CN104010709A - 用于脱气的脱气器和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于给液体脱气的系统包括：用于将所述液体加热到良好定义的温度的加热器，用于给所述液体加压的装置，用于将已加热的所述液体引导到分离容器的第一管道，用于从所述分离容器排放所脱出的气体的真空泵，用于从所述分离容器引导经脱气的所述液体的第二管道，所述系统的特征在于，其包括用于将惰性气体供给和混合到在所述第一管道中的所述液体中的惰性气体供给源和混合器，且其中所述真空泵是可控的以维持所述分离容器中的分离压强至对应于处于或稍高于饱和气压的压强。

Description

用于脱气的脱气器和方法

技术领域

本发明涉及用于给液体脱气的设备和方法，主要涉及给液体食品或其他消费产品脱气的设备和方法。

背景技术

在液体产品包装领域中，脱气是一种行之有效的构思，并且在大多数加工厂中，脱气被列为基本的工序，例如在这样的加工厂中，其中液体产品在生产线的第一端作为散装品接收并且在生产线的另一端作为独立的包装容器输送。在散装产品中，在特定的压强和温度下，溶解的氧气的量对应于饱和浓度。由于产品的早期处理，氧气的总量很可能超过该量。对于某些产品，该量的氧气是可以接受的，但对于其他产品，特别是果汁或保质期延长的产品，必须进一步减少溶解的氧气的量，以免对产品产生不利影响。

为了将对于本领域技术人员而言显然是行之有效的并且公知的基本理论简单化，如氧气或氮气等气体在液体中的溶解度将取决于温度和压强。相比于在较高温度下可以在液体中溶解的氧气或氮气，在较低温度下可以在液体中溶解的氧气或氮气较多，即在较低温度下饱和浓度较大。对压强而言，这种关系是相反的，压强越高，饱和浓度越大。建立这种简单的关系，以便可以通过改变温度或压强中的一者或两者来使液体脱气。此外，通过简单调节含有液体的容器中特定饱和浓度所需的温度和压强来完成脱气，这可能是显而易见的。但是，在商用灌装机中，每小时应当能对成千上万升的液体产品进行脱气处理，要求高效节能，这使得理论上的等待将要达到的平衡的方法是不适用的。

用于液体脱气的现成的方法是称为汽提(stripping)的工艺。通过将诸如二氧化碳或氮气之类的惰性气体混合到将要脱气的液体中，平衡会受到影响，并且其他溶解的气体会扩散到气相惰性气体中。气泡会形成，并且混合气体将离开液体，然后可被排放掉。该工艺通常在汽提塔中进行，然而在US 6 981 997中提出了一种嵌入式解决方案(inline solution)。在所公开的实施方式中，将二氧化碳注入并混合到将要脱气的已加压并冷却的液体流中。在注入惰性气体后，通过管道将液体流引导到通向另一管道的减压阀，该另一管道出口延伸(decouch)到容器中。在该容器中，将二氧化碳连同已扩散到气相二氧化碳中的其他气体一起排放掉，并且通过第三管道将经脱气的液体从该容器的底部引导离开。

本发明的主要领域中更常用的脱气方法是利用在连接到真空的膨胀容器进行真空脱气。特定的真空度对应于液体的特定的沸点。将液体输送到具有一定温度的膨胀容器，该一定温度高于已通过真空值调整的沸点一定度数。当液体进入容器中时，随着液体沸腾或闪蒸，温度立即下降，并且空气(以及在液体中的其他气体)被排出。液体蒸气遇到容器的上部中的冷却区域冷凝，同时蒸发出来的空气通过真空泵从容器中吸走。经脱气的液体通过在容器底部的开口排出。为了提高分离率，液体可以沿切线方向进入膨胀容器，以便引起涡流。

上述方法提供液体的优良脱气。然而，导致能源效率提高和空间效率提高的改进总是值得期待的。本发明涉及这样的改进。

发明内容

本发明涉及一种用于给液体脱气的系统。该系统包括：用于将所述液体加热到良好定义的温度的装置，用于给所述液体加压的装置，用于将已加热的所述液体引导到分离容器的第一管道，用于从所述分离容器排放所脱出的气体的真空泵，用于从所述分离容器引导经脱气的所述液体的第二管道。相比于传统的基于真空的闪蒸系统，本发明的特征在于：所述系统包括用于将惰性气体混合到在所述第一管道中的所述液体中的混合器，且所述真空泵设置成维持所述分离容器中的分离压强至稍高于在特定的良好定义的温度(well-defined temperature)下的所述液体的蒸气压(然而尽可能接近该蒸气压)的压强。该蒸气压有时称作“闪蒸气压”(“flash pressure”)，在任何情况下，在上下文中其含意是指使液体在良好定义的温度下开始沸腾(boil)的压强。以其他现有技术开始会促使序言部分和特征部分重组。

