CN103796725A - 脱气机系统以及用于脱气的方法 - Google Patents

Abstract

在一种方法中，将所述液体加压到高于大气压的压强，之后将所述液体引导到成核阀门的上游端。在所述成核阀门的下游端上存在低压并且在所述液体经过所述阀门时，引发气泡成核现象，从而形成脱气工艺中的第一步骤。根据所述方法，对所述阀门的下游侧上的温度和压强进行控制以使得静压高于饱和压强，而在所述液体经过所述阀门时的最低压强低于或等于所述饱和压强。

Description

脱气机系统以及用于脱气的方法

技术领域

本发明涉及一种用于对液体食品进行脱气的系统和方法。

背景技术

在对液体产品进行包装的领域当中，脱气是一个沿用已久的概念并且在大部分的加工工厂中，例如在液体产品在管线的第一端以散装形式被接收而在该管线的另一端以单独的包装容器的形式被输送的工厂中，脱气被纳入作为一个必不可少的步骤。空气（或氧气）可能由于多种不同的原因而存在于液体产品中，其中两个主要的原因在于空气（或氧气）被分散或溶解。以牛奶为例，在牛奶离开母牛之前牛奶当中将存在有一些氧气，并且在从挤奶过程本身开始的每个加工步骤中将会有更多的氧气混合并且溶解到牛奶中。

空气和氧气可能引起以下范围内的多种负面影响：分离器中的撇沫效率降低、在加工期间产品中出现空化、巴氏灭菌器中的加热表面结垢、产品的存放期缩短（因氧化作用所致）等，这就是脱气成为一个沿用已久的加工步骤的一些原因。

为了简化基础理论，所述基础理论显然是为本领域技术人员所公认并且熟知的，诸如氧气或氮气之类的气体在液体中的溶解度将取决于温度和压强。在较低的温度下可以溶解于液体中的氧气或氮气多于在较高的温度下可以溶解于液体中的氧气或氮气，即在较低温度下饱和浓度较高。对于压强来说，关系是相反的，压强越高，则饱和浓度越高。这种简单的关系确立了，为了对液体进行脱气，可以改变温度或压强中的一者或这两者。并且，明显的是，脱气因而不难通过简单地调节到容纳液体的容器中具体的饱和浓度所需的温度和压强来加以实现。然而，在商用生产线中，脱气在高效节能的要求下应当使得每小时处理数千升的液体产品成为可能，这会使得等待所要达到的平衡的理论方法变得不适用。尽管如此，仍在使用非常类似于理论方法的脱气技术。

在本发明的主要领域中更常使用的脱气方法是利用在与真空连接的膨胀容器中进行的真空脱气法。将液体输送到具有某一温度的膨胀容器中，所述温度是在膨胀容器中广泛存在的压强下高于沸点的某个度数。当液体经由阀门进入容器中时，则该容器中的温度和压强条件使所述液体立即开始沸腾，这一过程被称为闪急沸腾（flash boiling）（在下文中被称为闪沸（flash/flashing））。该过程使得液体呈汽化形式并且在闪沸期间使空气从溶解形式释放出来。液体蒸汽在容器中的冷却区域中冷凝，而释放出的空气由真空泵从容器中排出，同时液体通过容器底部的开口流出。为了提高分离速率，液体可以沿切线方向进入膨胀容器中，以便引起漩涡。这种脱气方法是非常高效的，但在能源成本不断增加以及节能意识有所提高的时代，仍存在改进的空间。

发明内容

出于显而易见的原因，本发明与现有技术之间在所要实现的结果方面存在相似性。然而，根本差异在于虽然背景技术着眼于影响阀门后的某个位置上的条件，最通常地为膨胀容器中的压强和温度，但是本发明着眼于影响流体从阀门上游的条件过渡到阀门下游的条件的方式以及在液体到达分离容器之前对液体进行的处理。所要调节的一些参数是阀门上游的压强和阀门下游的压强。以这种方式，可以控制通过阀门的压降。阀门中限流结构的尺寸随后将影响通过阀门的流速并且因此影响过渡时间。使流体经受瞬时的并且显著的压降将会引发成核现象。实验已揭示，（气体）气泡的成核现象存在于整个流体体积当中，即均质的成核现象，并且它因此有助于高效的脱气。对于本发明的一个或多个实施方式来说，优选的是，即使阀门下游的平衡压强和温度不会使得流体闪沸，由限流结构所引起的最小压强仍将引发流体的空化，这也将有助于脱气。

