脫氣機系統以及用于脫氣的方法
【專利摘要】在一種方法中，將所述液體加壓到高于大氣壓的壓強，之后將所述液體引導到成核閥門的上游端。在所述成核閥門的下游端上存在低壓并且在所述液體經過所述閥門時，引發氣泡成核現象，從而形成脫氣工藝中的第一步驟。根據所述方法，對所述閥門的下游側上的溫度和壓強進行控制以使得靜壓高于飽和壓強，而在所述液體經過所述閥門時的最低壓強低于或等于所述飽和壓強。
【專利說明】脫氣機系統以及用于脫氣的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于對液體食品進行脫氣的系統和方法。
【背景技術】
[0002]在對液體產品進行包裝的領域當中，脫氣是一個沿用已久的概念并且在大部分的加工工廠中，例如在液體產品在管線的第一端以散裝形式被接收而在該管線的另一端以單獨的包裝容器的形式被輸送的工廠中，脫氣被納入作為一個必不可少的步驟。空氣(或氧氣)可能由于多種不同的原因而存在于液體產品中，其中兩個主要的原因在于空氣(或氧氣)被分散或溶解。以牛奶為例，在牛奶離開母牛之前牛奶當中將存在有一些氧氣，并且在從擠奶過程本身開始的每個加工步驟中將會有更多的氧氣混合并且溶解到牛奶中。
[0003]空氣和氧氣可能引起以下范圍內的多種負面影響:分離器中的撇沫效率降低、在加工期間產品中出現空化、巴氏滅菌器中的加熱表面結垢、產品的存放期縮短(因氧化作用所致)等，這就是脫氣成為一個沿用已久的加工步驟的一些原因。
[0004]為了簡化基礎理論，所述基礎理論顯然是為本領域技術人員所公認并且熟知的，諸如氧氣或氮氣之類的氣體在液體中的溶解度將取決于溫度和壓強。在較低的溫度下可以溶解于液體中的氧氣或氮氣多于在較高的溫度下可以溶解于液體中的氧氣或氮氣，即在較低溫度下飽和濃度較高。對于壓強來說，關系是相反的，壓強越高，則飽和濃度越高。這種簡單的關系確立了，為了對液體進行脫氣，可以改變溫度或壓強中的一者或這兩者。并且，明顯的是，脫氣因而不難通過簡單地調節到容納液體的容器中具體的飽和濃度所需的溫度和壓強來加以實現。然而，在商用生產線中，脫氣在高效節能的要求下應當使得每小時處理數千升的液體產品成為可能，這會使得等待所要達到的平衡的理論方法變得不適用。盡管如此，仍在使用非常類似于理論方法的脫氣技術。
[0005]在本發明的主要領域中更常使用的脫氣方法是利用在與真空連接的膨脹容器中進行的真空脫氣法。將液體輸送到具有某一溫度的膨脹容器中，所述溫度是在膨脹容器中廣泛存在的壓強下高于沸點的某個度數。當液體經由閥門進入容器中時，則該容器中的溫度和壓強條件使所述液體立即開始沸騰，這一過程被稱為閃急沸騰(flash boiling)(在下文中被稱為閃沸(flash/flashing))。該過程使得液體呈汽化形式并且在閃沸期間使空氣從溶解形式釋放出來。液體蒸汽在容器中的冷卻區域中冷凝，而釋放出的空氣由真空泵從容器中排出，同時液體通過容器底部的開口流出。為了提高分離速率，液體可以沿切線方向進入膨脹容器中，以便引起漩渦。這種脫氣方法是非常高效的，但在能源成本不斷增加以及節能意識有所提高的時代，仍存在改進的空間。
【發明內容】
