專利名稱：：濃縮稀溶液的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及濃縮稀溶液的方法和設(shè)備，具體地，本發(fā)明涉及通過多級分餾冷凍(multistagefractionalfreezing)來濃縮稀溶液的方法。
背景技術(shù)：
：水溶液的濃縮在許多行業(yè)中是一種常見的過程。被廣泛用于水溶液的濃縮的技術(shù)是蒸發(fā)。然而，有效的蒸發(fā)過程必需在較高溫度的沸騰條件下進(jìn)行，這可能導(dǎo)致溶液中某些揮發(fā)性的或熱敏性的物質(zhì)的損失和/或破壞。代替將水轉(zhuǎn)化為水蒸汽，分餾冷凍法在低于溶液冰點(diǎn)的溫度下使水結(jié)晶成冰，因此使水溶液濃縮。分餾冷凍的目的是獲得濃縮的溶液，該溶液可以包括膠體溶液、真溶液和/或溶液的混合物、凈水等。分餾冷凍由于較低的加工溫度而具有蒸發(fā)所沒有的許多優(yōu)點(diǎn)。在較低的溫度下，原始材料中的香味、芳香、營養(yǎng)物和其它有價(jià)值的組分可以毫無損失地被保留。而且，在較低的溫度下，可以避免熱敏性物質(zhì)的破壞。因此，使用分餾冷凍可以獲得極高質(zhì)量的產(chǎn)品。分餾冷凍法可以用于濃縮食品、飲料、乳制品、生物化學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、藥學(xué)、化學(xué)和環(huán)境工業(yè)。理論上，水至冰的凝華作用的潛熱為約80千卡/千克，僅僅是水至水蒸汽的潛熱(約540千卡/千克)的七分之一。所以，分餾冷凍的過程具有為水溶液濃縮節(jié)能的巨大潛力。冷凍濃縮包括溶液的冷凍、冰的結(jié)晶和冰晶與母液的分離的步驟。為了使冷凍濃縮技術(shù)在商業(yè)上可行，必需有效地并且經(jīng)濟(jì)地使水溶液冷凍，必需有效地獲得大的均勻的冰晶，這種冰晶能容易地與溶液分離。然而，冰的結(jié)晶是一個(gè)復(fù)雜的相變，由于這種復(fù)雜性，控制冰結(jié)晶非常困難。因此，冷凍濃縮的主要難點(diǎn)在于兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的方面。首先，由于所得冰晶的尺寸較小而難以從濃縮的溶液中分離冰晶。其次，獲得大冰晶的過程進(jìn)行得緩慢，所以效率低。美國專利第4,666,456號涉及一種分餾冷凍的方法，該方法包括化合物從液體混合物中連續(xù)地部分結(jié)晶，其中，所述混合物被投進(jìn)多個(gè)級聯(lián)冷卻區(qū)段。這些冷卻區(qū)段串聯(lián)連接，級聯(lián)冷卻區(qū)段的各下一個(gè)區(qū)段的溫度低于前一個(gè)區(qū)段的溫度。美國專利第4885016號描述了通過多級重結(jié)晶過程超純化可結(jié)晶物質(zhì)的方法和設(shè)備，該多級重結(jié)晶過程包括通過提供計(jì)量程序控制回流比條件的措施，所述計(jì)量程序根據(jù)該方法和設(shè)備控制晶體和被轉(zhuǎn)化的母液回流物質(zhì)的量。在各階段中，使可結(jié)晶物質(zhì)冷凍和重結(jié)晶，并且晶體與母液分離。美國專利第5,127,921號公開了通過多級重結(jié)晶過程超純化可結(jié)晶物質(zhì)的方法和設(shè)備，該多級重結(jié)晶過程包括通過提供計(jì)量程序控制回流比條件的措施，所述計(jì)量程序根據(jù)該方法和設(shè)備控制晶體和被轉(zhuǎn)化的母液回流物質(zhì)的量。美國專利第4112702號公開了通過熱交換器和冷凍實(shí)現(xiàn)的冷凍脫鹽和濃縮。