Verfahren zum Zerlegen von Lösungen oder flüssigen Gemischen durch Abkühlung und Kristallisation einzelner Bestandteile und Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens. Es ist bekannt, Bestandteile von Lösun gen dadurch zu gewinnen, dass man durch Abkühlung entweder den gelösten Stoff oder das Lösungsmittel in feste Form über führt und daraufhin flüssige und feste Phase voneinander trennt. Auf diese Weise kann man aus Lösungen .Salze ausscheiden oder aus Flüssigkeiten (wie Milch) durch Aus frieren des Wassers Konzentrate herstellen.
Für letzteres ist insbesondere vorgeschlagen worden, entweder die Lösungen durch Küh lung unter Bewegung in einen mehr oder minder dichten Brei von Eiskristallen und Mutterlauge zu verwandeln oder in Eiszellen zu Blöcken zu :gefrieren und zu zerkleinern und daran anschliessend das Gemisch von Eis und Mutterlauge zum Beispiel in einer Zentrifuge voneinander zu trennen.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Zerlegung von Lösungen oder flüssigen Gemischen durch Abkühlung und Kristallisation einzelner Bestandteile, welches eine wesentliche Vereinfachung in der Durchführung gegenüber den bisher vor geschlagenen Verfahren ergibt. Der Tempe raturgradient während der Kühlung soll hier bei in derjenigen Richtung am grössten sein, in der die die anschliessende Trennung der beiden Phasen bewirkenden Kräfte wirksam sind. Versuche haben ergeben, dass in diesem Falle die Richtung der sich ausbildenden Kristalle mit der Richtung der Kraftwir kung bei der Trennung zusammenfällt, so dass eine besonders leichte und wirksame Trennung von flüssigem und festem Medium durchführbar ist.
Die tiefste, bei der Küh lung auftretende Temperatur wird im all gemeinen oberhalb der eutektischen Tempe ratur der zu trennenden Bestandteile liegen, da andernfalls eine vollständige Trennung der Bestandteile prinzipiell unmöglich ist. Trotzdem kann man unter Umständen, wenn zum Beispiel eine hohe Kühlgeschwindigkeit verlangt wird, eine stellenweise Unterschrei tung der eutektischen Temperatur zulassen, wenn man den Formkörper vor Vornahme der Trennung der beiden Phasen entspre chend erwärmt.
Gemäss dem Verfahren wird aus der Aus gangslösung oder dem Ausgangsgemisch durch Kühlung in einem Gefriergefäss, des-. sen Form der zur anschliessenden Trennung von Kristallen und flüssigem Konzentrat verwendeten Vorrichtung angepasst ist, ein formbeständiger Körper aus Kristallen und flüssigem Konzentrat erzeugt, welcher so dann unter Beibehaltung seiner Form in die zur Trennung der beiden Phasen dienende Vorrichtung eingesetzt wird; dabei liegt der grösste Temperaturgradient bei der Kühlung in derjenigen Ebene, in welcher die Kräfte bei der Trennung von Kristallen und Kon zentrat wirken.
Das Verfahren wird im folgenden an einem Beispiel der Herstellung von Milch konzentrat durch Ausfrieren des Wassers mit nachfolgender Trennung von Konzentrat und Eis in einer Zentrifuge anhand der Zeichnung näher erläutert. Bei diesem Aus führungsbeispiel des Verfahrens wird die Milch (gegebenenfalls nach vorhergehender Entgasung durch Evakuieren) in einem kreisringförmigen Behälter 1 (Fig. 1 und 2) gekühlt. Die Innenfläche der Aussenwand der Zelle soll dabei der Innenwand des Korbes der Zentrifuge angepasst sein, die zur Trennung der beiden Phasen, Eis und Kon zentrat, dient.
Es wurde gefunden, dass sich unter diesen Bedingungen das Eis in nade- ligen bezw. blättchenförmigen Kristallen ausscheidet, die praktisch vollständig in Richtung des stärksten Temperaturgradien ten, nämlich in :der Richtung der Radien des ringförmigen Behälters orientiert sind, wo bei sich das Konzentrat in den ebenfalls radial gerichteten Zwischenräumen und Ka nälen zwischen den Eiskristallen ansammelt.
