CN104437089A - 一种果汁浓缩膜蒸馏装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种果汁浓缩膜蒸馏装置，包括可拆卸膜组件、热循环系统和冷循环系统；以可拆卸膜蒸馏组件为核心，根据膜蒸馏浓缩分离原理，实时检测料液与冷凝水的温度，可改变料液与冷凝水的温度，最终使得料液与冷凝水稳定在预设温度上，达到恒定预设温差，以达到最佳浓缩效果；并在料液管道上安装流量传感器，根据实时测量数据，使其流速控制在最佳工况下。本发明采用膜蒸馏装置浓缩果汁，通过对膜两侧温度的精准控制，实现稳定的温差效果，将半导体制冷技术应用于冷凝系统，以达节能减排效果。

Description

一种果汁浓缩膜蒸馏装置

技术领域

本发明涉及果汁浓缩领域，涉及膜蒸馏对物料进行分离、耦合恒温、恒流控制技术及半导体制冷技术，具体涉及一种果汁膜蒸馏装置。

背景技术

浓缩果汁是将水果榨成原汁后再采用浓缩的方法，从原果汁中除去一定比例的水分，浓缩到原果汁体积50%以下，未发酵但复水后具有发酵能力的产品。果汁浓缩后可大大降低包装、运输和贮藏成本，延长货架期，方便销售和消费。目前采用的主要浓缩方法有多级闪蒸加热、真空冷冻干燥等多种方法。上述常用的果汁浓缩方法会对果汁的品质造成影响，如损失糖、酸、维生素、香气、色泽及多酚类营养物质。因此，果汁浓缩过程如何尽可能减少果汁中有效成分的损失，以保证浓缩果汁品质亟待解决。

膜蒸馏是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种物料浓缩分离技术, 膜蒸馏以微孔高分子膜为屏障，在冷热温差作用下，使热侧物料中的水向冷凝侧移动，挥发性热工质借助温差产生的推动力在膜表面发生汽化，通过膜孔到达温度较低介质的表面冷凝，使得物料中的水分源源不断的向冷凝侧移动，以达到果汁浓缩的目的。因为操作条件温和，加热温度较低，与传统方法相比减少了果汁营养成分的损失，可有效解决传统果汁浓缩存在的问题。但是膜两侧温度的控制、制冷设技术、两侧流量等方面在实际应用过程中存在许多技术问题，有待改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种果汁浓缩膜蒸馏装置通过对膜两侧温度的精准控制，实现稳定的温差效果，使果汁在浓缩过程中营养成分损伤减少，浓缩效率提高，同时改进冷凝技术，使冷凝技术装置简单、清洁节能、低污染低噪声。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种果汁浓缩膜蒸馏装置，包括可拆卸膜组件、热循环系统和冷循环系统，所述可拆卸膜组件设有料液进口、料液出口、冷凝水进口和冷凝水出口，所述热循环系统通过管道与可拆卸膜组件的料液进口和料液出口连接形成回路，所述冷循环系统通过管道与可拆卸膜组件的冷凝水进口和冷凝水出口连接形成回路。

进一步的，所述热循环系统包括料液罐、料液温度控制装置、料液流量控制装置；所述冷循环系统包括冷凝水箱、冷凝液温度控制装置、冷凝液流量控制装置，其中，所述料液温度控制装置用于对料液罐中的料液温度进行控制，所述料液流量控制装置用于对进出料液罐的料液流量进行控制；所述冷凝液温度控制装置用于对冷凝水温度的控制，所述冷凝液流量控制装置用于对进出冷凝水箱的冷凝水流量的控制；所述料液温度控制装置中包括加热装置对料液进行加热，所述冷凝液温度控制装置中包括半导体制冷装置对冷凝水制冷冷却。

作为对冷循环系统制冷方面的改进，所述冷凝液温度控制装置包括冷凝液温度传感器；所述冷凝液流量控制装置包括球阀、冷凝液流量检测器和冷凝液循环泵；所述冷凝水箱设有冷凝液出口和冷凝液回流进口，所述冷凝水箱的冷凝液出口通过管道连接所述冷凝液循环泵的进口，所述冷凝液循环泵的出口通过管道连接所述球阀的进口，所述球阀的出口通过管道连接所述冷凝液流量检测器的进口，所述冷凝液流量检测器的出口通过管道连接所述可拆卸膜组件的冷凝水进口，所述可拆卸膜组件的冷凝水出口通过管道连接所述冷凝水箱的冷凝液回流进口；所述冷凝水箱外壁安装有所述半导体制冷装置，所述半导体制冷装置中安装有直流电源控制器，所述冷凝水箱内安装有所述冷凝水温度传感器，所述冷凝水温度传感器与半导体制冷装置中的直流电源控制器连接控制制冷功率。

