RU2060672C1

RU2060672C1 - Apparatus for vacuum concentration of liquids in continuous flow

Info

Publication number: RU2060672C1
Application number: RU93044501A
Authority: RU
Inventors: Г.Р. Нариниянц; О.И. Квасенков; С.В. Сидоров; П.А. Горшенин; О.И. Андронова; Э.С. Гореньков; Г.И. Касьянов
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт консервной и овощесушильной промышленности
Priority date: 1993-09-03
Filing date: 1993-09-03
Publication date: 1996-05-27

Abstract

FIELD: vacuum concentration of solutions and emulsions of thermolabile substances, for instance milk, tea or coffee extracts, juices, plant oils and natural hydrocarbons. SUBSTANCE: apparatus has horizontal cylindrical casing with inlet and outlet branch pipes and vapor discharge pipe. Drive shaft with disks attached to it is mounted within casing in horizontal position. C-shaped partition walls are mounted in lower part of casing between disks. At least one infrared source is mounted within casing. Thickness of disks is increasing toward drive shaft axis and disks are arranged so as to define broken line. EFFECT: increased efficiency, wider operational capabilities. 11 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к оборудованию для вакуумного концентрирования растворов и эмульсий термолабильных веществ, например молока, чайного или кофейного экстракта, соков, растительных масел и природных углеводородов. The invention relates to equipment for vacuum concentration of solutions and emulsions of thermolabile substances, for example milk, tea or coffee extract, juices, vegetable oils and natural hydrocarbons.

Известно устройство для вакуумного концентрирования жидкостей в непрерывном потоке, содержащее горизонтально расположенный цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками для продукта и патрубком отвода пара, горизонтальный приводной вал с закрепленными на нем плоскими дисками одинакового диаметра и установленный снаружи на нижней части корпуса нагреватель. A device is known for vacuum concentration of liquids in a continuous stream, comprising a horizontally arranged cylindrical body with inlet and outlet pipes for the product and a steam outlet pipe, a horizontal drive shaft with flat disks of the same diameter fixed to it and a heater mounted externally on the lower part of the body.

Недостатками этого устройства являются неравномерность прогрева и обработки продукта из-за пригара на обогреваемой нижней части внутренней поверхности корпуса, проход части продукта без упаривания по дну корпуса по пути наименьшего сопротивления, что делает невозможным концентрирование термолабильных веществ. The disadvantages of this device are the uneven heating and processing of the product due to burning on the heated lower part of the inner surface of the housing, the passage of part of the product without evaporation along the bottom of the housing along the path of least resistance, which makes it impossible to concentrate thermolabile substances.

Предлагаемое устройство для вакуумного концентрирования жидкостей в непрерывном потоке, содержащее горизонтально расположенный цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками для продукта и патрубком отвода, горизонтальный приводной вал с закрепленными на нем дисками одинакового диаметра и нагреватель, установленный на корпусе, согласно изобретению снабжено С-образными перегородками, установленными на нижней части корпуса между дисками, нагреватель выполнен в виде по меньшей мере одного источника инфракрасного излучения, установленного на внутренней поверхности в верхней части корпуса, а диски выполнены с толщиной, увеличивающейся к оси приводного вала и установлены с образованием ломаной поверхности. The proposed device for vacuum concentration of liquids in a continuous stream, containing a horizontally arranged cylindrical body with inlet and outlet nozzles for the product and a branch pipe, a horizontal drive shaft with disks of the same diameter mounted on it, and a heater mounted on the housing, according to the invention, equipped with C-shaped partitions mounted on the lower part of the case between the disks, the heater is made in the form of at least one source of infrared radiation, mounted on the inner surface in the upper part of the housing, and the disks are made with a thickness increasing to the axis of the drive shaft and installed with the formation of a broken surface.

