CN1198307A - 浓缩果汁或加工含有固体成分的水溶液的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本加工涉及果汁或含有固体成分的水溶液的浓缩。溶液在室温和常压下在喷雾室内与干气体呈逆流喷雾。收集在喷雾室下部位置的浓缩液被运送到为下一次浓缩的下一个喷雾室的喷雾装置中,最终产品由最后一个喷雾室的收集容器排出。

Description

浓缩果汁或加工含有固体成分的水溶液的方法及设备

本发明涉及一种浓缩果汁或加工含有固体成分的水溶液的方法。

为了分离无机成分和有机成分、回收其中所含物质和在生产周期中再循环水，废水尤其是工业废水的处理是通过许多化学、生物或各种方法组合来实现的。加化学物质于水中或选择高能耗费都带来严重缺陷。化学上产生的工业废水如电镀废水的处理和浓缩浆液的萃取不但需要投入大量资金而且需要大量运转费用。为了让废水可以回到城市废物处理系统，其加工费用是很昂贵的。这些操作中加工浆液会极其困难。浓缩该浆液需要高能投入。

本发明目的是提供一种用于浓缩果汁或加工含有或多或少量固体成分的水溶液的节能方法，其中溶液中的固体成分被高度浓缩或最终成为干浓缩物和洁净状态的水，这样就减少了环境负担。

权利要求1或2说明了用以满足本发明目的的方法，权利要求4涉及的是一种满足上述目的的实现本发明方法的设备。

按照本发明，果汁或水溶液在一喷雾室内与干气体，尤其是干空气，逆流接触而被雾化。这样的喷雾室如喷粉塔已知在其它技术领域被用来制造小粒物料。在干燥食品或药品中，众所周知是通过产品的流化床来传递热空气，然后空气经干燥再循环利用(德国专利DE-C-2707065)。已经知道类似的方法用于喷雾干燥易腐液体产品如脱脂牛奶和乳清制成奶粉(德国专利申请DE-A-2743724)。与喷雾干燥过程中水在高温下正常蒸发相反，本发明仅于室温下在喷雾室内蒸发水份。可以理解室温取决于地理条件，因此其范围在20-50℃之间。德国专利申请DE-A-3123561得知一台溶剂蒸馏设备，其中蒸发过的溶剂首先被送到蒸发器然后进入致冷机器的冷凝器中。

根据本发明，湿气体进入热循环，特别是进入热泵。在那里回收蒸发能量从而回收热能。湿气体或空气经绝热冷却过程而冷却，这样湿气或水分分别被冷凝。收集到的水纯度很高，超过了去离子水。因此，净化水排放到一个给工厂提供生产用水的系统是容易可行的。排放净化水到城市废物处理系统不会对环境构成危胁。用冷凝热量加热经冷却脱温的空气，换句话说，在冷凝过程中产生的热量又送回到气流中。这种热能回收可以按不同的方式来完成，例如用热泵或通常利用一台致冷机，其中该机器中的蒸发器用于水的冷凝，冷凝器用于重新加热已冷却的干空气。经轻微加热的干空气再次循环进入喷雾室，其中一部分空气和果汁或溶液一起输送到喷雾室，另一部分逆流送到喷雾室。

进一步考虑，随着收集在例如喷雾室较低位置中的浓缩液(例如借助泵)输入到下一个喷雾室内，通过相应的喷雾装置进行多步加工或浓缩。用这种方式，实现液体的逐级浓缩，以便生产出高度浓缩的流体汁，如果是水溶液，可实现浓缩至干固物。

上面提到过，回收的水质量高。该水不含藻类或有机物，而且大体具有蒸馏水的品质。回收为粉状浓缩物的固形物可以方便地再循环利用。由于浓缩物是干态的，因此体积最小。

按照本发明的方法不需要化学物质。加工是在一个封闭系统里完成的，不会污染环境。

喷雾室里的蒸发不需要为减少热量传递而包以外纹或外壳的以及需要经常清洗的蒸发器管束。依照本发明的方法使得实施该方法的设备具有高度的有效性。

操作温度低(室温)，因此完全避免了经传递的能量损失。低的操作温度使得物质的加工过程比较温和。在这样的温度范围内，水蒸汽蒸馏产生的效应降到最小。极小浓度的有机物被带走，这样含水浓缩物可以使用或排放到城市废物处理系统。

气流循环需要在该循环系统中其与热能相互作用的机械能，使得在一定条件下，多余的热能在本发明的进一步特征中对喷雾前的废水加热。另外果汁或溶液分别再进入另一个喷雾装置还需要能量。

