устройство для исследования процессов кристаллообразования и кристаллизации охлаждением сахарсодержащих растворов
Классы МПК: | G01N33/02 пищевых продуктов C13F1/02 кристаллизация; кристаллизационные аппараты |
Автор(ы): | Петров С.М., Шлык Ю.К., Подгорнова Н.М., Солуянова Н.Н. |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение Воронежская государственная технологическая академия |
Приоритеты: |
подача заявки:
2002-10-14 публикация патента:
20.04.2004 |
Изобретение относится к технике лабораторных исследований процессов кристаллообразования и кристаллизации из сахарсодержащих растворов при их охлаждении и может быть использовано в сахарной промышленности. Устройство для исследования процессов кристаллообразования и кристаллизации охлаждением сахарсодержащих растворов включает емкость с термостатирующей рубашкой, контур для программного регулирования температуры раствора, включающий датчик температуры, ультратермостат и программный блок, рефрактометр, микроскоп. Приспособление для создания вибрационных колебаний состоит из электродвигателя постоянного тока, тиристорного блока управления, эксцентрикового механизма, кинематически связанного с вертикальным штоком и пьезоэлектрическим датчиком акселерометра, на нижнем конце штока смонтирован зажимной механизм для фиксации крупных монокристаллов сахарозы. Устройство оснащено стаканчиковой центрифугой, сушильным шкафом, строботахометром. Программный блок включает генератор напряжения, выполненный с возможностью развертки по времени от линейного до экспоненциального закона, и компаратор, к входам которого подключены датчик температуры и генератор напряжения, выход компаратора подключен к ультратермостату, а датчик температуры выполнен в виде транзисторного преобразователя температура-напряжение. Изобретение позволяет повысить точность регулирования, а также увеличить коэффициент однородности и выхода готовых кристаллов. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Устройство для исследования процессов кристаллообразования и кристаллизации охлаждением сахарсодержащих растворов, включающее емкость с термостатирующей рубашкой, контур для измерения и регулирования температуры раствора, включающий датчик температуры, ультратермостат и программный блок, рефрактометр, микроскоп, приспособление для создания вибрационных колебаний, состоящее из электродвигателя постоянного тока, тиристорного блока управления, эксцентрикового механизма, кинематически связанного с вертикальным штоком и пьезоэлектрическим датчиком акселерометра, на нижнем конце штока смонтирован зажимной механизм для фиксации крупных монокристаллов сахарозы, стаканчиковую центрифугу, сушильный шкаф, строботахометр, отличающееся тем, что программный блок включает генератор напряжения, выполненный с возможностью развертки напряжения во времени по экспоненциальному закону и компаратор, к входам которого подключены датчик температуры и генератор напряжения, выход компаратора подключен к ультратермостату, а датчик температуры выполнен в виде транзисторного преобразователя температура - напряжение.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к технике лабораторных исследований процессов кристаллообразования и кристаллизации из сахарсодержащих растворов при их охлаждении и может быть использовано в сахарной промышленности.Известно устройство для исследования процессов кристаллизации растворов, включающее горизонтальный замкнутый циркуляционный контур с термостатирующей рубашкой, ультратермостат, приспособление для циркуляции исследуемого раствора, рефрактометр, микроскоп, устройство для контроля и регулирования температуры [А.с. 206427 СССР, опубл. 02.11.67, Бюл. № 24, МПК С 13 D].Недостаток устройства заключается в невозможности задания закона изменения температуры исследуемого раствора от времени.Известно устройство для исследования процессов кристаллизации растворов, включающее вертикальный замкнутый циркуляционный контур, имеющий участки нагрева и охлаждения раствора, устройство для циркуляции исследуемого раствора, рефрактометр, микроскоп, устройство для контроля и регулирования степени охлаждения, устройство для контроля и регулирования величины нагрева исследуемого раствора [А.с. 557320 СССР, опубл. 05.05.77. Бюл. № 17, МПК2 G 01 N 33/00, С 13 F 1/02].Недостатком устройства является применение потенциально неустойчивой несогласованной двухконтурной системы терморегулирования, существенно ухудшающей эксплуатационные характеристики устройства, невозможность задания закона изменения температуры исследуемого раствора от времени, а также то, что пропускание через раствор для подогрева электрического тока вызывает процесс электролиза на участке нагревания.