进一步的，所述冷循环系统的半导体制冷装置还包括半导体制冷模块和散热系统；所述半导体制冷模块与所述直流电源控制器连接；所述半导体制冷模块的冷端与所述膜蒸馏冷凝水箱外壁贴合制冷，所述半导体制冷模块的热端与所述散热系统连接散热。

进一步的，所述散热系统包括水冷循环水箱、水泵、水冷导热块和散热水排；所述水冷循环水箱的出水口连接所述水泵的进水口，所述水泵的出水口连接所述水冷导热块的进水口，所述水冷导热块的出水口连接所述散热水排的进水口，所述散热水排的出水口接入所述水冷循环水箱进水口；所述水冷导热块表面贴于所述半导体制冷模块的热端；所述散热水排上安装有直流风扇。

进一步的，所述冷凝液循环泵的出口与所述球阀的进口之间的管道设有冷凝液取样阀；所述冷凝液流量传感器的出口和所述可拆卸膜组件的冷凝水进口之间的管道设有冷凝液进口温度传感器；所述可拆卸膜组件的冷凝水出口与所述冷凝水箱的冷凝液回流进口之间的管道设有冷凝液出口温度传感器；所述冷凝水箱上端开口，连接产水计量筒。

作为对热循环系统的改进，所述料液温度控制装置包括料液温度传感器；所述料液流量控制装置包括料液流量传感器、物料泵和控制箱；所述料液罐设有料液出口和料液回流进口，所述料液罐的料液出口通过管道连接所述物料泵的进口，所述物料泵的出口通过管道连接所述料液流量传感器的进口，所述料液流量传感器的出口通过管道连接所述可拆卸膜组件的料液进口，所述可拆卸膜组件的料液出口通过管道连接所述料液罐的料液回流进口；所述料液罐下安装所述加热装置，所述加热装置中安装有智能控制器，所述料液罐内安装有所述料液温度传感器，所述料液温度传感器与加热装置的智能控制器连接控制加热功率；所述料液流量传感器与所述控制箱连接，所述控制箱内安装变频器，变频器接收控制箱发出的信号，改变所述物料泵流量。

进一步的，所述料液流量传感器的出口与所述可拆卸膜组件的料液进口之间的管道设有料液取样阀和料液进口温度传感器；所述可拆卸膜组件的料液出口与所述料液罐的料液回流进口之间的管道设有料液出口温度传感器；所述料液罐内安装有料液罐低液位开关防止料液过低损坏设备。

作为对操作系统温度的改进，所述热循环系统的操作温度为50~60℃，所述冷循环系统的操作温度为10~20℃。

作为对膜组件的改进，所述可拆卸膜组件中的膜为PVDF中空纤维疏水性膜。

本发明的有益效果为：

1）整机运行条件温和，热侧加热温度只需50-60℃，冷侧加热温度只需10-20℃即可，减少果汁营养物质的损失。

 2）实现了膜两侧温度、流量的精准控制，实现稳定的温差效果。恒流装置安装在热侧循环泵出口管道上，实时检测泵出口流量将数值传输给控制箱，改变物料泵流量；恒温系统中两个温度电极分别安装在冷热储罐内，根据实时检测到的数值调节可控硅或开关电源的输出大小，来改变加热装置或制冷装置的功率，调节温度。

 3）采用半导体冷凝技术，实现了节能减排、无污染、低噪声。

 4）在料液罐内还设置低液位安全保护装置，当储罐内溶液过低时，自动发出声光报警并停止冷热循环泵与加热制冷装置的电路，防止损坏。

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为果汁浓缩膜蒸馏装置示意图；

图2为果汁浓缩膜蒸馏系统流程方框图；

图3为半导体制冷装置示意图。

图中的标号分别为：1、控制箱 ；2、加热装置； 3、物料泵； 4、冷凝水箱； 5、半导体制冷装置，5-1、水冷循环水箱，5-2、水泵，5-3、水冷导热块，5-4、半导体制冷模块，5-5、散热水排,5-6、直流开关电源，5-7、PID控制器； 6、冷凝液循环泵 ；7、料液罐 ；8、料液流量传感器 ；9、产水计量筒； 10、料液温度传感器，10-1、冷凝液温度传感器，10-2 料液进口温度传感器,10-3、料液出口温度传感器，10-4、冷凝液进口温度传感器，10-5、冷凝液出口温度传感器；11、料液取样阀，11-1、冷凝液取样阀； 12、球阀； 13、冷凝水流量检测器； 14、可拆卸膜组件； 15、不锈钢支架； 16、料液罐低液位开关。

