CN102150769B - 撞击流微波加热真空闪蒸脱水浓缩机 - Google Patents
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Abstract
撞击流微波加热真空闪蒸脱水浓缩机，包括整体为一真空闪蒸罐，顶部安装微波发生器，中间安装撞击流装置，中下部安装杆式旋转蒸发床，下部为果汁、酱储集釜和搅拌器；果蔬原浆由多组涡旋撞击流喷入，经杆式旋转蒸发床，再入储集釜，在微波加热、真空闪蒸复合作用下，自由水、结合水同时被加热，以液滴、薄膜、掛帘、沸腾等多种形式，以超大相界面蒸发，从而大大提高脱水浓缩效率。本发明彻底解决了传统果汁、酱浓缩工艺必须配备大型锅炉、蒸汽热交换塔、罐、管网，从而造成高碳排放、高污染、高能耗、低效率、低效益的突出问题，实现绿色环保、节能减排、高质高效，可广泛用于食品行业果蔬汁、酱的浓缩工艺，也可用于医药、化工行业脱水工艺。
Description
(一)、技术领域：
本发明涉及食品工业果汁、酱加工机械领域，用于蕃茄、苹果、草莓、芒果、山楂、桃、李、枣、杏、梅等所有果蔬类原浆浓缩，制成浓缩果汁、酱或果味酱；亦可用于轻工、化工、制药等行业浆液脱水浓缩工艺。
(二)、背景技术：
1、目前类似产品种类
目前，在国内通用的果汁、酱加工浓缩设备，主要机型有：三效四段混流式低温真空浓缩装置、三效真空浓缩蒸发器、四效五段降膜式蒸发装置、多效多程蒸发浓缩装置、超低温浓缩机等，总数不下十余种。这些浆液加工浓缩装置，工艺流程相近，工装设备相似，原机型皆源于进口。
2、设备状况及工艺流程
以三效四段果酱浓缩装置为例，其主要设备构成和工艺流程见图2。
它是一组系列成套设备，主要包括：三组蒸汽与果浆热交换塔25、26、27，三组蒸发脱水真空灌29、30、31，一套蒸汽冷却塔32，一个高压锅炉房，一个大型储水池和泵房，若干果浆泵、真空泵以及配套管道、机械、电气设施等。
三效四段果酱浓缩装置的工艺流程是：将在前道工序制取的果浆泵入一效热交换塔25，再与锅炉房提供的高温高压蒸汽28隔着管壁对流加热，加热后的料液和料液中产生的蒸汽一起进入真空分离室29，物料在负压下沸腾，其中的水蒸汽由真空泵抽出；一效所产生的水蒸汽分别进入二效加热器26，作为此效热源，经二效加热后的物料经真空分离室30分离；二效所产生的水蒸汽作为三效加热器热源，经三效加热器27加热后，物料经三效真空分离室31分离；三效所产生的水蒸汽再进入真空冷凝器32与冷却水交换后变为凝结水，此水经简单处理后作为前道工序用水循环利用；经三效四段处理后的物料，可溶性固形物达36～38％，然后进行无菌罐装。
3、技术原理
目前国内各生产厂家普遍采用的三效四段果酱浓缩装置以及类似的成套 设备，其原理基本是一致的，都是采用壳体套管列管式蒸汽热交换脱水，重复若干次至果酱达到浓度要求。
4、存在问题
用现代科技眼光审视，已经延用一个多世纪的三效四段果浆浓缩装置及工艺“少、慢、差、费”毛病凸显，与现代社会低碳经济要求格格不入。
(1)、蒸发效率低。
此类装置主要靠蒸发罐内物料液面蒸发脱水，这是二维的平面蒸发。以直径3米的蒸发罐为例，三效总蒸发面积只有21.2m2。由于总蒸发面积小而且受蒸发罐截面严格限制，造成蒸发效率低；尽管提高真空度可在一定程度上提高蒸发效率，但由于蒸发罐不断进料，属于半开放系统，真空度难以提高，从而也限制了蒸发效率的提高。
(2)、工艺路线长而复杂。
此类设备浓缩工艺须经物料泵入，蒸汽输入，一、二、三效加热，三次蒸发，四次回收蒸汽，蒸汽入冷却塔热交换以及产品储集等长而复杂的工艺环节；还有锅炉、制蒸汽等一些复杂辅助工艺。
(3)、设备大而多。
在上述工艺路线中，每一道工序都对应着一套或多套设备，甚至是成套设备系统。如锅炉烟气脱硫、烟气除尘、蒸汽冷却、煤场储运、集中供水及水质处理等，都是若干大而复杂的系统；而蒸发罐、物料热交换塔等，都是大型罐、塔设备；再加上与之配套的物料泵、水泵、真空泵、复杂的管网及供配电、电器控制系统等，设备多而庞大。
