DE1501201A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Gefrieren - Google Patents

Description

Background der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gefrieren bzw. Frosten von wässrigen Systemen mittels Abkühlens auf eine genügend niedrige Temperatur, so dass sich feste bzw. starre "Eis"-Partikel bilden. Eine solche Technik ist im Fall von Sole-Systemen bzw. bei Soleanlangen anwendbar, um Eis zu erzeugen, welches im wesentlichen salzfrei ist, um dadurch ein Entsalzen zu bewirken und beispielsweise Trinkwasser zu erzeugen. Diese Technik ist auch dafür anwendbar, Wasser aus dem wässrigen System zu entfernen, beispielsweise bei der

Herstellung von konzentrierten Fruchtsäften.

Da die Verfahrenstechniken des Gefrierens weitgehend für beide Anwendungsmöglichkeiten verwendet werden können, wird die Erfindung im Nachstehenden nur mit Bezug auf "Sole" /"brine"/ beschrieben und daraus ergibt sich, dass, soweit anwendbar, der Ausdruck "Sole" so verstanden werden soll, dass Obst- und Gemüsesäfte, Erfrischungsgetränke und sonstige ähnliche wässrige Systeme eingeschlossen sind.

Es sei ferner darauf hingewiesen, dass das sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bildende Eis richtiges bzw. echtes Eis oder auch ein Hydrat sein kann, welches sich beispielsweise zwischen Wasser und dem Kühlmedium oder Kühlmittel /refrigerant fluid/ bildet.

Ein herkömmlicher Verfahrensweg der Eisbereitung läuft darauf hinaus, ein flüssiges Kühlmittel, wie beispielsweise Butan, in einen gerüttelten Tank bzw. Rührtank mit Sole zu leiten und das Kühlmittel dadurch zum Verdampfen zu bringen, dass Dampf vom Bereich oberhalb der Soleoberfläche entzogen wird. Die latente Verdampfungswärme des Kühlmittels wird der Sole entzogen, die dadurch gekühlt wird, damit sie Eispartikel bildet. In Abhängigkeit von der Art des Kühlmittels und den Temperatur- und Druckbedingungen wird entweder echtes Eis oder ein festes Hydrat bei dem Kühlmittel erzeugt. Wenn auf diese Weise flüssiges Propan als Kühlmittel verwendet wird, wird das Hydrat immer wieder erzeugt, da es in reinem Wasser bei Drücken über 65 psig bei einer Temperatur von 42°F stabil ist.

Es ist allgemein bekannt, dass die Eispartikel, die sich bei einem solchen Gefrierverfahren bilden, im wesentlichen frei von Sole sind, und daher besteht das Problem bzw. die Aufgabe darin, diese Eispartikel aus dem Eisgenerator zu entfernen, irgendeine anhaftende Sole zu entfernen und sie zu schmelzen, um als Produkt Frischwasser einer Qualität zu erhalten, welche als Trinkwasser oder für landwirtschaftliche Zwecke geeignet ist. Unglücklicherweise pflegt die anhaftende Soleschicht jedoch sehr beharrlich und zäh zu sein, und die mit ihrer Entfernung zusammenhängenden Probleme sind äußerst schwierig. Es sei darauf hingewiesen, dass beispielsweise durch einfaches Entwässern bzw. Trocknen im wesentlichen keine Sole entfernt wird, da die Oberflächenspannungseffekte genügen würden, eine Solesäule auf einer Höhe von etwa 70 cm zu halten.

Es ist bekannt, dass Eiskristalle im allgemeinen eine sechseckige Form aufweisen und es so eingerichtet werden kann, dass sie als flache Plättchen wachsen. Es hat sicher herausgestellt, dass bei der Trennung solcher Eiskristalle von der anhaftenden Sole, wie beispielsweise durch das Verfahren gemäß der anhängigen britischen Patentanmeldung 761/66 gleichen Datums und von der gleichen Anmelderin beschrieben, bessere Ergebnisse erzielt werden, wenn Eiskristalle von annähernd gleichachsiger Form verwendet werden können. Das bedeutet, dass ein wirtschaftlicher Vorteil eintritt, wenn größere und besser geformte Eiskristalle erzeugt werden.

Es ist auch bekannt, dass es im allgemeinen einfacher ist, die anhaftende Sole von größeren Eiskristallen als von kleineren Kristallen zu entfernen, und es war bisher allgemein üblich, die größeren Eiskristalle aus dem Eisgenerator als Produkt zu entfernen und die kleineren Kristalle wieder in den Kreislauf zurückzuleiten. Bei einer Anordnung (vgl. beispielsweise USA-Patentschrift 3 148 143 von Donath) werden die wieder in Umlauf gebrachten Kristalle durch eine relativ warme Zone geleitet, in welcher die meisten von ihnen geschmolzen werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Gefrieren bzw. Frosten zu schaffen, welches sich dazu eignet, besser geformte Kristalle zu erzeugen.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Gefrieren von Sole erbracht, welches die Verfahrensschritte aufweist, ständig Kühlung einer Solemasse in einem Eisgenerator /freezer/ zu bewirken, von dieser Masse eine Art Brühe /slurry/ bzw. ein Flüssig/Fest-Gemisch von Eiskristallen in der Sole zu entfernen und dieselbe nach einer Aufteilvorrichtung /classifier/ zu leiten, um den Eisanteil in drei Teile aufzuteilen, den Teil mit den größten Abmessungen nach einem Eis/Wasser-Separator zu leiten, den Teil mit mittleren Abmessungen nach dem Eisgenerator ohne wesentliches Schmelzen zurückzuleiten und den Teil mit den kleinsten Abmessungen nach dem Eisgenerator nach dem Schmelzen des letztgenannten Teils zurückzuleiten.

