KR970009639B1

KR970009639B1 - 진공농축장치

Info

Publication number: KR970009639B1
Application number: KR1019940014502A
Authority: KR
Inventors: 겐 사쿠마; 마사키 사쿠마; 겐지 사쿠마; 기요토 츠루타
Original assignee: 겐 사쿠마
Priority date: 1993-06-29
Filing date: 1994-06-23
Publication date: 1997-06-17
Also published as: JPH078704A; TW247277B; EP0631799A1; DE69406987T2; JP2844296B2; DE69406987D1; US5417084A; KR950000571A; EP0631799B1

Abstract

내용 없음.

Description

진공농축장치

제1도는 본 발명의 실시예에 따른 진공농축장치의 개략도.

제2도는 제1도 장치의 부분적 확대도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 배큠판식 진공증발캔 2 : 원액농축부

3 : 페이퍼 콘덴서 4 : 스팀자켓

5 : 원액공급탱크 6 : 농축액 수조

7 : 모터 8 : 교반기

11 : 드레인 탱크 12 : 진공펌프

13 : 원액공급관로 14 : 농축액 취출 관로

15 : 감압증기 공급관 16 : 드레인관

20 : 감압증기 발생기 21 : 감압증기 발생부

23 : 급수관 25 : 압력조정용 진공펌프

26 : 압력칸막이밸브 30 : 히트펌프

32 : 콤플렛서 33 : 열교환용 코일

34 : 서브콘덴서 35 : 리시버탱크

38 : 페이퍼 콘덴서용 열교환기 39 : 서브증발기

40 : 어큐뮬레이터 42 : 토출가스 전자밸브

43 : 토출가스 전자밸브 44 : 흡입가스 전자밸브

45 :흡입가스 전자밸브 46 : 팽창밸브

47 : 팽창밸브 48 : 액전자밸브

49 : 액전자밸브 50 : 액전자밸브

51 : 송풍기 52 : 송풍기

본 발명은, 예를 들면 과즙, 산소 천연색소, 천연향료, 이스트 추출액, 단백용액, 유기산, 천연조미료, 핵산, 의약품 등을 농축하거나, 저비등점 용액으로부터 용제를 회수하기 위해 사용되는 비교적 저온에서 원액을 가열증발에 의해 농축하기 위한 진공농축장치에 관한 것으로서, 특히 히트펌프와 조합하므로서 매우 높은 열효율을 얻을 수 있는 진공농축장치에 관한 것이다.

비교적 저온에서 원액을 농축하기 위한 농축장치로는, 종래 온수가열에 의한 농축장치가 사용되고 있다. 그러나, 온수가열에 의한 농축장치는 통상 가열원으로서 포화수증기가 사용되고 있으므로, 장치의 상승 시간이 길고, 또 온도설정의 변경에 장시간을 요한다는 결점이 있다. 장치의 상승시간을 단축시키기 위해 감압증기가열에 의한 진공농축장치가 개발되었다. 이 장치는 150∼1100Torr의 감압하에서 포화증기를 발생시키고, 이 증기의 잠열에 의해 원액을 간접 가열하는 것이다.

상기한 종래에 공지된 진공농축장치는 장치의 상승시간이 짧고, 설정온도의 변경도 용이한데다 이상승온등이 없어 안정성은 높지만, 진공펌프 또는 에젝터를 사용하여 증기를 흡인하기 때문에 증기의 로스가 크고, 시스템 구성시기가 많기 때문에 유지보수에 많은 노력을 필요로 한다. 또한, 증기압을 150Torr이하로 설정하는 것은 곤란하므로, 가열증기의 온도를 60℃이하로 할 수 없으며, 열에 약한 과즙, 산소, 천연색소, 천연향료, 이스트 추출액, 단백용액, 유기산, 천연조미료, 핵산, 의약품 등을 가열농축하는 용도로는 사용할 수 없음과 동시에, 설정온도의 조절정밀도도 ±1∼3℃로 비교적 편차가 크다는 등의 많은 결점을 가지고 있다.

