郭全舉　陳東　謝繼紅　周長(zhǎng)明

（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

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應(yīng)用研究

兩種連續(xù)式冷凍濃縮分離裝置及其應(yīng)用特性

郭全舉*陳東謝繼紅周長(zhǎng)明

（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

冷凍濃縮分離技術(shù)具有能耗少、設(shè)備腐蝕弱、操作溫度低、濃縮產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在熱敏性食品和化工、生物、制藥料液的濃縮分離中有很好的應(yīng)用潛力。給出了兩種連續(xù)式冷凍濃縮分離裝置，介紹了其基本構(gòu)成、工作原理、主要特點(diǎn)，并對(duì)冷凍濃縮分離裝置的能耗規(guī)律和需要解決的問題進(jìn)行了分析。

冷凍濃縮分離盤管式刮片式能耗料液腐蝕

0　背景

冷凍濃縮分離技術(shù)是通過低溫方法使料液中的水結(jié)冰固化，從而實(shí)現(xiàn)水與濃縮液分離。該技術(shù)在果汁、啤酒、牛奶、咖啡、藥液、廢水等料液的濃縮分離中具有較好的應(yīng)用效果[1-3]。

由于水的結(jié)冰潛熱遠(yuǎn)低于汽化潛熱[4]（前者約為后者的1/7），因此，冷凍濃縮分離技術(shù)的能耗相對(duì)較低。料液中水的結(jié)冰溫度一般低于0℃，料液中易揮發(fā)有效成分的損失少，有利于獲得較高質(zhì)量的濃縮液。低溫下料液對(duì)設(shè)備表面的腐蝕緩慢，這就延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命[5]。

冷凍濃縮分離主要有兩條技術(shù)路線[6]，或者說有兩種方法，即懸浮結(jié)晶法和界面漸進(jìn)法。懸浮結(jié)晶法是使料液過冷形成大量冰晶，從而實(shí)現(xiàn)料液的濃縮分離，冰晶的后處理復(fù)雜；界面漸進(jìn)法是使料液流經(jīng)冷表面，直接在冷表面上形成片狀冰，冰的后處理簡(jiǎn)單?；诖耍疚慕o出了兩種易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的界面漸進(jìn)型連續(xù)式冷凍濃縮分離裝置——盤管式冷凍濃縮分離裝置和內(nèi)刮片式冷凍濃縮分離裝置，并分析了其基本構(gòu)成、工作原理、主要特點(diǎn)。

2　盤管式冷凍濃縮分離裝置

盤管式冷凍濃縮分離裝置的基本構(gòu)成如圖1所示。由圖1可見，盤管式冷凍濃縮分離裝置由四個(gè)基本單元組成：結(jié)冰融冰單元、料液循環(huán)單元、冰水循環(huán)單元和料液預(yù)冷單元。結(jié)冰融冰單元由壓縮機(jī)、輔冷器、換向閥、換熱器2、節(jié)流閥、換熱器1組成；料液循環(huán)單元由料液罐、料液泵組成；冰水循環(huán)單元由冰水罐、冰水泵組成；料液預(yù)冷單元由換熱器3、濃液閥、冰水閥組成。裝置工作時(shí)料液循環(huán)單元、冰水循環(huán)單元和料液預(yù)冷單元是固定不動(dòng)的，而結(jié)冰融冰單元作為一個(gè)整體可以通過液壓裝置升降和旋轉(zhuǎn)。

圖1　盤管式冷凍濃縮分離裝置

盤管式冷凍濃縮分離裝置是周期性連續(xù)工作的，每個(gè)運(yùn)行周期可分為兩個(gè)運(yùn)行階段：運(yùn)行階段A和運(yùn)行階段B。在運(yùn)行階段A，換熱器1在料液罐中，換熱器2在冰水罐中，壓縮機(jī)工作，低溫低壓液態(tài)制冷劑進(jìn)入換熱器1，制冷劑蒸發(fā)吸熱，換熱器1溫度降低，表面結(jié)冰，料液濃縮；高溫高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入換熱器2并與外面的冰進(jìn)行熱交換使冰融化，產(chǎn)生冰水；當(dāng)換熱器2表面的冰全部融化時(shí)，換熱器1表面結(jié)冰也達(dá)到了適宜厚度，運(yùn)行階段A結(jié)束，壓縮機(jī)停機(jī)。然后，結(jié)冰融冰單元通過液壓裝置升起并旋轉(zhuǎn)180°再下降，使換熱器2進(jìn)入料液罐，換熱器1進(jìn)入冰水罐，裝置運(yùn)行進(jìn)入運(yùn)行階段B，這時(shí)壓縮機(jī)工作，四通換向閥動(dòng)作，低溫低壓液態(tài)制冷劑進(jìn)入換熱器2，表面結(jié)冰，料液繼續(xù)濃縮；高溫高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入換熱器1并與表面的冰進(jìn)行熱交換融冰，繼續(xù)產(chǎn)生冰水；當(dāng)換熱器1表面冰融化完畢時(shí)，壓縮機(jī)停機(jī)，運(yùn)行階段B結(jié)束，裝置完成一個(gè)工作周期。之后，裝置再升起并旋轉(zhuǎn)180°后下降，使換熱器1再進(jìn)入料液罐，換熱器2再進(jìn)入冰水罐，開始下一個(gè)運(yùn)行周期。