Der Kühlprozess wird solange fortgesetzt, bis sich die ,gewünschte Menge Eis !aus geschieden hat, mindestens jedoch soviel, bis das in dem Ausfriergefäss entstandene Eis gerüst die nötige Festigkeit besitzt, um das Gemisch von Eis und Konzentrat ohne Zer störung in .die Zentrifuge überführen zu können.
Nach Beendigung des Kühlprozesses wird der ringförmige Eisblock - gegebenenfalls durch vorübergehende Erwärmung der Ge fässwand - aus dem Gefriergefäss 1 heraus genommen und unter Beibehaltung seiner Form in den Zentrifugenkorb eingesetzt.
Um die Entnahme des Formkörpers aus dem Ausfriergefäss 1 zu erleichtern, besitzt letzteres zweckmässig konische, nach oben er weiterte Form. Die obern . Ränder 4 des Ausfriergefässes sind nach aussen umgelegt, damit man den Eisblock durch Umdrehen .des Gefässes leicht entnehmen kann, ohne hierbei die Milch mit Kühlsole zu verunreinigen. Eine etwas andere Arbeitsweise zur Ent nahme des Eisblockes besteht darin, dass man Haken oder ein Traggerüst 2 im Eis ein frieren lässt, an denen man den Formtörper heraushebt und in die Zentrifuge überführt.
Die beim, anschliessenden Zentrifugieren auftretenden Fliehkräfte wirken nun ;gerade in der Richtung der Zwischenräume zwi schen den Kristallen, in denen sich das Kon zentrat befindet. Infolgedessen wird das Konzentrat leicht und weitgehend vom Eis getrennt, während bisher zwischen den ein zelnen in verschiedenen Richtungen gegen einander orientierten Kristalliten stets Kon zentrat und damit Trockensubstanz so fest umschlossen wurde, dass selbst intensivstes Zentrifugieren nur eine relativ unvollstän dige Trennung ermöglichte.
Im allgemeinen Fall kann .der stärkste Temperaturgradient so gerichtet sein, dass die Richtung, in der die Trennung von fester und flüssiger Phase erfolgt, in der Ebene liegt, in der die Kri stallblättchen gewachsen sind.
Sollten an den Kanten und Rändern des ringförmigen Eisblockes Kristalle in falscher Orientierung wachsen, aus denen das Kon zentrat schwer zu entfernen ist, dann wird der Wärmeübergang und damit die Wachs tumsgeschwindigkeit dieser Kristalle durch Wärmeisolation 3 dieser Stellen des Ge- frierbehälters (Fig. 1) soweit vermindert, dass die Störungen vermieden werden.
Bei der beschriebenen Arbeitsweise ent steht relativ dichtes Eis in dünnen :Schich ten, zwischen .denen sich feine Kanäle befin den. Das Eis besitzt eine :dem Gleich gewicht mit dem Konzentrat entsprechende Temperatur unter<B>0'.</B> Wenn nun beim Zen trifugieren Feuchtigkeit in die feinen Kanäle eindringt, beispielsweise weil die Innen fläche des Eisblockes durch die von der Zentrifuge bewegte warme Luft zum Teil abgeschmolzen wird, dann gefriert das Was ser in den Kanälen des noch kälteren innern Teils des Eisblockes, wodurch diese verstopft werden und eine weitere Trennung von Eis und Konzentrat unmöglich wird.
Die An- wärmung der innern Flächen des Eisblockes kann zum Beispiel dadurch vermieden wer den, dass ein kreisringförmiger, dem Aus friergefäss 1 angepasster Zentrifugenkorb mit geschlossener Innenwand verwendet wird, durch welche die Luft von dem Eisring fern gehalten wird.