为此，本发明涉及一种用于对液体进行脱气的方法，所述方法包括以下步骤：将所述液体加压至高于大气压的压强，将加压液体引导至成核阀门的上游端，以及将所述阀门的下游侧上的压强降低至低于大气压的压强，从而在液体经过成核阀门时引起气泡成核现象，这是脱气的第一步骤。依靠作为脱气工艺中的第一步骤的气泡成核现象是不同于现有技术的，在现有技术中，闪沸是所利用的主要作用，并且本发明的方法提供了一种高效节能并且省时的脱气方法。

在一个或多个实施方式中，所述方法包括使用成核阀门形成自由流体喷射流的步骤。实验结果指示高速喷射流的形成将会增强脱气，所述高速喷射流在大部分的应用中将是湍流喷射流。自由喷射流优选地不受限制（例如朝向壁引导）。在这种情况下，应指出的是，所述喷射流容纳于某种管道或类似物中，并且所形成的喷射流的某个部分将在某种程度上与管道壁相互作用。然而，喷射流的核心将不会在任何显著的程度上与系统的构造界限相互作用。

所述方法还可以包括引发通过阀门的压降的步骤，所述压降优选地超过2巴，更优选地超过3巴，示意性地为约4巴或5巴。实验指示压降升高会使得脱气效率增加。实际上有可能在阀门上游施加更高的压强（以便升高压降），然而存在实际的限制条件，例如泵容量方面的限制条件。

根据本发明的一个或多个实施方式，所述方法包括控制阀门下游的压强以使得所述压强保持高于或等于液体的饱和压强的步骤。这将消除在更大的规模上进行闪急沸腾的风险。

在一个或多个实施方式中，所述方法包括将离开成核阀门的液体向下游引导至扩散反应器中的步骤。在自由喷射流被引导于其中的扩散反应器中，液体中溶解的气体将从液体中扩散至气泡中。

为了进一步使气体与液体分离，在本发明的一个实施方式中，本发明的方法可以包括将离开扩散反应器的液体向下游引导至分离容器中的步骤。这优选地通过使扩散反应器直接开口于分离容器中来进行，在所述分离容器中，使气相与液相分离。

据信突然的压降因而可以是一个重要的特征，然而在本发明的一个或多个实施方式中，它似乎还有利于控制阀门下游侧上的压强以使所述压强低于0.1巴。在更一般的方面，可能会规定的是，紧靠阀门后的压强应当保持在液体在具体温度下的饱和压强的160%以下，诸如150%以下。

在一个或多个实施方式中，对阀门下游侧上的压强进行控制以使得静压高于饱和压强，而在液体经过阀门时的最低压强低于饱和压强。在液体经过阀门时，它将被加速成高速流，从而引起因动压所致的局部压强降低。如果环境静压接近于（高于或等于）饱和压强，那么动压可以使得压强下降至饱和压强以下。这将引起局部闪急沸腾，据信这会进一步有助于脱气。

根据本发明的另一个方面，本发明涉及一种根据本发明的方法和其实施方式对液体进行脱气的系统。本发明用于对液体进行脱气的系统包括：用于升高液体在成核阀门上游端上的压强的泵；用于降低减压阀下游端上的压强的真空泵；以及用于控制这些泵的控制系统。

根据一个或多个实施方式，成核阀门在压降后提供了不受限制的流动，以便可以形成自由流体喷射流。一些阀门具有复杂的构造，其中所述喷射流不得不在阀门中主压强降低后沿着复杂的通道前进。实验指示这些阀门不太适用于本发明中，并且阀门优选地应当不具有复杂的设计，至少在主压降后不具有复杂的设计，从而在操作期间液体的自由喷射流可以从所述阀门中延伸出。

控制系统可以被适配成引发通过阀门的压降，所述压降优选地超过2巴，更优选地超过3巴，示意性地为约4巴或5巴。在一个或多个实施方式中，所述控制系统被适配成控制阀门下游的温度和压强，以使得液体保持在低于或等于它的沸点下。

根据本发明的一个或多个实施方式，本发明的系统还可以包括被布置在成核阀门下游的扩散反应器，并且在一些实施方式中还包括被布置在扩散反应器下游的分离容器。

在使用扩散反应器的实施方式中，优选的是，所述扩散反应器具有伸长的形状，并且它是直线型的以使得对喷射流和之后的流动的干扰减到最低程度。扩散反应器在一个或多个实施方式中可以具有超过约100cm，优选地超过150cm的长度并且更优选地具有约200cm的长度，并且所述扩散反应器的圆形横截面的宽度在这些或其它实施方式中可以是约4cm-10cm，优选地是约5cm。所述量度仅是举例说明，并且主要是与约1-10'000升/小时的流速相关。对于本发明领域内常见的更高流速，扩散反应器的大小应当优选地按比例扩大。则一般优选的是，增加扩散反应器的横截面而非长度，并且横截面尺寸将与流速成线性比例关系，因而流速加倍使得横截面加倍。

