Кристаллизатор

 

Использование: кристаллизации и перемешивания различных веществ. Сущность: кристаллизатор включает вертикальный цилиндрический корпус с днищем, размещенное внутри него перемешивающее устройство, состоящее из вертикального вала и укрепленных на нем по высоте лопастей. В корпусе вокруг вала с лопастями с зазором установлена цилиндроконическая обечайка, коническая суживающаяся книзу часть которой расположена над днищем. Каждая лопасть перемешивающего устройства состоит из двух изогнутых в виде части параболоида вращения пластин, укрепленных вертикально и противоположно одна другой таким образом, что их нижние кромки расположены на одной линии. Площадь одной пластины превышает площадь, и каждая вышерасположенная лопасть повернута в горизонтальной плоскости относительно нижерасположенной на 40 50°. Конструкция перемешивающего устройства позволяет интенсифицировать процесс кристаллизации. 6 ил.

Изобретение относится к оборудованию для кристаллизации и перемешивания различных веществ в пищевой и химической промышленностях и может быть применено для сахарной, кондитерской и молочной отраслей при кристаллизации и перемешивании сахаросодержащих растворов, а также нефтеперерабатывающей и лакокрасочной отраслей при интенсивном перемешивании веществ.

Известен кристаллизатор для лактозы [1] включающий вертикальный цилиндрический корпус со сферическим днищем и внутренней обечайкой и виброперемешивающее устройство, состоящее из вертикального вала с лопастями в виде дисков, имеющих коноидальные отверстия. Коноидальные насадки прикреплены наклонно к нижней поверхности дисков таким образом, что они в соседних дисках направлены в противоположные стороны.

Данный кристаллизатор имеет недостатки: конструкция лопастей не обеспечивает надежной работоспособности вследствие возможности заполнения кристаллами насадков и нарушении циркуляции продукта в оборудовании; обеспечение одномерного циркуляционного движения кристаллов и маточного раствора в вертикальной плоскости, что обусловливает недостаточное перемешивание продукта.

В кристаллизаторе для утфеля [2] состоящем из вертикального цилиндрического корпуса, установленного по оси корпуса трубовала, укрепленных на нем радиально по вертикали змеевиков, труба каждого из которых изогнута в вертикальной плоскости и образует лопасти, и укрепленных на внутренней поверхности корпуса контрлопастей, витки труб каждого змеевика, расположенные на трубовале, имеют П-образную форму, а его витки, обращенные к корпусу, имеют У-образную форму. Контрлопасти смещены одна относительно другой по вертикали.

Недостатки кристаллизатора: поверхности контрлопастей при вращении трубовала, а также лопастей змеевиков, не предотвращают инкрустацию при работе кристаллизатора, т.к. некоторые их части контактируют с неперемещающимся или имеющим незначительную скорость продуктом; наличие осаждения кристаллизуемого продукта в нижней части кристаллизатора и невозможность обеспечения его повторной работы после отключения привода снижает работоспособность и надежность эксплуатации данной конструкции; выполнение полых змеевиков на трубовале вследствие относительно высокой вязкости утфеля способствует в месте их крепления к трубовалу образованию местных касательных напряжений и повышению концентраций напряжения, что снижает также работоспособность отдельных узлов данного кристаллизатора.

Наиболее близким по решаемой задаче и достигаемому эффекту является кристаллизатор для лактозы [3] включающий вертикальный цилиндрический корпус с днищем, размещенное внутри него перемешивающее устройство, состоящее из вертикального вала и укрепленных на нем по высоте лопастей, и привод вала, содержит укрепленный консольно вал перемешивающего устройства с нижним диском, расположенным у днища с зазором для прохода кристаллизуемой массы в сопла этого диска и снабженным установленным по его периметру направляющим усеченным конусом, обращенным меньшим основанием вверх. Сопла дисков расположены так, что их сужающиеся части направлены также вверх.

Недостатки кристаллизатора: возвратно-поступательное перемещение дисков обеспечивает одномерное циркуляционное движение кристаллизующегося раствора в вертикальной плоскости, что характеризуется недостаточно высокой относительной скоростью перемещения жидкой и твердой фаз и отсутствием перемешивания в радиальном направлении и относительно оси кристаллизатора; отсутствует раздел восходящего потока, образованного соплами на дисках, и нисходящего потока, создаваемого в кольцевом зазоре между торцами дисков и корпусом, что способствует смешиванию потоков, их торможению, нарушению циркуляции и, как следствие, уменьшению скорости потоков и снижению эффективности процесса; для поддержания циркуляционного гидродинамического режима осуществления кристаллизации, предусмотренного в кристаллизаторе, требуются дополнительные энергозатраты вследствие преодоления сил трения, обусловленных смешиванием потоков и силой инерции перемешивающего устройства при продольном колебательном движении вала, что способствует увеличению энергопотребления виброприводом.

