Кристаллизаторы по принципу действия делятся на аппараты периодического и непрерывного действия с отгонкой части растворителя и с охлаждением раствора. Как уже отмечалось, кристаллизацию с частичной отгонкой воды осуществляют в вакуум-аппаратах. Интересной их разновидностью являются кристаллизаторы с псевдоожиженным слоем.
Вакуум-аппарат с естественной циркуляцией периодического действия с подвесной греющей камерой показан на рис. 2. Греющая камера состоит из двух конических трубчатых решеток, в которых развальцованы греющие трубы. По оси греющей камеры расположена циркуляционная труба. Между корпусом греющей камеры и стенками аппарата имеется кольцевое пространство, в котором циркулирует утфель.
Рис. 2. Вакуум-аппарат с подвесной греющей камерой:
1—корпус; 2— греющая камера; 3—устройство для ввода пара; 4—циркуляционная труба; 5—днище; 6 — греющая труба; 7— сепаратор инерционного типа
В вакуум-аппаратах применяют специальное устройство для подвода пара в греющую камеру, которое воспринимает температурные деформации, возникающие при расширении греющей камеры и корпуса аппарата, и обеспечивает герметичность. Это устройство представляет собой конический патрубок, жестко соединенный с греющей камерой; с корпусом аппарата он соединен при помощи мембраны, воспринимающей температурные деформации.
Для улучшения циркуляции утфеля используют способ вдувания пара в нижнюю часть греющей камеры. Для этого под основной греющей камерой встраивают дополнительную греющую камеру с отверстиями для выхода пара. Пар, выходящий из трубок, поступает в греющие трубы основной камеры с большой скоростью, дробится на мелкие пузырьки и смешивается с утфелем, интенсифицируя тем самым циркуляцию.
Конструкция греющих камер вакуум-аппаратов, применяемых в сахарном производстве, может быть различной.
Распространение получили вакуум-аппараты с подвесными греющими камерами, верхние и нижние решетки которых выполняют коническими, сферическими, двускатными и др. Пар поступает в межтрубчатое пространство греющих камер, а увариваемый продукт перемещается внутри труб.
Диаметр греющей камеры в большинстве конструкций вакуум-аппаратов меньше диаметра корпуса аппарата. Между стенками греющей камеры и корпусом вакуум-аппарата образуется кольцевое пространство, по которому циркулирует утфель.
На рис. 3 показаны конструкции наиболее распространенных в сахарной промышленности греющих камер вакуум-аппаратов.
Сепарирующие устройства в вакуум-аппаратах, как и в выпарных аппаратах, предназначены для отделения от вторичного пара капель продукта. В вакуум-аппаратах продукт имеет большую вязкость, поэтому используют сепараторы инерционного типа, которые устанавливают над утфельным пространством в верхней части корпуса аппарата. К нижней части корпуса аппарата приваривают днище со спускным устройством для утфеля с гидравлическим и механическим управлением. Лучшими являются устройства клапанного типа.
Кристаллизаторы непрерывного действиясостоят из концентратора, кристаллогенератора и камеры роста кристаллов. Конструкция аппарата должна обеспечивать интенсивную циркуляцию, препятствующую осаждению кристаллов в аппарате, улучшающую теплопередачу и обеспечивающую получение равномерных по величине кристаллов.
На рис. 4 представлен вакуумный кристаллизатор непрерывного действия, применяемый в сахарном производстве. Концентратор и кристаллогенератор выполнены в виде кольцевых сегментов с трубчатой поверхностью нагрева.
Рис.3. Схемы греющих камер вакуум-аппаратов:
а — с коническими трубными решетками (1—верхняя трубная решетка; 2—греющая труба; 3 — нижняя трубная решетка; 4—циркуляционная труба); б— конической двускатной формы (1 — трубная решетка; 2 - труба для ввода продукта; 3 — наружная часть греющей камеры; 4—внутренняя часть греющей камеры; 5—труба для отвода конденсата; 6—карман для конденсата; 7— штуцер для подвода пара; 8—окно); в — без трубных решеток (1 — надставка; 2 — средняя часть греющей камеры; 3 — устройство для спуска утфеля; 4—труба для отвода конденсата; 5— карман; б— штуцер для подвода пара)
Рис. 4. Кристаллизатор непрерывного действия:
1—концентратор; 2—труба; 3 — штурвал для регулирования положения трубы; 4—кристаллогенератор; 5—сливная труба; 6—барботер; 7—выгрузочное устройство; 8— камера роста кристаллов
Концентратор герметически отделен от других узлов аппарата, что позволяет создавать в нем избыточное давление, не зависящее от давления в других частях аппарата. Кристаллогенератор верхней открытой частью соединен с надутфельным пространством камеры роста кристаллов. Камера роста кристаллов выполнена в виде цилиндра, снабженного типовой поверхностью нагрева. При помощи цилиндрической и радиальных перегородок она разделена на четыре секции.
