用于结晶的装置和方法 |
|||||||
申请号 | CN201480019112.X | 申请日 | 2014-02-19 | 公开(公告)号 | CN105102638A | 公开(公告)日 | 2015-11-25 |
申请人 | 佛罗里达结晶公司; | 发明人 | I·德尔加多; S·J·克拉克; | ||||
摘要 | 本 发明 提供用于结晶的装置和方法。所述装置包括:限定内部的容器;引 流管 ,其位于所述容器内部中并限定所述引流管与所述容器的 侧壁 之间的环状空间; 转轴 ,其沿所述容器的中 心轴 延伸;以及螺旋螺杆,其附接到所述转轴并被构造成与其一起旋转。多级装置进一步包括将所述容器分成两级的级障壁,并且所述引流管和所述螺旋螺杆位于所述级的每一个中。一种用于结晶的方法包括将待结晶的工艺材料供应到容器中,将所述工艺材料移动通过所述容器的中心部分,将材料的一部分循环通过所述容器的环状空间,并将所述材料的一部分通过出口排出。 | ||||||
权利要求 | 1.一种用于结晶的装置,其包括: |
||||||
说明书全文 | 用于结晶的装置和方法[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 此申请主张2013年2月20日提交的美国临时申请号61/766,994的优先权,其全文以引用的方式并入文中。 技术领域[0003] 提供了用于结晶的装置和方法。更具体地讲,提供了用于有效地混合和冷却重质糖膏的装置和方法。 背景技术[0004] 固体自溶液的结晶发生在物质例如蔗糖的过饱和材料溶液中。过饱和的保持可通过(i)蒸发去除溶剂或(ii)冷却溶液来实现。虽然第一种是制糖工业中的标准做法,但是冷却结晶的普遍应用存在多个优点。过饱和的糖溶液是粘性的,并且有效的冷却结晶取决于糖膏(晶体和母液的混合物)的良好传热以及良好混合两者。迄今为止,还没有得到能够满足最佳传热和混合需求的设备。 [0005] 冷却结晶已用于制糖工业相对长的一段时间,但不是发展的重点。考虑到不是特别重要,其中只将其施用于在它们离心前通过蒸发结晶得到的糖膏,其中倾向于集中在最终结晶级;但是通过冷却的前端排空被给以低优先性,并且很少或不关注白糖糖膏生产。从历史角度看,对高纯度糖膏排空存在限制,因为随着晶体质量比含量增加,糖膏变得过度粘稠并导致了多种机械问题:糖膏无法在合理的时间内从锅和结晶器中移走;离心无法适当并均匀地被负载;结晶器无法处理粘性糖膏;并且需要过度的糖冲洗以达到糖目标纯度,使纯度通过离心增加,这否定额外结晶的益处。此外,传统结晶器倾向于具有糖膏的停滞区以导致材料在设备的部件中积累。 [0006] 因此,在该领域中需要用于结晶的能够以有效且高效方式增加糖膏中的晶体含量同时避免很多这样的失败的装置和方法。发明内容 [0007] 根据本发明目的,如文中具体化及广泛描述,本发明在一个方面中涉及用于结晶的装置。一个示例性装置包括限定具有下部和上部的内部的容器,位于容器内部并在下部与上部之间延伸的引流管。引流管可与容器内壁间隔开,从而限定引流管与容器侧壁之间的环状空间。所述装置也可包括沿容器中心轴延伸的转轴,和螺旋螺杆;所述螺旋螺杆可位于容器内部中以及引流管内并可附接到转轴且被构造成与其一起旋转。 [0008] 根据其它实施方案,提供了用于结晶的多级装置,其包括具有中心轴并限定具有下部和上部的内部的容器。所述装置可进一步包括垂直于容器中心轴延伸的第一级障壁,所述第一级障壁位于上部与下部之间并将所述容器分成第一级和第二级,同时提供第一级与第二级之间的至少一个流体通路。