美國專利第4332140號講述了通過逆流結(jié)晶器連續(xù)操作水溶液濃縮的設(shè)備。就申請人所知，還沒有一種方法能用于在單個(gè)分餾柱中濃縮稀溶液。發(fā)明目的本發(fā)明的主要目的是提供一種使用單個(gè)柱、利用最小能量濃縮稀溶液的方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種在單個(gè)分餾柱中濃縮稀溶液的設(shè)備。本發(fā)明的再一個(gè)目的是開發(fā)一種濃縮稀溶液的連續(xù)方法。發(fā)明概述本發(fā)明通過有效的碎冰、分離冰晶克服了現(xiàn)有技術(shù)的局限。如圖1中所示，本發(fā)明涉及通過分餾冷凍和分離溶液中的水來濃縮任何水溶液的物理方法。該方法的目的是獲得高質(zhì)量的濃縮水溶液以利用能量，并由此經(jīng)濟(jì)地減少操作系統(tǒng)的資本成本。在本發(fā)明中，公開一種產(chǎn)生微小冰晶的技術(shù)，該微小的冰晶能夠通過操作一種裝置而從母液中分離，以便影響單柱中的分餾冷凍過程。本發(fā)明中所述方法的操作是安排在單柱中的連續(xù)的多級的分餾冷凍。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明涉及濃縮稀溶液的方法，所述方法包括(a)在垂直的冷凍濃縮柱中供應(yīng)待濃縮的稀溶液以便該稀溶液朝該冷凍濃縮柱的下端向下移動(dòng)；(b)在靠近冷凍濃縮柱下端處產(chǎn)生局部凍結(jié)和微尺寸冰粒以便該冰粒向冷凍濃縮柱的上端移動(dòng)；(c)在靠近冷凍濃縮柱上端處收集冰粒；(d)使步驟(c)中收集的冰粒融化，隨后使部分液體再循環(huán)至冷凍濃縮柱中，以便所述液體向冷凍濃縮柱的下端移動(dòng)；(e)重復(fù)步驟(a)至(d)以便使分別靠近冷凍濃縮柱上端和下端處的溶解的固體濃縮物和水溶液分餾，直到溶解的固體達(dá)到所需的濃度；(f)從冷凍濃縮柱下端獲得濃縮液。本發(fā)明還涉及濃縮稀溶液的設(shè)備，所述設(shè)備包括(a)垂直放置的冷凍濃縮柱，其具有上端和下端；所述冷凍濃縮柱具有供應(yīng)待濃縮的稀溶液的入口；該入口位于冷凍濃縮柱上以便稀溶液朝冷凍濃縮柱的下端向下移動(dòng)；(b)與冷凍濃縮柱相連的致冷裝置，用于在靠近冷凍濃縮柱下端處產(chǎn)生局部凍結(jié)；(c)用于在局部凍結(jié)區(qū)產(chǎn)生微尺寸冰粒的裝置；(d)與冷凍濃縮柱的第一出口連接的第一接收器，用于收集濃縮的溶液；所述第一出口位于靠近反應(yīng)室下端的位置；(e)與冷凍濃縮柱的第二出口連接的第二接收器，用于收集微尺寸冰粒；所述第二出口位于靠近冷凍濃縮柱上端的位置。附圖簡述圖1是本發(fā)明的用于濃縮稀溶液的設(shè)備的示例性圖解說明。圖2顯示本發(fā)明的分餾冷凍柱的剖視圖。圖3說明無外部附件的本發(fā)明的分餾冷凍柱。發(fā)明詳述因此，本發(fā)明提供濃縮稀溶液的方法，所述方法包括(a)在垂直的冷凍濃縮柱中供應(yīng)待濃縮的稀溶液以便該稀溶液朝該冷凍濃縮柱的下端向下移動(dòng)；(b)在靠近冷凍濃縮柱下端處產(chǎn)生局部凍結(jié)和微尺寸冰粒以便該冰粒向冷凍濃縮柱的上端移動(dòng)；(C)在靠近冷凍濃縮柱上端處收集冰粒；(d)使步驟(c)中收集的冰粒融化，隨后使部分液體再循環(huán)至冷凍濃縮柱中，以便所述液體向冷凍濃縮柱的下端移動(dòng)；(e)重復(fù)步驟(a)至(d)以便使分別靠近冷凍濃縮柱上端和下端處的溶解的固體濃縮物和水溶液分餾，直到溶解的固體達(dá)到所需的濃度；(f)從冷凍濃縮柱下端獲得濃縮液。