Verfahren und Einrichtung zum kontinuierlichen Konzentrieren von Lösungen durch Gefrieren eines Lösungsmittels und Trennung des flüssigen vom erstarrten Anteil
Es ist bekannt, Lösungen durch Gefrieren des Lösungsmittels und Trennen des flüssigen vom erstarrten Anteil in einem ein Rührwerk enthaltenden Kühlgefäss kontinuierlich zu konzentrieren.
Dem Verfahren nach der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dafür zu sorgen, dass der erstarrte Anteil in möglichst grobkörniger Form bei optimalem Verhältnis der Oberfläche zum Volumen gewonnen wird, um die den Ausfrierverfahren eigenen Verluste an Substanz auf ein Mindestmass zu verringern; denn je grösser die Körner und je günstiger das erwähnte Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen, desto leichter und verlustärmer ist die dem Gefriervorgang sich anschliessende Trennung der festen von den flüssigen Anteilen.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird dies dadurch erreicht, dass das Gemisch aus Lösung und festen Lösungsteilen (Eis) in senkrecht zur Rührwerkachse angeordneten Ringzonen zusätzlich in eine schraubenlinienförmige Bewegung versetzt wird.
Durch das hierbei erzeugte Aneinanderstossen der festen Teilchen wird erreicht, dass diese Teilchen anstelle ihrer kristalleigenen Blättchenform die Form von Graupeln annehmen, die bei gleichem Volumen eine wesentlich kleinere Oberfläche aufweisen,
Vorzugsweise werden ferner zur Erreichung des angestrebten Ziels innerhalb der erwähnten Ringzonen die von der Kühlfläche entfernten erstarrten Lösungsteile an die Kühlfläche zurückbewegt mit der Folge, dass die gebildeten festen Teile zunehmend weiter vergrössert werden und keine oder eine geringere Neubildung an festen Teilen stattfindet.
Die Unterteilung in Ringzonen bezweckt, das Vermischen von gebildeten festen Teilchen unterschiedlicher Grösse zu verhindern; das Vermischen von kleineren und grösseren festen Teilen würde die Durchlässigkeit des Gefriergutes nachteilig beeinträchtigen.
Gebildetes, in an sich bekannter Weise aus der Mischung mit erstarrten Lösungsteilen durch dünnere Lösung verdrängtes Konzentrat kann während des Gefriervorganges besonders wirksam kontinuierlich abgezogen werden, infolge der oben erwähnten, optimalen Durchlässigkeit des Gefriergutes.
Das erzeugte Gemisch aus Lösung und festen Lösungsteilen kann einem kontinuierlichen Absickerungsvorgang zum Zwecke der Erhöhung des festen Anteils unterworfen werden.
Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, dass ausser von das Anfrieren von Lösungsteilen an der Kühlfläche verhindernden Abstreiforganen des Rührwerkes zusätzliche Gruppen von Leitorganen vorgesehen sind, deren eine dem Gemisch aus Lösung und festen Lösungsteilen eine schraubenlinienförmige Bewegung aufzwingt, deren andere die erstarrten Lösungsteile erneut mit der Kühlfläche in Berührung bringt.
Anhand der Zeichnung wird anschliessend das erfindungsgemässe Verfahren sowie die ebenfalls erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens beispielsweise erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1 eine Gefriereinrichtung nach der Erfindung im Achsschnitt,
Fig. 2 den Grundriss zu Fig. 1,
Fig. 3 die zusätzlichen Leitorgane zur Erzeugung der schraubenlinienförmigen Bewegung in Ringzonen bzw. zur Rückführung der festen Bestandteile zur Kühlfläche,
Fig. 4 die Anordnung dieser Leitorgane in schematischer Abwicklung,
Fig. 5 eine Einzeldarstellung der Leitorgane zur Rückführung der festen Teilchen zur Kühlfläche perspektivisch,
Fig. 6 eine Ausführungsform der der Gefriereinrichtung nach Fig. 1 nachgeschalteten Absickerungsvorrichtung.
