两种连续式冷冻浓缩分离装置及其应用特性

郭全举　陈东　谢继红　周长明

（天津科技大学机械工程学院)



应用研究

两种连续式冷冻浓缩分离装置及其应用特性

郭全举*陈东谢继红周长明

（天津科技大学机械工程学院)

冷冻浓缩分离技术具有能耗少、设备腐蚀弱、操作温度低、浓缩产品质量好等优点，在热敏性食品和化工、生物、制药料液的浓缩分离中有很好的应用潜力。给出了两种连续式冷冻浓缩分离装置，介绍了其基本构成、工作原理、主要特点，并对冷冻浓缩分离装置的能耗规律和需要解决的问题进行了分析。

冷冻浓缩分离盘管式刮片式能耗料液腐蚀

0　背景

冷冻浓缩分离技术是通过低温方法使料液中的水结冰固化，从而实现水与浓缩液分离。该技术在果汁、啤酒、牛奶、咖啡、药液、废水等料液的浓缩分离中具有较好的应用效果[1-3]。

由于水的结冰潜热远低于汽化潜热[4]（前者约为后者的1/7），因此，冷冻浓缩分离技术的能耗相对较低。料液中水的结冰温度一般低于0℃，料液中易挥发有效成分的损失少，有利于获得较高质量的浓缩液。低温下料液对设备表面的腐蚀缓慢，这就延长了设备的使用寿命[5]。

冷冻浓缩分离主要有两条技术路线[6]，或者说有两种方法，即悬浮结晶法和界面渐进法。悬浮结晶法是使料液过冷形成大量冰晶，从而实现料液的浓缩分离，冰晶的后处理复杂；界面渐进法是使料液流经冷表面，直接在冷表面上形成片状冰，冰的后处理简单。基于此，本文给出了两种易于实现工业化生产的界面渐进型连续式冷冻浓缩分离装置——盘管式冷冻浓缩分离装置和内刮片式冷冻浓缩分离装置，并分析了其基本构成、工作原理、主要特点。

2　盘管式冷冻浓缩分离装置

盘管式冷冻浓缩分离装置的基本构成如图1所示。由图1可见，盘管式冷冻浓缩分离装置由四个基本单元组成：结冰融冰单元、料液循环单元、冰水循环单元和料液预冷单元。结冰融冰单元由压缩机、辅冷器、换向阀、换热器2、节流阀、换热器1组成；料液循环单元由料液罐、料液泵组成；冰水循环单元由冰水罐、冰水泵组成；料液预冷单元由换热器3、浓液阀、冰水阀组成。装置工作时料液循环单元、冰水循环单元和料液预冷单元是固定不动的，而结冰融冰单元作为一个整体可以通过液压装置升降和旋转。

图1　盘管式冷冻浓缩分离装置

盘管式冷冻浓缩分离装置是周期性连续工作的，每个运行周期可分为两个运行阶段：运行阶段A和运行阶段B。在运行阶段A，换热器1在料液罐中，换热器2在冰水罐中，压缩机工作，低温低压液态制冷剂进入换热器1，制冷剂蒸发吸热，换热器1温度降低，表面结冰，料液浓缩；高温高压气态制冷剂进入换热器2并与外面的冰进行热交换使冰融化，产生冰水；当换热器2表面的冰全部融化时，换热器1表面结冰也达到了适宜厚度，运行阶段A结束，压缩机停机。然后，结冰融冰单元通过液压装置升起并旋转180°再下降，使换热器2进入料液罐，换热器1进入冰水罐，装置运行进入运行阶段B，这时压缩机工作，四通换向阀动作，低温低压液态制冷剂进入换热器2，表面结冰，料液继续浓缩；高温高压气态制冷剂进入换热器1并与表面的冰进行热交换融冰，继续产生冰水；当换热器1表面冰融化完毕时，压缩机停机，运行阶段B结束，装置完成一个工作周期。之后，装置再升起并旋转180°后下降，使换热器1再进入料液罐，换热器2再进入冰水罐，开始下一个运行周期。

结冰融冰单元工作时，料液循环单元、冰水循环单元、料液预冷单元均保持连续工作；其中料液罐中的料液浓度不断增加，达到设定值时打开浓液阀排液，同时也打开冰水阀排水，原料液则通过换热器3被浓缩液和冰水冷却后补充入料液罐，维持料液罐内合理的液位和料液浓度。

盘管式冷冻浓缩分离装置结构简单，操作灵活，但由于是周期性连续工作，适用于小规模的料液浓缩分离。装置的能耗、生产率等受换热器1结冰速度、换热器2融冰速度、运行周期等影响，需根据料液特性和浓缩分离要求进行工艺优化。