이들 결점을 개선하기 위해 최근 히트펌프와 진공증발장치를 조합하여 60℃이하의 가열온도에서 사용가능한 진공농축장치가 제안되었다. 이 장치는 일본국 특개평 5-57101호 공보에 기재된 바와 같이, 사진처리 폐액 등을 증발 농축하기 위해 개발된 것으로서, 에젝터에 의해 감압으로 유지된 진공농축장치의 농축가마내에 히트펌프의 코일형상 응축기를 배치하여 감압하에서 폐액을 가열하고, 증발된 수분은 농축가마 주면에 설치한 냉각실에서 히트펌프의 코일형상 증발기로 냉각하여 응축하고, 드레인으로서 시스템밖으로 배출하도록 한 것이다.

그러나, 상기 일본국 특개평 5-57101호 공보에 기재된 공지의 진공농축장치는 가열원이 되는 히트펌프의 코일형상 응축기를 진공가마내에 배치하여 폐액을 직접 가열하고 있으므로, 특히 점도가 높은 원액을 통축할 때는 코일형상의 응축기 표면에 부착되어 눌어붙거나, 또 전열을 저해하여 열교환 효율을 저하시킨다는 결점이 있다. 또, 원액에 대한 전열은 자연대류에 따르고 있으므로, 전열효율이 나쁘며, 특히 점도가 높은 원액의 경우에는 부분적으로 과열되어 품질을 악화시키거나, 틀어붙을 우려가 있다.

이와 같이 가열 코일 히터가 내장된 진공증발캔이므로, 물보라 동반이 증가하여 제품의 수율을 저하시킴과 동시에, 특히 거품이 나기 쉬운 원액일 경우에는 갑자기 비등을 일으키기 쉬우며, 그 결과, 균일하지 않은 가열로 인한 품질 저하와 원액 유출로 인한 수율의 대폭적인 저하를 초래하는 경우가 있다.

또한, 가열원으로는 히트펌프의 응축기를 사용하고 있으나, 그 열매체로 통상 사용되는 프레온의 증발잠열은 비교적 낮으므로(예를들면, 35℃에 프레온 22의 증발잠열은 41kcal/kg, 물의 증발잠열은 577kcal/kg), 원액의 단위시간당 처리량을 그다지 높일 수는 없다.

또한, 이 공지된 진공농축장치는 에젝터에 의한 진공발생방식을 채용하고 있으므로, 순환냉각수의 온도변화에 의해 진공도가 불안정해져서 품질의 편차가 발생하거나, 응축수를 사용하고 있으므로 상기에 동반되는 물보라가 순환수나 에젝터용 펌프를 오염시키므로, 그 고장을 일으킨다는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 상기 공지된 진공농축장치의 결점을 개량하여 60℃이하의 가열온도에서 사용가능함과 동시에, 가열효율이 높아 수증기, 냉각용수의 사용을 필요로 하지 않으며 안정성, 조작성이 뛰어나고, 또 제품의 품질, 수율 및 단위시간당 생산량이 높은 진공농축장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위해 예의 연구한 결과, 히트펌프를 가열원으로 하는 감압증기 발생기에서 발생된 감압증기에 의해 배큠판식 진공증발캔내의 원액을 간접적으로 가열하므로서 상기 목적을 달성할 수 있음을 발견했다.