Die Gefriervorrichtung 1 besteht aus einem zylindrischen Gefäss 2 mit kreisförmigem Querschnitt und lotrechter Achse. Das Gefäss hat einen äusseren Mantel 3 mit Boden 4, einen inneren Mantel 5 mit Boden 6 und einen ringförmigen Deckel 7, der aus zwei Teilen bestehen kann. Beide Zylindermäntel 3 und 5 sind mit Kühlmänteln 8 ausgestattet, durch welche über Zuleitungen 9 und Ableitungen 10 ein Kühlmittel zirkuliert, sei es Sole in serpentinförmigen Kanälen 11 (vgl. linken Teil der Fig. 1) oder ein Kühlmittel mit direkter Verdampfung in auf den Kühlmänteln 8 aufgeschweissten Kanälen 12 (vgl. rechten Teil der Fig. 1). In dem untern Teil 13 ist ein Ablauf 14 zur Konzentratabnahme und zur Entleerung vorgesehen.
Im vom Mantel 3 und Boden 4 einerseits und Mantel 5 und Boden 6 anderseits gebildeten Ringraum befindet sich ein zentral gelagerter, hier sechsarmiger Rührer, bestehend aus einer Tragkonstruktion 16, die zwecks Verminderung des Gefässinhaltes mit einem Verdrängungskörper 17 versehen ist, und vertikal dazu in gleichen Winkelabständen angeordneten Armen 19. Der Rührer ist mit bekannten Mantetwischern 18 versehen, welche derart höhenversetzt an den Armen 19 angebracht sind, dass sie sich übergreifen. Zur Erzeugung der zusätzlichen schraubenlinienförmigen Bewegung des Kühigutes in Ringzonen sind zwischen den Armen 19 verwundene Bleche 20 und zur Rückführung der Festteile an die Kühlfläche schaufelförmige Organe 21 vorgesehen (Fig. 3, 4 und 5).
Unter Ringzonen ist zu verstehen, dass ein Ringraum von gegebener Höhe zwischen dem äusseren Mantel 3 und dem inneren Mantel 5 in eine Vielzahl von senkrecht übereinanderliegenden Ringen von entsprechend geringerer Höhe unterteilt zu denken ist. In jedem dieser Ringe geringerer Höhe wird das Gemisch in eine auf diesen Ring beschränkte schraubenlinienförmige Bewegung versetzt. Dabei ist jedoch zu beachten, dass diese Ringe nicht durch Trennwände gegeneinander abgegrenzt, sondern lediglich nach aussen und innen durch den äusseren Mantel 3 und den inneren Mantel 5 begrenzt sind. Entscheidend ist, wie vorher angedeutet, dass innerhalb jedes dieser Teilringe, die als Ringzonen bezeichnet sind, schraubenlinienförmige Bewegungen des Gemisches erzeugt werden.
Die Fig. 5 zeigt schaubildlich ein Teilstück eines Organs 21, bestehend aus einem Blechstreifen ausgeschnittenen und schaufelartig nach beiden Seiten ausgebogenen Lappen. In Fig. 4 ist die Anordnung der Organe 20 und 21 auf einen Teil des abgewickelten Rührers zu sehen. Die Wirksamkeit dieser Organe 20, 21 beruht auf der durch die Trägheit der bewegten Masse hervorgerufenen Differenz zwischen der Umfangsgeschwindigkeit des Rührers und jener der bewegten Masse. An Stelle der Organe 20 und 21 können an den Armen 19 auch kleine feste oder bewegliche Propeller und verschiedenartig ge formte richtungsändernde Leitschaufeln und Stossimpulse erzeugende Prallbleche angebracht werden.
Bei Gefriervorrichtungen mit innerer Kühlfläche sind an der inneren Seite des Rührers ausser den an den Kühlflächen anliegenden Mantelwischern 18 zusätzliche Leitbleche 22 angebracht (Fig. 2), welche, ohne die Mantelflächen zu berühren, von diesen einen möglichst geringen Abstand haben. Oberhalb der gekühlten Mantelflächen ist eine aus Fig. 1 ersichtliche Austragvorrichtung für die auszutragende Eiskornmasse angeordnet, bestehend aus einem am obern Ende des Rührers befestigten Mantelring 23 mit zellenbildenden Stegen 24, deren Zwischenräume sich mit Eiskornmasse füllen. Von dem dadurch gebildeten, mit Eiskornmasse gefüllten Ring wird der übrige Teil der Eiskorurnasse auf einen fest mit dem Deckel 7 verbundenen Schneckenteil 25 geschoben und aus dem Gefäss 2 entfernt.
