CN101668574B - 浓缩稀溶液的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供浓缩稀溶液的方法和设备。
Description
发明领域
本发明涉及浓缩稀溶液的方法和设备，具体地，本发明涉及通过多级分馏冷冻(multistage fractional freezing)来浓缩稀溶液的方法。
发明背景
水溶液的浓缩在许多行业中是一种常见的过程。被广泛用于水溶液的浓缩的技术是蒸发。然而，有效的蒸发过程必需在较高温度的沸腾条件下进行，这可能导致溶液中某些挥发性的或热敏性的物质的损失和/或破坏。代替将水转化为水蒸汽，分馏冷冻法在低于溶液冰点的温度下使水结晶成冰，因此使水溶液浓缩。分馏冷冻的目的是获得浓缩的溶液，该溶液可以包括胶体溶液、真溶液和/或溶液的混合物、净水等。分馏冷冻由于较低的加工温度而具有蒸发所没有的许多优点。在较低的温度下，原始材料中的香味、芳香、营养物和其它有价值的组分可以毫无损失地被保留。而且，在较低的温度下，可以避免热敏性物质的破坏。因此，使用分馏冷冻可以获得极高质量的产品。分馏冷冻法可以用于浓缩食品、饮料、乳制品、生物化学、营养学、药学、化学和环境工业。
理论上，水至冰的凝华作用的潜热为约80千卡/千克，仅仅是水至水蒸汽的潜热(约540千卡/千克)的七分之一。所以，分馏冷冻的过程具有为水溶液浓缩节能的巨大潜力。冷冻浓缩包括溶液的冷冻、冰的结晶和冰晶与母液的分离的步骤。为了使冷冻浓缩技术在商业上可行，必需有效地并且经济地使水溶液冷冻，必需有效地获得大的均匀的冰晶，这种冰晶能容易地与溶液分离。然而，冰的结晶是一个复杂的相变，由于这种复杂性，控制冰结晶非常困难。因此，冷冻浓缩的主要难点在于两个互相关联的方面。首先，由于所得冰晶的尺寸较小而难以从浓缩的溶液中分离冰晶。其次，获得大冰晶的过程进行得缓慢，所以效率低。
美国专利第4,666,456号涉及一种分馏冷冻的方法，该方法包括化合物从液体混合物中连续地部分结晶，其中，所述混合物被投进多个级联冷却区段。这些冷却区段串联连接，级联冷却区段的各下一个区段的温度低于前一个区段的温度。美国专利第4885016号描述了通过多级重结晶过程超纯化可结晶物质的方法和设备，该多级重结晶过程包括通过提供计量程序控制回流比条件的措施，所述计量程序根据该方法和设备控制晶体和被转化的母液回流物质的量。在各阶段中，使可结晶物质冷冻和重结晶，并且晶体与母液分离。美国专利第5,127,921号公开了通过多级重结晶过程超纯化可结晶物质的方法和设备，该多级重结晶过程包括通过提供计量程序控制回流比条件的措施，所述计量程序根据该方法和设备控制晶体和被转化的母液回流物质的量。美国专利第4112702号公开了通过热交换器和冷冻实现的冷冻脱盐和浓缩。美国专利第4332140号讲述了通过逆流结晶器连续操作水溶液浓缩的设备。
就申请人所知，还没有一种方法能用于在单个分馏柱中浓缩稀溶液。
发明目的
本发明的主要目的是提供一种使用单个柱、利用最小能量浓缩稀溶液的方法。
本发明的另一个目的是提供一种在单个分馏柱中浓缩稀溶液的设备。
本发明的再一个目的是开发一种浓缩稀溶液的连续方法。
发明概述