즉, 본 발명에 따른 진공농축장치는, (a) 가열사이클과 냉동사이클을 절환 가능하게 구성된 히트펌프, (b) 상기 히트펌프의 냉동사이클에 있어서의 가열원과의 간접 열교환에 의해 감압하에서 액체열매체의 감압증기를 발생시키는 감압증기 발생기 및 (c) 배큠판식 진공증발캔으로 구성되고, 상기 배큠판식 진공증발캔은 상기 감압 증기 발생기에서 발생된 감압증기를 받아들여 원액을 간접적으로 잠열 가열하는 스팀자켓, 상기 스팀자켓으로부터의 전열에 의해 감압하에서 원액을 저온 비등시켜 농축하는 원액농축부 및 상기 원액 농축부에서 발생된 증기를 상기 히트펌프의 냉동사이클에 있어서 냉열원과의 간접 열교환에 의해 냉각 응축시키는 페이퍼 콘덴서를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 배큠판식 진공증발캔에는 원액을 교반함과 동시에 캔벽에 부착된 농축물을 교반하는 교반기를 설치했다. 원액은 원액공급관로로부터 진공증발캔애에 개폐밸브를 거쳐 공급하고, 농축액은 진공증발캔의 캔바닥으로부터 개폐밸브를 구비한 농축액 취출 관로를 거쳐 취출할 수 있다.

이 진공농축장치를 기동할 때에는, 우선 상기 감압증기 발생기에 공급되는 액체열매체의 온도를 운전온도보다 내려 둘 필요가 있다. 그로 인해 장치 상승시에 감압증기 발생기에 도입된 액체열매체의 온도를 히트펌프의 가열사이클에 있어서의 냉열원과의 간접 열교환에 의해 설정온도로 설정된 액체열매체의 설정온도 조절기구를 구비했다.

또한, 이 액체열매체의 설정온도 조절기구는 새롭게 감압증기 발생기내에 따로 설치하는 것이 아니라, 히트펌프의 냉동사이클에 있어서의 가열원으로 작용하는 응축기를, 히트펌프의 파이브라인을 절환하므로서 가열사이클에 있어서의 냉열원으로 작용하는 증발기에 겸용시킴으로써 그 기능을 발휘할 수 있도록 했다.

본 발명에 따른 진공농축장치는 상기와 같이 구성되어 있기 때문에, 액체열매체는 감압증기 발생기내에서 히트펌프의 냉동사이클의 가열원에 의해 가열되어 감압증기를 발생한다. 이 감압증기는 배큠판식 진공증발캔의 스팀자켓내에 도입되어서 진공증발캔내의 원액을 간접적으로 가열한다. 진공증발캔내의 원액은 감압하에서 저온비등하여 농축된다. 이때 진공증발캔내에 설치한 교반기에 의해 원액을 교반함과 동시에 캔벽에 부착된 농축물을 떨어낸다. 저온비등에 의해 원액에서 발생된 증기는 진공증발캔 상부의 페이퍼 콘덴서에서 히트펌프의 냉동사이클에 있어서 냉열원과의 열교환에 의해 응축되고, 드레인이 되어 시스템 밖으로 취출된다.

본 발명에 따른 실시예를 제1도, 제2도에 의해 설명한다. 본 실시예의 진공농축장치는 배큠판식 진공증발캔(1)과 감압증기 발생기(20)와 히트펌프(30)에 의해 구성되어 있다.

배큠판식 진공증발캔(1)은 하부에 원액농축부(2), 상부에 페이퍼 콘덴서(3)를 구비한 밀폐된 캔체로 구성되어 있으며, 진공증발캔(1)의 하부 외측에는 스팀자켓(4)을 구비하고 있다. 스팀자켓(4)은 감압증기 발생기(20)에서 발생된 감압증기를 감압증기 공급관(15)을 거쳐 도입하고, 진공증발캔(1)을 외부로부터 간접적으로 잠열가열하기 위한 것이다.

진공증발캔(1)의 가열에 의해 응축된 스팀자켓(4)내의 감압증기는 드레인이 되어 드레인관(16)을 거쳐 감압증기 발생기(20)로 복귀된다.

교반기(8)는 모터(7)에 의해 회전되며, 감압농축부(2)의 원액을 교반하여 균일 가열을 하게 함과 동시에, 캔벽에 달라붙은 농축물을 떨어내는 역할을 한다. 원액공급탱크(5)는 개폐밸브가 부착된 원액공급관로(13)를 거쳐 원액을 진공증발캔(1)내에 공급하고 있다. 농축액수조(6)는 진공증발캔(1)의 캔바닥에 도출되는 농축액 취출관로(14)에 의해 취출되는 농축액을 받어들이는 수조이다. 드레인탱크(11)는 페이퍼 콘덴서(3)에서 응축된 응축액을 관로(17)를 거쳐 받아들이는 탱크이다. 진공펌프(12)는 관로(17)(18)를 거쳐 진공증발캔(1)내를 진공으로 하기 위한 것이다.

