Verbeterde procesvoering van het bietensapzuiveringsproces, zoals momenteel toegepast door Suiker Unie

,~~t,i(

T

U

Delft

Technische Universiteit Delft

FVONr.

Fabrieksvoorontwerp

Vakgroep Chemische Procestechnologie

Onderwerp

Verbeterde procesvoering van het

bietensapzuiveringsproces, zoals momenteel

toegepast door Suiker Unie

Auteurs

D. Barten

M.R. Berlmoff

L.F.G. Geers

A.A. Jansen

Keywords

Telefoon

015-2621109

0181-320618

010-4778436

079-3515075

suiker, suikerproduktie, bietensap, bietensapzuivering, kalking, carbonatatie, Suiker Unie

Datum opdracht

Datum verslag

08 september 1995

20 december 1995

Verbeterde procesvoering van het bietensapzuiveringsproces,

zoals momenteel wordt toegepast door Suiker Unie

Een modelmatige procesbeschrijving van de sapzuivering in opdracht van Suiker Unie

Technische Universiteit Delft

Vakgroep Chemische ProcesTechnologie Fabrieksvoorontwerp 3151

Delft, december 1995 D. Barten

M.R. Berkhoff L.F.G. Geers A.A. Jansen

Voorwoord.

Met dit ontwerp is een basis gelegd voor onderzoek aan de sapzuiveringssectie van de suikerfabriek te Dinteloord van Suiker Unie. We hebben getracht een zo goed mogelijke beschrijving van de afzonderlijke apparaten te geven, waarmee variaties in de sapzuivering doorgerekend kunnen worden. In verder onderzoek zou dit gebruikt kunnen worden om de hoeveelheden hulpstoffen te minimaliseren en de procescondities te optimaliseren.

Wij danken de heren Berends en Dijkstra van Suiker Unie voor hun medewerking aan ons FVO. We zijn de heer Hack zeer erkentelijk voor het feit dat hij ons wilde ontvangen op de fabriek te Dinteloord. Ook danken wij de procesoperators van deze vestiging voor het

geduldig beantwoorden van al onze vragen. De heer Luteijn, begeleider van dit FVO, danken wij voor zijn geduld met ons.

20 december 1995, FVO 3151, Suikerteam.

Samenvatting.

In dit fabrieksvoorontwerp is getracht de sapzuivering zoals deze momenteel wordt

toegepast in de suikerfabriek van Suiker Unie te Dinteloord op een modelmatige manier te beschrijven. Hiertoe is over de gehele sectie een massa- en energiebalans opgesteld, aan de hand waarvan de modellen zijn opgesteld. Voor het schrijven van de modellen is het programma MathCAD gebruikt. Om de modellen te toetsen is een alternatieve configuratie van de sapzuivering doorgerekend. Daar uit de massabalans is gebleken dat de afbraak van invertsuiker slechts voor een klein deel (2%) in de hoofdkalking plaatsvindt, waar deze eigenlijk voor is bedoeld, wordt gekeken of het mogelijk is om de hoofdkalking uit de

sapzuivering weg te laten en in plaats daarvan de condities in de overige reactoren zodanig in te stellen dat de specificaties voor het dunsap toch gehaald kunnen worden.

De omschrijving van de opdracht is als volgt:

- Het opzetten van de massa- en energiebalans van de gehele sapzuivering om zo een indruk

te krijgen van de orde grootte van de massa- en energiestromen. Tevens kan aan de hand van de massabalans een indruk worden verkregen van welke reacties in de verschillende apparaten plaatsvinden.

- Het modelleren van de bestaande apparatuur in de configuratie zoals deze is gebruikt

tijdens de campagne van 1995. Over eventuele recyc1es zal slechts kwalitatief een uitspraak worden gedaan. Bij de modellering zal alleen de volgens de literatuur en de massabalans voor het betreffende apparaat belangrijkste reacties worden meegenomen. De opgestelde massabalans is zodanig dat deze overeenkomt met de analyses van Suiker Unie. De opgestelde energiebalans over de sapzuivering is niet verder geverifiëerd met praktijk-waarden.

Er zijn modellen opgesteld voor de voorkalking, het buffervat tussen voor- en hoofdkalking, de hoofdkalking, de eerste en tweede carbonatatie en het narijpvat na de tweede carbonatatie. De uitkomsten van deze modellen voldoen voor sucrose goed aan de

massabalans, er komen nergens afwijkingen voor die groter zijn dan 7%. Wat betreft het

invertsuiker wordt de trend van de massabalans gevolgd. Over glutamine kan geen uitspraak

gedaan worden, omdat glutamine niet expliciet genoemd wordt in de massabalans.

Bij het vergelijken van de alternatieve configuratie met de bestaande configuratie blijkt dat als de hoofdkalking weggelaten wordt uit de sapzuivering, de temperatuur van het buffervat met 5°C verhoogd moet worden en er een narijpvat nodig is met een volume dat 1.7 maal zo groot is als het oorspronkelijke om nagenoeg dezelfde samenstelling te krijgen van het dunsap.

Het is gebleken dat het eenvoudig is om in de modellen de condities te veranderen. pe modellen kunnen op een zodanige wijze gebruikt worden dat, na verandering van pH, temperatuur, concentraties van ingaande stoffen en verblijftijden, de uitgaande concentraties van suiker, glutamine en invertsuiker en de pH berekend worden.

Inhoud

I Inleiding - Suiker - Milieu - De opdracht TI De Uitgangspunten - Het proces - Optredende reacties

- Input & Output van de modellen

- Externe specificaties en randvoorwaarden: - Grondstoffen

- Produkten - Hulpstoffen

III Proces Struktuur en Proces Flowsheet -Thermodynamica:

- reacties & evenwichten - enthalpiën van de stofstromen -Toelichting van de processtruktuur:

-Struktuur opbouw

- Overzicht en uitleg van unit operations -Procesflowsheet

IV Proces Flowsheet en apparatuurberekeningen -Kinetiek:

- Sucrose hydrolyse - Invertsuiker

-Glutamine afbraak

- Reactieserie van CO₂ in gas naar CO/" in vloeistof -De modellen: -Algemeen en aannamen - V oorkalking - Buffertank - Hoofdkalking - Eerste carbonatatie - Tweede carbonatatie - Narijpvat

- Evaluatie van de modellen

-Een alternatief doorgerekend met de modellen • Pompenberekeningen V Massa- en energiebalans -Massabalans -Energiebalans v 1 1 1 1 3 3 4 4 4 5 6 6 6 7 7 8 10 11 11 12 13 13 14 14 14 15 15 15 16 18 20 21

VI Regelstruktuur -Flowregeling -Temperatuurregeling -Opstartprocedure VII Procesveiligheid VIII Economie 23 25 25 26 -Algemeen 31 -Theorie 31

-De produktie-afhankelijke kosten 32

-De loonkosten 32

-De investeringen

- Taylor 33

- Zevnik-Buchanan 34

-De totale kosten 34

-De totale opbrengsten 35

-De winst 35

-Economische criteria

- Return on investment 35

- Internal rate of return 36

-Evaluatie kostenberekeningen 37

IX Conclusies en aanbevelingen

-Conclusies 38

-Aanbevelingen 39

X Lijst van tekstsymbolen 40

XI Literatuuroverzicht 42

xm

Bijlagen

A Overzicht van de belangrijkste componenten in ruwsap Al

BBP-proeven van

- 3-10-'95 BI

- 17-10-'95 B2

- 31-10-'95 B3

C pH-verloop in de voorkalking Cl

D Selectietabel voor de pompen DI

E Aannamen in de massa- en energiebalans

- Gebruikte gegevens voor het opstellen van massa- en energiebalansen El

- Aannamen massabalans overall E2

- Aannamen massabalans componentendeel E2

- Berekeningswijze gebruikt bij massabalans E3

- Aannamen energiebalans E6

F Massa- en energiebalansen

- Massabalans per apparaat Fl

- Energiebalans per apparaat - Componentenbalans - Massa- en warmtebalans G Produktie afhankelijke kosten H Scoretabel van Taylor

I Modellen

- Voorkalking

- Modellering van de buffertank - Hoofdkalking - I ste carbonatatie - 2de _carbonatatie - Narijpvat

J

TNO-rapport K Apparaatlijsten en tekeningen - Reactoren en vaten - Filters - Warmtewisselaars L Flowsheet vii F3 F6 F7 GI Hl 11 11 Kl K3 K4

Sapzuivering Inleiding

I Inleiding.

Suiker.

Suiker wordt traditioneel gewonnen uit twee gewassen, suikerbiet en suikerriet. De suikerproduktie in Nederland vindt plaats op basis van suikerbieten. De suikerbieten worden verwerkt gedurende de maanden oktober, november en december; beter bekend als de campagne. Voor half november moeten alle bieten geoogst zijn in verband met de kans op vorst. Vanaf die tijd tot en met het einde van de campagne in december worden de bieten opgeslagen. Tijdens de opslag gaan de kwaliteit (slijmerige stoffen ontstaan, wat problemen geeft bij filtratie) en het suikergehalte van de bieten achteruit door rotting en ademing, zodat langer opslaan niet wenselijk is. De resterende tijd van het jaar ligt de fabriek stil.

