Одним из узких мест в производстве молочного сахара традиционным способом является процесс кристаллизации, продолжительность которого может достигать двух суток и более, а процент выкристаллизовавшейся лактозы в итоге не превышает 40%. В промышленных кристаллизаторах с механическим перемешиванием и охлаждением путём подачи хладоносителя в рубашку или в мешалку процесс кристаллизации осложняется инкрустацией поверхности теплообмена кристаллами молочного сахара, что в дальнейшем отрицательно влияет на качество и выход конечного продукта. Одним из путей решения этой проблемы является замена водяного охлаждения на воздушное, которое осуществляется непосредственным барботированием холодного воздуха в кристаллизат.
С целью изучения влияния гидро- и термодинамики воздушного охлаждения и нагревания кристаллизата на процесс кристаллизации сконструирован экспериментальный кристаллизатор с регулируемой подачей воздуха, в котором охлаждение и подогрев кристаллизата осуществляется раздельно.
Аппарат состоит из двух колонн - «холодной» и «горячей». Внутри колонн расположены барботеры, представляющие собой перфорированные цилиндрические вставки, через которые подается холодный воздух с температурой 0...10 оС и горячий воздух с температурой 50...70 оС, соответственно. Для получения теплого и холодного воздуха используется воздушная вихревая труба Ранка-Хильша. Кристаллизат, увлекаемый потоком барботируемого воздуха, циркулирует, перемещаясь из «холодной» колонны в «горячую» и наоборот.
Кристаллизация осуществляется в «холодной» колонне за счет барботажа холодного воздуха. Крупные кристаллы оседают на дно колонны, а мелкие кристаллы, поднимаясь с потоком обедненного раствора, перетекают по соединительной трубе в «горячую» колонну, где они растворяются за счет барботажа горячего воздуха, что увеличивает степень насыщения раствора. Теплый насыщенный раствор по соединительной трубе возвращается в «холодную» колонну, где кристаллы находятся во взвешенном состоянии, поддерживаемые вертикальным газожидкостным потоком. Кристаллы в колонне растут до таких размеров, пока скорость газожидкостного потока еще способна удерживать их во взвешенном состоянии, затем выпадают вниз и удаляются из колонны через предназначенный для отвода штуцер. Применение аппарата предложенной конструкции позволит интенсифицировать процесс перемешивания и роста кристаллов за счет растворения мелких кристаллов и получить крупные, однородные по размеру и качеству кристаллы.
Экспериментальным путем установлено, что барботирование холодного воздуха в кристаллизат способствует интенсификации процесса кристаллизации лактозы; для того чтобы увеличить средний размер кристаллов в кристаллизате целесообразно применить кратковременное нагревание кристаллизата с последующим барботажным воздушным охлаждением; кристаллизация лактозы в кристаллизаторах с барботажным воздушным охлаждением является значительно более эффективной, чем в традиционных кристаллизаторах с охлаждением через стенку и механическим перемешиванием. Предложена новая конструкция барботажного кристаллизатора, позволяющего интенсифицировать процессы перемешивания и роста кристаллов лактозы, а также разработана методика термодинамического расчёта кристаллизатора с барботажным воздушным охлаждением.