CH635004A5 - Vorrichtung zum kontinuierlichen gefrierkonzentrieren von waessrigen loesungen. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Gefrierkonzentrieren von wässrigen Lösungen. Zum Konzentrieren bestimmte wässrige Lösungen können beispielsweise Fruchtsäfte, Wein, Bier oder Kaffee-Extrakt sein.

Bei der Art des Verfahrens, für welche die erfindungsge-mässe Vorrichtung bestimmt ist, wird die wässrige Lösung durch eine Reihe von getrennten Kühlzonen geführt. Die in jeder Kühlzone aus der Lösung ausgeschiedenen Eiskristalle werden der jeweils vorangehenden Kühlzone zugeführt. Aus der letzten Kühlzone wird das zu gewinnende Produkt ausgetragen. Die Eiskristalle werden von der ersten Kühlzone abgeführt. Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind in der US-PS 3 283 522 beschrieben.

Ein Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die auch in einer grossen Ausführung wirtschaftlich ist und sich leicht bedienen lässt.

Ein weiterer Zweck der Erfindung bei bestimmten Vorzugsausführungsformen ist das Vermeiden von Flüssigkeit-Dampf-Grenzflächen beim Betrieb der Vorrichtung, um den Verlust flüchtiger Aromabestandteile durch Kontakt mit der Luft zu vermeiden.

Ferner bezweckt die Erfindung in bestimmten Ausführungsformen, die benötigte Menge Waschwasser zum Ausscheiden der Eiskristalle auf ein Minimum zu beschränken.

Die Erfindung ist durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die im Anspruch 1 aufgeführte Reihenfolge der Kühlabteilungen bezieht sich auf die Anordnung der Kühlabteilungen in Verarbeitungsrichtung. Die mit Hohlräumen versehenen Kühlschalen sind vorzugsweise als ebene Scheiben ausgebildet. Die Hohlräume dienen dabei zur Zirkulation eines Kühlmittels, wie beispielsweise verdampfende, fluorierte Kohlenwasserstoffe, insbesondere «Freon».

Die die Oberflächen der Kühlschalen überstreichenden Abstreifer sollen die Oberflächen der Kühlschalen vorzugsweise unmittelbar berühren, obwohl es auch möglich ist,

dass sie in einem geringen Abstand von den Oberflächen angeordnet sind.

Die zum Fördern einer Anhäufung von Eiskristallen in den Eisabscheidern zu einem gepackten Bett in Richtung der erstgenannten Auslassleitungen bestimmten Mittel gemäss Anspruch 2 können vorzugsweise mit der zweiten Welle rotierende, über den Umfang verteilt angeordnete, schräggestellte Schaufeln sein. Gegebenenfalls können weitere Schaufeln mit je einer scharfen Kante vorgesehen sein, um auch ein Desintegrieren der verdichteten Anhäufung der Eiskristalle zu ermöglichen. Vorzugsweise können die genannten Mittel auch eine rotierende Scheibe mit Messern und Schlitzen aufweisen.

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Das Filter kann durch einen Teil des Gehäuses der den Ringraum begrenzenden Kolonne gebildet sein. Es ist auch möglich, dass dieses Gehäuse über eine bestimmte Länge ringsum perforiert ist. Die Abmessungen der Kolonne können vorzugsweise derart gewählt sein, dass die Länge der im Ringraum gebildeten, verdichteten Eiskristalle dem Sieben-bis Fünfzehnfachen der Breite entspricht.

An Hand der einzigen Figur wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes nachfolgend erläutert.