감압증기발생기(20)는 내부에 감압증기 발생부(21)를 구비한 밀폐된 캔체로 구성되어 있으며, 하부에 액체열매체안 물을 공급하는 급수관(23), 상부에는 감압증기 발생부(21)에서 발생된 감압증기를 진공증발캔(1)의 스팀자켓(4)에 공급하는 감압증기 공급관(15)을 구비하고 있다. 압력조정용 진공펌프(25)는 관로(24)를 거쳐 감압증기 발생기(20)에 연통되어 있다. 압력칸막이밸브(26)는 관로(24) 도중에 설치되어 있으며 감압증기 발생기(20)의 압력이 설정압력이 되면 자동적으로 폐쇄되도록 구성되어 있다.

히트펌프(30)는 콤플렛서(31)-오일세퍼레이터(32)-토출가스 전자밸브(42)-열교환용 코일(33)-액전자밸브(50)-서브콘덴서(34)-리시버탱크(35)-필터 드라이어(36)-액전자밸브(48)-팽창밸브(46)-페이퍼 콘덴서용 열 교환기(38)-서브증발기(39)-어큐뮬레이터(40)-필터(41)-콤플렛서(31)의 폐회로에 의해 농축운전중의 냉동사이클을 구성하고 있다.

(51)은 서브콘덴서(34)에 송풍하는 송풍기로서, 시스템내의 압력(온도)에 의해 온-오프로 제어하여 토출쪽 압력을 일정하게 유지한다. (52)는 서브증발기(39)를 위한 송풍기이다. (43)은 바이패스관로(57)에 설치한 토출가스 전자밸브, (44)는 바이패스관로(55)에 설치한 전자밸브,(45)는 바이패스관로(58)에 설치한 액전자밸브이다. (37)은 토출측 압력계,(53)은 압력스위치, (54)는 흡입측 압력계, (59)는 바이패스관로이다. 또, 냉매로는 프레온 22를 사용하고 있다.

다음에, 이와같이 구성된 진공농축장치의 운전방법에 대해 설명한다.(상승시의 감압증기 발생기내의 압력조정)

우선, 히트펌프(30)의 냉매회로를 가열사이클 운전으로 한다. 그를 위해서는 토출가스 전자밸브(43), 흡입가스 전자밸브(45), 액전자밸브(49), 송풍기(51)를 온으로 하고, 콤플렛서(31)-오일세퍼레이터(32)-토출가스전자밸브(43)-서브콘덴서(34)-리시버 탱크(35)-필터 드라이어(36)-액전자밸브(49)-팽창밸브(47)-열교환용 코일(33)-흡입가스 전자밸브(45)-서브콘덴서(39)(냉동사이클의 서브증발기(39)를 공용함)-어큐뮬레이터(40)-필터(41)-콤플렛서(31)의 폐회로를 형성한다.

그리고, 토출가스 전자밸브(43), 흡입가스 전자밸브(45), 액전자밸브(49)를 온으로 하고, 서브콘덴서(39)의 송풍기(52)를 온-오프 제어하고, 감압증기 발생기(20)내의 열교환용 코일(33)을 냉각하여 감압증기 발생부(21)내의 물온도를 냉각하고, 농축에 필요한 온도가 되도록 열교환부(22)의 압력을 압력조정용 진공펌프(25)에 의해 조정한다.

농축운전

감압증기 발생기(20)내의 압력이 수정 압력이 되는 시점에서 히트펌프(30)의 냉매회로를 냉동사이클로 절환한다.