Такая конструкция устройства исключает пригар продукта при отсутствии его контакта с поверхностью нагрева, исключает проход продукта без выхода в зону контакта с дисками за счет ликвидации пути наименьшего сопротивления по нижней части корпуса под дисками. Это увеличивает равномерность прогрева продукта и вероятность его равномерного концентрирования, что позволяет в данном устройстве упаривать термолабильные вещества, такие как молоко, соки, кофейные и чайные экстракты, минеральные и растительные масла, смеси природных углеводородов. This design of the device eliminates the burning of the product in the absence of its contact with the heating surface, eliminates the passage of the product without reaching the contact zone with the disks by eliminating the path of least resistance along the bottom of the case under the disks. This increases the uniformity of heating of the product and the likelihood of its uniform concentration, which allows you to evaporate thermolabile substances in this device, such as milk, juices, coffee and tea extracts, mineral and vegetable oils, mixtures of natural hydrocarbons.

В предпочтительном варианте источники инфракрасного излучения могут быть установлены в плоскостях, перпендикулярных оси вала, и выполнены по дугам соосных дискам окружностей, при этом нежелательно, чтобы диски образовывали поверхность, удовлетворяющую уравнению в декартовых координатах

-a 0 (1) где х ось, совпадающая с продольной осью вала;
у ось, перпендикулярная оси вала;
а константа, определяющая условия освещенности поверхности дисков, м^-1;
у' производная dy/dx.In a preferred embodiment, the infrared radiation sources can be installed in planes perpendicular to the axis of the shaft, and made along the arcs of the coaxial disks of circles, it being undesirable for the disks to form a surface satisfying the equation in Cartesian coordinates

-a 0 (1) where x axis coincides with the longitudinal axis of the shaft;
the axis perpendicular to the axis of the shaft;
and a constant that determines the conditions of illumination of the surface of the disks, m ^-1 ;
y is the derivative of dy / dx.

Такое выполнение устройства позволяет осуществлять дифференцированный энерговвод по длине корпуса в зависимости от уменьшения содержания выпариваемого компонента для исключения перегрева концентрата, а в желательном варианте создать равномерную освещенность поверхности дисков для исключения зон локального перегрева продукта на их поверхности. This embodiment of the device allows for differentiated energy input along the length of the casing, depending on the decrease in the content of the evaporated component to prevent overheating of the concentrate, and in the desired embodiment, to create uniform illumination of the surface of the disks to exclude zones of local overheating of the product on their surface.

Другим предпочтительным вариантом предусмотрена установка источников инфракрасного излучения паралелльно оси вала и их выполнение линейными, при этом желательно, чтобы диски образовывали поверхность, удовлетворяющую уравнению в декартовых координатах

-a

0
(2) где х, у, у' и a имеют те же значения.Another preferred option is the installation of infrared radiation sources parallel to the axis of the shaft and their linear execution, it is desirable that the disks form a surface that satisfies the equation in Cartesian coordinates

-a

0
(2) where x, y, y 'and a have the same meanings.

Такая конструкция устройства обеспечивает минимальный удельный энерговвод и предназначена для концентрирования наиболее термолабильных веществ. В желательном варианте форма образуемой дисками поверхности обеспечивает равномерную освещенность и отсутствие зон локального перегрева пленки продукта на дисках. This design of the device provides a minimum specific energy input and is intended for the concentration of the most heat-sensitive substances. In a desirable embodiment, the shape of the surface formed by the disks provides uniform illumination and the absence of zones of local overheating of the product film on the disks.

Еще одним предпочтительным вариантом предусмотрено выполнение источника инфракрасного излучения в виде части соосной валу цилиндрической поверхности, при этом желательно, чтобы диски образовывали поверхность, удовлетворяющую уравнению в декартовых координатах

2

arctg

-arctg

-y′ln

-b

= 0 (3) где b безразмерная константа, определяющая условия освещенности поверхности дисков;
х, у и у' имеют те же значения.Another preferred embodiment provides for the implementation of the source of infrared radiation in the form of a part coaxial to the shaft of the cylindrical surface, while it is desirable that the disks form a surface that satisfies the equation in Cartesian coordinates

2

arctg

-arctg

-y′ln

-b

= 0 (3) where b is a dimensionless constant that determines the conditions of illumination of the surface of the disks;
x, y and y 'have the same meanings.

