DE69513799T2 - Eindickungsverfahren und Vorrichtung durch Ausfrieren - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gefrierkristallisations-Konzentrationssysteme, die verwendet werden, um Wasser aus einer Lösung zu separieren, in der Feststoffe aufgelöst oder suspendiert sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf verbesserte Gefrierkristallisationsvorrichtungen und -verfahren, die einen Einzeldurchgangs- oder Ein-Schritt-Kristallisationsprozeß anwenden, die effizienter und ökonomischer sind als existierende Systeme.
• Die Verwendung von Gefrierkristallisations-Konzentrationssystemen zum Trennen von Flüssigkeitszuströmen in eine mehr gereinigte Flüssigkeit und ein Konzentrat ist bekannt. Diese Systeme haben mehrere Anwendungen, einschließlich der Umwandlung eines kontaminierten Abwasserstroms in Frischwasser und Konzentrat, Entsalzung von Seewasser, Konzentration von Lösungen oder Suspensionen, die Lebensmittel enthalten, beispielsweise Orangensaft oder Kaffee, und Trennen von Lösungen von Chemikalien, die unterschiedliche Gefrierpunkte haben. In einigen dieser Fälle ist das gewünschte Produkt gereinigtes Wasser, das durch Schmelzen des Eises, das in solchen Systemen gebildet wird, erhalten werden kann, aber in anderen Fällen ist das gewünschte Produkt das Konzentrat.
• Gefrierkristallisations-Konzentrationsprozesse arbeiten unter Ausnutzung des wissenschaftlichen Prinzips, daß Eiskristalle, wenn sie ausfrieren, gelöste Verunreinigungen ausschließen, einschließlich organischer Stoffe, anorganischer Stoffe und flüchtiger Stoffe. Auf diese Weise bestehen die resultierenden Eiskristalle aus gereinigetem Wasser.
• Im allgemeinen umfassen Gefrierkristallisationssysteme zumindest einen Gefrierkristallisator zur Bildung von Eiskristallen und Konzentrat und zumindest eine Waschsäule zum Separieren von Eis vom Konzentrat und zum Waschen der Oberfläche der Eiskristalle. Systeme, die nur einen Gefrierkristallisator und eine Waschsäule aufweisen, werden als Einzelstufen- oder Einschrittsysteme bezeichnet.
• Es wurden Systeme eingesetzt, die zwei Gefrierkristallisatoren und zwei Waschsäulen verwenden, die als Zweistufensysteme bezeichnet werden. Ein Beispiel eines Zweistufen- Gefrierkristallisationssystems ist im US-Patent Nr. 3885399 von Robert J. Campbell beschrieben. Das in diesem Patent beschriebene System rezykliert Konzentrat von der erststufigen Waschsäule und verwendet das rezyklierte Konzentrat als Waschwasser in der zweitstufigen Waschsäule. Ein weiteres Zweistufen-Gefrierkristallisationssystem ist im US- Patent Nr. 4091635 von Abraham Ogman beschrieben. Dieses Patent verwendet zwei separate Kristallisatoren, die beide den einlaufenden Zustrom durch Direkteinspritzung von Sekundärkühlmitteln in die Zufuhr kühlen. Der Druck im Kristallisator wird so aufrechterhalten, daß das Kühlmittel verdampfen kann, wodurch ausreichend Wärme von dem Eingangszustrom abgezogen wird, um Eiskristallbildung zu verursachen.
• Eines der Hauptprobleme der bekannten Gefrierkonzentrationssystemen war die Entfernung der Eiskristalle aus dem Konzentrat. Dieses Problem verstärkt sich mit ansteigender Konzentration und Viskosität. Viele Verfahren wurden ausprobiert oder vorgeschlagen, um dieses Problem zu lösen, taten dies aber mit zweifelhaftem Erfolg. Beispielsweise ist in den meisten Fällen der Einsatz eines einstufigen Systems, bei dem der Zustrom nur einmal den Gefrierkristalli sator passiert, unzulänglich, um die gewünschte Konzentration zu erzeugen. Deshalb wurde vorgeschlagen, einen zweiten Gefrierkristallisator in einem zweistufigen System zu verwenden oder etwas von dem Konzentrat zurück zum ersten Gefrierkristallisator ohne irgendwelche Eiskristalle im Zustrom zurückzusenden.
• Eins der Hauptprobleme bei der Zweistufenlösung liegt in der Verdoppelung der teueren Ausstattung, die in Zweistufensystemen erforderlich ist, z. B. Waschsäulen, Filter oder Zentrifugen und Kühlsysteme, was zu einem Wärmeverlust führt und die Energiekosten pro Pfund entfernten Wassers erhöht. Ein weiteres Problem bei zweistufigen Systemen ist ihre begrenzte Fähigkeit hochkontaminierte Förderströme zu behandeln. Ein Grund dafür ist, daß, wenn die Konzentration des Zustroms relativ hoch ist, die erzeugten Eiskristalle relativ klein und somit schwer zu waschen sind (die Rate des Eiskristallwachstums ist umgekehrt proportional zur Konzentration der umgebenden Flüssigkeit). Lösungen für dieses Problem wie Verdünnen des Zustroms, Erhöhen der Haltezeit in Waschsäulen, Bauen von größeren Waschsäulen, Vorsehen feinerer Filter und bessere Siebe in Zentrifugen führt ebenso zu übermäßigem Energieverbrauch oder erhöhten Kapitalkosten.
• Ein weiteres wesentliches Problem bei Gefrierkristallisationssystemen entweder des Ein- oder des Zweistufentyps war der kostenaufwendige und ineffiziente Aufbau der Gefrierkristallisatorvorrichtung selbst. Indirekte Gefrierkristallisatoren, bei denen das Kühlmittel getrennt vom Zustrom gehalten wird, wurden in verschiedenen Formen gebaut und patentiert. Meist gebräuchlich waren die Abschab- Wärmetauscher oder Fallfilm-Wärmetauscher, die typischerweise entweder Drehmotoren oder hydraulischen Druck der Flüssigkeit als Antriebskraft nutzen. Alle diese Aufbauten haben ernste Beschränkungen einschließlich einer Beschränkung des Anteils von Eiskristallen, die in einem einzelnen Durchgang erzeugt werden, was bestenfalls einen Eisanteil von etwa 40% gewesen ist. Drehschaberkristallisatoren müssen vom Aufbau her relativ groß sein, und hydraulisch betriebene Kristallisatoren, einschließlich des Fallfilmtyps, sind auf bestimmte räumliche Orientierungen beschränkt. Der Fallfilmtyp muß in einer Vertikalposition arbeiten, wobei der Zustrom an der Oberkante eintritt; er ist auch empfindlich gegen die Viskosität der Flüssigkeit, die er verarbeitet. Hydraulisch betriebene Gehäuse- und Rohrkristallisatoren müssen in einer horizontalen Position betrieben werden. Gehäuse- und Rohr-Gefrierkristallisatoren, die den Zustrom durch Direkteinspritzung des Kühlmittels in den Zustrom kühlen, beispielsweise wie in dem obengenannten US-Patent Nr. 4091635, zeigen verschiedene zusätzliche Nachteile. Die Verwendung des Direktkühlmittels, das einen erhöhten Druck im Behälter erzeugt, der abhängig davon fluktuiert, ob die Vorrichtung betrieben wird, erfordert einen dicken Rohrwandungsaufbau, was eine geringe Wärmeübertragungseffizienz und eine geringe Rohrdichte pro Fläche mit sich bringt, was in einer großen Gesamtgröße resultiert.
