Verfahren zum Konzentrieren einer Lösung durch Ausfrieren und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Konzentrieren von Lösungen, insbesondere von Lösungen, die wärmeempfindliche Substanzen enthalten, durch Ausfrieren des Lösungsmittels in kristalliner Form. Es muss sich dabei nicht unbedingt nur um echte Lösungen handeln; sie können auch lösungsähnliche Suspensionen von kolloidalen oder wenigstens mikroskopisch kleinen Substanzpartikeln darstellen. So kann die vorliegende Erfindung mit Vorteil angewendet werden, um aus Fruchtsäften und andern vegetabilischen Säften, zum Beispiel Gemüsesäften, aus Bier, Wein, Kaffee und Milch, das Wasser zu entfernen, um die dabei entstehenden Konzentrate raumsparend und vor natürlichem Verderb weit besser geschützt lagern zu können.
Beim Konsum werden diese Konzentrate mit der entsprechenden Menge Wasser wieder verdünnt.
Es ist auch möglich, wässrige Harz- und Leimlösungen zu konzentrieren.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung mehrmals durch mindestens ein Ausfriergefäss geführt wird, in welchem bei jedem Durchgang ein Teil des Lösungsmittels in kristalliner Form ausgefroren wird, und dass jeweils vor dem Wiedereinleiten des Gemisches aus Lösung und Lösungsmittelkristallen in ein Ausfriergefäss, die darin enthaltenen grösseren Lösungsmittelkristalle mechanisch ausgeschieden werden.
Weil nur die grösseren Lösungsmittelkristalle abgeschieden werden, verbleiben in der Flüssigkeit immer genügend Kleinkristalle, die beim Wiederdurchleiten durch das Ausfriergefäss die notwendigen Keime zur Bildung grösserer Kristalle bilden können.
Es hat sich als zweckmässig erwiesen, die sich vorzugsweise an der Innenwandung des Ausfiier- gefässes bildenden und dort festhaftenden Lösungsmittelkristalle fortwährend mechanisch abzukratzen und gleichzeitig die Flüssigkeit im Ausfriergefäss dauernd umzurühren, um auf diese Weise der Bildung von Agglomeraten von Lösungsmittelkristallen, zum Beispiel im Fall von Wasser als Lösungsmittel, der Bildung von weissem Eis entgegenzuwirken, weil derartige Kristallagglomerate einerseits dazu neigen, Rohrleitungen zu verstopfen, und weil anderseits derartige Kristallagglomerate immer Einschlüsse von Lösung enthalten.
Um weiterhin der Bildung solcher Kristallagglomerate wirksam entgegentreten zu können, hat es sich als zweckmässig erwiesen, bei den einzelnen Durchgängen der Lösung durch das bzw. die Ausfriergefässe die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmedium im Ausfriergefäss und der durchgeleiteten Flüssigkeit relativ niedrig zu halten, zum Beispiel nur 4 bis 60 C, und dafür einem möglichst guten Wärmeübergang durch die Trennwand der zu konzentrierenden Flüssigkeit und des Kühlmediums besondere Auf merksamkeit zu schenken. Dabei ist auch zu beachten, dass die Wärmeaustauschfläche im Verhältnis zur Flüssigkeitsmenge im Ausfriergefäss im allgemeinen gross gehalten wird, zum Beispiel mindestens ein 1112 Austauschfläche pro sechzig Liter Flüssigkeitsmenge.