Der Rührer wird mittels einer Hohlwelle 26 auf der vorzugsweise festen Gefässachse 27 durch den Antrieb 28 bewegt. Die Zuleitung der Lösung erfolgt durch einen Anschluss 29 oder bei 30 aus einer nachgeschalteten Durchsickervorrichtung.
Selbstverständlich kann der Antrieb des Rührers auch von oben her erfolgen. Die Rührarme 19 können paarweise vorgesehen sein, so dass sie U-förmige Bügel bilden. Die zusätzlichen Leitorgane brauchen nicht notwendig an dem Rührer selbst befestigt zu sein; sie können stationär, beispielsweise an dem Boden des Doppelzylinders befestigt sein und zwischen den Schenkeln der U-förmigen Rührarme 19 nach oben ragen.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch mit einer Gefriervorrichtung ausgeführt werden, welche nur mit einem Kühlmantel, vorzugsweise mit dem gemäss Fig. 1 inneren Kühlmantel, ausgestattet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform werden in einer Gefriervorrichtung mit äusserem und innerem Kühlmantel zwei gegenläufige Rührer, vorzugsweise unter gleichzeitiger Anordnung eines dazwischenliegenden unbeweglichen Trägers von Bewegungsorganen, angeordnet, in welchem Fall der Schneckenteil 25 statt am Deckel auch an diesem Träger befestigt sein kann.
Weitere Ausführungsformen des Erfindungsgedankens bestehen in der Anordnung drehbarer Kühlflächen und in horizontaler Anordnung der Achse des zylindrischen Gefässes, wobei die Auftriebswirkung des Eises durch Leitschaufeln ersetzt wird.
Bei senkrechter Gefässachse kann die Auftriebswirkung durch zusätzlich angeordnete Leitschaufeln in Form von ganzen oder geteilten Schneckengängen unterstützt werden, die bei Verarbeitung klarer, pulpefreier Lösungen mit konzentrisch angeordneten Schlitzen versehen sein können. Der nachgeschaltete Absickerungsvorgang kann entweder in einer zusätzlichen Vorrichtung oder in der Gefriervorrichtung selbst stattfinden.
In Fig. 6 ist eine ausserhalb der Gefriervorrichtung angeordnete Absickerungsvorrichtung schema tisch im Längsschnitt dargestellt. Sie weist ein zylindrisches, rohrförmiges Gefäss 31, eine Welle 32 mit Antrieb 33, einen Deckel 34 und einen Bodenteil 35 auf. Das Gefäss 31 ist mit einer an die Ausbringstelle der Kühlvorrichtung 1 angeschlossenen Zuleitung 36 für die Eiskornmasse versehen. In der Höhe der Einmündung dieser Zuleitung 36 ist zur Unterstützung des natürlichen Eisauftriebes eine Förderschnecke 37 angeordnet. Im unmittelbar darüberliegenden Teil der Vorrichtung ist eine Mischzone 38 in der Weise angeordnet, dass an der Welle 32 und am Gefässmantel Mischflügel 39 und 40 angebracht sind, welche vorzugsweise zwecks Unterstützung der Aufwärtsbeförderung des Mischgutes propellerartig gestaltet sein können.