結(jié)冰融冰單元工作時(shí)，料液循環(huán)單元、冰水循環(huán)單元、料液預(yù)冷單元均保持連續(xù)工作；其中料液罐中的料液濃度不斷增加，達(dá)到設(shè)定值時(shí)打開濃液閥排液，同時(shí)也打開冰水閥排水，原料液則通過換熱器3被濃縮液和冰水冷卻后補(bǔ)充入料液罐，維持料液罐內(nèi)合理的液位和料液濃度。

盤管式冷凍濃縮分離裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活，但由于是周期性連續(xù)工作，適用于小規(guī)模的料液濃縮分離。裝置的能耗、生產(chǎn)率等受換熱器1結(jié)冰速度、換熱器2融冰速度、運(yùn)行周期等影響，需根據(jù)料液特性和濃縮分離要求進(jìn)行工藝優(yōu)化。

2　內(nèi)刮片式冷凍濃縮分離裝置

內(nèi)刮片式冷凍濃縮分離裝置的基本構(gòu)成如圖2所示。由圖2可見，內(nèi)刮片式冷凍濃縮分離裝置也由四個(gè)基本單元組成：結(jié)冰融冰單元、料液循環(huán)單元、冰水循環(huán)單元和料液預(yù)冷單元。結(jié)冰融冰單元由壓縮機(jī)、輔冷器、融冰器、節(jié)流閥、結(jié)冰器、刮刀組成；料液循環(huán)單元由料液池、料液泵、噴頭組成；冰水循環(huán)單元由冰水池、冰水泵組成；料液預(yù)冷單元由預(yù)冷器、濃液閥、冰水閥組成。

裝置運(yùn)行時(shí)，料液通過料液泵送入噴頭、均勻噴淋至結(jié)冰器表面，料液中的部分水分被結(jié)冰器中的低溫制冷劑冷卻結(jié)冰，未結(jié)冰的濃縮液則通過結(jié)冰器下方的網(wǎng)孔返回料液池；旋轉(zhuǎn)的刮刀將達(dá)到一定厚度的冰刮除，刮下的冰片落到結(jié)冰器下方的網(wǎng)孔型傾斜滑冰臺(tái)上，沿滑冰臺(tái)進(jìn)入冰水池，被融冰器內(nèi)溫度較高的制冷劑融化。

內(nèi)刮片式冷凍濃縮分離裝置的刮刀是旋轉(zhuǎn)部件，要求與結(jié)冰器表面有良好的尺寸配合，裝置制造要求較高。但裝置工作時(shí)沒有周期性波動(dòng)，工況穩(wěn)定性好，操作管理方便，較適用于中大規(guī)模的料液濃縮分離。裝置的能耗、生產(chǎn)率等指標(biāo)主要受結(jié)冰器內(nèi)制冷劑溫度、刮刀旋轉(zhuǎn)速度等影響，也需根據(jù)料液特性和濃縮分離要求進(jìn)行工藝優(yōu)化。

圖2　內(nèi)刮片式冷凍濃縮分離裝置

3　冷凍濃縮分離裝置的特性分析

（1）能耗特性

冷凍濃縮分離裝置的能耗主要是結(jié)冰融冰單元中壓縮機(jī)的能耗，該能耗又與結(jié)冰耗冷量和結(jié)冰融冰單元的制冷系數(shù)有關(guān)。結(jié)冰耗冷量取決于冰水產(chǎn)量，而制冷系數(shù)COPR與結(jié)冰器中制冷劑的蒸發(fā)溫度TE、融冰器中制冷劑的冷凝溫度TC有關(guān)，其近似計(jì)算式為：

制取1 t融冰水所需能耗PCOM的近似計(jì)算式為：

式中COPR——結(jié)冰融冰單元的制冷系數(shù)，無因次；

TE——結(jié)冰器中制冷劑的蒸發(fā)溫度，K；

TC——融冰器中制冷劑的冷凝溫度，K；

PCOM——制取1 t融冰水的耗能量，MJ/t；

rICE——水的結(jié)冰潛熱，MJ/t。

冷凍濃縮分離裝置運(yùn)行時(shí)，結(jié)冰器中制冷劑的蒸發(fā)溫度通常為-5～-25℃，融冰器中制冷劑的冷凝溫度通常為4～10℃。在4～10℃溫度范圍內(nèi)，結(jié)冰融冰單元的制冷系數(shù)和噸水能耗如圖3和圖4所示。