[0006]出于顯而易見的原因，本發明與現有技術之間在所要實現的結果方面存在相似性。然而，根本差異在于雖然【背景技術】著眼于影響閥門后的某個位置上的條件，最通常地為膨脹容器中的壓強和溫度，但是本發明著眼于影響流體從閥門上游的條件過渡到閥門下游的條件的方式以及在液體到達分離容器之前對液體進行的處理。所要調節的一些參數是閥門上游的壓強和閥門下游的壓強。以這種方式，可以控制通過閥門的壓降。閥門中限流結構的尺寸隨后將影響通過閥門的流速并且因此影響過渡時間。使流體經受瞬時的并且顯著的壓降將會引發成核現象。實驗已揭示，(氣體)氣泡的成核現象存在于整個流體體積當中，即均質的成核現象，并且它因此有助于高效的脫氣。對于本發明的一個或多個實施方式來說，優選的是，即使閥門下游的平衡壓強和溫度不會使得流體閃沸，由限流結構所引起的最小壓強仍將引發流體的空化，這也將有助于脫氣。
[0007]為此，本發明涉及一種用于對液體進行脫氣的方法，所述方法包括以下步驟:將所述液體加壓至高于大氣壓的壓強，將加壓液體引導至成核閥門的上游端，以及將所述閥門的下游側上的壓強降低至低于大氣壓的壓強，從而在液體經過成核閥門時引起氣泡成核現象，這是脫氣的第一步驟。依靠作為脫氣工藝中的第一步驟的氣泡成核現象是不同于現有技術的，在現有技術中，閃沸是所利用的主要作用，并且本發明的方法提供了一種高效節能并且省時的脫氣方法。
[0008]在一個或多個實施方式中，所述方法包括使用成核閥門形成自由流體噴射流的步驟。實驗結果指示高速噴射流的形成將會增強脫氣，所述高速噴射流在大部分的應用中將是湍流噴射流。自由噴射流優選地不受限制(例如朝向壁引導)。在這種情況下，應指出的是，所述噴射流容納于某種管道或類似物中，并且所形成的噴射流的某個部分將在某種程度上與管道壁相互作用。然而，噴射流的核心將不會在任何顯著的程度上與系統的構造界限相互作用。
[0009]所述方法還可以包括引發通過閥門的壓降的步驟，所述壓降優選地超過2巴，更優選地超過3巴，示意性地為約4巴或5巴。實驗指示壓降升高會使得脫氣效率增加。實際上有可能在閥門上游施加更高的壓強(以便升高壓降)，然而存在實際的限制條件，例如泵容量方面的限制條件。
[0010]根據本發明的一個或多個實施方式，所述方法包括控制閥門下游的壓強以使得所述壓強保持高于或等于液體的飽和壓強的步驟。這將消除在更大的規模上進行閃急沸騰的風險。
[0011 ] 在一個或多個實施方式中，所述方法包括將離開成核閥門的液體向下游引導至擴散反應器中的步驟。在自由噴射流被引導于其中的擴散反應器中，液體中溶解的氣體將從液體中擴散至氣泡中。
[0012]為了進一步使氣體與液體分離，在本發明的一個實施方式中，本發明的方法可以包括將離開擴散反應器的液體向下游引導至分離容器中的步驟。這優選地通過使擴散反應器直接開口于分離容器中來進行，在所述分離容器中，使氣相與液相分離。
[0013]據信突然的壓降因而可以是一個重要的特征，然而在本發明的一個或多個實施方式中，它似乎還有利于控制閥門下游側上的壓強以使所述壓強低于0.1巴。在更一般的方面，可能會規定的是，緊靠閥門后的壓強應當保持在液體在具體溫度下的飽和壓強的160%以下，諸如150%以下。
[0014]在一個或多個實施方式中，對閥門下游側上的壓強進行控制以使得靜壓高于飽和壓強，而在液體經過閥門時的最低壓強低于飽和壓強。在液體經過閥門時，它將被加速成高速流，從而引起因動壓所致的局部壓強降低。如果環境靜壓接近于(高于或等于)飽和壓強，那么動壓可以使得壓強下降至飽和壓強以下。這將引起局部閃急沸騰，據信這會進一步有助于脫氣。
[0015]根據本發明的另一個方面，本發明涉及一種根據本發明的方法和其實施方式對液體進行脫氣的系統。本發明用于對液體進行脫氣的系統包括:用于升高液體在成核閥門上游端上的壓強的泵；用于降低減壓閥下游端上的壓強的真空泵；以及用于控制這些泵的控制系統。
