專利名稱:冰晶分離裝置的制作方法
技術領域:
本實用新型涉及一種冰晶分離裝置,它是一種用于將冰晶與液體混合物料 中的冰晶與液體分離開的分離裝置,該裝置可以廣泛應用于果蔬汁、牛奶、茶 汁等液態食品以及中藥提取液的冷凍濃縮加工工藝中的冰晶與液體分離工序。
背景技術:
濃縮是液態食品加工中一項重要的單元操作,主要有蒸發、反滲透、冷凍 濃縮三種方法。冷凍濃縮是利用冰與水溶液之間固液相平衡原理的一種濃縮方 法,其操作是把稀溶液降溫至水的冰點(凝固點)以下使得部分水凍結成冰晶, 把冰晶分離出去從而得到濃縮液。
工業上,冷凍濃縮過程的結晶有兩種形式 一種是稀溶液中的水分在冷面 形成厚厚的冰層,冰層可以在部分融冰使之脫離器壁之后手工分離,這種方式 稱為漸進層狀結晶;另一種結冰發生在攪拌的懸浮液中,通過大量懸浮分散于 母液中冰結晶的成長、分離而達到濃縮的方式稱為懸浮結晶。懸浮式結晶法是 在母液中形成大量的冰結晶,單位體積冰晶的表面積很大,能夠迅速形成潔凈 的冰晶且濃縮終點較大。
荷蘭Eindhoven大學Thijssen等在70年代成功地利用奧斯特瓦爾德成熟效應 設置了再結晶過程造大冰晶,并建立了冰晶生長與種晶大小及添加量的數學模 型,從此冷凍濃縮技術被應用于工業化生產利用濃縮時首先將被濃縮物料泵 入刮板式熱交換器中,生成部分細微的冰結晶后再送入再結晶罐,由于奧斯特 瓦爾德效應,小冰晶融化、大冰晶成長,然后通過洗凈塔排除冰晶,同時用部 分冰融解液沖洗、回收冰晶表面附著的濃縮液,清洗液回流至進料端,濃縮液 則循環至要求濃度后從結晶罐底部排出,這一方法用于速溶咖啡、速溶茶、濃 縮橙汁等的生產,濃縮咖啡時有效成分損失小于1%,濃縮果汁時維生素保護得 很好。
申請號為01800826. 7的中國實用新型專利公開了一種水溶液的冷凍濃縮方 法,它利用奧斯特瓦爾德效應將溶液冷卻至過冷狀態而無成核或在傳熱表明無 冰形成,將過冷溶液瞬間成核以產生細小冰晶并使溶液濃縮。該裝置的好處在 于避免了在換熱器中設置刮刀而產生的能源消耗。其缺點在于需要過濾冰晶,則可能將低濃度冰晶和高濃度的大小冰晶同時過濾,既容易造成流程復雜和衛 生問題,又導致夾帶率高,同時小冰晶的排出也不利于罐體內冰晶的生長。
而傳統的冰晶生長罐中設有全罐(螺旋)攪拌器,并通過泵排除液體中的
冰晶,該設計具有以下好處1、實現全罐攪拌,利于冰晶分布均勻;2、通過 螺旋攪拌,有利于協助冰晶體上浮,帶動冷量在生長罐內從底部向頂部傳遞。 但是這種裝置存在以下問題1、將結晶罐中的冰晶用泵導入冰晶生長罐以及全 罐攪拌需要消耗大量的能量,并且由于旋轉產生的向心力作用,使得大部分冰 晶夾在罐壁與出口之間的環形區域內,當無外力將冰晶推出出口時,會使冰晶 的排出速度慢甚至無法完全排出,因此冰晶分離效果差、效率低,需要外力設 備引導冰晶排出;2、如采用泵抽排冰晶,則會使冰晶生長罐中的大冰晶和小冰 晶均通過泵排出,無法選擇性地將小冰晶留下,由于冰晶生長速度與冰晶表面 積呈正比,小冰晶被排出后,不利于冰晶的生長,并且由于部分小冰晶表面攜 帶濃縮液的含量高,容易造成溶質損失。
實用新型內容
為了解決現有技術所存在的上述問題,本實用新型提供了一種冰晶分離裝 置,它利用冰晶體自身的浮力和液面攪拌產生的向心力的共同作用,可使冰晶 體自然向液面旋轉中心的冰晶收集口運動并通過冰晶收集管順利排出(即中心/ 向心排冰法),從而不僅節約能耗、提高分離效率,而且還能減少溶質損失,有 利于冷凍濃縮工業化生產。
