КРИСТАЛЛИЗАТОР С ОХЛАЖДЕНИЕМ И СПОСОБ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ САХАРА Российский патент 2023 года по МПК C13B30/02 

Изобретение касается кристаллизатора с охлаждением для утфеля сахарозы в вертикально ориентированной емкости, имеющей впуск на верхней стороне для подвода и выпуск на нижней стороне для отвода утфеля, с несколькими, расположенными на расстоянии друг от друга по вертикали холодильными секциями, причем через холодильные секции протекает жидкий теплоноситель, и они соединены с теплообменником, чтобы отводить тепло от утфеля. Также изобретение касается способа кристаллизации сахара и охлаждения утфеля сахара в кристаллизаторе с охлаждением.

Кристаллизация сахара представляет собой решающий технологический этап для выделения растворенной в сиропе сахарозы. Во время этапа кристаллизации технически достижимое обессахаривание раствора ограничено содержанием кристаллов в утфеле. Поэтому требуется несколько ступеней кристаллизации. С помощью физического процесса кристаллизации может быть достигнуто превосходное отделение сахара от несахаристых веществ. Условием для этого является хорошо проведенный процесс кристаллизации, при котором получается кристаллизат с малой долей агрегата и мало ложных кристаллов. Довольно длительное время испарительная кристаллизация сахара проводилась почти исключительно в работающих периодически аппаратах. Улучшения как в отношении качества сахара, так и сокращения энергопотребления при кристаллизации принесло использование механических мешалок в таких работающих периодически испарительных кристаллизаторах. Между тем работающие периодически испарительные кристаллизаторы являются обычными для обеспечения равномерного формирования утфеля.

После испарительной кристаллизации, в которой производится основная часть массы кристаллов сахара, утфель охлаждается. При этом целью является максимально возможное извлечение сахарозы из межкристального раствора путем дальнейшей кристаллизации уже имеющихся кристаллов. Здесь речь идет о последней ступени обессахаривания при производстве сахара. Ошибки проведения процесса при охлаждении необратимо сказываются на потерях сахара в мелассе, поэтому кристаллизации охлаждением придается большое значение. После охлаждения маточный раствор отделяется от кристаллов в центрифуге. При этом следует обращать внимание на то, чтобы кристаллы не уменьшались ниже определенного размера, поскольку иначе они с маточным раствором проходят через сито центрифуги и как сахарный кристалл теряются, таким образом, уменьшались бы выходы сахара. Поэтому целью при охлаждении является то, чтобы не образовывались новые кристаллы, а чтобы образование кристаллов происходило только на уже имеющихся кристаллах. Образованию новых кристаллов препятствуют тем, что не превышаются определенные перенасыщения. Далее при кристаллизации сахара следует обращать внимание на то, чтобы из-за продолжающегося наращивания кристаллов не прекращалось перенасыщение в маточном растворе, что, в конце концов, препятствует дальнейшей кристаллизации. Лишь путем снижения температуры утфеля перенасыщение может быть снова увеличено до желаемой степени.

В принципе, охлаждение утфеля может происходить в открытых емкостях без изоляции или в емкостях со встроенными трубами охлаждения или поверхностями охлаждения.

Из GB 2053019A известен теплообменник для кристаллизации суспензии, у которого в цилиндрическом теле расположено несколько находящихся на расстоянии друг от друга по вертикали охлаждающих элементов, через которые прокачивается рабочая среда теплообменника. Двумя гидравлическими поршнями охлаждающие элементы поднимаются и опускаются.

DE 35 17 511 C2 касается башни для кристаллизации охлаждением для сахарного утфеля со стоящей цилиндрической емкостью с находящимся сверху впуском и находящимся снизу выпуском и подразделяющими емкость на камеры днищами ярусов, имеющими форму сужающегося книзу конуса. В каждой камере расположен цилиндр, образующий с днищем яруса запираемое сквозное отверстие. Кроме того, в каждой камере расположены теплообменник, через который протекает охлаждающий агент, и способные колебаться в вертикальном направлении перемешивающие элементы.

US 8 475 597 B2 касается способа и устройства для кристаллизации сахара путем управляемого охлаждения насыщенного сахарного раствора в кристаллизаторе с цилиндрическим корпусом, на верхней стороне которого сформированы впуск для насыщенного сахарного раствора и на нижней стороне которого - выпуск для кристаллизованной массы. Внутри корпуса расположено множество теплообменников на различных уровнях поперечно-продольной протяженности корпуса. Каждый теплообменник определяет во внутреннем пространстве корпуса соответствующую ступень кристаллизации массы, движущейся сверху вниз через корпус. Теплообменники выполнены в форме спирали или змеевика и снабжены соответственно подключением для греющей воды или охлаждающей воды. Из выпуска рабочая среда теплообменника направляется в находящийся непосредственно сверху теплообменник вплоть до самого верхнего теплообменника, из которого рабочая среда теплообменника отводится для подготовки. Каждый теплообменник, за исключением самого верхнего и самого нижнего теплообменника, имеет впуск, соединенный с внешним теплообменником, поэтому температура утфеля на каждой ступени кристаллизации удерживается в заданном диапазоне. Для этого на внутренней стороне корпуса предусмотрены температурные датчики, связанные с электронным управляющим модулем, открывающим или закрывающим клапаны в зависимости от соответствующего сигнала температуры, чтобы устанавливать объемные расходы и температуры рабочей среды теплообменника. Жидкий теплоноситель может быть холоднее или теплее, чем находящаяся в области клапана рабочая среда теплообменника.