Такая конструкция устройства обеспечивает максимальный удельный энерговвод и обладает максимальной производительностью. В желательном варианте форма образуемой дисками поверхности имеет равномерную освещенность и исключает локальный перегрев продукта. This device design provides maximum specific energy input and has maximum performance. In a desirable embodiment, the shape of the surface formed by the disks has uniform illumination and eliminates local overheating of the product.

Еще одним предпочтительным вариантом предусмотрено выполнение дисков таким образом, что они образуют поверхность с заостренными кромками, желательно с углом при вершине не меньше 10^о.Another preferred option is the implementation of the disks in such a way that they form a surface with pointed edges, preferably with an angle at the apex of at least 10 ^about .

Это исключает зону перегрева на торце дисков, в желательном варианте без значительного увеличения материалоемкости. This eliminates the overheating zone at the end of the disks, in a desirable embodiment, without a significant increase in material consumption.

Для повышения КПД использования инфракрасного излучения диски могут быть выполнены таким образом, что образуют поверхность с гладким профилем впадин. To increase the efficiency of using infrared radiation, disks can be made in such a way that they form a surface with a smooth profile of depressions.

Для увеличения поверхности испарения диски могут быть выполнены таким образом, что образуют поверхность с изломом во впадинах желательно с углом при вершине не меньше 160^о, что исключает резкое падение КПД использования инфракрасного излучения.To increase the evaporation surface discs can be arranged so that they form a surface with a kink in the depressions preferably with an apex angle of at least ^about 160, eliminating the sharp drop in the efficiency of use of infrared radiation.

Последним предпочтительным вариантом предусмотрено выполнение дисков с максимальной толщиной, уменьшающейся для каждого диска по направлению от входного к выходному патрубку для продукта. The last preferred option provides for the implementation of the disks with a maximum thickness decreasing for each disk in the direction from the inlet to the outlet pipe for the product.

Это исключает образование застойных зон при снижении расхода продукта по мере его упаривания. This eliminates the formation of stagnant zones while reducing the consumption of the product as it evaporates.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство с дуговыми излучателями, разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 устройство с линейными излучателями, разрез; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.5 устройство с излучателем в виде сектора цилиндрической поверхности, разрез; на фиг.6 разрез В-В на фиг.5; на фиг.7 узел I на фиг.5. Figure 1 shows the proposed device with arc emitters, section; figure 2 section aa in figure 1; figure 3 device with linear emitters, section; in Fig.4 a section bB in Fig.3; in Fig.5 a device with an emitter in the form of a sector of a cylindrical surface, a section; in Fig.6 section BB in Fig.5; in Fig.7 node I in Fig.5.

Устройство для вакуумного концентрирования жидкостей в непрерывном потоке содержит горизонтально расположенный цилиндрический корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками для продукта и патрубком 4 отвода пара, горизонтальный приводной вал 5 с закрепленными на нем дисками 6, выполненными с одинаковым диаметром и толщиной, увеличивающейся к оси приводного вала 5, и установленными с образованием ломаной поверхности, С-образные перегородки 7, установленные в нижней части корпуса 1 между дисками 6, и нагреватель, выполненный в виде одного или нескольких источников 8 инфракрасного излучения. A device for vacuum concentration of liquids in a continuous stream contains a horizontally arranged cylindrical body 1 with an inlet 2 and an outlet 3 nozzles for the product and a steam outlet 4, a horizontal drive shaft 5 with disks 6 fixed thereon, made with the same diameter and thickness increasing towards the axis drive shaft 5, and installed with the formation of a broken surface, C-shaped partitions 7 installed in the lower part of the housing 1 between the disks 6, and a heater made in the form of one or not how many sources of 8 infrared radiation.