De markt voor suiker in Nederland wordt verdeeld tussen twee suikerfabrikanten, te weten Suiker Unie en de CSM. Twee derde van de suikermarkt is in handen van Suiker Unie. De totale produktiecapaciteit van Suiker Unie, verdeeld over vier fabrieken, bedraagt ca. 700.000 ton witsuiker per jaar. De produktiecapaciteit van de fabriek in Dinteloord is ca. 220.000 ton per jaar.

Daar de afzetmarkt in Nederland zo goed als verzadigd is en binnen Europa de marktprijs beschermd is, wordt er in deze opdracht niet naar gestreefd een grotere produktiecapaciteit te verkrijgen. De nadruk ligt vooral op het optimaliseren van de sapzuivering. Deze

sapzuivering dient om het suikersap dat uit de diffusietoren komt te reinigen van zwevende en colloïdale deeltjes en om het thermostabiel te maken.

Milieu.

Aan de winning van suiker zijn een aantal milieu problemen verbonden. Zo wordt er veel proceswater gebruikt, onder andere voor het wassen van de bieten en extractie van het suiker. Dit wordt echter door Suiker Unie gezuiverd in een eigen afvalwaterzuivering. Bij deze zuivering komt het water in een open bezinkbak. Dit veroorzaakt onder bepaalde

omstandigheden stankoverlast in de omgeving. Verder treden er geurproblemen op door het ammoniak dat via de schoorsteen de fabriek verlaat.

Tot slot heeft Suiker Unie voor de fabriek in Dinteloord een uitgebreide studie gedaan naar de warmte-integratie van de gehele fabriek. Bij de renovatie van de fabriek in 1987 is deze optimalisering van de warmtehuishouding toegepast.

De opdracht.

Het ontwerp is tot stand gekomen naar aanleiding van een voorstel van Suiker Unie tot verbetering van de sapzuivering, zoals momenteel wordt toegepast in het suikerwinnings-proces. Omdat de huidige procesvoering voornamelijk berust op empirie en ervaring, is het wenselijk een modelmatige procesbeschrijving te verkrijgen om zo de procesvoering en

---Sapzuivering Inleiding procescontrole te verbeteren. Hiertoe wordt de suikerfabriek te Dinteloord als uitgangspunt genomen.

De aanpak is als volgt:

- Het opzetten van de massa- en energiebalans van de gehele sapzuivering om zo een indruk te krijgen van de ordegrootte van de massa-en energiestromen. Tevens kan aan de hand van de massabalans een indruk worden verkregen van welke reacties in de verschillende apparaten plaatsvinden.

- Het modelleren van de bestaande apparatuur in de configuratie zoals deze is gebruikt tijdens de campagne van 1995. Over eventuele recyc1es zal slechts kwalitatief een uitspraak worden gedaan. Bij de modellering zal alleen de volgens de literatuur en de massabalans voor het betreffende apparaat belangrijkste reacties worden meegenomen.

Afgas @ c. (!) 111 lil 0> :;:; ~ _{Buffer .s} cu ::l

...

0:: ~ cu cu c:: (i) Û §]

_...

@ §] (tp @ ~ 0 @ -0 ..c §]

-

₀ .... cu 0 0 :r: _~§] cO2 §] Afgas @~ Kalkmelk @ :;:; (!) NaOH 2 @ CU IDekanteurs c:: 2" Filtratie 0 _Dunsap ..c @ @ @ _@ .... CU @ ~ ~

I~

_§] @

'""w .. "

~

+

Naar blust~k

I

I

@ @ M2 @ CO2 Schuimaar~ @ ~ Figuur 1.1: recyc1estructuur

Sapzuivering De uitgangspunten

11 De uitgangspunten.

Het proces.

In dit rapport wordt een onderdeel van de suikerproduktie, de sapzuivering, bestudeerd. De beschouwde sapzuivering is gebaseerd op een capaciteit van 16800 ton bieten per dag. De gebruikte technologie is die zoals toegepast in de fabriek van Suiker Unie in Dinteloord tijdens de campagne van 1995. Deze technologie bevat de volgende "vaste" componenten: een progressieve voorkalking, een hoofdkalking, en een tweetal carbonataties.

Variaties ontstaan door de mogelijkheid verschillende stromen te recyclen. Een blokschema van het huidige proces is weergegeven in figuur 1.1.

De fabriek is om stankoverlast te voorkomen buiten de bebouwde kom gesitueerd.

Daarnaast zijn er goede aan- en afvoerwegen en ligt de fabriek vrij centraal in de regio die zij moet bedienen.

De stofstromen die het proces ingaan zijn de volgende: het ruwsap (dit is de stroom die uit de diffusietorens komt), de kalkmelk, het koolzuurgas en het spoelwater. De uitgaande stoffen zijn: het dunsap (dit is de gezuiverde stroom, waaruit vervolgens de suiker gekristalliseerd wordt), de schuimaarde (dit is de slurry uit de draaifilters, die onder de naam Betacal als mest wordt "verkocht"), de stroom naar de blustank, die gebruikt wordt om de kalkmelk aan te maken en het afgas uit de carbonatatiereactoren. Bijlage A geeft een overzicht van de belangrijkste componenten die zich in het ruwsap bevinden.

De optredende reacties.

De onderstaande reacties zijn meegenomen in de modellen. Dit zijn de belangrijkste reacties in dit onderdeel van de suikerproduktie:

glutamine - afbraakprodukten (II.2)

Ca2+

+

cot '"

CaC0₃ (II.6)

CaO + _{H20 '" Ca(OH)2 (II.7)}

Sapzuivering De uitgangspunten

Bij de reactie van invert tot zuren wordt aangenomen dat de massa afname in invert gelijk is aan de massa toename van de zuren. Het zou zo kunnen zijn dat er bijprodukten ontstaan die hierdoor ook tot de zuren gerekend worden. In de massabalans wordt in reactie ( 1.2 ) onder de afbraakprodukten PCA en NH4 + verstaan.

Input & Output van de modellen.

In de modellen zijn de volgende apparaten beschreven: de voorkalkingsreactor, het

buffervat, de hoofdkalkingsreactor, de eerste en tweede carbonatatie reactoren en het narijpvat na de tweede carbonatatie. In deze modellen is het mogelijk om de temperatuur, de ingaande concentraties, de pH, het volume en het debiet te varieren. Het model rekent dan uit wat de uitgaande concentraties zijn en wat de uitgaande pH is.

Externe specificaties en randvoorwaarden.

De externe specificaties en randvoorwaarden van het sapzuiveringsproces kunnen onderverdeeld worden in drie categoriën:

- Grondstoffen:

Het ingaande ruwsap kan nogal van samenstelling variëren. Dit komt doordat de kwaliteit van de suikerbieten verschilt. In het begin van het seizoen bevatten de bieten nog niet de maximale hoeveelheid suiker, waardoor de suikerconcentratie in het ruwsap laag is. Dit heeft verder geen gevolgen voor de de procesvoering, alleen de opbrengst is lager. Later in het seizoen bevatten de bieten meer suiker, maar ook meer slijmerige stoffen door

rottingsprocessen. Dit heeft gevolgen vor de filtreerbaarheid van het sap. Er is dan meer filterhulpmidel nodig in de vorm van calciumcarbonaat.

- Produkten:

Het uitgaande dunsap moet zo min mogelijk calcium bevatten. Bij een te grote hardheid van het dunsap ontstaan er scalings problemen in de verdampers. Ook is het niet gewenst om veel invertsuiker in het dunsap te hebben. Dit geeft kleurvorming bij verdere verwerking. Verder moeten de zuren en alle eiwitten er voor het grootste deel uit zijn gehaald zijn. In dit ontwerp is uitgegaan van de analysewaarden (bijlage B) van Suiker Unie als specificatie voor het dunsap.

Het verlies van suiker met de schuimaarde moet vanzelfsprekend zo klein mogelijk gehouden worden. Als maximum verlies wordt een waarde van 0.05 % op biet genomen.

Sapzuivering De uitgangspunten

- Hulpstoffen:

De hulpstoffen worden onderscheiden in kalkmelk en koolstofdioxide houdend kalkovengas. De kalkmelk bevat 210 gram per liter calciumoxide. Het geproduceerde kalkovengas bevat 40 volume procent koolstofdioxide. Voor de verwarming van de verschillende stromen in de sapzuivering wordt stoom uit de verschillende verdampers gebruikt!.