第一引流管可位于容器的第一级中并可限定第一引流管与容器侧壁之间的环状空间。类似地,第二引流管可位于容器的第二级中并可限定第二引流管与容器侧壁之间的环状空间。转轴可沿容器的中心轴延伸并延伸通过容器的第一级和第二级。第一螺旋螺杆可位于容器的第一级中以及第一引流管内,第二螺旋螺杆可位于容器的第二级中以及第二引流管内。第一螺旋螺杆和第二螺旋螺杆可附接到转轴并被构造成与其一起旋转。根据另一个实施方案,第一螺旋螺杆和第二螺旋螺杆可具有相对螺距。 [0009] 根据又其它实施方案,提供了一种用于结晶的方法,其包括将工艺材料供入文中所述装置的容器内部,将工艺材料移动通过容器的中心部分,将工艺材料的至少一部分循环通过容器的环状空间,并将工艺材料的至少一部分通过容器出口排出。例如,所述方法可包括旋转转轴和螺旋螺杆以将工艺材料从下部抽取到引流管内容器的上部,将工艺材料的至少一部分循环通过引流管与容器侧壁之间的环状空间,并将工艺材料的至少一部分通过容器出口排出。 [0010] 本发明的其它优点将在以下描述中部分地陈述,并部分地将从描述中显而易见,或可通过实施本发明学习到。将通过随附权利要求中特别指出的元素和组合实现并得到本发明的优点。应了解,以上一般描述和以下详细描述仅仅是示例性的及阐述性的,并不像权利要求那样限制本发明。附图说明 [0012] 图1是根据一个实施方案的组合冷却结晶和蒸发结晶以及返混(backblending)的示例性糖生产系统的示意图。 [0013] 图2是根据另一个实施方案的组合冷却结晶和蒸发结晶以及返混的示例性糖生产系统的示意图。 [0014] 图3是根据一个实施方案的具有呈垂直布置的两个级的用于结晶的装置的截面图。 [0015] 图4阐述工艺材料流过图3的装置。 [0016] 图5是根据一个实施方案的具有单级的用于结晶的装置的截面图。 [0017] 图6阐述工艺材料流过图5的装置。 [0018] 图7阐述工艺材料流过具有呈水平布置的两个级的图5的装置。 [0019] 图8是显示在混合试验期间利用用于结晶的装置的温度曲线的图。 [0020] 图9是显示在工艺材料在所述装置内的冷却及加热过程期间在用于结晶的装置内的温度曲线的图。 具体实施方式[0021] 可参考以下详述、实施例、附图、及权利要求、以及它们先前和以下的描述更轻易地理解本发明。但是,在公开和描述本发明器件、系统、和/或方法前,应了解,本发明不限于所公开的特定器件、系统、和/或方法,除非另外指出,因此理所当然可变化。也应了解,文中所用术语只是用于描述特定方面的目的并无意限制。 [0022] 如说明书和随附权利要求中所用,单数形式“一个(a/an)”及“所述”包含复数个指示物,除非上下文明确另外指出。因此,例如,关于“级”的引述可包括两个或更多个所述级,除非上下文另外指出。 [0023] 范围在文中可表示成从“约”一个特定值,和/或到“约”另一个特定值。当表示此范围时,另一个实施方案包括从一个特定值和/或到另一个特定值。同样地,当通过使用前缀“约”将值表示成近似值时,应了解,特定值形成另一个实施方案。更应了解,每个范围的端点与另一个端点是显著相关的,并独立于另一个端点。 [0024] 如文中所用,术语“任选的”或“任选地”意指随后描述的事件或情况可能或不可能发生,描述包括其中所述事件或所述情况发生的例子以及其不发生的例子。 [0025] 现在详细参考本发明的优选方面,其实施例在附图中阐述。在可能的情况下,在整个图示中使用相同附图标记以指相同或类似的部件。 [0026] 提供了用于结晶的装置和方法,其可例如用作糖生产系统的一部分。