Ближайшим аналогом заявляемому является устройство для исследования процессов кристаллообразования и кристаллизации охлаждением сахар-содержащих растворов, включающее емкость с термостатирующей рубашкой, контур для программного регулирования температуры раствора, включающий датчик температуры, ультратермостат и программный блок, рефрактометр, микроскоп, приспособление для создания вибрационных колебаний, состоящее из электродвигателя постоянного тока, тиристорного блока управления, эксцентрикового механизма, кинематически связанного с вертикальным штоком и пьезоэлектрическим датчиком акселерометра, на нижнем конце штока смонтирован зажимной механизм для фиксации крупных монокристаллов сахарозы, стаканчиковую центрифугу, сушильный шкаф, строботахометр [Пат. 2169774 РФ, опубл. 27.06.01. Бюл. № 18, МПК2 С 13 F 1/02].Недостатком устройства является возможность изменения температуры во времени только по линейному закону, недостаточная точность задания температуры, вызванная люфтами в редукторе механической передачи движения от электродвигателя к подвижному контакту термометра, магнитным проскальзыванием системы магнитной регулировки положения подвижного контакта термометра, что приводит к появлению зоны нечувствительности.Технический результат изобретения заключается в возможности задания экспоненциального закона изменения температуры сахарсодержащего раствора; повышении точности задания и регулировании температуры; улучшении воспроизводимости результатов эксперимента; увеличении коэффициента однородности и выхода готовых кристаллов.Технический результат достигается тем, что в устройстве для исследования процессов кристаллообразования и кристаллизации охлаждением сахар-содержащих растворов, включающем емкость с термостатирующей рубашкой, контур для измерения и регулирования температуры раствора, включающий датчик температуры, ультратермостат и программный блок, рефрактометр, микроскоп, приспособление для создания вибрационных колебаний, состоящее из электродвигателя постоянного тока, тиристорного блока управления, эксцентрикового механизма, кинематически связанного с вертикальным штоком и пьезоэлектрическим датчиком акселерометра, на нижнем конце штока смонтирован зажимной механизм для фиксации крупных монокристаллов сахарозы, стаканчиковую центрифугу, сушильный шкаф, строботахометр, программный блок включает генератор напряжения, выполненный с возможностью развертки напряжения во времени по экспоненциальному закону и компаратор, к входам которого подключены датчик температуры и генератор напряжения, выход компаратора подключен к ультратермостату, а датчик температуры выполнен в виде транзисторного преобразователя температура-напряжение.Изобретение иллюстрируется чертежом.Устройство для исследования процессов кристаллообразования и кристаллизации охлаждением сахарсодержащих растворов включает емкость 1 с термостатирующей рубашкой 2, которая посредством штуцеров подвода 3 и отвода 4 хладагента сообщается с ультратермостатом 5.Приспособление для создания вибрационных колебаний состоит из электродвигателя постоянного тока 6, тиристорного блока управления 7, представляющего собой однофазное устройство постоянного тока для плавного регулирования частоты вращения электродвигателя 6. Электродвигатель 6 посредством упругой муфты 8 соединяется с валом 9 эксцентрикового механизма, установленным в подшипниках качения 10. В качестве кривошипа используется ведущая планшайба 11 и ведомая планшайба 12, последняя позволяет осуществлять ее радиальное смещение для изменения величины эксцентриситета (амплитуды колебания). Ведомая планшайба 12 имеет палец 13 с подшипником качения 14, кинематически связанный с вертикальным штоком 15, к верхнему концу которого прикреплен пьезоэлектрический датчик 16 акселерометра 17, а на нижнем конце смонтирован зажимной механизм 18 для фиксации крупных монокристаллов сахарозы 19. В емкости 1 смонтирована мешалка 20 для перемешивания термостатируемого сахарсодержащего раствора.Контур для регулирования температуры раствора включает генератор напряжения 21, выполненный с возможностью развертки напряжения во времени по экспоненциальному закону, компаратор 22, ультратермостат 5, датчик температуры 23. Для контроля изменения температуры применен датчик измерения температуры 24 и вторичный прибор контроля температуры в сахарном растворе 25.