本發(fā)明還提供濃縮稀溶液的設(shè)備，所述設(shè)備包括(a)垂直放置的冷凍濃縮柱，其具有上端和下端；所述冷凍濃縮柱具有供應(yīng)待濃縮的稀溶液的入口；該入口位于冷凍濃縮柱上以便稀溶液朝冷凍濃縮柱的下端向下移動(dòng)；(b)與冷凍濃縮柱相連的致冷裝置，用于在靠近冷凍濃縮柱下端處產(chǎn)生局部凍結(jié)；(c)用于在局部凍結(jié)區(qū)產(chǎn)生微尺寸冰粒的裝置；(d)與冷凍濃縮柱的第一出口連接的第一接收器，用于收集濃縮的溶液；所述第一出口位于靠近反應(yīng)室下端的位置；(e)與冷凍濃縮柱的第二出口連接的第二接收器，用于收集微尺寸冰粒；所述第二出口位于靠近冷凍濃縮柱上端的位置。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，用于產(chǎn)生微尺寸冰粒的裝置是刮刀或斯皮爾格(sperger)。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，冷凍濃縮柱配置促進(jìn)冰粒向冷凍濃縮柱上端運(yùn)動(dòng)的裝置。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，促進(jìn)冰粒運(yùn)動(dòng)的裝置是螺旋式輸送機(jī)(screwtypeconveyor)或穿孑L螺絲(perforatedscrw)。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，與第二接收器連接的冷凍濃縮柱入口用于向冷凍濃縮柱供應(yīng)來自第二接收器的部分液體。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，刮刀包括安裝在由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的可旋轉(zhuǎn)的軸上的刀片。分餾冷凍是通過連續(xù)從水溶液中除去細(xì)冰粒形式的水部分而將水溶液濃縮成濃溶液的物理方法。對于某些具有較高濃度的水溶液，因?yàn)槿芤旱母哒扯?，冰成核現(xiàn)象的速度極大地減小，因此，形成的細(xì)冰的運(yùn)動(dòng)制約并且減慢該過程。然而，本發(fā)明使分餾冷凍更高濃度的水溶液成為可能，因?yàn)樵撨^程在冰粒結(jié)合形成大聚集物之前利用緩慢釋放的微尺寸冰粒。因此，在本發(fā)明的方法中，向冷凍濃縮柱供應(yīng)稀溶液。該溶液朝垂直柱的下端向下移動(dòng)。因此，可以在冷凍濃縮柱中高于下端的位置處供應(yīng)稀溶液。換句話說，可以從上端或在介于上端和下端之間的任意中間位置供應(yīng)稀溶液。因此，入口可以安置在冷凍濃縮柱上。在本發(fā)明的方法中，靠近柱下端處產(chǎn)生局部凍結(jié)，它導(dǎo)致稀溶液的濃縮。在該凍結(jié)位置產(chǎn)生微尺寸冰粒。由于密度差異，這些微尺寸冰粒朝冷凍濃縮柱的上端向上移動(dòng)。在向上移動(dòng)時(shí)，冰粒使溶解的固體轉(zhuǎn)化為稀溶液。冰粒和稀溶液形成一種體系，該體系具有達(dá)到平衡的傾向。因?yàn)楸：拖∪芤褐g的濃度差和溫度差而發(fā)生質(zhì)量傳遞，即溶解固體的轉(zhuǎn)移。因此，為了達(dá)到平衡，發(fā)生從冰粒至稀溶液的質(zhì)量傳遞或溶解固體的轉(zhuǎn)移。這導(dǎo)致稀溶液的進(jìn)一步濃縮。冰粒的尺寸越小，表面積越高，因此質(zhì)量傳遞更大。在靠近冷凍濃縮柱上端處收集冰粒。從冷凍濃縮柱收集的冰粒融化，由此獲得的液體的一部分可以在冷凍濃縮柱中再循環(huán)。