CN111841441A - 一种喷雾冷冻塔系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种喷雾冷冻塔系统，包括喷雾塔、雾化气管、风幕气管吹风气管、物料周转箱和温控系统，喷雾塔具有冷冻腔。喷雾塔包括包围冷冻腔的换热管层，用于循环流通换热工质以使冷冻腔处于冷冻温度，经雾化的物料能够被冷冻。物料不与制冷媒介直接接触，避免物料被污染。采用可循环使用的换热工质，极大降低了喷雾冷冻塔系统的运行成本。风幕能够减少物料在冷冻过程中的粘壁现象，提高产率。整个系统可通过集成控制系统实现自动化控制，具备在线清洗及在线灭菌功能，可实现‑100℃～+100℃的精准温控。本发明的喷雾冷却塔系统能够实现物料的低温冷冻，并可实现高收率，结合流化床系统，可以实现冷冻与干燥物料的大批量生产，效率远高于冻干机。

Description

一种喷雾冷冻塔系统

技术领域

本公开涉及喷雾冷冻设备技术领域，特别涉及一种大规模生产型喷雾冷冻塔系统。

背景技术

喷雾冷冻塔可以将物料雾化，雾化的细小液滴在低温下迅速冻结而形成冰球，不会对热敏性物质产生影响。冰球干燥后可以形成有孔或无孔的微球。目前的喷雾冷冻技术存在以下几个问题：

第一，雾化后的液滴与致冷媒介(例如：液氮等)直接接触时会出现爆沸现象，致使微球的形貌及性能发生改变，且致冷媒介会污染物料。

第二，物料在成球的过程中容易粘在塔壁上，从而导致产率较低且喷雾冷冻塔难以清洗。

第三，液滴成球后无法长时间储存，微球与空气接触易吸水，致使微球极易融化。且转移过程中冰球容易融化，导致形貌发生变化。

第四，采用液氮等制冷媒，安全性较差，对操作人员存在一定的安全隐患。

发明内容

鉴于上述现有技术的状态而做出本公开。本公开的目的在于提供一种喷雾冷冻塔系统，其能够使物料与制冷媒介隔离从而有效防止物料被污染，且通过风幕系统能够减少物料在冷冻过程中出现的粘壁现象，从而具有较高的产率且清洗方便。

提供一种喷雾冷冻塔系统，所述喷雾冷冻塔系统包括喷雾塔和雾化气管，所述喷雾塔具有冷冻腔，所述雾化气管用于向所述冷冻腔提供使待制备的物料雾化的雾化气流，

所述喷雾冷冻塔系统还包括风幕气管，所述风幕气管用于提供沿所述喷雾塔的内壁流动的风幕，所述喷雾塔包括包围所述冷冻腔的换热管层，所述换热管层用于循环流通换热工质以使所述冷冻腔处于冷冻温度，经雾化的所述物料能够在所述冷冻温度下被冷冻。

优选地，所述喷雾冷冻塔系统还包括吹风气管，所述吹风气管用于向所述冷冻腔提供冷气，所述冷气用于使所述物料冷冻。

优选地，所述喷雾塔包括风幕进口和回风口，所述风幕气管连接所述风幕进口和所述回风口，所述冷冻腔内的气体能够从所述回风口进入所述风幕气管并由所述风幕进口流出。

优选地，与所述回风口连接的管路设有干燥装置。

优选地，所述喷雾冷冻塔系统还包括吹风气管，所述吹风气管用于向所述冷冻腔提供冷气，所述冷气用于使所述物料冷冻；

所述喷雾塔包括吹风口，所述吹风气管连接所述吹风口和所述回风口，所述冷冻腔内的气体能够从所述回风口进入所述吹风气管并由所述吹风口流出；

在所述吹风气管和所述风幕气管上设有换热器，流经所述吹风气管和所述风幕气管的气体经所述换热器降温。

优选地，所述喷雾冷冻塔系统还包括物料周转箱和换气管，所述物料周转箱具有收纳腔，所述收纳腔用于收纳经冷冻的所述物料，所述换气管连接所述收纳腔和所述冷冻腔从而使所述冷冻腔和所述收纳腔进行气体交换。