• Als Ergebnis der vorgenannten Probleme gibt es sehr wenige Gefrierkonzentrationssysteme, die mit anderen Trennprozessen, die in der Industrie bekannt sind, wie Destillation, Elektrodialyse oder Rückosmose wetteifern können, die allgemein bekannte, aber teure Verfahren zum Entfernen von Wasser aus einer Lösung sind, die aufgelöste Feststoffe wie Salze und andere Materialien enthalten. Anderer Projekte, in denen Gefrierkonzentrationssysteme erfolgreich hätten verwendet werden können, sind wegen der obenerwähnten Probleme fehlgeschlagen, was die Verwendung von solchen Gefrierprozessen eingeschränkt hat und ihre kommerzielle Anwendung verhindert hat.
• Die US-A-3049889 beschreibt ein System zur Trinkbarmachung einer Salz- oder Solelösung mit den Schritten des Durchleitens einer Solelösung in einen Gefrierbehälter, Evakuieren des Gefrierbehälters zu einem Druck, der ein Blitzgefrieren der Solelösung verursacht, wodurch eine Mischung von Eis und Sole in dem Gefrierbehälter erzeugt wird, durch Gravitation partielles Trennen des Eises von der Mischung, Überleitung des partiell separierten Eises an einen Zentrifugal-Separator und -Wascher, Kondensieren relativ reinen Wassers aus Wasserdampf, der beim Evakuieren aus dem Gefrierbehälter entfernt wurde, Überleiten zumindest eines Teils des kondensierten Wasserdampfes über das Eis in dem Zentrifugalseparator, während gleichzeitig der Zentrifugaltrenner gedreht wird, um das getrennte Eis darin von der Sole, die auf der Oberfläche und in Zwischenräumen des Eises verbleibt, zu waschen, Sammeln des gewaschenen und getrennten Eises und Aufschmelzen des gesammelten Eises, um Trinkwasser zu erzeugen.
• Diese Erfindung schafft ein Verfahren zum Trennen eines Flüssigkeits Zustroms in ein Konzentrat der Flüssigkeit und einer reineren Form unter Verwendung einer Vorrichtung mit einem Gefrierkristallisator, einer ersten Leitung, einem Separator und einer zweiten Leitung von dem Kristallisator zu dem Separator,
• dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte aufweist: Richten eines Flüssigkeitszustroms in eine Waschsäule, Leiten des Zustroms über die erste Leitung von der Waschsäule zum Gefrierkristallisator derart, daß der Zustrom in einem einzelnen Durchlauf durch den Kristallisator strömt, Bilden von Kristallen aus dem Zustrom an der Innenfläche des Kristallisators, gleichzeitiges Entfernen der Kristalle von der Innenfläche des Kristallisators, Kombinieren der Kristalle mit dem Zustrom in dem Kristallisator, um einen Schlamm oder eine Suspension aus Kristallen und konzentrierter Flüssigkeit zu bilden, und Pumpen der Suspension aus dem Kristallisator, Leiten der Suspension über die zweite Leitung von dem Kristallisator in den Separator derart, daß die Suspension den Separator in einem einzelnen Durchlauf passiert, und Trennen der Kristalle und der kon zentrierten Flüssigkeit von der Suspension in dem Separator unter Einsatz eines dichtebasierenden Trennverfahrens.
• Auf diese Weise löst die Erfindung die obengenannten Probleme durch Schaffen einer effizienteren, kosteneffektiveren und zuverlässigen Vorrichtung und einem Verfahren zum Trennen von Wasser aus einer Lösung, die aufgelöste Feststoffe enthält, durch Gefrierkristallisation als es vorher möglich war. Insbesondere wird dies durch den Einsatz eines einstufigen Gefrierkristallisationsprozesses erzielt, bei dem eine verbesserte Gefrierkristallisationsvorrichtung zum Erzeugen einer Suspension aus Eiskristallen und Flüssigkeitskonzentrat und einen verbesserten Separator zum Entfernen der Eiskristalle von dem Konzentrat verwendet werden.
• Die Gefrierkristallisationsvorrichtung erzeugt Eiskristalle mit minimalen Kosten und maximaler Effizienz durch Kombinieren des erforderlichen Pumpens und der Schabkräfte in einem einzelnen Antrieb. Die Gefrierkristallisationsvorrichtung verwendet einen indirekten Kühlprozeß mit einem sekundären Kühlmedium, was zu einem geringeren Druck innerhalb des Behälters führt, zu nah beabstandeten Rohren, dünneren Rohrwandungen für effizientere Wärmeübertragung, und die in jeder Position oder Orientierung arbeiten kann. Dies ist insbesondere wichtig, wenn die Vorrichtung in einem auf See befindlichen Schiff verwendet wird. Die Gefrierkristallisationsvorrichtung der Erfindung erzeugt einen höheren Prozentsatz von Eiskristallen in einem einzelnen Durchlauf, bis angrenzend an 50% Eisanteil, wodurch das Erfordernis für Rezirkulation vermieden wird.
• Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Trennen eines Flüssigkeitszustroms in ein Konzentrat der Flüssigkeit und eine gereinigte Form, wobei die Vorrichtung einen Gefrierkristallisator zur Aufnahme eines Flüssigkeitszustroms aufweist und die Suspension aus Kristallen und einer konzentrierteren Flüssigkeit erzeugt, einen Separator zum Trennen der Suspension von dem Kristallisator und zum Trennen der Kristalle und des Konzentrats basierend nur auf einer Zentrifugalwirkung, wobei der Flüssigkeitszustrom über eine erste Leitung zu einer Waschsäule geleitet wird und von der Waschsäule zum Gefrierkristallisator über eine zweite Leitung, wobei der Kristallisator eine Innenfläche aufweist, auf der sich Kristalle bilden, einen Schabermechanismus zum Entfernen der Kristalle von der Innenfläche und zum Kombinieren der Kristalle mit dem Zustrom zur Erzeugung einer Suspension, einer Pumpe zum Leiten der Suspension aus dem Kristallisator, und einen einzelnen Antriebsmechanismus zum mechanischen Antreiben sowohl des Abschabe-Mechanismus als auch der Pumpe.
• Die Eistrennvorrichtung der Erfindung löst das Eisentfernungsproblem durch Extrahieren von Eiskristallen aus der Suspension mit hohem Prozentsatz, mit bis zu etwa 95% Trennung, ohne Verwendung von teueren Sieben oder Filtern. Dies wird mit einer sieblosen Zentrifuge erreicht, die das Konzentrat ohne jede Freilegung zu Luft entfernt (die meisten Konzentrate sind bei Anwesenheit von Luft dem Aufschäumen ausgesetzt, was typischerweise zusätzliche Vorrichtungen und Kosten zum Reduzieren erfordert, wie sich beispielsweise aus den Fig. 2-3 der US-Patent-Nr. 4036619 von Ganiaris ergibt). Die Eiskristalle werden durch einen Schabermechanismus wie eine Schnecke entfernt, die innerhalb einer drehbaren Trommel, die die Zentrifuge bildet, dreht, jedoch mit geringfügig unterschiedlicher Geschwindigkeit.
• Die Gefrierkristallisations- und Eistrennvorrichtung der Erfindung kann offensichtlich getrennt oder in Kombination mit anderen Gefrierkonzentrationsvorrichtungen oder -verfahren verwendet werden; die Maximalvorteile der Erfindung werden jedoch erhalten, wenn sie in Verbindung mit dem hier beschriebenen Einzeldurchlaufsprozeß verwendet werden.
