КРИСТАЛЛИЗАТОР-ВЫПАРИВАТЕЛЬ
CRYSTALLISER-EVAPORATOR

Изобретение относится к оборудованию для молочной промышленности и может быть использовано для кристаллизации лактозы.
Известны установки для кристаллизации лактозы, включающие вертикальный цилиндрический корпус с теплообменной рубашкой, в которой охлаждение насыщенного раствора лактозы производится через поверхность теплообмена (SU, авторское свидетельство №1622402, кл. C13K 5/00, опубл. 23.01.1991, Бюл. №3; SU, авторское свидетельство №1693068, кл. C13K 5/00, опубл. 23.11.1991, Бюл. №43).
Недостатком этих установок является отложение кристаллической лактозы на днище и внутренних поверхностях корпуса с последующим накоплением массы кристаллов, что снижает производительность установки. Качество продукта снижается в связи с разнородным гранулометрическим составом кристаллов и с повышенным содержанием кристаллов мелкой фракции.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является установка для кристаллизации лактозы, включающая две колонны, сообщенные между собой трубами для циркуляции насыщенного раствора лактозы из одной в другую, снабженные крышками с патрубками подачи кристаллизуемого раствора, штуцерами для отвода воздуха из них и барботерами для подачи холодного воздуха в одну из колонн и горячего - в другую, и вихревую трубу для образования потоков холодного и горячего воздуха, направляемого в эти барботеры, при этом колонна, в которую подается холодный воздух, снабжена штуцером для отвода готовой кристалломассы (RU, патент на изобретение №2300572, кл. C13K 5/00, опубл. 10.06.2007).
Недостатком такой установки является невозможность осуществления на ней интенсивного выпаривания насыщенного раствора и неэффективность процесса кристаллизации лактозы в связи с тем, что перетекание насыщенного раствора лактозы из одной колонны в другую через циркуляционные трубы не может обеспечить эффективного растворения мелких кристаллов, попадающих из холодной колонны в горячую, и эффективного роста крупных кристаллов, попадающих из горячей колонны в холодную, т.к. перетекает незначительная часть раствора, находящегося в колонке, а при интенсивном перетекании температура колонок выравнивается и теряется весь эффект этой конструкции.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности установки за счет интенсификации теплообмена, совмещения двух процессов кристаллизации и выпаривания, возможности варьирования температурных режимов процессов кристаллизации и выпаривания в широких пределах, а также улучшения качества и количества получаемой кристаллической лактозы.
Этот результат достигается тем, что предложенная установка включает две вертикальные колонны, в одной из которых при низкой температуре осуществляется процесс кристаллизации лактозы, в другой - при высокой температуре - процесс выпаривания. Установка работает в циклическом режиме. В каждом цикле осуществляется попеременное охлаждение и нагревание каждой колонны. Низкую температуру получают путем использования двух теплоносителей: воздуха и воды. Холодный воздух барботируется через слой насыщенного раствора лактозы, а холодная вода подается в рубашку колонны, обеспечивая кристаллизацию раствора. Аналогичным образом, с помощью горячего воздуха и горячей воды получают высокую температуру насыщенного раствора лактозы, обеспечивая его выпаривание. По истечении половины цикла осуществляется реверс подачи теплоносителей: холодные воздух и вода начинают подаваться во вторую колонну, а горячие - в первую. Конструкция барботера представляет собой цилиндрическую вставку с тангенциально расположенными отверстиями для барботирования воздуха в колонны, что обеспечивает равномерное распределение пузырьков воздуха по всему объему раствора, а также увеличивает скорость движения раствора, придавая ему вращательное движение, тем самым интенсифицируя теплопередачу. Увеличение скорости движения раствора относительно холодной стенки сокращает налипание кристаллов, кроме того, благодаря чередованию охлаждения с нагреванием колонны, в процессе нагревания поверхность теплопередачи полностью освобождается от кристаллов лактозы, осевших на ней в процессе охлаждения.
Такая конструкция кристаллизатора-выпаривателя интенсифицирует теплообмен, позволяя повышать температуру в нагреваемой колонке, увеличивая эффективность выпаривания, и понижать температуру насыщенного раствора лактозы в охлаждаемой колонке, создавая лучшие условия для кристаллизации лактозы. Циклический режим работы обеспечивает равномерное выпаривание раствора и кристаллизацию лактозы в каждой колонке, кроме того, циклические колебания температуры интенсифицируют процесс кристаллизации лактозы, увеличивая ее выход, повышая производительность установки и позволяя получить равномерный гранулометрический состав.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображена установка в продольном (Фиг. 1) и поперечном (Фиг. 2) разрезах.
Установка состоит из двух одинаковых по конструкции колонн 1, снабженных верхними крышками с патрубками 2 для заполнения аппарата кристаллизуемым раствором и штуцерами 3 для отвода воздуха, штуцерами 4 для отвода кристалломассы из колонн, штуцерами 5 для подачи воды в рубашки 6 колонн, штуцерами 7 для выхода воды. В рубашке каждой колонны расположены спиралевидные направляющие 8. В нижней части колонн расположены барботеры 9, представляющие собой перфорированные цилиндрические вставки, отверстия 10 в которых имеют тангенциальное направление. Подача воздуха в барботеры осуществляется через патрубки 11. Крепится установка на раму 12.
Установка работает следующим образом.
Заполнение колонн кристаллизуемым раствором лактозы осуществляется через патрубки 2 в верхних крышках. В колонны, через отверстия 10 барботеров 9, подается воздух, в одну колонну - холодный с температурой 0°C, во вторую - горячий с температурой 60°C. Горячий и холодный воздух получается при прохождении воздуха с комнатной температурой через вихревую трубу Ранка-Хильша. Тангенциальное расположение отверстий 10 в барботерах 9 позволяет придавать продукту в колонне вращательное движение, что увеличивает скорость продукта относительно стенок, интенсифицирует теплопередачу и создает более благоприятные условия для процесса кристаллизации лактозы. Одновременно с воздухом в рубашку 6 каждой колонны подается горячая или ледяная вода через штуцера 5, которая циркулирует внутри рубашки, причем поток формируется с помощью спиралевидных направляющих 8 в противоположную сторону от вращения продукта в колонне. Температура горячей воды 70…90°C, ледяной - 1…5°C. Таким образом, нагреваемая колонка получает тепло одновременно от горячих воздуха и воды, а охлаждаемая - от холодных. В охлаждаемой колонне осуществляется кристаллизация, а в нагреваемой - выпаривание. Установка работает в циклическом режиме нагревания и охлаждения колонн. По истечении половины цикла автоматически осуществляется реверс подачи воды и воздуха в колонны. Такой режим работы, позволяющий чередовать кристаллизацию и выпаривание в каждой колонне, дает возможность осуществлять наиболее эффективный режим кристаллизации - циклический, который обеспечивает образование крупных кристаллов. Совмещение процессов кристаллизации и выпаривания позволяет использовать насыщенный раствор лактозы с изначально пониженным содержанием сухих веществ, тогда из процесса переработки сыворотки исключается энергоемкое вакуум-выпаривание, которое можно заменить экономичной нанофильтрацией.