优选地，所述喷雾冷冻塔系统还包括物料周转箱、举升气缸、控制模块和称重模块，所述物料周转箱用于接收经冷冻的所述物料，所述举升气缸举升或者降下所述物料周转箱以使所述物料周转箱与所述喷雾塔对接或者脱离所述喷雾塔；

所述控制模块与所述称重模块和所述举升气缸电连接，所述称重模块用于称量所述物料周转箱收纳的经冷冻的所述物料的重量，所述控制模块接收所述称重模块的信号并控制所述举升气缸动作。

优选地，所述喷雾塔还包括真空层和填料保温层，所述填料保温层内填充保温介质，所述真空层和所述填料保温层在所述换热管层的外侧包围所述换热管层。

优选地，所述喷雾冷冻塔系统还包括喷淋管，所述喷淋管连接所述冷冻腔，所述喷淋管用于喷淋清洗液和/或杀菌气体。

优选地，所述喷雾冷冻塔系统包括温控系统，所述温控系统能够制冷所述换热工质而使所述换热工质具有所述冷冻温度，以及

所述温控系统能够制热所述换热工质而使所述换热工质具有清洗温度，所述清洗温度为高于0℃且不高于100℃。

优选地，在所述回风口的内侧设有斜板，所述斜板在所述回风口的内侧形成由上外侧向下内侧倾斜的斜面。

本公开提供的上述技术方案至少具有以下有益效果：

冷冻腔由换热管层包围，从而经雾化的物料能够在低温下被冷冻，物料不与制冷媒介直接接触，避免物料被污染。采用可循环使用的换热工质，而非例如液氮等消耗品，极大地降低了喷雾冷冻塔系统的运行成本和安全性。而且，通过调节换热工质的温度可以获得所需的物料表面形貌。风幕能够减少物料在冰冻过程中出现的粘壁现象，极大地提高了产率。

上述技术方案还可以具有以下有益效果：具有包括物料周转箱的低温物料收集系统，保证后续物料转移过程中的低温可控。

还可以通过使整个系统包含多个温度监测装置和压力监测装置，并通过集成控制系统精准实现喷雾冷冻塔系统的自动化控制，具体地，实现-100℃至100℃的精准温控，从而，整个系统具备在线清洗及在线灭菌功能，制备及清洗过程简单方便。

附图说明

图1为本公开提供的喷雾冷冻塔系统的示意图。

图2为喷雾冷冻塔系统的喷雾塔和物料周转箱的剖视图。

图3为一个塔身部段的示意图。

图4为物料周转箱的剖视图。

附图标记说明：

1喷雾塔、11塔顶、110储风腔、12塔身、120冷冻腔、121换热管层、122换热盘管、1221换热工质进口、1222换热工质出口、123真空层、124填料保温层、125温度探测器、13泄压阀、14物料收集室、15喷雾系统、151雾化气管、152雾化器、16进料管、17观察视窗、18回风口、19第一循环管路；

21吹风气管、22风幕气管、23风幕、24共用管段、3换热器、31第二循环管路、4风机、51喷淋管、52喷淋球、53斜板、54干燥装置；

6物料周转箱、61收纳腔、62进气口、63出气口、64取料口、65收料口、66换气管、71举升气缸、72称重模块、73阀门；

8换热工质供应系统、81换热工质容器、82温控系统；

9供气系统、91干燥器、92除尘过滤器、93除菌过滤器。

具体实施方式

下面参照附图描述本公开的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本公开，而不用于穷举本公开的所有可行的方式，也不用于限制本公开的范围。