• Ein Eingabezustrom wie Salzwasser oder Fruchtsaft passiert eine Waschsäule jedes konventionellen bekannten Aufbaus, wobei der Zustrom durch Eiskristalle von dem Separator vorgekühlt werden, die in die Waschsäule in der Nähe des Bodens eintreten. Der Zustrom wird hinsichtlich der Konzentration durch das abgewaschene Konzentrat angereichert, das in den Zustrom mit den Eiskristallen eintritt, und wird in die Kammer der Gefrierkristallisationsvorrichtung geleitet, wo er durch eine von mehreren Rohren gepumpt wird. Die Rohre des Kristallisators sind als Bündel innerhalb eines Behälters angeordnet. Der Zustrom ist an diesem Punkt vorgekühlt, aber eisfrei. Ein sekundäres Kühlmedium (Sole), das durch ein Kühlmittel gekühlt ist, fließt um die Rohre und kühlt die Rohroberflächen derart, daß sich Eiskristalle innerhalb des Zustroms bilden, der durch die Rohre gepumpt wird. Wenn der Zustrom durch die Rohre gepumpt wird, schaben Schaber, die an dem Pumpmechanismus befestigt sind, gleichzeitig Eis von den inneren Rohrwänden, um einen Fluß von Suspension aus Eiskristallen und Konzentrat aufrechtzuerhalten.
• Die Suspension wird anschließend in die Eistrennvorrichtung der Erfindung geleitet, die eine Drehtrommel ist. Die Drehung der Trommel wirkt als Zentrifuge, wodurch die Eiskristalle von dem dichteren Konzentrat getrennt werden, das zur Außenseite der Trommel gezwängt wird. Ein Eisschabe- Mechanismus wie eine Schnecke ist innerhalb der Trommel angeordnet und kann zu einer Drehung entlang ihrer Längsachse zum Abschaben von Eiskristallen ausgerichtet sein und sie somit vom Konzentrat trennen. Die durch die Schnecke entfernten Eiskristalle werden durch die Waschsäule im Gegenstrom oberhalb der Zufuhr geleitet und werden durch Stiftmixstäbe an einer Konglomeration gehindert, bis die Eiskristalle einen Pegel erreichen, wo der Zustrom die Säule erreicht. Die Eiskristalle bilden dann ein Paket, das über den Flüssigkeitspegel ansteigt und weiterhin ansteigt, bis es die Oberkante der Säule erreicht und durch einen bekann ten Schaber entfernt wird. Während des Anstiegs wird Wasser, das aus geschmolzenem Eis entsteht, auf den Oberteil des Eispakets gesprüht und läuft in die Flüssigzone, wodurch alles verbleibende Konzentrat abgewaschen wird. Die Eiskristalle können dann zu reinem Wasser aufgeschmolzen werden.
• Das Folgende ist eine Beschreibung einiger spezieller Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird, in denen:
• Fig. 1 ein schematisches Flußdiagramm ist, das den Gefrierkristallisationskonzentrationsprozeß der Erfindung erläutert.
• Fig. 2 ist ein teilweiser Längsschnitt einer Gefrierkristallisationsvorrichtung, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist (im Folgenden als der "Kristallisator" bezeichnet).
• Fig. 2A ist eine Schnittdarstellung eines Schabers entlang der Linie 2-2 der Fig. 2.
• Fig. 3-6 sind Schnittdarstellungen des Pump- und Schabmechanismus des Kristallisators der Fig. 2, jeweils in einer unterschiedlichen Falländerungsbetriebsposition.
• Fig. 3A ist eine vergrößerte Schnittdarstellung des Eisschabers der Fig. 3.
• Fig. 7 ist eine teilweise Längsschnittdarstellung der Eistrennvorrichtung der Erfindung (im folgenden als "der Separator" bezeichnet) und erläutert die Zentrifugaltrennkammer, die Schnecke, die Konzentratpumpe, den Antriebsmechanismus, stationäre Elemente und Konzentrat- und Eiskristall-Suspensions-Förderanschlüsse.
• Zum Zweck der hier enthaltenden Beschreibung werden die folgenden Terme wie folgt definiert:
• Zustrom: dies ist die Zufuhr zu dem System und kann kontaminiertes Wasser, Seewasser, Brackwasser, industrielles Abwasser, Chemieprozeßströme, die Salz oder andere Chemikalien in Suspension oder Lösung enthalten, Suspensionen oder Lösungen von Lebensmitteln wie Orangensaft oder Kaffee etc. sein. Im allgemeinen wird der Zustrom eine wässrige Lösung sein, aber dieser Ausdruck (und die Erfindung) ist nicht auf wässrige Lösungen beschränkt und umfaßt auch nichtwässrige Lösungen, die Lösungsmittel enthalten, die gefrierkristallisiert werden können.
• Konzentrat: dies ist der Flüssigkeitsanteil einer Suspension, der durch den Gefrierkristallisator erzeugt wird und kann Sole, flüssigen Industrieabfall, Nahrungsmittellösungen oder Suspensionen oder jede andere geeignete Lösung einer Suspension, die gelöstes Lösungsmittel oder dispergierte Partikel enthält, sein.
• Verdünnt oder konzentriert: dies sind relative Terme, die sich auf den Gewichtsprozentsatz von Verunreinigungen, Kontaminierungen, Salzen, Lebensmittel oder andere gelöste Feststoffe, die in einem Zustrom oder Konzentrat enthalten sind, beziehen.
• Das Einstufen-Gefrierkristallisations-Konzentrationssystem der Erfindung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Nebenaggregate, die für den Betrieb des Systems erforderlich sind, aber für die Erläuterung der Prinzipien der Erfindung nicht erforderlich sind, wie beispielsweise Pumpen, Ventile u. dgl., sind hier aus Gründen der Klarheit bei der Erläuterung der Erfindung nicht dargestellt oder beschrieben. Es ist offensichtlich für den Durchschnittsfachmann, daß solche Nebenaggregate selbstverständlich in Kombination mit der hier beschriebenen und beanspruchten Vorrichtung verwendet werden.
• Wie es typisch ist bei Gefrierkristallisationskonzentrationsprozessen wird der zu konzentrierende Zustrom (hier auch als Zufuhr oder Zustrom bezeichnet) über eine Leitung 60 zu einem Wärmetauscher oder anderen konventionellen Kühlvorrichtungen 54 geleitet, wo er vorgekühlt, aber eisfrei sein sollte. Vom Wärmetauscher 54 leitet die Leitung 60 den Zustrom in den Einlaß einer Waschsäule 50, die von jedem konventionellen Aufbau, der in der Technik bekannt ist, sein kann. Die Zufuhr wird durch die Waschsäule geleitet, wo sie mit einer Mischung aus vornehmlich Eiskristallen und einem geringen Anteil von Konzentrat gemischt wird, wie im folgenden im einzelnen erläutert wird.
• Eine Leitung 61 leitet den angereicherten Zustrom von der Waschsäule 50 in den Kristallisator 51 der Erfindung. Die Zufuhr wird weiter in der Waschsäule gekühlt, sollte aber noch eisfrei vor dem Eintreten in den Kristallisator sein. Ein geringer Anteil von Eis in dem Zustrom würde an diesem Punkt arbeiten, aber mit der Systemeffizienz kollidieren. Einmal in dem Kristallisator 51 wird die Zufuhr durch irgendeine konventionelle und bekannte Kühleinrichtung 55 weitergekühlt, die ein Kühlmittel aufweisen kann wie Sole, die zwischen einer Reihe von geündelten Röhren zirkuliert, die innerhalb des Kristallisierer-Behälters angeordnet sind, wie im Detail später beschrieben wird. Reine Eiskristalle bilden sich auf den Innenwänden der Rohre und werden abgeschabt, um eine Suspension von Eiskristallen und Konzentrat zu bilden. Die teilweise kristallisierte Suspension, die einen Eisanteil von bis zu 50% oder mehr haben kann, wenn sie in dem Kristallisierer der Erfindung behandelt wird, wird dann dem Separator 52 der Erfindung zugeführt, wo Zentrifugalwirkung die Eiskristalle vom dichteren Substrat trennt. An diesem Punkt kann das Konzentrat oder ein Teil davon zurück zum Kristallisator recycliert werden oder vollständig aus dem System entfernt werden. Die Eiskristalle, die typischerweise nur einen kleinen Prozentsatz, z. B. 5%, von Konzentrat nach einem Einzeldurchlauf durch den Separator der Erfindung enthalten, werden entlang einer Leitung 53 mit Hilfe einer Schnecke zum Boden der Waschsäule 50 geleitet.
