подаваемая в верхнюю часть колонны через трубопровод 14. Нижняя часть колонны 9 снабжена трубопроводом 15 для удаления фракции, обогащенной сахарами, и трубопроводом 16 для удаления фракции, бедной сахарами, но обогащенной ионами натрия и/или калия.

Установка по изобретению также содержит средство подачи регенерационной жидкости из удаляющего трубопровода 16 в трубопроводы 12, 13. Это средство включает в себя: трубу 17, один из концов которой подсоединен к выходному патрубку циркуляционного насоса 18, заборник которого подсоединен к трубопроводу 19, свободный конец которого опущен почти до дна емкости 20, к которой подведен свободный конец удаляющего трубопровода 16; устройство 21 концентрирования регенерированного раствора, снабженное входным патрубком для подачи жидкости, которую требуется концентрировать, подсоединенным к трубе 17, отводящим патрубком 22 для воды, отделяемой при концентрировании жидкости, и отводящим патрубком 23 для концентрированной жидкости, причем патрубок 23 снабжен удаляющим насосом 24; емкость 25, к которой направлен отводящий патрубок 23, и трубу 26, содержащую циркуляционный насос 27, причем один из концов трубы 26 размещен вблизи дна емкости 25, а другой ее конец проходит к трехходовому клапану 28, от которого отходит трубопровод 29, соединенный с трубопроводом 12, и трубопровод 30, соединенный с трубопроводом 13.

Устройство концентрирования может представлять собой испаритель, работающий при пониженном давлении. Это устройство может представлять собой однокорпусный или многокорпусный выпарной аппарат с падающей пленкой, хорошо известный в данной области техники. В случае использования такого устройства отводящий патрубок 22 отводит конденсат, образующийся при упаривании.

Установка работает следующим образом.

В первом цикле клапан 7 устанавливают в такое положение, в котором трубопровод соединен с трубопроводами 5 и 6, при этом насосы 10, 11, 18 и 24 работают, насос 27 выключен, а клапаны 12b, 13b и 28 закрыты.

Осветленную и разбавленную мелассу с содержанием сухих веществ от 10 от 70 мас.%, используемую в качестве сахаросодержащего раствора для извлечения сахара, подают через трубопроводы 3 и 4 в колонны 1 и 2, в которых раствор претерпевает катионный обмен, в процессе которого ионы натрия и/или калия смолы в колоннах постепенно замещаются ионами кальция или магния из раствора.

При этом раствор обогащается ионами натрия и/или калия и обедняется ионами кальция и/или магния, тогда как смола обогащается ионами кальция и/или магния и обедняется ионами натрия и/или калия.

Затем раствор из колонн 1, 2 через трубопроводы 5, 6, насосы 10, 11, клапан 7 и трубопровод 8 поступает в хроматографическую колонну 9. Здесь раствор подвергается разделению под воздействием смолы, причем в качестве элюирующей жидкости используют воду, подаваемую через трубопровод 14.

Первые элюированные фракции, обедненные сахаром и обогащенные солями натрия и/или калия и окрашивающими веществами, удаляют по трубопроводу 16 в емкость 20.

Последующие фракции, обедненные натриевыми и/или кальциевыми солями и обогащенные сахарами, удаляют через трубопровод 15.

Одновременно или впоследствии, собранные в емкости 20 фракции через трубопровод 19, насос 18 и трубу 17 подают в выпарное устройство 21. Концентрированный, предпочтительно до содержания сухих веществ от 10 до 70 мас. %, раствор, полученный в устройстве 21, удаляют из него через трубопровод 23 с помощью насоса 24 и сливают в емкость 25.

Во втором цикле ионообменную смолу одной из колонн 1 и 2 регенерируют, например, смолу колонны 1. Для этого перестают подавать на умягчение сахаросодержащий раствор, насос 10 выключают, клапан 7 устанавливают в положение, в котором трубопровод 8 соединен только с трубопроводом 6, клапан 12b открыт, клапан 28 находится в таком положении, в котором трубопровод 26 соединен только с трубопроводом 29, и насос 27 включают.