Устройство включает также импульсную лампу-вспышку 26 и строботахометр 27 для измерения частоты колебаний штока 15. Кроме того, устройство оснащено: рефрактометром 28, микроскопом 29, стаканчиковой центрифугой 30 и сушильным шкафом 31.Работает устройство при исследовании процесса кристаллообразования по способу создания пересыщения охлаждением раствора следующим образом. В термостатирующую рубашку 2 подают через штуцер 3 теплоноситель и задают необходимую температуру емкости 1, после чего в нее заливают перегретый сахарсодержащий раствор и некоторое время выдерживают при перемешивании мешалкой 20 для термостатирования и создания необходимого пересыщения. При помощи микроскопа 29 проверяют отсутствие образовавшихся во время заполнения емкости 1 раствором и его термостатирования кристаллов, мелких примесей и пузырьков воздуха. Затем отключают мешалку 20 и посредством зажимного механизма 18 закрепляют предварительно подогретый до температуры раствора монокристалл сахарозы 19 и включают приспособление для создания вибрационных колебаний. Параметры виброперемешивания задают тиристорным блоком управления 7, а контролируют - импульсной лампой-вспышкой 26 со строботахометром 27. Регулирование процессом снижения температуры осуществляют следующим образом. На входы компаратора 22 подается напряжение от датчика температуры 23 и напряжение от генератора напряжения 21, изменяющееся согласно установленной закономерности снижения температуры во времени, сигнал рассогласования с выхода компаратора 22 подается на ультратермостат 5, что приводит к изменению мощности нагревательных элементов. Благодаря повышенному быстродействию компаратора удается избежать перерегулирования контура для измерения и регулирования температуры, повысить точность ее задания и регулирования.Для дополнительного контроля изменения температуры применен датчик измерения температуры 24 и вторичный прибор контроля температуры в сахарсодержащем растворе 25. Тем самым доводят пересыщение раствора до заданного конечного значения. При этом визуально с помощью микроскопа 29 изучают интенсивность кристаллообразования в зависимости от вибрационного движения кристалла 19 относительно раствора.При исследовании скорости массовой кристаллизации к вышеописанным действиям проводят дополнительные измерения текущего значения массовой доли сухих веществ раствора, по которому с учетом начального значения массовой доли сухих веществ определяют массу выкристаллизовавшейся кристаллической фазы и скорость кристаллизации.Для исследования скорости кристаллизации сахарозы из растворов по методу прироста массы монокристалла осуществляют все аналогичные подготовительные действия, как и в предыдущем случае. Также задают и контролируют параметры виброперемешивания и закономерность снижения температуры. Заранее взвешивают крупный монокристалл сахарозы 19, подогревают до температуры раствора и наращивают определенное время при постоянном избыточном пересыщении. Коэффициент пересыщения поддерживают постоянным благодаря согласованию скорости выкристаллизовывания и скорости охлаждения раствора, для чего изменяют закономерность снижения температуры как функции времени.После окончания наращивания кристалла приспособление для создания вибрационных колебаний отключают, монокристалл 19 вынимают из раствора, помещают в стаканчиковую центрифугу 30 и отделяют поверхностную пленку раствора с кристалла. Далее кристалл помещают в сушильный шкаф 31, высушивают до постоянной массы, охлаждают в эксикаторе и взвешивают. По приросту массы кристалла, отнесенному к его поверхности и времени кристаллизации, определяют значение скорости кристаллизации, достигнутое при точно известной скорости движения монокристалла в растворе.Использование предлагаемого устройства дает возможность по сравнению с прототипом:- осуществлять процесс кристаллизации из растворов при изменении температуры по экспоненциальному закону;- повысить точность задания и регулирования температуры в процессе кристаллизации охлаждением в связи с уменьшением перерегулирования контура для измерения и регулирования температуры, что обеспечивает установление оптимального термодинамического режима, позволяющего устранить явление рекристаллизации и повысить коэффициент однородности и выход готовых кристаллов;- осуществлять процесс кристаллизации с постепенным уменьшением темпа охлаждения, что позволяет избежать вторичного кристаллообразования и более рационально вести процесс кристаллизации охлаждением, придерживаясь границы метастабильной зоны.Класс G01N33/02 пищевых продуктов
Класс C13F1/02 кристаллизация; кристаллизационные аппараты