Da naturgemäss der Gefrierpunkt der Lösung mit steigender Konzentrierung absinkt, erscheint es zweckmässig, die stufenweise Konzentrierung durch mehrmaliges Durchleiten der Lösung durch das Ausfriergefäss oder die Ausfriergefässe bei stufenweiser Absenkung der Kühlmediumtemperatur im Ausfriergefäss bzw. in hintereinander angeordneten Ausfriergefässen vorzunehmen. Es ist dabei vorteilhaft, die Lösung jeweils vom Austreten aus einem Ausfriergefäss an bis zum Wiedereinleiten in ein Ausfrier gefäss auf der erreichten Temperatur zu halten, weil bei einer Erwärmung der Lösung in dieser Zwischenphase ein teilweises Schmelzen der Lösungsmittelkristalle eintreten würde, was einerseits den Nutzeffekt des Ausfrierens vermindern würde und anderseits die Bildung von schädlichen Kristallagglomera- ten wieder begünstigen würde.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindung & - gemässen Verfahrens, die gekennzeichnet ist durch mindestens ein Ausfriergefäss 30 mit einem Hohlmantel 31 zum Durchleiten von Kühlmedium, durch Fördermittel 23, zum Beispiel einer Pumpe, zum Durchleiten der Lösung durch das Ausfriergefäss, welches mit Abkratzorganen 37 für die an der Innenwandung angefrorenen Lösungsmittelkristalle ausgestattet ist, sowie durch mechanische Abscheideorgane 42, 45 für die Trennung der grösseren Lösungsmittelkristalle von der Lösung.
Die Abkratzorgane sind vorzugsweise mit einem Rührwerk kombiniert und die Abscheideorgane können zweckmässigerweise als Sieb ausgebildet sein.
Das Sieb kann mit Vorteil als Rüttelsieb ausgebildet sein, und zum Abscheiden der den ausgesiebten Kristallen noch anhaftenden Lösungsflüssigkeit kann dem Sieb mit Vorteil eine Zentrifugiereinrichtung nachgeschaltet sein.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Konzentrieren von Lösungen ist in Fig. 1 der Zeichnung schematisch dargestellt, während die Fig. 2, 3 bzw. 4, 5 Varianten von Ausfriergefässen mit eingebauten Abkratz- resp. Rührorganen in Grund- und Aufriss bzw. solche Abkratz- resp. Rührorgane allein in Grund- und Aufriss zeigen.
In Fig. list mit 10 ein durch einen Deckel 14 luftdicht verschliessbarer Vorratstank für die zu konzentrierende Lösung, zum Beispiel Apfelsaft, bezeichnet. Der Tank 10 ist als Hohlmantelgefäss ausgebildet, in dessen Mantelraum 11 über die Leitung 12 Eiswasser eingeleitet werden kann, das über die Leitung 13 wieder abfliesst. Damit kann der Inhalt des Tankraumes 10 auf eine Ausgangstemperatur von beispielsweise 1" C vorgekühlt werden.
Falls es sich um eine oxydationsempfindliche Lösung handelt, kann in den Tankraum ein inertes Gas eingeleitet werden, und ebenfalls lassen sich noch weitere besondere Massnahmen treffen, um die Lösung vor dem Verderben, insbesondere vom Zutritt schädlicher Bakterien zu schützen.
Aus dem Boden des Tankbehälters 10 führt eine Abflussleitung 15 mit eingebautem Regulierhahn 16 zu einem Sammelbehälter 21. Aus dem Boden des Sammelbehälters 21 führt eine Rohrleitung 22 zu einer Förderpumpe 23, aus welcher die Flüssigkeit bei geöffnetem Hahn 26 und geschlossenem Hahn 27 über die Leitung 24 in den Innenraum 30 eines Ausfrierbehälters getrieben wird, während sie bei geschlossenem Hahn 26 und geöffnetem Hahn 27 über die Leitung 25 zu einem Behälter B zugeführt werden kann.
Die Wandung des Ausfriergefässes ist als zylindrischer Hohlmantel 31 ausgebildet, in welche über die Zuleitung 33 ein Kühlmedium von bestimmter Temperatur, zum Beispiel in der ersten Stufe 10 C eingeleitet werden kann, welches Kühlmedium über die Leitung 32 wieder abgeleitet wird.
Oberhalb des Ausfriergefässes 30 ist eine Führungsstange 38 für einen Schlitten 34 angeordnet, der von einer angetriebenen Kurbelscheibe 40 aus über eine Pleuelstange 39 in auf und ab schwingende Bewegung versetzt werden kann.