Цель изобретения улучшение циркуляции раствора, увеличение скорости перемещения кристаллов относительно маточного раствора, ускорение процесса кристаллизации и предотвращение оседания кристаллов в устройстве при кристаллизации продукта.

Цель достигается тем, что в предлагаемом кристаллизаторе, включающем вертикальный цилиндрический корпус с днищем, размещенное внутри него перемешивающее устройство, состоящее из вертикального вала и укрепленных на нем по высоте лопастей, и привод вала, корпус снабжен установленной с зазором вокруг вала с лопастями цилиндроконической обечайкой, коническая суживающаяся книзу часть которой расположена над днищем. Каждая лопасть перемешивающего устройства состоит из двух изогнутых в виде части параболоида вращения пластин, укрепленных вертикально и противоположно одна другой таким образом, что их нижние кромки расположены на одной линии. Площадь одной пластины превышает площадь другой и каждая вышерасположенная лопасть повернута в горизонтальной плоскости относительно нижерасположенной на 40-50^о. Вал перемешивающего устройства установлен с возможностью вращения. Нижние лопасти имеют участки, расположенные вне конической части обечайки, и выполнены так, что форма их нижних кромок аналогична форме днища корпуса.

На фиг. 1 представлен кристаллизатор, общий вид; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 5 и 6 лопасти.

Кристаллизатор состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с днищем и охлаждающей рубашкой 2, содержащего цилиндроконическую обечайку 3. В цилиндроконической обечайке установлено с зазором перемешивающее устройство, включающее секционный вертикальный трубовал 4 и закрепленные на нем лопасти 5 и 6. Лопасти 5 и 6 перемешивающего устройства состоят из пластин 7 и 8, вертикально закрепленных на трубовале 4 противоположно одна другой. Пластины выполнены изогнутыми и представляют собой часть параболоида вращения. Нижние кромки 9 и 10, противоположно расположенных на трубовале пластин 7 и 8, выполнены в одной линии и площадь одной пластины превышает площадь другой пластины. Каждая вышерасположенная лопасть повернута в горизонтальной плоскости относительно нижерасположенной на 40-50^о. Нижерасположенная и вышерасположенная лопасти имеют различную площадь. Нижняя секция трубовала 4 расположена в конической суживающейся части обечайки 3, установленной над днищем. Лопасти нижней секции трубовала 4 выходят за пределы нижнего среза цилиндроконической обечайки 3 и имеют форму кромок аналогичную форме днища корпуса. Корпус имеет шлюзовый затвор 11 и штуцера 12, 13, 14. Трубовал соединен с приводом 15 кристаллизатора.

Кристаллизатор работает следующим образом. При вращении трубовала 4 через привод 15 лопастями нижней секции кристаллизуемый раствор нагнетается в цилиндроконическую обечайку 3, в пространство между лопастями 5 и 6, создавая вследствие вращения трубовала подсасывающий эффект. При работе кристаллизатора вращение лопастей 5 и 6 ввиду различной вогнутости пластин 7 и 8 и площади поверхности обеспечивает воздействие на кристаллизуемый раствор в осевом направлении и выталкивающее действие в радиальном направлении. При этом кристаллы, увеличивающиеся в пересыщенном растворе, совместно с маточным раствором под действием осевой составляющей скорости перемещаются по объему обечайки к верхней ее кромке. Вращение лопастей верхней секции обеспечивает перемещение продукта в кольцевое пространство кристаллизатора между корпусом 1 и обечайкой 3. Вследствие различной площади поверхностей и вогнутости пластин 7 и 8 объемы кристаллов и маточного раствора, перемещаемых лопастями, неодинаковые. Поэтому вращение данных лопастей ввиду взаимодействия между собой различных объемов кристаллизуемого раствора способствует изменению относительной скорости кристаллов и маточного раствора и интенсивному перемешиванию кристаллизуемого раствора. Это обеспечивает приток к граням кристаллов новых частей пересыщенного раствора, обновляя поверхность межфазного раздела, и интенсифицирует массообмен на межфазной границе жидкость твердое тело, что увеличивает скорость кристаллизации. Вместе с тем для улучшения перемещения кристаллизуемого раствора по оси обечайки каждая вышерасположенная лопасть повернута в горизонтальной плоскости относительно нижерасположенной так, что раствор с участка грани лопасти одной секции подается вверх и захватывается кромкой лопасти другой секции. При этом площади поверхностей данных лопастей в секциях неодинаковы. Таким образом, кристаллизуемый раствор попадает попеременно из объема, ограниченного поверхностями лопасти 5 и обечайки 3 одной секции, в объем, ограниченный поверхностями лопасти 6 и обечайки 3 вышерасположенной секции, что обеспечивает колебательный режим движения кристаллов и маточного раствора по цилиндроконической обечайке (например, кристаллизуемый раствор попадает из объема, ограниченного поверхностью ГОД одной секции, в объем, ограниченный поверхностью ГДС вышерасположенной секции. Попеременное прохождение в осевом направлении раствором вышеназванных объемов также способствует изменению относительной скорости кристаллов и маточного раствора. Это обусловлено различной плотностью жидкой и твердой фаз и, следовательно, тем, что они воспринимают различные значения количества движения. При этом на элементарный объем раствора, перемещаемого лопастью, действует, кроме центробежной силы и силы тяжести, сила воздействия со стороны лопасти, имеющая осевую, радиальную и тангенциальную составляющие, определяемые конструкцией лопасти и физико-химическими свойствами раствора. Наличие данных сил и несовпадение направления их векторов способствует при движении элементарных объемов увеличению сил трения на межфазной поверхности раздела, что обеспечивает наряду с интенсификацией перемешивания увеличение тепло- и массообмена на поверхности раздела жидкой и твердой фаз.