如图1至图3所示，本公开提供一种新型喷雾冷冻塔系统，喷雾冷冻塔系统包括喷雾塔1、换热工质供应系统8和供气系统9，待制备的物料能够在喷雾塔1内被冷冻。

换热工质供应系统8包括换热工质容器81和温控系统82，换热工质容器81(例如油箱)里容纳换热工质，例如硅油，温控系统82用于制冷或者制热换热工质。温控系统82可以使用空调制冷制热原理，例如包括压缩机、膨胀阀、蒸发器和冷凝器，从而温控系统82制冷或制热换热工质而使换热工质的温度处于-100℃至100℃。

供气系统9可以与压缩空气源连接以用于向喷雾塔1提供压缩空气。供气系统9可以包括连接于压缩空气源下游的以吸附式干燥机为示例的干燥器91、除尘过滤器92(过滤精度例如为0.1微米)和除菌过滤器93(过滤精度例如为0.2微米)，从而向喷雾塔1提供洁净干燥的压缩空气。

喷雾塔1包括塔体和喷雾系统15，塔体包括塔顶11、塔身12和物料收集室14，塔顶11安装于塔身12的顶部，塔顶11具有储风腔110，塔身12具有冷冻腔120，储风腔110与冷冻腔120连通，物料收集室14安装于塔身12的底部。物料收集室14具有由上向下逐渐收缩的通路从而供物料流出。塔身12可以装有泄压阀13，当若冷冻腔120内的压力过大时，泄压阀13打开而使冷冻腔120泄压。

塔身12例如包括四个塔身部段，相邻的两个塔身部段经由各自的法兰连接。塔身12可以呈圆筒状，每个塔身部段的长度可以为600mm，内径可以为800mm，外径可以为1200mm。塔身部段的长度和内径外径可以根据不同物料的需要进行调整，不限于以上。

塔身12具有由内向外依次设置的、环绕塔体整周的换热管层121、真空层123和填料保温层124。换热管层121填充有换热盘管122，换热管层121由换热盘管122填充以外的空间由以硅脂为示例的蓄热材料填充。

换热盘管122装有换热工质，换热盘管122连接于换热工质供应系统8，每个塔身部段均具有换热工质进口1221和换热工质出口1222，换热工质进口1221和换热工质出口1222例如通过第一循环管路19连接于换热工质容器81，换热工质容器81内的换热工质用于供换热盘管122换热。

在连接换热工质容器81和换热盘管122的管路上可以设有循环泵，从而，经温控系统82制冷或制热的换热工质在换热工质容器81和换热盘管122之间循环流动。

换热工质能够受温控系统82制冷，从而换热管层121能够使冷冻腔120处于冷冻温度，冷冻温度例如为0℃至-100℃。

填料保温层124填充有以聚氨酯为示例的保温介质，真空层123和填料保温层124在换热管层121的外侧包围换热管层121，从而起到保温作用。

喷雾系统15包括雾化器152和雾化气管151，喷雾系统15安装于塔顶11，雾化器152连接进料管16，待制备的物料从进料管16进入雾化器152。雾化气管151连接雾化器152和上述供气系统9，供气系统9向雾化气管151供应雾化气流，雾化气流使从雾化器152流出的物料雾化。

雾化气管151出口处的塔身12可以设有观察视窗17。雾化气管151可以选用：单流体雾化、二流体雾化、多流体雾化或超声波雾化中的一种或多种的组合。

冷冻腔120由换热管层121包围，从而经雾化的物料能够在冷冻温度下被冷冻，物料不与制冷媒介直接接触，避免物料被污染。采用可循环使用的换热工质，而非例如液氮等消耗品，极大地降低了喷雾冷冻塔系统的运行成本。而且，通过调节换热工质的温度可以获得多种多样的物料表面形貌。

喷雾冷冻塔系统还包括吹风气管21，塔身12下部具有回风口18，回风口18与冷冻腔120连通，储风腔110设有吹风口，吹风气管21连接回风口18和吹风口。吹风气管21上可以设有风机4，风机4用于从回风口18抽吸气流，从而冷冻腔120内的气体能够从回风口18进入吹风气管21并由吹风口流入储风腔110而再次进入冷冻腔120，这就在冷冻腔120和储风腔110之间形成循环流动的气流。

