CN101129206A - 冰晶分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冰晶分离装置，它包括用于盛放冰晶与液体混合物料的罐体，其特征在于：所述罐体上部设有用于使罐体内的液体表面产生旋转运动的表面搅拌器，该表面搅拌器为分叉形状；所述罐体内还设有空心的冰晶收集管，该冰晶收集管的冰晶收集口处于罐体内产生旋转运动的液面旋转中心部位，冰晶排出口通往罐体外部。本发明利用冰晶体自身的浮力和液面搅拌产生的向心力的共同作用，可使冰晶体自然向液面旋转中心的冰晶收集口运动并通过冰晶收集管顺利排出(即中心/向心排冰法)，从而不仅节约能耗、提高分离效率，而且还能减少溶质损失，有利于冷冻浓缩工业化生产。

Description

冰晶分离装置

技术领域

本发明涉及一种冰晶分离装置，它是一种用于将冰晶与液体混合物料中的冰晶与液体分离开的分离装置，该装置可以广泛应用于果蔬汁、牛奶、茶汁等液态食品以及中药提取液的冷冻浓缩加工工艺中的冰晶与液体分离工序。

背景技术

浓缩是液态食品加工中一项重要的单元操作，主要有蒸发、反渗透、冷冻浓缩三种方法。冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间固液相平衡原理的一种浓缩方法，其操作是把稀溶液降温至水的冰点(凝固点)以下使得部分水冻结成冰晶，把冰晶分离出去从而得到浓缩液。

工业上，冷冻浓缩过程的结晶有两种形式：一种是稀溶液中的水分在冷面形成厚厚的冰层，冰层可以在部分融冰使之脱离器壁之后手工分离，这种方式称为渐进层状结晶；另一种结冰发生在搅拌的悬浮液中，通过大量悬浮分散于母液中冰结晶的成长、分离而达到浓缩的方式称为悬浮结晶。悬浮式结晶法是在母液中形成大量的冰结晶，单位体积冰晶的表面积很大，能够迅速形成洁净的冰晶且浓缩终点较大。

荷兰Eindhoven大学Thijssen等在70年代成功地利用奥斯特瓦尔德成熟效应设置了再结晶过程造大冰晶，并建立了冰晶生长与种晶大小及添加量的数学模型，从此冷冻浓缩技术被应用于工业化生产利用：浓缩时首先将被浓缩物料泵入刮板式热交换器中，生成部分细微的冰结晶后再送入再结晶罐，由于奥斯特瓦尔德效应，小冰晶融化、大冰晶成长，然后通过洗净塔排除冰晶，同时用部分冰融解液冲洗、回收冰晶表面附着的浓缩液，清洗液回流至进料端，浓缩液则循环至要求浓度后从结晶罐底部排出，这一方法用于速溶咖啡、速溶茶、浓缩橙汁等的生产，浓缩咖啡时有效成分损失小于1％，浓缩果汁时维生素保护得很好。

申请号为：01800826.7的中国发明专利公开了一种水溶液的冷冻浓缩方法，它利用奥斯特瓦尔德效应将溶液冷却至过冷状态而无成核或在传热表明无冰形成，将过冷溶液瞬间成核以产生细小冰晶并使溶液浓缩。该装置的好处在于避免了在换热器中设置刮刀而产生的能源消耗。其缺点在于需要过滤冰晶，则可能将低浓度冰晶和高浓度的大小冰晶同时过滤，既容易造成流程复杂和卫生问题，又导致夹带率高，同时小冰晶的排出也不利于罐体内冰晶的生长。

而传统的冰晶生长罐中设有全罐(螺旋)搅拌器，并通过泵排除液体中的冰晶，该设计具有以下好处：1、实现全罐搅拌，利于冰晶分布均匀；2、通过螺旋搅拌，有利于协助冰晶体上浮，带动冷量在生长罐内从底部向顶部传递。但是这种装置存在以下问题：1、将结晶罐中的冰晶用泵导入冰晶生长罐以及全罐搅拌需要消耗大量的能量，并且由于旋转产生的向心力作用，使得大部分冰晶夹在罐壁与出口之间的环形区域内，当无外力将冰晶推出出口时，会使冰晶的排出速度慢甚至无法完全排出，因此冰晶分离效果差、效率低，需要外力设备引导冰晶排出；2、如采用泵抽排冰晶，则会使冰晶生长罐中的大冰晶和小冰晶均通过泵排出，无法选择性地将小冰晶留下，由于冰晶生长速度与冰晶表面积呈正比，小冰晶被排出后，不利于冰晶的生长，并且由于部分小冰晶表面携带浓缩液的含量高，容易造成溶质损失。