具体实施方式

本发明核心部件为具有疏水性的膜组件，本实施例可拆卸膜组件中的膜为PVDF中空纤维疏水性膜，膜一侧走热物料，一侧走冷凝液，通过冷热产生的温差来实现物料中水分向冷凝水中的移动，物料储存于料液罐中7，料液罐7的料液出料口与物料泵3的进口之间采用4分PVC管连接，接口处为4分内外螺纹相连；物料泵3的出口与料液温度传感器8（本实施例选用电磁流量计）之间用4分PVC管连接，料液温度传感器8与PVC管之间采用法兰片固定防漏；料液温度传感器8出口与可拆卸膜组件14的料液进口之间用4分PVC管连接，并在中间设置料液取样阀11、料液进口温度传感器10-2，可拆卸膜组件14与PVC管采用活接连接；可拆卸膜组件14接回料液罐7中，与料液罐7的料液回流进口通过PVC管连接，中间设置料液出口温度传感器10-3；达到料液的热循环系统。

料液罐7安装于加热装置2上（本实施例选用电子调温加热套），通过料液温度传感器10（本实施例为PT100温度电极）检测的温度，来调节电子调温加热套加热功率，恒定控制料液温度，料液罐7内安装料液罐低液位开关16防止料液过低导致的物料泵3空运转。

料液温度传感器8通过导线与控制箱1连接，控制箱1内安装变频器，变频器接收控制箱1发出的信号，改变物料泵3流量。

冷凝水储存于冷凝水箱4内，冷凝水箱4的冷凝液出口与冷凝液循环泵6进口之间采用4分PVC管连接，接口处为4分内外螺纹相连；冷凝液循环泵6的出口连接球阀12，并在中间的PVC管上设置冷凝液取样阀11-1；球阀12的出口连接冷凝液流量检测器13（本实施例中为转子流量计），通过球阀12的阀门开度来调节冷凝液循环泵6出口流量；转子流量计出口与可拆卸膜组件14之间采用4分PVC管连接，并在中间设置冷凝液进口温度传感器10-4（本实施例中为PT100温度电极），可拆卸膜组件14与PVC管之间采用PVC活接相连；可拆卸膜组件14出口在连接冷凝液出口温度传感器10-5后，回到冷凝水箱4内，与冷凝水箱4的冷凝液回流进口连接，完成冷凝水的冷循环系统。

冷凝水箱4外壁安装半导体制冷装置5，通过安装于水箱内的冷凝液温度传感器10-1来调节半导体制冷装置5的输出功率，恒定冷凝水的温度，冷凝水箱上4端开一4分口，连接产水计量筒9，来计算膜蒸馏系统产水效率。

半导体制冷装置5包括半导体制冷模块5-4、散热系统（由水冷循环水箱5-1、水泵5-2、水冷导热块5-3和散热水排5-5组成）、直流电源控制器（由直流开关电源5-6和PID控制器5-7组成）；半导体制冷模块5-4与直流电源控制器连接；半导体制冷模块5-4的冷端与冷凝水箱4外壁贴合制冷，半导体制冷模块5-4的热端与散热系统连接散热。

水冷循环水箱5-1的出水口连接水泵5-2的进水口，水泵5-2的出水口连接水冷导热块5-3的进水口，水冷导热块5-3的出水口连接散热水排5-5的进水口，散热水排5-5的出水口连接水冷循环水箱5-1；水冷导热块5-3为中空结构，水冷导热块5-3表面贴于所述半导体制冷模块5-4的热端，其接触面上均匀涂布硅脂，散热水排5-5上安装有直流风扇。

整个设备置于不锈钢支架15制成的双层结构中，控制箱1置于双层结构的上层，其他设备组件置于双层结构的下层。

设备运行方式：

1）自动模式

打开整机电源开关，将物料泵控制模式置于变频控制下，开关置于自动控制模式，物料泵开始恒流工作，将料液罐内料液吸出，打入膜组件中，并回流至料液罐内，此时流量会保持恒定，不受料液液面的高低以及管道阻力等影响，冷凝循环泵也同时将冷凝箱内的水吸出，打入膜组件中，此时系统的加热、制冷装置开始根据各自的温度传感器来调节自身的输出功率，来实现冷、热侧的恒温控制，最终在膜组件内物料与冷凝水实时进行热交换，将物料内的水分源源不断的向冷凝水中移动，达到浓缩目的，整机系统操作温度低，热侧只需50-60℃，冷侧10-20℃就可满足浓缩要求，减少果汁的营养成分损失。