Es ist zu ersehen, dass gemäß der Erfindung in der Hauptsache die größten Kristalle aus dem Eisgenerator zum Weiterleiten nach dem Separator abgezogen werden, während die kleinsten Kristalle zerstört bzw. aufgelöst werden, um so die Anzahl der Kerne zu verringern, die in der gefrierenden Sole verfügbar sind, um das Wachstum der in der Sole vorhandenen Kristalle zu beschleunigen bzw. vorwärtszutreiben. Zweckmäßigerweise können die zurückgeleiteten Kristalle zermalmt bzw. zerbrochen werden. Das hat zur Folge, dass, da die Kristalle plättchenförmig ausgebildet sind, die Stärke durch den Zermalmungsvorgang nicht wesentlich verringert wird, und daher sind, obwohl ein bevorzugtes Wachstum in den plättchenförmigen Kristallen, welche wiederum erhalten werden, erfolgt, diejenigen Kristalle, die auf oder aus den zermalmten Kristallen gewachsen sind, die zurückgeleitet wurden, im allgemeinen dicker. Auf diese Weise hat der Rückleitungs- und Zermalmungsvorgang die Tendenz, das Wachstum von mehr annähernd gleichachsigen Kristallen vorwärtszutreiben.

Obwohl das Frosten vorzugsweise durch das Einbringen einer Kühlmittelflüssigkeit, wie voraufgeführt, bewirkt wird, kann es auch in bekannter Weise durch eine Vakuumpumpeinrichtung bewirkt werden.

Das Schmelzen der kleinsten Kristalle wird zweckmäßigerweise dadurch bewirkt, dass sie in die frische Solezuführung nach dem Eisgenerator geleitet werden, so dass die latente Schmelzwärme der Kristalle der einfließenden Sole entzogen wird.

Jede geeignete Form einer Trenn- bzw. Aufteilvorrichtung kann verwendet werden, aber vorzugsweise wird die als Siebkurve /sieve bend/ bekannte Art verwendet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Damit die Erfindung klarer zum Asudruck kommt, wird nunmehr eine Ausführungsform gemäß der Erfindung anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher beschrieben, welche ein schematisches Strömungsbild wiedergibt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Gemäß der Zeichnung wird frisches Salzwasser oder frische Sole bei einer Temperatur von etwa 70°F (21°C) durch eine Rohrleitung 1 nach einem Wärmeaustauscher 2 geliefert und von dort durch ein Rohr 3 nach einem Eisgenerator 6 geleitet. Frost bzw. Kälte wird im Eisgenerator 6 erzeugt, indem diesem eine

Strömung von flüssigem Butan durch eine Rohrleitung 7 zugeführt wird und gasförmiges Butan durch eine Rohrleitung 8 mittels eines Kompressors 9 entzogen wird.

Der Grad der Frostung wird so gesteuert, dass plättchenartige Kristalle in einem Gemisch /slurry/ entstehen, das etwa 15-20% Eis enthält, und diese Brühe wird von dem Eisgenerator durch eine Rohrleitung 10 abgezogen und nach einer Aufteileinrichtung /classifier/ 11 geleitet, welcher den Eisanteil in drei Teile aufteilt. Der größer bemessene Teil bzw. der Teil mit der größten Größe wird von der Aufteileinrichtung 11 durch eine Rohrleitung 12 nach dem unteren Teil eines Eis/Wasser-Separators 13 geleitet, welcher herkömmlich in der anhängigen Anmeldung der gleichen Anmelderin beschriebenen Art ausgebildet ist. Der Teil mit mittlerer Größe wird aus der Aufteilvorrichtung 11 durch eine Rohrleitung 14 abgezogen, durch eine Brechvorrichtung 15 geleitet und nach dem Eisgenerator 6 durch eine Rohrleitung 16 wieder in Umlauf gebracht, um als Kerne zu dienen. Der am kleinsten bemessene Teil bzw. der Teil mit der kleinsten Größe wird von der Aufteileinrichtung 11 durch eine Rohrleitung 17 abgezogen und in die Rohrleitung 3 geleitet, wodurch diese kleinen Eiskristalle geschmolzen werden, bevor sie wirklich in den Eisgenerator 6 gelangen, und gleichzeitig dazu dienen, die einströmende Sole zu kühlen.

