一种水溶液连续冷冻浓缩系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种水溶液连续冷冻浓缩系统及方法。该系统包括制冰装置、熟化装置和洗涤装置；制冰装置包括制冰器，其内部设置有刮面式换热器，用于制备一次冰浆；熟化装置包括熟化器，与所述制冰器的顶部开口连通，其中设有螺杆，用以在转动时将经熟化后的一次冰浆推向洗涤装置；洗涤装置包括洗涤器、刨冰机和二次冰浆循环装置；洗涤器为竖直设置且上部敞口的圆柱形筒体，内部设置有上下往复运动的多孔活塞，用于压制成冰晶堆积床；刨冰机用于将冰晶堆积床的上端切削成冰晶碎片；二次冰浆循环装置用于将冰晶碎片与洗涤水混合成二次冰浆并循环至二次冰浆储箱中。与之对应的方法是利用该系统进行连续冷冻浓缩。本发明专利技术能耗低、冰晶与母液分离效果好。

A continuous cryopreservation system and method for water solution

The present invention discloses a continuous freezing and concentrating system and method for water solution. The system includes ice making device, curing device and washing device; ice making apparatus including ice maker, which is provided with a scraped surface heat exchanger, for the preparation of an ice slurry; curing device comprises a slaker, connected with the top of the ice maker opening, which comprises a screw, in rotation by an ice slurry cooked into the washing device; washing device comprises a scrubber, ice machine and two ice slurry circulating device; scrubber as cylinder is vertically arranged and the upper open porous body, up and down reciprocating piston internal used for pressing into ice crystal packed bed; ice machine for ice accumulation the upper end of the cutting bed into two pieces of ice; ice slurry circulating device for ice fragments and washing water mixed into two times and two times of ice slurry is recycled to the ice slurry storage tank. The corresponding method is to use the system for continuous freezing and concentration. The invention has the advantages of low energy consumption and good separation effect between the ice crystal and the mother liquor.

【技术实现步骤摘要】
一种水溶液连续冷冻浓缩系统及方法
本专利技术属于溶液浓缩
，具体涉及一种水溶液连续冷冻浓缩系统及方法。
技术介绍