Sapzuivering Proces Struktuur en Proces Flowsheet

111 Proces Struktuur en Proces Flowsheet

Thermodynamica. Reacties en evenwichten

De volgende reacties en evenwichten zijn in de modellen meegenomen.

glutamine -+ afbraakprodukten (Il.2)

COig) ~ COiaq) (Il.3)

Ca2+ +

cot

~ CaC0₃ (Il.6)

CaO + _H20 ~ Ca(OH)2 (Il.7)

De bovengenoemde reacties zijn ook gebruikt voor de massabalans. Hier is echter de tweede reactie vervangen door:

glutamine -+ PCA + NH₄ + (IIl.1 )

Enthalpiën van processtofstromen:

De enthalpiën van de stromen, betrokken op de referentie temperatuur van 20°C, worden als volgt berekend:

Hierbij is cp afhankelijk van de temperatuur en het vaste stof gehalte van de stroom. De cp waarden zijn gehaald uit Zuckerherstellung2.

FVO 3151 6 D. Barten, M. Berkhoff, L. Geers, A. lansen

spoelwater 8.3 kIYS - - - ,

002 3.4 kgf. ove~oop 3.8 kgfs

laag eluaat 4.7 kgfs

hoog eluaat 2.1 kg/a

kalkmelk 18.5 klto

ruwsap 233.1 kgfs

t

t

1

1

~

Figuur m.l: Input-output diagram.

y

I

f--~ dunsap 229.4 kIYs

naar blustank 16.2 kIYs

~ othulmaa,de 16.8 kgfs

~ .tg.. 11.5 kgfs

Schema, volgens welke de sapzuivering is gemodelleerd.

Voorkalking Afgas A 1 e Carbonatatie Kalkmelk I Overlopen Eluaten Kalkmelk

~J

Afgas

o,"'"",rn.

(j)

1

~::_at_ie_~

I

co Narijpvat Dunsap

• --~ 2 Naar blustank 2e Carbonatatie

plitter Schuimaarde ~;--t_--.J

Spoelwater ~---'

Sapzuivering Proces Struktuur en Proces Flowsheet

Toelichting van de processtruktuur.

Struktuur opbouw

De opbouw van de verschillende strukturen om tot een systematische procesbeschrijving te komen zijn in de vorm van het input-output diagram (figuur III.l) en de modelstruktuur (figuur III.2) weergegeven op de linkerpagina. De recycle-struktuur is weergegeven in figuur 1.1.

Overzicht en uitleg van de unit operations

In het hierna volgende zijn de unit operations met hun belangrijkste functies puntsgewijs

weergegeven. voorkalking:

- de colloïden vlokken uit,

- de zuren slaan neer met calcium,

- de sucrose wordt gehydrolyseerd tot glucose en fructose (invertsuiker), - het invertsuiker wordt omgezet in zuren (vnl. melkzuur) en kleurstoffen,

- glutamine wordt omgezet in glutaminezuur, pyrrolidoncarbonzuur en ammoniak buffervat:

- sucrose wordt afgebroken, - invertsuiker wordt afgebroken, - glutamine wordt afgebroken hoofdkalking:

- sucrose wordt afgebroken, - invertsuiker wordt afgebroken, - glutamine wordt afgebroken eerste carbonatatie:

- calcium reageert met CO₂ tot calciumcarbonaat en slaat neer,

- sucrose wordt afgebroken, - invertsuiker wordt afgebroken, - glutamine wordt afgebroken

Sapzuivering Proces Struktuur en Proces Flowsheet

tweede carbonatatie:

-het restant van het calcium reageert met CO₂ tot calciumcarbonaat en slaat neer. - sucrose wordt afgebroken,

- invertsuiker wordt afgebroken, - glutamine wordt afgebroken

Procesflowsheet (zie bijlage L)

Het ruwsap dat uit de ruwsapballon achter de diffusietoren komt is nog niet thermostabiel en het bevat naast suiker vele zuren en eiwitten. Voor het sap verder verwerkt kan worden in de verdampers moet het eerst behandeld worden in de sapzuivering.

De eerste stap in het zuiveringsproces is de voorkalking volgens Brieghel-Müller. Hierbij wordt kalkmelk aan de ruwsapstroom toegevoegd om ervoor te zorgen dat het sap met een 6 in pH stijgt tot -12 en om de aanwezige zuren en eiwitten neer te slaan. Het pH-verloop in de reactor is daarbij van groot belang. Omdat ieder eiwit op zijn eigen iso-electrisch (hier: pH) punt neerslaat, moet volgens de literatuur de pH van het ruwsap

langzaam oplopen tot 12. Om dit pH verloop te realiseren bestaat de voorkalkingsreactor uit zeven geroerde secties die van elkaar gescheiden zijn door keerschotten. Hierdoor ontstaat een soort plugflow-reactor met backmixing. De kalkmelk wordt in de laatste sectie

toegevoegd, zodat de pH daar het hoogst is, en zal zich via de terugstroom door de reactor verdelen over alle secties. Gezien het feit dat de iso-electrische punten van de belangrijkste aanwezige eiwitten en aminozuren in het gebied pH 7 tot pH 8 liggen, valt te verwachten dat het pH-verloop een holle kromme is (vlak in het gebied pH 7-8 en daarna steil naar 12). Dit is echter niet het geval. Het pH verloop moet een rechte zijn vanwege het pectine dat in de sapstroom aanwezig is. In het gebied van pH 6 tot ongeveer 8.5 verestert pectine en bindt een calcium-ion aan de carboxylgroep. Bij hogere pH slaat dit calciumpectinaat neer. Het nadeel hiervan is dat pectine bij hoge temperatuur en pH in twee of drie brokstukken uiteenvalt, dus volledige neerslag van pectine is niet mogelijk. De temperatuur van de voorkalking mag niet te hoog zijn, vanwege het niet thermostabiel zijn van het ruwsap. Bij hogere temperatuur verlopen de nodige reacties sneller en daarom is hier voor 55°C gekozen. Na de voorkalking wordt nog meer kalkmelk toegevoegd en worden in een buffervat de overlopen uit de hele fabriek en het hoog en laag eluaat uit de ontharding bijgemengd. In dit buffervat vinden twee belangrijke reacties plaats, de afbraak van invert en glutamine.

Het inmiddels thermostabiele sap wordt in de tweede aanwarmer verder verwarmd tot

8rC en gaat vervolgens de hoofdkalking in. Het hoofdkalkingsvat is een rechtopstaande kolom met een binnenpijp. De vaste deeltjes bezinken voor een deel in de binnenpijp en worden onderaan als sludge afgevangen. Aan de bovenkant wordt het supernatant afgevangen uit de buitenpijp (eigenlijk annulus). Vervolgens worden de twee stromen weer

samengevoegd. In de hoofdkalking wordt het invert dat nog in de stroom zit verwijderd, dit gebeurt alleen in alkalisch milieu (pH 12). De grootte van het vat is te verklaren uit het feit dat het invert al voor het grootste deel uit de stroom verdwenen is (voor 75 à 80%) en er dus veel (verblijf)tijd nodig is om de laatste 10% weg te laten reageren. Uit de modellen blijkt echter dat bij andere proces condities dit vat eventueel vervangen zou kunnen worden door

Sapzuivering Proces Struktuur en Proces Flowsheet

een kleiner vat of zelfs weggelaten.

Na de hoofdkalking bevat de sapstroom veel calcium, zowel in opgeloste vorm als in vaste vorm (vn!. Ca(OH)2' CaO en Ca-zouten van div. eiwitten en zuren). In de eerste carbonatatie wordt ervoor gezorgd dat de opgeloste kalk neerslaat en complexen vormt met de Ca-zouten zodat deze afgefiltreerd kunnen worden. Dit gebeurt door het sap in een airlift-reactor met CO2-rijk gas, uit de kalkoven te begassen. Er is beduidend meer kalk toegevoegd in

voorgaande stappen om later als filter-aid te fungeren, zou precies voldoende kalk toegevoegd worden dan ontstaat er een slijmerige onfiltreerbare drap. De temperatuur bij de carbonatatie is vrijwel gelijk aan die van de hoofdkalking. Door het begassen met CO2, dat opgelost een zuur vormt met water, daalt de pH tot ongeveer 11. Na de eerste carbonatatie wordt het sap verder opgewarmd tot 92°C en gaat de decanteurs in, waar de vaste deeltjes als dikke slurry worden afgescheiden.

Aan het decanteursap wordt de helft van het permeaat uit de draaifilters toegevoegd, daarnaast wordt weer kalkmelk aan het sap toegevoegd om de laatste onzuiverheden weg te vangen. Vervolgens wordt het sap opgewarmd tot 98°C in de derde aanwarming.