2）手动模式 

打开整机电源开关，当开关置于手动控制模式时，电源指示灯、手动指示灯亮起，通过按下冷侧循环泵启动按钮与物料泵工频启动按钮可直接启动泵，主要用于解决膜蒸馏系统运行开始前或结束后的溶液添加与排空问题。

控制系统构成：

    1）恒温控制系统

     由于膜蒸馏系统的工作效率主要取决于浓缩的产水率，而产水率又直接与膜两侧的蒸汽压有关，膜两侧的温度又是直接影响蒸汽压大小的参数，所以设置冷热侧恒温控制装置。

热侧恒温控制系统：本发明通过电子调温加热套、智能控制器、可控硅、PT100温度电极的组合来具体实现热侧的恒温控制，温度电极置于热储罐内；料液罐置于电子调温加热套内，系统实时将温度电极检测到的数据传输给智能控制器，在智能控制器上设定预设值，通过与预设值比较的偏差，进行比例、积分、微分运算，将结果输出为0-5V之间的某一数值信号给可控硅，可控硅根据此信号调节输出电压，以此改变电子调温加热套的工作电压，来达到热侧恒温控制目的。

冷侧恒温控制系统：本发明通过半导体制冷模块、PID控制器、开关电源、PT100温度电极的组合来具体实现冷侧的恒温控制，温度电极置于冷凝水箱内，半导体制冷模块贴于冷凝水箱上，系统实时将温度电极检测到的数据传输给智能控制器，在PID控制器上设定预设值，通过与预设值比较的偏差，进行比例、积分、微分运算，将结果输出为0-5V之间的某一数值信号给开关电源，开关电源根据此信号调节输出电压，以此改变半导体制冷模块的工作电压，来达到冷侧恒温控制目的。

2）恒流控制系统

 产水率的大小与冷热侧循环泵的速度也有着密切的关系，因冷侧循环泵要考虑制冷效率的问题，泵速本身就不适宜太大，所以只针对热侧进行恒流控制。在物料泵出口管道上安装电磁流量计，检测泵出口的实时流量，将数值转换成4-20mA信号传输给控制箱上的智能控制器，在智能控制器上设定预设值，通过与预设值比较的偏差，进行比例、积分、微分运算，将结果输出为0-10V模拟量信号给变频器，变频器根据大小调节物料泵的运转频率，找到最佳运行速度，达到恒流控制目的。

3）系统安全设计

总开关设有漏电保护装置，防止系统漏电造成人员伤亡事故；因本套设备自动化程度较高，运转时可实现无人坚守，在料液罐内设置低液位报警装置，当料液过低时，将接通蜂鸣器报警，并断开物料泵、冷凝液循环泵以及制热制冷装置的电路，防止设备损坏。

主要设备名称、参数及实现功能

1）物料泵

要求：①流量：17L/H

②扬程：2M

③电压：AC220V

2）电磁流量计

要求：①量程：0.6-6m??/H

②输出信号：4-20mA

③介质温度：≤130℃

3）PT100温度计

要求：①量程：-200—200℃

②输出信号：电阻

4）变频器

要求：①输入：0-10V

②输出：0-50Hz 。

Claims (10)

1.一种果汁浓缩膜蒸馏装置，包括可拆卸膜组件、热循环系统和冷循环系统，其特征在于：所述可拆卸膜组件设有料液进口、料液出口、冷凝水进口和冷凝水出口，所述热循环系统通过管道与可拆卸膜组件的料液进口和料液出口连接形成回路，所述冷循环系统通过管道与可拆卸膜组件的冷凝水进口和冷凝水出口连接形成回路。

2.根据权利要求1所述的果汁浓缩膜蒸馏装置，其特征在于：所述热循环系统包括料液罐、料液温度控制装置、料液流量控制装置；所述冷循环系统包括冷凝水箱、冷凝液温度控制装置、冷凝液流量控制装置，其中，所述料液温度控制装置用于对料液罐中的料液温度进行控制，所述料液流量控制装置用于对进出料液罐的料液流量进行控制；所述冷凝液温度控制装置用于对冷凝水温度的控制，所述冷凝液流量控制装置用于对进出冷凝水箱的冷凝水流量的控制；所述料液温度控制装置中包括加热装置对料液进行加热，所述冷凝液温度控制装置中包括半导体制冷装置对冷凝水制冷冷却。