图1阐述一个示例性糖生产系统,示意性地显示出,其组合冷却结晶和蒸发结晶以及返混。将主要馈料230和辅助馈料231(由冷却的白色径流组成)馈入锅240中。然后,将糖膏从锅240送(由箭头232所示)到结晶器200(以下更详细描述)。在一个实施方案中,将冷却结晶工艺施加于糖膏以将糖膏从一个温度降到另一个温度。在一个特定实施方案中,冷却温度曲线被设定以将糖膏从约70℃降到约30℃。如文中以下进一步描述,可将冷却的绿色径流233a提供到结晶器以润滑糖膏并移除过量的晶体量,然后将糖膏送到离心接收器242并随后送到离心机244,以形成最终的糖产物236。来自离心机的任何残余的冷却的绿色径流233b,其不作为润滑剂用于结晶器,随后被送到下一个煮沸级。 [0027] 图2中显示用于糖生产的组合冷却结晶和蒸发结晶以及返混的一个任选的示例性系统。在此系统中,在停工时离心一部分热糖膏。将主要馈料230和辅助馈料(由第一冷却的白色径流231a组成)馈入锅240中。也将第二白色径流231b馈入锅中。为了润滑糖膏并移除过量的晶体量,将来自第一离心机244a的第一热绿色径流233a返回到结晶器200中剩余的糖膏中;将来自第二离心机244b的第二冷却的绿色径流233b送到煮沸级,如上所述。此系统不同于图1中所示系统,其中更少的糖膏通过结晶器,因此减少所需的总结晶器容量,以及初始的资金成本。但是,对于高纯度糖膏(例如精炼厂所用的那些),存在在热绿色径流储存罐中发生蔗糖结晶的风险。因此,必须提供两个不同的罐以处理第一(热)绿色径流233a,和第二(冷)绿色径流233b。 [0028] 表1显示锅中所产生的纯蔗糖糖膏的理论结果,假定母液在70℃下饱和。表1也显示相同糖膏在以下条件下的结果:(1)母液在70℃下饱和,然后通过冷却结晶工艺,在30℃下达到饱和母液;(2)利用冷却的未稀释的(绿色)饱和母液在30℃下在结晶器中润滑糖膏,如图1所示,或利用热的未稀释的(绿色)饱和母液在70℃下润滑,如图2所示;以及(3)假定95%的晶体固体产率的最大计算值。表1显示了如果糖膏进行上述条件,则可移除通过冷却结晶达到的过量的晶体量。润滑的冷糖膏显示了与在锅中生产的热糖膏类似的流变学性质。因此,可将两种糖膏从结晶器排出并以相同方式装入离心机器中而没有产生机械问题。 [0029] [0030] 表1 [0031] 现在提及图3和4,提供了用于结晶的呈垂直布置的两级装置100,其包括容器120。所述容器120具有中心轴y,下壁1,和上壁122。所述容器也具有在下壁与上壁之间延伸的侧壁18。因此,如图3中所示,所述容器限定通常具有靠近下壁的下部和靠近上壁的相对的上部的内部。在一个实施方案中,容器可通常为圆柱形。如图3所示,下壁1可包括相对于彼此成角度的多个壁部分,以使壁不一定是平的。例如,当以截面图显示时(图3),在一个实施方案中,壁可具有通常“W”-型轮廓。在一个实施方案中,装置100可在基底11上或内建立或定位。 [0032] 容器120包括用于将工艺材料引入容器内部的进口9。在一个实施方案中,可将进口定位成与容器的下部直接流体连通。所述容器也可包括用于排出工艺材料的出口8。可将出口定位成与容器上部直接流体连通,如图3和4所示。 [0033] 在另一个实施方案中,装置100包括至少一个引流管,例如引流管3、3a,如图3中所示。引流管可位于容器内部中并平行于中心轴延伸。但是,引流管可与容器的下壁和上壁均匀地间隔开。引流管也可与容器侧壁均匀地间隔开,从而限定容器侧壁与引流管的外表面之间的环状空间。在一个实施方案中,引流管可通过使用支柱5、5a连接到容器的侧壁18。 [0034] 装置100也可包括沿容器的中心轴y延伸的转轴16,和位于容器内部中并在引流管内的至少一个螺旋螺杆。螺旋螺杆附接到转轴并被构造成与其一起旋转。 [0035] 如图3所示,多级装置100也可包括垂直于容器中心轴延伸的至少一个级障壁6。所述级障壁6可位于下部与上部之间,从而将容器分成第一级2和第二级2a。可将级障壁 6定位成在第一级2与第二级2a之间提供至少一个流体通道。例如,参考图3,级障壁6可连接到转轴16并自此向外延伸。但是,参考图3,级障壁6可具有比容器120的内径更小的直径,以在级障壁6与容器的侧壁18之间提供流体通道,从而在装置的第一级2与第二级 2a之间提供流体连通。 [0036] 可提供第二级障壁6a以将第二级2a与容器的上部7分开。第二级障壁6a可附连到转轴16并自此向外延伸,如图3所示。第二级障壁6a可具有小于但非常接近容器内径的外径,以及大于转轴16直径的内径,以在级障壁6a的内径与转轴16之间提供流体通道,从而在第二级2a与上部7之间提供流体连通。容器的上部7包括倾斜的浆臂19,其垂直于容器的中心轴延伸并可连接到转轴并自此向外延伸。如所了解,如果级障壁6,6a与倾斜的浆臂附连到转轴并自此延伸,则它们也将与转轴一起旋转。 [0037] 如上简述,装置可包括附接到转轴并被构造成与其一起旋转的至少一个螺旋螺杆。例如,在图3和4中所示的多级装置100中,第一螺旋螺杆4提供在第一级2中,第二螺旋螺杆4a提供在第二级2a中。第一螺旋螺杆4位于第一引流管3内,第二螺旋螺杆4a位于第二引流管3a内。一个示例性螺旋螺杆具有在与中心轴平行的方向上测量的长度;类似地,引流管具有在与中心轴平行的方向上测量的长度。在一个实施方案中,螺旋螺杆的长度长于引流管的长度。例如,如图3和4中可见,螺旋螺杆4略高于及略低于引流管3的整个长度延伸。 [0038] 在又另一个实施方案中,在多级装置的情况中,第一螺旋螺杆4和第二螺旋螺杆4a可具有相对螺距。如所了解,当转轴旋转时,螺旋螺杆以相同方向旋转,但是因为它们相对的螺距,所以它们影响以彼此相反的方向通过各自引流管的流体运动(如图4中可见)。 [0039] 每个螺旋螺杆具有各自的飞行直径,其在一个实施方案中小于各自引流管的内径。在一个实施方案中,飞行直径只是略微小于引流管的内径,以在引流管与螺旋螺杆外边缘之间只提供小间隙。例如,但无意限制,飞行直径可介于引流管内径的约93%与约95%之间。在又另一个实施方案中,每个螺旋螺杆的螺距可约为飞行直径的一半。 [0040] 根据其它实施方案,装置包括热交换构件,其用于向容器提供热量,或自此提取热量。不管热交换构件向容器提供热量或从容器提取热量,取决于具有至少一个热交换构件进口孔12、12a和至少一个热交换构件出口孔13、13a的容器的优选操作温度。例如,可提供夹套外壳以环绕装置组件的至少一部分。如图3所示,提供环绕容器外部的至少一部分的夹套外壳17、17a。任选地,可提供环绕引流管的外部的至少一部分的夹套外壳。在又另一个实施方案中,可提供多个夹套外壳,或可将额外的夹套外壳定位在引流管与容器壁之间的环状空间。 [0041] 在其它实施方案中,可提供温度传感构件以感测容器内部的至少一部分内的温度。如图3所示,提供热电偶14、14a以测量装置的每个级内的温度。但是,可提供其它已知的温度传感构件。 [0042] 根据多个实施方案,可提供至少一个润滑剂进口孔15、15a以向装置的每个级提供润滑。可以称为返混的技术将润滑剂加入容器内的工艺材料或糖膏中。此技术涉及利用绿色径流润滑糖膏。