在一个或多个实施方式中，从溶解相向气相的至少50%的质量转移在扩散反应器中进行，并且在若干个实施方式中，显著不止于此。这个量度将取决于扩散反应器的尺寸，然而在很高程度上，它还将取决于操作参数（压强、温度、流速）。尽管这些参数可能是相当复杂的，但是可以使用简单的测量来验证标准得到满足。所述特征因而显著不同于在膨胀容器中进行所述转移的大部分可商购的系统。

根据本发明的另一个方面，提供了一种如上文和下文所定义的扩散反应器，所述扩散反应器可以优选地用于先前所述的本发明的方法中并且安装于所述成核阀门的下游，或可以被增添为常规系统的减压阀与分离容器之间的额外的部件。扩散反应器的用途在于使得气体分子（即溶解的气体）从液体中进一步扩散至目前现有的和不断增长的核/气泡中。还预想了一种脱气方法，所述脱气方法包括引导液体通过成核阀门下游的这种扩散反应器的步骤。

根据本发明的一个或多个实施方式，本发明可以提供一种脱气机系统，所述脱气机系统具有提高的能效。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施方式的脱气机系统的示意图。

图2是根据第一实施方式的脱气机系统的一部分的详细视图。

图3是图示了对于相对于闪急沸腾温度的不同温度随压降而变的除氧效率的图表。

具体实施方式

将参考图1描述用于处理液体的系统的一些部分。本发明可以形成这种系统的一部分，但是单独的部件可以被替换而不偏离如由权利要求书所限定的本发明的范围。

从上游位置开始，该系统包括用于容纳或输送所要处理的液体的储罐2或其它系统。该系统还包括泵4，所述泵4用于升高液体的压强，从而使该液体经受升高的静压P_上游，以便迫使它向下游流动。泵4在一个或多个实施方式中可以是离心泵，然而其它替代方案也是可行的。管道6将液体引导至第一处理步骤，即引导至成核阀门8。在描述该阀门的细节之前，关于阀门下游的布置应当说几句。在成核阀门8后引导液体的管道10开口于分离容器12中。在本实施方式中，分离容器12包括膨胀容器，所述膨胀容器在上端连接至真空泵14，并且在下端连接至用于液体的排出系统16。由脱气产生的空气和其它气体将经由上端排出，而经过脱气的液体将经由容器的下端泵出。为了避免排出汽化的液体，容器的上端可以包括冷凝器，所述冷凝器使汽化的液体冷凝，使所述液体可以经由下端离开来取而代之。真空泵14产生降低的静压P_下游，所述静压P_下游传播到成核阀门8的下游端。

返回到成核阀门8，阀门上游升高的静压将朝成核阀门8推动液体并且阀门下游降低的静压将牵拉液体，所要考虑的相关术语是通过阀门8的压降，其可以被定义为ΔP=P_上游-P_下游。

在本实施方式中，P_下游优选地对应于在存在的温度下并且对于正被处理的流体来说高于蒸汽压的压强，从而避免闪沸，这在某种程度上是因为闪沸的产生是耗能的。为此，应当提及的是，在液体经过阀门的限流结构时，它将加速至显著的速度，这可以使得动压瞬间地下降至蒸汽压以下。

快速的压降“冲击”液体，从而发生均质的成核现象，这有利于脱气。在实验中已确定的是，从脱气的观点来看，阀门8中瞬间的闪沸或空化是有利的。在均质成核后立即使液体以喷射流18的形式进入阀门下游的低压区域中，所述喷射流快速散开，以使得液体暴露出较大的表面积，从而形成气体与液体之间的界面。有利于脱气的条件因此存在于阀门下游。这示意性地图示于图2中。