本发明通过有效的碎冰、分离冰晶克服了现有技术的局限。如图1中所示，本发明涉及通过分馏冷冻和分离溶液中的水来浓缩任何水溶液的物理方法。该方法的目的是获得高质量的浓缩水溶液以利用能量，并由此经济地减少操作系统的资本成本。
在本发明中，公开一种产生微小冰晶的技术，该微小的冰晶能够通过操作一种装置而从母液中分离，以便影响单柱中的分馏冷冻过程。
本发明中所述方法的操作是安排在单柱中的连续的多级的分馏冷冻。
发明内容
因此，本发明涉及浓缩稀溶液的方法，所述方法包括：
(a)在垂直的冷冻浓缩柱中供应待浓缩的稀溶液以便该稀溶液朝该冷冻浓缩柱的下端向下移动；
(b)在靠近冷冻浓缩柱下端处产生局部冻结和微尺寸冰粒以便该冰粒向冷冻浓缩柱的上端移动；
(c)在靠近冷冻浓缩柱上端处收集冰粒；
(d)使步骤(c)中收集的冰粒融化，随后使部分液体再循环至冷冻浓缩柱中，以便所述液体向冷冻浓缩柱的下端移动；
(e)重复步骤(a)至(d)以便使分别靠近冷冻浓缩柱上端和下端处的溶解的固体浓缩物和水溶液分馏，直到溶解的固体达到所需的浓度；
(f)从冷冻浓缩柱下端获得浓缩液。
本发明还涉及浓缩稀溶液的设备，所述设备包括：
(a)垂直放置的冷冻浓缩柱，其具有上端和下端；所述冷冻浓缩柱具有供应待浓缩的稀溶液的入口；该入口位于冷冻浓缩柱上以便稀溶液朝冷冻浓缩柱的下端向下移动；
(b)与冷冻浓缩柱相连的致冷装置，用于在靠近冷冻浓缩柱下端处产生局部冻结；
(c)用于在局部冻结区产生微尺寸冰粒的装置；
(d)与冷冻浓缩柱的第一出口连接的第一接收器，用于收集浓缩的溶液；所述第一出口位于靠近反应室下端的位置；
(e)与冷冻浓缩柱的第二出口连接的第二接收器，用于收集微尺寸冰粒；所述第二出口位于靠近冷冻浓缩柱上端的位置。
附图简述
图1是本发明的用于浓缩稀溶液的设备的示例性图解说明。
图2显示本发明的分馏冷冻柱的剖视图。
图3说明无外部附件的本发明的分馏冷冻柱。
发明详述
因此，本发明提供浓缩稀溶液的方法，所述方法包括：
(a)在垂直的冷冻浓缩柱中供应待浓缩的稀溶液以便该稀溶液朝该冷冻浓缩柱的下端向下移动；
(b)在靠近冷冻浓缩柱下端处产生局部冻结和微尺寸冰粒以便该冰粒向冷冻浓缩柱的上端移动；
(c)在靠近冷冻浓缩柱上端处收集冰粒；
(d)使步骤(c)中收集的冰粒融化，随后使部分液体再循环至冷冻浓缩柱中，以便所述液体向冷冻浓缩柱的下端移动；
(e)重复步骤(a)至(d)以便使分别靠近冷冻浓缩柱上端和下端处的溶解的固体浓缩物和水溶液分馏，直到溶解的固体达到所需的浓度；
(f)从冷冻浓缩柱下端获得浓缩液。
本发明还提供浓缩稀溶液的设备，所述设备包括：
(a)垂直放置的冷冻浓缩柱，其具有上端和下端；所述冷冻浓缩柱具有供应待浓缩的稀溶液的入口；该入口位于冷冻浓缩柱上以便稀溶液朝冷冻浓缩柱的下端向下移动；
(b)与冷冻浓缩柱相连的致冷装置，用于在靠近冷冻浓缩柱下端处产生局部冻结；
(c)用于在局部冻结区产生微尺寸冰粒的装置；
(d)与冷冻浓缩柱的第一出口连接的第一接收器，用于收集浓缩的溶液；所述第一出口位于靠近反应室下端的位置；
(e)与冷冻浓缩柱的第二出口连接的第二接收器，用于收集微尺寸冰粒；所述第二出口位于靠近冷冻浓缩柱上端的位置。