3.根据权利要求2所述的果汁浓缩膜蒸馏装置，其特征在于：所述冷循环系统中冷凝液温度控制装置包括冷凝液温度传感器；所述冷凝液流量控制装置包括球阀、冷凝液流量检测器和冷凝液循环泵；

所述冷凝水箱设有冷凝液出口和冷凝液回流进口，所述冷凝水箱的冷凝液出口通过管道连接所述冷凝液循环泵的进口，所述冷凝液循环泵的出口通过管道连接所述球阀的进口，所述球阀的出口通过管道连接所述冷凝液流量检测器的进口，所述冷凝液流量检测器的出口通过管道连接所述可拆卸膜组件的冷凝水进口，所述可拆卸膜组件的冷凝水出口通过管道连接所述冷凝水箱的冷凝液回流进口；所述冷凝水箱外壁安装有所述半导体制冷装置，所述半导体制冷装置中安装有直流电源控制器，所述冷凝水箱内安装有所述冷凝水温度传感器，所述冷凝水温度传感器与半导体制冷装置中的直流电源控制器连接控制制冷。

4.根据权利要求3所述的果汁浓缩膜蒸馏装置，其特征在于：所述半导体制冷装置还包括半导体制冷模块、散热系统；所述半导体制冷模块与所述直流电源控制器连接；所述半导体制冷模块的冷端与所述冷凝水箱外壁贴合制冷，所述半导体制冷模块的热端与所述散热系统连接散热。

5.根据权利要求4所述的果汁浓缩膜蒸馏装置，其特征在于：所述散热系统包括水冷循环水箱、水泵、水冷导热块和散热水排；所述水冷循环水箱的出水口连接所述水泵的进水口，所述水泵的出水口连接所述水冷导热块的进水口，所述水冷导热块的出水口连接所述散热水排的进水口，所述散热水排的出水口接入所述水冷循环水箱进水口；所述水冷导热块表面贴于所述半导体制冷模块的热端；所述散热水排上安装有直流风扇。

6.根据权利要求3所述的果汁浓缩膜蒸馏装置，其特征在于：所述冷凝液循环泵的出口与所述球阀的进口之间的管道设有冷凝液取样阀；所述冷凝液流量检测器的出口和所述可拆卸膜组件的冷凝水进口之间的管道设有冷凝液进口温度传感器；所述可拆卸膜组件的冷凝水出口与所述冷凝水箱的冷凝液回流进口之间的管道设有冷凝液出口温度传感器；所述冷凝水箱上端开口，连接产水计量筒。

7.根据权利要求2所述的果汁浓缩膜蒸馏装置，其特征在于：所述料液温度控制装置包括料液温度传感器；所述料液流量控制装置包括料液流量传感器、物料泵和控制箱；

所述料液罐设有料液出口和料液回流进口，所述料液罐的料液出口通过管道连接所述物料泵的进口，所述物料泵的出口通过管道连接所述料液流量传感器的进口，所述料液流量传感器的出口通过管道连接所述可拆卸膜组件的料液进口，所述可拆卸膜组件的料液出口通过管道连接所述料液罐的料液回流进口；所述料液罐下安装所述加热装置，所述加热装置中安装有智能控制器，所述料液罐内安装有所述料液温度传感器，所述料液温度传感器与加热装置的智能控制器连接控制加热功率；所述料液流量传感器与所述控制箱连接，所述控制箱内安装变频器，变频器接收控制箱发出的信号，改变所述物料泵流量。

8.根据权利要求7所述的果汁浓缩膜蒸馏装置，其特征在于：所述料液流量传感器的出口与所述可拆卸膜组件的料液进口之间的管道设有料液取样阀和料液进口温度传感器；所述可拆卸膜组件的料液出口与所述料液罐的料液回流进口之间的管道设有料液出口温度传感器；所述料液罐内安装有料液罐低液位开关防止料液过低损坏设备。

9.根据权利要求1~8中任意一项所述的果汁浓缩膜蒸馏装置，其特征在于：所述热循环系统的操作温度为50~60℃，所述冷循环系统的操作温度为10~20℃。

10.根据权利要求1~8中任意一项所述的果汁浓缩膜蒸馏装置，其特征在于：所述可拆卸膜组件中的膜为PVDF中空纤维疏水性膜。