Далее из публикации «технической программы» («technik-programm») «Брауншвейгский машиностроительный завод АГ» (Braunschweigische Maschinenbauanstalt AG) известен кристаллизатор с охлаждением, состоящий из стандартизованных элементов охлаждающих секций, в которых охлаждающая среда принудительно проводится внутри трубопроводов снизу вверх через стоящий охлаждающий цилиндр. Внутри цилиндра утфель движется сверху вниз благодаря силе тяжести. Элементы охлаждающих секций совершают колебания в вертикальном направлении, причем элементы охлаждающих секций расположены в два контура, поэтому могут работать либо только один контур охлаждающих секций, либо оба контура охлаждающих секций. Если выходит из строя один контур охлаждающих секций, то кристаллизатор с охлаждением может работать дальше. Оба контура гидравлически соединены последовательно. Между двумя охлаждающими секциями одного контура охлаждающих секций расположена соответственно охлаждающая секция другого контура охлаждающих секций, исключение составляют верхние и нижние охлаждающие секции.

Задача данного изобретения состоит в том, чтобы предоставить кристаллизатор с охлаждением, а также способ для кристаллизации сахара, с помощью которых можно достичь повышенного выхода кристаллов сахара из утфеля с максимально малыми аппаратными затратами.

Согласно изобретению эта задача решается с помощью устройства с признаками основного независимого пункта формулы изобретения и с помощью способа с признаками дополнительного независимого пункта. Предпочтительные формы исполнения и усовершенствования изобретения раскрываются в зависимых пунктах, описании и фигурах.

Кристаллизатор с охлаждением для утфеля сахарозы с вертикально ориентированной емкостью, имеющей впуск на верхней стороне для подвода и выпуск на нижней стороне для отвода утфеля, с несколькими находящимися на расстоянии друг от друга по вертикали холодильными секциями, причем через холодильные секции протекает жидкий теплоноситель, и они соединены с теплообменником для отвода тепла от утфеля, предусматривает, чтобы несколько охлаждающих секций объединены в один охлаждающий пакет, а охлаждающие пакеты были выполнены как разделенные охлаждающие контуры с разделенными теплообменниками. С помощью формы исполнения кристаллизатора с охлаждением с несколькими охлаждающими пакетами из нескольких холодильных секций и их термического и гидравлического разделения возможно выставлять как различные количества охлаждающей воды, так и различные разницы температур между утфелем и теплообменниками, соответственно, соответствующей рабочей средой теплоносителя. Таким образом возможно частично устанавливать адаптацию температуры под соответствующую степень насыщения в утфеле и степень обессахаривания маточного раствора. С помощью гидравлического разъединения возможно оптимально устанавливать требуемое количество жидкого теплоносителя, например, воды, поэтому возможно достигать во время процесса охлаждения в любое время оптимальных условий кристаллизации. Этим можно достичь при одном и том же размере аппарата большего пропускания утфеля или же меньшего размера аппарата при заданном объемном расходе. Также и при больших объемных расходах потеря давления в трубопроводе для жидкого теплоносителя не станет больше ограничивающим критерием.

Наряду с возможностью установления объемных расходов с помощью гидравлического отсоединения, с помощью термического отсоединения раздельными теплообменниками можно снабжать охлаждающие пакеты различно термостатированным жидким теплоносителем, поэтому разницы температур по длине контакта утфеля с соответствующим охлаждающим пакетом могут быть оптимально адаптированы под соответствующую степень насыщенности утфеля.

Усовершенствование предусматривает, чтобы охлаждающие пакеты были сформированы вертикально отделенными друг от друга и расположены внутри емкости, поэтому с помощью пространственного разделения и размещения на расстоянии по вертикали можно регулировать адаптированную разницу температур на пути перемещения утфеля внутри емкости.

Разница температур между утфелем и соответствующим охлаждающим пакетом устанавливается предпочтительно с убыванием сверху вниз. Таким образом, в самом верхнем охладительном пакете имеет место самая большая разница между утфелем и соответствующей охлаждающей секцией или, соответственно, жидким теплоносителем, в самом нижнем охладительном пакете соответственно - самая маленькая разница температур. Этим учитываются различные степени насыщения и различные в зависимости от температуры скорости кристаллизации. При уже продолжающемся росте кристаллов при низких температурах утфеля может быть установлена медленная скорость охлаждения.