При этом концентрированный раствор из емкости 25 по трубопроводам 26, 29 и 12 поступает в колонну 1, в которой этот раствор, обогащенный ионами натрия и/или калия, проходит через смолу колонны 1 и регенерирует ее, при этом ионы натрия и/или калия раствора постепенно замещают ионы кальция и/или магния ионообменной смолы. Концентрированный раствор, который после прохождения колонны обогащен ионами кальция и/или магния, затем отводят по трубопроводу 12a.

Завершив регенерацию смолы, проводят третий цикл с регенерацией смолы колонны 2, возобновляя при этом операции по умягчению сахаросодержащего раствора в колонне 1.

Для этого прекращают подачу сахаросодержащего раствора в колонну 2, открывают клапан 13b, соединяют трубопровод 26 с трубопроводом 30, устанавливая в надлежащее положение клапан 28, соединяют трубопровод 8 с трубопроводом 5, устанавливая в соответствующее положение клапан 7, и возобновляют подачу сахаросодержащего раствора в колонну 1.

Второй и третий циклы повторяют затем с постоянной периодичностью.

Следует заметить, что при проведении умягчения сахаросодержащего раствора с содержанием сухих веществ от 10 до 70 мас.% скорость его потока через каждую из колонн 1, 2 может составлять от 0,1 до 5 объемов смолы в час, а при проведении регенерации расход регенерационной жидкости, в качестве которой используют концентрированный раствор из емкости 25, содержащий от 10 до 70 мас. % сухих веществ, через каждую из колонн 1, 2 может составлять также от 0,1 до 5 объемов смолы в час.

Величину расхода (скорость потока) выбирают в зависимости от содержания сухих веществ в жидкости. Чем выше содержание сухих веществ, тем ниже скорость потока через колонны 1, 2 при операции умягчения.

Аналогично, чем выше содержание сухих веществ в регенерационной жидкости, тем ниже скорость ее потока через колонны 1, 2 при операции регенерации.

Кроме того, температура регенерационной жидкости должна быть такой, чтобы вязкость жидкости была приемлемой для проведения операции регенерации смолы, температура регенерационной жидкости может составлять от 20 до 70^oC, в зависимости от содержания сухих веществ.

При необходимости ионы натрия и/или калия, например, в виде хлорида натрия и/или хлорида калия, могут добавляться в концентрированный регенерационный раствор, например, в емкость 25.

Кроме того, весь добавленный хлорид или его часть может быть при необходимости извлечена перекристаллизацией концентрированного регенерационного раствора, взятого из трубопровода 12a и/или 13a.

Пример. Умягчают раствор мелассы, содержащий 15 мас.% сухих веществ, жесткость раствора составляет 12000 частей на миллион частей (12000 ppm) ионов кальция из расчета по сухому веществу, в качестве умягчающей ионообменной смолы используют смолу IR200 фирмы "Ром энд Хаас" с обменной способностью 1 экв/л. Умягчение проводят при 40 - 80^oC со скоростью потока, составляющей 2 объема смолы в час.

Насыщение смолы поступает после пропускания через него сахаросодержащего раствора в течение 2,5 ч. Умягченный раствор имеет среднюю жесткость 2000 ppm ионов кальция из расчета по сухому веществу.

Хроматографию умягченного сахаросодержащего раствора проводят на смоле ДоуэксC 356 фирмы "Доу" при 80^oC, скорости потока раствора около 0,03 объема смолы в час и скорости потока элюирующей воды 16 объемов смолы в час. Содержание сухих веществ в обедненной сахаром фракции составляет 4 мас.%.

Концентрирование полученной фракции производят на испарителе с падающей пленкой при температуре испарения около 80^oC. Содержание сухих веществ в растворе после концентрирования составляет 30 мас.%.

Операцию регенерации проводят при 25^oC и скорости потока концентрированного раствора 0,45 объема смолы в час.

Регенерацию завершают после прохождения через колонну концентрированного раствора в объеме, соответствующем 0,34 объема смолы при указанной скорости потока.

Промывку умягчающей смолы осуществляют водой со скоростью потока 2 объема смолы в час, в течение одного часа.