• Die Eiskristalle dringen in der Nähe des Bodens in die Waschsäule 50 ein, während der gekühlte Zustrom über die Leitung 60, näher an der Oberkante der Waschsäule, am Flüssigkeitspegel eintreten. Die Suspension aus Eiskristallen und der Zustrom werden in der Waschsäule durch Stiftmischstäbe 56 gemischt, was es ermöglicht, daß die weniger dichten Eiskristalle nach oben schweben und durch Kontakt mit dem Zustrom wachsen. Der mit dem dichteren Konzentrat gemischte Zustrom setzt sich zum Boden ab, wo er über die Leitung 61 dem Einlaßventil des Kristallisators 51 zugeführt wird. Das Eis in der Waschsäule, das über den Flüssigkeitspegel steigt, wird gewaschen und von der Oberkante der Waschsäule durch konventionelle Mittel abgeschabt und von der Waschsäule über eine Leitung 66 abgeleitet, nachdem es zur Erzeugung von gereinigtem Abwasser aufgeschmolzen wurde. Der Wärmetauscher 54 nutzt die Energie des schmelzenden Eises zum Vorkühlen des ankommenden Zustroms,
• Der Kristallisator 51 der Erfindung ist im wesentlichen ein Oberflächenschabe-Wärmetauscher, der Eiskristalle in einer ökonomischeren und energieeffizienteren Weise als früher erzeugt, entfernt und pumpt. Der Kristallisator 51 ist im Detail in Fig. 2 dargestellt, die eine Längsdarstellung, teilweise im Schnitt ist (Stäbe 15 und das Ventilsystem 16A sind perspektivisch dargestellt). Der Hauptkörper des Kristallisators ist aus einem äußeren Behälter 1, einem Rohrblatt 2 auf der Zufuhr- oder Produkteinlaßseite, einem Rohrblatt 3 auf der Suspensionsablaßseite und einer Anzahl von Röhren 4 aufgebaut, die innerhalb des Behälters 1 angeordnet sind und deren Enden durch die Rohrblätter 2, 3 gestützt sind. Die inneren Oberflächen der Rohre 4 sind poliert, um das Eisabschaben und den Suspensionsfluß zu erleichtern. Ein Einlaßkopf 8 und ein Auslaßkopf 12 sind an jedem Längsende des Kristallisators angeordnet und definieren, mit den Rohrblättern 2 bzw. 3, eine Einlaßkammer mit einem Einlaß A und einer Auslaßkammer mit einem Auslaß B. Der Zustrom von der Waschsäule wird in den Einlaß A einge leitet und durch die Rohre 4, wo sich Eiskristalle bilden, und die resultierende Eis-/Konzentrat-Suspension wird von dem Kristallisator über den Auslaß B in einer Weise gepumpt, die später vollständig beschrieben wird. Der Kristallisator kann am Einlaß- und Auslaßkopf in jeder bekannten Weise gestützt sein, beispielsweise durch konventionelle Hydraulikkupplungen 13, wie in Fig. 2 dargestellt ist.
• Die Rohre 4 sind von einer Anzahl von Prallplatten 5 umgeben, die die Zwischenteile der Rohre stützen. Die Reihe von Prallplatten 5 sind innerhalb des Behälters montiert, um den Fluß des separaten Kühlmediums in zickzackförmiger Weise um die Rohre 4 zu leiten, wodurch vollständiger Kontakt mit der Außenseite der Rohre 4 sichergestellt wird und es möglich ist, den Kristallisator in jeder Position oder Orientierung zu betreiben.
• Die Kühlsole tritt in den Kristallisator über einer Einlaßöffnung C in den Behälter 1 ein und fließt in Zickzackrichtung entgegen dem Fluß durch den Kristallisator, bis sie über einen Auslaß D nach außen tritt. Die Verwendung eines sekundären Kühlmediums, das getrennt vom Zustrom in dem Kristallisator gehalten wird, erlaubt es, daß der Zustrom mit einem geringeren Druck fließt als bei Aufbauten, die eine Direkteinspritzung von unter Druck stehendem Kühlmittel in dem Zustrom zur Erzeugung von Eiskristallen verwenden. Dies ermöglicht den Einsatz von enger gebündelten Rohren, die dünnere Wandungen aufweisen, und fördert somit effizienter die Wärmeübertragung und das Ausfrieren des Zustroms. Die Prallplatten 5 fördern maximale Wärmeübertragung mit einem sehr geringen Druckabfall und stellen sicher, daß, unabhängig von der Orientierung, der Behälter mit Kühlmedium gefüllt ist, das den Zustrom mit derselben Rate wie entworfen kühlt.
• Isolierschichten 6 sind vorgesehen, um zu verhindern, daß die Außenseite der Rohrblätter 2, 3 einfriert. Die Isolier schichten können durch jedes beliebige Isoliermaterial wie Silikongummi gebildet sein. Die Schichten 6 sind gegen die Innenseiten der Rohrblätter 2, 3 an den Enden der Rohre 4 angeordnet und zwischen aneinandergrenzenden Rohren 4 und zwischen dem Behälter 1 und den äußersten Rohren 4.
• Der im Kristallisator eingesetzte Pump- und Schabmechanismus wird nun beschrieben. Axial innerhalb jedes Rohrs ist ein Stab 15 angeordnet. Jeder Stab ist an seinem Ende mit einer hin- und hergehenden Platte 9 verbunden, die an ihrer gegenüberliegenden Seite mit einer Welle 10 verbunden ist. Die Welle 10 tritt in den Einlaßkopf 8 durch eine abgedichtete Öffnung 11 ein und ist mit einem konventionellen Antriebsmotor, Kolben- oder anderen Mechanismus verbunden (nicht dargestellt), der eine vor- und zurückgehende oder hin- und hergehende Bewegung der Welle 10, der Platte 9 und den Stäben 15 aufprägt. Wie ersichtlich werden wird, liefert dieser einzelne Antriebsmechanismus die erforderliche Bewegung für sowohl das gleichzeitige Pumpen des Konzentrats durch die Rohre als auch für das Abschaben des Eises, das sich entlang der Innenflächen der Rohre bildet. Der Einlaßkopf 8 ist groß genug, um zu ermöglichen, daß die Platte 9 über ihren vollen Bewegungsbereich sich hin- und herbewegt. Die Platte 9 enthält Löcher 14, die es dem in den Einlaß A eintretenden Zustrom ermöglichen, frei durch die Platte zu fließen.