[0016]根據一個或多個實施方式，成核閥門在壓降后提供了不受限制的流動，以便可以形成自由流體噴射流。一些閥門具有復雜的構造，其中所述噴射流不得不在閥門中主壓強降低后沿著復雜的通道前進。實驗指示這些閥門不太適用于本發明中，并且閥門優選地應當不具有復雜的設計，至少在主壓降后不具有復雜的設計，從而在操作期間液體的自由噴射流可以從所述閥門中延伸出。
[0017]控制系統可以被適配成引發通過閥門的壓降，所述壓降優選地超過2巴，更優選地超過3巴，示意性地為約4巴或5巴。在一個或多個實施方式中，所述控制系統被適配成控制閥門下游的溫度和壓強，以使得液體保持在低于或等于它的沸點下。
[0018]根據本發明的一個或多個實施方式，本發明的系統還可以包括被布置在成核閥門下游的擴散反應器，并且在一些實施方式中還包括被布置在擴散反應器下游的分離容器。
[0019]在使用擴散反應器的實施方式中，優選的是，所述擴散反應器具有伸長的形狀，并且它是直線型的以使得對噴射流和之后的流動的干擾減到最低程度。擴散反應器在一個或多個實施方式中可以具有超過約100cm，優選地超過150cm的長度并且更優選地具有約200cm的長度，并且所述擴散反應器的圓形橫截面的寬度在這些或其它實施方式中可以是約4cm-10cm,優選地是約5cm。所述量度僅是舉例說明，并且主要是與約1_10’ 000升/小時的流速相關。對于本發明領域內常見的更高流速，擴散反應器的大小應當優選地按比例擴大。則一般優選的是，增加擴散反應器的橫截面而非長度，并且橫截面尺寸將與流速成線性比例關系，因而流速加倍使得橫截面加倍。
[0020]在一個或多個實施方式中，從溶解相向氣相的至少50%的質量轉移在擴散反應器中進行，并且在若干個實施方式中，顯著不止于此。這個量度將取決于擴散反應器的尺寸，然而在很高程度上，它還將取決于操作參數(壓強、溫度、流速)。盡管這些參數可能是相當復雜的，但是可以使用簡單的測量來驗證標準得到滿足。所述特征因而顯著不同于在膨脹容器中進行所述轉移的大部分可商購的系統。
[0021]根據本發明的另一個方面，提供了一種如上文和下文所定義的擴散反應器，所述擴散反應器可以優選地用于先前所述的本發明的方法中并且安裝于所述成核閥門的下游，或可以被增添為常規系統的減壓閥與分離容器之間的額外的部件。擴散反應器的用途在于使得氣體分子(即溶解的氣體)從液體中進一步擴散至目前現有的和不斷增長的核/氣泡中。還預想了一種脫氣方法，所述脫氣方法包括引導液體通過成核閥門下游的這種擴散反應器的步驟。
[0022]根據本發明的一個或多個實施方式，本發明可以提供一種脫氣機系統，所述脫氣機系統具有提聞的能效。
【專利附圖】
【附圖說明】[0023]圖1是根據本發明的第一實施方式的脫氣機系統的示意圖。
[0024]圖2是根據第一實施方式的脫氣機系統的一部分的詳細視圖。
[0025]圖3是圖示了對于相對于閃急沸騰溫度的不同溫度隨壓降而變的除氧效率的圖表。
【具體實施方式】
[0026]將參考圖1描述用于處理液體的系統的一些部分。本發明可以形成這種系統的一部分，但是單獨的部件可以被替換而不偏離如由權利要求書所限定的本發明的范圍。
[0027]從上游位置開始，該系統包括用于容納或輸送所要處理的液體的儲罐2或其它系統。該系統還包括泵4，所述泵4用于升高液體的壓強，從而使該液體經受升高的靜壓P±#，以便迫使它向下游流動。泵4在一個或多個實施方式中可以是離心泵，然而其它替代方案也是可行的。管道6將液體引導至第一處理步驟，即引導至成核閥門8。在描述該閥門的細節之前，關于閥門下游的布置應當說幾句。在成核閥門8后引導液體的管道10開口于分離容器12中。在本實施方式中，分離容器12包括膨脹容器，所述膨脹容器在上端連接至真空泵14，并且在下端連接至用于液體的排出系統16。由脫氣產生的空氣和其它氣體將經由上端排出，而經過脫氣的液體將經由容器的下端泵出。為了避免排出汽化的液體，容器的上端可以包括冷凝器，所述冷凝器使汽化的液體冷凝，使所述液體可以經由下端離開來取而代之。真空泵14產生降低的靜壓Ρτ#，所述靜壓Ρτ#傳播到成核閥門8的下游端。