Der Schlitten 34 trägt einen Motor 35 zum Antreiben einer Welle 36, die Abkratzorgane 37 trägt, die sich um die zur Gefässachse koaxiale Achse der Welle 36 drehen und gleichzeitig eine auf und ab schwingende Bewegung ausführen. Diese Abkratzorgane sind dazu bestimmt, fortwährend die an der Innenwand des Ausfriergefässes gebildeten Eiskristalle abzukratzen und gleichzeitig die Flüssigkeit im Innenraum 30 des Ausfriergefässes einer intensiven Durchwirbelung auszusetzen, um eine gleichmässige Unterkühlung der Flüssigkeit zu gewährleisten. Die am obern Ende des Ausfriergefässes austretende Mischung von konzentriertem Saft und darin schwimmenden Eiskristallen wird über eine Ausflussrinne 41 auf ein von einer angetriebenen Exzenterscheibe 43 bewegtes Rüttelsieb 42 geleitet.
Die Flüssigkeit rinnt dabei durch die Siebmaschen in einen Trichter 48 und von diesem über die Rohrleitung 49 zum Sammelbehälter 21. Auch die kleinsten Eiskristalle von weniger als zum Beispiel einhundert Mikron fliessen mit der Flüssigkeit durch das Sieb in den Sammelbehälter 21 zurück, während die grösseren Eiskristalle in den Trichter 44 und von dort in eine Zentrifuge 45 gelangen, wo die ihnen noch anhaftende Restflüssigkeit abgeschieden und über die Leitung 46 in den Sammelbehälter 21 geleitet wird, während bei 47 praktisch trockene Eiskristalle entnommen werden können.
Die zu konzentrierende Flüssigkeitsmenge wird nur so lange auf dem beschriebenen Weg umgewälzt, bis infolge Absinkens der Gefriertemperatur die Eisbildung im Ausfriergefäss 30 aufhört.
Dann wird die Kühlmedium-Temperatur erniedrigt, beispielsweise auf - 140 C. So kann stufenweise fortgefahren werden, bis zuletzt bei einer Ausfriertemperatur von -40"C auch die letzten Wasserreste noch ausgeschieden werden.
Die beschriebene Vorrichtung weist noch wärme isolierende Hüllorgane auf, die nicht dargestellt sind.
Zuletzt wird das Konzentrat über die Leitung 25 in den Sammelbehälter B gefördert, um von dort aus eventuell nach weiterer Behandlung verpackt zu werden.
Während die beschriebene Vorrichtung nur ein Ausfriergefäss enthält, durch welches unter stufenweiser Absenkung der Ausfriertemperatur die Lösung mehrmals durchgetrieben wird, kann eine Vorrichtung auch mehrere hintereinander angeordnete Ausfriergefässe mit Abkratz- und Abscheideorganen, die je auf einer tieferen Temperaturstufe betrieben werden, aufweisen.
Gemäss der in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Varante ist im Innenraum des Ausfriergefässes ein Walzenkörper 56 gelagert, der über die Welle 55 in Drehung versetzt wird und mit tangential abstehenden Abkratzblechen 57 besetzt ist, die gleichzeitig auch eine Rührwirkung ausüben.
Nachstehend wird anhand von drei Beispielen gezeigt, wie die stufenweise Absenkung der Ausfriertemperatur je nach Art der zu konzentrierenden Lösung vorgenommen werden kann.
1. Beispiel 2. Beispiel 3. Beispiel
Lösung Apfelsaft Orangensaft Apfelweinessig
Feststoffgehalt etwa 12 zur 12 o/o 10 O/o.
Gefrierpunkt - 20 C 2,20 C 0 C 1. Ausfrierstufe
Kühlmitteltemperatur - 100 C - 8 C - 5 C
Austrittstemperatur der Flüssigkeit - 60 C - 50 C - 30 C 2. Ausfrierstufe
Kühlmitteltemperatur - 140 C - 100 C - 7O C
Austrittstemperatur der Flüssigkeit - 100 C - 80 C - 5o C 3. Ausfrierstufe
Kühlmitteltemperatur - 320 C - 13" C - 110 C
Austrittstemperatur der Flüssigkeit - 140 C - 100 C - 7 C 4.