由圖3可以看出，制冷劑的冷凝溫度一定時(shí)，隨著蒸發(fā)溫度的降低，結(jié)冰融冰單元的制冷系數(shù)是不斷下降的；蒸發(fā)溫度在-5～-10℃之間時(shí)，制冷系數(shù)下降較快，而后趨于平緩。制冷劑的冷凝溫度的升高也不利于結(jié)冰融冰單元獲得較高的制冷系數(shù)。因此，對(duì)于獲得較高的制冷系數(shù)，提高蒸發(fā)溫度和降低冷凝溫度同樣重要。

圖3　結(jié)冰融冰單元的制冷系數(shù)變化規(guī)律

由圖4可見，結(jié)冰融冰單元的噸水能耗與蒸發(fā)溫度、冷凝溫度近似呈線性關(guān)系，噸水能耗隨著蒸發(fā)溫度的升高而不斷降低，隨著冷凝溫度的增加而不斷升高。因此，提高蒸發(fā)溫度、降低冷凝溫度均有利于降低機(jī)組能耗，但為了獲得較好的結(jié)冰速率，溫差應(yīng)保持在合適范圍，即蒸發(fā)溫度控制在-10℃左右、冷凝溫度控制在4℃左右較為適宜。

圖4　結(jié)冰融冰單元的噸水能耗變化規(guī)律

（2）適用料液特性

料液濃度較高時(shí)，料液的冰點(diǎn)溫度隨之降低，這會(huì)導(dǎo)致結(jié)冰器中制冷劑的蒸發(fā)溫度偏低，裝置運(yùn)行的能耗較大。因此冷凍濃縮分離裝置較適于中低濃度料液的處理。此外，在冷凍濃縮分離裝置運(yùn)行時(shí)，結(jié)冰器表面所結(jié)冰中往往夾帶有溶質(zhì)成分，夾帶量與料液組成、結(jié)冰器表面溫度等有關(guān)。因此冷凍濃縮分離裝置適于料液結(jié)冰時(shí)夾帶量較小，或者含有所夾帶成分的融冰水可再利用的場(chǎng)合。

4　結(jié)論與建議

冷凍濃縮分離技術(shù)具有能耗低、濃縮產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。盤管式和內(nèi)刮片式兩種連續(xù)式冷凍濃縮分離裝置均可實(shí)現(xiàn)料液的連續(xù)處理，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，可通過對(duì)制冷劑蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的優(yōu)化控制，獲得較經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行效果。

連續(xù)式冷凍濃縮分離裝置進(jìn)一步需要解決的問題有：引入多級(jí)或多效方法進(jìn)一步降低能耗；優(yōu)化結(jié)冰器、融冰器、壓縮機(jī)等關(guān)鍵部件，實(shí)現(xiàn)結(jié)冰融冰單元在制冷劑冷凝溫度和蒸發(fā)溫度之差較小時(shí)的高效運(yùn)行；掌握料液結(jié)冰時(shí)溶質(zhì)的夾帶規(guī)律，實(shí)現(xiàn)融冰水中溶質(zhì)夾帶量的可控。

[1]李鳳美，郭意如.果汁冷凍濃縮技術(shù)對(duì)果酒品質(zhì)的影響 [J].保鮮與加工，2009(1)：44-46.

[2]馮毅，史淼直，寧方芹.中藥水提取液冷凍濃縮的研究 [J].制冷，2005，24(1)：5-8.

[3]Marino Rodríguez，Susana Luque，José R Alvarez，et al.A comparative study of reverse osmosis and freeze concentrationfortheremovalofvalericacidfrom wastewaters[J].Desalination，2000，127(1)：1-11.

[4]劉凌，薛毅，張瑾.冷凍濃縮技術(shù)的應(yīng)用與研究簡(jiǎn)介[J].化學(xué)工業(yè)與工程，1999，16(3):151-156.

[5]崔明學(xué)，劉凌．2種濃縮方法對(duì)檸檬汁特性影響的比較[J]．食品與發(fā)酵工業(yè)，2004，30(1)：1-4．

[6]陳東，謝繼紅，趙義旭，等.一種連續(xù)冷凍濃縮裝置及其應(yīng)用分析 [J].食品與機(jī)械，2006，22（6）：86-88.

Performance of Two Kinds of Continuous Freezing Concentration and Seperation Units

Guo QuanjuChen DongXie JihongZhou Changming

Freezing concentration and separation technology has an excellent application potential in the fields of the thermal-sensitive food,chemical engineering,biology and pharmacy,due to its advantages of the low energy consumption,low equipment corrosion,low operating temperature and good product quality.Firstly,two kinds of the continuous freezing concentration and separation untis are presented followed by the introduction of their structures, working principles,main characteristics.Then the regular patterns of their energy consumptions and some further problems are analyzed.

Freezing concentration and separation;Coil tube type;Blade type;Energy consumption;Feed liquid;Corrosion

TQ 051.8DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.06.006

2015-12-23）

*郭全舉，男，1989年生，碩士研究生。天津市，300222。