[0028]返回到成核閥門8，閥門上游升高的靜壓將朝成核閥門8推動液體并且閥門下游降低的靜壓將牽拉液體，所要考慮的相關術語是通過閥門8的壓降，其可以被定義為AP=P
上游—P下游。
[0029]在本實施方式中，Ρτ#優選地對應于在存在的溫度下并且對于正被處理的流體來說高于蒸汽壓的壓強，從而避免閃沸，這在某種程度上是因為閃沸的產生是耗能的。為此，應當提及的是，在液體經過閥門的限流結構時，它將加速至顯著的速度，這可以使得動壓瞬間地下降至蒸汽壓以下。
[0030]快速的壓降“沖擊”液體，從而發生均質的成核現象，這有利于脫氣。在實驗中已確定的是，從脫氣的觀點來看，閥門8中瞬間的閃沸或空化是有利的。在均質成核后立即使液體以噴射流18的形式進入閥門下游的低壓區域中，所述噴射流快速散開，以使得液體暴露出較大的表面積，從而形成氣體與液體之間的界面。有利于脫氣的條件因此存在于閥門下游。這示意性地圖示于圖2中。
[0031]閥門的布局，例如閥門的一個或多個噴嘴口的精確形狀方面的布局不是關鍵性的，然而一些參數似乎尤為重要，并且特別值得提及的是以下兩點:1)壓降應當快速地出現，基本上在液體經過閥門8時立即出現。這指示閥門的構造應當是不復雜的，在噴嘴口之后或之前沒有任何復雜的管道。2)在壓降后，所產生的噴射流應當不受限制，即應當允許自由噴射流形成并且散開。這也指示在噴嘴口后沒有復雜管道的不復雜的閥門構造是有利的。在一個實施方式中，該閥門可以是具有帶有唇形密封件的錐形調節塞的類型。這是一種標準類型的閥門并且示例包括SPC-2閥門(阿法拉伐公司(Alfa Laval))，所述SPC-2閥門是一種用于不銹鋼管道系統中的衛生級電動氣動調節閥。簡單的沙漏形限流結構也至少在恒定的操作條件期間將是適當的，然而可控制的閥門是優選的。[0032]出于上述原因，擴散反應器20被布置在閥門8的下游作為管道10的一部分。擴散反應器20將使得液相中溶解的氣體能夠湍流擴散至目前現有的和不斷增長的核/氣泡中，并且它應當具有不會導致較大壓降的構造。在圖2的實施方式中，擴散反應器20包括直線型管道，所述直線型管道所具有的直徑使得所述管道不會對先前提及的噴射流18的形成有影響。在噴射流18散開時，所述噴射流遲早將分流并且與擴散反應器的壁相互作用，并且即使未散開的噴射流也將遲早因重力而沖擊到下壁上。所述噴射流將繼續朝向分離容器，由真空所牽拉，在該分離容器中，它將被分離成液體流和氣體流。在某一點上，該噴射流將填充擴散反應器20的整個直徑，該精確位置取決于壓強、溫度、流速等。
[0033]在本實施方式中，擴散反應器20被布置在水平方向上。在第二實施方式中，擴散反應器可以被布置在垂直方向上，其中噴射流來自上方。使用這種布置，由擴散反應器產生的壓強損失將由重力作用所抵償，從而減少系統中的損失。可以垂直與水平之間的任何傾斜度安裝該擴散反應器而不偏離如由權利要求書所限定的本發明的范圍。