Ausfrierstufe
Kühlmitteltemperatur - 390 C - 16" C - 14" C
Austrittstemperatur der Flüssigkeit 320C 130C -110C
Method for concentrating a solution by freezing out and apparatus for carrying out this method
The present invention relates to a method for concentrating solutions, in particular solutions containing heat-sensitive substances, by freezing out the solvent in crystalline form. They don't have to be real solutions; they can also be solution-like suspensions of colloidal or at least microscopic substance particles. Thus, the present invention can be used with advantage to remove the water from fruit juices and other vegetable juices, for example vegetable juices, from beer, wine, coffee and milk, in order to store the concentrates that are produced in a space-saving manner and better protected from natural spoilage to be able to.
When consumed, these concentrates are diluted again with the appropriate amount of water.
It is also possible to concentrate aqueous resin and glue solutions.
The method according to the invention is characterized in that the solution is passed several times through at least one freezing vessel, in which part of the solvent is frozen out in crystalline form with each pass, and that in each case before the mixture of solution and solvent crystals is reintroduced into a freezing vessel, the larger solvent crystals contained therein are excreted mechanically.
Because only the larger solvent crystals are separated out, enough small crystals always remain in the liquid, which can form the necessary nuclei for the formation of larger crystals when it is passed through the freezing vessel again.
It has proven to be expedient to continuously mechanically scrape off the solvent crystals that are preferably formed on the inner wall of the Ausfiier- and stick there and at the same time to constantly stir the liquid in the freezer in order to prevent the formation of agglomerates of solvent crystals, for example in the case of Water as a solvent to counteract the formation of white ice because such crystal agglomerates on the one hand tend to clog pipes and on the other hand such crystal agglomerates always contain inclusions of solution.
In order to continue to be able to effectively counter the formation of such crystal agglomerates, it has proven to be useful to keep the temperature difference between the cooling medium in the freezing vessel and the liquid passed through relatively low during the individual passes of the solution through the freezing vessel (s), for example only 4 up to 60 C, and pay special attention to the best possible heat transfer through the partition between the liquid to be concentrated and the cooling medium. It should also be noted that the heat exchange area is generally kept large in relation to the amount of liquid in the freezing vessel, for example at least 1112 exchange area per sixty liters of liquid.
Since the freezing point of the solution naturally falls with increasing concentration, it seems appropriate to carry out the gradual concentration by repeatedly passing the solution through the freezing vessel or through the freezing vessels with a gradual lowering of the cooling medium temperature in the freezing vessel or in freezing vessels arranged one behind the other. It is advantageous to keep the solution at the temperature reached from the time it emerges from a freezing vessel until it is reintroduced into a freezing vessel, because if the solution was heated in this intermediate phase, partial melting of the solvent crystals would occur, which on the one hand has the beneficial effect of Would reduce freezing and on the other hand would promote the formation of harmful crystal agglomerates again.
The present invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention, which is characterized by at least one freezing vessel 30 with a hollow jacket 31 for passing cooling medium through conveying means 23, for example a pump, for passing the solution through Freezing vessel, which is equipped with scraping organs 37 for the solvent crystals frozen on the inner wall, as well as mechanical separation organs 42, 45 for the separation of the larger solvent crystals from the solution.
The scraping elements are preferably combined with a stirrer and the separating elements can expediently be designed as a sieve.
The sieve can advantageously be designed as a vibrating sieve, and a centrifuging device can advantageously be connected downstream of the sieve for separating the solvent liquid still adhering to the sieved crystals.
An embodiment of a device for concentrating solutions is shown schematically in Fig. 1 of the drawing, while Figs. 2, 3 and 4, 5 variants of freezing vessels with built-in scraper respectively. Agitators in plan and elevation or such Abkratz- resp. Show agitator elements only in plan and elevation.
In FIG. 1, 10 denotes a storage tank, which can be hermetically sealed by a cover 14, for the solution to be concentrated, for example apple juice. The tank 10 is designed as a hollow-walled vessel, into the jacket space 11 of which ice water can be introduced via the line 12 and which then flows off via the line 13. The contents of the tank space 10 can thus be precooled to an initial temperature of 1 ° C., for example.