发明内容

为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种冰晶分离装置，它利用冰晶体自身的浮力和液面搅拌产生的向心力的共同作用，可使冰晶体自然向液面旋转中心的冰晶收集口运动并通过冰晶收集管顺利排出(即中心/向心排冰法)，从而不仅节约能耗、提高分离效率，而且还能减少溶质损失，有利于冷冻浓缩工业化生产。

本发明的技术方案是这样构成的，它包括用于盛放冰晶与液体混合物料的罐体，其特征在于：所述罐体上部设有用于使罐体内的液体表面产生旋转运动的表面搅拌器，该表面搅拌器为分叉形状；所述罐体内还设有空心的冰晶收集管，该冰晶收集管的冰晶收集口处于罐体内产生旋转运动的液面旋转中心部位，冰晶排出口通往罐体外部。

本发明工作原理说明如下：当需要排冰时，向罐体内输入适量新的物料，使液面略超过冰晶收集口，启动表面搅拌器，使罐体内的上层液体旋转，由此产生了对液体的离心力和冰晶体的向心力。由于存在冰晶体自身的上浮力和液体旋转时对冰晶体产生的向心力，两个力之和形成一个合力，使冰晶体自然向液面旋转中心的冰晶收集口运动并顺利排出(即中心/向心排冰法)。而小冰晶体受到的向心力小于大冰晶体，在向心运动的过程中落在后边而不被排出(或者最后才排出)，从而停留在罐体内一边继续缓慢上升，一边慢慢成长为大冰晶。

较之已有技术而言，本发明具有以下显著优点：(1)通过中心/向心排冰法，即利用冰晶体自身的浮力和液体表面旋转时对冰晶体产生的向心力之和，可使罐体内的冰晶体自然向液面旋转中心的冰晶收集口运动并顺利排出，大大提高了冰晶的分离效率；(2)采用表面搅拌器仅使上层液体旋转，中下部液体不旋转，可节省能量消耗；(3)根据液体的黏度，冰晶体的大小，调整表面搅拌器的转速，还可改变冰晶体受到的向心力的大小，从而调整冰晶体排出的速度。(4)由于冰晶体受到的向心力与冰晶体的尺寸有关，颗粒大的冰晶体，受到的向心力就大，向中心运动的速度就快，因此大冰晶体就优先被排出，而小冰晶体则因向心力不足而最后排出或者不被排出，滞留在液体中的小冰晶体可继续生长为大冰晶后再排出，这样有利于减少因表面夹带而造成的溶质损失；另一方面，由于冰晶增长速度与冰晶表面积有关，而留下的小冰晶体因比表面积大，因此有利于提高罐体内冰晶体的增长速度，从而提高浓缩液的生产效率。

为了方便冰晶进入冰晶收集口，本发明上述技术方案中，所述冰晶收集口的开口最好朝上，当然也可以是倾斜设置的。在产生液体旋转分离运动时，罐体内的物料液面应略高于冰晶收集口。

所述罐体可以为独立使用的分离罐体，当要将在其它容器内形成的混合物料中的冰晶从液体中分离出去时，将混合有冰晶和液体的物料输入或直接倒入罐体内，启动表面分离器，即可使冰晶从液体中分离出来。

或者所述的罐体也可以作为冰晶生长罐，使混合物料中的小冰晶直接在罐体内生长为大冰晶后，直接在罐体内实现分离工作。此时，在平静的冰晶生长期-即罐体内冰晶和液体尚未进行旋转分离运动时，冰晶生长罐内的物料液面应略低于冰晶收集口。