De tweede carbonatatie, die volgt op de derde aanwarming, werkt precies hetzelfde als de eerste carbonatatie. De temperatuur is nu 9rC en de pH daalt van 11 naar ongeveer 9.5. De gas stroom door het tweede carbonatatie vat is veel kleiner dan die door het eerste carbonatatie vat, omdat het grootste deel van de onzuiverheden al in de eerste carbonatatie is

weggenomen. Naast het verwijderen van onzuiverheden dient de tweede carbonatatie voor het ontharden van het sap. Het narijpvat dat achter de tweede carbonatatie staat levert de extra verblijf tijd nodig om de grote hoeveelheid carbonaten, die in de tweede carbonatatie gevormd zijn, weg te laten reageren tot CaC03. Tenslotte wordt het sap gefiltreerd in de

tweede filtratie. Deze bestaat uit 8 kaarsenfilters. Het filtraat is het dunsap, dat via de veiligheidsfiltratie (9 Grand Pont filters) doorstroomt naar de kookpannen voor verdere verwerking. De slurry uit de tweede filtratie wordt samen met de slurry uit de decanteurs in de draaifilters verwerkt. Met spoelwater wordt zoveel mogelijk van het in de filterkoek

aanwezige suiker uitgespoeld. Dit spoelwater gaat mee met het permeaat. Een deel van het permeaat gaat naar de kalk blustank voor de aanmaak van kalkmelk. De vaste stof die van de draaifilters afkomt wordt als schuimaarde afgevoerd.

Sapzuivering Proces Flowsheet en Apparatuurberekeningen

IV Proces Flowsheet en apparatuurberekeningen

kinetiek

In de modellen van de voorkalking, het buffervat, de hoofdkalking, de 1 e en 2e carbonatatie en het narijpvat is de kinetiek volgens Imming3 en Buczys e.a.4 gebruikt. Imming heeft onder andere de kinetiek van de suiker-hydrolyse en de invertsuikervorming en -afbraak

beschreven; Buczys heeft de glutamine-afbraak in de suikerproduktie beschreven.

Sucrose-hydrolyse

De suiker-hydrolyse vindt plaats volgens een eerste orde reactie in de suikerconcentratie:

( IV. 1 )

Waarin de snelheidsconstante k[ bepaald wordt door de som van de bijdragen van base-, zout- en zuurkatalyse:

(IV.2 )

Deze drie bijdragen zijn elk voor zich weer functies van temperatuur en de zuurgraad enJof zoutconcentratie: 5340 log(k_b) = 7.24 - - - - 0.0036' T + 0.3' pH T log(k) = 11.06 - 5250 + log(c zo) T = 13.39 - 5670 + 0.012·T - pH T

Het zoutgehalte wordt bepaald uit de som van:

- a-N gehalte (mol/kg) = 1/14' a-N gehalte (g/kg)

- invertsuikerafbraakprodukten = 0.007 . invertsuiker (g/kg) - "zouten" (mol/kg)= 1/94 . "leitfähigkeits-asche"

(IV.3 )

(IVA)

(IV.5 )

Sapzuivering Proces Flowsheet en Apparatuurberekeningen De "leitfähigkeits-asche" wordt uitgedrukt in mol kaliumoxide, wat het hoofdbestanddeel van het as is.

invertsuiker

De invertsuiker wordt gevormd uit de sucrose en gelijktijdig afgebroken tot zuren en kleurstoffen volgens eerste orde reactiekinetiek:

(IV.6 )

Waarin de snelheidsconstante voor de invertafbraak k2 opgebouwd is uit de volgende twee

termen:

Hierin wordt k2' gegeven door:

5620

log(k₂) = 6.396 - - 0.012"T + pH

T

en geeft kd' de invloed van de aminozuren weer:

log(k

d) = 5.55 - 4885 + 0.8099 'pH + 10g(F)

T

met F = -0.1047 "1O-1S.753'CwUT + 0.1037

Glutamine-afbraak

De glutamine-afbraak vindt ook weer via een eerste orde reactie in de glutamineconcentratie plaats:

r = -k "C

glu glu glu

Waarin de snelheidsconstante kg1u afhankelijk is van de temperatuur en pH:

k I (1)

=

exp[ -(

l

-

_1_). 7054 + ln(k I (363)] gu T 363 gu (IV.7 ) (IV.8 ) (IV.9 ) (IV.lO ) (IV.11) (IV. 12 )

Sapzuivering Proces Flowsheet en Apparatuurberekeningen

k (363) = 0.0138 + ex (pH -14.0)

glu p 0.65 (IV.13)

Reactieserie van CO₂ in gas naar CO/" in vloeistof

Met behulp van een stofoverdrachtscoëfficient volgens Bello (zie Moo-Young5), die geldt

voor airlift reactoren met interne recirculatie, is het oplos-evenwicht van CO2 in de

carbonatatie-reactoren bepaald. De gebruikte relatie is:

Ad 08

kLa = 0.76' (1 +

A

)2. U_g; en voor U_gr geldt (IV. 14 )

r

<I> ·R·T P ·g·h

U

=

molG .ln(1 + I d)

gr p.A.h.g P

I r d h (IV. 15 )

Waarin Ugr de gassnelheid in de riser is. De vergelijking voor de eerste orde kinetiek wordt

daarmee:

(IV. 16 )

De kinetiek van de reactie van CO2 en OR naar HC03- is beschreven door Hostomsky6. De

reactiesnelheid is van complexe orde en wordt gegeven door de volgende vergelijking:

Kw

rco =-k_{co . (cco 'Cow-(-)'CHCO-)}

2 2 2 K 3

. 1

(IV. 17 )

Ook de kinetische vergelijking van de reactie van HC0_3-en OR naar

cot

en H₂0 is beschreven door Hostomsky6. De reactiesnelheid hier van is eveneens van complexe orde en wordt gegeven door de volgende vergelijking:

(lV.18 )

Sapzuivering Proces Flowsheet en Apparatuurberekeningen

De modellen

Algemeen en aannamen

Voor alle processtappen geldt dat de pH werd berekend uit de hoeveelheid opgelost OH" en de waterconstante bij de geldende temperatuur. Dat gebeurt op de volgende manier:

pH =pKw + log (C_OH) = log (c_OH) -log(Kw) _{(IV. 19 )}

De hoeveelheid opgelost calciumhydroxide in de kalkmelk werden berekend met het oplosbaarheidsprodukt van calciumhydroxide. Er is niet gekeken naar wat er nog verder oplost van de vaste calciumhydroxide uit de kalkmelkstroom als deze bij de andere stromen wordt gevoegd.

Wat de ionen betreft werden in de carbonataties alleen de reacties van Ca2+, OH", HC0_3-en

CO/- bekeken en in het narijpvat alleen de reactie van HC0_3-naar CO/-. In alle processtappen werd de kinetiek van suiker-, invert- en glutamine-afbraak beschouwd.

Er werd bij het bepalen van de zoutconcentratie (voor suiker- en invertafbraak reacties) vanuit gegaan dat het invertsuikerafbraakprodukt zo weinig veranderde dat we dit constant verondersteld hebben. De hoeveelheid afbraakprodukt werd uit componentbalans gehaald.

De uitgewerkte modellen in MathCAD-formaat zijn gegeven in bijlage I.

Voorkalking

De voorkalking werd gemodelleerd als een serie van zeven ideaal geroerde tanks,

waartussen zowel heen- als terugstroom plaatsvond. De kalkmelkstroom kwam in de zevende sectie binnen. Deze configuratie is nodig om een geleidelijk en lineair pH-verloop over de voorkalking in te stellen. Het regelen van dit verloop gebeurt met f-factoren. Deze factoren worden als volgt gedefiniëerd:

<I>

1.-

= V,back;

I <I>

V_o

Waarin <I>v back i de terugstroom is van tank i+ 1 naar tank i; f_i is dan ook betrokken op déze

stroom. <I>vo is de stroom sap die de voorkalking inkomt. De pH en de ca1ciumconcentratie in iedere sectie werden berekend door de massabalansen van deze componenten in iedere sectie op te lossen. De f-factoren werden zó ingesteld dat ze een pH-verloop opleverden dat gelijk was aan het verloop in de praktijk (analyse 9-10-95, bijlage C).

Sapzuivering Proces Flowsheet en Apparatuurberekeningen

De ingaande hoeveelheden Ca2+, OR, suiker, invertsuiker en glutamine werden gehaald uit

de componentenbalans. Voor de kinetiek van de suiker- en invertafbraakreacties werd de asconcentratie berekend uit de som van alle gemiddelde (over in- en uitgang van de

voorkalking) ionenconcentraties. Voor deze concentraties en voor de concentratie a-N

werden overal de waarden genomen uit BP Proef A1-D van 3-10-1995 (bijlage B).

Buffertank

In de buffertank na de voorkalking worden de overloopstromen, het hoog en laag eluaat uit

de ontharding, een kalkmelkstroom en de gekalkt sapstroom samengevoegd. Voor het

modeleren van de buffertank leek het echter eenvoudiger, gezien de reacties in de buffertank, deze stromen vóór de buffer al samen te laten komen. Deze tank werd gemodelleerd als een ideaal geroerde tank.

De as- en a-N-concentratie voor de suiker- en invertafbraak kinetiek werden berekend uit

de gemiddelde ionenconcentraties tussen de uitlaat van de voorkalking en de inlaat van de hoofdkalking.