在现在的生产工艺中，经常要对水溶液进行浓缩，尤其是饮品和药品的生产中。目前浓缩通常的方法有：1)蒸发浓缩，使用常压蒸发和单效或多效真空蒸发进行蒸发浓缩。该方法技术成熟，应用广泛，但其要求在高温下进行，容易破坏热敏性组分以致变性或造成香味挥发或风味组分损失。例如，蒸发浓缩果蔬汁时，往往会造成维生素的破坏，颜色加深，口感和风味改变等负面影响。2)超滤或纳滤浓缩，使用膜分离技术，在压力下使溶液中的水分子穿过半透膜，而截留分子量大于水分子的其它物质，从而得到浓缩的溶液。使用该方法的缺点，当溶液中含有多种复杂组分，特别是胶体的时候，膜孔极易被堵塞，或是膜中毒失效。3)吸收(剂)浓缩，使用吸水剂(如分子筛、硅胶等)吸收水溶液中的水分，达到浓缩溶液的目的。然而，如果溶液中含复杂组分(特别是胶体)时，容易污染吸水剂使其失效，且吸收剂再生困难，因而限制了其广泛应用。此外以上方法的能耗也较高。针对上述浓缩方法所存在的问题，采用逆向思维方法，把溶液冷却至冰点以下，使得部分水结冰析出，成为可分离的纯净的冰晶，接着把冰晶分离，从而得到增浓的溶液。这就是冷冻浓缩。在工艺上，冷冻浓缩分为层结晶(也称渐进结晶)和悬浮式结晶。层结晶冷冻浓缩指在冷冻壁面上形成层状的冰晶覆盖。所需的设备较为简单，容易实现。但层结晶的冰晶内会包裹、夹带相当数量的母液，以致母液无法从冰晶中分离，造成有效成分溶质的损失。而且，层结晶的冰晶一旦形成并覆盖在用于提供冷冻制冷面上，整个冷缩设备的传热传质速率即会大大下降，这样溶液浓缩的进程也变得极其缓慢，无法有效提高浓缩比。悬浮式结晶冷冻浓缩采用刮面式换热器使水溶液降温至冰点以下，然后使水分结冰，接着刮刀又不断将换热器制冷面上的大量结冰刮落并转移至溶液中，形成由冰晶与母液组成的冰浆。冰晶则通过所谓奥斯特瓦尔德熟化效应，从初始的数个微米级尺寸生成为数百微米的最终尺寸，从而有可能经济地实现冰晶和母液的分离。近年来，我国科技工作者对冷冻浓缩的应用做了大量的探讨和研究，尽管已有相关文献报道了冷冻浓缩这一技术，但目前的研发工作主要仍停留的实验室阶段，尤其在采用的研究方法和实验设备方面，多采用简单设计的实验装置或者玻璃仪器，基本没有专用高效的实验设备。而冷冻浓缩过程是一个涉及到水的传热传质的结晶过程，其装备的合理与否，将直接影响冷冻浓缩的效果。在冷冻浓缩的实践中还发现，冷冻浓缩的冰晶与母液的分离是一个难题。这是因为熟化后冰晶颗粒依然很小，有巨大的比表面积，自然渗滤无法将粘稠的母液彻底从自然堆积的冰晶中分离，而大量的母液仍会粘附滞留在冰晶之间。现有工业上使用离心的方法进行固液分离，企图利用离心力克服粘稠母液的粘性和表面张力，以把液相甩掉。然而，从水的三相图可知，冰的融点随着压力的增加而上升。因此冰晶受压后，会产生“压融效应”，即，一部分冰晶在离心力场中被压融成水，与母液一同穿过滤网，而另一部分冰晶受压融合，形成闭孔冰糕，这样冰晶堆积床的多孔渗水的特性遭到破坏，致使在冰晶中的母液无法被离心力甩出，以致无法达到冰晶与母液分离的效果。申请号为201510069604.6的中国专利技术专利中公开了一种用于冷冻浓缩的结晶生长罐。该装置为立式圆筒状结构，刮板式换热器位于圆筒的下部，其筒内壁为制冷面。所用的刮板是与筒体平行的、直立式的平板。刮板将制冷面生成的冰晶刮落、与溶液混合后上浮到上部的熟化器中(即结晶器)。熟化器中有旋转搅拌器。刮板与搅拌器同轴、垂直贯穿于刮板换热器和熟化器中。长大后的冰晶与浓缩母液一起在熟化器的上端的出口排出到外面的储罐中，以便后续的冰晶/母液的分离工序。但是该专利没有提及如何分离冰晶。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种水溶液连续冷冻浓缩系统及方法，旨在解决现有技术中能耗高、冰晶与母液分离困难等技术问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种水溶液连续冷冻浓缩系统，包括制冰装置、熟化装置和洗涤装置：所述制冰装置包括制冰器，所述制冰器为顶部开口的罐体，所述制冰器的顶部开口与所述熟化装置连通；其内部设置有刮面式换热器，用于使水溶液在其制冷面上析出冰晶并刮落成悬浮冰晶来与水溶液混合成一次冰浆；在所述制冰器的底部连通有排料管，所述排料管与排料储箱连通，用于收集浓缩溶液；在该排料管上设置有排料阀，用于控制浓缩溶液的排放。所述熟化装置包括熟化器，所述熟化器为横卧式罐体，该横卧式罐体的底部开口且与所述制冰器的顶部开口连通，以供一次冰浆进入所述熟化器；在所述横卧式罐体中设置有螺杆，所述螺杆的螺杆轴与所述横卧式罐体的轴线重合，用以在转动时将熟化后的一次冰浆推向所述横卧式罐体的一端，在该端的上部开有出料口，用于将熟化后的一次冰浆推入洗涤装置；在该横卧式罐体的顶部开有注液口，用于加注水溶液。所述洗涤装置包括洗涤器、刨冰机和二次冰浆循环装置；所述洗涤器为竖直设置且上部敞口的圆柱形筒体，其侧壁下部开有接料口，所述接料口与所述熟化器的出料口连通，用于将熟化后的一次冰浆引入所述洗涤器中；在所述洗涤器中设置有多孔活塞，该多孔活塞的水平截面的形状与所述洗涤器的内部形状相适应，所述多孔活塞的活塞轴连接在下部，用于带动所述多孔活塞在竖直方向上往复运动，以使多孔活塞将熟化后的一次冰浆中的冰晶向上压制成冰晶堆积床，并将其向上推送；在所述洗涤器的侧壁下部还连通有一次冰浆循环管，该一次冰浆循环管的一端与所述洗涤器的内部连通，另一端与所述熟化器的底部连通，用于将一次冰浆送入洗涤器底部、并将溶液回送至熟化器中。