Аннотация

Расширение и уточнение информативной базы данных в изучении химико-термодинамических свойств растворов сахарозы важно для обоснования технологических режимов процессов выпаривания и кристаллизации в сахарном производстве. Цель работы заключалась в получении уточненных экспериментальных оценок химико-термодинамических свойств чистых и технических многокомпонентных растворов сахарозы.
Использовали модернизированный эбулиометр с двумя циркуляционными трубками, посредством которого измеряли истинные температуры кипения сильновязких концентрированных и пересыщенных гомогенных растворов и гетерогенных кристаллизующихся систем. Изучили повышение температуры кипения чистых и многокомпонентных растворов сахарозы в диапазоне массовой доли сухих веществ 5–93 %, чистоты 60–100 %, давления 20–100 кПа.
Растворы сахарозы не подчиняются законам идеальных растворов Рауля, а правила Рамзая – Юнга и Дюринга носят приближенный характер. Однако установили, что понятия активности теории Льюиса корректно описывают термодинамические свойства этих растворов. Получили термодинамическое уравнение, которое описывает повышение температуры кипения чистых и технических многокомпонентных растворов сахарозы. Установили взаимосвязь констант Рамзая – Юнга и Дюринга с концентрацией и пересыщением растворов сахарозы, а также с изменением энтропии этих растворов. Погрешность определения констант составила 2–3 %. В работе показана возможность определения коэффициента пересыщения растворов путем измерения отношения температур кипения раствора и воды.
В результате исследования предложили практические способы контроля и управления процессом изобарической испарительной кристаллизации на основе измерения дифференциального и относительного эбулиометрических критериев. Результаты работы могут быть использованы при исследовании и оптимизации процесса массовой кристаллизации сахарозы из кипящих растворов.

Ключевые слова

Сахарсодержащие растворы, эбулиометрия, эбулиометрические критерии, константа Рамзая – Юнга, константа Дюринга, коэффициент пересыщения

