CN204601675U - 一种冷冻浓缩设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种水溶液的冷冻浓缩设备，其主要由不锈钢罐体、冷媒夹套、加热夹套、导热板、减速电机、螺旋桨搅拌、进料孔、脱气孔、出渣口等组成，该设备传热效率高，能实现水溶液在罐内的快速冻结和冰体的快速融化和彻底清除。该设备可用于果汁、果浆、发酵液、植物提取物等水溶液的浓缩，尤其适用于含有大量悬浮物的浆液浓缩，在单一罐体内可同时完成过滤澄清、溶液冻结、液冰分离和融冰等操作过程，并获得高品质、澄清的浓缩溶液。具有工艺流程和操作简捷、投资和运行费用低、节能降耗等性能优势。

Description

一种冷冻浓缩设备

技术领域

本实用新型涉及一种溶液的冷冻浓缩设备，属于轻工领域的浓缩技术。

背景技术

水溶液通过浓缩可大幅减小重量和体积，节省了包装和贮藏运输成本，由于浓缩液可溶性固形物含量较高，不容易腐败变质，便于后续加工或适合于长途运输进行国内国际贸易。因此，浓缩被广泛应用于食品、天然产物提取、化工等多个领域。水溶液浓缩本质上就是一个除水过程，目前主要方法主要有热力浓缩、反渗透浓缩和冷冻浓缩。

冷冻浓缩是将温度降至水的冰点以下，使水分以冰晶的方式从溶液中析出而除去。由于是在低温下浓缩，能避免有效成份变化，很好地保持品质。同时水结冰能耗只有加热蒸发浓缩的约1/7，节能效果十分显著。

结冰是水溶液冷冻浓缩的主要步骤，目前主要有两种方法。渐进层状结晶冷冻浓缩法和悬浮结晶冷冻浓缩法。渐进层状结晶是冰晶在冷却面上产生、成熟和冻结，溶质被排除在液相中，使液相中溶质的质量分数逐渐升高。此方法的最大优点是形成一个整体的冰晶，固液界面小，所以浓缩后期浓缩液与冰晶分离时易于操作。然而，由于渐进冷冻是在过冷面上形成冻结的冰层，由于冰的传热系数是非常小的，随着冰层逐渐加厚，水分冻结速率会越来越慢，如何提高传热效率是该方法在应用中需突破的障碍。此外，由于冰晶在冷却面形成和生长，会在设备内的冷却结构上，如罐壁、盘管、换热器表面形成较厚冰层，后期融冰不仅需要大量的能量而且清理十分困难，成为该项技术实际应用的又一障碍。因此，层状结晶冷浓缩方法在小型容器中较易实现，但随着罐体容量的增加、罐壁冻结冰层逐渐加厚，传热阻力急剧增加，完成罐体内水溶液的整体冻结需要数天时间，应用于一定规模的生产非常困难。

悬浮结晶冷冻浓缩法通过大量悬浮分散于水溶液中的冰晶生长、分离实现浓缩，称为悬浮结晶。由于溶液中产生了大量的悬浮冰晶，单位体积溶液内冰晶的比表面积很大，能够迅速地形成纯度较高冰晶体，并大幅度的提高浓缩终点，这是该冷冻方式的优点。由于悬浮结晶的冰晶颗粒小、表面积大，吸附的溶质也比较多；尤其是随着浓缩度增加冰晶和汁液分离将更加困难。由于悬浮结晶冷冻浓缩法的冰晶产生、生长以及浓缩后期的固液分离、冰晶清洗等单元操作必须在不同设备中完成，设备和配套设施多，工艺流程和操作复杂，造价高，生产过程容易污染，设备投资及运营成本高，在生产中应用有很大的局限性。