在本发明的一个实施方式中，用于产生微尺寸冰粒的装置是刮刀或斯皮尔格(sperger)。
在本发明的另一个实施方式中，冷冻浓缩柱配置促进冰粒向冷冻浓缩柱上端运动的装置。
在本发明的另一个实施方式中，促进冰粒运动的装置是螺旋式输送机(screw type conveyor)或穿孔螺丝(perforated scrw)。
在本发明的另一个实施方式中，与第二接收器连接的冷冻浓缩柱入口用于向冷冻浓缩柱供应来自第二接收器的部分液体。
在本发明的另一个实施方式中，刮刀包括安装在由马达驱动的可旋转的轴上的刀片。
分馏冷冻是通过连续从水溶液中除去细冰粒形式的水部分而将水溶液浓缩成浓溶液的物理方法。
对于某些具有较高浓度的水溶液，因为溶液的高粘度，冰成核现象的速度极大地减小，因此，形成的细冰的运动制约并且减慢该过程。然而，本发明使分馏冷冻更高浓度的水溶液成为可能，因为该过程在冰粒结合形成大聚集物之前利用缓慢释放的微尺寸冰粒。
因此，在本发明的方法中，向冷冻浓缩柱供应稀溶液。该溶液朝垂直柱的下端向下移动。因此，可以在冷冻浓缩柱中高于下端的位置处供应稀溶液。换句话说，可以从上端或在介于上端和下端之间的任意中间位置供应稀溶液。因此，入口可以安置在冷冻浓缩柱上。
在本发明的方法中，靠近柱下端处产生局部冻结，它导致稀溶液的浓缩。在该冻结位置产生微尺寸冰粒。由于密度差异，这些微尺寸冰粒朝冷冻浓缩柱的上端向上移动。
在向上移动时，冰粒使溶解的固体转化为稀溶液。冰粒和稀溶液形成一种体系，该体系具有达到平衡的倾向。因为冰粒和稀溶液之间的浓度差和温度差而发生质量传递，即溶解固体的转移。因此，为了达到平衡，发生从冰粒至稀溶液的质量传递或溶解固体的转移。这导致稀溶液的进一步浓缩。冰粒的尺寸越小，表面积越高，因此质量传递更大。
在靠近冷冻浓缩柱上端处收集冰粒。从冷冻浓缩柱收集的冰粒融化，由此获得的液体的一部分可以在冷冻浓缩柱中再循环。
以上步骤可以重复以便使分别靠近冷冻浓缩柱上端和下端处的溶解的固体浓缩物和水溶液分馏，直到溶解固体达到所需的浓度。
可以从冷冻浓缩柱的下端收集通过本发明的以上方法获得的浓缩溶液。
从以上说明可看到，本发明的方法是在单柱中进行的一个连续的多级的冷冻过程。
因此，本发明提供用于根据本发明浓缩稀溶液的设备。该用于浓缩稀溶液的设备包括垂直放置的冷冻浓缩柱。该冷冻浓缩柱具有上端和下端。冷冻浓缩柱上安置入口，用于供应待浓缩的稀溶液。因为在本发明的方法中，稀溶液的供应应使得其朝柱子的下端向下移动。因此，入口可以安置在上端或介于冷冻浓缩柱上端和下端之间的任何中间位置或它们的附近。
在靠近柱子下端为冷冻浓缩柱提供致冷装置，用于产生局部冻结。致冷装置使待浓缩的稀溶液冻结。由致冷装置形成的冰被转化为小或微尺寸的冰粒。冷冻浓缩柱可以安装刮刀、斯皮尔格(sperger)或任何其它合适的装置，用于产生微尺寸颗粒。具有刀片式结构的刮刀可以是产生微尺寸冰粒的合适的装置。刮刀可以安装在借助马达旋转的轴上。容易理解，介于刮刀刀片和冷冻浓缩柱壁之间应该有一条缝隙，并且刮刀应该处于运动状态以便避免使刮刀卡住。
在冷冻浓缩柱上安装出口用于收集浓缩的溶液。接收器可以与所述出口相连以用于收集浓缩的溶液。