为了使液体的冷冻浓缩与分离工序形成一体连贯性，所述冰晶生长罐底部设有用于与刮刀式换热器的物料出口连接的物料进口，换热器的外周部设有供冷媒剂流通的夹层，内部设有用于刮离结于内壁的冰晶体的刮刀。这样，物料在流经换热器时即受到冷冻浓缩，在换热器的换热界面结冰，通过刮刀分离冰晶后，冰晶体与液体混合物料一起进入冰晶生长罐内，冰晶体在自身浮力作用下自动上升，在冰晶通过浮力由下至上的上浮过程中带动了热量和质量的交换，即在将冷量从底部带到上部的过程中，实现奥斯特瓦尔德成熟效应，高浓度夹带的小冰晶融化、低浓度夹带的小冰晶成长为大冰晶，从而降低了溶质夹带，并省去了强制性的搅拌，节省了能耗。形成的大冰晶最后再通过表面搅拌器旋转产生的向心力从冰晶收集口排出。

所述刮刀式换热器最好直接设于冰晶生长罐的底部或底部旁侧并与冰晶生长罐连为一体。将二者连接为一体的好处在于：在换热界面上形成的冰晶由刮刀分离后，由于冰晶密度较低，可依靠其浮力自动上浮至冰晶生长罐的液面，同时将冷量从底部传递到上部，自发实现能量、质量的交换，而浓缩液由于密度较高则自动沉降到底部，并回流至换热器内，这样既避免了液体之间的泵送，又简化了流程，并且节省了强制搅拌和泵送的能耗。

为了便于冰晶体顺利地从换热器进入冰晶生长罐内，所述刮刀式换热器的轴线与冰晶生长罐的轴线之间的夹角α最好在90°-180°之间。液体黏度越高，夹角α可以越大。

当然，所述刮刀式换热器与冰晶生长罐也可以分别独立设置，换热器的物料出口通过管道与冰晶生长罐的底部连接，冰晶生长罐的底部还设有另一连接至换热器的物料进口的回流管道，该回流管道上串接有用于将冰晶生长罐内的液体抽回至换热器内重结晶的可启闭的泵送装置。

附图说明

图1是本发明提供的冰晶分离装置实施例1构造示意图。

图2是本发明提供的冰晶分离装置实施例2构造示意图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是本发明提供的冰晶分离装置实施例3构造示意图。

图中标号说明：1、刮刀式换热器，11、换热器的物料进口，12、换热器的物料出口，13、夹层，14、刮刀，15、驱动装置，16、冷媒剂进出口，2、罐体，21、罐体的物料进口，22、罐体的浓缩液出口，3、表面搅拌器，4、冰晶收集管，41、冰晶收集口，42、冰晶排出口，5、回流管道，6、泵送装置。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明内容进行详细说明：

实施例1

如图1所示为本发明实施例1构造示意图，它包括用于盛放冰晶与液体混合物料的罐体2，其特征在于：所述罐体上部设有用于使罐体内的液体表面产生旋转运动的表面搅拌器3，该表面搅拌器为分叉形状，以便在使液体表面产生旋转运动时，密度较轻的冰晶体能在旋转产生的向心力作用下向中心汇集；所述罐体内还设有空心的冰晶收集管4，该冰晶收集管的冰晶收集口41处于罐体内产生旋转运动的液面旋转中心部位，冰晶排出口42通往罐体外部。

所述冰晶收集口的开口朝上。

所述冰晶排出口由罐体的侧部(也可以是底部)伸出。冰晶收集管的形状可以是圆柱体、长方体或菱形体等各种形状，材料可以由不锈钢材料或其它不易生锈的材料制成。

在产生液体旋转分离运动时，罐体内的物料液面略高于冰晶收集口。

所述罐体可以是一个独立使用的分离罐体，也可以是冰晶生长罐。当其为冰晶生长罐时，在在平静的冰晶生长期-即罐体内冰晶和液体尚未进行旋转分离运动时，冰晶生长罐内的物料液面略低于冰晶收集口。