(4)、能耗高
以三效四段果酱浓缩装置为例，按设计指标单日处理原果500吨，耗电功率490KW，蒸汽用量6.8T/h，生产36～38％果酱约80吨，计算下来，每吨果酱耗标准煤约300Kg。参考国家标准GB21256-2007、GB16780-2007，一吨果酱综合能耗指标与吨电炉钢能耗大体相当，比吨水泥综合能耗高2.75倍。
(5)、环境污染严重
按生产规模日产果酱80吨计，日需耗标准煤24t，由此推算出如下污染数据：，其每年(仅按180个生产日计算)污染环境排放量为：碳排放总量2937.6t/n； CO2排放质量为10769.8t/n，体积达544.8万米3/n；碳及其他粉尘排放293.8t/n；SO2排放324t/n；NOX(氮氧化物)排放162.0t/n。
(6)、投资大，投资回收期长
以年产1万吨果酱中等生产规模企业为例，建设这样一座工厂总投资在5000万元左右；其中，果蔬原浆浓缩是设备最多、最复杂、最关键的工序，包括锅炉、配煤、供汽系统在内，其投资占到总投资的50％以上，按目前蕃茄酱市价水平，投资回收期一般为4～5年，甚至更长。
(三)、发明内容：
本发明的目的就是为了克服现行工艺能耗高、污染大、效率低等老大难问题，以一种新的传质效率高、无需蒸汽、无碳排放、无污染、低能耗的智能机取而代之。
本发明的具体方案是：撞击流微波加热真空闪蒸脱水浓缩机，包括整体为一真空负压闪蒸罐，顶部安装多台大功率微波发生器和湿式旋风分离器，中间安装两组撞击流发射装置，中下部安装杆式旋转蒸发床，下部为果酱储集釜和搅拌器。其结构和工艺流程见图1。
撞击流被理论和实践证明是瞬间扩大蒸发相界面的极有效方法。本发明采用流速为10～15m/s，喷嘴为涡旋射流型喷嘴，喷出的料液呈旋转流动状态，上喷嘴为顺时针方向旋转，下喷嘴为反时针方向旋转，上、下两喷嘴喷出的料液相互撞击，在罐内空间形成两个悬浮的、液滴不断旋转扩散的强烈撞击蒸发区。
杆式旋转蒸发床主轴延伸至闪蒸罐外由电机驱动，主轴上固定有20排圆杆，圆杆由改性PTFE材料制成，可被微波穿透且不吸收微波能量。下落料液降到圆杆上，就会形成若干半圆形薄膜蒸发面和蒸发挂帘，进一步扩大蒸发相界面积和悬空滞留蒸发时间。
储集釜用不锈钢制成，在微波辐照下成为多模反射器，可使料液快速加热、沸腾、蒸发，储集釜中还有用PTFE材料制成的搅拌器搅动，以加快蒸发脱水速度。
微波发生器由4～6台均匀布置的磁控管及配套部件组成，并与罐内温度探测器相连，由MCU(單片机)控制，输出功率可调。
在真空闪蒸罐上部装有湿式旋风分离器，从湿气中分离出飞沫回收，其 外端口连接真空泵抽气管道。
闪蒸罐由罐外设置的真空泵抽真空，罐内压力控制在250～350mbar之间，料液加热温度控制在60～80℃。
本发明开发和采用三项新技术，其原理是：
1、涡旋撞击流技术。
根据熟知的化工单元过程传递速度理论，单位时间传递的热量或质量可用下列关系式表示：
单位时间传递量(Q)：
综合国内外各方面实验研究结果，采用撞击流是同时扩大相界面积、增大相间传递动力、同时又降低比阻力的强力有效措施；尤其是采用自行设计的涡旋射流(流线34、35)和撞击喷嘴33、36，撞击瞬间(P1pkP2)，在垂直方向F1、F2分力使液滴分子团产生大量滑移、破碎、雾化；在水平方向G1、G2分力形成向量叠加，G1+G2使液滴沿撞击区37切线方向38向外飞旋扩散，从而获得液滴悬空、分散、旋转、立体、大相界面积蒸发效果，如图3、图4所示。
2、立体杆式旋转蒸发床技术。
这一创新设计的结构及原理见图6和图7。
在一根大直径立轴上，水平安装若干排PTFE(聚四氟乙烯)圆杆40、41、42，每排圆杆之间按规律错开排放，确保料液下落39全部滞留在圆杆上，形成若干半圆形薄膜蒸发面43和蒸发挂帘44；由于PTFE不吸收微波且能被微波穿透，所以杆式旋转蒸发床可以进一步扩大蒸发相界面积，同时提高悬空滞留蒸发时间。
