RU2039830C1

RU2039830C1 - Crystallizer

Info

Publication number: RU2039830C1
Application number: RU93028757A
Authority: RU
Inventors: Г.В. Калашников; С.М. Петров
Original assignee: Ассоциация компьютерных технологий "АСКТ"
Priority date: 1993-05-26
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: food industry. SUBSTANCE: device has vertical cylindric casing with bottom, mixer mounted inside and having vertical shaft with blades spaced along the height of the shaft. A shell having cylindric and conic parts is mounted with clearance in the casing around the shaft with blades. The conic part narrowing downward is positioned above the bottom. Each mixer blade has two plates bent in the form of a part of revolution paraboloid. Blades are fixed in perpendicular and opposite to each other, so that their lower edges are on the same line. The area of one of the blades is greater than that of the other one. Each following blade, when moving upward, is turned in horizontal plane at 40-50 degrees relative to the lower blade. EFFECT: high intensity of crystallization process. 6 dwg

Description

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. The invention relates to equipment for crystallization and mixing of various substances in the food and chemical industries and can be used for sugar, confectionery and dairy industries during crystallization and mixing of sugar-containing solutions, as well as oil refining and paint industries with intensive mixing of substances.

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. A known crystallizer for lactose [1] comprising a vertical cylindrical body with a spherical bottom and an inner shell and a vibro-mixing device consisting of a vertical shaft with blades in the form of disks having conoidal holes. The conoidal nozzles are attached obliquely to the lower surface of the disks in such a way that they are directed in opposite directions in adjacent disks.

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.This mold has the disadvantages of:
the design of the blades does not provide reliable performance due to the possibility of filling the nozzles with crystals and violation of the product circulation in the equipment;
ensuring one-dimensional circulation movement of the crystals and the mother liquor in a vertical plane, which leads to insufficient mixing of the product.

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. In the mold for the massecuite [2] consisting of a vertical cylindrical body installed along the axis of the body, it was used to pipe coils mounted on it radially vertically, the pipe of each of which is bent in a vertical plane and forms blades, and the turns of pipes of each mounted on the inner surface of the casing of the counterblades the coil located on the chimney is U-shaped, and its turns facing the body are U-shaped. The counterblades are shifted vertically relative to one another.

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.The disadvantages of the mold:
the surfaces of the counterblades during rotation of the tubular, as well as the blades of the coils, do not prevent inlay during the operation of the mold, because some of their parts come in contact with a non-moving or slow-moving product;
the presence of precipitation of the crystallizable product in the lower part of the mold and the inability to ensure its re-operation after turning off the drive reduces the efficiency and reliability of operation of this design;
the execution of hollow coils on the tubing due to the relatively high viscosity of the massecuite contributes to the formation of local shear stresses and increase stress concentrations in the place of their attachment to the tubing, which also reduces the performance of individual nodes of this mold.

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. The closest to the problem to be solved and the effect to be achieved is a lactose crystallizer [3] including a vertical cylindrical body with a bottom, a mixing device located inside it, consisting of a vertical shaft and blades mounted on it along the height of the shaft, and a shaft drive, containing a mixing device mounted on a cantilever shaft with a lower disk located at the bottom with a gap for the passage of crystallized mass into the nozzles of this disk and equipped with a truncated cone mounted around its perimeter, lower base up. The nozzles of the disks are arranged so that their tapering parts are also directed upwards.

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.The disadvantages of the mold:
reciprocating movement of the disks provides a one-dimensional circulation movement of the crystallizing solution in the vertical plane, which is characterized by a relatively low relative velocity of the liquid and solid phases and the absence of mixing in the radial direction and relative to the axis of the mold;
there is no section of the upward flow formed by nozzles on the disks and the downward flow created in the annular gap between the ends of the disks and the casing, which contributes to the mixing of flows, their braking, disruption of circulation and, as a result, a decrease in the flow rate and a decrease in the process efficiency;
To maintain the circulating hydrodynamic regime of crystallization provided for in the crystallizer, additional energy consumption is required due to overcoming the frictional forces caused by mixing of the flows and the inertia of the mixing device during the longitudinal vibrational movement of the shaft, which helps to increase the energy consumption of the vibrator.