If the solution is sensitive to oxidation, an inert gas can be introduced into the tank space, and further special measures can also be taken to protect the solution from spoiling, in particular from the ingress of harmful bacteria.
From the bottom of the tank container 10, a drain line 15 with a built-in regulating valve 16 leads to a collecting container 21. From the bottom of the collecting container 21, a pipe 22 leads to a feed pump 23, from which the liquid flows through the line 24 with the valve 26 open and the valve 27 closed is driven into the interior 30 of a freezing container, while it can be fed via the line 25 to a container B with the valve 26 closed and the valve 27 open.
The wall of the freezing vessel is designed as a cylindrical hollow jacket 31, into which a cooling medium at a certain temperature, for example in the first stage 10 C, can be introduced via the supply line 33, which cooling medium is discharged again via the line 32.
Above the freezing vessel 30 there is a guide rod 38 for a slide 34 which can be set in an up and down swinging movement from a driven crank disk 40 via a connecting rod 39.
The slide 34 carries a motor 35 for driving a shaft 36 which carries scraping members 37 which rotate about the axis of the shaft 36 which is coaxial to the vessel axis and at the same time perform an up and down oscillating movement. These scraping organs are intended to continuously scrape off the ice crystals formed on the inner wall of the freezing vessel and at the same time subjecting the liquid in the interior 30 of the freezing vessel to an intensive turbulence in order to ensure uniform undercooling of the liquid. The mixture of concentrated juice and ice crystals floating in it, exiting at the upper end of the freezing vessel, is directed via an outflow channel 41 onto a vibrating screen 42 moved by a driven eccentric disk 43.
The liquid flows through the sieve mesh into a funnel 48 and from there via the pipe 49 to the collecting container 21. Even the smallest ice crystals of less than, for example, one hundred microns flow back with the liquid through the sieve into the collecting container 21, while the larger ice crystals get into the funnel 44 and from there into a centrifuge 45, where the residual liquid still adhering to them is separated and passed via the line 46 into the collecting container 21, while at 47 practically dry ice crystals can be removed.
The amount of liquid to be concentrated is only circulated in the manner described until the ice formation in the freezing vessel 30 ceases as a result of the drop in the freezing temperature.
Then the cooling medium temperature is lowered, for example to - 140 C. You can continue in stages until the last remaining water is eliminated at a freezing temperature of -40 "C.
The device described still has heat-insulating covering organs, which are not shown.
Finally, the concentrate is conveyed via the line 25 into the collecting container B in order to be packaged from there possibly after further treatment.
While the device described contains only one freezing vessel through which the solution is driven several times while gradually lowering the freezing temperature, a device can also have several freezing vessels arranged one behind the other with scraping and separating elements, which are each operated at a lower temperature level.
According to the variant shown in FIGS. 2 to 5, a roller body 56 is mounted in the interior of the freezing vessel, which is set in rotation via the shaft 55 and is fitted with tangentially protruding scraper plates 57 which also exert a stirring effect at the same time.
The following three examples show how the gradual lowering of the freezing temperature can be carried out depending on the type of solution to be concentrated.
1st example 2nd example 3rd example
Solution apple juice orange juice cider vinegar
Solids content about 12 to 12 o / o 10 o / o.
Freezing point - 20 C 2.20 C 0 C 1st freezing stage
Coolant temperature - 100 C - 8 C - 5 C
Outlet temperature of the liquid - 60 C - 50 C - 30 C 2nd freezing stage
Coolant temperature - 140 C - 100 C - 7O C
Outlet temperature of the liquid - 100 C - 80 C - 5o C 3rd freezing stage
Coolant temperature - 320 C - 13 "C - 110 C
Liquid outlet temperature - 140 C - 100 C - 7 C 4.
Freezing stage
Coolant temperature - 390 C - 16 "C - 14" C
Liquid outlet temperature 320C 130C -110C