3、微波加热真空快速闪蒸技术。
利用微波加热果蔬浆汁主要优点是：A、微波照射使食品中水极性分子以每秒109速率改变排序，微波能直接转化为水的热焓，与蒸汽、热风、工质等传热方式相比，能量损失小，节能；B、微波使物料内、外，自由水、结合水、孔隙水瞬间一起被加热，里外受热一致，升温速度快，蒸发快；C、微波有选择性加热特点，果蔬中可溶性固形物吸收微波能较水分少而且慢，因此能更好保持营养成分；D、微波加热无任何废弃物排放，安全环保。
真空脱水原理如图5所示。在1013.25mbar下，水的沸点是100℃；随着真空度提高，水沸点下降；至40mbar时，水沸点降至29℃。
本专利将微波加热与真空闪蒸复合运用于果汁、酱浓缩工艺中，旨在取得强化蒸发、低温脱水效果，更好地保持果汁、酱营养品质。
本发明具有以下特点：
1、无碳排放。
与传统三效四段果酱浓缩设备排放大量SO2、CO2、CO、NOX、粉尘、煤渣相比，本发明无任何污染物产生，真正实现“0”碳排放。
2、节能效果好。
使用传统三效四段果酱浓缩设备和工艺，每生产1吨果酱需消耗标准煤300kg；初步测算，本专利产品每生产1吨果酱仅需消耗标准煤146kg；节能50％以上。
3、蒸发效率高。
由于采用了涡旋撞击流、杆式旋转蒸发床、微波能量直接转换加热以及真空负压沸腾脱水等综合措施，在蒸发罐截面相同情况下，可提高蒸发效率5倍以上。
4、果酱营养品质好。
由于采用了微波加热和真空闪蒸等复合技术，果酱加热温度可控制在80℃以下，在兼顾杀菌、消毒作用的同时，又使多种维生素、果糖、果胶、有机酸等营养成分保持较好，且有良好色泽和口感。
5、投资省、见效快。
与传统设备工艺相比，采用本发明不需建大型锅炉、热交换塔、罐及蒸汽、水管网，工艺流程大大缩短，设备数量也大大减少，至少节省总投资50％以上；缩短建设周期3/4；同时节约大量人力、物力和土地等宝贵资源。
主要技术参数
1、输入电源电压U：380±10％V(三相五线)
2、微波输出频率F：2450±50MHz
3、微波输出功率P：75kW(單管)×4＝300kW(功率可调)
4、输入视在功率S：≤350kW
5、温度控制精度C：±3℃
6、内部有效容积L：42M3(∮3、h6)
7、微波泄漏mW/cm2：≤1mW(执行国家安全标准)
8、脱水效率400kg/h
9、單机日产量12t/D
10、單机设计年产量3500t/年
(四)、附图说明：
图1是本发明的结构和工艺流程示意图；
图2是三效四段混流式果酱浓缩工艺主设备及流程示意图；
图3是涡旋撞击流形成悬空、旋转、扩散高强蒸发区示意图；
图4是涡旋撞击液滴撞击瞬间受力分解示意图；
图5是水沸点与真空度关系曲线图；
图6是杆式旋转蒸发床杆在轴上排布示意图；
图7是杆式旋转蒸发床形成半圆蒸发立面和蒸发挂帘示意图
图中：1、内置湿式旋风分离器主轴；2、内置湿式旋风分离器；3、微波发生器及波导；4、钢化玻璃罩；5、7、8、10、涡旋射流喷管喷头；6、9、涡旋撞击流悬空、旋转、扩散蒸发区；11、温度传感器；12、真空度压强传感器；13、杆式旋转蒸发床；14、水份含量检测仪；15、杆式旋转蒸发床主轴；16、真空泵抽气管；17、真空闪蒸罐罐体；18、19、20、21、涡旋撞击流进料管；22、产成品储集釜；23、酱汁混匀搅拌叶片；24、成品酱输出口；25、26、27、壳体套管列管式蒸汽热交换塔；28、蒸汽输入管道；29、30、31、真空蒸发罐；32、蒸汽冷却塔；33、36、涡旋射流型撞击流喷嘴；34、35、旋流态流线；37、强烈撞击蒸发区；38、撞击后液滴飞旋路径；39、料液下落方向；40、41、42、杆式旋转蒸发床的圆杆；43、圆杆上形成的半圆蒸发薄膜；44、上、下排圆杆之间形成的蒸发挂帘。
(五)、具体实施方式