在吹风气管21上可以设有换热器3，换热器3通过第二循环管路31连接于换热工质容器81，换热工质容器81内的换热工质用于供换热器3换热使用，经温控系统82制冷的换热工质在换热工质容器81和换热器3之间循环流动。流经吹风气管21的气体经换热器3降温，从而吹风气管21向储风腔110提供冷气，冷气的温度可以为-100℃至0℃，优选为-20℃至-80℃。

吹风气管21吹出的冷气使冷冻腔120内各处的温度更均匀，而且通过调节冷气的温度可以调控物料经冷冻而形成的微球的表面形貌。

喷雾冷冻塔系统还包括风幕气管22，塔体设有风幕进口，风幕进口例如设于塔顶11，风幕气管22连接风幕进口和回风口18，冷冻腔120内的气体能够从回风口18进入风幕气管22并由风幕进口流出而形成风幕23，风幕23沿喷雾塔1的内壁流动。

风幕气管22和吹风气管21可以具有共用管段，在共用管段24(吹风气管21、风幕气管22)上设置上述换热器3和上述风机4。流经风幕气管22的气体经换热器3降温，从而风幕气管22向冷冻腔120提供的气体的温度可以为-100℃至0℃，优选为-20℃至-80℃。

风幕23能够减少物料在冰冻过程中出现的粘壁现象，提高产率。

风幕气管22和吹风气管21的气源为冷冻腔120内的气体，而非另外接入的供气装置，这简化了喷雾冷冻塔系统的结构，减少了运行成本。

与回风口18连接的管路可以设有干燥装置54，从冷冻腔120流出的气体经干燥装置54而变得干燥，从而避免流经回风口18的循环风中含有水分而导致冷冻腔120的内部结冰。

喷雾冷冻塔系统还包括喷淋装置，喷淋装置包括喷淋管51和喷淋头52，喷淋管51连接冷冻腔120，喷淋头52位于冷冻腔120内，例如位于靠近雾化气管151出口的位置，清洗液能够通过喷淋管51和喷淋头52喷淋，从而清洗喷雾塔1的内壁，以及杀菌气体能够通过喷淋管51和喷淋头52喷淋。

喷淋头能够360度旋转，这易于彻底清洗喷雾塔1的内壁。

换热工质能够受温控系统82制热，从而换热管层121使冷冻腔120处于高于0℃且不高于100℃的清洗温度。当喷淋管51喷淋清洗液时，冷冻腔120可以处于上述清洗温度，从而获得更好的清洗效果。

物料收集室14的下部可以设有排水口，喷淋液能够从排水口排出。

如图2所示，在回风口18的内侧(冷冻腔120内)设有斜板53，斜板53在回风口18的内侧形成由上外侧向下内侧倾斜的斜面，斜板53能够有效避免回风口18的压力过大而吸入物料。

如图1、图2和图4所示，喷雾冷冻塔系统还包括物料周转箱6，物料周转箱6连接于物料收集室14，物料周转箱6具有大致方形的箱体，箱体内具有收纳腔61，箱体的长度例如为900mm，宽度例如为700mm，高度例如为300mm。

收纳腔61具有收料口65、进气口62、出气口63和取料口64，收料口65位于收纳腔61的上侧以用于与物料收集室14对接从而物料收集室14内的物料通过收料口65进入收纳腔61，取料口64位于收纳腔61的侧方以用于供操作者取出物料。

喷雾冷冻塔系统还具有换气管66，换气管66连接进气口62和冷冻腔120，以及出气口63和冷冻腔120，从而冷冻腔120内的气体(冷气)通过进气口62进入收纳腔61，收纳腔61内的气体经过出气口63进入冷冻腔120。冷冻腔120和收纳腔61进行气体交换，冷气不断进入收纳腔61使收纳腔61具有较低的温度，物料能够被长时间储存而不融化。