本领域技术人员很清楚，闪蒸气压，即在特定的温度下将使液体开始沸腾的压强，其将随液体温度的变化而变化。在这个意义上描述，闪蒸气压是一个相对术语。但是，对于每个温度，它是绝对的和可预测的。实施例将在实施方式的详细描述中给出。

此外，“稍微”不是绝对术语，但“稍高”用来表示非常接近闪蒸气压的压强，并且它是关于使用接近闪蒸气压的压强的概念，稍高的压强与等于或者低于或者远高于闪蒸气压的压强不同，等于或者低于或者远高于闪蒸气压是现有技术的替代方案，其验证了该相对术语。用绝对术语表述，分离压强应高于闪蒸气压，但高于闪蒸气压不超过0.1巴，优选不超过0.05巴，甚至更优选地，其应尽可能接近闪蒸气压而又不引起闪蒸。从控制的观点和对本领域技术人员而言，将清楚地表明的是，如果在分离容器中的压强过低，就会导致闪沸以及温度降低。

避免闪蒸(即沸腾)导致几个优点。其一是，本来分离容器中所需要的冷凝器可以去除。这节省了空间和能源。在闪蒸过程中，从液体带走能量，从而导致温度下降。温度的下降必须能够得到补偿，并且因此就这方面而言避免闪蒸也节省了能量。另外，诱发闪蒸是将液体脱气到必要程度的非常有效的方法，特别是对于例如每分钟若干升的生产容量，该生产容量与本文的上下文有关。沸腾还导致气体大量释放，这些气体必须予以处理。在某些情况下，如果处理果汁之类的芳香产品，则气体的这种突然而密集的释放也可能导致香味的损失。

在本发明中，如果分离容器中的压强维持在接近闪蒸气压，则即使没有闪蒸，在分离容器的上游向已加压的液体中加入惰性气体也会导致脱气充分至达到亚-ppm氧气量。

根据第二方面，本发明涉及一种用于给液体脱气的方法，该方法包括以下步骤：

将所述液体引导通过管道往来于分离容器，

在所述分离容器上游加热所述液体，

在所述分离容器上游将所述液体加压，

将惰性气体混合到已加压的所述液体中，

引导已加压的所述液体到分离容器，

将所述分离容器中的压强控制在稍高于闪蒸气压的压强，

从所述分离容器排放所释放出来的气体，并

从所述分离容器抽出经脱气的所述液体以用于进一步处理。

在详细描述中，将公开进一步的细节和实施方式。

在一个或多个优选的实施方式中，分离容器中的压强，即分离压强，保持在高于闪蒸气压0.1巴内，甚至较优选地在高于闪蒸气压0.05巴内。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的脱气器系统的示意图。

图2是根据本发明第二实施方式的脱气器系统的示意图。

图3是图解根据本发明第一实施方式的方法的示意性流程图。

具体实施方式

用于处理液体的系统的一些部分将参考图1进行描述。本发明可以形成这样的系统100的一部分，但可以在不脱离本发明的由权利要求所定义的范围内替换单个的部件。

在上游位置开始，系统100包括用于容纳或输送将要处理的液体的罐102或其他系统。该系统还包括用于升高液体中的压强，使其达到升高的压强的泵104。在图中，其被示为在线泵104，但本领域技术人员认识到加压可以以各种方式来实现。通常，使用离心式泵，但产物可能因离心泵的机械作用而受到损害的情况下，可以使用与液体较温和地相互作用的泵。一个例子可以是富含果肉的果汁，在这种情况下，可使用凸轮泵。从而在液体中的压强升高至几巴，通常小于5巴，一个例子是液体中的压强为3.7巴，而氮气中的压强稍高。随后，将氮气加入到液体中，如图1中112所示。为了以有效的方式分配氮气，使用静态混合器106。对于本领域技术人员而言，静态混合器本身是公知的，其很基本的工作原理是将注入的流体流反复分割(divided)、合并、部分地或全部再结合和再分割，且静态混合器可使流体流在相对低的压强损失下有效混合。同样，有很多类型的静态混合器，并且在本实施方式中，使用通常用于将二氧化碳混合到饮料中的市售的混合器106。选择该特定的类型，因为它是具有良好的混合效率和低压强损失的静态混合器。其他的例子可以包括基于文丘里原理的混合器，或利用各种喷嘴装置的混合器。氮气的量将随着物质流过系统100而明显变化，本说明书的末尾将给出几个实施例。从这些实施例开始，找到用于特定的情况的合适的参数应该是在技术人员的技能范围内。