Ein Behälter 1 dient zur Aufnahme der gegebenenfalls vorgekühlten, zu konzentrierenden wässrigen Lösung, wie beispielsweise Fruchtsaft, Wein, Bier und Kaffee-Extrakt. Mittels einer Pumpe 2 wird einer in einem Kristallisationsbehälter 4 angeordneten ersten Kühlabteilung 7 die Lösung zugeführt. Durch ein die Pumpe 2 überbrückendes Druckregelventil 3 wird in der ersten Kühlabteilung 7 ein vorgewählter Druck aufrechterhalten. Der Kristallisationsbehälter 4 weist insgesamt fünf in Verarbeitungsrichtung hintereinander angeordnete Kühlabteilungen 7, 8,9,10 und 11 auf, welche durch insgesamt fünf in Abständen voneinander angeordnete Kühlschalen 12,13,14 und 15 voneinander getrennt sind. Eine den Kristallisationsbehälter 4 koaxial durchsetzende Welle 5 ist von einem Motor 6 angetrieben. Auf der Welle 5 sind die Oberflächen der Kühlschalen überstreichende Abstreifer angeordnet, von denen zur Vereinfachung nur die Abstreifer 16 und 17 dargestellt sind.

Infolge eines durch die Kühlschalen 12,13,14 und 15 in Pfeilrichtung strömenden Kühlmittels wird Wasser in Form von Eiskristallen aus der Lösung ausgeschieden, welches sich an den Oberflächen der Kühlschalen absetzt. Die als Beispiel dargestellten Abstreifer 16 und 17 dienen nun dazu, die Eiskristalle von den Oberflächen der Kühlschalen abzustreifen, um sie in die Lösung zurückzuführen, so dass eine aus Eiskristallen und gekühlter Lösung bestehende Suspension entsteht.

Zwischen den an der Innenwand des Kristallisationsbehälters 4 befestigten, rechtwinklig zur Welle 5 angeordneten Kühlschalen 12,13,14 und 15 und der Welle 5 ist je ein enger Spalt 96 gebildet, durch welchen Lösung von einer Kühlabteilung in die jeweils nachfolgende, darunterliegende Kühlabteilung strömen kann. Eine alternative Möglichkeit für die Beförderung von Lösung aus einer Kühlabteilung in die jeweils nachfolgende wird später erläutert. Von den als Beispiel dargestellten, mit der Welle 5 rotierenden Abstreifern 16 und 17 sind jeweils oberhalb und unterhalb jeder Kühlschale welche angeordnet.

Rechts neben dem Kristallisationsbehälter 4 ist eine Vorrichtung zum Trennen von Eiskristallen und Lösung dargestellt, die eine aus Eisabscheidern 75, 76, 77, 78, 79 aufgebaute Kolonne 33 aufweist. In der Kolonne 33 ist eine durch einen zweiten Motor 80 angetriebene zweite Welle 34 koaxial angeordnet. Zwischen dem Gehäuse der Kolonne 33 und der zweiten Welle 34 weist jeder der fünf Eisabscheider 75 bis 79 einen Ringraum 35, 36, 37, 38 und 39 auf. Jeder dieser Ringräume ist über ein Filter 40,41,42,43,44 durch je eine Ansaugleitung 45,46,47,48,49 mit einer Pumpe 50, 51, 52, 53, 54 verbunden.

Jede der Kühlabteilungen 7 bis 11 ist durch je eine weitere Ansaugleitung 18, 19,20,21 und 22 mit je einem der Eisabscheider 75 bis 79 verbunden, wodurch die genannte Suspension aus den Kühlabteilungen in die Eisabscheider gefördert wird. Im Bereich der Zufuhr der Suspension sind in den Eisabscheidern 75 bis 79 mit der zweiten Welle 34 verbundene, schräggestellte Schaufeln 55, 56, 57, 58 und 59 angeordnet, welche die in der Suspension enthaltenen Eiskristalle aufwärts pressen. Zwischen jeweils zwei Reihen der erwähnten rotierenden Schaufeln 55 bis 59 ist in jedem Eisabscheider 75 bis 79 eine Reihe mit dem Behälter der Kolonne

33 verbundene Schaufeln 65, 67, 69, 71, 73 angeordnet. Die zuletzt genannten ortsfesten Schaufeln erstrecken sich radial nach innen, wobei ihre Ebenen vorzugsweise die Achse der zweiten Welle 34 schneiden. Die ortsfesten Schaufeln verhindern, dass die von den rotierenden Schaufeln 55 bis 59 aufwärts gepressten Eiskristalle mitrotieren.