• Eine Reihe von Schabemechanismen 17 sind mit gleich beabstandeten Intervallen entlang der Länge der Stäbe 15 angeordnet, die sich durch die vollständige Länge der Rohre erstrecken. Der Schabemechanismus 17 ist im einzelnen in den Fig. 3 bis 6 und Fig. 3A dargestellt, die die Struktur der Schaber deutlicher zeigen. Jeder Schaber umfaßt einen Antriebsstift 17B, der rechtwinklig zum Stab 15 angeordnet ist, und einen ringförmigen Schabring 17A mit einer kreisringförmigen Nut 17E, die den Antriebsstift 17B aufnimmt. Der Antriebsstift kann mit dem Stab in jeder beliebigen ge eigneten Weise verbunden sein, beispielsweise kann er durch ein Loch, das in dem Stab gebohrt ist, eingefügt sein. Der Schabring, der als ein Kolbenring aufgebaut sein kann, ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial mit geringer Reibung gefertigt, mit genügend elastischem Gedächtnis, um eine Kraft gegen den Innendurchmesser des Rohres 4 kontinuierlich zu erzeugen. Der Ring 17A hat Schabkanten 17C auf beiden Seiten des Rings. Wie am besten in der Fig. 3A dargestellt ist, ist zwischen den Kanten 17C ein hinterstehender Mittelteil 17D, der von der Innenfläche 4A des Rohres 4 beabstandet ist, um die Reibung zwischen ihnen zu vermindern. Der ausgeschnittene Teil 17D des Schabers bildet eine ringförmige Kammer 17G mit der Innenfläche 4A des Rohres und den Kanten 17C. Eine Reihe von kleinen Löchern 17F sind entlang des Umfangs des mittleren Teils 17D vorgesehen, die die Kammer 17G mit der ringförmigen Nut 17E verbinden. In dieser Weise können jegliche Eiskristalle, die durch die Kanten 17C in die Kammer 17G fließen, über die Löcher 17F und die ringförmige Nut 17E geleitet werden, um mit dem Hauptsuspensionsfluß vereinigt zu werden, der durch die offene Mitte des Schaberings 17A fließt. Die ringförmige Nut 17E ist abgestuft, um den Stift 17B mit einer kleinen Lücke zwischen den Enden des Stifts 17B und der Außenseite der Nut 17E aufzunehmen, was den Ring 17A frei rotieren läßt; und da mehr als zwei Löcher 17F in jedem Ring 17A vorgesehen sind, wird der Fluß von Eiskristallen nicht gehindert.
• Die Schaberinge 17A sollten streng in den Rohren sitzen, so daß die Schabkanten 17C der Ringe in Kontakt mit dem Rohr gehalten werden. Dies kann durch eine Preßpassung erzielt werden, bei denen die Schaberinge Kolbenringe vom Schalttyp sind, durch die Nut 17H, die auf dem Stab vor dem Einbringen in das Rohr 4 montiert werden, wodurch sichergestellt wird, daß die Ringe gegen die Innenfläche des Rohrs zur vollständigen Eisentfernung vorgespannt sind. Die Schabemechanismen sind entlang des Stabes beabstandet, so daß die Fläche, die von einem Schabering an einem Ende des hin- und herlaufenden Hubs abgeschabt wird, mit der Fläche überlappt, die durch den angrenzenden Schabering abgeschabt wird, und zwar durch einen Anteil, der zumindest gleich einer Hälfte der Breite des Rings ist. In dieser Weise wird bei jedem Hub des Stabs die gesamte Innenfläche des Rohrs 4 vollständig abgeschabt, wobei nur ein geringer Verlust von Antriebsenergie auftritt. Die tatsächliche Länge und die Anzahl der Schaber sind bekannte Entwurfsüberlegungen, die für jede Produktanwendung bestimmt werden. Die Antriebsstifte können in unterschiedlichen Winkeln entlang gleich beabstandeter Durchmesser des Rohres 4 angeordnet sein, wie im besten in der Schnittdarstellung der Fig. 2A dargestellt ist, um selbst den Suspensionsfluß zu befördern. Nur zum Zweck der Klarheit zeigt Fig. 2 eine Perspektivdarstellung der Stifte 17B, bei denen die Enden der Stifte nicht als innerhalb der Nuten 17E aufgenommen dargestellt sind; es ist jedoch aus den Fig. 2A, 3-6 und 3A klar, daß jeder Stift in einer Nut eines entsprechenden Staberings aufgenommen ist.
• Ebenfalls auf jedem Stab am vorwärtigen Ende ist eine Pumpe 16 montiert. Dieselbe Hin- und Herbewegung des Stabs, die die Schaber antreibt, erzeugt auch einen Druck, um das Konzentrat und die Eissuspension durch die Rohre zu pumpen und schließlich durch den Suspensionsabschlußkopf 12. Die Struktur und der Betrieb der Pumpe können in größerem Detail mit Bezug auf die Fig. 3 bis 6 gesehen werden. Jede Pumpe umfaßt einen Ventilstopfen 16A, der feststehend an dem Stab 15 zwischen zwei Halteringen 16B montiert ist. Ein Antriebsstift 16D ist an dem Stab 15 in einem geringen Abstand vom Stopfen montiert. Zwischen dem Ventilstopfen 16A und dem Stift 16D ist ein kreisringförmiger, verschiebbarer Ventilsitz 16C angeordnet. Der verschiebbare Ventilsitz 16C ist von der Struktur her ähnlich den Schaberingen 17A, aber der verschiebbare Ventilsitz ist nicht feststehend mit dem Stab 15 durch einen Stift oder andere Mittel verbunden; er ist über eine Bewegungsverlustverbindung verbunden, die später beschrieben wird. Der Sitz 16C ist nicht ein Kolbenring, sondern ein eng passender Ring mit einer Schabkante; es gibt nur sehr wenig oder kein Eis in diesem frühen Ort in dem Rohr 4 abzuschaben.
• Die Innenseite des verschiebbarer Ventilsitzes 16C hat eine Schabkante 16E, um Eis von der Innenfläche des Rohres in gleicher Weise abzuschaben wie die feststehend montierten Schabringe. Die Außenseite des verschiebbaren Ventilsitzes 16C ist mit einer Ventilfläche 16F versehen, die mit der Zentralöffnung 16G in dem Sitz 16C in Verbindung steht. Während des Vorwärtshubs bewegen sich der Stab, der Ventilstopfen 16A und der Stift 16D relativ zum verschiebbaren Sitz 16C eine kurze Distanz, bevor der Stopfen 16A gegen den verschiebbaren Sitz 16C anschlägt und ihn nach vorn in das Rohr trägt (Fig. 3 bis 4). Bei dem Rückhub bewegen sich der Stab, der Stift 16D und der Stopfen 16A relativ zum Sitz 16C eine kurze Distanz, bevor der Stift 16D gegen den verschiebbaren Sitz 16C anschlägt und ihn zurück nach außen zum Vorderende des Rohrs trägt (Fig. 5-6). Wie am besten aus der Fig. 4 ersichtlich ist, paßt beim Vorwärtshub der Stopfen 16A fest gegen die Ventilfläche 16F, wodurch eine feste Dichtung gebildet wird, die die Zentralöffnung 16G verschließt, um durch eine fortgesetzte Vorwärtsbewegung der Pumpe 16 die Suspension unter Druck zu setzen. Beim Rückhub, wie am besten aus Fig. 6 ersichtlich ist, ist der Ventilstopfen vom verschiebbaren Sitz beabstandet, und der Stift 16D trägt den verschiebbaren Sitz zurück in seine Originalposition (vgl. Fig. 3), wodurch es der Suspension ermöglicht wird, vom Einlaßkopf 8 durch die Zentralöffnung in dem verschiebbaren Sitz zu fließen. Die Bewegungsverlustverbindung zwischen dem Ventilstopfen 16A und dem verschiebbaren Ventilsitz 16C bildet das Einlaßventil für die Pumpe. Die Öffnung 16G im Ventilsitz 16C und der Abstand zwischen dem Ventilstopfen 16A und dem Ventilsitz 16C sind ausgelegt, um groß genug zu sein, einen Rückfluß der Suspension bei dem Rückhub zu verhindern. Desweiteren ist ein Rückschlagventil, das schematisch in Fig. 1 bei 51A dargestellt ist, in der Einlaßzufuhrleitung zu dem Kopf 8 vorgesehen. Das Rückschlagventil läßt es zu, daß der Zustrom frei in den Einlaßkopf 8 während des Vorwärtshubs der Pumpe fließt, und verhindert, daß Zustrom rückwärts vom Kopf 8 während des Rückhubes fließt. In dieser Weise wird konsistentes Pumpen durch wiederholte Zyklen der Pumpe erzielt. Erfolgreiches Pumpen der Kristall-/Konzentrat-Suspension wurde mit einem Schabezyklus von 5 bis 10 sec erreicht. Es ist bekannt, daß bei geringeren Konzentrationen Eiskristalle fester und schwieriger zu entfernen sind, so daß bei einer geringeren Konzentration die Pumpfrequenz höher sein sollte als die Frequenz bei einer höheren Konzentration.