靠近下端处形成的小或微尺寸冰粒朝浓缩柱的上端向上移动。当冰粒在柱中向上移动时，从冰粒至稀溶液发生溶解固体的质量传递。这导致稀溶液浓度的进一步增加。
可以从安置在靠近冷冻浓缩柱上端的第二出口回收冰粒。收集浓缩溶液的出口可以视为第一出口。第二接收器可以与用于收集冰粒的第二出口相连。收集浓缩溶液的接收器可以视为第一接收器。
使第二接收器中收集的冰粒融化，部分融化的冰可以在冷冻浓缩柱中再循环。
根据本发明的一个实施方式，可以安装促进运动的装置以便冰粒向上慢慢移动，从而实现溶解固体从冰粒至稀溶液的有效质量传递。促进运动的装置可以是螺旋式输送机或穿孔螺丝或向上流动的小气泡。
从以上说明可容易地理解，在本发明的设备中，多级冷冻浓缩在单柱中完成。
以下的段落参考本发明的一个实施方式的附图描述本发明。这不应该从限制意义上进行解释。
图1是根据本发明的一个实施方式用于浓缩稀溶液的设备的示例性图解。从图1可看到，用于浓缩稀溶液的设备具有垂直放置的冷冻浓缩柱(1)。该冷冻浓缩柱(1)具有上端(2)和下端(3)。冷冻浓缩柱(1)具有用于供应待浓缩的稀溶液的入口(4)。图1显示安置在靠近冷冻浓缩柱(1)上端(2)处的入口(4)。然而，入口(4)可以安置在介于上端(2)和下端(3)之间的任何合适的中间位置，以便稀溶液向下端(3)移动。适用于容纳稀溶液的储罐(5)可以与入口(4)相连，以便向冷冻浓缩柱(1)供应稀溶液。
在靠近柱子(1)下端(3)处提供致冷装置用于冻结稀溶液。可以容易地理解，入口(4)应该位于致冷装置以上或稀溶液发生冻结的区域以上。
参考图1、2和3，可以在靠近冷冻浓缩柱(1)下端处形成夹套区(6)以使冷冻剂循环。可以使用任何合适的致冷装置。致冷装置具有蒸发器(7)、压缩机(8)、冷凝器(7)和膨胀阀(8)。在致冷装置中可以使用任何合适的冷冻剂。稀溶液与夹套区(6)的柱(1)的壁接触，冰沉积在柱(1)的内侧。
刮刀(9)安装在柱(1)内。刮刀(9)的位置可使得它能将柱(1)内形成的冰刮下。刮下柱子中形成的冰可产生微尺寸冰粒。刮刀可以是刀片形式，该刀片安装在借助马达(11)旋转的轴(10)上。在刮刀(9)和冰形成区之间留出一条小缝隙。可以连续地或间歇地操作刮刀(9)以便将柱(1)中形成的冰刮下。刮刀(9)的操作可以设计成使其不会在柱(1)内形成的冰中卡住。
柱(1)中形成的冰粒具有朝上端(2)向上移动的趋势。然而，为了达到有效的质量传递，希望冰粒慢慢向上运动。因此，如图1中所示，在柱子的内部安装螺旋式输送机(12)，它能穿过预定长度的柱子(1)。螺旋式输送机(12)由马达(14)提供动力的轴(13)驱动。
典型螺旋式输送机的设计取决于细冰粒何时逐渐向上运动并且进入更高温度梯度区，因此，在冰部分的溶质浓度较小时借助螺旋式输送机从体系中除去形成的冰十分重要。
第一出口(15)安置在靠近下端(3)和低于夹套区(6)处，以便收集浓缩的溶液。第一接收器(16)与所述第一出口(15)相连以用于收集浓缩的溶液。
第二出口(17)安置在柱子中靠近上端(2)，用于收集冰粒。输送机(12)可以设计成可收集冰粒并且将冰粒向第二出口(16)转移。第二接收器(18)与第二出口(16)相连，用于收集冰粒。可以使部分收集的冰粒融化，并且经泵(19)通过入口(4)再次提供给柱子(1)。