Die Zuleitung der Frischlösung erfolgt entweder über einen Stutzen 41 oder durch Bohrungen 42, welche am obern Ende der Mischzone 38 in den als Hohlwelle ausgebildeten Teil 43 der Welle 32 gebohrt sind, wobei die Frischlösung durch die Hohlwelle 43 zugeführt wird. An die Mischzone schliesst sich die Absickerungszone 44 an, in welcher die Hohlwelle 43 mit einer Förderschnecke 45 ausgestattet ist, die geringeren Durchmesser als der Innendurchmesser des Gefässes 31 hat und einen Ringraum 46 freilässt, der mittels senkrechter Trennwände in Kanäle mit U-förmigem Querschnitt unterteilt und mit Eis gefüllt ist. Über der Absickerungszone 44 ist an der Hohlwelle 43 eine Ausräumvorrichtung 49 angeordnet, welche die Eiskornmasse durch das Auslaufrohr 50 austrägt. Der Bodenteil 35 ist mit dem Anschluss 30 für die Zuleitung der Lösung zu der Gefriervorrichtung 1 verbunden.
Wenn der Absickerungsvorgang in der Gefriervorrichtung selbst stattfindet, so wird die Gefriervorrichtung in der Bewegungsrichtung des Eises verlängert, vorzugsweise unter allmählicher Verminderung des Durchmessers. Die Förderschnecke kann dabei entweder drehbar im feststehenden Eisbreimantel oder fest im sich drehenden Eisbreimantel (ähnlich 23) angeordnet sein.
Die bei dem Gefrierverfahren erzielte rundliche Graupelform der festen Lösungsteile ist für jedes Trennverfahren optimal wegen der verschwindend geringen Stoffverluste, die beim Trennen der festen von den flüssigen Lösungsteilen entstehen. Wenn für den Trennvorgang eine Schneckenpresse verwendet wird, so kann unter Umständen die durch die kugelige Form der festen Lösungsteile bedingte Schlüpfrigkeit des Pressgutes das Funktionieren der Presse beeinträchtigen, das auf der zwischen Pressgut und Pressseiher vorhandenen Reibung beruht.
Um diese Möglichkeit auszuschalten, kann dem Gefrier- und Absikkerungsvorgang ein durch oberflächliches Nachfrieren des erzeugten Gemisches aus Lösung und festen Lösungsteilen erfolgendes Härtungsverfahren nachgeschaltet werden, wodurch der Reibungskoeffizient des Pressgutes erhöht und ein sicheres Funktionieren der Presse gewährleistet wird. Das Härten des Pressgutes erfolgt ebenfalls kontinuierlich und kann beispielsweise auf einer in einer mit dem Gefriergut gefüllten Wanne sich drehenden gekühlten Trommel geschehen, von der es abgehoben und nach Zerkleinerung kontinuierlich der Presse zugeführt wird, oder in einem zylindrischen, mit einer Förderschnecke ausgestatteten Gefäss, dessen Mantel gekühlt wird. Das Gefäss kann auch ringförmigen Querschnitt haben, wobei der Innen- und der Aussenmantel gekühlt werden können.
Method and device for the continuous concentration of solutions by freezing a solvent and separating the liquid from the solidified portion
It is known to continuously concentrate solutions by freezing the solvent and separating the liquid from the solidified portion in a cooling vessel containing a stirrer.
The method according to the invention is based on the object of ensuring that the solidified portion is obtained in the most coarse-grained form possible with an optimal ratio of surface to volume in order to reduce the losses of substance inherent in the freezing process to a minimum; for the larger the grains and the more favorable the above-mentioned ratio between surface and volume, the easier and less lossy is the separation of the solid from the liquid components following the freezing process.
According to the method according to the invention, this is achieved in that the mixture of solution and solid solution parts (ice) is additionally set in a helical movement in annular zones arranged perpendicular to the agitator axis.
The collision of the solid particles produced in this way ensures that these particles take the form of sleet instead of their own crystal flake shape, which have a much smaller surface area with the same volume,
Preferably, in order to achieve the desired goal within the above-mentioned ring zones, the solidified solution parts removed from the cooling surface are moved back to the cooling surface, with the result that the solid parts formed are increasingly enlarged and there is little or no new formation on solid parts.
The purpose of the division into ring zones is to prevent the mixing of solid particles of different sizes that have formed; the mixing of smaller and larger solid parts would adversely affect the permeability of the frozen food.