阀门的布局，例如阀门的一个或多个喷嘴口的精确形状方面的布局不是关键性的，然而一些参数似乎尤为重要，并且特别值得提及的是以下两点：1)压降应当快速地出现，基本上在液体经过阀门8时立即出现。这指示阀门的构造应当是不复杂的，在喷嘴口之后或之前没有任何复杂的管道。2)在压降后，所产生的喷射流应当不受限制，即应当允许自由喷射流形成并且散开。这也指示在喷嘴口后没有复杂管道的不复杂的阀门构造是有利的。在一个实施方式中，该阀门可以是具有带有唇形密封件的锥形调节塞的类型。这是一种标准类型的阀门并且示例包括SPC-2阀门（阿法拉伐公司（AlfaLaval）），所述SPC-2阀门是一种用于不锈钢管道系统中的卫生级电动气动调节阀。简单的沙漏形限流结构也至少在恒定的操作条件期间将是适当的，然而可控制的阀门是优选的。

出于上述原因，扩散反应器20被布置在阀门8的下游作为管道10的一部分。扩散反应器20将使得液相中溶解的气体能够湍流扩散至目前现有的和不断增长的核/气泡中，并且它应当具有不会导致较大压降的构造。在图2的实施方式中，扩散反应器20包括直线型管道，所述直线型管道所具有的直径使得所述管道不会对先前提及的喷射流18的形成有影响。在喷射流18散开时，所述喷射流迟早将分流并且与扩散反应器的壁相互作用，并且即使未散开的喷射流也将迟早因重力而冲击到下壁上。所述喷射流将继续朝向分离容器，由真空所牵拉，在该分离容器中，它将被分离成液体流和气体流。在某一点上，该喷射流将填充扩散反应器20的整个直径，该精确位置取决于压强、温度、流速等。

在本实施方式中，扩散反应器20被布置在水平方向上。在第二实施方式中，扩散反应器可以被布置在垂直方向上，其中喷射流来自上方。使用这种布置，由扩散反应器产生的压强损失将由重力作用所抵偿，从而减少系统中的损失。可以垂直与水平之间的任何倾斜度安装该扩散反应器而不偏离如由权利要求书所限定的本发明的范围。

在下文中，列出本发明实施方式的一些操作参数，这可以有助于本领域技术人员能够实现本发明的实施方式。所处理的液体的量（或速率）可以约为最高约100'000升/小时，但是较小的流速也是可能的，并且在所进行的实验中，已使用约6'000升/小时的流速。这些速率在本发明的领域内是常见的，并且将不会详细论述关于泵的细节以及阀门8的下游侧上的细节。

通过阀门的压降ΔP优选地超过2巴，并且甚至更优选的是，它超过3巴，并且它可以高达4巴或5巴。在更进一步升高ΔP方面不存在技术问题，然而用于升高压强的泵将越来越昂贵。

阀门下游的温度应当优选地低于闪沸温度（在存在的压强P_下游下的沸点），诸如低于闪沸温度-10℃或-5℃或介于那些温度与闪沸温度之间。已发现较靠近闪沸温度的温度能够提高脱气效率。闪急沸腾仍将对脱气具有有利的影响，然而实验证实所述影响不如对于现有技术系统的影响那样显著。

扩散反应器的长度可以是约100cm-200cm，然而它也可能甚至更长。更长的扩散反应器将提高脱气效率，然而它也可能增加泵的损耗，这是不希望有的特征。扩散反应器的直径可以是约5cm（2"管道）并且它可以由不锈钢制成。在理论上，扩散反应器的直径会因更大而有利，这是因为它将引起更低的压强损失，然而由于与在接近于真空的压强下运行有关的参数可能会造成一种折衷情况，在所述折衷情况中所示的直径是有利的。更小的直径可能会导致脱气效率降低，这按照推测是因为保持时间更短以及喷射流（或喷雾）与扩散反应器的壁之间的相互作用增加，并且是因为压强损失增加，例如从而使得压降不太急剧。

在液体从扩散反应器20中通入分离容器12中时不存在急剧的压降，在该分离容器12中，在成核阀门8中引发的分离过程最终完成。分离容器12因此与现有技术系统相比可以具有相当基本的（rudimentary）设计，在所述现有技术系统中，在膨胀容器中进行闪沸。此外，由于在很大程度上避免了闪急沸腾，所以蒸汽量减少，从而使得不得不花费在冷凝蒸汽上的能量较少。