• Der Zustrom wird durch die Rohre 4 gepumpt und kontaktiert die inneren Rohrwandungen in der folgenden Weise. Unter der Annahme, daß der Einlaßkopf 8 und die Waschsäule groß genug sind, um den Kristallisator mit Zustrom zu füllen (ansonsten muß der Kristallisator vorgefüllt werden), sind die Position der Pumpen 16 und der Schaber 17 in Position 1 in Fig. 3 dargestellt. Nach dem Starten des hin- und hergehenden Antriebs wird die nächste Position wie in Position 2 der Fig. 4 sein, nachdem die Flüssigkeitszufuhr innerhalb der Rohre 4 durch die Rohre 4 gezwängt wurde, da das Einlaßventil der Pumpe 16 geschlossen ist. Der Druck im Einlaßkopf 5 wird sich vermindern, wodurch das Rückschlagventil 14A in der Förderleitung gezwungen wird, zu öffnen, und es erlaubt wird, daß mehr eisfreie Zufuhr eindringt. Dieser Zustand wird fortgesetzt bis zur Position 3 der Fig. 5, die das Ende des Vorwärtshubs ist und der Beginn des Rückwärtshubs. Der erste Schritt im Rückwärtshub ist in Position 4 der Fig. 6 gezeigt, in der das Einlaßventil der Pumpe 16 offen ist und das Rückschlagventil 51A in der Förderleitung geschlossen ist. Es gibt keinen Fluß, bis die Position 1 erreicht wird und sich der Zyklus wiederholen kann.
• Der durch die Pumpen 16 erzeugte Fluß verläßt den Kristallisator durch den Auslaß B im Kopf 12 als eine Mischung oder Suspension von Eiskristallen und konzentrierterer Flüssigkeit. Wie vorstehend bemerkt, tritt der gekühlte Solefluß in die Öffnung C ein und fließt im Gegenstrom zum Zustrom durch den Behälter und wird durch die Prallplatten 5 gerichet, bevor die Sole durch die Öffnung D nach außen tritt. Die Rohrwandungen, vorzugsweise aus einem Material mit guten Wärmeübertragungsfähigkeiten wie Metall gefertigt, werden von außen durch den Gegenstromfluß der gekühlten Kühlsole gekühlt. Die Wärmeübertragung vom Gegenstrom führt zur Eisbildung auf den inneren Röhrenwänden. Der Schab- und Pumpmechanismus treibt die Eismischung vorwärts, bis sie den Auslaß oder den Abflußkopf 12 erreicht, der eine tellerähnliche Form haben kann, um tote Ecken zu minimieren und Eisanlagerung zu verhindern.
• Die Suspension aus Eiskristallen und Konzentrat von dem Kristallisator wird zu einem Separator 52 geleitet, wo Eiskristalle von dem Konzentrat getrennt werden. Der Separator der Erfindung kann zumindest etwa 95% oder mehr Trennung basierend auf Zentrifugalwirkung ohne die Verwendung von Sieben oder Filtern erreichen. Der Separatoraufbau, der im einzelnen in Fig. 7 dargestellt ist, umfaßt eine drehbare Trommel 21, die ein Länge-/Durchmesser-Verhältnis von etwa 1 : 1 aufweist. Die Trommel 21 ist an einem Ende mit einer hohlen Antriebswelle 22 verbunden, die durch ein Doppellager 23A getragen wird, das in einem ölgeschmierten Kissenblock 23 vorgesehen ist, und wird durch eine Riemenscheibe 24, die mit dem anderen Ende der Welle 22 verbunden ist, angetrieben. Eine zweite Trommel 26 ist dichtend angrenzend an die drehbare Trommel 21 an der gegenüberliegenden Seite der hohlen Antriebswelle zur Drehung mit der Trommel 21 montiert. Die zweite Trommel 26 kann ein Längen- Durchmesser-Verhältnis von etwa 1 : 10 aufweisen. Der Innendurchmesser der beiden Trommeln sollte gleich sein. Das Innere der Trommeln 21 und 26 ist durch eine Wand 25 ge trennt, die sich radial nach innen von der Trommel 26 erstreckt. Die Wand 27 ist durch eine Reihe von kleinen Löchern 27 in ihrem Außenumfang perforiert, die es erlauben, das Konzentrat vom Inneren der drehbaren Trommel 21 in das Innere der zweiten Trommel 26 fließt. Die Wand 25 hat eine mittige Öffnung 25A, die einen Durchmesser von etwa der Hälfte des Durchmessers der Trommel 21 hat, um eine drehbare Schnecke 35 aufzunehmen, die auf einer zweiten hohlen Antriebswelle 32 montiert ist.
• Die Welle 32 ist innerhalb der hohlen Antriebswelle 22 angeordnet und wird durch zwei beabstandete Lager 33 getragen, die zwischen den Wellen 22 und 32 montiert sind. Die Welle 32 erstreckt sich in die drehbare Trommel 21 über eine Öffnung in der Trommel und ist feststehend an einer Trägerplatte 37 montiert. Die Schnecke 35 ist mit der gegenüberliegenden Seite einer Platte 37 zu einer Drehung damit montiert. Ein Bolzen 34 dichtet das Ende der Welle 32 und verbindet auch die Platte 37 und die Schnecke 35 mit der Welle über einen Schlüssel 36. Am inneren Ende des Bolzens 34 sind eine Reihe von Löchern 38 in der Welle 32 vorgesehen, die es ermöglichen, daß Schlamm, der von dem Kristallisator über den Einlaßöffnung A in der Welle 32 geleitet wird, in die Trommel 21 durch die Löcher 38 eintritt. Die Platte 37, an der ein Ende der Schnecke 35 montiert ist, dient als Ablenkungsplatte, die die Suspension, die durch die Welle 32 und die Löcher 38 eindringt, zwangsweise zur Außenseite der Trommel 21 ablenkt. Ein stationärer Block 29 hat Lager 29A zum Tragen des anderen Endes der Schnecke. Die gesamte Separatoreinheit 52 kann mit einer Basisplatte durch die drei stationären Bauteile, den Block 29, den Block 39 und den Kissenblock 23, montiert sein.
• Das äußere Ende der Welle 32 ist mit einer zweiten Riemenscheibe 42 verbunden, die die Welle 32 und die Schnecke 35 antreibt. Die Welle 32 erstreckt sich nach außen hin zu einem weiteren stationären Block 39 mit einem Lager 40, das die Welle zur Drehung trägt, und eine mechanische Dichtung 41 zum Verhindern, daß Suspension ausleckt. Der Block 39 hat eine Öffnung 39A, die durch Leitungen oder andere geeignete Mittel verbunden ist, um zu ermöglichen, daß Suspension in die Vorrichtung über die Einlaßanschluß A eindringt. Eine weitere mechanische Dichtung 42 ist an der Außenseite der Trommel 21 zwischen der Welle 22 und der Welle 32 angeordnet, um einen Rückfluß von Suspension von der Trommel 21 vom Eindringen in den Raum zwischen den Wellen zu verhindern, wodurch die Lager 33 geschützt werden. Beide Wellen können über einen einzelnen Motor (nicht dargestellt) angetrieben werden, der an der Oberseite des Kissenblocks 23 angeordnet ist, mit einer Spannungsvorrichtung zum Antrieb beider Riemenscheiben 24 und 43, die eine unterschiedliche Größe haben können, um unterschiedliche Drehzahlen für die Trommel und die Schnecke zu liefern. Alle Antriebsmechanismen, die in der Lage sind, unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten zu liefern, können eingesetzt werden. Beispielsweise können die Riemenscheiben 24 und 43 mit einem konventionellen Getriebe verbunden sein, um das Einstellen der Drehgeschwindigkeiten der beiden Wellen zu erleichtern.