物料周转箱6还包括真空层和保温层，真空层和保温层包围收纳腔61。

喷雾冷冻塔系统还包括举升气缸71、控制模块和称重模块72，控制模块与称重模块72和举升气缸71电连接。举升气缸71设置于物料周转箱6的下方，称重模块72用于称量物料周转箱6收纳的物料的重量。控制模块接收称重模块72的信号并控制举升气缸71抬升或者降下物料周转箱6以使物料周转箱6与喷雾塔1对接或者脱离喷雾塔1。

每次使用物料周转箱6之前先将进气口62和出气口63与喷雾塔1连接，使物料周转箱6降温。当物料周转箱6内的温度达到额定温度后，控制模块控制举升气缸71抬升使物料周转箱6的收料口65与物料收集室14相连，以及使物料周转箱6和物料收集室14之间的阀门73打开，使物料进入物料周转箱6内。

称重模块72反馈物料周转箱6收纳的物料达到额定重量后，控制模块控制物料周转箱6和物料收集室14之间的阀门73关闭，以及控制举升气缸71下降，此时，可以将当前的物料周转箱6从举升气缸卸下，并换上另一个物料周转箱6，新换上的物料周转箱6经与喷雾塔1连接降温后用于接收物料。

下面介绍喷雾冷冻塔系统的一种典型的工作模式。

压缩空气通过吹风气管21例如以微风形式进入储风腔110，在储风腔110内的压力达到一定值后，储风腔110内的气体进入冷冻腔120。

温控系统82启动制冷模式，换热盘管122和换热器3内的换热工质循环进出换热工质容器81，换热盘管122使冷冻腔120降温。

冷冻塔内的气体经由回风口18、吹风气管21和吹风口循环流动，在流动过程中受换热器3作用而降温。

设置于塔体的温度探测器125(例如热电偶)监测到冷冻腔120内的温度达到额定温度时，物料通过进料管16进入，并经喷雾系统15雾化，在冷冻腔120的低温环境下冰冻。

喷雾冷冻系统可以具有多个温度探测器125及压力监测装置，可通过集成控制系统精准实现喷雾冷冻塔系统的自动化控制，具备在线清洗及在线灭菌功能，制备及清洗过程简单方便，可实现-100℃至+100℃的精准温控。

液滴进入的过程中伴随着风幕气管22提供风幕23，风幕23沿喷雾塔1的内壁向下吹，防止物料粘壁。

待物料制备完毕且收纳完毕后，喷雾冷冻塔系统开启清洁模式。

温控系统82启动制热模式，换热盘管122内的换热工质循环进入换热工质容器81，换热盘管122使冷冻腔120升温。

喷淋装置启动并向冷冻腔120喷淋清洗液。

喷雾塔1的内壁经清洗液清洗后，喷淋装置喷淋杀菌气体。

以上工作模式和清洁模式可以通过自动化控制实现，比如将喷雾系统15、喷淋装置、风幕气管22、吹风气管21等接入电控系统。

上述喷雾冷却塔系统能够实现物料的低温冷冻，并可实现高收率，能够结合流化床系统实现冷冻与干燥物料的大批量生产，效率远高于冻干机。

应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本公开。本领域技术人员可以在本公开的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本公开的范围。

Claims (11)

1.一种喷雾冷冻塔系统，所述喷雾冷冻塔系统包括喷雾塔(1)和雾化气管(151)，所述喷雾塔(1)具有冷冻腔(120)，所述雾化气管(151)用于向所述冷冻腔(120)提供使待制备的物料雾化的雾化气流，其特征在于：

所述喷雾冷冻塔系统还包括风幕气管(22)，所述风幕气管(22)用于提供沿所述喷雾塔(1)的内壁流动的风幕(23)，所述喷雾塔(1)包括包围所述冷冻腔(120)的换热管层(121)，所述换热管层(121)用于循环流通换热工质以使所述冷冻腔(120)处于冷冻温度，经雾化的所述物料能够在所述冷冻温度下被冷冻。