Hoofdkalking

De hoofdkalking is bedoeld om de reacties die daar optreden, in het bijzonder de

invertafbraak, verblijftijd te bieden. Volgens het model van de R.u.G.7 lijkt de

verblijftijdsspreiding van de hoofdkalking het meest op die van een ideaal geroerde tank en een plug flow reactor in serie. Het cstr-gedeelte heeft dan een volume van 45% van de totale hoofdkalking en het pfr-gedeelte heeft een volume van 55% van de totale hoofdkalking. Dit model werd gebruikt bij de modellering van de hoofdkalking. Het plugflow-gedeelte werd hierbij voorgesteld als een serie van 5 ideaal geroerde tanks. Dit had echter ook een echt pfr-model mogen zijn.

De as- en a-N-concentratie voor de suiker- en invertafbraak kinetiek werden berekend uit de ionenconcentraties bij de inlaat van de hoofdkalking.

Eerste carbonatatie

In de eerste carbonatatie wordt ervoor gezorgd dat de calcium-ionen in het gekalkt sap

neerslaan als calciumcarbonaat-deeltjes, zodat er meteen een filter-hulpmiddel gevormd

wordt. De eerste carbonatatie werd gemodelleerd als een ideaal geroerde tank met drie fasen, te weten:

- Het doorstromende gas, bestaande uit voornamelijk stikstof (60%-vol) en koolzuur

(40%-vol), waaruit koolzuur wordt overgedragen naar het sap

- Het sap, bestaande uit voornamelijk suiker, water, calcium-ionen en reststoffen, waarin de

calcium-ionen reageren met opgelost koolzuur

- Vast calciumcarbonaat, dat ontstaat door neerslag uit het sap

Sapzuivering Proces Flowsheet en Apparatuurberekeningen

Met de relaties van Moo-Y oung5 werd een stofoverdrachtssnelheid berekend, uitgaande

van de dimensionering van de reactor gegeven door Koekoek8

• Deze stofoverdrachtssnelheid

werd vervolgens aangepast met een empirische factor om het koolzuur-rendement kloppend

te maken met de realiteit (Koekoek8). De uitgangsconcentraties werden berekend door

massabalansen op te stellen van de desbetreffende componenten over de drie fasen.

Aangezien er geen reactie-kinetiek gevonden werd voor het neerslaan van calciumcarbonaat, werd hiervoor een conversiefactor gebruikt (berekend met behulp van de

component-balansen).

De as- en a-N-concentratie voor de suiker- en invertafbraak kinetiek werden berekend uit de gemiddelde ionenconcentraties tussen de inlaat van de hoofdkalking en de uitlaat van de eerste carbonatatie.

Tweede carbonatatie

De tweede carbonatatie werd precies hetzelfde gemodelleerd als de eerste. De as- en

a-N-concentratie voor de suiker- en invert afbraak kinetiek werden berekend uit de gemiddelde ionenconcentraties tussen de inlaat en de uitlaat van de tweede carbonatatie.

Narijpvat

Het narijpvat is nodig om het overgebleven HC0_3" te verwijderen door het te laten

reageren tot cat dat met Ca2+ neerslaat. Aangezien dit vat op te vatten is als een plugflow

reactor met veel dispersie, werd het gemodelleerd als 5 cstr's in serie.

De belangrijkste reactie, die in het narijpvat plaatsvindt, is de reactie van HC03" met OR

tot

cat

en water. Bij het berekenen van het verloop van de HC03" concentratie over de vijf

tanks werden de concentraties van

cat

en OR constant verondersteld, omdat die

componenten in grote overmaat aanwezig waren.

De as- en a-N-concentratie voor de suiker- en invert afbraak kinetiek werden berekend uit de gemiddelde ionenconcentraties tussen de uitlaat van de tweede carbonatatie en het dunsap.

Evaluatie van de modellering

De procentuele afwijkingen van de modellen ten opzichte van de componentbalansen, wat betreft de suiker- en invertconcentraties, zijn gegeven in de volgende tabel:

Sapzuivering Proces Flowsheet en Apparatuurberekeningen

TblIVl P a e ,

.

rocentue e a I f WIJl "ki ngen voor SUl 'k er- en mvertconcentratles

Afwijking in suikerconc. Afwijking in invertconc.

(%) (%) Ruwsap

0.0

0

.

0

VK uitlaat

2.5

47

Buffer uit

4

.

7

75

HK uitlaat

4

.

7

100

1 e carbo uit

5.2

100

2

e carbo uit

6.2

100

Narijpvat uit

6

.

0

100

Er kan geconcludeerd worden dat de suikerafbraak goed voldoet aan de gebruikte kinetiek, maar de invertafbraak niet. Er vindt volgens de modellen te veel invertafbraak plaats. De trend van afnemende invert-concentratie in de componentenbalans werd door de modellen wel gevolgd.

Wat betreft glutamine kunnen geen afwijkingen van de componentenbalans worden uitgerekend, want in de componentenbalans is de glutamine-concentratie niet expliciet gegeven.

De ca1cium- en carbonaatconcentraties blijken niet te kloppen met de componentenbalans, omdat de kinetiek van deze reactie niet bekend is. Volgens het model van het narijpvat wordt er geen He0₃' omgezet naar carbonaat, terwijl dit toch de bedoeling was. Waarschijnlijk is de kinetiek hiervan de oorzaak. Er was helaas geen tijd meer om die te valideren.

Een alternatief doorgerekend met de modellen.

Omdat uit de massabalansen is gebleken dat in de hoofdkalking slechts 2% van de totale invertafbraak plaatsvindt, terwijl dit toch het doel van de hoofdkalking is, wordt gekeken of het mogelijk is om de hoofdkalking in zijn geheel uit de sapzuivering weg te laten.

Hierbij wordt verwacht dat een verhoging van de temperatuur in het buffervat voldoende is om de gewenste afbraak van invert te bereiken. Wanneer dit niet voldoende blijkt te zijn, kan het volume van het buffervat vergroot worden.

De resultaten van het doorrekenen van de verschillende configuraties van deze alternatieve procesvoering zijn hieronder in tabel IV.2 weergegeven (Hierbij voorop gesteld dat de

modellen geldig zijn, hoewel uit het voorgaande is gebleken dat dit slechts voor de trends geldt). Deze resultaten zijn bereikt door in elk model de uitgaande concentraties van de vorige processtap in te voeren en de gewenste temperaturen en volumina in te vullen. Weergegeven

Sapzuivering Proces Flowsheet en Apparatuurberekeningen zijn alleen de waarden zoals deze uit het model van het narijpvat komen.

TblIV2 a e . : resu a en van lt t h e t d oorre enen van k d e versc 1 en e con 19uratles. hll d f

glutamine suiker invert

(glm3) (glm3) (glm3) normale werkwijze 4.3 136978.5 2.1 *10-21 hoofdkalking eruit 14.6 137085.9 5.9* 10-13 T_YK 5°C omhoog 14.1 137083.2 4.4*10-13 Tbuffer 20°C omhoog 10.4 135635.1 9.8*10-14 V buffer 2x ZO groot 13.1 137083.2 3.4* 10-13

T_YK 5°C omhoog, Tbuffer 5°C omhoog, 11.9 137076.7 1.5* 10-13

Vbuffer 2x zo groot

T_YK 5°C omhoog, Tbuffer 5°C omhoog, 2.2 136850.3 4.7*10-15

V huff .. 2x zo groot, V nariin 2x zo groot

TYK 5°C omhoog, Tbuffer 10°C omhoog, 2.5 136852.0 5.7* 10-15

V n.riin 2x zo groot

Tbuffer 10°C omhoog, Vnarijp 2x zo groot 2.5 136854.7 8.5* 10-15

Tbuffer 5°C omhoog, Vnarijp 1.7x zo groot 4.1 136925.5 3.0* 10-14

Uit deze resultaten blijkt dat, wanneer voor de glutamineconcentratie wordt gesteld dat deze kleiner of gelijk moet zijn aan 0.029 en voor de invertsuikerconcentratie dat deze kleiner moet zijn dan 1 * 10-9, er een aantal mogelijkheden zijn ter vervanging van de hoofdkalking:

- De temperatuur van de voorkalking met 5°C omhoog, de temperatuur van het buffervat met 5°C omhoog, het volume van het buffervat twee maal zo groot maken en het volume van het narijpvat verdubbelen. Dit geeft een klein verlies in de suikerconcentratie, en het kost twee vaten extra. Ook de energietoevoer gaat omhoog.

- De temperatuur van de voorkalking 5°C omhoog, de temperatuur van het buffervat 10°C omhoog en de grootte van het narijpvat verdubbelen. Dit geeft een klein verlies in suiker, maar een extra buffervat is nu niet nodig.

- De temperatuur van het buffervat 10°C omhoog en het volume van het narijpvat

verdubbelen. Dit geeft ook een klein verlies aan suiker, maar een temperatuursverhoging in de voorkalking is nu niet nodig.

- De temperatuur van het buffervat 5°C omhoog en het narijpvat 1.7 maal zo groot maken. Dit is de meest voordelige configuratie; het geeft slechts een extra suikerverlies van 0.04%, terwijl aan de specificaties wordt voldaan.