[0034]在下文中，列出本發明實施方式的一些操作參數，這可以有助于本領域技術人員能夠實現本發明的實施方式。所處理的液體的量(或速率)可以約為最高約100’ 000升/小時，但是較小的流速也是可能的，并且在所進行的實驗中，已使用約6’ 000升/小時的流速。這些速率在本發明的領域內是常見的，并且將不會詳細論述關于泵的細節以及閥門8的下游側上的細節。
[0035]通過閥門的壓降Λ P優選地超過2巴，并且甚至更優選的是，它超過3巴，并且它可以高達4巴或5巴。在更進一步升高ΛΡ方面不存在技術問題，然而用于升高壓強的泵將越來越昂貴。
[0036]閥門下游的溫度應當優選地低于閃沸溫度(在存在的壓強Ρτ#下的沸點)，諸如低于閃沸溫度-10°c或-5°c或介于那些溫度與閃沸溫度之間。已發現較靠近閃沸溫度的溫度能夠提高脫氣效率。閃急沸騰仍將對脫氣具有有利的影響，然而實驗證實所述影響不如對于現有技術系統的影響那樣顯著。
[0037]擴散反應器的長度可以是約100cm-200cm，然而它也可能甚至更長。更長的擴散反應器將提高脫氣效率，然而它也可能增加泵的損耗，這是不希望有的特征。擴散反應器的直徑可以是約5cm (2〃管道)并且它可以由不銹鋼制成。在理論上，擴散反應器的直徑會因更大而有利，這是因為它將引起更低的壓強損失，然而由于與在接近于真空的壓強下運行有關的參數可能會造成一種折衷情況，在所述折衷情況中所示的直徑是有利的。更小的直徑可能會導致脫氣效率降低，這按照推測是因為保持時間更短以及噴射流(或噴霧)與擴散反應器的壁之間的相互作用增加，并且是因為壓強損失增加，例如從而使得壓降不太急劇。
[0038]在液體從擴散反應器20中通入分離容器12中時不存在急劇的壓降，在該分離容器12中，在成核閥門8中引發的分離過程最終完成。分離容器12因此與現有技術系統相比可以具有相當基本的(rudimentary )設計,在所述現有技術系統中，在膨脹容器中進行閃沸。此外，由于在很大程度上避免了閃急沸騰，所以蒸汽量減少，從而使得不得不花費在冷凝蒸汽上的能量較少。
[0039]系統中與產品接觸的所有部件均應當由食品級材料制成或被批準用于處理食品。
[0040]成核閥門上游液體的壓強以及通過成核閥門的流速可以由成核閥門8和泵4，即頻率調節泵來控制，并且為了達到這些目的，泵4還可以包括控制閥(未示出)。[0041]如果對成核閥門8上游液體的溫度進行控制，那么這可以借助于熱交換器來實現。
[0042]通過對分離容器12進行壓強調節來控制成核閥門8下游的壓強。
[0043]通常在不發生閃急沸騰的情況下不對成核閥門8下游液體的溫度進行控制。如果需要的話，可以使用分離容器12中的壓強來控制溫度。
[0044]為了證實和驗證本發明，根據本發明的若干個實施方式，進行廣泛的實驗研究。在這些實驗中，液體的流速在3’ 000升/小時至9’ 000升/小時的范圍內，相對閃沸溫度在-35°C至+1°C的范圍內(負號指示溫度低于閃急沸騰溫度)，并且在I巴與5巴之間的范圍內。對于許多測量點中的每一個，對多個方面進行測量、評價或計算，所述多個方面諸如隨成核閥門后的位置而變的氧濃度、隨成核閥門后的位置而變的空隙率、隨成核閥門后的位置而變的壓強、總脫氣效率、空化指數等。圖3是示出了對于一些不同的溫度(再次，這些溫度相對于閃沸溫度給出)隨ΛΡ而變的除氧效率的圖表。該圖表指示對于根據本發明的至少一個實施方式的系統，在略低于閃急沸騰溫度的溫度與略高于閃急沸騰溫度的溫度之間，除氧效率沒有顯著差異。
【權利要求】