所述刨冰机包括壳体、调速电机和旋转刀盘；所述壳体呈竖直设置的圆柱筒形，该圆柱筒形的上端封闭，下端开有连接口，用于与所述洗涤器的上部敞口连通，所述壳体的连接口与所述洗涤器的上部敞口密封连接；所述刀盘水平设置在所述壳体，该刀盘的下侧面安装有旋转切刀，用于将被活塞推出的冰晶堆积床的上端切削成冰晶碎片；上侧面通过竖直设置且穿出所述壳体的刀轴与所述的调速电机连接，所述调速电机能够带刀盘作旋转运动；所述壳体的侧壁上开有两个连接通孔，用于与所述二次冰浆循环装置连通，形成闭合管路。所述二次冰浆循环装置包括二次冰浆储箱和二次冰浆循环泵，所述二次冰浆储箱内盛装有0℃的洗涤水，其下部的出口处装有筛网，用于隔离冰晶，并通过二次冰浆循环管I与所述壳体的一个连接通孔连通；所述二次冰浆储箱的上部通过二次冰浆循环管II与所述壳体的另一个连接通孔连通，形成闭合的管路，以使所述冰晶碎片与洗涤水混合成二次冰浆并循环至二次冰浆储箱中。所述制冰装置、熟化装置和洗涤装置的内部连通为一个密闭的空腔。进一步，所述刮面式换热器为碟盘式双面刮面换热器，包括制冷碟盘、刮刀和刮刀转轴；所述制冷碟盘呈中空的环形，该环形的中央设置有安装通孔，该环形的两个侧面构成制冷面；其内部设置有通道，用以供制冷工质流动；所述制冷碟盘竖直设置，所述刮刀转轴水平设置且穿过所述制冷碟盘的中央通孔，所述刮刀转轴的一端穿出所述的制冰器并与传动机构连接，所述传动机构与驱动电机连接；每个所述制冷面对应一把所述刮刀，所述刮刀的一端安装在所述刮刀转轴上，另一端沿所述刮刀转轴的径向延伸，所述刮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水溶液连续冷冻浓缩系统，其特征在于，包括制冰装置、熟化装置和洗涤装置；所述制冰装置包括制冰器，所述制冰器为顶部开口的罐体，所述制冰器的顶部开口与所述熟化装置连通；其内部设置有刮面式换热器，用于使水溶液在其制冷面上析出冰晶并刮落成悬浮冰晶来与水溶液混合成一次冰浆；在所述制冰器的底部连通有排料管，所述排料管与排料储箱连通，用于收集浓缩溶液；在该排料管上设置有排料阀，用于控制浓缩溶液的排放；所述熟化装置包括熟化器，所述熟化器为横卧式罐体，该横卧式罐体的底部开口且与所述制冰器的顶部开口连通，以供一次冰浆进入所述熟化器；在所述横卧式罐体中设置有螺杆，所述螺杆的螺杆轴与所述横卧式罐体的轴线重合，用以在转动时将熟化后的一次冰浆推向所述横卧式罐体的一端，在该端的上部开有出料口，用于将熟化后的一次冰浆推入洗涤装置；在该横卧式罐体的顶部开有注液口，用于加注水溶液；所述洗涤装置包括洗涤器、刨冰机和二次冰浆循环装置；所述洗涤器为竖直设置且上部敞口的圆柱形筒体，其侧壁下部开有接料口，所述接料口与所述熟化器的出料口连通，用于将熟化后的一次冰浆引入所述洗涤器中；在所述洗涤器中设置有多孔活塞，该多孔活塞的水平截面的形状与所述洗涤器的内部形状相适应，所述多孔活塞的活塞轴连接在下部，用于带动所述多孔活塞在竖直方向上往复运动，以使多孔活塞将熟化后的一次冰浆中的冰晶向上压制成冰晶堆积床，并将其向上推送；在所述洗涤器的侧壁下部还连通有一次冰浆循环管，该一次冰浆循环管的一端与所述洗涤器的内部连通，另一端与所述熟化器的底部连通，用于将一次冰浆送入洗涤器底部、并将溶液回送至熟化器中；所述刨冰机包括壳体、调速电机和旋转刀盘；所述壳体呈竖直设置的圆柱筒形，该圆柱筒形的上端封闭，下端开有连接口，用于与所述洗涤器的上部敞口连通，所述壳体的连接口与所述洗涤器的上部敞口密封连接；所述刀盘水平设置在所述壳体，该刀盘的下侧面安装有旋转切刀，用于将被活塞推出的冰晶堆积床的上端切削成冰晶碎片；上侧面通过竖直设置且穿出所述壳体的刀轴与所述的调速电机连接，所述调速电机能够带刀盘作旋转运动；所述壳体的侧壁上开有两个连接通孔，用于与所述二次冰浆循环装置连通，形成闭合管路；所述二次冰浆循环装置包括二次冰浆储箱和二次冰浆循环泵，所述二次冰浆储箱内盛装有0℃的洗涤水，其下部的出口处装有筛网，用于隔离冰晶，并通过二次冰浆循环管I与所述壳体的一个连接通孔连通；所述二次冰浆储箱的上部通过二次冰浆循环管II与所述壳体的另一个连接通孔连通，形成闭合的管路，以使所述冰晶碎片与洗涤水混合成二次冰浆并循环至二次冰浆储箱中；所述制冰装置、熟化装置和洗涤装置的内部连通为一个密闭的空腔。...