以上步驟可以重復(fù)以便使分別靠近冷凍濃縮柱上端和下端處的溶解的固體濃縮物和水溶液分餾，直到溶解固體達(dá)到所需的濃度。可以從冷凍濃縮柱的下端收集通過本發(fā)明的以上方法獲得的濃縮溶液。從以上說明可看到，本發(fā)明的方法是在單柱中進(jìn)行的一個(gè)連續(xù)的多級的冷凍過程。因此，本發(fā)明提供用于根據(jù)本發(fā)明濃縮稀溶液的設(shè)備。該用于濃縮稀溶液的設(shè)備包括垂直放置的冷凍濃縮柱。該冷凍濃縮柱具有上端和下端。冷凍濃縮柱上安置入口，用于供應(yīng)待濃縮的稀溶液。因?yàn)樵诒景l(fā)明的方法中，稀溶液的供應(yīng)應(yīng)使得其朝柱子的下端向下移動(dòng)。因此，入口可以安置在上端或介于冷凍濃縮柱上端和下端之間的任何中間位置或它們的附近。在靠近柱子下端為冷凍濃縮柱提供致冷裝置，用于產(chǎn)生局部凍結(jié)。致冷裝置使待濃縮的稀溶液凍結(jié)。由致冷裝置形成的冰被轉(zhuǎn)化為小或微尺寸的冰粒。冷凍濃縮柱可以安裝刮刀、斯皮爾格(sperger)或任何其它合適的裝置，用于產(chǎn)生微尺寸顆粒。具有刀片式結(jié)構(gòu)的刮刀可以是產(chǎn)生微尺寸冰粒的合適的裝置。刮刀可以安裝在借助馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的軸上。容易理解，介于刮刀刀片和冷凍濃縮柱壁之間應(yīng)該有一條縫隙，并且刮刀應(yīng)該處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以便避免使刮刀卡住。在冷凍濃縮柱上安裝出口用于收集濃縮的溶液。接收器可以與所述出口相連以用于收集濃縮的溶液?？拷露颂幮纬傻男』蛭⒊叽绫３瘽饪s柱的上端向上移動(dòng)。當(dāng)冰粒在柱中向上移動(dòng)時(shí)，從冰粒至稀溶液發(fā)生溶解固體的質(zhì)量傳遞。這導(dǎo)致稀溶液濃度的進(jìn)一步增加?？梢詮陌仓迷诳拷鋬鰸饪s柱上端的第二出口回收冰粒。收集濃縮溶液的出口可以視為第一出口。第二接收器可以與用于收集冰粒的第二出口相連。收集濃縮溶液的接收器可以視為第一接收器。使第二接收器中收集的冰粒融化，部分融化的冰可以在冷凍濃縮柱中再循環(huán)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，可以安裝促進(jìn)運(yùn)動(dòng)的裝置以便冰粒向上慢慢移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)溶解固體從冰粒至稀溶液的有效質(zhì)量傳遞。促進(jìn)運(yùn)動(dòng)的裝置可以是螺旋式輸送機(jī)或穿孔螺絲或向上流動(dòng)的小氣泡。從以上說明可容易地理解，在本發(fā)明的設(shè)備中，多級冷凍濃縮在單柱中完成。以下的段落參考本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的附圖描述本發(fā)明。這不應(yīng)該從限制意義上進(jìn)行解釋。圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式用于濃縮稀溶液的設(shè)備的示例性圖解。從圖1可看到，用于濃縮稀溶液的設(shè)備具有垂直放置的冷凍濃縮柱(l)。該冷凍濃縮柱(1)具有上端(2)和下端(3)。冷凍濃縮柱(l)具有用于供應(yīng)待濃縮的稀溶液的入口(4)。圖1顯示安置在靠近冷凍濃縮柱(1)上端(2)處的入口(4)。然而，入口(4)可以安置在介于上端(2)和下端(3)之間的任何合適的中間位置，以便稀溶液向下端(3)移動(dòng)。