Sapzuivering Proces Flowsheet en Apparatuurberekeningen

Pompenberekeningen

Pompen worden in de industrie voor twee doeleinden gebruikt namelijk voor het laten stromen en het op druk brengen van een vloeistof. Pompen kunnen in twee klassen verdeeld worden:

- verdringingsmachines, - stromingsmachines.

Voor kleine debieten en hoge opvoerdrukken zijn vooral de zogenaamde

verdringingsmachines geschikt, terwijl de zogenaamde stromingsmachines over een veel

breder gebied inzetbaar zijn.

Aangezien de pompen in ons ontwerp slechts gebruikt worden voor het laten stromen van vloeistoffen is aan de hand van bijlage D voor centrifugaalpompen gekozen. Deze pompen vallen binnen het juiste werkgebied en hebben bovendien nog enkele voordelen:

- geschikt voor vloeistoffen met uiteenlopende eigenschappen en een hoog gehalte aan vaste stoffen,

- goedkoop,

- lage investeringskosten,

- makkelijk in gebruik en onderhoud, - uniforme flow.

De keuze van constructiemateriaal hangt af van de eigenschappen van de te verpompen vloeistof. In het sapzuiveringsproces zijn de pompen van koolstofstaal gemaakt, omdat door de gebruikte vloeistoffen geen hoge eisen aan het materiaal worden gesteld. Het benodigde pompvermogen wordt bepaald met de volgende vergelijking:

eI> • _v I1P

Waarin TJh het hydraulisch rendement van een pomp is:

met P s.isentropisch = eI> v' I1P

P s,isentropiscll 11₁₁ =

-'---'--Ps

11m is het mechanisch rendement van een pomp, waarmee de wrijvingsverliezen van lagers

en afdichtingen verrekend worden.

llm =

Sapzuivering Proces Flowsheet en Apparatuurberekeningen

De berekende pompvermogens zijn vermeld in tabel IV.3. Om deze pompvermogens te kunnen schatten is aangenomen dat llh = 0.8 en llm = 0.6.

TblIV3P a e

..

ompvermogens.

Pomp aantal pompen Vermogen per pomp Totaal vermogen

parallel [kW] [kW] PI 2 22.99 45.98 P2 2 25.67 51.34 P3 2 25.14 50.27 P4 1 6.42 6.42 P5 2 23.10 46.20 P6 2 22.91 45.81

Sapzuivering Massa- en energiebalans

V Massa- en energiebalans

Massabalans

De massabalans voor de sapzuivering is opgesteld, voor een verwerkingscapaciteit van de fabriek van 16800 ton bieten per dag, met behulp van de volgende, gegevens:

- Data uit de procescomputer van de fabriek te Dinteloord van 14:39 op 09-10-1995 en 10:23 op 10-10-1995,

- Analysewaarden uit de BP proef AI-D datum 03-10-1995 van Suiker Unie, zoals vermeld

in bijlage B.

Deze gegevens hebben samen met aanvullende informatie over de samenstelling van het carbonatatiegas, de kalkmelk, het afgas en de schuimaarde als basis voor de gehele massabalans gediend.

Met een aantal aannamen over de optredende reacties, de efficiëncy van filters en dekanteurs en de grootte, dichtheden en samenstellingen van enkele processtromen is de componentmassabalans opgesteld die als basis heeft gediend voor de ontwikkelde modellen. De belangrijkste aannamen voor het opstellen van de massabalans zijn:

- Bij de invertafbraak wordt het invert voor 90% omgezet in zuren en voor 10% in kleurstoffen. Deze waarde is gesteld.

Ca slaat neer als CaC03 en Ca-zuur; per 6.7 kg neergeslagen zuur slaat 1 kg Ca neer.

Aanname is dat er twee mol zuur neerslaat met 1 mol Ca2+. De gemiddelde massa voor dit

zuur is bepaald door de in het proces meest neerslaande zuren naar massa te wegen. De berekening is gebaseerd op oxaal-, appel-, citroen- en propionzuur.

Wanneer de concentraties van HC03- en

cot

niet gegeven waren is bij gebrek aan goede

evenwichtsgegevens geen pH en T afhankelijkheid meegenomen. La Sucrerie BeIge, vol. 100, maart 1981, p.87 geeft weliswaar een extrapolatie van deze gegevens bij een

temperatuur van 85°C en verschillende pH. Deze waarden bleken echter niet overeen te

. komen met de analyses er zijn derhalve niet gebruikt.

Van het NH3~NH4+ evenwicht zijn alleen van het NH4+ analysewaarden beschikbaar; wel is

het mogelijk om de NH3 waarden te schatten met behulp van La Sucrerie BeIge vol. 100 maart 1981 p.86. Dit is verder niet gedaan wegens de zelfde reden als bij het hierboven genoemde punt.

De bovengenoemde reacties worden verwaarloosd in de volgende apparaten: - de voorwarmers (Hl, H2, H3 en H4),

- de dekanteurs (MI), - de draaifilters (M2), - de 2e _{filtratie (M3),}

- de carbonatatiebuffers.

De kalkmelk stromen bevatten alleen Ca2

+,

onopgelost CaO en suiker.

Er wordt aangenomen dat alle neergeslagen stoffen bezinken in de dekanteurs en de tweede filtratie.

Sapzuivering Massa- en energiebalans De overige aannamen die genomen zijn om van de massabalans een consistent geheel te maken zijn vermeld in bijlage E. De overall massabalans is in de onderstaande tabel weer gegeven. Een grafische weergave hiervan is figuur V.l. De massastromen per appraat en de componentmassabalans zijn vermeld in bijlage F.

T b I VlO a e ver all massa bal ans van e sapzUlvenng. d

brix dichtheid volume massa

(kg/m3) (m3/h) (kg/s)

ruwsap (in) 14.3 1056.1 794.5 233.1

kalkmelk (in) 1210.0 55.1 18.5

Totaal gas (in) 1.5 7948.7 3.4

H-eluaat (in) 1000.0 7.5 2.1 L-eluaat (in) 1000.0 17.0 4.7 Overloop (in) 1000.0 13.5 3.8 spoelwater (in) 1000.0 30.0 8.3 schuimaarde (uit) 2500.0 24.2 16.8 dunsap (uit) 14.1 1055.1 782.6 229.4

naar blustank (uit) 1050.0 55.5 16.2

Totaal ÇJas (uit) 1.5 27023.8 11.5

Energiebalans

De energiebalans is opgesteld met additionele temperatuurgegevens van processtromen, ontvangen op 23-11-1995. Bij het opstellen van de energiebalans is gebruik van dezelfde aannamen als bij de massabalans en een aantal aannamen die specifiek zijn voor de warmtehuishouding. De belangrijkste zijn:

- Reinheid 90% aangenomen, dit maakt niet veel uit voor de cp (een verschil in cp van ±

0.005 kJ/kgK vergeleken met de cp bij een reinheid van 80%).

- Enthalpieën hebben als referentiepunt 20

oe.

Sapzuivering Massa- en energiebalans De overige aannamen zijn vermeld in bijlage E. De overall energiebalans is weergegeven in onderstaande tabel. De energiestromen per apparaat zijn te vinden in bijlage D.

T b I V 2 0 a e ver all energIe a ans van e sapzUlvenng. . b I d

T Droge Cp H Massa Q Warmte

stof toevoer

(OC) _{(%d.s.) (kJ/kg*K)} (kJ/kg) (kg/s) (kW) (kW)

ruwsap (in) 35.0 14.3 3.8 57.6 233.1 13425.5

kalkmelk (in) 70.0 n.v.t. 4.2 209.0 18.5 3867.1

Totaal gas (in) 80.0 n.v.t. 0.9 52.8 3.4 179.0

H-eluaat (in) 93.0 14.3 3.8 280.3 2.1 584.0 L-eluaat (in) 93.0 14.3 3.8 280.3 4.7 1323.7 Overloop (in) 80.0 14.3 3.8 230.4 3.8 864.0 spoelwater (in) 20.0 0.0 4.2 0.0 8.3 0.0 schuimaarde (uit) 55.0 52.9 2.9 100.8 16.8 1690.9 dunsap (uit) 85.0 14.1 3.9 253.5 229.4 58146.2

naar blustank (uit) 55.0 0.0 4.2 146.3 16.2 2368.2 Totaal gas (uit) 92.0 n.v.t. n.v.t. 2083.9 11.5 24023.2

Totaal 403838,0

Sapzuivering Regelstruktuur

VI Regelstruktuur

Bij de opbouw van de regelstruktuur is rekening gehouden met de bestaande meetpunten. De regelstruktuur kan worden opgesplitst in twee losse strukturen, te weten een flow en een temperatuur regeling.

Flowregeling

In onderstaande tabel is een overzicht van de flowregelingen gegeven.