本實用新型的技術方案是這樣構成的,它包括用于盛放冰晶與液體混合物 料的罐體,其特征在于所述罐體上部設有用于使罐體內的液體表面產生旋轉 運動的表面攪拌器,該表面攪拌器為分叉形狀;所述罐體內還設有空心的冰晶 收集管,該冰晶收集管的冰晶收集口處于罐體內產生旋轉運動的液面旋轉中心 部位,冰晶排出口通往罐體外部。
本實用新型工作原理說明如下當需要排冰時,向罐體內輸入適拿新的物 料,使液面略超過冰晶收集口,啟動表面攪拌器,使罐體內的上層液體旋轉, 由此產生了對液體的離心力和冰晶體的向心力。由于存在冰晶體自身的上浮力 和液體旋轉時對冰晶體產生的向心力,兩個力之和形成一個合力,使冰晶體自 然向液面旋轉中心的冰晶收集口運動并順利排出(即中心/向心排冰法)。而小 冰晶體受到的向心力小于大冰晶體,在向心運動的過程中落在后邊而不被排出 (或者最后才排出),從而停留在罐體內一邊繼續緩慢上升, 一邊慢慢成長為 大冰晶。較之已有技術而言,本實用新型具有以下顯著優點(1)通過中心/向心排 冰法,即利用冰晶體自身的浮力和液體表面旋轉時對冰晶體產生的向心力之和, 可使罐體內的冰晶體自然向液面旋轉中心的冰晶收集口運動并順利排出,大大
提高了冰晶的分離效率;(2)采用表面攪拌器僅使上層液體旋轉,中下部液體 不旋轉,可節省能量消耗;(3)根據液體的黏度,冰晶體的大小,調整表面攪 拌器的轉速,還可改變冰晶體受到的向心力的大小,從而調整冰晶體排出的速 度。(4)由于冰晶體受到的向心力與冰晶體的尺寸有關,顆粒大的冰晶體,受 到的向心力就大,向中心運動的速度就快,因此大冰晶體就優先被排出,而小 冰晶體則因向心力不足而最后排出或者不被排出,滯留在液體中的小冰晶體可 繼續生長為大冰晶后再排出,這樣有利于減少因表面夾帶而造成的溶質損失; 另一方面,由于冰晶增長速度與冰晶表面積有關,而留下的小冰晶體因比表面 積大,因此有利于提高罐體內冰晶體的增長速度,從而提高濃縮液的生產效率。
為了方便冰晶進入冰晶收集口,本實用新型上述技術方案中,所述冰晶收 集口的開口最好朝上,當然也可以是傾斜設置的。在產生液體旋轉分離運動時, 罐體內的物料液面應略高于冰晶收集口 。
所述罐體可以為獨立使用的分離罐體,當要將在其它容器內形成的混合物 料中的冰晶從液體中分離出去時,將混合有冰晶和液體的物料輸入或直接倒入 罐體內,啟動表面分離器,即可使冰晶從液體中分離出來。
或者所述的罐體也可以作為冰晶生長罐,使混合物料中的小冰晶直接在罐 體內生長為大冰晶后,直接在罐體內實現分離工作。此時,在平靜的冰晶生長 期一即罐體內冰晶和液體尚未進行旋轉分離運動時,冰晶生長罐內的物料液面 應略低于冰晶收集口。
為了使液體的冷凍濃縮與分離工序形成一體連貫性,所述冰晶生長罐底部 設有用于與刮刀式換熱器的物料出口連接的物料進口,換熱器的外周部設有供 冷媒劑流通的夾層,內部設有用于刮離結于內壁的冰晶體的刮刀。這樣,物料 在流經換熱器時即受到冷凍濃縮,在換熱器的換熱界面結冰,通過刮刀分離冰 晶后,冰晶體與液體混合物料一起進入冰晶生長罐內,冰晶體在自身浮力作用 下自動上升,在冰晶通過浮力由下至上的上浮過程中帶動了熱量和質量的交換, 即在將冷量從底部帶到上部的過程中,實現奧斯特瓦爾德成熟效應,高濃度夾 帶的小冰晶融化、低濃度夾帶的小冰晶成長為大冰晶,從而降低了溶質夾帶, 并省去了強制性的攪拌,節省了能耗。形成的大冰晶最后再通過表面攪拌器旋 轉產生的向心力從冰晶收集口排出。所述刮刀式換熱器最好直接設于冰晶生長罐的底部或底部旁側并與冰晶生 長罐連為一體。將二者連接為一體的好處在于在換熱界面上形成的冰晶由刮 刀分離后,由于冰晶密度較低,可依靠其浮力自動上浮至冰晶生長罐的液面, 同時將冷量從底部傳遞到上部,自發實現能量、質量的交換,而濃縮液由于密 度較高則自動沉降到底部,并回流至換熱器內,這樣既避免了液體之間的泵送, 又簡化了流程,并且節省了強制攪拌和泵送的能耗。