適用于容納稀溶液的儲罐(5)可以與入口(4)相連，以便向冷凍濃縮柱(l)供應(yīng)稀溶液。在靠近柱子(1)下端(3)處提供致冷裝置用于凍結(jié)稀溶液。可以容易地理解，入口(4)應(yīng)該位于致冷裝置以上或稀溶液發(fā)生凍結(jié)的區(qū)域以上。參考圖1、2和3，可以在靠近冷凍濃縮柱(1)下端處形成夾套區(qū)(6)以使冷凍劑循環(huán)?？梢允褂萌魏魏线m的致冷裝置。致冷裝置具有蒸發(fā)器(7)、壓縮機(jī)(8)、冷凝器(7)和膨脹閥(8)。在致冷裝置中可以使用任何合適的冷凍劑。稀溶液與夾套區(qū)(6)的柱(1)的壁接觸，冰沉積在柱(l)的內(nèi)側(cè)。刮刀(9)安裝在柱(1)內(nèi)。刮刀(9)的位置可使得它能將柱(1)內(nèi)形成的冰刮下。刮下柱子中形成的冰可產(chǎn)生微尺寸冰粒。刮刀可以是刀片形式，該刀片安裝在借助馬達(dá)(11)旋轉(zhuǎn)的軸(10)上。在刮刀(9)和冰形成區(qū)之間留出一條小縫隙。可以連續(xù)地或間歇地操作刮刀(9)以便將柱(1)中形成的冰刮下。刮刀(9)的操作可以設(shè)計(jì)成使其不會在柱(l)內(nèi)形成的冰中卡住。柱(1)中形成的冰粒具有朝上端(2)向上移動(dòng)的趨勢。然而，為了達(dá)到有效的質(zhì)量傳遞，希望冰粒慢慢向上運(yùn)動(dòng)。因此，如圖1中所示，在柱子的內(nèi)部安裝螺旋式輸送機(jī)(12)，它能穿過預(yù)定長度的柱子(l)。螺旋式輸送機(jī)(12)由馬達(dá)(14)提供動(dòng)力的軸(13)驅(qū)動(dòng)。典型螺旋式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)取決于細(xì)冰粒何時(shí)逐漸向上運(yùn)動(dòng)并且進(jìn)入更高溫度梯度區(qū)，因此，在冰部分的溶質(zhì)濃度較小時(shí)借助螺旋式輸送機(jī)從體系中除去形成的冰十分重要。第一出口(15)安置在靠近下端(3)和低于夾套區(qū)(6)處，以便收集濃縮的溶液。第一接收器(16)與所述第一出口(15)相連以用于收集濃縮的溶液。第二出口(17)安置在柱子中靠近上端(2)，用于收集冰粒。輸送機(jī)(12)可以設(shè)計(jì)成可收集冰粒并且將冰粒向第二出口(16)轉(zhuǎn)移。第二接收器(18)與第二出口(16)相連，用于收集冰粒?？梢允共糠质占谋Ｈ诨⑶医?jīng)泵(19)通過入口(4)再次提供給柱子(1)。我們參考圖和具體實(shí)施方式描述了本發(fā)明；我們不希望從限制意義上解釋這種說明。參考本發(fā)明的說明，本發(fā)明的各種替代的實(shí)施方式對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將十分明顯。因此，我們期待這種替代的實(shí)施方式形成本發(fā)明的一部分。實(shí)施例1:將1%的葡萄糖水溶液加入如上所述的系統(tǒng)中，初始體積為200毫升，進(jìn)料速度為30毫升/小時(shí)。柱溫最初維持在25"C。表1描述了當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到120小時(shí)之時(shí)，溶質(zhì)濃度增加50%。表1液體部分時(shí)間(分鐘)溶質(zhì)濃度(毫克/毫升)體積(毫升)3010.771356013.998359015.8981212019.55610實(shí)施例2:將5%的葡萄糖水溶液加入如上所述的系統(tǒng)中，初始體積為400毫升，進(jìn)料速度為30毫升/小時(shí)。