发明内容

为了解决以上技术问题，本实用新型提供了一种冷冻浓缩设备，本实用新型提供了的冷冻浓缩设备，其主要由不锈钢罐体、冷媒夹套、加热夹套、导热板、减速电机、螺旋桨搅拌、进料孔、脱气孔、出渣口等组成，该设备传热效率高，能实现水溶液在罐内的快速冻结和冰体的快速融化和彻底清除。该设备对各类水溶液都具有很好的适应性，可用于果汁、发酵液、植物提取物等水溶液的浓缩，也适用于含有大量悬浮物浆液的浓缩，如水果打浆后的果浆。在单一罐体内可同时完成取汁、过滤澄清、溶液冻结、冰晶分离和融冰等操作过程，并获得高品质的澄清浓缩溶液。该实用新型具有设备结构简单、配套设施少、工艺流程和操作简捷、投资和运行费用低、换热效率高节能降耗等性能优势。

本实用新型提供的冷冻浓缩设备，包括罐体(1)，所述罐体的下面焊接有罐脚（18），

所述罐体（1）为圆柱形的不锈钢罐，罐体（1）的侧壁设有冷媒夹套（14），罐体（1）的底部为圆弧形，底部设有加热夹套（15），罐内侧壁上径向垂直交替焊接有若干块不锈钢导热宽板（10）和导热窄板（11），罐盖上设有观察孔（2）、进料孔（3）、测温器（4）、脱气孔（5）、减速电机（6），减速电机（6）下连有搅拌桨(7)，罐底中心位置设有快装盲板出渣口（13），其上部置有滤网（12）、快装盲板出渣口（13）中心开孔为浓缩液及融冰水出口（20），罐体(1)外设有聚氨酯保温层（19）。

所述导热板的垂直高度接近罐体圆柱形部分的高度，导热板按径向宽度分为宽板和窄板两种，宽版宽度比罐体半径小（5-10）厘米，窄板宽度(cm)=1/2罐体半径，宽板和窄板以间距5cm～20cm交替紧密焊接在罐体侧壁上，导热板表面作抛光处理，导热板可增加罐内换热面积6-40倍。

所述搅拌浆为螺旋桨式搅拌桨，根据罐体的大小和水溶液的粘稠度可在搅拌轴上安装1-5个搅拌桨。

在罐底中心位置设快装盲板出渣口，直径在10-30cm。

本实用新型的有益效果

本实用新型在冷冻浓缩罐的圆柱体侧壁上垂直、径向焊接多块不锈钢导热板，这种设计与罐体侧壁传热方式比较可增加罐内换热面积6～40倍，显著提高罐内水分结晶的传热效率。利用设备的这一结构特点，可实现悬浮结晶与层状结晶两种方法的扬长避短的组合并在一个罐体内完成。

本实用新型冷冻浓缩采用了两个阶段完成，第一阶段采用悬浮结晶法，充分利用浮冰晶比表面积大、水分结晶迅速的优势。此阶段通过搅拌桨转速和冷媒温度控制促进结晶均匀的迅速生长，尤其利用导热板的特性使传热均匀、避免局部温差过大和出现层状结晶冻结。本实用新型与现有悬浮结晶方法不同之处在于：结晶和母液并不需要移出冷冻浓缩罐进行复杂的冰晶分离操作，而是在罐内继续降温直接进行层状结晶。

第二阶段采用层状结晶冻结，以充分利用层状结晶的冰晶体大、浓缩液较易分离的优势。借助于本实用新型的导热板，可使罐内的换热面积增加6～40倍，显著改善层状结晶的传热速率、缩短了传热距离，也为水分结晶状冻结提供了6～40倍的结晶表面，突破了层状结晶热传效率低的障碍，实现了罐内溶液的整体冻结。克服了传统层状结晶冰结传热效率低、无法实现一定规模生产应用的限制。

目前生产上为实现冷冻浓缩，需要配备多台设备以完成浓缩前后多道工序。如制备浓缩澄清果汁，需要榨汁(取汁)、过滤澄清、冷冻浓缩几工序和相应设备，生产过程需要设备多，工艺流程及操作复杂，设备投资及运营成本高。