Цель изобретения улучшение циркуляции раствора, увеличение скорости перемещения кристаллов относительно маточного раствора, ускорение процесса кристаллизации и предотвращение оседания кристаллов в устройстве при кристаллизации продукта. The purpose of the invention is improving the circulation of the solution, increasing the speed of movement of the crystals relative to the mother liquor, accelerating the crystallization process and preventing settling of crystals in the device during crystallization of the product.

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.The goal is achieved by the fact that in the proposed mold, including a vertical cylindrical body with a bottom, a mixing device located inside it, consisting of a vertical shaft and blades mounted on it along the height of the blades, and a shaft drive, the housing is equipped with a cylindrical shell mounted with a gap around the shaft with blades, conical tapering down part of which is located above the bottom. Each blade of the mixing device consists of two plates curved in the form of a part of the paraboloid of rotation, mounted vertically and oppositely one another so that their lower edges are located on the same line. The area of one plate exceeds the area of the other and each upstream blade is rotated in the horizontal plane relative to the downstream by 40-50 ^about . The shaft of the mixing device is rotatably mounted. The lower blades have sections located outside the conical part of the shell, and are made so that the shape of their lower edges is similar to the shape of the bottom of the body.

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. In FIG. 1 shows a crystallizer, a general view; in FIG. 2, section AA in FIG. 1; in FIG. 3 section BB in FIG. 1; in FIG. 4, section BB in FIG. 1; in FIG. 5 and 6 blades.

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.The mold consists of a vertical cylindrical body 1 with a bottom and a cooling jacket 2 containing a cylindrical conical shell 3. In the cylindrical conical shell, a mixing device is installed with a gap, including a vertical sectional tube 4 and blades 5 and 6 fixed on it. The blades 5 and 6 of the mixing device consist of plates 7 and 8, vertically mounted on the pipe 4 is oppositely one another. The plates are made curved and are part of a paraboloid of revolution. The lower edges 9 and 10, oppositely located on the tubing of the plates 7 and 8, are made in one line and the area of one plate exceeds the area of the other plate. Each upstream blade is rotated in a horizontal plane relative to the downstream 40-50 ^about . The downstream and upstream blades have a different area. The lower section of the pipe 4 is located in a conical tapering part of the shell 3 mounted above the bottom. The blades of the lower section of the tubular 4 extend beyond the lower cut of the cylindrical conical shell 3 and have an edge shape similar to the shape of the bottom of the body. The housing has a lock gate 11 and a fitting 12, 13, 14. The pipe is connected to the drive 15 of the mold.