1.一種用于對液體進行脫氣的方法，所述方法包括以下步驟: -將所述液體加壓至高于大氣壓的壓強， -引導所述加壓液體通過成核閥門，以及 -將所述閥門的下游側上的壓強降低至低于大氣壓的壓強，從而在液體經過所述成核閥門時引起氣泡成核現象，作為所述脫氣的第一步驟， 所述方法的特征在于，對所述閥門的下游側上的溫度和壓強進行控制以使得靜壓高于飽和壓強，而在所述液體經過所述閥門時的最低壓強低于或等于所述飽和壓強。
2.如權利要求1所述的方法，所述方法包括引發通過所述閥門的壓降(ΛΡ)的步驟，所述壓降(Λ P)優選地超過2巴，更優選地超過3巴，示意性地為約4巴或5巴。
3.如前述權利要求中任一項所述的方法，所述方法還包括以下步驟:控制緊靠所述閥門下游的所述壓強，以使所述壓強保持在所述液體在所述溫度下的所述飽和壓強的150%以下。
4.如前述權利要求中任一項所述的方法，所述方法還包括以下步驟:將離開所述成核閥門的所述液體向下游直接引導到擴散反應器中，在所述擴散反應器中，所述液體中溶解的氣體將從所述液體中擴散至所述氣泡中。
5.如前述權利要求中 任一項所述的方法，所述方法還包括在所述成核閥門后形成自由流體噴射流的步驟。
6.如權利要求4所述的方法，所述方法還包括將離開所述擴散反應器的所述液體向下游引導到分離容器中的步驟。
7.如權利要求4或6所述的方法，其中從溶解相向氣相的至少50%的質量轉移在所述擴散反應器中進行。
8.一種用于對液體進行脫氣的系統，所述系統包括:泵，所述泵用于升高成核閥門的上游端上所述液體的壓強；真空泵，所述真空泵用于降低所述成核閥門的下游端上的壓強；以及控制系統，所述控制系統用于控制所述泵，所述系統的特征在于，所述控制系統被布置成控制所述閥門的下游側上的溫度和壓強，以使得靜壓高于飽和壓強，而在所述液體經過所述閥門時的最低壓強低于或等于所述飽和壓強。
9.如權利要求8所述的系統，其中所述控制系統被適配成引發通過所述閥門的壓降(Λ P)，所述壓降(Λ P)優選地超過2巴，更優選地超過3巴，示意性地為約4巴或5巴。
10.如權利要求8或9所述的系統，其中緊靠所述閥門下游的所述壓強被布置成經過控制以保持在所述液體在所述溫度下的所述飽和壓強的150%以下。
11.如權利要求8至10中任一項所述的系統，所述系統還包括擴散反應器，所述擴散反應器被布置在緊靠所述成核閥門下游處，在所述擴散反應器中，所述液體中溶解的氣體將從所述液體中擴散至氣泡中。
12.如權利要求8至11中任一項所述的系統，其中所述成核閥門以及緊靠所述成核閥門下游的所述部件允許在所述成核閥門后形成自由流體噴射流。
13.如權利要求11至12中任一項所述的系統，所述系統還包括分離容器，所述分離容器被布置在所述擴散反應器下游。
14.如權利要求11至13中任一項所述的系統，其中所述擴散反應器經過尺寸定制以使得在關于壓強、溫度以及流速的存在條件下從溶解相向氣相的至少50%的質量轉移在所述擴散反應器中進行。
15.如權利要求11、13、14中任一項所述的系統，其中所述擴散反應器是伸長的并且直線型的。
16.如權利要求11、13至15中任一項所述的系統，其中所述擴散反應器具有超過約100cm，優選地超過150cm的長度并且更優選地具有約200cm的長度。
17.如權利要求11、13至16中任一項所述的系統，其中所述擴散反應器具有約4cm至IOcm,優選地約5cm的直徑。`
【文檔編號】B01D19/00GK103796725SQ201280044877
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年9月12日 優先權日:2011年9月16日
【發明者】弗雷德里克·因寧斯, 托馬斯·斯科格隆 申請人:利樂拉瓦爾集團及財務有限公司