Объемный расход протекающего через охлаждающие пакеты жидкого теплоносителя предпочтительно устанавливается, причем соответственно требуемый объемный расход жидкого теплоносителя устанавливается в зависимости от данных датчика или от параметров состояния. Таким образом возможно управлять или регулировать кристаллизацию сахара внутри кристаллизатора с охлаждением. Также более предпочтительно температура жидкого теплоносителя на входе в соответствующий охлаждающий пакет выполнена устанавливаемой отдельно от температуры на входе в другие охлаждающие пакеты. Поскольку максимально возможная скорость роста кристаллов снижается с уменьшающейся чистотой утфеля, то является предпочтительным, если разница температур на пути через емкость сверху вниз снижается и, таким образом, при малой температуре утфеля также имеет место малая разница температур с жидким теплоносителем. К концу охлаждения разница температур между жидким теплоносителем и утфелем должна устанавливаться наиболее предпочтительно так, чтобы перенасыщение внутри маточного раствора делало возможной максимально возможную скорость роста кристаллов.

Охлаждающие секции и тем самым также и охлаждающие пакеты могут быть расположены в емкости с возможностью перемещения по вертикали и могут быть соединены с приводом, поэтому охлаждающие секции и охлаждающие пакеты перемещаются в емкости общим или индивидуальным приводом. Для этого охлаждающие пакеты могут быть соединены с подъемными трубами, которые приводятся в движение гидравлическим цилиндром, проходят в вертикальном направлении заданное расстояние. В подъемных трубах охлаждающая вода подводится к охлаждающим трубам в соответствующие охлаждающие пакеты, соответственно, охлаждающие секции и снова отводится. Вертикальным движением и перемещением охлаждающих секций и охлаждающий пакетов внутри утфеля прежде всего способствуют улучшенному распределению температур, а также равномерному охлаждению внутри утфеля. Кроме этого с помощью движения охлаждающих пакетов внутри утфеля достигается эффект очистки на охлаждающих секциях, поэтому кристаллы сахара не прилипают к охлаждающим трубам охлаждающих пакетов или, соответственно, охлаждающих секций, или, соответственно, удаляются из них. С помощью исключительно вертикального перемещения охлаждающих пакетов создается как раз относительное движение между охлаждающими пакетами и утфелем, однако, перемешивается утфель только слегка. С помощью колебательного вертикального движения предотвращаются большие колебания температуры в утфеле и, тем самым, образование мелких кристаллов. Однако, постоянное снижение температуры при вертикальном перемещении обеспечивается и дальше.

Наряду с термическим и гидравлическим отделением охлаждающих пакетов друг от друга является предпочтительным, если в области между двумя охлаждающими пакетами и/или двумя охлаждающими секциями расположен температурный датчик для утфеля, чтобы получать информацию о процессе кристаллизации по температуре утфеля. На основе данных датчика могут быть изменены скорости прохождения утфеля, объемные расходы жидкого теплоносителя и соответствующие температуры, чтобы достичь оптимального выхода сахара. В частности, на переходе между двумя охлаждающими пакетами является предпочтительным разместить температурный датчик, чтобы по зонам устанавливать соответственные параметры. Объединение охлаждающих секций в охлаждающие пакеты облегчает подгонку параметров под соответствующий ход кристаллизации без чрезмерного повышения сложности установки.

Усовершенствование изобретения предусматривает, чтобы по меньшей мере один оптический датчик был расположен в емкости и/или в трубопроводе для регистрации образования кристаллов. Данные оптического датчика сами по себе или вместе с другими данными датчиков, например, данными температурного датчика или температурных датчиков могут служить для того, чтобы управлять или регулировать кристаллизацию сахара внутри кристаллизатора с охлаждением. Это может происходить, например, путем изменения объемного расхода утфеля и/или жидкого теплоносителя, путем изменений температур или путем других изменений рабочих параметров в зависимости от того, установлено ли, что образовались или нет новые кристаллы сахара. Если, например, с помощью оптического датчика в кристаллизаторе регистрируются нежелательно образованные новые кристаллы, то они могут быть снова растворены в расположенном следом смесителе, например, путем добавления горячей среды, такой как, например, горячая меласса. Дополнительно могут настраиваться другие параметры, чтобы предотвращать образование новых кристаллов.

Кристаллизатор с охлаждением с двумя охлаждающими контурами выполнен, в частности, для переработки утфеля сахарозы, однако, в принципе, также возможно перерабатывать утфель фруктозы или глюкозы таким кристаллизатором с охлаждением. В частности, если встроен датчик для регистрации образования кристаллов, например, оптический датчик, то облегчено управление и/или регулировка процесса кристаллизации.

Способ кристаллизации сахара и охлаждения сахарного утфеля в кристаллизаторе с охлаждением, как описано выше, предусматривает, чтобы в направлении потока утфеля сверху вниз между охлаждающими секциями и утфелем устанавливать уменьшающуюся разницу температур. Разница температур устанавливается для каждого охлаждающего пакета предпочтительно индивидуально, причем разница температур в самом верхнем охлаждающем пакете должна быть самой большой, а в самом нижнем охлаждающем пакете - самой маленькой. Изменяющаяся разница температур к началу охлаждения утфеля является предпочтительно наибольшей в области верхнего охлаждающего пакета, поскольку там имеется межкристальный раствор самой большой чистоты, и, тем самым, возможна высокая скорость роста кристаллов. В конце кристаллизации охлаждением межкристальный раствор имеет сравнительно малую чистоту, тем самым технологически становятся предпочтительными медленное охлаждение и малая разница температур. Способ применим, в частности, для утфеля сахарозы, то также может быть использован для утфеля глюкозы или фруктозы.