本实用新型冷冻浓缩罐将各工序的技术实现方式及设备的结构进行组合设计，可实现在单个罐体中，完成取汁、过滤澄清、冷冻浓缩等几个工序。由于本实用新型冷冻浓缩罐的结构设计，可以在生产规模上实现罐内水溶液的整体冻结，冻结过程中一方面将悬浮物质冻结在冰体中，另一方面由冰晶颗粒构成的冻结冰体是一个很好的过滤床层，将悬浮微粒有效地阻滞在冰晶体中。当浓缩液从冰体中折出时不但实现了浓缩，同时还去除了悬浮物，因此，本实用新型具有在单一罐体内完酶解、取汁、过滤澄清和浓缩等多个工序的性能。

本实用新型在罐体侧壁垂直、径向焊接的导热板将罐内的冻结物分割成多个独立的竖直冰柱，结合罐底加热夹套的设计，在罐底形成一个融冰区域。当冰柱下端被罐底加热融化产生融冰水后，在重力作用下冰柱整体会逐渐滑落浸入罐底融冰水中，被连续地加热融化，该设备具有冻结冰体融化和清除简易、彻底和快速的特点。罐底设计的大口径快装盲板出渣口适于罐内皮籽、果肉等悬浮物排放。设备上端设有脱气孔，可以方便地脱除溶液中的气体，减少氧化。

本实用新型的罐底加热夹套可直接通入待处理溶液或通过传热介质与待处理溶液进行热交换，利用罐内冻结冰体融化对后续待处理溶液进行降温和预冷，实现对冻结冰体冷源的充分利用和节能降耗。

本实用新型冷冻浓缩罐将多工序集成在单一罐完成，有工艺流程和操作简捷、投资和运行费用低、节能降耗等显著的优势和实质性效果。可应用于食品、制药以及工业生产中水溶液低温浓缩。

附图说明

为更清晰的说明本实用新型实施例和现有技术方案，下面对实施例和现有技术方案描述使用的附图做简单的介绍。

图1为本实用新型的结构图。

图2为本实用新型的剖面图。

图中：罐体(1)、观察孔（2）、进料孔（3）、测温器（4）、脱气孔（5）、减速电机（6）、搅拌活结（6）、螺旋桨搅拌（7）、冷媒入口（8）、冷媒出口（9）、导热板（10、11）、滤网（12）、快装盲板出渣口（13）、冷媒夹套（14）、加热夹套（15）、加热介质进口（16）、加热介质出口（17）、罐脚（18）、聚氨酯保温层（19）、浓缩液及融冰水出口（20）组成。

具体实施方案

下面结合附图，举实施例说明本实用新型的操作特点以及优点。

参见附图1，一种水溶液的冷冻浓缩设备，其罐体1为圆柱体的不锈钢罐体，在罐顶部设有观察孔2、进料孔3、测温器4和脱气孔5、减速电机6。脱气孔5与真空泵连接，用于对罐体内抽真空，实现真空吸料和溶液脱气。减速电机6用于带动搅拌桨7对罐体内容物进行搅拌，搅拌浆为螺旋桨式搅拌桨，根据罐体的大小和水溶液的粘稠度可在搅拌轴上安装1-5个搅拌桨。罐体侧壁设置冷媒夹套14用于通过入冷媒或直接通入制冷剂对罐体进行制冷，冷媒从冷媒夹套进口8进入，由冷媒出口9流出进入制冷设备。在罐体的底部设置加热夹套15，内通入加热介质，加热介质从加热介质进口16进入，加热介质出口17流出，用于对罐内溶液进行加热或融化罐内冻结冰体，罐体底部设有罐脚18。

在罐体内侧壁上垂直、径向焊有多块不锈钢导热板10、11，导热板的垂直高度接近罐体圆柱形部分的高度，导热板按径向宽度分为宽导热板10和窄导热板11两种，宽导热板10的宽度(cm)=罐体半径-(5～10)，窄导热板(11)宽度(cm)=罐体半径/2，宽导热板10和窄导热板11以间距5cm～20cm交替紧密焊接在罐体侧壁上，导热板表面作抛光处理，根据罐体内设置的导热板数量和大小，可增加罐内换热面积6-40倍, 能将罐内各部位溶液的热量迅速移出，缩短了传热间离、提高了传热速率，也为水分结晶冻结提供了很大的结晶表面。此外，导热板还将罐内的冻结物分割成多个独立的竖直冰柱，当冰柱下端被罐底加热融化后，在重力作用下冰柱整体会逐渐滑落浸入罐底融冰水中，被连续地加热融化，实现了罐内冻结冰体的迅速融化和简易彻底清除。