При выполнении источников 8 инфракрасного излучения по дугам соосных дискам 6 окружностей и их установке в плоскостях, перпендикулярных оси вала 5 (фиг. 1 и 2), диски 6 образуют поверхность, удовлетворяющую уравнению (1), гарантирующую равномерную освещенность при данной конфигурации и размещении источников 8 инфракрасного излучения. When performing sources 8 of infrared radiation along the arcs of coaxial disks 6 circles and their installation in planes perpendicular to the axis of the shaft 5 (Fig. 1 and 2), disks 6 form a surface that satisfies equation (1), ensuring uniform illumination with this configuration and placement of sources 8 infrared radiation.

При выполнении источников 8 инфракрасного излучения линейными и параллельными оси вала 5 (фиг.3 и 4) диски 6 образуют поверхность, удовлетворяющую уравнению (2), также гарантирующую равномерную освещенность. When performing sources 8 of infrared radiation linear and parallel to the axis of the shaft 5 (Fig.3 and 4), the disks 6 form a surface that satisfies equation (2), also guaranteeing uniform illumination.

При выполнении источника 8 инфракрасного излучения в виде части соосной валу 5 цилиндрической поверхности (фиг.5 и 6) диски 6 образуют равномерно освещенную поверхность, удовлетворяющую уравнению (3). When performing the source 8 of infrared radiation in the form of a part coaxial to the shaft 5 of the cylindrical surface (FIGS. 5 and 6), the disks 6 form a uniformly illuminated surface that satisfies equation (3).

Внешняя кромка дисков 6 (фиг.7) выполнена заостренной с углом α при вершине не меньше 10^о, а при наличии излома во впадинах дисков 6 угол Φ при их вершине не меньше 160^о.The outer edge of the disc 6 (7) is provided with a taper angle α at the apex of no less than ^about 10, and in the presence of depressions in the fracture angle Φ disc 6 when the top is not less than ^about 160.

На фиг.1 и 3 показаны диски 6, образующие впадины с гладким профилем. Figures 1 and 3 show disks 6 forming hollows with a smooth profile.

На фиг.5 показаны диски 6 с убывающей по направлению от входного патрубка 2 к выходному патрубку 3 максимальной толщиной Р. Figure 5 shows the disks 6 with decreasing in the direction from the inlet pipe 2 to the outlet pipe 3 with a maximum thickness P.

Устройство для вакуумного концентрирования жидкостей в непрерывном потоке работает следующим образом. A device for vacuum concentration of liquids in a continuous stream operates as follows.