為了便于冰晶體順利地從換熱器進入冰晶生長罐內,所述刮刀式換熱器的 軸線與冰晶生長罐的軸線之間的夾角a最好在90。 一180°之間。液體黏度越 高,夾角a可以越大。
當然,所述刮刀式換熱器與冰晶生長罐也可以分別獨立設置,換熱器的物 料出口通過管道與冰晶生長罐的底部連接,冰晶生長罐的底部還設有另一連接 至換熱器的物料進口的回流管道,該回流管道上串接有用于將冰晶生長罐內的 液體抽回至換熱器內重結晶的可啟閉的泵送裝置。
圖1是本實用新型提供的冰晶分離裝置實施例1構造示意圖。 圖2是本實用新型提供的冰晶分離裝置實施例2構造示意圖。 圖3是圖2的A-A剖視圖。
圖4是本實用新型提供的冰晶分離裝置實施例3構造示意圖。 圖中標號說明1、刮刀式換熱器,11、換熱器的物料進口, 12、換熱器的 物料出口, 13、夾層,14、刮刀,15、驅動裝置,16、冷媒劑進出口, 2、罐體, 21、罐體的物料進口, 22、罐體的濃縮液出口, 3、表面攪拌器,4、冰晶收集 管,41、冰晶收集口, 42、冰晶排出口, 5、回流管道,6、泵送裝置。
具體實施方式
下面結合說明書附圖和具體實施例對本實用新型內容進行詳細說明 實施例l
如圖l所示為本實用新型實施例l構造示意圖,它包括用于盛放冰晶與液體 混合物料的罐體2,其特征在于所述罐體上部設有用于使罐體內的液體表面產 生旋轉運動的表面攪拌器3,該表面攪拌器為分叉形狀,以便在使液體表面產生 旋轉運動時,密度較輕的冰晶體能在旋轉產生的向心力作用下向中心匯集;所 述罐體內還設有空心的冰晶收集管4,該冰晶收集管的冰晶收集口41處于罐體內
產生旋轉運動的液面旋轉中心部位,冰晶排出口42通往罐體外部。
所述冰晶收集口的開口朝上。所述冰晶排出口由罐體的側部(也可以是底部)伸出。冰晶收集管的形狀
可以是圓柱體、長方體或菱形體等各種形狀,材料可以由不銹鋼材料或其它不
易生銹的材料制成。
在產生液體旋轉分離運動時,罐體內的物料液面略高于冰晶收集口。 所述罐體可以是一個獨立使用的分離罐體,也可以是冰晶生長罐。當其為
冰晶生長罐時,在在平靜的冰晶生長期一即罐體內冰晶和液體尚未進行旋轉分
離運動時,冰晶生長罐內的物料液面略低于冰晶收集口。
實施例2
如圖2和圖3所示為本實用新型實施例2構造示意圖,實施例2與實施例1的區 別在于所述冰晶生長罐底部設有用于與刮刀式換熱器1的物料出口12連接的物 料進口21,換熱器的外周部設有供冷媒劑流通的夾層13,內部設有用于刮離結 于內壁的冰晶體的刮刀14。夾層和罐體內腔之間的罐體壁構成冷媒劑與罐體內 物料的換熱面,由于該換熱面的溫度較低,可使與該換熱面直接接觸的物料表 層迅速形成冰晶體。刮刀14由驅動裝置15控制,在換熱器罐體內緩慢的旋轉, 從而刮除在換熱界面上形成的冰晶體。換熱器的幾何尺寸最好小于生長罐的幾 何尺寸,這樣比較有利于刮刀系統的制作和平穩運轉。此外,生長罐尺寸比較 大也有利于容納更多的小冰晶體,大量的小冰晶體為提高冰晶體生長速率提供 足夠大的結晶面,從而提高生產效率。
所述換熱器直接設于冰晶生長罐的底部旁側,設于旁側有利于降低整個設 備的高度(也可以直接設在底部)并與冰晶生長罐連為一體。