在罐底中心位置设快装盲板出渣口13，直径在10-30cm，适于罐内悬浮物残渣便捷排放。在快装盲板上设置滤网12用于分离浓缩液时滤除冰晶体。在快装盲板中心开孔作为浓缩液及融冰水出口20，整个冷冻浓缩罐体外设置聚氨酯保温层19进行隔热。

下面以浓缩杏浆为例进一步说明：

a.鲜杏经清洗、去核、破碎得到可溶性固形物含量为13°Brix的杏浆500kg, 利用真空吸料从进料孔3进入本实用新型冷冻浓缩罐；称取200g果浆水解酶于1kg水中溶解、稀释得到酶液，将酶液加入到待酶解的杏浆中，开启设备搅拌，1h后停止搅拌，室温静置酶解3h；

b.将步骤a的杏浆降温至5℃，继续酶解5h，此步骤通过以下操作实现，将-5℃的酒精由泵经冷媒入口8送入冷媒夹套14，采用逆流换热循环，换热后的酒精由冷媒出口9流入制冷机酒精缸继续冷冻，进行制冷循环。开启螺旋桨搅拌7，观察测温器4，至杏浆降温到5℃后停止制冷和搅拌；

c.将步骤b的杏浆通过冷媒夹套循环-5℃酒精换热进行悬浮结晶，搅拌和夹套制冷4h后结晶完成；导热板可加快果汁降温，使水分迅速形成悬浮结晶；

d.将步骤c的杏浆停止搅拌，进一步降温进行层状结晶冻结，通过冷媒夹套循环-20℃酒精换热7h，完成罐内杏浆整体冻结，停止制冷。

e.将步骤d的杏浆静置2h，打开浓缩液及融冰水出口20放出浓缩澄清杏汁，浓缩杏汁可溶性固形物含量为22°Brix，当杏汁可溶性固形物含量降至1°Brix，关闭浓缩液及融冰水出口20。

f.将完成步骤e在冷冻浓缩罐底的加热夹套中通入25℃的待预冷杏汁，用待预冷杏汁的热量融化罐内冻结冰体，被导热板分割的竖直冰柱随下端融化在重力作用逐渐滑落入罐底的融冰水中，被连续快速融化，2h后罐内冰体全部融化，打开快装盲板出渣口13排出杏渣和融冰水混合物。

Claims (4)

1.一种冷冻浓缩设备，其特征在于，包括罐体(1)，所述罐体的下面焊接有罐脚（18），所述罐体（1）为圆柱形的不锈钢罐，罐体（1）的侧壁设有冷媒夹套（14），罐体（1）的底部为圆弧形，底部设有加热夹套（15），罐内侧壁上径向垂直交替焊接有若干块不锈钢导热宽板（10）和导热窄板（11），罐盖上设有观察孔（2）、进料孔（3）、测温器（4）、脱气孔（5）、减速电机（6），减速电机（6）下连有搅拌桨(7)，罐底中心位置设有快装盲板出渣口（13），其上部置有滤网（12）、快装盲板出渣口（13）中心开孔为浓缩液及融冰水出口（20），罐体(1)外设有聚氨酯保温层（19）。

2. 根据权利要求1所述的冷冻浓缩设备，其特征在于， 所述导热宽板（10）的宽度比罐体半径小5-10厘米，窄板宽度（11）为罐体半径的一半，宽板和窄板的间距为5cm～20cm，表面作抛光处理。

3. 根据权利要求1所述的冷冻浓缩设备，其特征在于， 所述搅拌浆（7）为螺旋桨式搅拌桨，搅拌桨的个数为1-5个。

4. 根据权利要求1所述的冷冻浓缩设备，其特征在于，所述快装盲板出渣口的直径为10-30cm。