그를 위해서는 토출가스 전자밸브(42), 액전자밸브(48)(50)를 온으로 하고, 서브콘덴서(39)의 송풍기(52) 및 흡입가스 전자밸브(44)를 시스템내의 압력 또는 온도에서 온-오프 제어운전하므로서, 감압증기 발생기(20)내의 열교환용 코일(33)을 가열하여 감압증기 발생부(21)내의 물을 가열하여 저온비등시키서 감압증기를 발생시킨다.

배큠판식 진공증발캔(1)내의 진공도를 진공펌프(12)에 의해 설정압력으로 설정한 후, 원액공급 탱크(5)로부터 원액공급관로(13)를 거쳐 진공증발캔(1)내에 원액이 공급된다. 감압증기 발생기(20)로부터 감압증기 공급관(15)을 거쳐 공급되는 감압증기는 스팀자켓(4)에 도입되어, 진공증발캔(1)내의 원액을 간접적으로 잠열가열한다. 원액농축부(2)내의 원액은 진공증발캔(1)내의 진공도에 따라 저온비등하여 수분이 증발되어 농축된다. 발생된 증기는 페이퍼 콘덴서(3)에서 히트펌프(30)의 냉열이 공급되는 열교환기(38)에 의해 간접적으로 냉각된다. 냉각되어 응축된 응축수는 관로(17)를 거쳐 드레인 탱크(11)에 저장되며 개폐밸브를 거쳐 시스템 밖으로 배출된다.

한편, 스팀자켓(4)내에 있어서 진공증발캔(1)내의 원액을 간접적으로 잠열가열한 감압증기는 응축되어 드레인이 되며, 드레인관(16)을 거쳐 감압증기 발생기(20)로 복귀된다.

제품인 농축액은 진공증발캔(1)의 캔바닥에 연통하는 농축액 취출관로(14)를 거쳐 농축액 수조(6)에 취출된다.

조업예

먼저, 히트펌프(30)를 가열사이클로 하여 히트펌프(30)를 시동해서 감압증기 발생기(20)내의 물을 냉각하며 대략 30℃로 설정한다. 다음에는 진공펌프(25)를 시동하여 감압증기 발생기(20)내의 압력을 40Torr로 조정하고 압력조정밸브(26)를 닫는다. 다음에는 히트펌프(30)를 냉동사이클로 절환하여 열교환용 코일(33)에 의해 감압증기 발생부(21)의 물을 가열한다. 이 가열에 의해 약 45℃의 감압증기가 발생된다.

한편, 진공증발캔(1)내의 압력을 진공펌프(12)에 의해 10Torr로 설정한다. 증발캔(1)내의 압력이 설정압력에 도달하면 원액을 원액공급탱크(5)로부터 진공증발캔(1)내에 공급한다. 그리고, 감압증기를 스팀자켓(4)에 보내어 농축운전을 개시한다.

조작조건 및 그 결과는 다음과 같다.

원액입구온도(원액공급관로(13)내) 15℃

원액가열온도(스팀자켓(4)내) 34℃

증발온도(진공증발캔(1)내) 15∼20℃

조작진공도(진공증발캔(1)내) 10∼15Torr

가열원 온도(열교환용 코일(33)) 약 45℃

처리원액 : 천연색소

원액조정 : 수분 98.5wt%

원액처리량 : 15kg/hr

제품생산량 : 0.45kg/hr

제품조성 : 수분 50wt%

수분증발량 : 14.55kg/hr

제품의 색조 : 변화없음

분석결과 : 재질에 변화없음

또, 참고적으로 종래의 온수가열에 의한 진공농축장치에 따른 실적을 다음에 기재한다.

처리원액 : 천연색소

원액조정 : 수분 98.5wt%

원액처리량 : 9.8kg/hr

제품생산량 : 0.29kg/hr

제품조성 : 수분 50wt%

수분증발량 : 9.51kg/hr

제품의 색조 : 약간 떨어짐

분석결과 : 재질에 변화가 보임.