При установившемся режиме патока поступает в концентратор и в камеру роста кристаллов. В концентраторе при повышении давления патока сгущается при температуре, превышающей температуру кристаллообразования на 10... 15 °С, поступает в кристаллогенератор, где вскипает. При этом удаляется часть растворителя и понижается температура, что приводит к резкому росту коэффициента пересыщения. При циркуляции патоки происходит интенсивное образование кристаллов. Содержание кристаллов регулируется величиной перегрева патоки в концентраторе и количеством подаваемого в кристаллогенератор пара.
Утфель, полученный в кристаллогенераторе, непрерывно поступает в первую секцию камеры роста кристаллов, куда также непрерывно поступает патока. Он перетекает из первой секции в четвертую, уваривается и через разгрузочное устройство непрерывно удаляется из аппарата. Управление работой аппарата осуществляется автоматически.
Простейшие кристаллизаторы периодического действия— вертикальные цилиндрические аппараты со змеевиками и механическими мешалками. Кристаллизация в них происходит одновременно с охлаждением раствора.
В пищевой технологии применяют в основном два типа кристаллизаторов: корытного типа и вращающиеся барабанные.
На рис. 5 показан кристаллизатор корытного типа с ленточной мешалкой. Вместо ленточной мешалки может быть использована шнековая мешалка, выполненная в виде бесконечного винта. Средний размер кристаллов в таких кристаллизаторах не превышает 0,5...0,6 мм.
Кристаллизаторы корытного типа довольно широко распространены в промышленности. Они просты в обслуживании и надежны в работе.
Барабанные кристаллизаторы бывают с водяным и воздушным охлаждением. При воздушном охлаждении кристаллы получаются более крупными из-за низкого коэффициента теплоотдачи от раствора к воздуху, но при этом производительность кристаллизатора значительно ниже, чем при водяном охлаждении.
Рис. 5. Кристаллизатор с ленточной мешалкой:
1—корытообразный корпус; 2 — водяная рубашка; 3 — мешалка
Барабанный кристаллизатор представляет собой вращающийся цилиндрический барабан, наклоненный по ходу раствора к горизонту (рис. 6). Раствор поступает с верхнего конца барабана, а кристаллы выгружаются с нижнего конца. При вращении барабана кристаллизатора раствор смачивает стенки, увеличивая тем самым площадь поверхности испарения воды.
Барабан заключен в кожух, в который подаются охлаждающая вода либо воздух.
Теплоноситель движется в кожухе противотоком к раствору. Расход охлаждающей воды составляет примерно 5 м3 на 1 м3 раствора. Для предотвращения образования кристаллов на стенках в
Рис. 6. Барабанный кристаллизатор:
1 — кожух; 2— барабан; 3 — приемник суспензии; 4 — ролик; 5—змеевик; 6 — воронка
Рис. 7. Кристаллизатор с псевдоожиженным слоем:
1 — корпус; 2— труба вскипания; 3—сборник; 4— теплообменник; 5—насос; 6— циркуляционная труба; 7— центральная труба
некоторых конструкциях предусмотрен обогрев нижней части барабана. Для этого в кожухе прокладывают обогревательные трубы.
Кристаллизаторы с псевдоожиженным слоемпозволяют интенсифицировать процесс кристаллизации, которая может проводиться
как с удалением части растворителя путем его испарения, так и при охлаждении раствора.
Схема кристаллизатора приведена на рис.7. Исходный раствор смешивается в циркуляционной трубе с циркулирующим маточным раствором, смесь нагревается в теплообменнике и поступает через трубу вскипания в аппарат, где происходит интенсивное парообразование. Пересыщенный раствор опускается в нижнюю часть кристаллизатора. Здесь в результате циркуляции раствора создается псевдоожиженный слой. Образовавшиеся крупные кристаллы (до 2 мм) оседают на дно и выводятся из аппарата, а мелкие продолжают расти либо удаляются через сборник 3.
При интенсивном перемешивании суспензии в псевдоожиженном слое увеличивается скорость диффузии вещества в растворе и ускоряется процесс роста кристаллов. При этом уменьшается степень пересыщения раствора и скорость роста кристаллов превышает скорость образования центров кристаллизации. При кристаллизации в псевдоожиженном слое получают кристаллы более узкого фракционного состава, чем при других методах.
Многокорпусная вакуум-кристаллизационная установка(рис. 8) состоит из трех-четырех вакуум-аппаратов с мешалками. Раствор из каждого нижерасположенного корпуса разрежения засасывается в вышерасположенный корпус. Каждый корпус оснащен поверхностным конденсатором и пароструйным насосом. Вакуум в последнем корпусе создается при помощи барометрического конденсатора. Поверхностные конденсаторы охлаждаются исходным раствором. Суспензия выгружается из последнего корпуса. Такие установки просты, экономичны и используются в крупнотоннажных производствах.
Рис. 8. Многокорпусная вакуум-кристаллизационная установка:
1-кристаллизаторы; 2— поверхностные конденсаторы; 3—пароструйный насос; 4— рометрический конденсатор