柱溫最初維持在25'C。隨著過程的進(jìn)行，糖在液體中的濃度增加將近59%。因此，在本發(fā)明中濃縮液體是可能的。11<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>實(shí)施例3:將5%的NaCl溶液以30毫升/分鐘的進(jìn)料速度加入濃縮柱中。初始進(jìn)料的初始溫度是25。C。隨著過程的進(jìn)行，液體中NaCl的濃度在兩小時(shí)內(nèi)增加將近25%。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>權(quán)利要求1.一種濃縮稀溶液的方法，所述方法包括(a)在垂直的冷凍濃縮柱中供應(yīng)待濃縮的稀溶液以便該稀溶液朝該冷凍濃縮柱的下端向下移動(dòng)；(b)在靠近冷凍濃縮柱下端處產(chǎn)生局部凍結(jié)和微尺寸冰粒以便該冰粒向冷凍濃縮柱的上端移動(dòng)；(c)在靠近冷凍濃縮柱上端處收集冰粒；(d)使步驟(c)中收集的冰粒融化，隨后使部分液體再循環(huán)至冷凍濃縮柱中，以便所述液體向冷凍濃縮柱的下端移動(dòng)；(e)重復(fù)步驟(a)至(d)以便使分別靠近冷凍濃縮柱上端和下端處的溶解的固體濃縮物和水溶液分餾，直到溶解的固體達(dá)到所需的濃度；(f)從冷凍濃縮柱下端獲得濃縮液。2.—種濃縮稀溶液的設(shè)備，所述設(shè)備包括(a)垂直放置的冷凍濃縮柱，其具有上端和下端；所述冷凍濃縮柱具有供應(yīng)待濃縮的稀溶液的入口；該入口位于冷凍濃縮柱上以便稀溶液朝冷凍濃縮柱的下端向下移動(dòng)；(b)與冷凍濃縮柱相連的致冷裝置，用于在靠近冷凍濃縮柱下端處產(chǎn)生局部凍結(jié)；(c)用于在局部凍結(jié)區(qū)產(chǎn)生微尺寸冰粒的裝置；(d)與冷凍濃縮柱的第一出口連接的第一接收器，用于收集濃縮的溶液；所述第一出口位于靠近反應(yīng)室下端的位置；(e)與冷凍濃縮柱的第二出口連接的第二接收器，用于收集微尺寸冰粒；所述第二出口位于靠近冷凍濃縮柱上端的位置。3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，用于產(chǎn)生微尺寸冰粒的裝置是刮刀或斯皮爾格。4.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述冷凍濃縮柱配置了促進(jìn)冰粒向冷凍濃縮柱上端運(yùn)動(dòng)的裝置。5.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述促進(jìn)冰粒運(yùn)動(dòng)的裝置是螺旋式輸送機(jī)或穿孔螺絲。6.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述冷凍濃縮柱的入口與第二接收器連接，以便向冷凍濃縮柱供應(yīng)來自第二接收器的部分液體。7.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述刮刀包括安裝在由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的可旋轉(zhuǎn)的軸上的刀片。全文摘要本發(fā)明提供濃縮稀溶液的方法和設(shè)備。文檔編號B01D9/04GK101668574SQ200880011522公開日2010年3月10日申請日期2008年6月19日優(yōu)先權(quán)日2007年6月20日發(fā)明者B·K·吉利,B·潘迪,M·K·薩卡爾申請人:納格祖那能量私人有限公司