Während die Pumpen 50 bis 54 dazu dienen, die Lösung aus den Eisabscheidern 75 bis 79 abzusaugen, halten die Filter 40 bis 44 die Eiskristalle in den Eisabscheidern zurück. Es sei noch daraufhingewiesen, dass der Ansaugvorgang von Suspension aus den Kühlabteilungen 7 bis 11 in die Eisabscheider 75 bis 79 und von Lösung aus den Eisabscheidern kontinuierlich erfolgt.

In den Ringräumen 35 bis 39, die vorzugsweise enger als in der Zeichnung dargestellt bemessen sind, entsteht jeweils ein durch die Förderung der Eiskristalle mittels der Schaufeln 55 bis 59 verdichtetes Bett bzw. eine kompakte Masse von Eiskristallen. Weitere an der Innenwand des Gehäuses der Kolonne 33 befestigte Schaufeln 66, 68,70,72,74 verhindern ebenfalls, dass sich die kompakte Masse der Eiskristalle mit der zweiten Welle 34 mitdreht.

Jeweils oberhalb der zuletzt genannten ortsfesten Schaufeln 66, 68, 70,72, 74 sind weitere, mit der zweiten Welle 34 verbundene, schräggestellte, scharfkantige Schaufeln 60, 61, 62, 63, 64 angeordnet. Zwischen den weiter unten angeordneten fördernden Schaufeln 55 bis 59 und den weiteren rotierenden Schaufeln 60 bis 64 erfolgt die Verdichtung der Eiskristalle zu der kompakten Masse. Die weiteren rotierenden Schaufeln 60 bis 64 dienen dabei als desintegrierende Mittel, welche dem Durchlass der kompakten Masse von Eiskristallen einen begrenzten Widerstand entgegensetzen, um die Masse durch Auspressen von zwischen den einzelnen Eiskristallen vorhandener Lösung weiter zu verdichten. In der kompakten Masse der Eiskristalle wird eine scharfbegrenzte, nahezu stabile Waschfront gebildet, die nachfolgend näher erläutert wird.

Über eine weitere Pumpe 91 wird im ersten Eisabscheider 75 in seinem oberen Bereich Wasser umgewälzt. Das Eis wird mittels an der Welle 34 befestigter Stifte 81 in Suspension gehalten. An der Innenwand des Gehäuses der Kolonne 33 befestigte Stifte 86 verhindern, dass sich das Eis mit den Schaufeln 60 mitdreht. Durch das von der Pumpe 91 umgewälzte Wasser wird das zerstossene Eis aus dem ersten Eisabscheider 75 weggespült. Das in der Spülsuspension enthaltene Eis wird in einer Schmelzvorrichtung 92 ganz oder teilweise geschmolzen. Ein Teil der umgewälzten Wassermenge wird über ein Ventil 93 ausgeschieden. Ein mit dem Ventil 93 verbundener Stellantrieb 94 wird in Abhängigkeit einer von einem Fühler 95 gemessenen Messgrösse gesteuert. Der Fühler 95 ist im ersten Eisabscheider 75 angeordnet und dient beispielsweise zur Messung der dort herrschenden Temperatur als die entsprechende Messgrösse. Die Temperatur ist ein Mass der Konzentration der den Eiskristallen anhaftenden Flüssigkeit am Messort. Wenn diese Konzentration unterhalb eines gewählten Wertes liegt, wird das Ventil 93 durch den Stellantrieb 94 geöffnet. Liegt diese Konzentration jedoch oberhalb des gewählten Wertes, dann wird das Ventil 93 geschlossen. Auf diese Weise wird die nahezu stabile, scharfbegrenzte Waschfront zwischen Lösung auf der einen Seite und Waschwasser auf der anderen Seite der Waschfront in der Nähe des Fühlers 95 gebildet.