• Wenn der Motor in Eingriff ist, drehen beide Wellen 22 und 32 und treiben ihrerseits die Drehtrommel 21 und die Schnecke 35. Die beiden Wellen drehen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, wodurch eine Schabebewegung durch die Schnecke 35 geschaffen wird. Die Suspension von Eiskristallen und Konzentrat vom Kristallisator 52 (oder einer anderen Quelle von Eiskristallen/Konzentrat) wird über die Einlaßöffnung A, die hohle Welle 32 und die Löcher 38 der drehbaren Trommel 21 zugeleitet. Die Öffnungen im Anschluß A und der Welle 32 sind ausgelegt, um zu verhindern, daß Eiskristalle sich vom Konzentrat trennen, bis die Suspension durch die Löcher 38 geleitet wurde. Die Ablenkplatte 37 und die "G"-Kräfte, die von der drehenden Trommel 21 erzeugt werden, richten die Suspension in Richtung auf die Außenseite der Trommel. Die Eiskristalle sind deutlich weniger dicht als das Konzentrat. Die Dichte von Eis ist geringer als die Dichte von Wasser. Eis ist um 8,5% weniger dicht als Wasser; die Dichtedifferenz zwischen Eis und dem Konzentrat der aufgelösten oder suspendierten Feststoffe ist noch größer. Als Ergebnis wird, wenn sie die Drehnung der Trommel ausgesetzt wird, ein Zentrifugaleffekt erzielt, und die Suspension trennt sich gemäß der Relativdichte ihrer Komponenten. Die Trommel muß mit einer genügend hohen Rate drehen, um ausreichende G-Kräfte auf die Suspension auszuüben, um diese Trennung zu bewirken. Momentan wurde herausgefunden, daß 500 bis 1000 G-Kräfte erforderlich sind, um eine angemessene Trennung des Eises vom Konzentrat durchzuführen, obwohl das genaue Dreherfordernis abhängig vom zu behandelnden Zustrom, dem Prozentsatz des kristallierten Eises in der Suspension und der Viskosität des Konzentrats variiert. Bei diesen Werten trennen sich die Eiskristalle vom Konzentrat und bilden eine Schicht aus Eiskristallen an der Innenseite einer äußeren Schicht flüssigen Konzentrats. Wenn mehr Suspension der Drehtrommel 21 zugefügt wird, wachsen sowohl die Schicht des Konzentrats als auch die Schicht aus Eiskristall nach innen, bis die Eiskristalle die Kante der Schnecke 35 erreichen. Falls die Schnecke 35 mit einer anderen Geschwindigkeit als die Trommel 21 dreht, schabt die Schnecke die Eiskristalle ab und entfernt sie aus der Trommel, wie später erläutert wird. Die Drehgeschwindigkeit der Schnecke 35 hängt ab von der Größendifferenz zwischen der Riemenscheibe 24 und der Riemenscheibe 43. Die Optimalgeschwindigkeit der Schnecke 35 relativ zur Geschwindigkeit der Trommel 21 hängt von dem Material ab, das zu verarbeiten ist, und kann für jede Anwendung eingestellt werden.
• Die äußere Schicht des Konzentrates wird durch die Reihe von kleinen Löchern 27 und in die zweite Trommel 26 gerichtet. Ein stationäres Rohr 28 ist innerhalb der Trommel 26 angeordnet, vorzugsweise so positioniert, daß seine Öffnung nahe angrenzend an die innere Oberfläche der Trommel ist und entgegengesetzt der Drehrichtung der Trommel gerichtet ist. Das Rohr ist mit einem Fitting in dem stationären Block 29 verbunden, der es ermöglicht, daß das Rohr 28 mit den Rohrleitungen des Systems zum Entfernen des eisfreien Konzentrats verbunden zu werden. Das Konzentrat wird durch Pumpen durch das Rohr 28 ohne Freiliegen zu Luft durchgeführt, wodurch das obengenannte Aufschäumungsproblem vermieden wird. Das aus dem Separator 52 über das Rohr 28 entfernte Konzentrat kann aus dem System entfernt werden oder zurück in den Kristallisator gerichtet werden, falls dies zum Erhöhen der Konzentration des Konzentrats gewünscht ist. Tests unter Einsatz einer Zuckerlösung von 50 Gew.-% haben gezeigt, daß der Separator der Erfindung, der lediglich eine dichtebasierte Trennung ohne die Verwendung von Sieben oder Filtern einsetzt, näherungsweise 95% oder mehr Entfernung des Konzentrats von Eiskristallen erzielen kann. In Fluiden, bei denen die Viskosität des Konzentrats geringer ist als die des Zuckerkonzentrats, könnte die Eis- /Konzentrattrennung so hoch wie 98% sein.
• Die durch die Schnecke 35 abgeschabten Eiskristalle werden aus dem Separator über eine Öffnung 26A in dem Ende der Trommel 26 entfernt, das abgedichtet ist durch ein Rohr 30, das fest am Block 29 befestigt ist, um zu verhindern, daß Substanzen in die Trommel 26 eintreten. Das Rohr kann die Öffnung 26A über eine Preßpassung dichten, wie dargestellt ist, oder ein Satz von Dichtungen wie Teflonlippendichtungen kann eingesetzt werden (nicht dargestellt). Das Rohr 30 hat einen etwas größeren Durchmesser als der Durchmesser der Schnecke 35, und eine Auslaßöffnung 31 in dem Rohr 30 ist außerhalb der Trommel 26 vorgesehen, durch die die Eiskristalle austreten. Auf diese Weise verlassen, wenn die Schnecke 35 kontinuierlich arbeitet, Eiskristalle und jedes bleibende Konzentrat, das an den Eiskristallen anhaftet (vorzugsweise nur 5% oder weniger) den Separator. Die Eiskristalle können durch eine bekannte Schnecke oder andere geeignete Mittel entlang der Leitung 53 zu der Waschsäule für weiteres Waschen und Reinigen geleitet werden, wie in Fig. 1 dargestellt ist.
• Die hohe Entfernungsrate von Konzentrat, die durch den Separator gemäß der Erfindung erzielt wird, vermindert deutlich den Anteil von Konzentrat, der mit den Eiskristallen in die Waschsäule eintritt, was zu einer Flüssigkeit mit geringer Gesamtkonzentration in der Waschsäule führt. Dies befördert erhöhtes Eiskristallwachstum in der Waschsäule und eine effizienteren Gesamttrennung, wie in dem folgenden Beispiel erläutert ist. Unter der Annahme, daß eine Suspension mit einem 40%igen Eisanteil durch den Eiskristallisator hergestellt wird und daß 95% des Konzentrats von dem Eis durch den Separator entfernt wird, treten nur 5% des Konzentrats in die Waschsäule ein, was 3% des Gesamtflusses ist. Dies wird mit dem eingehenden Zustrom von 10 Gew.-% gemischt, was in einer Gesamtkonzentration der Waschsäule von 11,5% resultiert. Ohne den Eisseparator wird der gesamte Fluß von dem Kristallisator in die Waschsäule eintreten, was in einer Gesamtkonzentration von 40% der Waschsäule führt. Da eine Waschsäule auch eine Gradientenvorrichtung ist, wobei ein konzentriertes Fluid auf der einen Seite und Wasser auf der anderen Seite ist, hat die Waschsäule, die in dem System der Erfindung verwendet wird, einen großen Vorteil über die Waschsäule, die ohne den Separator der Erfindung verwendet wird. Waschsäulen dieser Art zeigten gute Ergebnisse von bis zu 25 bis 30% Konzentration, arbeiteten aber nicht zuverlässig bei Konzentrationen von mehr als 30%. Wie oben dargestellt, kommt die Konzentration in der Waschsäule nie nahe an die kritische Konzentration, wenn sie mit dem Eisseparator der Erfindung betrieben wird.
• Die zu der Waschsäule 50 geleiteten Eiskristalle dienen auch der Kühlung des eingehenden Zustroms, wenn er über die Eiskristalle passiert. Die Kristalle treten dann über die Leitung 66 aus der Waschsäule aus, werden im Wärmetauscher 54 zu Wasser gewandelt und das gereinigte Wasser verläßt das System bei 67.