液体的加热可以在添加氮气之前或之后执行，并且通常通过使用热交换器108来执行。将液体预热至约50-70℃，并在所进行的验证试验中，将其分别加热至55℃、60℃和65℃。

热交换器的类型的选择对本发明本身的功能不是重要的，但在材料方面以及在食品加工应用中有规定可循。对于本领域技术人员而言，这些规定被认为是公知的，并可以应用于本发明的系统的任何部件，至少应用于与产品接触的那些部件。热电偶或其它温度传感器布置在热交换器的流输出口，从而对液体的温度进行精密的控制，然后该温度将是“良好定义的温度”(“well-defined temperature”)。

在加热和混合以后，将液体和溶解气体的流引导到分离容器114，该流经由减压阀110进入分离容器114。分离容器114内的压强通过真空泵116控制，并且对于每个温度，该压强都设置为保持刚好高于蒸气压或闪蒸气压(在特定的温度下使液体开始沸腾的压强)。温度的精密控制使得使用相对简单的真空阀来控制分离容器114内的压强成为可能。如果认为必要，对分离阀内的真空的控制也可以以更积极的方式进行，使反馈回路涉及对真空泵的控制以及对减压阀110的控制。液体不会在容器中沸腾的事实使得能够使用显著小于在容器中发生闪蒸、或沸腾的情况下所使用的分离区(separation)的分离区。另外，由于没有液体蒸发，因此就不需要冷凝器，从而进一步减小了容器的尺寸以及降低了相关联的功率消耗。

真空泵116从分离容器114顶部抽排气体，而经脱气的液体通过使用泵118从容器的底部抽出以进行进一步的处理，例如巴氏灭菌、均质化等。真空泵116本身不必要抽空至非常高的真空度，并且它不必要处理特别大量的气体。

基于验证的目的，进行了一些实验，其中两个作为实施例1和实施例2披露如下。

实施例1

对流率为4000升/小时的水进行脱气。氮气在预热器的上游注入，在预热器中，将水加热到55-65℃，增量为5℃，在减压阀前的压强为约3.7巴，而在分离容器中的压强分别为约0.22巴、0.26巴和0.32巴，对应于稍高于在特定温度下的蒸气压的压强。将经脱气的液体中的氧气含量作为氮气添加量(范围从0-457标准升/小时)的函数进行监测。脱气之前氧气的含量为约9ppm，且脱气之后氧气的含量分别为0.58ppm、0.52ppm和0.65ppm。

实施例2

在与实施例1的条件相似的条件下对苹果汁(12.7白利糖度)脱气。在60℃的温度下，在刚好高于闪蒸气压的为0.26巴的分离压强下，将该苹果汁从约9ppm脱气至1ppm以下。

在第三实施例中，在与实施例1和实施例2的条件相似的条件下，对浓缩的橙汁脱气，显示出同样有益的结果。在又一组实施例中，如上面所例举的那样，进行类似的验证，但氮气的添加位置移到预热器的下游，这示意性图解在图2中。该配置显示出与前面提到的实施例组中的结果类似的结果。在图2中使用编号等同于图1中的编号，进一步的描述被认为是多余的。

在所给出的实施例中，惰性气体(氮气)与将要脱气的液体的体积比为约1/9或更小(0-457标升/小时的氮气和4000升/小时的将要脱气的液体)。作为一般的规则，朝着区间的较大端，脱气效率得到改善，这开发了甚至更高的比率。经脱气的产品中剩余的氧气的量将是用于确定添加所需氮气的量的决定性因素。此外，温度和压强两者都会影响氮气在液体中的溶解度，并且所添加的量应当并且在大多数情况下将会超过通过基于溶解度的理论量所预测的量，但仅仅稍微超过。然后，这种方法取决于添加氮气的条件，该条件即升高的压强。当液体通过减压阀时，压强骤降，溶解度会降低，氮气从液体中排出，其中伴有氧气(及该物质(that matter)中的其它气体)排出。

在氮气在预热器下游注入的实施例中，在减压前溶解的氮的滞留时间为约10秒或10秒以下。在氮气在预热器上游注入的实施例中，滞留时间延长。但是，在除气效率方面，两者之间没有出现显著差异。