Die weiteren vier Eisabscheider 76 bis 79 sind in der gleichen Weise wie der erste Eisabscheider 75 mit rotierenden Stiften 82, 83, 84, 85 sowie mit ortsfesten Stiften 87, 88, 89, 90 ausgerüstet.

Die durch das Filter 40 und die Ansaugleitung 45 von der Pumpe 50 aus dem ersten Eisabscheider 75 angesaugte Lösung wird dem zweiten Eisabscheider 76 in seinem oberen

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Bereich zugeführt. Die dabei mitgerissenen Eiskristalle aus dem zweiten Eisabscheider 76 gelangen als Suspension über die Verbindungsleitung 23, welche auch als Auslassleitung des zweiten Eisabscheiders 76 zu betrachten ist, zurück in die erste Kühlabteilung 7 des Kristallisationsbehälters 4. Es sei daraufhingewiesen, dass die im zweiten Eisabscheider 76 anfallenden Eiskristalle aus der zweiten Kühlabteilung 8 des Kristallisationsbehälters 4 über die Ansaugleitung 19 zugeführt wurden. Die nachfolgenden Eisabscheider 77 bis 79 sind in analoger Weise mit den nachfolgenden Kühlabteilungen 8 bis 11 verbunden. Daraus geht hervor, dass die jeweils in einer Kühlabteilung anfallenden Eiskristalle über die Eisabscheider in die jeweils davor liegende Kühlabteilung geführt werden. Eine Ausnahme hiervon bildet die erste Kühlabteilung 7, da die in dieser anfallenden Eiskristalle über den ersten Eisabscheider 75 in Verbindung mit der Pumpe 91 ausgeschieden werden. Infolge der stufenweisen Ausscheidung von Wasser in Form der Eiskristalle wird die Suspension von Stufe zu Stufe stärker eingedickt.

Aus der vorhergehenden Erläuterung ist ersichtlich, dass die Pumpen 50 bis 54 dazu dienen, die Lösung jeweils einer Kühlabteilung umzuwälzen und gleichzeitig die Eiskristalle der nachfolgenden Kühlabteilung in die vorhergehende zu fördern. So wird beispielsweise die durch die Pumpe 50 aus dem ersten Eisabscheider 75 angesaugte Lösung dem zweiten Eisabscheider 76 in seinem oberen Bereich zugeführt, wo sie die in diesem Bereich sich befindenden Eiskristalle mitreisst. Diese entstehen durch Desintegrierung des kompakten Bettes, das selber durch Verdichtung der aus der zweiten Kühlabteilung 8 stammenden Eiskristalle entsteht. Die mitgerissenen Kristalle werden der ersten Kühlabteilung 7 über die Verbindungsleitung 23, welche auch als Auslassleitung des zweiten Eisabscheiders 76 dient, zugeführt.

Die aus dem letzten Eisabscheider 79 durch die Pumpe 54 über das Filter 44 und die Ansaugleitung 49 angesaugte Lösung wird über eine Leitung 28 und ein weiteres Ventil 29 als das zu gewinnende, konzentrierte Produkt einem Ausgangsbehälter 31 zugeführt und dort gesammelt. Das Ventil 29 wird durch ein Stellglied 30 in Abhängigkeit von der Temperatur der von der Pumpe 54 geförderten Losung, welche der Temperatur in der letzten Kühlabteilung 11 entspricht, betätigt. Ein in der Druckleitung der Pumpe 54 angeordneter Temperaturfühler 32 ist mit dem Stellantrieb 30 verbunden, welcher das Ventil 29 schliesst, wenn die gemessene Temperatur zu hoch ist, so dass die Lösung über die

Leitung 27 der letzten Kühlabteilung 11 zur weiteren Kühlung wieder zugeführt wird.