Например, разница температур между жидким теплоносителем и утфелем на самом верхнем охлаждающем пакете может составлять между 15K и 20K, в то время как разница температур в расположенном вертикально под ним охлаждающем пакете составляет между 8K и 12K.

В каждой зоне охлаждающих пакетов могут быть установлены различные перенасыщения утфеля, что может происходить путем регулирования температуры, а также установления скорости протекания утфеля через емкость. Скорость протекания утфеля может изменяться, например, путем открывания или закрывания пропускного устройства, задвижки или клапана на выпуске на нижней стороне.

Для выравнивания охлаждения предпочтительно жидкий теплоноситель проводится противотоком через охлаждающие секции, поэтому от впуска до выпуска из соответствующих охлаждающих секций и охлаждающих пакетов может достигаться равномерная разница температур по длине охлаждающего пакета. Благодаря этому, например, возможно удерживать постоянной разницу температур между утфелем и охлаждающими секциями в охлаждающем пакете.

В следующей форме исполнения ранее описанная разница температур между утфелем и охлаждающими секциями в охлаждающем пакете может меняться или устанавливаться переменной и, например, уменьшаться за время выдержки утфеля в кристаллизаторе с охлаждением. Благодаря этому может быть равномернее установлено, например, перенасыщение утфеля и увеличен прирост кристаллов.

Далее примеры исполнения изобретения более подробно поясняются с помощью прилагаемых фигур. Показано:

фигура 1 - схематичное изображение кристаллизатора с охлаждением на изображении с местным разрезом;

фигура 2 - схематичное изображение охлаждающей секции;

фигура 3 - схема кристаллизатора с охлаждением;

фигура 4a - ход температуры с постоянными разницами температур за время выдержки утфеля в кристаллизаторе с охлаждением;

фигура 4b - ход температуры с переменными разницами температур за время выдержки утфеля в кристаллизаторе с охлаждением;

фигура 5a - перенасыщение и прирост кристаллов с постоянными разницами температур за время выдержки утфеля в кристаллизаторе с охлаждением; а также

фигура 5b - перенасыщение и прирост кристаллов с переменными разницами температур за время выдержки утфеля в кристаллизаторе с охлаждением.

На фиг. 1 показан на схематичном изображении в разрезе кристаллизатор 2.0 с охлаждением, имеющий вертикально ориентированную емкость 2.1, имеющую впуск 2.2 на верхней стороне и выпуск 2.3 на нижней стороне. Через впуск 2.2 утфель из предшествующих ступеней кристаллизации сахара подается в емкость 2.1. Предшествующие ступени представляют собой, например, первое образование основы кристаллизации, производство белого сахара, производство сахара-сырца и производство желтого сахара. Желтый сахар готовится, например, в башне испарительной кристаллизации, в которой проводится снижение чистоты сахара межкристального раствора и производится основная часть массы кристаллов желтого сахара. Следом за этим утфель охлаждается в кристаллизаторе 2.0 с охлаждением. Цель состоит в том, чтобы извлечь из межкристального раствора насколько можно много сахарозы путем увеличения уже имеющихся кристаллов. При этом речь идет о последней ступени обессахаривания межкристального раствора, которая может быть проведена непрерывно с помощью кристаллизатора 2.0 с охлаждением. Емкость 2.1 полностью наполняется через впуск 2.2 утфелем из башни испарительной кристаллизации. От двигателя 6.2 приводится в движение распределитель, который вращается и равномерно распределяет утфель из впуска 2.2 по всей поверхности утфеля внутри емкости 2.1. Внутри емкости 2.1, которая может иметь рабочий объем в несколько сотен кубических метров, расположены с распределением по уровням вертикально друг над другом на расстоянии друг от друга охлаждающие секции 5.0, чтобы охлаждать теплый утфель из башни испарительной кристаллизации. Через охлаждающие секции 5.0, расположенные предпочтительно на равных расстояниях друг от друга, через впуск 2.4 для воды подается насосом охлаждающая вода, причем охлаждающая вода в качестве жидкого теплоносителя направляется противотоком потоку утфеля через кристаллизатор 2.0 с охлаждением, то есть снизу вверх. Таким образом холодная охлаждающая вода сначала подается насосом через самую нижнюю охлаждающую секцию 5.0 и оттуда вверх через отдельные охлаждающие секции 5.0 вплоть до находящегося на верхней стороне выпуска 2.5 воды. Оттуда нагретый жидкий теплоноситель или охлаждающая вода подготавливается, в частности, охлаждается.