【技术特征摘要】
1.一种水溶液连续冷冻浓缩系统，其特征在于，包括制冰装置、熟化装置和洗涤装置；所述制冰装置包括制冰器，所述制冰器为顶部开口的罐体，所述制冰器的顶部开口与所述熟化装置连通；其内部设置有刮面式换热器，用于使水溶液在其制冷面上析出冰晶并刮落成悬浮冰晶来与水溶液混合成一次冰浆；在所述制冰器的底部连通有排料管，所述排料管与排料储箱连通，用于收集浓缩溶液；在该排料管上设置有排料阀，用于控制浓缩溶液的排放；所述熟化装置包括熟化器，所述熟化器为横卧式罐体，该横卧式罐体的底部开口且与所述制冰器的顶部开口连通，以供一次冰浆进入所述熟化器；在所述横卧式罐体中设置有螺杆，所述螺杆的螺杆轴与所述横卧式罐体的轴线重合，用以在转动时将熟化后的一次冰浆推向所述横卧式罐体的一端，在该端的上部开有出料口，用于将熟化后的一次冰浆推入洗涤装置；在该横卧式罐体的顶部开有注液口，用于加注水溶液；所述洗涤装置包括洗涤器、刨冰机和二次冰浆循环装置；所述洗涤器为竖直设置且上部敞口的圆柱形筒体，其侧壁下部开有接料口，所述接料口与所述熟化器的出料口连通，用于将熟化后的一次冰浆引入所述洗涤器中；在所述洗涤器中设置有多孔活塞，该多孔活塞的水平截面的形状与所述洗涤器的内部形状相适应，所述多孔活塞的活塞轴连接在下部，用于带动所述多孔活塞在竖直方向上往复运动，以使多孔活塞将熟化后的一次冰浆中的冰晶向上压制成冰晶堆积床，并将其向上推送；在所述洗涤器的侧壁下部还连通有一次冰浆循环管，该一次冰浆循环管的一端与所述洗涤器的内部连通，另一端与所述熟化器的底部连通，用于将一次冰浆送入洗涤器底部、并将溶液回送至熟化器中；所述刨冰机包括壳体、调速电机和旋转刀盘；所述壳体呈竖直设置的圆柱筒形，该圆柱筒形的上端封闭，下端开有连接口，用于与所述洗涤器的上部敞口连通，所述壳体的连接口与所述洗涤器的上部敞口密封连接；所述刀盘水平设置在所述壳体，该刀盘的下侧面安装有旋转切刀，用于将被活塞推出的冰晶堆积床的上端切削成冰晶碎片；上侧面通过竖直设置且穿出所述壳体的刀轴与所述的调速电机连接，所述调速电机能够带刀盘作旋转运动；所述壳体的侧壁上开有两个连接通孔，用于与所述二次冰浆循环装置连通，形成闭合管路；所述二次冰浆循环装置包括二次冰浆储箱和二次冰浆循环泵，所述二次冰浆储箱内盛装有0℃的洗涤水，其下部的出口处装有筛网，用于隔离冰晶，并通过二次冰浆循环管I与所述壳体的一个连接通孔连通；所述二次冰浆储箱的上部通过二次冰浆循环管II与所述壳体的另一个连接通孔连通，形成闭合的管路，以使所述冰晶碎片与洗涤水混合成二次冰浆并循环至二次冰浆储箱中；所述制冰装置、熟化装置和洗涤装置的内部连通为一个密闭的空腔。2.根据权利要求1所述的水溶液连续冷冻浓缩系统，其特征在于，所述刮面式换热器为碟盘式双面刮面换热器，包括制冷碟盘、刮刀和刮刀转轴；所述制冷碟盘呈中空的环形，该环形的中央设置有安装通孔，该环形的两个侧面构成制冷面；其内部设置有通道，用以供制冷工质流动；所述制冷碟盘竖直设置，所述刮刀转轴水平设置且穿过所述制冷碟盘的中央通孔，所述刮刀转轴的一端穿出所述的制冰器并与传动机构连接，所述传动机构与驱动电机连接；每个所述制冷面对应一把所述刮刀，所述刮刀的一端安装在所述刮刀转轴上，另一端沿所述刮刀转轴的径向延伸，所述刮刀的刀刃与所述制冷面接触。3.根据权利要求2所述的水溶液连续冷冻浓缩系统，其特征在于，所述的制冷碟盘有N个，所述刮刀有2N把，N为不小于2的整数；N个所述的制冷碟盘平行且等距设置；2N把所述的刮刀与同一根刮刀转轴连接，所述刮刀转轴依次穿过N个所述的制冷碟盘的中央通孔。4.根据权利要求1所述的水溶液连续冷冻浓缩系统，其特征在于，还包括原料储罐，所述原料储罐通过加液管道与所述注液口连通，在所述的加液管道上设置有进料阀，用...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦贯丰，廖力奋，黄斯珉，蒋润花，陈佰满，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东,44