所述刮刀式換熱器的軸線與冰晶生長罐的軸線之間的夾角a在90° —180 °之間。如成90° 、 120°或150°等。在大規模生產中,需要長度比較大的換 熱器,使刮刀式換熱器采用一定的仰角與冰晶生長罐連接,有利于使冰晶體順 利地從換熱器進入冰晶生長罐。液體黏度越高,采用的仰角可以越大。
實施例3
如圖4所示為本實用新型實施例3構造示意圖,實施例3與實施例2的區 別在于所述刮刀式換熱器與冰晶生長罐分別獨立設置,所述換熱器的物料出 口通過管道與冰晶生長罐的底部連接,冰晶生長罐的底部還設有另一連接至換 熱器的物料進口的回流管道5,該回流管道上串接有用于將冰晶生長罐內的液體 抽回至換熱器內重結晶的可啟閉的泵送裝置6。
權利要求1、一種冰晶分離裝置,它包括用于盛放冰晶與液體混合物料的罐體(2),其特征在于所述罐體上部設有用于使罐體內的液體表面產生旋轉運動的表面攪拌器(3),該表面攪拌器為分叉形狀;所述罐體內還設有空心的冰晶收集管(4),該冰晶收集管的冰晶收集口(41)處于罐體內產生旋轉運動的液面旋轉中心部位,冰晶排出口(42)通往罐體外部。
2. 根據權利要求l所述的冰晶分離裝置,其特征在于所述冰晶收集口的 開口朝上。
3. 根據權利要求1或2所述的冰晶分離裝置,其特征在于所述冰晶排出口 由罐體的側部或底部伸出。
4. 根據權利要求3所述的冰晶分離裝置,其特征在于在產生液體旋轉分 離運動時,罐體內的物料液面略高于冰晶收集口。
5. 根據權利要求4所述的冰晶分離裝置,其特征在于所述罐體為冰晶生長罐,在平靜的冰晶生長期一即罐體內冰晶和液體尚未進行旋轉分離運動時, 冰晶生長罐內的物料液面略低于冰晶收集口。
6. 根據權利要求5所述的冰晶分離裝置,其特征在于所述冰晶生長罐底 部設有用于與刮刀式換熱器(1)的物料出口 (12)連接的物料進口 (21),換 熱器的外周部設有供冷媒劑流通的夾層(13),內部設有用于刮離結于內壁的冰 晶體的刮刀(14)。
7. 根據權利要求6所述的冰晶分離裝置,其特征在于所述刮刀式換熱器直接設于冰晶生長罐的底部或底部旁側并與冰晶生長罐連為一體。
8. 根據權利要求7所述的冰晶分離裝置,其特征在于所述刮刀式換熱器 的軸線與冰晶生長罐的軸線之間的夾角a在90。 一180°之間。
9. 根據權利要求6所述的冰晶分離裝置,其特征在于所述刮刀式換熱器與冰晶生長罐分別獨立設置,換熱器的物料出口通過管道與冰晶生長罐的底部 連接,冰晶生長罐的底部還設有另一連接至換熱器的物料進口 (11)的回流管道(5),該回流管道上串接有用于將冰晶生長罐內的液體抽回至換熱器內重結 晶的可啟閉的泵送裝置(6)。
專利摘要本實用新型涉及一種冰晶分離裝置,它包括用于盛放冰晶與液體混合物料的罐體,其特征在于所述罐體上部設有用于使罐體內的液體表面產生旋轉運動的表面攪拌器,該表面攪拌器為分叉形狀;所述罐體內還設有空心的冰晶收集管,該冰晶收集管的冰晶收集口處于罐體內產生旋轉運動的液面旋轉中心部位,冰晶排出口通往罐體外部。本實用新型利用冰晶體自身的浮力和液面攪拌產生的向心力的共同作用,可使冰晶體自然向液面旋轉中心的冰晶收集口運動并通過冰晶收集管順利排出(即中心/向心排冰法),從而不僅節約能耗、提高分離效率,而且還能減少溶質損失,有利于冷凍濃縮工業化生產。
文檔編號A23L1/28GK201101110SQ20072000840
公開日2008年8月20日 申請日期2007年9月30日 優先權日2007年9月30日
發明者婷 方, 陳錦權 申請人:陳錦權