Вся система охлаждения с охлаждающими секциями 5.0 и проводками охлаждающей воды, сформированными как трубы, совершает колебания в вертикальном направлении. Движение осуществляется от приводов 6.1, предпочтительно в форме гидравлических цилиндров. Гидравлические цилиндры 6.1 расположены на крышке кристаллизатора 2.0 с охлаждением предпочтительно симметрично. Путем поднимания и опускания охлаждающих секций 5.0, конструкция которых будет пояснена ниже, получается хороший эффект самоочистки, чтобы избежать возможных наростов корок на охлаждающих поверхностях. Таким образом могут быть переработаны без проблем и утфели с высокой вязкостью. Благодаря вертикальной установке емкости 2.1 получается меньшая потребность в рабочей площади, кроме того, благодаря модульной форме исполнения емкости 2.1 может быть легко осуществлена адаптация установок под различные объемные расходы. На основании равномерного относительного движения утфеля к охлаждающим секциям имеет место равномерная и хорошая теплопередача между утфелем и охлаждающей средой или жидким теплоносителем, в частности, охлаждающей водой. Температура на выходе на выпуске 2.3 на нижней стороне может быть установлена очень точно, обычная температура на входе лежит между 60°C и 85°C в зависимости от предварительного процесса, температура на выпуске находится обычно в диапазоне примерно 40°C.

На фиг. 2 в качестве примера изображена охлаждающая секция 5.0, сооруженная из прямых отрезков труб. Трубы расположены шестиугольником и размещены в форме спирали направленными в двух или более вертикальных плоскостях. Сами трубы размещены в неизображенном, по существу, круглом каркасе и закреплены на выступающих радиально наружу основаниях, которые могут быть вертикально подняты или также опущены неизображенными подъемными устройствами. Охлаждающая вода или жидкий теплоноситель подается по находящемуся на нижней стороне впуску 5.0.2 охлаждающей секции. Впуск 5.0.2 охлаждающей секции на изображенном примере исполнения расположен на внешней трубе, оттуда охлаждающая жидкость спиралеобразно подается насосом через трубы внутрь и по находящемуся на внутренней стороне проходу направляется на следующий, расположенный вертикально над ним уровень охлаждающих труб, на котором охлаждающая вода подается насосом снаружи внутрь через трубы. От находящегося на верхней стороне выпуска 5.0.3 охлаждающей секции жидкий теплоноситель или охлаждающая вода направляется затем в расположенную над ним охлаждающую секцию 5.0.

На фиг. 3 на схеме изображен кристаллизатор 2.0 с охлаждением с основными компонентами. Через насос 1.0 для утфеля подлежащий охлаждению утфель из испарительного кристаллизатора подается насосом к находящемуся на верхней стороне впуску 2.2 утфеля. Через неподробно изображенный распределитель, имеющий привод от двигателя 6.2, охлаждаемый утфель равномерно распределяется по поверхности уже находящегося внутри емкости 2.1 утфеля. Датчик уровня заполнения может быть связан с неизображенным блоком управления, чтобы обеспечивать равномерный уровень заполнения емкости 2.1. Подвод через насос 1.0 для утфеля соответствует отводу кристаллизованного до готовности и охлажденного утфеля через выпуск 2.3 на нижней стороне емкости 2.1. От выпуска 2.3 охлажденный утфель подается на дальнейшую обработку, например, на соответствующее устройство центрифугирования. Это осуществляется через насос 4.0 для утфеля, перед которым может быть расположен смеситель 3.0 меласса-утфель.