绿色径流主要为未稀释的母液,白色径流由一些母液和来自糖的洗液以及离心篮清洗液制成。在其它实施方案中,可提供液体出口孔10以允许液体从装置排出。 [0043] 虽然以上参照呈垂直布置的两级装置100加以描述,例如图3和4所示,但是希望文中所述的示例性装置可为单级(如图5和6中所示),或具有两个以上的级。例如,应了解,单级装置具有容器120、位于容器内部的引流管3、转轴16、以及单螺旋螺杆4,例如图5和6所示。在呈垂直布置的多级装置中,可将额外级定位在图3中所示的容器120的第二级2a上方,或如需要,多个单级或多级容器可以彼此流体连通的方式提供。例如,以水平布置的单级容器可以与彼此流体连通的方式提供,例如如图7所示,第一级2具有入口9a和各自出口8a,出口8a与第二级2a的入口9b流体连通;第二级可具有各自出口8b。 [0044] 已发现,文中所述的用于结晶的装置接近达到完美的混合,假定最终均匀的温度和组成,工艺材料快速地进入级。工艺材料从级的出口流具有与级内的工艺材料大致相同的温度和组成。在每个级内,沿容器侧壁或级障壁没有积累停滞的工艺材料。如上所讨论,多个级可串联连接以接近得到活塞流,进入第一级的所有工艺材料在最后级的出口处具有相同的平均停留时间。 [0045] 也提供了使用文中所述的装置用于结晶的方法。所述方法可包括将工艺材料提供到容器内部,并将工艺材料移动通过容器中心部分。可将工艺材料的至少一部分循环通过容器中的环状空间。也可通过出口将工艺材料的至少一部分排出。更具体地讲,参照文中所述的装置,可提供单级结晶器(例如图5中所示),其具有容器、引流管、转轴、和螺旋螺杆。可通过进口将工艺材料提供到容器内部。可旋转转轴和螺旋螺杆以将工艺材料从下部抽取或移动到引流管内容器的上部。可将工艺材料的至少一部分循环通过引流管与容器侧壁之间限定的环状空间。可通过出口将工艺材料的至少一部分排出。所述的示例性流动模式可见图6。 [0046] 因此,可了解到,多级装置可用于进行该结晶方法。再次参照图4,所述方法可包括通过在第一级障壁与容器侧壁之间限定的流体通道,将工艺材料的至少一部分从第一级送到第二级。所述方法可进一步包括将工艺材料的至少一部分循环通过在第二引流管与容器侧壁之间限定的环状空间。然后,可将工艺材料的至少一部分送到上部,并可通过出口排出。或者,工艺材料的另一部分可通过第二引流管向下抽出。 [0047] 实施例 [0048] 以下实施例给出用于向该领域技术人员提供文中所要求保护的装置、系统和/或方法如何制得及评价的完整公开内容和描述,并意在于本发明的纯粹实施例并无意限制发明者视为他们发明的内容的范围。已努力确保关于数值的准确性(例如,频率测量值,等),但是应考虑一些误差和偏差。 [0049] 实施例1: [0050] 制造1 ft3分批结晶器,类似于上述单级结晶器。将三个热电偶探针安装在容器内的不同点,距离转轴不同的径向距离,并在容器的不同侧。选择这些位置以给出关于在容器中混合的尽可能多的信息。所选择的工艺材料为最终的糖膏,其为在糖工业中遇到的具有最高粘度的材料。 [0051] 图8显示了当将额外的热糖膏加入已经冷却的糖膏中时,利用四个热电偶的温度曲线。 [0052] 在所选择的工艺材料的冷却和加热过程期间,随时间监控在容器不同点的温度并记录探针输出并如图9所示般绘图。图9显示在热电偶读数之间没有明显差异(应注意四个测量值之间的温度差异在利用热电偶的测量值的典型差异内),这意指工艺材料以在容器内具有均匀温度和组成的均质方式混合。此行为确保垂直或切向对流没有不足。 [0053] 对具有相同工艺材料的相同分批单元进行基于热电偶的混合试验。该技术基于具有不同于主体的温度的工艺材料的一部分的添加。对由热电偶收集的数据进行处理以得到所研究的系统的特征性混合时间。先将数据标准化以消除不同探针增益的效果。混合时间被定义为标准化探针输出读取并维持在最终平衡温度的99%与101%(即±1%)之间所需的时间。 [0055] 实施例2: [0056] 具有不同纯度的糖膏的排空在两个结晶器中以分批操作进行,所述结晶器根据上3 3 述的单级结晶器制得,尺寸达到1 ft和12 ft 。在停工时将已知量的糖膏从锅中取出,并放入各自结晶器中。对于高纯度糖膏,移除掉当冷却并排空质量时达到的过量的晶体量;添加未稀释母液的一小部分。将糖膏预热到停工温度,然后按照规定的温度曲线冷却下来。通过将少量从结晶器抽出并通过C-离心机筛孔分离母液得到未稀释的母液样品,然后分析糖膏和吸滤器。以下显示不同种类的糖膏的结果。 [0058] [0059] 结果:研磨高纯度糖膏(12 ft3结晶器) [0060]3 [0061] 结果:研磨中等纯度糖膏(1 ft结晶器) [0062]3 [0063] 结晶:研磨中等纯度糖膏(12 ft结晶器) [0064]3 [0065] 结果:研磨低纯度糖膏(1 ft结晶器) [0066] [0067] 结果:研磨低纯度糖膏(12 ft3结晶器) [0068]3 [0069] 结果:回收室高纯度糖膏(12 ft结晶器) [0070] [0071] 结果:回收室中等纯度糖膏(1 ft3结晶器) [0072]3 [0073] 结果:回收室低纯度糖膏(1 ft结晶器) [0074] [0075] 结果显示使用这两种结晶器(1 ft3和12 ft3),非常接近于高纯度和低纯度级别糖膏的限制晶体含量。明显地改善传热和混合,达到所需纯度降低所需的时间比传统结晶器短得多。确定得出,蒸发结晶、组合冷却结晶和返混可用于减少和简化原糖煮沸方案中结晶级的数目。 [0076] 考虑以上所显示的实验数据,对原糖双Einwurf四沸方案和组合冷却结晶和返混的两沸方案的高纯度和低纯度糖膏计算材料和能量平衡。以下显示结果。 [0077] 通过比较结果,可如下看出两煮沸系统的优点: [0078] ■在锅中煮沸的糖膏的流量将低于30%。市售糖膏真空锅设施将减小30%。 [0079] ■煮沸室方案因为只必须煮沸市售糖膏和最终糖膏所以更简易。 [0080] ■更大的蒸汽耗用量(约高出30%)。 [0081] ■将改善市售及最终糖质量,采用更少的循环并因此减小蔗糖在煮沸中的降解及损失,因为冷却结晶器组合蒸发结晶可用于减少并简化结晶级的数目。 [0082] 对于四沸白糖方案,以及与冷却结晶和返混一起的两沸白糖方案进行质量和能量平衡。 [0083] [0084] [0085] 表2 [0086] 表2显示如果将与冷却结晶和返混一起的两沸白糖方案与传统四沸白糖方案比较,则所需的锅容量降低27%,所需离心机容量降低3.9%,所需结晶器容量高出100%,以及蒸气需求降低20%。 [0087] 利用图3-图7中所示的结晶装置,进行在白糖生产中“纯”冷却结晶的潜在应用的材料和能量平衡。结果显示,如果在白糖结晶中采用“纯”冷却结晶,则在蒸发和煮沸室级中的蒸气需求可节省62%。 [0088] 对于该领域技术人员显而易见的是,可在不脱离本发明的范围或主旨下对本发明进行多种修饰和变化。在考虑文中所公开的本发明的说明和施用后,本发明的其它方面对于该领域技术人员而言是显而易见的。希望说明书和实施例只被视为示例性的,本发明真正的范围和主旨由随附权利要求指出。 |