Концентрируемую жидкость, например молоко, подают в корпус 1 по патрубку 2, где она перемещается по каналу, образованному дисками 6 и С-образными перегородками 7. При вращении дисков 6 приводным валом 5 за счет смачивания поверхностей дисков 6 концентрируемая жидкость в виде тонкой пленки на их поверхности поступает в верхнюю часть корпуса 1. На части траектории перемещения пленки жидкость подвергается воздействию инфракрасного излучения источников 8, что приводит к нагреву жидкости в тонкой пленке до температуры кипения наиболее легколетучей фракции, например воды, и ее выпариванию. Выполнение дисков 6 с образованием поверхности в соответствии с уравнениями (1)-(3) в зависимости от формы выполнения источников 8 инфракрасного излучения обеспечивает равномерную освещенность этой поверхности и, соответственно, равномерный нагрев жидкости в пленке и равномерное выпаривание по всей площади пленки отгоняемой фракции, исключающие первоочередное упаривание жидкости на любом участке и образование зоны локального перегрева после полного испарения отгоняемой фракции, что особенно важно при концентрировании термолабильных веществ, таких как молоко, локальный перегрев которого может привести к коагуляции белка и потере потребительских свойств; экстракты чая и кофе, локальный перегрев которых приводит к потере вкусоароматических веществ и снижению органолептических показателей; фруктовые и овощные соки, локальный перегрев которых приводит к потере вкусоароматических и биологически активных веществ и снижению их органолептических показателей и биологической ценности; вина, локальный перегрев которых приводит к потере крепости, вкусо-ароматических и биологически активных веществ, искажению цветности и снижению их потребительских качеств; растительные и природные масла, локальный перегрев которых приводит к окислению и ухудшению качества, смеси природных углеводородов, локальный перегрев которых может привести к самовоспламенению. Обработанная излучением пленка возвращается в основную массу обрабатываемой жидкости и за счет высоких тангенциальных напряжений в зазоре между дисками 6 и перегородками 7 эффективно с ней перемешивается, обеспечивая равномерный прогрев продукта по всему объему. Выпаренная газовая фаза отводится из корпуса 1 по патрубку 4, разрежение в котором определяет температуру кипения отгоняемой фракции жидкости и необходимый энерговвод для ее испарения. По мере перемещения по корпусу 1 жидкость многократно обрабатывается в тонкой пленке до заданной расходом, частотой вращения вала 5 и удельным энерговводом от источников 8 концентрации. При значительном упаривании целесообразно выполнять диски 6 с уменьшающейся от патрубка 2 к патрубку 3 максимальной толщиной, что уменьшает проходное сечение канала для обрабатываемого продукта и исключает снижение линейной скорости перемещения концентрата и образование застойных зон. Полученный концентрат отводится из корпуса 1 по патрубку 3. Concentrated liquid, such as milk, is fed into the housing 1 through the nozzle 2, where it moves along the channel formed by the disks 6 and C-shaped partitions 7. When the disks 6 are rotated by the drive shaft 5 by wetting the surfaces of the disks 6, the concentrated liquid in the form of a thin film on their surface enters the upper part of the housing 1. On the part of the trajectory of the film, the liquid is exposed to infrared radiation from sources 8, which leads to heating of the liquid in the thin film to the boiling point of the most volatile fractions, for example water, and its evaporation. The implementation of the disks 6 with the formation of the surface in accordance with equations (1) - (3), depending on the form of the sources of 8 infrared radiation provides uniform illumination of this surface and, accordingly, uniform heating of the liquid in the film and uniform evaporation over the entire area of the film of the stripped fraction, excluding the primary evaporation of liquid in any area and the formation of a zone of local overheating after complete evaporation of the distilled fraction, which is especially important when concentrating heat-sensitive eschestv such as milk, local overheating which may cause protein coagulation and loss of consumer properties; tea and coffee extracts, local overheating of which leads to a loss of flavoring substances and a decrease in organoleptic characteristics; fruit and vegetable juices, local overheating of which leads to the loss of flavoring and biologically active substances and a decrease in their organoleptic characteristics and biological value; wines, local overheating of which leads to a loss of strength, taste, aromatic and biologically active substances, color distortion and a decrease in their consumer qualities; vegetable and natural oils, local overheating of which leads to oxidation and poor quality, mixtures of natural hydrocarbons, local overheating of which can lead to self-ignition. The film processed by radiation is returned to the bulk of the processed fluid and due to high tangential stresses in the gap between the disks 6 and the partitions 7 is effectively mixed with it, ensuring uniform heating of the product throughout the volume. The vaporized gas phase is discharged from the housing 1 through the pipe 4, the vacuum in which determines the boiling point of the distilled liquid fraction and the necessary energy input for its evaporation. As you move through the housing 1, the liquid is repeatedly processed in a thin film to a predetermined flow rate, shaft speed 5 and specific energy input from concentration sources 8. With significant evaporation, it is advisable to perform disks 6 with a maximum thickness decreasing from nozzle 2 to nozzle 3, which reduces the channel cross-section for the processed product and eliminates the decrease in the linear velocity of the concentrate and the formation of stagnant zones. The resulting concentrate is discharged from the housing 1 through the pipe 3.