Внутри емкости 2.1 расположены несколько охлаждающих секций 5.0. На блок-схеме фиг. 3 они изображены как зигзагообразная линия, они имеют, в частности, такую форму, как описано на фиг. 2. Иные формы, например, настоящая форма спирали или отличное число углов при полигональной конструкции также возможны как варианты в отношении ярусов трубок на охлаждающую секцию 5.0. Охлаждающие секции 5.0 на изображенном примере исполнения фиг. 3 объединены в два охлаждающих пакета 5.1, 5.2. Первый охлаждающий пакет 5.1 расположен внутри второго охлаждающего пакета 5.2. Характеристики «сверху» и «снизу» относится соответственно к вертикальной ориентации или к направлению силы тяжести. Каждый охлаждающий пакет 5.1, 5.2 имеет собственный впуск 5.1.2, 5.2.2 охлаждающей воды и собственный выпуск 5.1.3, 5.2.3 охлаждающей воды, из которого охлаждающая вода или жидкий теплоноситель отводится из емкости 2.1. Выпуск 5.1.3 охлаждающей воды первого охлаждающего пакета 5.1 расположен под или на одинаковой высоте впуска 5.2.2 охлаждающей воды расположенного над ним охлаждающего пакета, на изображенном примере исполнения второго охлаждающего пакета 5.2. Наряду с изображенной формой исполнения с двумя охлаждающими пакетами 5.1, 5.2 внутри емкости 2.1 также могут располагаться три или более охлаждающих пакета. Каждый охлаждающий пакет 5.1, 5.2 снабжается охлаждающей водой через собственный насос 2.1.1, 2.2.1 для охлаждающей воды. Клапаны в подводящих трубопроводах управляют подводимым количеством охлаждающей воды. От соответствующего выпуска 5.1.3, 5.2.3 охлаждающей воды нагретая охлаждающая вода подается в собственный теплообменник 2.1.2, 2.2.2. Также каждому контуру охлаждения соответствует отдельная емкость 2.1.3, 2.2.3 выравнивания давления, из которой забирается охлаждающая вода. Каждый охлаждающий пакет 5.1, 5.2 имеет, таким образом, автономный контур охлаждения с собственным насосом 2.1.1, 2.2.1 для охлаждающей воды, собственным теплообменником 2.1.2, 2.2.2 и собственной емкостью 2.1.3, 2.2.3 выравнивания давления, поэтому оба охлаждающих пакета 5.1, 5.2 термически и гидравлически отделены друг от друга. Оба охлаждающих пакета 5.1, 5.2 могут быть совместно подняты и при необходимости опущены с помощью неизображенного гидравлического цилиндра 6.1. Опускание также может происходить под действием силы тяжести. Опускание охлаждающих пакетов 5.1, 5.2 внутри утфеля происходит быстрее, чем скорость опускания утфеля внутри емкости. Быстрота опускания утфеля внутри емкости 2.1 определяется с помощью неописанного подробнее клапана или управляющей задвижки на выпуске 2.3 или с помощью насоса 4.0. В принципе также возможно, чтобы отдельные охлаждающие пакеты 5.1, 5.2 независимо друг от друга выполняли движение подъема и движение опускания, однако технологически предпочтительно, если имеет место максимально малое перемешивание различно термостатированного утфеля, чтобы не помешать процессу кристаллизации и избежать образования новых нежелательных кристаллов. При этом образование новых нежелательных кристаллов предпочтительно регистрируется одним или несколькими оптическими датчиками, расположенными в емкости 2.1 и/или в соседних трубопроводах на пригодном месте. Такие датчики предназначены для того, чтобы осуществлять соответствующую регулировку для оптимальной работы без образования новых кристаллов. При этом нежелательно образованные новые кристаллы могут регистрироваться в кристаллизаторе с помощью оптического датчика и снова растворяться в регулировочном контуре в расположенном следом смесителе, таком как смеситель 3.0 меласса-утфель путем добавления горячей среды, такой как, например, горячая меласса.

Между обоими охлаждающими пакетами 5.1, 5.2 расположен температурный датчик 5.3, измеряющий температуру при переходе утфеля между обоими охлаждающими пакетами 5.1, 5.2. Температурный датчик 5.3 соединен с неизображенным управляющим устройством, которое также соединено с насосами 2.1.1, 2.2.1. Также ведется наблюдение за температурой охлаждающей жидкости или средой теплоносителя, чтобы учитывать температуру подаваемого жидкого теплоносителя и, при необходимости, иметь возможность ее изменить. Изменением температуры подачи и/или изменением количества жидкого теплоносителя или охлаждающей воды возможно устанавливать различные разницы температур между утфелем внутри емкости 2.1 и охлаждающими пакетами 5.1, 5.2 или, соответственно, охлаждающей водой. Благодаря вертикально разделенному расположению охлаждающих пакетов 5.1, 5.2 можно иметь возможность устанавливать разницы температур в зависимости от температуры утфеля. Скорость кристаллизации утфеля меняется со степенью чистоты и температурой утфеля. Если через всю высоту кристаллизатора 2.0 с охлаждением охлаждающая вода подается насосом только из одного контура охлаждения противотоком через охлаждающие секции 5.0, то разница температур может быть установлена только на нижнем впуске 5.1.2, 5.2.2 охлаждающей воды. На разницу температур между охлаждающими пакетами 5.1, 5.2 и утфелем в емкости 2.1 можно повлиять изменением объемных расходов жидких теплоносителей. Увеличение количества жидкого теплоносителя, однако, не может происходить желаемым образом, поскольку потеря давления в трубопроводе жидкого теплоносителя повышается по отношению к скорости жидкого теплоносителя в трубах охлаждающих секций 5.0, поэтому не может быть превышена техническая граница в примерно 10 бар. Эта проблема может быть устранена с помощью гидравлически и термически отделенных охлаждающих пакетов 5.1, 5.2, расположенных отдельно по вертикали, поскольку при двух гидравлически отделенных, имеющих одинаковые размеры охлаждающих контурах потеря давления приблизительно уменьшается вдвое. Далее с обоими или последующими охлаждающими пакетами возможно достигать в любое время оптимальных параметров процесса. Неожиданным образом выяснилось, что с помощью вышеописанного концепта для емкостей размерами до нескольких 100м³ и не известной характеристикой течения утфеля в очень высоких и узких емкостях 2.1 может происходить интенсификация мощности охлаждения с сопутствующим сокращением числа охлаждающих секций по сравнению с уровнем техники. В связи с этим может быть уменьшен габарит емкости 2.1. Альтернативно при сохраняющемся габарите кристаллизатора с охлаждением может быть повышен объемный расход утфеля. Также можно возводить кристаллизаторы с охлаждением в виде модулей и адаптировать параметры охлаждения под длительность выдержки в емкости, причем потеря давления в трубопроводе жидкого теплоносителя является лишь второстепенным критерием.