이 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 장치에 따르면 가열온도가 일정하고, 또 단위시간당 처리량이 많은, 다시 말하면 처리시간이 짧기 때문에 열에 민감한 재료를 농축하는 경우 열로 인한 재질의 변화가 적고, 얻어진 제품의 품질은 종래 장치에 따른 경우에 비해 현저히 양호하였다.

원액을 가열하기 위한 감압증기는 감압증기 발생기내에서 열응답성이 좋은 히트펌프의 냉동사이클에 있어서의 가열원에 의해 가열되므로, 상승 시간이 짧아지고 또 설정온도의 변경도 용이하게 할 수 있다. 또한, 가열온도나 압력의 미소량 조절이 가능함과 동시에, 설정온도 및 압력의 편차가 적기 때문에 안정된 조업을 할 수 있다.

원액의 가열은 감압증기의 잠열에 의해 가열하고 있으므로, 증발캔내에 설치한 히트펌프의 응축기에 의해 원액을 직접 가열하는 경우에 비해 열 이동량이 상당히 높아 효율적으로 원액을 가열할 수 있다. 즉, 통상, 히트펌프의 열매체에 사용되는 프레온 22와 감압수증기의 35℃에서의 증발잠열을 비교하면, 전자가 41kcal/kg인데 반해, 후자는 577kcal/kg으로 10배 이상의 격차가 있으며, 단위유량당 가열효율은 실행치에 있어서 본 발명의 감압수증기를 사용하는 방식쪽이 7∼10배 뛰어나다.

진공증발캔내의 원액은 감압하에서 저온비등하여 농축되므로, 그 진공도를 조절하므로서 10∼110℃ 범위의 임의의 설정온도에서 농축할 수 있으며, 그 설정온도의 변경 또한 용이하게 할 수 있다.

또, 진공증발캔내에 원액을 교반함과 동시에 캔벽에 부착된 농축물을 떨어내는 교반기를 구비하고 있으므로, 원액에 대한 열교환 속도를 향상시킴과 동시에, 농축물이 캔벽에 부착되어 눌어붙은 것을 방지한다.

원액 가열용으로 사용되는 감압증기는 폐쇄시스템에서 사용되므로, 운전중 물의 보급은 불필요하며 그밖에 콘덴서용 냉각수 등도 전혀 사용하지 않으므로 물의 소비량이 매우 작고, 또 장치의 운전에는 전력이외의 에너지를 거의 사용하지 않아도 되므로, 시스템의 운용, 관리가 매우 용이하다.

원액 가열용 열교환부는 진공증기 발생기의 증기 분위기내에 있으므로 부식이 적고, 유지보수 비용의 절감을 꾀할 수 있다.

Claims

가열사이클과 냉동사이클을 절환 가능하게 구성한 히트펌프와, 상기 히트펌프의 냉동사이클에 있어서의 가열원과의 간접 열교환에 의해 감압하에서 액체열매체의 감압증기를 발생시키는 감압증기 발생기 및 배큠판식 진공증발캔으로 구성되며, 상기 배큠판식 진공증발캔은 상기 감압증기 발생기에서 발생된 감압증기를 받아들여 원액을 간접적으로 잠열가열하는 스팀자켓과, 상기 스팀자켓으로부터의 전열에 의해 감압하에서 원액을 저온비등시켜 농축하는 원액농축부와, 상기 원액농축부에서 발생된 증기를 상기 히트펌프의 냉동사이클에 있어서의 냉열원과의 간접 열교환에 의해 냉각 응축시키는 페이퍼 콘덴서를 구비한 것을 특징으로 하는 진공농축장치.
제1항에 있어서, 상기 배큠판식 진공증발캔에 원액을 교반함과 동시에 캔벽에 부착된 농축물을 교반하는 교반기를 설치한 것을 특징으로 하는 진공농축장치.
제1항에 있어서, 장치상승시에 상기 감압증기 발생기에 도입된 액체열매체의 온도를 상기 히트펌프의 가열사이클에서의 냉열원과의 간접열교환에 의해 설정온도로 조절하는 액체열매체의 설정온도 조절기구를 구비한 것을 특징으로 하는 진공농축장치.