Форма выполнения источников 8 инфракрасного излучения по дуге соосной валу 5 окружности обеспечивает дифференцированный энерговвод по длине корпуса 1 и применима при концентрировании особенно термолабильных вязких жидкостей со значительным содержанием отгоняемой жидкой фракции. Выполнение линейных источников 8, параллельных оси вала 5, обеспечивает минимальный удельный энерговвод и необходимо при обработке особенно термолабильных высоковязких жидкостей с малым содержанием отгоняемой жидкой фракции. Выполнение источника 8 в виде соосной валу цилиндрической поверхности обеспечивает максимальный удельный энерговвод и обработку термолабильных жидкостей с невысокой вязкостью с максимальной производительностью независимо от содержания отгоняемой фракции при высокой угловой скорости вращения вала 5. The embodiment of sources of infrared radiation 8 along an arc coaxial to the shaft 5 of the circle provides a differentiated energy input along the length of the housing 1 and is applicable for the concentration of especially heat-sensitive viscous liquids with a significant content of the distilled liquid fraction. The implementation of linear sources 8, parallel to the axis of the shaft 5, provides the minimum specific energy input and is necessary when processing especially heat-sensitive highly viscous liquids with a low content of the distilled liquid fraction. The implementation of the source 8 in the form of a cylindrical surface coaxial to the shaft provides the maximum specific energy input and processing of heat-sensitive liquids with low viscosity with maximum productivity regardless of the content of the distilled fraction at high angular rotation speed of the shaft 5.

Таким образом, предлагаемое устройство исключает неравномерный прогрев концентрируемого продукта, его пригар и проход его части без упаривания, что позволяет использовать его при концентрировании термолабильных продуктов, таких как молоко, экстракты чая и кофе, соки, вина, растительные и природные масла, смеси углеводородов. Thus, the proposed device eliminates uneven heating of the concentrated product, its burning and passage of its parts without evaporation, which allows it to be used in the concentration of thermolabile products, such as milk, tea and coffee extracts, juices, wines, vegetable and natural oils, hydrocarbon mixtures.

Claims

1. A device for the vacuum concentration of liquids in a continuous stream, comprising a horizontally arranged cylindrical body with inlet and outlet nozzles and a pipe for removing steam, a horizontal drive shaft with fixed disks of the same diameter and a heater installed in the housing, characterized in that it is equipped with -shaped partitions installed in the lower part of the case between the disks, the heater is made in the form of at least one source of infrared radiation installed on the inner surface of the top portion of the housing, and the disks have a thickness that increases toward the drive shaft axis, and are mounted to form a sloping surface.

2. The device according to claim 1, characterized in that the sources of infrared radiation are installed in planes perpendicular to the axis of the shaft, and are made along arcs coaxial with the disks.

3. The device according to claim 2, characterized in that the disks form a surface that satisfies the equation in Cartesian coordinates

where X is the abscissa coinciding with the longitudinal axis of the shaft;
Y values along the ordinate axis perpendicular to the longitudinal axis of the shaft;
Y ′ derivative dY / dX;
a constant that determines the conditions of illumination of the surface of the disks, m ^- ¹ .

4. The device according to claim 1, characterized in that the infrared radiation sources are mounted parallel to the axis of the shaft and are linear.

5. The device according to claim 4, characterized in that the disks form a surface that satisfies the equation in Cartesian coordinates

6. The device according to claim 1, characterized in that the source of infrared radiation is made in the form of part of a cylindrical surface, coaxial with the shaft.

7. The device according to claim 6, characterized in that the disks form a surface that satisfies the equation in Cartesian coordinates

where b is a dimensionless constant that determines the conditions of illumination of the surface of the disks.

8. The device according to claim 1, or 2, or 3, or 4, or 5, or 6, or 7, characterized in that the edges of the disks are made pointed.

9. The device according to claim 8, characterized in that the disks are made so that they form a surface with an angle at the apex of the fractures on the ridges of the profile of at least 10 ^o .

10. The device according to claim 1, or 2, or 3, or 4, or 5, or 6, or 7, or 8, or 9, characterized in that the disks are made so that they form a surface with a smooth profile of the depressions.

11. The device according to claim 1, or 2, or 3, or 4, or 5, or 6, or 7, or 8, or 9, characterized in that the disks are made so that they form a surface with a fracture of the profile in the depressions.