参见附图1。本发明涡旋撞击流微波加热真空闪蒸脱水浓缩机，主体21为圆柱形罐体，顶部安装有4台75KW微波发生器及波导管3、一台湿式旋风分离机2及真空泵抽气管14；在罐体上部还安装有一个屏蔽罩4，对微波发射器和 波导管进行保护；在罐体中部和中上部，安装有4根进料管及涡旋射流喷嘴(6、7、8)，在高压泥浆泵作用下，4个喷嘴以10～15m/s高速两两互射，形成两个悬空的、液滴不断旋转、扩散、蒸发的强烈撞击反应区；在罐体中下部，安装有多层材质为PTFE的杆式旋转蒸发床13，料液在旋转杆上形成半园形蒸发立面，在上下杆之间则形成无数蒸发挂帘；料液下落到罐体下部储集釜中游13，在真空负压作用下，料液呈沸腾状态，继续高强度蒸发；罐内水汽经湿式旋风分离器分离飞沫后，由真空泵排出；水份检测仪12、温度传感器10、微波发生器3、真空度(压力传感器)、进出料平衡(流量计)17、18、19、22等数据，由一台或多台并联MCU(單片机)随机处理，实现全工艺流程在线自动化、智能化、可视化控制，从而实现本发明目的。
本机主体21由钢号为304、厚度为3mm不锈钢板焊接而成，经严格耐压试验后投入使用；其上、下支撑架由304不锈钢型钢焊接制造，经严格承重试验后投入使用。
本机部件4屏蔽罩，由钢化玻璃加工制造，它可以被微波无障碍穿透且不消耗微波能量，能对磁控管和波导管起到很好屏蔽作用。
本机部件6、7、8进料管及涡旋射流喷嘴，杆式旋转蒸发床9，储集釜搅拌叶片21等，均用PTFE改性强化塑料王加工制造，它有极好的耐温性(-200～+260℃)、抗腐蚀性、抗老化性、憎水不粘性和机加工性能；同时，它也可以被微波穿透且基本不吸收微波能量，这样微波可在整个闪蒸罐内部无障碍穿透，从而保证多模辐射下罐内空间微波剂量的均匀性。
本专利产品还可推广应用到轻工、化工、制药等多个行业浆液脱水浓缩单元过程，例如：某些纳米材料的制取，溶液浓缩，化工原料连续脱水，水浸中药成分浓缩等等，在这些方面市场开发潜力巨大。
Claims (7)
1.撞击流微波加热真空闪蒸脱水浓缩机，其特征在于：整体为一真空负压闪蒸罐，顶部安装多台大功率微波发生器和湿式旋风分离器，中间安装两组撞击流发射装置，中下部安装杆式旋转蒸发床，下部为果酱储集釜和搅拌器，所述的杆式旋转蒸发床的主轴延伸至闪蒸罐外由电机驱动，主轴上固定有20排圆杆，圆杆由改性PTFE材料制成，可被微波穿透且不吸收微波能量，下落料液降到圆杆上，就会形成若干半圆形薄膜蒸发面和蒸发挂帘，进一步扩大蒸发相界面积和悬空滞留蒸发时间。
2.根据权利要求1所述撞击流微波加热真空闪蒸脱水浓缩机，其特征是：撞击流流速为10～15m/s，喷嘴为涡旋射流型喷嘴，喷出的料液呈旋转流动状态，上喷嘴为顺时针方向旋转，下喷嘴为反时针方向旋转，上、下两喷嘴喷出的料液相互撞击，这样的撞击流发射装置共有两组。
3.根据权利要求1所述撞击流微波加热真空闪蒸脱水浓缩机，其特征是：杆式旋转蒸发床主轴上固定有20排圆杆，圆杆由改性PTFE材料制成，可被微波穿透且不吸收微波能量，能保证整体无缝隙承接滞留下落料液，其主轴延伸至闪蒸罐外由电机驱动。
4.根据权利要求1所述撞击流微波加热真空闪蒸脱水浓缩机，其特征是：储集釜用不锈钢制成，在微波辐照下成为多模反射器，可使料液快速加热、沸腾、蒸发，储集釜中还有用PTFE材料制成的搅拌器，以加快蒸发脱水速度。
5.根据权利要求1所述撞击流微波加热真空闪蒸脱水浓缩机，其特征是：闪蒸罐由罐外设置的真空泵抽真空，罐内压力控制在200～300mbar之间，料液加热温度控制在60～70℃。
6.根据权利要求1所述撞击流微波加热真空闪蒸脱水浓缩机，其特征是：微波发生器由4～6台均匀布置的磁控管组成，并与罐内温度探测器相连，由MCU单片机控制，输出功率可调。
7.根据权利要求1所述撞击流微波加热真空闪蒸脱水浓缩机，其特征是：在真空闪蒸罐上部装有湿式旋风分离器，从湿气中分离出飞沫回收，其外端口连接真空泵抽气管道。
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