依据本发明，实施该方法的设备包括基本的部件，如喷雾室设备，经过绝热过程的热能回收装置如热泵。每个喷雾室包括喷雾装置，较好是在其上部，如果看到加工方向分别联结到果汁或溶液的贮罐，喷雾装置就与第一个室相联。一个电动机驱动的泵与喷雾装置相连并排在一条线上。可以理解雾化可以在无压力下进行，如通过超声。第一个室内的喷雾室下游还包括一个收集该喷雾室浓缩物的容器或类似物，较好是在其较低位置。第一个室的浓缩物通过一个泵传送到第二室的喷雾装置，第二室的浓缩物通过一个泵传送到第三室的喷雾装置等等。这些喷雾室可以并排放置，通过一个合适的管道系统相连，如果空间许可下，也可构思成喷雾室一个在另一个上面而形成一个垂直的圆柱。

已经提到过，热泵或绝热冷却回收能量可以有不同的结构，例如可以用致冷机，如压缩式致冷机器，通常由一个蒸发器和一个冷凝器组成，该冷凝器是本发明设备中用于气体的热交换器。气体在封闭圈内循环，通过喷雾室以蒸发喷出的液体和分离湿气成冷凝物。如前面提到的，这种组合构成一种有效利用能量的方法，该组合同时提供了一种不损害环境的方法。本发明的设备紧凑且能引入到现有工厂中去。根据本发明，制造该设备的费用及操作的费用极低。

本发明的具体实施例将参照附图依次进行描述，其中：

图1表示没有气流循环的本发明设备简图。

图2特别表示包含气流循环的图1设备中一个单元的简图。

图3表示图2中的喷雾室平面图。

图1中描述了四个单元1到4。每个单元包括一个在图2中图示的喷雾室，以下有更为详细的描述。每个喷雾室包括喷雾装置。图示的设备分别包括一个用于果汁或水溶液的贮罐C₁。泵P₁经过滤器F吸取贮罐C₁中的溶液，经过第1条管道L₁″和流量计M₁传送到未在图1中示出的喷雾装置。这个喷雾装置在室温下以极小液滴喷出液体，该温度在20-45℃之间，喷雾室内压力为常压以便进行蒸发。喷雾是在引入被喷雾溶液的气体协同作用下发生的。同时，分别负载水或蒸汽的逆流产生，结合图2有更为详细的描述。以这种方式，例如果汁的浓缩发生，在单元1的较低位置浓缩液被优选收集。该浓缩液然后通过管道L₁和泵P₂及管道L₃送到第2个单元的喷雾装置。在这里和在单元1中一样进行相同的加工过程。浓缩液通过管道L₄和泵P₃从喷雾室2的较低位置排出并送到第3个单元的喷雾装置。这个过程径管道L₅而进行。单元3中的浓缩液通过管道L₆送到泵P₄，然后从这里通过管道L₇送到第4个单元的喷雾装置。单元4中的浓缩液排放到贮罐C₂。偶尔，浓缩液可由泵P₅送到贮罐C₁。可以看到，单个阀门与通过未示注的控制器所控制的管道相连接。这里不再详述。

已经提到过，喷雾伴随着管道L₁₀送入的空气而发生。在图2中可明显地看到空气循环。

图2中一个喷雾室即图1中单元1的喷雾室用10标示，而且在其上部带有喷雾装置12。这个喷雾装置通过管道14与贮罐16相连。该贮罐例如可与图1中的贮罐C₁相匹配。与图1中的泵P₁相匹配的泵18与管道14相连。另外在管道14中配有热交换器20。

喷雾室10中较低位置装置备有浓缩液收集器22。在收集器之上安装有一个圆锥形过滤器24。

一般用30标示的致冷机由一个翅片结构的蒸发器32和一个垂落管式蒸发器标示的冷凝器34组成。这个致冷机30安装在一个由点划线32a所示的封闭室内。致冷机30还包括一个由电动机38驱动的压缩器36。蒸发器32包括一个浓缩液排放口40。内装有一个热交换器20的封闭室32a还包括一个辐射形风扇42。风扇的出口与管道44相连通向分支口46。分支管道48通向喷雾室10的顶部且开口进入4个人孔50。第2个分支管道52开口进入喷雾室10的较低段中圆锥形过滤器24的下部。

操作者的操作过程如下：例如，贮罐16的果汁通过喷雾装置12与分支管道48的空气一起在喷雾室10内雾化。“喷雾气流”垂直流下，与分支道管52引入的干空气呈逆流。后者的流向如箭头54所示。应该理解，合适的设备能得到气流54和喷雾流的完全且均匀的接触。通过管道52和58引入的干空气还具有15-18℃或更高的温度(室温)。该空气还含有例如1g/m³的湿含量。干空气载有一定湿含量并通过喷雾室10顶端中部开口56而离开喷雾室。然后通过管道58输送到致冷机30。也就是说，湿含量为24g/m³的湿空气通过致冷机30的蒸发器32。该空气经冷却，使得水冷凝并收集在贮罐40中。然后温含量又为1g/m³的冷却的干空气在致冷机30的冷凝器34中被蒸发器32传递的热量加热。制冷剂被冷凝器中热交换过程传递给干燥冷空气的冷凝热加热。干空气离开热交换器34时温度为45℃。该热量部分在热交换器20中释放出用于加热管道14中的果汁。如前所述，受热的干空气由管道44送到喷雾室10中。