T b 1 VI 1 a e fl owrege mgen. l'

gemeten geregeld met behulp van stroom-/ stroom-/ variabele stroomnaam stroomnr.

apparaatnaam apparaatnr.

VK inlaat 3 klep buffer uit lla klep ruwsap la flow

4e voorw. sap in 26a klep kalkmelk 7 klep voorkalking Rl pH kalkmelk 7 en 8 klep buffer VI level buffer uit lla klep buffer uit lla klep buffer uit lla flow

CO2 2 klep

1 e carbonatatie R3 pH CO2 2 klep Ie carbo uit 15 flow 1 e carbo uit 15 pomp slurry dek. 1+2 21 flow slurry dek. 1+2 21 klep

filtraat 23 flow filtraat 23 klep 4e voorw. sap in 26a klep 4e voorw. sap in 26a flow

CO₂ 19 klep 2e carbonatatie R4 pH CO₂ 19 klep narijpvat 29a flow narijpvat 29a klep

Sapzuivering Regelstruktuur

Door de flowmeting van het ruwsap wordt via een feedforward regelaar op drie plaatsen downstream het debiet geregeld. Dit heeft als voordeel dat wanneer bijvoorbeeld de ruwsap flow toeneemt het debiet als nog verlaagd kan worden via de klep in de VK inlaat. Daarnaast kan zo de verblijftijd in een bepaalde of alle reactoren geregeld worden in verhouding tot het ingaande debiet, bijvoorbeeld bij doorzetverhoging of verlaging. Tot slot wordt in een vaste verhouding tot de gemeten flow kalkmelk toegevoegd.

Door de pH meting in de voorkalking vindt als het ware de fijn regeling van deze kalkmelk toevoer plaats. Regeling van het pH verloop met de schotten lijkt alleen praktisch bij het opstarten en bij het instellen van een nieuw setpoint.

De levelmeting in de buffer regelt de flow die de buffer uit gaat. Dit is nodig om

bijvoorbeeld een vaste vloeistof hoogte in de buffer te houden. Of om te voorkomen dat de buffer overloopt, omdat downstream een bepaalde verblijftijd wordt "vastgehouden". De flow die buffer uit gaat wordt gemeten en regelt zich zelf via een feedback regelaar. Dit is

bijvoorbeeld nodig waarneer een vaste flow downstream gewenst is, terwijl de toevoer van de buffer varieerd. Daarnaast wordt in verhouding tot de flow de buffer uit de CO2 gift van de 1 e

carbonatatie bepaald.

Fijnregeling van de CO2 gift wordt gedaan door de pH meting in de 1 e carbonatatie.

Analoog hieraan vindt de regeling van de stroom de 4e voorwarmer in en de CO2 gift van de 2 c

carbonatatie plaats. De flow de Ie carbonatatie uit wordt gemeten en regelt zichzelf met behulp van een feedback regelaar. De sap stroom wordt zo door de regelaar in een vaste verhouding over de dekanteurs verdeeld. Op dezelfde manier regelen de slurry's van de twee dekanteurs en het dekanteursap "zichzelf'. Dit laatste is om de verblijftijd in de dekanteurs te regelen.

Tot slot kan de verblijf tijd in het narijpvat geregeld worden met behulp van een feedback regelaar die aangestuurd wordt door de flow meter in de stroom het narijpvat uit.

Sapzuivering Regelstruktuur Temperatuurregeling

De temperatuurregelingen zijn weergegeven in onderstaande tabel. TblVI2T a e emperatuurrege mgen.

r

gemeten geregeld

stroom-/ stroom-/ variabele apparaatnaam apparaatnr. met behulp

apparaatnaam apparaatnr. van

VKinlaat 3 T voorwarmer 1 Hl stoomgift

HK inlaat 12 T voorwarmer 2 H2 stoomgift

3e voorw.sap uit 20 T voorwarmer 3 H3 stoomgift

2e carbo in 27 T voorwarmer 4 H4 stoomgift

Door temperatuur metingen op in de tabel genoemde plaatsen wordt met behulp van feedback

regelaars de stoomgift van de aanwarmers geregeld.

Opstartprocedure

De apparaten worden "gevuld" tot een vastgesteld percentage van het volume. Hierbij vindt al wel opwarming van de stromen en toevoeging van de kalkmelk plaats. Vervolgens worden de vaten en reactoren bij constante verblijf tijd gevuld tot de gewenste hoogte. Hierbij vindt tevens de instelling van de schotten in de voorkalking, nodig om het pH profiel globaal in te

stellen, en toevoer van het CO₂ plaats. Wanneer de gewenste instellingen bereikt zijn kunnen

dan kleine variaties in het pH profiel weggeregeld worden met de fijnregeling die aangestuurd

wordt door de pH meter in de voorkalking. De regeling op basis van de ruwsap flow doet dit

niet, deze voegt alleen de hoeveelheid kalk toe die ongeveer nodig is om aan het eind van de

voorkalking de gewenste pH te verkrijgen.

--Sapzuivering Procesveiligheid

VII Procesveiligheid

Er is een HAZOP-analyse gedaan van de sapzuiveringssectie. De resultaten hiervan zijn vermeld in onderstaande tabel.

T b I VIT 1 HAZOP a e -an lyse van e sapzUlvenng al d

Guide Deviation Possible eaus es Consequenees Action required word

NO Geen Leidingbreuk

*

Zure en basi-

*

Beschermende

Sapstroom sc he mengsels kleding

stromen de

*

Oogdouches op fabriek in en een aantal

daardoor gevaar plekken in de voor de operators. fabriek

*

Bypass bij de sapstromen Pijpblokkering

*

Vaten voor de

*

Bypass bij

blokkering lopen slurry-stromen over

Pomp stuk

*

De buffervaten

*

Bij elke pomp na de pomp lopen een pomp parallel

leeg

*

Overdrukbevei-*

De vaten vóór liging (feedback-de pomp lopen control)

over

Filter dicht

*

Ophoping vóór

*

Buffervaten het filter vóór de filters

*

Scheuren van

*

Het verstopte het filter filter

uit-schakelen en andere filters inschakelen (filters parallel)

*

Veiligheids-filtratie Klep van de

*

Ruwsapballon

*

Meerdere ruwsapballon loopt over kleppen parallel

geblokkeerd achter de

ruwsapballon

Sapzuivering Procesveiligheid

Geen Kalkoven stuk

*

Suikeratbraak

*

Sapzuivering

kalkmelk door te hoge pH stilleggen

*

Filters verstopt door slijmerig sap

Leidingbreuk

*

Suikeratbraak

*

Bypass bij de

*

Filters verstopt kalkmelkstromen

*

Kalkmelk gaat verloren

Pijpblokkering

*

Suikeratbraak Idem

*

Filters verstopt

Pomp stuk Idem Idem

Geen Kalkoven stuk

*

Geen zuivering

*

Sapzuivering

koolzuurgas

*

Suikeratbraak stilleggen

*

Filters verstopt

Leidingbreuk

*

Calcium in

*

Bypass bij de

dunsap gas-stromen

*

Verkalking in voorwarmers

Compressor stuk Idem

*

Bij elke

com-pressor een compressor parallel (kan in de bypass)

MORE Grotere Kleppen van de

*

Geen goede

*

Tijdelijke

stromen ruwsapballon zuivering door opvang in

kapot kortere buffervaten

verblijf tijden tussen apparaten Hogere Lagere stroom-

*

Suikeratbraak

*

Buffervat

temperatuur snelheden

*

Meer aanspreken

calciumneerslag

*

Koelwater

*

Kleurstofvor- bijmengen ming

*

Stromen terugkoppelen naar aanwarmers (recycle)

Temp. regelaar Idem

*

Gedeeltelijke

kapot bypass op de

voorwarmers

Sapzuivering Procesveiligheid

LESS Kleinere Verstopte leiding

*

Temperatuur

*

Bypass op

stromen stijgt 'kritieke'

*

Verblijftijden leidingen (dunne

nemen toe pijpen bijv.)

