创新的立式连续快速冷却助晶机

（温州贝诺机械有限公司 姜向前）

摘 要： 设计出效能较好的助晶机设备，使糖晶体有一个良好的生长环境，达到晶体生长可控目的，创新立式连续快速冷却助晶机成功解决了糖膏在罐壁、罐中央及罐体中不同部位传质和传热均一性的难题，提升了产品的外观及内在质量，同时也提高了结晶的收率，减少能耗，降低劳动强度，此设备具有显著的经济和社会效益。

关键词： 连续快速冷却助晶机、搅拌、创新

引言：

我国制糖工业界，目前所使用的蔗糖助晶机设备大部分设计于七、八十年代的卧式气冷式的产品，也有引进国外装备，国内也曾研制了一些卧式水冷式的产品，有一定运行效果的助晶机设备，但因种种原因未能延续推广使用，现在国内众多制糖企业蔗糖助晶设备陈旧简陋，生产效能低，能耗高，自然冷却间歇操作、助晶工段清洁环境差，已难以适应生产标准要求。尤其当某工段进行大幅度提负或出现异常时，助晶环节生产易形成“瓶颈”现象。特别是粮食的连续煮糖技术已经取得突破，而配套助晶机仍然是间歇式的，连续助晶设备一直未有突破，不能连续助晶对连续煮糖是一个制约。因此，为了满足扩容改造生产需要及助晶设备更新换代的需求，对蔗糖助晶设备研究与探索如何合理设计出运行效果良好，投资低的设备，已经迫在眉睫。

一、 蔗糖助晶工艺原理

糖膏助晶是普通煮糖罐所具备的条件不能顺利地完成任务，需要将此糖膏移入后，在助晶机内继续结晶，通过逐渐降温冷却以动态结晶的方法，其目的是继续降低糖膏的过饱和度为糖分子进一步在晶体表面沉积创造了有利的条件，使蔗糖在糖蜜中的溶解度随温度而降低，从而使更多的糖分子析出并沉积在原有的晶体表面上，从而使晶体逐渐长大，这就是助晶过程。按照蔗糖晶体生长动力学，高温时，扩散是晶体长大速率的决定因素，低温时，沉积过程是晶体长大速率的决定因素，而在中间温度的范围内，则两者均起支配作用，相关的设计优化也多围绕此类问题而展开深入研究分析。

二、 蔗糖立式连续快速冷却助晶机设计难题

由于助晶糖膏含晶体量在 40 ~50％，其中仍含有 50 ％以上母液，是一种典型的有机粘稠物系，这种糖膏具有浓度高、粘度大、高密度、成分复杂、流动性差等特性。在罐中存在着一定强度的物理场，因此会影响晶体群的粒度分布，此外，结晶速度与糖膏粘度成反比，与晶界膜厚度成正比，糖膏粘度越大，溶质分子扩散所受的阻力越大，造成扩散速度降低。同时，随着糖分不断的沉积于晶体上，使晶体面积不断增大，而传热系数逐渐减低，如何确保糖分损失降低最低限度，那么冷却面积必须逐渐增大的技术难题。根据上述分析，助晶机设计应具备以下条件：

1.设备中应设有带冷却的搅拌装置，更符合结晶动力学的要求，才有较好的搅拌和热交换效果。

2.随着糖膏的温度逐渐降低，粘度不断增大，不利于传质和传热过程进行，同时助晶过程中往往会引起粘壁现象，给助晶传质传热带来了阻力，这就需要搅拌提供足够量的混合强度和防止粘壁措施。

3. 要求晶粒与母液之间应有较好的宏观混合，以使溶质浓度均匀与均匀的传热效果。

4. 设备设计尽可能使罐内不存在流动死区，避免局部过浓生成伪晶或产生沉晶，糖垢

5. 随着结晶液含固量不断增加，冷却面积必须逐渐增大。

6. 冷却面的结构设计，应能使糖膏缓慢均匀地冷却。

7.满足食品和药品卫生监督管理要求，要求结晶机便于清洁。

三、 立式连续冷却助晶机设计创新

大型助晶机由于罐的体积增大，物料均匀性的要求更为困难，因而就提出了对整个罐体内糖膏有更高的混合效果，以保证溶质温度的均匀性，浓度的均匀性，热量交换均匀性，糖膏流动性等。也就是提出搅拌装置的功能如何保证结晶糖膏在罐壁处和罐中央以及罐体不同部位均一性要求难题，并且要求确保糖膏正常流动性的同时，在罐内增加冷却面积的难题。这两个问题长期以来影响了助晶机设计的放大，成为世界上公认的一个需要攻克的课题。

国内外传统的立式助晶机一般采用排管冷却，带搅拌棒，有往复摆动式和升降运动方式。但普遍存在冷却速度慢、助晶时间长、冷却面积小等问题. 因现行的立式助晶机装备技术仍不能满足制糖企业要求，长期以来影响制糖企业经济效益和产品质量提高。

温州贝诺机械有限公司针对蔗糖助晶的特殊工艺要求，利用计算机技术结合十多年来制造卧式助晶机（结晶机）丰富的经验，运用 LDV 、 PIV 、 CFD 等先进软件对蔗糖立式连续快速冷却助晶机设备进行辅助设计。通过数值模拟技术能够分析与研究装置内、外各种复杂工程问题，如流体阻力、流体与固体之间的传热量、产品质量、反应率、处理能力等综合参数以及各种现场可调节量对此综合参数的影响规律性，还可以提供流动区域内精细的流场、温度场，各种与反应进程有关的组分参数场，经过对这些场量的分析，发现现有装置或设计中存在的不足，为创新设计提供了正确，可靠的参数依据。

同时，晶体生长科学与技术是一门多学科交叉领域，涉及到物理、化学、电子电气工程、流体力学与传热技术及计算科学等多方面知识的综合运用。经过多年深入研究、分析、论证选择多个设计方案，进行优化设计验证，开发了立式连续冷却助晶机（如图 1 ）。

此助晶罐搅拌装置，在三传理论的基础上，采用旋转层流流动机理，设计为空心搅拌叶结构。使冷却液围绕桨叶内壁进行自进口至出口有规律的螺旋式流动，由于糖膏晶体始终围绕桨叶外壁作逆向流动。强化传热效果明显改善，减少了冷却用水量，因冷却面积极大，缩短了助晶时间，达到了节能增效的效果。

此外，空心搅拌叶采用镂空工艺技术，增强了传热性能和流动性能，使罐内不存在流动死区，减低了搅拌强度，以便于结晶和传热过程的发生。根据助晶物料的性质，设计搅拌叶之间螺距大小，从而控制冷却面积。依据流量参数操控晶体糖膏达到均一性的混和空间，使其自上而下地均匀冷却，上述措施保证了助晶效果。此设备开发成功最大亮点是搅拌装置创新。

温州贝诺机械有限公司自行研究开发的大型立式连续快速冷却助晶机，是在充分研究蔗糖助晶工艺要求的基础上，根据结晶物料的物理性质，满足了助晶机宏观与微观混和不同要求，同时也结合了国内现有的立式助晶机的优点，取得的重大突破，得到了有关专家的良好评价，具有重要的推广使用价值，特别有助于连续煮糖的食粮生产企业，并获得国家实用新型专利。这说明此立式连续快速冷却助晶机装备技术成功开发对提高食糖质量，节能降耗，增加企业经济效益具有重大的实践意义。