На фиг. 4a схематично представлен ход температуры за время выдержки утфеля при двухступенчатом кристаллизаторе с охлаждением с постоянной разницей температур. Температура утфеля показана верхней кривой, температура охлаждающей воды как жидкого теплоносителя - с помощью нижних обеих прямых. Температура утфеля на входе составляет примерно от 75°C до 80°C. За среднее время выдержки примерно 27 часов утфель охлаждается примерно до 42°C. Время выдержки представляет собой среднее время нахождения утфеля или суспензии кристаллов в кристаллизаторе с охлаждением, температура измеряется в том месте, где утфель или суспензия кристаллов имеет соответствующее среднее время пребывания. Температура охлаждающей воды как жидкого теплоносителя на выходе из нижнего охлаждающего пакета 5.1 составляет примерно 48°C, температура на выходе второго верхнего охлаждающего пакета 5.2 составляет примерно 55°C. Температура жидкого теплоносителя на входе верхнего охлаждающего пакета 5.2 составляет 40°C, температура жидкого теплоносителя на входе нижнего первого охлаждающего пакета 5.1 составляет 34°C. За счет проводки противотоком температура утфеля снижается, а температура жидкого теплоносителя растет во время протекания через емкость 2.1. Из фиг. 4a видно, что разница температур между утфелем и жидким теплоносителем для обоих охлаждающих пакетов 5.1, 5.2 является различной. Для нижнего охлаждающего пакета 5.1 разница температур составляет примерно 8K и, по существу, постоянна по всей длине контакта или времени контакта утфеля с нижним охлаждающим пакетом 5.1. Разница температур между температурой утфеля и температурой жидкого теплоносителя верхнего, второго охлаждающего пакета 5.2 составляет около 18K, однако может устанавливаться другой, например, от 12K до 15K. Также и здесь разница температур постоянна за все время выдержки или по всему пути контакта.

На фиг. 5a изображены за время выдержки утфеля с постоянными разницами температур: сплошной линией - перенасыщение Y_Ü утфеля, а также прирост ΔmK кристаллов - пунктирной линией. Для охлаждения и кристаллизации в верхней зоне кристаллизатора 2.0 с охлаждением перенасыщение линейно повышается с примерно 1,18 до примерно 1,22. Перенасыщение представляет собой безразмерную разницу концентраций и определяется как концентрация растворенного кристаллизующегося вещества в жидкой фазе суспензии кристаллов по соотношению к равновесной концентрации. Прирост кристаллов представляет собой количество кристаллизующегося компонента, которое наросло из жидкой фазы на имеющийся кристаллизат. Прирост кристаллов указан по единице высоты кристаллизатора, в данном случае единица высоты представляет собой расстояние между двумя охлаждающими секциями с соответствующим объемом утфеля. Перенасыщение постоянно уменьшается после примерно восьми часов или на переходе между верхним охлаждающим пакетом 5.2 и нижним охлаждающим пакетом 5.1 и опускается в конце до значения 1,149. Это получается из-за увеличивающейся накристаллизованности, поэтому суспензия кристаллов при увеличивающемся охлаждении и времени выдержки имеет все меньшую долю сахарозы. Прирост ΔmK кристаллов составляет в верхнем охлаждающем пакете 5.2 вначале примерно 0,31 и падает при увеличивающемся времени выдержки после контакта с нижним первым охлаждающим пакетом 5.1 до значения 0,11, таким образом, рост кристаллов замедляется.

На фиг. 4b схематично изображен ход температуры за время выдержки утфеля при двухступенчатом кристаллизаторе с охлаждением с переменными разницами температур. Температура утфеля показана верхней кривой, температура охлаждающей воды как жидкого теплоносителя - с помощью нижних обеих кривых. Температура утфеля на входе составляет примерно от 75°C до 80°C. За среднее время выдержки примерно 27 часов утфель охлаждается до примерно 42°C. Температура охлаждающей воды как жидкого теплоносителя на выходе из нижнего охлаждающего пакета 5.1 составляет примерно 45°C, температура на выходе второго верхнего охлаждающего пакета 5.2 составляет примерно 48°C. Температура жидкого теплоносителя на входе верхнего охлаждающего пакета 5.2 составляет 44°C, температура жидкого теплоносителя на входе нижнего, первого охлаждающего пакета 5.1 составляет 35°C. Из фиг. 4b видно, что разница температур между утфелем и жидким теплоносителем для обоих охлаждающих пакетов 5.1, 5.2 является различной и изменяется на протяжении времени выдержки. Для нижнего охлаждающего пакета 5.1 разница температур составляет между примерно 7K на входе 5.1.2 и около 11K на выходе 5.1.3. Разница температур между температурой утфеля и температурой верхнего, второго охлаждающего пакета 5.2 составляет между примерно 15K на входе 5.2.2 и около 24K на выходе 5.2.3.