Concentrate formed and displaced in a manner known per se from the mixture with solidified parts of the solution by thinner solution can be withdrawn particularly effectively continuously during the freezing process, due to the above-mentioned optimal permeability of the frozen goods.
The resulting mixture of solution and solid parts of the solution can be subjected to a continuous leaching process for the purpose of increasing the solid content.
The device for carrying out the process is characterized in that, in addition to the stripping elements of the agitator that prevent the freezing of solution parts on the cooling surface, additional groups of guide elements are provided, one of which forces the mixture of solution and solid solution parts to move in a helical manner, the other of which forces the solidified solution parts brings it into contact with the cooling surface again.
The method according to the invention and the device according to the invention for carrying out the method are then explained, for example, with the aid of the drawing. They represent:
1 shows a freezing device according to the invention in axial section,
FIG. 2 shows the floor plan of FIG. 1,
3 shows the additional guide elements for generating the helical movement in annular zones or for returning the solid components to the cooling surface,
4 shows the arrangement of these guide elements in a schematic development,
Fig. 5 is an individual representation of the guide elements for returning the solid particles to the cooling surface in perspective,
FIG. 6 shows an embodiment of the drainage device connected downstream of the freezing device according to FIG.
The freezer 1 consists of a cylindrical vessel 2 with a circular cross-section and a vertical axis. The vessel has an outer jacket 3 with a base 4, an inner jacket 5 with a base 6 and an annular cover 7 which can consist of two parts. Both cylinder jackets 3 and 5 are equipped with cooling jackets 8, through which a coolant circulates via supply lines 9 and discharge lines 10, be it brine in serpentine channels 11 (see left part of FIG. 1) or a coolant with direct evaporation in the cooling jackets 8 welded-on channels 12 (cf. right part of FIG. 1). In the lower part 13, a drain 14 is provided for the concentrate removal and for emptying.
In the annular space formed by the jacket 3 and bottom 4 on the one hand and jacket 5 and bottom 6 on the other, there is a centrally mounted, here six-armed stirrer, consisting of a support structure 16, which is provided with a displacement body 17 to reduce the contents of the vessel, and vertically in the same Arms 19 arranged at angular distances. The stirrer is provided with known jacket wipers 18, which are attached to the arms 19 offset in height in such a way that they overlap. To generate the additional helical movement of the goods to be cooled in annular zones, twisted metal sheets 20 are provided between the arms 19 and shovel-shaped members 21 are provided for returning the solid parts to the cooling surface (FIGS. 3, 4 and 5).
Ring zones are to be understood as meaning that an annular space of a given height between the outer jacket 3 and the inner jacket 5 is to be thought of as subdivided into a plurality of vertically superposed rings of correspondingly lower height. In each of these rings of lesser height, the mixture is set in a helical movement restricted to this ring. It should be noted, however, that these rings are not delimited from one another by partition walls, but are only limited to the outside and inside by the outer jacket 3 and the inner jacket 5. As previously indicated, it is crucial that within each of these partial rings, which are referred to as ring zones, helical movements of the mixture are generated.
FIG. 5 shows a diagrammatic view of a section of an organ 21, consisting of tabs cut out from a sheet metal strip and bent out like a shovel on both sides. In Fig. 4 the arrangement of the organs 20 and 21 can be seen on part of the unwound stirrer. The effectiveness of these organs 20, 21 is based on the difference caused by the inertia of the moving mass between the peripheral speed of the stirrer and that of the moving mass. Instead of the organs 20 and 21, small fixed or movable propellers and variously shaped direction-changing guide vanes and baffle plates generating shock pulses can also be attached to the arms 19.
In freezers with an inner cooling surface, additional guide plates 22 are attached to the inner side of the stirrer in addition to the jacket wipers 18 resting on the cooling surfaces (FIG. 2), which, without touching the jacket surfaces, have the smallest possible distance from them. Above the cooled jacket surfaces there is arranged a discharge device for the ice grain mass to be discharged, which can be seen in FIG. 1, consisting of a jacket ring 23 with cell-forming webs 24 attached to the upper end of the stirrer, the spaces between which are filled with ice grain mass. The remaining part of the ice cream mass is pushed from the thus formed ring filled with ice grain mass onto a screw part 25 firmly connected to the cover 7 and removed from the vessel 2.