Im Separator 13 wird Sole durch eine Rohrleitung 18 abgezogen und ein Teil wird durch eine Rohrleitung 19 nach dem Eisgenerator 6 wieder in Umlauf gebracht, wobei, falls gewünscht, ein Teil unmittelbar entweder nach der Rohrleitung 10 oder der Rohrleitung 12 zurückgeleitet wird.

Ein weiterer Teil der in der Rohrleitung 18 fließenden Sole wird als Abfall durch die Rohrleitung 20 ausgeschieden und passiert die Wärmeaustauscher 2 und wird von dort nach der Rohrleitung 21 geleitet.

Das erzeugte Eis vom Separator 13 wird durch eine Rohrleitung 22 nach einer Schmelzvorrichtung 23 geleitet und Frischwasser verlässt diese Schmelzvorrichtung durch eine Rohrleitung 24, wobei ein Teil des Frischwassers durch eine Rohrleitung 25 als Schwemmwasser /wash water/ für den Separator 13 wieder in Umlauf versetzt wird und der Rest durch eine Rohrleitung 26 nach dem Wärmeaustauscher 2 und von dort nach einer Rohrleitung 27 zur Wegnahme des Produktes geleitet wird. Das warme flüssige Butan vom Kompressor 9 wird durch eine Rohrleitung 28 nach der Schmelzvorrichtung 23 geleitet, um darin gekühlt zu werden, und von der Schmelzvorrichtung wird es durch die Rohrleitung 7 nach dem Eisgenerator 6 geleitet.

Die Konstruktion des Eisgenerators ist im allgemeinen eine solche, wie sie durch den Stand der Technik bekannt ist, aber sie weist im allgemeinen eine etwas größere Kapazität auf, da nicht der gesamte Ausgang des Eisgenerators zum Weiterleiten nach dem Separator 13 akzeptiert bzw. angenommen wird. Es wurde errechnet, dass, falls die Eispartikelgröße, die dem Separator 13 zugeführt wird, verdoppelt wird, die spezifische Strömungsgeräte durch diesen Separator um einen Faktor 3 vergrößert werden kann und die Querschnittsfläche um einen ähnlichen Faktor verringert werden kann. Wenn in der Praxis die Konstruktion des in der anhängigen Patentanmeldung der gleichen Anmelderin beschriebenen Separators verwendet wird, hat die Vergrößerung der Partikelgröße auch eine Erhöhung der Zahl der erforderlichen Dampfzuleitungen /risers/ um einen Faktor in der Größenordnung von 36 zur Folge. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass das Gesamtergebnis darauf hinausläuft, dass der Separator 13 ungefähr das gleiche Volumen, aber einen stark verringerten Durchmesser aufweist, verglichen mit einem für kleine Eispartikel konstruierten Separator.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen -- oder in Kombination -- in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Claims (9)

1. Verfahren zum Gefrieren wässriger Flüssigkeiten, insbesondere Sole, welches darin besteht, ständig Kühlung einer Solemasse in einem Eisgenerator zu bewirken, und eine Brühe aus Eiskristallen in der Sole von dieser Masse zu entfernen, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte, die Brühe durch eine Aufteileinrichtung zu leiten, um den Eisanteil in drei Teile zu teilen, den Teil mit der größten Größe nach einem Eis/Wasser-Separator zu leiten, den Teil mit der mittleren Größe nach dem Eisgenerator ohne wesentliches Schmelzen zurückzuleiten und den Teil mit der kleinsten Größe nach dem Eisgenerator nach dem Schmelzen des letztgenannten Teils zurückzuleiten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil mit der mittleren Größe vor der Rückleitung nach dem Eiserzeuger zerbrochen bzw. zermalmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Sole im Eisgenerator dadurch bewirkt wird, dass sie durch ein verdampfungsfähiges Kühlmedium geleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium Butan ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium Propan ist und die Temperatur und der Druck derart sind, dass das Eis ein Hydrat ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil mit der kleinsten Größe der Eiskristalle dadurch geschmolzen wird, dass sie in eine frische Solezuführung nach dem Eisgenerator geleitet werden.

7. Entsalzungsvorrichtung mit einem Eis/Wasser-Separator und einem Eisgenerator, der einen wässrigen Flüssigkeitseinlaß und einen -auslaß für Eisbrühe aufweist, gekennzeichnet durch eine Aufteilvorrichtung, die den Eisanteil in drei Teile aufzuteilen vermag; durch eine Einrichtung, um den Teil mit der größten Größe der Eiskristalle von der Aufteilvorrichtung nach dem Eis/Wasser-Separator zu leiten, durch eine Einrichtung, um den Teil mit mittlerer Größe der Eiskristalle nach dem Eisgenerator, damit diese darin weiter wachsen, zurückzuleiten, sowie durch eine Einrichtung, um den Teil mit der kleinsten Größe der Eiskristalle nach dem Einlaß an einer solchen Stelle zurückzuleiten, dass das Schmelzen dieser Kristalle vor dem Eindringen in den Eisgenerator eingetreten ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brechvorrichtung vorgesehen ist, um den Teil mit mittlerer Größe vor der Wiedereinführung in den Eisgenerator zu zermalmen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteileinrichtung eine Siebkurve ist.