应该知道，不用致冷机也可采用其它设备来通过绝热冷却过程直接或间接的热交换回收蒸发的热能。同样应知道，不用图1中的四个单元而仅采用一个单元，例如图2中所示及上面描述的那样。

需要进一步提到的是在喷雾室内的蒸发是在常压下进行的。也就是说，不需要使用另外的高压或低压条件下所必须的设备。

很清楚，气流是在一个封闭系统中循环的，不会对环境构成危害。通过调整压力及控制加热程度，溶液温度能够加以控制。当除去热交换器20时，可得到相对高的干气体温度，这是因为驱动风扇42的机械能转化为热能。因此，加热的溶液使得喷雾的溶液更容易蒸发，这样总能量得到平衡且效率高达约85％。

Claims (13)

1、一种浓缩果汁的方法包括如下步骤：

a)在室温常压下将果汁与干燥气体，尤其是干空气一起喷雾和蒸发，优选在多个喷雾室的上部，干燥气体呈逆流；

b)按照步骤a)在第1个喷雾室较低位置收集到的浓缩液喷雾进入下一个喷雾室以及其它喷雾室等；

c)从喷雾室优选上部排放湿气体并经直接或间接的热交换通过绝热膨胀过程使之冷却，收集冷凝水；

d)经直接或间接的热交换用步骤c)中产生的冷凝热加热干燥的冷气体；

e)封闭圈内的加热的干气体返回到步骤a)中的各喷雾室内；

f)从最后一个喷雾室内移走果汁浓缩物。

2、一种加工含固体成分的水溶液的方法包括如下步骤：

a)室温常压下在多个喷雾室内用干燥气体，尤其是干空气将该溶液喷雾和蒸发，干燥气体，尤其是干空气呈逆流；

b)按照步骤a)在第1个喷雾室收集到的浓缩液喷雾进入下一个喷雾室以及其它喷雾室等；

c)从喷雾室的优选上部排放湿气体，以直接或间接的热交换通过绝热膨胀过程使湿气体冷却，收集冷凝水；

d)用根据步骤c)中直接或间接的热交换的冷凝热加热干燥的冷气体；

e)封闭圈内的加热的干气体返回到步骤a)中的喷雾室内；

f)从最后一个喷雾室内移走固体。

3、权利要求1中的方法，其中送到喷雾装置之前的溶液间接或直接与热气体接触。

4、一种实施权利要求1或2的方法的设备，其特征在于以下组件；

a)多个喷雾室(单元1到4)，其中每个喷雾室上部均有喷雾装置(12)；

b)第1个喷雾室(单元1)内的喷雾装置(12)分别与装有果汁或溶液的贮罐(C₁)相连，其它喷雾室(单元2到4)中的喷雾装置(12)与位于上游的喷雾室的较低位置的收集容器相连，优选通过泵相连；

c)通过绝热膨胀和直接或间接的热交换的能量回收装置，例如通过一热泵(30)和一浓缩液排出口(50)；

d)气体管道系统，其中有一个与各喷雾室(单元1至4)上部相连的入口，并且有一个与各喷雾室的上端和下端相连的歧管出口，其中气体在入口和出口间的封闭圈内经能量回收装置被传送；

e)在所述系统中用于在封闭圈内循环所述气体的风扇(42)。

5、权利要求4的设备，其特征在于提供有一个辐射状风扇(42)。

6、权利要求4或5的设备，其特征在于提供，一个有一蒸发器(32)和一冷凝器(34)的致冷机，湿气体被带进与蒸发器(32)接触，冷却的干气体被带进与冷凝器(34)接触。

7、权利要求6的设备，其中致冷机(30)中的蒸发器(32)是一个翅片冷凝器(32)。

8、权利要求6或7的设备，其中致冷机(30)中的冷凝器(34)是一个垂落管式蒸发器。

9、权利要求6至8之一的设备，其中冷凝器(34)下游提供热交换器(20)以加热流向喷雾装置(12)的溶液。

10、一种生产果汁浓缩物的方法，基本上与本文描述的一样，尤其是参照附图和附图说明。

11、一种用含固体成分的溶液生产精制液的方法，基本上与本文描述的一样，尤其是参照附图和附图说明。

12、一种生产果汁浓缩液的设备，基本上与本文描述的一样，尤其是参照附图和附图说明。

13、一种用含固体成分的溶液生产精制液的设备，基本上与本文描述的一样，尤其是参照附图和附图说明。

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