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. The mold works as follows. During rotation, it was piping 4 through a drive with 15 vanes of the lower section, the crystallized solution was pumped into the cylindrical shell 3, into the space between the vanes 5 and 6, creating a suction effect due to rotation. When the mold is operating, the rotation of the blades 5 and 6, due to the different concavity of the plates 7 and 8 and the surface area, provides an effect on the crystallized solution in the axial direction and an expelling effect in the radial direction. In this case, crystals increasing in a supersaturated solution, together with the mother liquor, under the action of the axial velocity component move along the volume of the shell to its upper edge. The rotation of the blades of the upper section ensures the product moves into the annular space of the mold between the housing 1 and the shell 3. Due to the different surface area and concavity of the plates 7 and 8, the volumes of crystals and mother liquor moved by the blades are not the same. Therefore, the rotation of these blades due to the interaction between themselves of different volumes of crystallized solution contributes to a change in the relative speed of the crystals and the mother liquor and intensive mixing of the crystallized solution. This provides an influx of new parts of the supersaturated solution to the crystal faces, updating the interface, and intensifies the mass transfer at the interface between the liquid and the solid, which increases the rate of crystallization. At the same time, to improve the movement of the crystallized solution along the axis of the shell, each upstream blade is turned in a horizontal plane relative to the downstream one so that the solution is fed upward from the portion of the edge of the blade of one section and captured by the edge of the blade of another section. Moreover, the surface areas of these blades in the sections are not the same. Thus, the crystallizable solution falls alternately from the volume bounded by the surfaces of the blade 5 and the shell 3 of one section into the volume bounded by the surfaces of the blade 6 and the shell 3 of the upstream section, which provides an oscillatory mode of movement of the crystals and the mother liquor along the cylinder-conical shell (for example, a crystallizable solution falls from the volume bounded by the surface of the YEAR of one section into the volume bounded by the surface of the GDS of the upstream section. and a solution of the above volumes also contributes to a change in the relative speed of the crystals and the mother liquor.This is due to the different density of the liquid and solid phases and, consequently, the fact that they perceive different values of the momentum. forces and gravity, the force from the side of the blade, which has axial, radial and tangential components, determined by the design of the blade and physico-chemical properties solution. The presence of these forces and the mismatch of the direction of their vectors contributes to an increase in the friction forces on the interphase interface when moving elementary volumes, which, along with intensification of mixing, provides an increase in heat and mass transfer at the interface between the liquid and solid phases.

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. The crystallized mass and the mother liquor are moved by the blades of the lower section into the shell through the conical tapering part, which causes a decrease in the rate of crystals and solution at the outlet of the conical tapering part and a change in the speed of the crystals relative to the mother liquor due to a change in the hydraulic resistance coefficient.

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. The oscillation frequency of the crystallized solution is determined by the frequency of rotation of the tubular mold. The oscillation amplitude is determined by the ratio of the surface area of the plates, the size of the conical part of the shell, as well as the pressure created by the pipe. The turbulent mode of motion of the solution in the shell and the circulation of the solution in the crystallizer intensifies crystal growth as a result of improved heat and mass transfer and changes in hydrodynamics. Inlay on the surfaces of the shell and shell and the settling of crystals in the lower part of the mold are prevented. Crushing of oversized crystals by the faces of the blades 5 and 6 prevents particle agglomeration and ensures the uniformity of the resulting crystals. The effect of crushing large crystals helps to remove mother liquor or impurities from them, which improves the purity of the crystalline product.

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. When the content of crystals (40-42%) to the content of crystallizate crystal growth is stopped and turn off the drive 15 of the mold. The product through the lock gate 11 is sent to a further manufacturing process.

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. The initial product is loaded through the nozzle 14, the mold is cooled through a cooling jacket 2 with nozzles 12, 13 or under vacuum, depending on the properties of the solution.

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. The proposed design of the mold allows to improve the circulation of the solution, to intensify mass transfer at the interface due to a change in the speed of the crystals relative to the mother liquor and, therefore, to increase the crystallization rate, which reduces the duration of the process, and also to replace the reciprocating movement of the mixing device with a rotational one, which increases reliability design and reduction of energy consumption, because there is no need to overcome the forces of inertia and changing the direction of movement of the shaft.

Claims

CRYSTALIZER, comprising a vertical cylindrical body with a bottom, a mixing device located in it, consisting of a vertical shaft and blades mounted on it along the height of the blade, and a shaft drive, characterized in that the case is equipped with a cylindrical shell mounted with a clearance around the shaft with blades, the conical tapering downward part of which is located above the bottom, and each blade of the mixing device consists of two plates bent as part of a paraboloid, mounted vertically and opposite one the other so that their lower edges are on the same line, while the area of one plate exceeds the area of the other and each upstream blade is rotated in the horizontal plane relative to the downstream one by 40 50 ^o C, and the shaft of the mixing device is mounted for rotation, and the lower blades have sections located outside the conical part of the shell, and made so that the shape of their lower edges is similar to the shape of the bottom of the housing.