Wie bereits erwähnt, erfolgt in der beschriebenen Ausführungsform die Förderung der zu konzentrierenden Lösung von jeweils einer Kühlabteilung in die nächste durch die Spalten 96 zwischen den Kühlschalen 12 bis 15 und der ersten Welle 5 des Kristallisationsbehälters 4. In einer alternativen Ausführungsform kann die durch die Pumpen 50 bis 53 über die Filter 40 bis 43 und die Ansaugleitungen 45 bis 48 aus den Eisabscheidern 75 bis 78 angesaugte Lösung nur teilweise in die oberen Bereiche der Eisabscheider 76 bis 79 eingeführt werden, während der Rest über nicht dargestellte Leitungen unmittelbar in die Kühlabteilungen 8 bis 11 eingeführt wird. Bei einer solchen alternativen Ausführungsform sind die Kühlschalen 12 bis 15 gegenüber der Welle 5 mittels Dichtungsringen aus einem elastomeren Material abgedichtet.

Aus den vorstehenden Erläuterungen sollte hervorgehen, dass die zu konzentrierende wässrige Lösung die im Kristallisationsbehälter 4 angeordneten fünf Kühlabteilungen 7 bis 11 nacheinander durchströmt. Die Lösung wird in diesen Kühlabteilungen mittels der Kühlschalen 12 bis 15 stufenweise auf eine jeweils niedrigere Temperatur abgekühlt, wobei Wasser aus der Lösung in Form von Eis ausgesondert wird, welches sich auf den Kühlschalen 12 bis 15 absetzt und mittels Abstreifern, z.B. 16 und 17, von diesen abgestreift wird.

Aus jeder der Kühlabteilungen 7 bis 11 wird kontinuierlich eine Suspension von Eiskristallen und gekühlter Lösung entfernt, wonach die Eiskristalle aus dieser Suspension abgeschieden werden. Die in der zweiten Kühlabteilung 8 bis einschliesslich der letzten Kühlabteilung 11 anfallenden Eiskristalle werden den jeweils vorhergehenden Kühlabteilungen 7 bis 10 zugeführt, so dass alle im Kristallisationsbehälter 4 gebildeten Eiskristalle schliesslich über die erste Kühlabteilung 7 aus der Kristallisationszone entfernt werden. Diese Entfernung erfolgt zusammen mit der Lösung einer niedrigen Konzentration. Die aus der ersten Kühlabteilung 7 entfernten Eiskristalle werden von der Lösung abgeschieden und sodann abgetrennt, vorzugsweise nachdem sie zunächst noch von anhaftender Lösung durch Waschen mit Wasser befreit worden sind. Das Waschwasser kann durch Schmelzen von abgetrennten Eiskristallen stammen. Sobald die in der letzten Kühlabteilung 11 vorhandene Lösung die gewünschte Endkonzentration erreicht hat, wird sie über das Ventil 29 in den Ausgangsbehälter 31 ausgetragen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