我们参考图和具体实施方式描述了本发明；我们不希望从限制意义上解释这种说明。参考本发明的说明，本发明的各种替代的实施方式对本领域的技术人员来说将十分明显。因此，我们期待这种替代的实施方式形成本发明的一部分。
实施例1：
将1％的葡萄糖水溶液加入如上所述的系统中，初始体积为200毫升，进料速度为30毫升/小时。柱温最初维持在25℃。表1描述了当系统运行达到120小时之时，溶质浓度增加50％。
表1
实施例2：
将5％的葡萄糖水溶液加入如上所述的系统中，初始体积为400毫升，进料速度为30毫升/小时。柱温最初维持在25℃。随着过程的进行，糖在液体中的浓度增加将近59％。因此，在本发明中浓缩液体是可能的。
表2
实施例3：
将5％的NaCl溶液以30毫升/分钟的进料速度加入浓缩柱中。初始进料的初始温度是25℃。随着过程的进行，液体中NaCl的浓度在两小时内增加将近25％。
表3
Claims (7)
1.一种浓缩稀溶液的方法，所述方法包括：
(a)在垂直的冷冻浓缩柱中供应待浓缩的稀溶液以便该稀溶液朝该冷冻浓缩柱的下端向下移动；
(b)在靠近冷冻浓缩柱下端处产生局部冻结和微尺寸冰粒以便该冰粒向冷冻浓缩柱的上端移动；
(c)在靠近冷冻浓缩柱上端处收集冰粒；
(d)使步骤(c)中收集的冰粒融化，随后使部分液体再循环至冷冻浓缩柱中，以便所述液体向冷冻浓缩柱的下端移动；
(e)重复步骤(a)至(d)以便使分别靠近冷冻浓缩柱上端和下端处的溶解的固体浓缩物和水溶液分馏，直到溶解的固体达到所需的浓度；
(f)从冷冻浓缩柱下端获得浓缩液。
2.一种浓缩稀溶液的设备，所述设备包括：
(a)垂直放置的冷冻浓缩柱，其具有上端和下端；所述冷冻浓缩柱具有供应待浓缩的稀溶液的入口；该入口位于冷冻浓缩柱上以便稀溶液朝冷冻浓缩柱的下端向下移动；
(b)与冷冻浓缩柱相连的制冷装置，用于在靠近冷冻浓缩柱下端处产生局部冻结；
(c)用于在局部冻结区产生微尺寸冰粒的装置；
(d)与冷冻浓缩柱的第一出口连接的第一接收器，用于收集浓缩的溶液；所述第一出口位于靠近反应室下端的位置；
(e)与冷冻浓缩柱的第二出口连接的第二接收器，用于收集微尺寸冰粒；所述第二出口位于靠近冷冻浓缩柱上端的位置。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，用于产生微尺寸冰粒的装置是刮刀。
4.如权利要求2和3中任一项所述的设备，其特征在于，所述冷冻浓缩柱配置了促进冰粒向冷冻浓缩柱上端运动的装置。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述促进冰粒运动的装置是螺旋式输送机或穿孔螺丝。
6.如权利要求2和3中任一项所述的设备，其特征在于，所述冷冻浓缩柱的入口与第二接收器连接，以便向冷冻浓缩柱供应来自第二接收器的部分液体。
7.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述刮刀包括安装在由马达驱动的可旋转的轴上的刀片。
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