На фиг. 5b изображены за время выдержки утфеля с переменными разницами температур: сплошной линией - перенасыщение Y_Ü утфеля, а также прирост ΔmK кристаллов - пунктирной линией. Для охлаждения и кристаллизация в верхней зоне кристаллизатора 2.0 с охлаждением перенасыщение дегрессивно повышается от примерно 1,18 до примерно 1,22. Перенасыщение постоянно уменьшается после примерно восьми часов или на переходе между верхним охлаждающим пакетом 5.2 и нижним охлаждающим пакетом 5.1 и снижается в конце до значения 1,148. Прирост ΔmK кристаллов составляет в верхнем охлаждающем пакете 5.2 примерно 0,31 и падает при увеличивающемся времени выдержки после контакта с нижним первым охлаждающим пакетом 5.1 до значения 0,11, таким образом, рост кристаллов замедляется.

Изобретение относится к пищевой промышленности. Предложен кристаллизатор с охлаждением для кристаллизации сахара из утфеля в ориентированной вертикально емкости, имеющей впуск на верхней стороне для подвода и выпуск на нижней стороне для отвода утфеля, с находящимися на расстоянии друг от друга по вертикали охлаждающими секциями. Причем через охлаждающие секции протекает жидкий теплоноситель, и они соединены с теплообменником для отвода тепла от утфеля. По меньшей мере, две охлаждающие секции объединены в один охлаждающий пакет, которые выполнены как раздельные контуры охлаждения с раздельными теплообменниками. Изобретение является эффективным при реализации. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Кристаллизатор (2.0) с охлаждением для кристаллизации сахара из утфеля в ориентированной вертикально емкости (2.1), имеющей впуск (2.2) на верхней стороне для подвода и выпуск (2.3) на нижней стороне для отвода утфеля, с находящимися на расстоянии друг от друга по вертикали охлаждающими секциями (5.0), причем через охлаждающие секции (5.0) протекает жидкий теплоноситель, и они соединены с теплообменником для отвода тепла от утфеля, отличающийся тем, что по меньшей мере две охлаждающие секции (5.0) объединены в один охлаждающий пакет (5.1; 5.2), а охлаждающие пакеты (5.1; 5.2) выполнены как раздельные контуры охлаждения с раздельными теплообменниками (2.1.2; 2.2.2).

2. Кристаллизатор с охлаждением по п. 1, отличающийся тем, что охлаждающие пакеты (5.1; 5.2) выполнены разделенными по вертикали.

3. Кристаллизатор с охлаждением по п. 1 или 2, отличающийся тем, что разница температур между утфелем и соответствующим охлаждающим пакетом (5.1; 5.2) установлена уменьшающейся сверху вниз.

4. Кристаллизатор с охлаждением по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, объемные расходы протекающего через охлаждающие пакеты (5.1; 5.2) жидкого теплоносителя устанавливаются раздельно.

5. Кристаллизатор с охлаждением по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, температура жидкого теплоносителя на входе в соответствующий охлаждающий пакет (5.1; 5.2) устанавливается раздельно.

6. Кристаллизатор с охлаждением по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что охлаждающие секции (5.0) расположены с возможностью перемещения по вертикали в емкости (2.1) и соединены с приводом (6.1).

7. Кристаллизатор с охлаждением по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что охлаждающие пакеты (5.1; 5.2) отделены друг от друга термически и гидравлически.

8. Кристаллизатор с охлаждением по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в зоне между двумя охлаждающими пакетами (5.1; 5.2) и/или охлаждающими секциями (5.0) расположен температурный датчик (5.3).

9. Кристаллизатор с охлаждением по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что по меньшей мере один оптический датчик расположен в емкости (2.1) и/или в трубопроводе для регистрации образования новых кристаллов.

10. Способ охлаждения утфеля в кристаллизаторе по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сверху вниз между охлаждающими секциями (5.0) и утфелем устанавливают уменьшающуюся разницу температур, причем в самом верхнем охлаждающем пакете (5.2) имеется максимальная разница температур между утфелем и соответствующим охлаждающим блоком или жидким теплоносителем, а в самом нижнем охлаждающем пакете (5.1) – минимальная разница температур.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что в самом верхнем охлаждающем пакете (5.2) устанавливают разницу температур между 15K и 20K, а в расположенном вертикально под ним охлаждающем пакете (5.1) - разницу температур между 8K и 12K.

12. Способ по п. 10 или 11, отличающийся тем, что для каждого охлаждающего пакета (5.1; 5.2) устанавливают различные перенасыщения утфеля.

13. Способ по одному из пп. 10-12, отличающийся тем, что жидкий теплоноситель направляют противотоком через охлаждающие секции (5.0).

14. Способ по одному из пп. 10-13, отличающийся тем, что разницу температур между утфелем и охлаждающими секциями (5.0) в охлаждающем пакете (5.1; 5.2) удерживают постоянной или задают переменной.

15. Способ по одному из пп. 10-14, отличающийся тем, что образование новых кристаллов регистрируют по меньшей мере одним оптическим датчиком в емкости (2.1) и/или в трубопроводе, а новые кристаллы удаляют и/или на основе данных датчика изменяют рабочие параметры.