Eine Versinterung des Eisblockes, die eine weitere Trennung von Eis und Konzen trat unmöglich macht, kann jedoch aus den gleichen Gründen auch durch Waschflüssig keit bewirkt werden, mit der das Eis nach dem Ausschleudern behandelt wird, um die Reste des noch anhaftenden Konzentrates zu entfernen. Diese Schwierigkeit kann dadurch beseitigt werden, da,ss man zunächst nicht reines Wasser als Waschflüssigkeit verwen det, sondern Lösungen, deren Konzentratidn der jeweiligen Temperatur des Eises an gepasst ist, so dass die Auswaschflüssigkeit nicht in den Kanälen gefrieren kann.
Zu diesem Zwecke werden beispielsweise nach einander immer verdünntere Lösungen zweck mässig mit Hilfe einer Zerstäubungsdüse in feinverteilter Form auf das Eis aufgespritzt. Wenn :das Eis die Temperatur von 0 er reicht hat, kann man gegebenenfalls mit reinem Wasser nachwaschen. Diese Artdes Auswaschens des Eises lässt sich in einfacher Weise mit dem Schutz gegen Sinterung da durch vereinigen,. dass man ein vorgekühltes Gas, insbesondere Luft, gegen die Innenwan dung des Eisringes strömen lässt.
Die Tem peratur des Gases ist während des Abschleu- derns des Konzentrates etwa gleich der je weiligen Schmelztemperatur des Eises. Zum Zwecke des Auswaschens wird seine Tem peratur allmählich in gewünschtem Masse er höht, so dass eine oberflächliche. Schmelzung hervorgerufen wird und dadurch geringe Mengen von Schmelzwasser entstehen, die anfangs mit :der am Eis haftenden Trocken substanz eine konzentrierte Lösung bilden, welche infolge des Auswaschens während des Prozesses kontinuierlich verdünnter wird.
Der ausgeschleuderte Eisblock wird zweckmässig zusammen mit dem auswechsel bar vorgesehenen Siebnetz aus der Zentri fuge herausgenommen und in mittelbarem oder unmittelbarem Wärmeaustausch mit dem Kältemittel geschmolzen.
Um die Zeit, die zum Ausfrieren notwen dig ist, zu verkürzen und ausserdem eine möglichst vollständige Trennung von Kon zentrat und Eis beim Zentrifugieren zu .ge währleisten, soll die Weite des ringförmigen Gefrierbehälters 10 cm nicht überschreiten. Zur weiteren Erhöhung des Wärmeüber ganges vom Kältemittel bezw. Kälteträger zur Milch kann einerseits das Ausfriergefäss gegen das Kühlmittel beispielsweise durch Rotation um die Ringachse bewegt werden, oder man kann das Kühlmittel um,das Aus friergefäss strömen lassen. Anderseits kann man der Milch eine mässige Bewegung ge gen die Gefrierwände erteilen.
Insbesondere wird der Kühlflüssigkeit zweckmässig eine Bewegung mit einer starken vertikalen Kom ponente erteilt, so dass sie in der Haupt sache an den Wänden der Gefriergefässe in senkrechter Richtung entlang fliesst.
Ein Beispiel :der Kühlung der ringförmi gen Gefrierzellen sei anhand der Fig. 3 und 4 näher erläutert.
11 stellt einen mit Sole gefüllten Kühl behälter für die ringförmigen Gefrierzellen 1 dar. Die Sole wird durch Verdampfung eines Kältemittels, zum Beispiel von Am moniak, in den Rohren 12 gekühlt, wobei sie durch das Rührwerk 1.8 in Umlauf gehalten wird. Um die Ringzellen 1 sind Rohre 15 angeordnet, durch welche die im Verdampfer gekühlte .Sole so geleitet wird, dass sie so wohl an der Innen-, wie an der Aussenseite der Ringzellen in senkrechter Richtung, und zwar zweckmässig von oben nach unten mit erhöhter Geschwindigkeit entlang strömt.
An Stelle der Rohre 15 kann man auch Lenkbleche oder dergleichen zur Führung der Sole verwenden.