The stirrer is moved by means of a hollow shaft 26 on the preferably fixed vessel axis 27 by the drive 28. The solution is supplied through a connection 29 or, at 30, from a downstream seepage device.
The stirrer can of course also be driven from above. The stirring arms 19 can be provided in pairs so that they form U-shaped brackets. The additional guide elements need not necessarily be attached to the stirrer itself; they can be stationary, for example attached to the bottom of the double cylinder, and protrude upwards between the legs of the U-shaped stirring arms 19.
The method according to the invention can also be carried out with a freezing device which is only equipped with a cooling jacket, preferably with the inner cooling jacket according to FIG. 1.
In a further embodiment, two counter-rotating stirrers are arranged in a freezer with an outer and an inner cooling jacket, preferably with an intervening immovable support of moving organs, in which case the screw part 25 can also be attached to this support instead of the cover.
Further embodiments of the inventive concept consist in the arrangement of rotatable cooling surfaces and in a horizontal arrangement of the axis of the cylindrical vessel, the buoyant effect of the ice being replaced by guide vanes.
In the case of a vertical vessel axis, the buoyancy effect can be supported by additionally arranged guide vanes in the form of whole or divided screw flights, which can be provided with concentrically arranged slots when processing clear, pulp-free solutions. The downstream seepage process can take place either in an additional device or in the freezer itself.
In Fig. 6 a arranged outside the freezer drainage device is shown schematically table in longitudinal section. It has a cylindrical, tubular vessel 31, a shaft 32 with drive 33, a cover 34 and a base part 35. The vessel 31 is provided with a feed line 36 for the ice grain mass which is connected to the discharge point of the cooling device 1. At the level of the confluence of this feed line 36, a screw conveyor 37 is arranged to support the natural ice buoyancy. In the part of the device immediately above it, a mixing zone 38 is arranged in such a way that mixing blades 39 and 40 are attached to the shaft 32 and to the vessel jacket, which can preferably be designed in the manner of a propeller to support the upward conveyance of the mixed material.
The fresh solution is supplied either via a connector 41 or through bores 42 which are drilled at the upper end of the mixing zone 38 in the hollow shaft part 43 of the shaft 32, the fresh solution being supplied through the hollow shaft 43. The mixing zone is followed by the drainage zone 44, in which the hollow shaft 43 is equipped with a screw conveyor 45, which has a smaller diameter than the inner diameter of the vessel 31 and leaves an annular space 46 free, which divides into channels with a U-shaped cross-section by means of vertical partitions and is filled with ice. Above the seepage zone 44, a clearing device 49 is arranged on the hollow shaft 43, which discharges the ice grain mass through the outlet pipe 50. The bottom part 35 is connected to the connection 30 for the supply of the solution to the freezer device 1.
If the seepage process takes place in the freezer itself, the freezer is lengthened in the direction of movement of the ice, preferably with a gradual reduction in diameter. The screw conveyor can be arranged either rotatably in the stationary ice pulp casing or fixed in the rotating ice pulp casing (similar to 23).
The rounded sleet shape of the solid solution parts achieved in the freezing process is optimal for every separation process because of the negligibly small losses of material that occur when separating the solid from the liquid solution parts. If a screw press is used for the separation process, the slipperiness of the material to be pressed due to the spherical shape of the solid solution parts may impair the functioning of the press, which is based on the friction between the material to be pressed and the press cord.
In order to eliminate this possibility, the freezing and settling process can be followed by a hardening process that takes place by superficial post-freezing of the mixture of solution and solid solution parts, which increases the coefficient of friction of the material to be pressed and ensures reliable functioning of the press. The material to be pressed is also hardened continuously and can take place, for example, on a cooled drum that rotates in a tub filled with the frozen material, from which it is lifted and continuously fed to the press after being crushed, or in a cylindrical vessel equipped with a screw conveyor Coat is cooled. The vessel can also have an annular cross-section, with the inner and outer jacket being able to be cooled.