Claims (13)

1. Verfahren zum Trennen eines Flüssigkeitszustroms in ein Konzentrat der Flüssigkeit und eine mehr gereinigte Form, mit einer Vorrichtung, die einen Gefrier-Kristallisator, eine erste Leitung, einen Separator und eine zweite Leitung von dem Kristallisator zu dem Separator aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(a) Einleiten eines Flüssigkeitszustroms in eine Waschsäule;

(b) Leiten des Zustroms über die erste Leitung aus der Waschsäule zu dem Gefrierkristallisator derart, daß der Zustrom in einem einzigen Durchlauf durch den Kristallisator läuft;

(c) Bilden von Kristallen aus dem Zustrom an einer Innenfläche des Kristallisators;

(d) Gleichzeitiges Entfernen der Kristalle von der Innenfläche des Kristallisators, wobei die Kristalle mit dem Zustrom in dem Kristallisator kombiniert werden, um eine Suspension von Kristallen und stärker konzentrierter Flüssigkeit zu bilden, und Herauspumpen der Suspension aus dem Kristallisator;

(e) Leiten der Suspension über die zweite Leitung von dem Kristallisator zu dem Separator derart, daß die Suspension in einem einzigen Durchlauf durch den Separator läuft und

(f) Trennen der Kristalle und der konzentrierten Flüssigkeit aus der Suspension in dem Separator mit einem auf der Dichte beruhenden Trennverfahren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem weiteren Schritt der direkten Entfernung der konzentrierten Flüssigkeit aus dem Separator ohne Filtration und ohne Inkontaktbringen der Suspension mit Luft.

3. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem weiteren Schritt des Leitens der Kristalle und etwaiger konzentrierter Restflüssigkeit aus dem Separator in die Waschsäule.

4. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem weiteren Schritt des Leitens mindestens eines Teils der konzentrierten Flüssigkeit von dem Separator in den Gefrierkristallisator zum Erhöhen der Konzentration der Flüssigkeit.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte auf einem auf See befindlichen Schiff durchgeführt werden, dessen Orientierung sich durch unebene Meeresoberfläche ändern kann.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitszustrom ein wässriger Zustrom ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle Eiskristalle sind.

8. Verfahren zum Trennen eines flüssigen Zustroms in ein Konzentrat der Flüssigkeit und eine mehr gereinigte Form, wobei die Vorrichtung einen Gefrierkristallisator zum Empfang eines Flüssigkeitszustroms und zur Erzeugung einer Suspension von Kristallen und einer mehr konzentrierten Flüssigkeit, einen Separator zum Empfang der Suspension von dem Kristallisator und zum Trennen der Kristalle und des Konzentrats ausschließlich durch Zentrifikalwirkung umfaßt, wobei der Flüssigkeitsstrom über eine erste Leitung zu einer Waschsäule und über eine zweite Leitung von der Waschsäule zu dem Gefrierkristallisator geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallisator eine innere Oberfläche, auf der sich Kristalle bilden, einen Schabmechanismus zum Entfernen der Kristalle von der inneren Oberfläche und zu ihrem Kombinieren mit dem Zustrom zur Erzeugung der Suspension, und eine Pumpe zum Herausfördern der Suspension aus dem Kristallisator, sowie einen einzigen Antriebsmechanismus zum mechanischen Antrieb sowohl des Schabmechanismus als auch der Pumpe aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gefrierkristallisator ferner umfaßt:

mindestens ein Rohr zum Empfang des Flüssigkeitszustroms, wobei das mindestens eine Rohr eine Außenfläche und eine Innenfläche, auf der sich Kristalle bilden, aufweist;

Mittel zum Zirkulieren eines Kühlmediums um die Außenfläche des mindestens einen Rohres zum indirekten Kühlen des darin aufgenommenen Flüssigkeitszustroms; und

wobei der Schabmechanismus mindestens einen Schaber umfaßt, der in dem mindestens einen Rohr angeordnet ist, um Kristalle von der Innenfläche des Rohres abzuschaben.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator umfaßt:

eine drehbare Trommel mit einer Längsachse und einem Einlaß (A) zum Empfang der Suspension von Kristallen und Flüssigkeitskonzentrat, einen ersten Auslaß zum Wegleiten von Konzentrat von der Trommel, und einen zweiten Auslaß zum Wegleiten von Kristallen und etwaigem restlichem Flüssig einen innerhalb der Trommel angeordneten Schaber zum Führen der Kristalle und etwaigen restlichen Flüssigkeitskonzentrats zu dem zweiten Auslaß; und

Mittel zum Drehen der Trommel um ihre Längsachse, wobei die bei Drehung der Trommel erzeugte Zentrifugalwirkung das Flüssigkeitskonzentrat radial nach außen zu dem ersten Auslaß drückt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaber eine drehbare Schnecke und Mittel zum Drehen der Schnecke umfaßt derart, daß die Schnecke und die Trommel mit unterschiedlichen Drehzahlen gedreht werden können.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei dem der Flüssigkeitszustrom ein wässriger Zustrom ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle Eiskristalle sind.