实施例2

如图2和图3所示为本实用新型实施例2构造示意图，实施例2与实施例1的区别在于：所述冰晶生长罐底部设有用于与刮刀式换热器1的物料出口12连接的物料进口21，换热器的外周部设有供冷媒剂流通的夹层13，内部设有用于刮离结于内壁的冰晶体的刮刀14。夹层和罐体内腔之间的罐体壁构成冷媒剂与罐体内物料的换热面，由于该换热面的温度较低，可使与该换热面直接接触的物料表层迅速形成冰晶体。刮刀14由驱动装置15控制，在换热器罐体内缓慢的旋转，从而刮除在换热界面上形成的冰晶体。换热器的几何尺寸最好小于生长罐的几何尺寸，这样比较有利于刮刀系统的制作和平稳运转。此外，生长罐尺寸比较大也有利于容纳更多的小冰晶体，大量的小冰晶体为提高冰晶体生长速率提供足够大的结晶面，从而提高生产效率。

所述换热器直接设于冰晶生长罐的底部旁侧，设于旁侧有利于降低整个设备的高度(也可以直接设在底部)并与冰晶生长罐连为一体。

所述刮刀式换热器的轴线与冰晶生长罐的轴线之间的夹角α在90°-180°之间。如成90°、120°或150°等。在大规模生产中，需要长度比较大的换热器，使刮刀式换热器采用一定的仰角与冰晶生长罐连接，有利于使冰晶体顺利地从换热器进入冰晶生长罐。液体黏度越高，采用的仰角可以越大。

实施例3

如图4所示为本发明实施例3构造示意图，实施例3与实施例2的区别在于：所述刮刀式换热器与冰晶生长罐分别独立设置，所述换热器的物料出口通过管道与冰晶生长罐的底部连接，冰晶生长罐的底部还设有另一连接至换热器的物料进口的回流管道5，该回流管道上串接有用于将冰晶生长罐内的液体抽回至换热器内重结晶的可启闭的泵送装置6。

Claims (9)

1.一种冰晶分离装置，它包括用于盛放冰晶与液体混合物料的罐体(2)，其特征在于：所述罐体上部设有用于使罐体内的液体表面产生旋转运动的表面搅拌器(3)，该表面搅拌器为分叉形状；所述罐体内还设有空心的冰晶收集管(4)，该冰晶收集管的冰晶收集口(41)处于罐体内产生旋转运动的液面旋转中心部位，冰晶排出口(42)通往罐体外部。

2.根据权利要求1所述的冰晶分离装置，其特征在于：所述冰晶收集口的开口朝上。

3.根据权利要求1或2所述的冰晶分离装置，其特征在于：所述冰晶排出口由罐体的侧部或底部伸出。

4.根据权利要求3所述的冰晶分离装置，其特征在于：在产生液体旋转分离运动时，罐体内的物料液面略高于冰晶收集口。

5.根据权利要求4所述的冰晶分离装置，其特征在于：所述罐体为冰晶生长罐，在平静的冰晶生长期—即罐体内冰晶和液体尚未进行旋转分离运动时，冰晶生长罐内的物料液面略低于冰晶收集口。

6.根据权利要求5所述的冰晶分离装置，其特征在于：所述冰晶生长罐底部设有用于与刮刀式换热器(1)的物料出口(12)连接的物料进口(21)，换热器的外周部设有供冷媒剂流通的夹层(13)，内部设有用于刮离结于内壁的冰晶体的刮刀(14)。

7.根据权利要求6所述的冰晶分离装置，其特征在于：所述刮刀式换热器直接设于冰晶生长罐的底部或底部旁侧并与冰晶生长罐连为一体。

8.根据权利要求7所述的冰晶分离装置，其特征在于：所述刮刀式换热器的轴线与冰晶生长罐的轴线之间的夹角α在90°-180°之间。

9.根据权利要求6所述的冰晶分离装置，其特征在于：所述刮刀式换热器与冰晶生长罐分别独立设置，换热器的物料出口通过管道与冰晶生长罐的底部连接，冰晶生长罐的底部还设有另一连接至换热器的物料进口(11)的回流管道(5)，该回流管道上串接有用于将冰晶生长罐内的液体抽回至换热器内重结晶的可启闭的泵送装置(6)。

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