图3示出了根据本发明一个实施方式的方法的简化流程图。参照图3，步骤1对应于提供将要脱气的液体，该液体具有升高的压强；步骤2对应于将惰性气体混合到将要脱气的液体中；步骤3对应于使具有现在已溶解的气体的液体经由减压阀释放到分离容器中；步骤4对应于控制所述分离容器内的压强使得其保持稍高于液体的闪蒸气压；步骤5对应于从分离容器抽排经脱气的液体以进行进一步的处理。

根据本发明的一个或多个实施方式，加热将要脱气的液体到良好定义的温度的进一步的步骤可以包括在本发明的方法中。除非技术上不可行，否则该方法的步骤可以按不同的顺序进行。

该方法本身是在连续的将要脱气的液体流上执行的连续方法，其与利用各种类型的容纳罐在受控气氛下将液体保持在该容纳罐中持续一定时间段的方法相反。可以认为存在关联于本发明中使用的分离容器的保持时间，但在到达平衡之前启动序列的可能的例外是，进入分离容器的流通过流出分离容器的流来平衡。稳态运行期间在分离容器中的液体的停留时间为约几秒钟。在该背景下，将停留时间定义为液体在分离容器入口和其出口内的所花费的时间。

在本文所公开的实施方式中，系统的生产率(capacity)为约4000升/小时，但这个生产率仅是示例性的。在商业应用中，该生产率可在约3000升/小时至高达约50000升/小时之间变化，但对于本发明本身的应用，生产率可以高于或者低于该指定的区间。

在上面提到的液体大多涉及用于食品的液体，并且主要涉及饮料，例如水、果汁、柠檬水等。但是，本领域技术人员认识到，其他消费产品可在本发明的系统中处理。

虽然本发明已参照优选实施方式进行了描述，但应该理解，各种修改方案可能落在本发明的范围之内。

在本说明书中，除非另外明确地指明，否则单词“或”作为运算符使用，当满足所描述的条件中的任一个或两者时，就得到一个真值，与仅要求满足一个条件的运算符“异或”不同。单词“包括”按“含有”的意思使用，而不是在指“由…组成”。

Claims (12)

1.一种用于给液体脱气的方法，其包括以下步骤

-将所述液体加压到高于大气压的压强，

-将所述液体加热到良好定义的温度，

-引导已加压的所述液体到混合位置，

-将惰性气体混合到已加压的所述液体中，

-通过减压阀将已混合有惰性气体的已加压的所述液体引导到分离容器中，

-在所述良好定义的温度下将所述分离容器中的压强降低到所述液体的蒸气压以上的压强，

-从所述分离容器排放所释放出来的气体，并

-从所述分离容器抽出经这样脱气的所述液体以用于进一步处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述分离容器中的所述压强维持在所述蒸气压以上约0-0.1巴之间的区间内，优选为在所述蒸气压以上约0.05巴。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述良好定义的温度为在约50-70℃之间的区间内的温度，优选为在约55-65℃之间的区间内的温度，甚至更优选为约60℃的温度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中惰性气体与将要脱气的液体的体积比为约1/9或更小。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述惰性气体是氮气。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法是在连续的将要脱气的液体流上执行的连续方法。

7.一种用于给液体脱气的系统(100)，其包括：用于将所述液体加热到良好定义的温度的加热器(108)，用于给所述液体加压的装置(104)，用于将已加热的所述液体引导到分离容器(114)的第一管道，用于从所述分离容器(114)排放所脱出的气体的真空泵(116)，用于从所述分离容器引导经脱气的所述液体的第二管道，所述系统(100)的特征在于，其包括用于将惰性气体供给和混合到在所述第一管道中的所述液体中的惰性气体供给源和混合器(106)，且其中所述真空泵(116)是可控的以维持所述分离容器中的分离压强至对应于稍高于在所述良好定义的温度下所述液体的蒸气压的压强。

8.根据权利要求7所述的系统，其中控制单元适于将所述分离容器中的所述压强维持在达到所述蒸气压以上约0.1巴的区间内，优选在达到所述蒸气压以上约0.05巴的区间内。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其中所述系统包括监测所述加热器(108)下游的所述液体的所述良好定义的温度的热电偶。

10.根据权利要求7、8或9所述的系统，其中所述加热器被控制以将所述液体加热到特定的温度，该特定的温度是处于约50-70℃之间的区间内的温度，优选处于约55-65℃之间的区间内的温度，甚至更优选为约60℃的温度。

11.根据前述权利要求7-10中任一项所述的系统，其中所述惰性气体供应源被设置以提供体积比为约1/9或更小的惰性气体与将要脱气的液体。

12.根据前述权利要求7-11中任一项所述的系统，其中所述惰性气体是氮气。