2.根据权利要求1所述的喷雾冷冻塔系统，其特征在于，所述喷雾冷冻塔系统还包括吹风气管(21)，所述吹风气管(21)用于向所述冷冻腔(120)提供冷气，所述冷气用于使所述物料冷冻。

3.根据权利要求1所述的喷雾冷冻塔系统，其特征在于，所述喷雾塔(1)包括风幕进口和回风口(18)，所述风幕气管(22)连接所述风幕进口和所述回风口(18)，所述冷冻腔(120)内的气体能够从所述回风口(18)进入所述风幕气管(22)并由所述风幕进口流出。

4.根据权利要求3所述的喷雾冷冻塔系统，其特征在于，与所述回风口(18)连接的管路设有干燥装置(54)。

5.根据权利要求3所述的喷雾冷冻塔系统，其特征在于：

所述喷雾冷冻塔系统还包括吹风气管(21)，所述吹风气管(21)用于向所述冷冻腔(120)提供冷气，所述冷气用于使所述物料冷冻；

所述喷雾塔(1)包括吹风口，所述吹风气管(21)连接所述吹风口和所述回风口(18)，所述冷冻腔(120)内的气体能够从所述回风口(18)进入所述吹风气管(21)并由所述吹风口流出；

在所述吹风气管(21)和所述风幕气管(22)上设有换热器(3)，流经所述吹风气管(21)和所述风幕气管(22)的气体经所述换热器(3)降温。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的喷雾冷冻塔系统，其特征在于，所述喷雾冷冻塔系统还包括物料周转箱(6)和换气管(66)，所述物料周转箱(6)具有收纳腔(61)，所述收纳腔(61)用于收纳经冷冻的所述物料，所述换气管(66)连接所述收纳腔(61)和所述冷冻腔(120)从而使所述冷冻腔(120)和所述收纳腔(61)进行气体交换。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的喷雾冷冻塔系统，其特征在于：

所述喷雾冷冻塔系统还包括物料周转箱(6)、举升气缸(71)、控制模块和称重模块(72)，所述物料周转箱(6)用于接收经冷冻的所述物料，所述举升气缸(71)举升或者降下所述物料周转箱(6)以使所述物料周转箱(6)与所述喷雾塔(1)对接或者脱离所述喷雾塔(1)；

所述控制模块与所述称重模块(72)和所述举升气缸(71)电连接，所述称重模块(72)用于称量所述物料周转箱(6)收纳的经冷冻的所述物料的重量，所述控制模块接收所述称重模块(72)的信号并控制所述举升气缸(71)动作。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的喷雾冷冻塔系统，其特征在于，所述喷雾塔(1)还包括真空层(123)和填料保温层(124)，所述填料保温层(124)内填充保温介质，所述真空层(123)和所述填料保温层(124)在所述换热管层(121)的外侧包围所述换热管层(121)。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的喷雾冷冻塔系统，其特征在于，所述喷雾冷冻塔系统还包括喷淋管(51)，所述喷淋管(51)连接所述冷冻腔(120)，所述喷淋管(51)用于喷淋清洗液和/或杀菌气体。

10.根据权利要求1所述的喷雾冷冻塔系统，其特征在于，所述喷雾冷冻塔系统包括温控系统(82)，所述温控系统(82)能够制冷所述换热工质而使所述换热工质具有所述冷冻温度，以及

所述温控系统(82)能够制热所述换热工质而使所述换热工质具有清洗温度，所述清洗温度为高于0℃且不高于100℃。

11.根据权利要求3所述的喷雾冷冻塔系统，其特征在于，在所述回风口(18)的内侧设有斜板(53)，所述斜板(53)在所述回风口(18)的内侧形成由上外侧向下内侧倾斜的斜面。

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