Кристаллизуемая масса и маточный раствор перемещаются лопастями нижней секции в обечайку через коническую суживающуюся часть, что обусловливает вследствие изменения коэффициента гидравлического сопротивления снижение скорости кристаллов и раствора на выходе из конической суживающейся части и изменение скорости кристаллов относительно маточного раствора.

Частота колебаний кристаллизуемого раствора определяется частотой вращения трубовала кристаллизатора. Амплитуда колебаний определяется соотношением площади поверхности пластин, размером конической части обечайки, а также напором, создаваемым трубовалом. Турбулентный режим движения раствора в обечайке и циркуляция раствора в кристаллизаторе интенсифицирует рост кристаллов в результате улучшения тепло- и массообмена и изменения гидродинамики. Предотвращается инкрустация на поверхностях корпуса и обечайки и оседание кристаллов в нижней части кристаллизатора. Дробление кристаллов повышенных размеров гранями лопастей 5 и 6 предотвращает агломерацию частиц и обеспечивает однородность получаемых кристаллов. Эффект дробления крупных кристаллов способствует извлечению из них маточной жидкости или примесей, что улучшает чистоту кристаллического продукта.

При содержании кристаллов (40-42%) к содержанию кристаллизата наращивание кристаллов прекращают и выключают привод 15 кристаллизатора. Продукт через шлюзовый затвор 11 направляется на дальнейший технологический процесс производства.

Загрузка исходного продукта осуществляется через штуцер 14, охлаждение кристаллизатора производится через охлаждающую рубашку 2 со штуцерами 12, 13 или под вакуумом в зависимости от свойств раствора.

Предлагаемая конструкция кристаллизатора позволяет улучшить циркуляцию раствора, интенсифицировать массообмен на межфазной границе за счет изменения скорости кристаллов относительно маточного раствора и, следовательно, повысить скорость кристаллизации, что сокращает продолжительность процесса, а также произвести замену возвратно-поступательного движения перемешивающего устройства на вращательное, обусловливающее повышение надежности конструкции и снижение энергозатрат, т. к. отсутствует необходимость преодоления сил инерции при изменении направления перемещения вала.

Формула изобретения

КРИСТАЛЛИЗАТОР, включающий вертикальный цилиндрический корпус с днищем, размещенное в нем перемешивающее устройство, состоящее из вертикального вала и укрепленных на нем по высоте лопастей, и привод вала, отличающийся тем, что корпус снабжен установленной с зазором вокруг вала с лопастями цилиндроконической обечайкой, коническая суживающаяся книзу часть которой расположена над днищем, а каждая лопасть перемешивающего устройства состоит из двух изогнутых в виде части параболоида пластин, укрепленных вертикально и противоположно одна другой так, что их нижние кромки расположены на одной линии, при этом площадь одной пластины превышает площадь другой и каждая вышерасположенная лопасть повернута в горизонтальной плоскости относительно нижерасположенной на 40 50^oС, а вал перемешивающего устройства установлен с возможностью вращения, причем нижние лопасти имеют участки, расположенные вне конической части обечайки, и выполнены так, что форма их нижних кромок аналогична форме днища корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6