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Borji A, Borji F-E, Jourani A. Sucrose crystallization: Modeling of thermodynamic equilibrium in impure aqueous solutions. International Journal of Innovation Engineering and Science Research. 2019;3(3):7–16.
2. Shimizu S, Matubayasi N. Sorption: A statistical thermodynamic fluctuation theory. Langmuir. 2021;37(24):7380–7391. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c00742
3. Masimov EA, Pashaev BG, Hasanov GS. Structure of aqueous solutions of sucrose, derived from viscosimetry data and IR spectroscopy. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2017;91(4):644–647. (In Russ.). https://doi.org/10.7868/S0044453717040173
4. Михайлик В. А., Дмитренко Н. В., Снежкин Ю. Ф. Исследование влияния гидратации на теплоту испарения воды из растворов сахарозы // Инженерно-физический журнал. 2019. Т. 92. № 4. С. 945–952. https://www.elibrary.ru/LBMYLH
5. Cherkasov DG, Danilina VV, Il’in KK. Phase equilibria, critical phenomena, and extractive crystallization of the salt in the sodium chloride – water – diisopropylamine ternary system. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2021;66(6):883–890. https://doi.org/10.1134/S0036023621060073
6. Merino A, Acebes LF, Alves R, de Prada C. Real Time Optimization for steam management in an evaporation section. Control Engineering Practice. 2018;79:91–104. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2018.07.010
7. Chantasiriwan S. Modification of conventional sugar juice evaporation process for increasing energy efficiency and decreasing sucrose inversion loss. Processes. 2020;8(7). https://doi.org/10.3390/pr8070765
8. Subbiah B, Blank UKM, Morison KR. A review, analysis and extension of water activity data of sugars and model honey solutions. Food Chemistry. 2020;326. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2020.126981
9. Blankschtein D. Criteria of phase equilibria, and the Gibbs Phase Rule. In: Blankschtein D, editor. Lectures in classical thermodynamics with an introduction to statistical mechanics. Cham: Springer; 2020. pp. 281–289. https://doi.org/10.1007/978-3-030-49198-7_27
10. Soares RM, Câmara MM, Feital T, Pinto JC. Digital twin for monitoring of industrial multi-effect evaporation. Processes. 2019;7(8). https://doi.org/10.3390/pr7080537
11. Cyklis P. Effect of fouling on falling film evaporator performance in industrial conditions of fruit juice concentrate production. Journal of Food Engineering. 2020;317. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2021.110884
12. Simon AI, Grigoras CG, Rusu L, Dabija A. Modeling of the thermo-physical properties of aqueous sucrose solutions ii. Boiling point, specific heat capacity and thermal conductivity. Food and Environment Safety. 2017;10(4):49–56.
13. Yadav D, Sharma TK, Sharma V, Verma OP. Optimizing the energy efficiency of multiple effect evaporator house using metaheuristic approaches. International Journal of System Assurance Engineering and Management. 2021. https://doi.org/10.1007/s13198-021-01429-9
14. Verma P, Iyer SR, Shah N, Mahajani S. Insights into the crystallization phenomenon in the production of non-centrifugal sugar. Journal of Food Engineering. 2021;290. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2020.110259
15. Tuzhilkin VI, Balykhin MG, Petrov SM, Podgornova NM, Lukin ND, Kovalyonok VA. Mathematical description of the isobaric vaporizing crystallization of sucrose. Journal of Food Engineering. 2021;306. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2021.110614
16. Dias RM, Chiavone-Filho O, Bernardo A, Giulietti M. Vapour-liquid equilibria for (water + ethanol + fructose): Experimental data and thermodynamic modelling. The Journal of Chemical Thermodynamics. 2017;115:27–33. https://doi.org/10.1016/j.jct.2017.07.021
17. Lei Q, Wang H. Noise-tolerant co-trained semisupervised soft sensor model for industrial process. IEEE Sensors Journal. 2022;22(20):19411–19423. https://doi.org/10.1109/JSEN.2022.3201706
18. de Castro BJC, Marciniuk Junior M, Giulietti M, Bernardo A. Sucrose crystallization: Modeling and evaluation of production responses to typical process fluctuations. Brazilian Journal of Chemical Engineering. 2019;36(3):1237–1253. https://doi.org/10.1590/0104-6632.20190363s20180240
19. Kuruba EK, Jagannadha Rao PVK, Khokhar D, Patel S. Technologies for preparation of solid and granular jaggery: A review. Current Journal of Applied Science and Technology. 2020;39(30):105–113. https://doi.org/10.9734/cjast/2020/v39i3030978
20. Xiao Z, Liao X, Guo S. Analysis of sugarcane juice quality indexes. Journal of Food Quality. 2017;2017. https://doi.org/10.1155/2017/1746982
21. Martins MJN, Guimarães B, Polachini TC, Telis-Romero J. Thermophysical properties of carbohydrate solutions: Correlation between thermal and transport properties. Journal of Food Process Engineering. 2020;43(9). https://doi.org/10.1111/jfpe.13483
22. Mncube FS, Love DJ, Sikhakhane P, Ogle D, Mtembu T. Automation of white pans at the Tongaat Hulett refinery. International Sugar Journal. 2018;120.
23. Taguchi H, Nakakubo J, Matsuda H, Kurihara K, Tochigi K. Determination of vapor – liquid equilibria at elevated pressures using ebulliometer. Journal of Chemical Engineering of Japan. 2016;49(4):317–323. https://doi.org/10.1252/jcej.14we263
24. Тужилкин В. И. Кристаллизация сахара. М.: Московский государственный университет пищевых производств, 2007. 336 с. https://www.elibrary.ru/WDJLDC
25. Ivanov IV, Lotkhov VA, Tikhonov AY, Kulov NN. Vapor-liquid-liquid phase equilibrium in four-component benzene-heptane-n-methylpyrrolidone-sulfolane system. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2015;49(2):131–143. (In Russ.). https://doi.org/10.7868/S0040357115020049
26. Sun L, Lei Q, Peng B, Kontogeorgis GM, Liang X. An analysis of the parameters in the Debye-Hückel theory. Fluid Phase Equilibria. 2022;556. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2022.113398
27. Paese LT, Spengler RL, Soares RP, Staudt PB. Predicting phase equilibrium of aqueous sugar solutions and industrial juices using COSMO-SAC. Journal of Food Engineering. 2020;274. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2019.109836
28. Guedes AR, Corazza ML, Zanoelo EF. Boiling point, specific heat and density measurements and modeling of soybean molasses and its aqueous solutions. Journal of Food Process Engineering. 2015;39(3):283–295. https://doi.org/10.1111/jfpe.12221
29. Fowkes N, Hennessy MG, Moyles I, Thompson S, Fareo G, Atherfold J. Hard to boil massecuite. Food and Drink. 2021:30–53. https://doi.org/10.33774/miir-2021-thlbl
30. Moghimi M, Roosta A. Physical properties of aqueous mixtures of (choline chloride + glucose) deep eutectic solvents. The Journal of Chemical Thermodynamics. 2019;129:159–165. https://doi.org/10.1016/j.jct.2018.09.029
31. Agarwal R, Gupta RR. Computational study of crystallization. In: Gangawane K, Dwivedi M, editors. Advanced computational techniques for heat and mass transfer in food processing. Boca Raton: CRC Press; 2022. pp. 211–234. https://doi.org/10.1201/9781003159520
32. Elsayed ML, Wu W, Chow LC. High salinity seawater boiling point elevation: Experimental verification. Desalination. 2021;504. https://doi.org/10.1016/j.desal.2021.114955
33. Umo AM, Alabi SB. Advances in super-saturation measurement and estimation methods for sugar crystallisation process. International Journal of Food Engineering. 2016;2(2):108–112. https://doi.org/10.18178/ijfe.2.2.108-112
34. Rozsa L, Arriaza GM, Romero MT. Advanced control of crystallisation based on the direct use of on-line data on supersaturation: Theory and Practice. In: Sugar industry technologists annual meeting. China: Guangzhou; 2015.
35. Rózsa L, Rózsa J, Kilpinen S, Mielonen E. Selection of the operating parameters in sugar crystallization control. In: Sugar Industry Technologists' Annual Conference. Florida: Bonita Springs; 2018.
36. Оперативный учет и контроль свеклосахарного производства / В. И. Тужилкин [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. 2019. № 1. С. 20–34. https://www.elibrary.ru/EFOWXD
37. Petrov SM, Zagorulko YeA. Impedancemetric control of sugar massecuite boiling. International Sugar Journal. 2005;107(1284):693–699.
38. de Cindio B. Thermodynamic properties of food materials. In: Jafari SM, editor. Engineering principles of unit operations in food processing. Volume 1: Unit operations and processing equipment in the food industry. Woodhead Publishing; 2021. pp. 65–106. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818473-8.00002-5