*

Meer calcium-

*

Buffers

neerslag aanspreken

*

Suikerafbraak

*

Lagere holdup

*

Kleurstof- voor de

vorming reactievaten

(verblijftijden aanpassen met sapstand)

Minder ruwsap Idem

*

Buffers

aanspreken

*

Lagere holdup voor de reactievaten (verblijftijden aanpassen met sapstand)

Klep van de Idem

*

Meerdere

klep-ruwsapballon pen parallel

geblokkeerd zetten

Lagere Grotere stromen

*

Minder calcium

*

Meer

verwar-temperatuur neerslag (geeft men in de

VOOf-problemen in de warmers

verdampers)

*

Holdup in de

*

Minder reactievaten

suikerafbraak verhogen (dus

*

Verblijf tijden te verblijftijden

laag omhoog met

sapstand)

Te weinig stoom Idem

*

Holdup in de

door de reactievaten

voorwarmers verhogen (dus

verblij ftij den omhoog met sapstand)

Temp. regelaar Idem Idem

kapot

Sapzuivering Procesveiligheid

Minder Compressor stuk

*

Meer calcium

*

Bij elke

com-koolzuurgas opgelost pressor een

*

pH te hoog in compressor

carbonatatie parallel (in een

bypass stroom)

Leidingbreuk Idem

*

Bypass op de

gasstroom

Kalkoven draait Idem

*

Sapzuivering

niet optimaal stilleggen

Minder Pomp stuk

*

Slechtere

*

Filtratieslurry

kalkmelk filtratie recyclen

*

lagere pH

Leidingbreuk Idem

*

Filtratieslurry

recyclen

*

Handmatig

kalkmelk toevoegen

Kalkoven draait Idem

*

Sapzuivering

niet optimaal stilleggen

REVERSE Suikerafbraak Te lage pH Produktverlies

*

Loog of

kalk-i.p.v. invertaf- melk toevoegen

braak

Oplossen Temperatuur te

*

Problemen bij

*

Meer

CaC0₃ i.p.v. laag de verdamping verwarmen

neerslaan

*

Specificaties

van het dunsap niet gehaald

zuur milieu Idem

*

Loog of

kalkmelk toe-voegen

ASWELL Wel goede

*

Te veel suiker

*

Verlies van

*

Schuimaarde

AS zuivering, in de produkt meerdere malen

maar te veel schuimaarde wassen met

suikerafbraak schoon water

Sapzuivering Procesveiligheid

PART OF Weinig kleur- Koolzuurgashoe-

*

Geen goede

*

Zuur of loog

stof, maar te veelheid niet kristallisatie toevoegen

zuur of te goed

*

Regelmatige

basisch controle op

gas samenstelling

Kalkrnelkhoe-

*

Geen goede

*

Zuur of loog

veelheid niet kristallisatie toevoegen

goed

*

Regelmatige

controle op kalkmelk-samenstelling Uit deze HAZOP-analyse blijkt dat het kritieke onderdeel in de sapzuivering de kalkoven is, omdat men bij niet of niet goed functioneren van dit onderdeel de gehele zuivering stil moet leggen.

Sapzuivering Economie

VIII Economie

Algemeen

In de berekening van de economische aspecten van de sapzuivering moet met een aantal factoren rekening gehouden worden.

- De suikerproduktie vindt plaats gedurende drie maanden per jaar, namelijk eind september tot eind december. De fabriek moet dus een factor vier keer groter zijn, in verhouding tot een plant die gedurende het hele jaar draait, om eenzelfde totale jaarproduktie te behalen.

- De sapzuivering is slechts een deelproces van de suikerraffinage, zodat het geen absolute noodzaak is om over de sapzuivering winst te behalen.

Theorie

De totale jaarlijkse kosten ~ van de sapzuivering om uit het ruwsap dunsap te produceren kunnen worden geschat met het "Beste model" zoals beschreven in de literatuur9

• In dit model

is nog geen rekening gehouden met rente en afschrijvingen:

(VIII.! ) In dit model zijn de waarden van de coëfficienten als volgt:

a=l.13

d

=

2.6 f

=

0.13

De produktie-afhankelijke kosten ~ worden berekend uit de benodigde hoeveelheden grond- en proces stoffen en de utilities. De loonkosten ~ worden bepaald met behulp van de Wessel-relatie9• De totale investeringen I worden met de methoden van Taylor9 en

Zevnik-Buchanan9 geschat. Het gemiddelde van deze twee methoden wordt vergeleken met de investeringen die in de praktijk nodig zijn om een complete suikerfabriek te laten bouwen. Deze inversteringen liggen tussen de 600 en 800 miljoen gulden.

De totale opbrengsten worden berekend uit de jaarlijks geproduceerde hoeveelheden produkten en bijprodukten en hun verkoopprijzen.

Als economische criteria kunnen uit de investeringen en de totale kosten en opbrengsten de

return on investment (ROl) en de internal rate of return (IRR) bepaald worden.

Sapzuivering Economie

De produktie-afhankelijke kosten

De produktie-afhankelijke kosten kunnen worden berekend door de hoeveelheid van een grond- of proces stof of een utility te vermenigvuldigen met zijn kostprijs:

(Vill.2)

In bijlage G staat een tabel weergegeven met een overzicht van de produktie-afhankelijke kosten. De jaarlijkse produktie-afhankelijke kosten zijn dan:

Kp = f187 miljoen.

De loonkosten

De loonkosten worden berekend met de Wesselrelatie. Met deze relatie wordt het aantal arbeiders geschat als functie van het aantal proces stappen in en de capaciteit van de fabriek.

manuren = K aantal stappen

ton produkt 5 (capaciteit per dag)o.76 (VIII.3 )

Waarin Ks een produktiviteitsafhankelijke factor iS.Voor een continu proces in 1958 was

Ks gelijk aan 10 volgens Montfoort9• De produktiviteitstoename in de chemie is in de EG

sinds 1950 ongeveer 6%9 per jaar, zodat voor 1995 Ks uitkomt op l.O. Het aantal stappen is

bepaald op vier namelijk: voor- en hoofdkalking en eerste en tweede carbonatatie. Bij een produktie van 20000 ton dunsap per dag komt het aantal manuren per ton produkt uit op 0.0022, wat overeen komt met 43.1 manuren per dag. Dit zijn 1.8 functieplaatsen. Voor een vo1continue ploegendienst moet het aantal functieplaatsen met ongeveer 5 vermenigvuldigd worden om het totaal aantal mensen per stap te bepalen.

Lk

= 5

*

aantal functieplaatsen

*

arbeidskosten per man per jaar _{(Vill.4 )}

Voor een produktieperiode van negentig dagen per jaar en de loonkosten per man per uur van f50,-9 worden de loonkosten dus:

4=

Sapzuivering Economie

De investeringen

De totale investeringen worden met twee methodes geschat: de Taylor en Zevnik-Buchanan methode. Omdat deze methoden slechts een globale indruk geven van de investeringen wordt het gemiddelde van de twee methoden gebruikt bij de bepaling van de totale jaarlijkse kosten.

Taylormethode

De methode van Taylor is een zogenaamde stap-methode, waarin de totale investeringen kunnen worden geschat met de volgende vergelijking.

I = 93

'

f'

P 0.39. Cl

114 (Vrn.5 )

Waarin P de produktie van 7200 kton per jaar, waarbij de produktie vier keer zo groot is genomen als de werkelijke jaarlijkse doorzet vanwege de discontinue wijze van operatie (3 maanden per jaar). Cl is de Engineering Production Economics (EPE) index welke in het basisjaar 1977 van deze vergelijking voor Nederland 1149 en in 1988 165 was. Onder de aanname dat de EPE index sinds 1988 jaarlijks met 6% toegenomen is komt de index voor

1995 uit op 248.

De costliness index f is een correctiefactor, die rekening houdt met de temperatuur, druk, verblijftijd, materiaalkeuze en de relatieve doorzet van de processtap. In bijlage H is de scoretabel voor de sapzuivering weergegeven. De hieruit verkregen investeringen in dollars zijn met een wisselkoers van $ 1 =

f

1.60 omgerekend naar guldens.

De costliness index wordt berekend met de volgende vergelijking.

f

=

:E;=I

(1.3/;

Waarin Sj de afzonderlijke scores zijn. Hieruit volgt dat f = 14.6 en ITaylor= f151 miljoen.

(Vrn.6 )

Sapzuivering Economie

Zevnik-Buchanan methode

Ook deze methode is een zogenaamde stapmethode. In deze methode wordt aangenomen dat de investeringen een functie zijn van de procescapaciteit en -complexiteit.

De investeringen kunnen dan worden berekend met de volgende vergelijking.

(VID.7)

Waarin het aantal functionele eenheden van de sapzuivering (N) vier is en de complexity-factor Cf een functie is van de temperatuur, druk en materiaalkeuze. Deze complexity-complexity-factor is als volgt samengesteld:

Met de temperatuur correctiefactor de druk correctiefactor de materiaal correctiefactor Ft = 0.01, Fp

=

0.0, Fm

=

O.O. (VID.8 )

Met de C.E.-Plant Cost IndexlO voor augustus 1995 van Cl

=

380 worden de totale investeringen:

lZevnikBuchanan = f232 miljoen.

Voor de investeringen wordt het gemiddelde van de beide methoden gebruikt, dus IgemiddeId =

f

191 miljoen.

Vergeleken met de benodigde investeringen van f600 tot f800 miljoen voor een complete suikerfabriek heeft de gemiddelde waarde van de investeringen voor alleen de sapzuivering van f191 miljoen de juiste orde grootte.

De totale kosten

De totale kosten worden bepaald met vergelijking ( VIII. 1 ) inclusief afschrijvingen en rente. De investeringen worden in 18 jaar lineair afgeschreven9 waarbij de fabriek aan het eind van de levensduur nog 10% restwaarde heeft. De rente wordt gesteld op 7% over de helft van de totale investeringen. De totale kosten zijn dan:

K. =

f254 miljoen.