系统中与产品接触的所有部件均应当由食品级材料制成或被批准用于处理食品。

成核阀门上游液体的压强以及通过成核阀门的流速可以由成核阀门8和泵4，即频率调节泵来控制，并且为了达到这些目的，泵4还可以包括控制阀（未示出）。

如果对成核阀门8上游液体的温度进行控制，那么这可以借助于热交换器来实现。

通过对分离容器12进行压强调节来控制成核阀门8下游的压强。

通常在不发生闪急沸腾的情况下不对成核阀门8下游液体的温度进行控制。如果需要的话，可以使用分离容器12中的压强来控制温度。

为了证实和验证本发明，根据本发明的若干个实施方式，进行广泛的实验研究。在这些实验中，液体的流速在3'000升/小时至9'000升/小时的范围内，相对闪沸温度在-35℃至+1℃的范围内（负号指示温度低于闪急沸腾温度），并且在1巴与5巴之间的范围内。对于许多测量点中的每一个，对多个方面进行测量、评价或计算，所述多个方面诸如随成核阀门后的位置而变的氧浓度、随成核阀门后的位置而变的空隙率、随成核阀门后的位置而变的压强、总脱气效率、空化指数等。图3是示出了对于一些不同的温度（再次，这些温度相对于闪沸温度给出）随ΔP而变的除氧效率的图表。该图表指示对于根据本发明的至少一个实施方式的系统，在略低于闪急沸腾温度的温度与略高于闪急沸腾温度的温度之间，除氧效率没有显著差异。

Claims (17)

1.一种用于对液体进行脱气的方法，所述方法包括以下步骤：

-将所述液体加压至高于大气压的压强，

-引导所述加压液体通过成核阀门，以及

-将所述阀门的下游侧上的压强降低至低于大气压的压强，从而在液体经过所述成核阀门时引起气泡成核现象，作为所述脱气的第一步骤，

所述方法的特征在于，对所述阀门的下游侧上的温度和压强进行控制以使得静压高于饱和压强，而在所述液体经过所述阀门时的最低压强低于或等于所述饱和压强。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法包括引发通过所述阀门的压降（ΔP）的步骤，所述压降（ΔP）优选地超过2巴，更优选地超过3巴，示意性地为约4巴或5巴。

3.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：控制紧靠所述阀门下游的所述压强，以使所述压强保持在所述液体在所述温度下的所述饱和压强的150%以下。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：将离开所述成核阀门的所述液体向下游直接引导到扩散反应器中，在所述扩散反应器中，所述液体中溶解的气体将从所述液体中扩散至所述气泡中。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述成核阀门后形成自由流体喷射流的步骤。

6.如权利要求4所述的方法，所述方法还包括将离开所述扩散反应器的所述液体向下游引导到分离容器中的步骤。

7.如权利要求4或6所述的方法，其中从溶解相向气相的至少50%的质量转移在所述扩散反应器中进行。

8.一种用于对液体进行脱气的系统，所述系统包括：泵，所述泵用于升高成核阀门的上游端上所述液体的压强；真空泵，所述真空泵用于降低所述成核阀门的下游端上的压强；以及控制系统，所述控制系统用于控制所述泵，所述系统的特征在于，所述控制系统被布置成控制所述阀门的下游侧上的温度和压强，以使得静压高于饱和压强，而在所述液体经过所述阀门时的最低压强低于或等于所述饱和压强。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述控制系统被适配成引发通过所述阀门的压降（ΔP），所述压降（ΔP）优选地超过2巴，更优选地超过3巴，示意性地为约4巴或5巴。

10.如权利要求8或9所述的系统，其中紧靠所述阀门下游的所述压强被布置成经过控制以保持在所述液体在所述温度下的所述饱和压强的150%以下。

11.如权利要求8至10中任一项所述的系统，所述系统还包括扩散反应器，所述扩散反应器被布置在紧靠所述成核阀门下游处，在所述扩散反应器中，所述液体中溶解的气体将从所述液体中扩散至气泡中。

12.如权利要求8至11中任一项所述的系统，其中所述成核阀门以及紧靠所述成核阀门下游的所述部件允许在所述成核阀门后形成自由流体喷射流。

13.如权利要求11至12中任一项所述的系统，所述系统还包括分离容器，所述分离容器被布置在所述扩散反应器下游。

14.如权利要求11至13中任一项所述的系统，其中所述扩散反应器经过尺寸定制以使得在关于压强、温度以及流速的存在条件下从溶解相向气相的至少50%的质量转移在所述扩散反应器中进行。

15.如权利要求11、13、14中任一项所述的系统，其中所述扩散反应器是伸长的并且直线型的。

16.如权利要求11、13至15中任一项所述的系统，其中所述扩散反应器具有超过约100cm，优选地超过150cm的长度并且更优选地具有约200cm的长度。

17.如权利要求11、13至16中任一项所述的系统，其中所述扩散反应器具有约4cm至10cm，优选地约5cm的直径。

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