635 004 PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Gefrierkonzentrieren von wässrigen Lösungen, dadurch gekennzeichnet, dass ein zylindrischer Kristallisationsbehälter (4) der Länge nach durch mehrere in Abständen voneinander angeordnete Kühlschalen (12,13, 14,15) in Kühlabteilungen (7, 8, 9,10, 11) unterteilt ist, welche Kühlschalen (12,13,14,15) sich von der Innenwand des Kristallisationsbehälters (4) im wesentlichen rechtwinklig bis zu einer koaxial im Kristallisationsbehälter (4) angeordneten, rotierend angetriebenen Welle (5) erstrecken; mit die Oberflächen der Kühlschalen (12,13,14,15) überstreichenden Abstreifern (16,17); mit Eisabscheidern (75,76,77,78, 79), um die Eiskristalle aus der Lösung der jeweils zugeordneten Kühlabteihmg abzuscheiden; mit Verbindungsleitungen (18,19, 20, 21,22), um Suspension von Eiskristallen aus allen Kühlabteilungen in die zugeordneten Eisabscheider (75, 76, 77,78,79) zu führen; mit Auslassleitungen (23,24,25,26), um die abgeschiedenen Eiskristalle aus dem zweiten und allen nachfolgenden Eisabscheidern (76, 77, 78,79) in die jeweils erste bis vorletzte Kühlabteilung (7, 8, 9,10) zu führen; mit Mitteln (96), um Lösung von der ersten bis zur vorletzten Kühlabteilung (7, 8,9,10) in die jeweils nachfolgende Kühlabteilung (8,9,10,11) zu übertragen; mit einer Ausscheideeinrichtung (91), um die abgeschiedenen Eiskristalle aus dem ersten Eisabscheider (75) zu entfernen; mit einer Einspeiseeinrichtung (1,2) zum Einspeisen der wässrigen Lösung in die erste Kühlabteilung (7) und mit einer Austragseinrichtung (28,29, 31) zum Austragen der im letzten Eisabscheider (79) erhaltenen Lösung als das zu gewinnende Produkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisabscheider (75,76,77, 78,79) in einer zylindrischen Kolonne (33) angeordnet sind, in welcher eine zweite, rotierend angetriebene Welle (34) koaxial angeordnet ist, so dass zwischen der zweiten Welle (34) und der Kolonne (33) zylindrische Ringräume (35, 36, 37, 38, 39) gebildet sind, wobei die Verbindungsleitungen (18,19,20,21,22) als Einlassleitungen dienen, um den zylindrischen Ringräumen (35, 36,37, 38, 39) eine Suspension von Eiskristallen und gekühlter Lösung zuzuführen; mit in den zylindrischen Ringräumen (35, 36,37,38, 39) angeordneten, zum Trennen der Lösung von der die Eiskristalle enthaltenden Suspension bestimmten Filtern (40,41,42,43,44); mit weiteren Auslassleitungen (45,46,47,48,49) für die durch die Filter (40,41, 42,43,44) abfliessende Lösung; mit Mitteln (50, 51, 52, 53, 54) zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz zwischen den Suspensions-Einlassleitungen (18, 19,20,21,22) und den weiteren Auslassleitungen (45,46,47,48,49), um einen Strom der Lösung durch die Filter (40,41,42,43,44) zu gewährleisten sowie zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz zwischen den Suspensions-Einlassleitungen (18,19, 20,21,22) und den erstgenannten Auslassleitungen (23,24, 25,26) für die eingedickte Suspension; mit mechanischen, zum Fördern einer Anhäufung von Eiskristallen in Richtung der erstgenannten Auslassleitungen (23,24, 25,26) bestimmten Mitteln (55, 56, 57, 58, 59).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Filtern (40,41,42,43,44) und den erstgenannten Auslassleitungen (23, 24,25,26) mit den zum Fördern der Eiskristalle bestimmten Mitteln (55, 56, 57, 58, 59) zusammenwirkende, desintegrierende Mittel (60, 61, 62, 63, 64) angeordnet sind, welche dem Durchlass der Anhäufung von Eiskristallen einen begrenzten Widerstand entgegensetzen, um die Anhäufung der Eiskristalle durch Auspressen von Lösung zwischen den einzelnen Eiskristallen zu verdichten und um die verdichtete Anhäufung der Eiskristalle zur Ermöglichung des Durchlasses der erhaltenen Partikel zu desintegrieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite der Kolonne (33) Schaufeln (65, 66; 67, 68; 69, 70; 71, 72; 73, 74) angeordnet sind, die dazu bestimmt sind, eine Rotation einer verdichteten Anhäufung von Eiskristallen mit den zum Fördern der Anhäufung von Eiskristallen bestimmten mechanischen Mitteln (55, 56, 57, 58, 59) oder mit den desintegrierenden Mitteln (60, 61, 62, 63, 64) entlang der zweiten Welle (34) zu verhindern.