Ein etwas anderes Ausführungsbeispiel der Kühlung ist in Fig. 5 dargestellt. In diesem Falle wird die Gefrierzelle nicht vollständig in einen Solebehälter einge taucht, sondern die Sole strömt von einem höher gelegenen Solekühler durch die Rohre 16 und 17 zu den Verteilerrohren 18 und 19, wird gegen -den obern Rand der Gefrierzelle 1 gespritzt, läuft an dieser herunter, wird in dem Behälter 21 aufgefangen und dann durch die Pumpe 22 wieder dem Solekühler zugeführt.
Der Vorteil dieser Arbeitsweise besteht darin, dass wesentlich weniger Sole im Umlauf gehalten werden muss als bei den sonst üblichen Zellenbehältern, und es in folgedessen möglich wird, die Temperatur der Sole während des Gefrierens der jewei ligen Gefriertemperatur in der Gefrierzelle anzupassen. Ausserdem kann der sonst erfor derliche kostspielige Zellenbehälter durch eine einfache Holzverschalung ersetzt wer den.
Eine etwas abweichende Einrichtung und Arbeitsweise besteht darin, dass man in Sole eingetauchte Ringzellen, die an ihrer innern und eventuell auch an ihrer äussern Wan dung mit schraubenförmigen Stufen oder Bändern versehen sind, in Rotation versetzt, so dass die schraubenförmigen Stufen oder Bänder der Sole eine ausreichende Bewe gung in senkrechter Richtung erteilen.
Die Vorteile des neuen Verfahrens be stehen darin, dass der Betrieb vereinfacht und die Apparatur wesentlich verbilligt wird. Gegenüber den mit Bewegung des ab zukühlenden Gutes arbeitenden Verfahren fällt die mechanische Beanspruchung der Wände weg, so dass weniger festes Wand material, beispielsweise Emaille, statt V.A Stahl Verwendung finden kann. Weiterhin wird die Geschmacksbeeinflussung empfind licher Stoffe, wie Milch und Fruchtsäfte durch abgeschabtes Wand- oder Rührermate- rial vermieden.
Gegenüber den Verfahren, bei denen die einzuengende Lösung zu einem Block .gefroren, letzterer zerkleinert in einer Zentrifuge weiter verarbeitet wird, besitzt das neue Verfahren den Vorteil, dass die Ge- frierzeiten wesentlich herabgesetzt, ein Ar beitsgang erspart und damit die Reinheit des gewonnenen Produktes erhöht, die Kälte- und Substanzverluste vermindert werden. Ausserdem ist infolge der Orientierung .der Kristalle die Trennung der beiden Phasen bei gleichem Arbeitsaufwand mit besserer Ausbeute durchführbar.
Das neue Verfahren ist selbstverständ lich nicht auf das Beispiel der Einengung von Milch beschränkt, sondern lässt sich in gleicher Weise zur Einengung anderer, ins besondere geschmacksempfindlicher Lösun gen, verwenden. Man kann es auch zur Bein darstellung von gelösten Stoffen, wie bei spielsweise von wasserfreier Essigsäure oder Salzen benützen. Ebenso ist es nicht notwen dig, dass die Trennung von fester und flüs siger Phase in der Zentrifuge erfolgt.
We sentlich ist nur, .dass durch Abkühlung ein Formkörper hergestellt wird, der unmittel bar in die Trennvorrichtung eingesetzt wer den kann und die Kühlung in der Weise durchgeführt wird, .dass die Orientierung der Kristalle mit der Richtung ,der Kräfte zu sammenfällt, welche die Trennung beider Phasen bewirken. So wird beispielsweise bei der Verwendung von Filtern zur Tren nung der beiden Phasen ein scheibenförmi ger, auf das Filter passender Formkörper hergestellt, .dessen Kühlung von den Stirn flächen aus erfolgt, so dass .die Kristalle und die die Mutterlauge enthaltenden Kanäle senkrecht zu diesen Flächen und damit in Richtung der Saugwirkung des Filters orien tiert sind.