2　内刮片式冷冻浓缩分离装置

内刮片式冷冻浓缩分离装置的基本构成如图2所示。由图2可见，内刮片式冷冻浓缩分离装置也由四个基本单元组成：结冰融冰单元、料液循环单元、冰水循环单元和料液预冷单元。结冰融冰单元由压缩机、辅冷器、融冰器、节流阀、结冰器、刮刀组成；料液循环单元由料液池、料液泵、喷头组成；冰水循环单元由冰水池、冰水泵组成；料液预冷单元由预冷器、浓液阀、冰水阀组成。

装置运行时，料液通过料液泵送入喷头、均匀喷淋至结冰器表面，料液中的部分水分被结冰器中的低温制冷剂冷却结冰，未结冰的浓缩液则通过结冰器下方的网孔返回料液池；旋转的刮刀将达到一定厚度的冰刮除，刮下的冰片落到结冰器下方的网孔型倾斜滑冰台上，沿滑冰台进入冰水池，被融冰器内温度较高的制冷剂融化。

内刮片式冷冻浓缩分离装置的刮刀是旋转部件，要求与结冰器表面有良好的尺寸配合，装置制造要求较高。但装置工作时没有周期性波动，工况稳定性好，操作管理方便，较适用于中大规模的料液浓缩分离。装置的能耗、生产率等指标主要受结冰器内制冷剂温度、刮刀旋转速度等影响，也需根据料液特性和浓缩分离要求进行工艺优化。

图2　内刮片式冷冻浓缩分离装置

3　冷冻浓缩分离装置的特性分析

（1）能耗特性

冷冻浓缩分离装置的能耗主要是结冰融冰单元中压缩机的能耗，该能耗又与结冰耗冷量和结冰融冰单元的制冷系数有关。结冰耗冷量取决于冰水产量，而制冷系数COPR与结冰器中制冷剂的蒸发温度TE、融冰器中制冷剂的冷凝温度TC有关，其近似计算式为：

制取1 t融冰水所需能耗PCOM的近似计算式为：

式中COPR——结冰融冰单元的制冷系数，无因次；

TE——结冰器中制冷剂的蒸发温度，K；

TC——融冰器中制冷剂的冷凝温度，K；

PCOM——制取1 t融冰水的耗能量，MJ/t；

rICE——水的结冰潜热，MJ/t。

冷冻浓缩分离装置运行时，结冰器中制冷剂的蒸发温度通常为-5～-25℃，融冰器中制冷剂的冷凝温度通常为4～10℃。在4～10℃温度范围内，结冰融冰单元的制冷系数和吨水能耗如图3和图4所示。

由图3可以看出，制冷剂的冷凝温度一定时，随着蒸发温度的降低，结冰融冰单元的制冷系数是不断下降的；蒸发温度在-5～-10℃之间时，制冷系数下降较快，而后趋于平缓。制冷剂的冷凝温度的升高也不利于结冰融冰单元获得较高的制冷系数。因此，对于获得较高的制冷系数，提高蒸发温度和降低冷凝温度同样重要。

图3　结冰融冰单元的制冷系数变化规律

由图4可见，结冰融冰单元的吨水能耗与蒸发温度、冷凝温度近似呈线性关系，吨水能耗随着蒸发温度的升高而不断降低，随着冷凝温度的增加而不断升高。因此，提高蒸发温度、降低冷凝温度均有利于降低机组能耗，但为了获得较好的结冰速率，温差应保持在合适范围，即蒸发温度控制在-10℃左右、冷凝温度控制在4℃左右较为适宜。

图4　结冰融冰单元的吨水能耗变化规律

（2）适用料液特性

料液浓度较高时，料液的冰点温度随之降低，这会导致结冰器中制冷剂的蒸发温度偏低，装置运行的能耗较大。因此冷冻浓缩分离装置较适于中低浓度料液的处理。此外，在冷冻浓缩分离装置运行时，结冰器表面所结冰中往往夹带有溶质成分，夹带量与料液组成、结冰器表面温度等有关。因此冷冻浓缩分离装置适于料液结冰时夹带量较小，或者含有所夹带成分的融冰水可再利用的场合。

4　结论与建议

冷冻浓缩分离技术具有能耗低、浓缩产品质量好等优点。盘管式和内刮片式两种连续式冷冻浓缩分离装置均可实现料液的连续处理，且具有结构简单、操作灵活等优点，可通过对制冷剂蒸发温度和冷凝温度的优化控制，获得较经济的运行效果。

连续式冷冻浓缩分离装置进一步需要解决的问题有：引入多级或多效方法进一步降低能耗；优化结冰器、融冰器、压缩机等关键部件，实现结冰融冰单元在制冷剂冷凝温度和蒸发温度之差较小时的高效运行；掌握料液结冰时溶质的夹带规律，实现融冰水中溶质夹带量的可控。

[1]李凤美，郭意如.果汁冷冻浓缩技术对果酒品质的影响 [J].保鲜与加工，2009(1)：44-46.

[2]冯毅，史淼直，宁方芹.中药水提取液冷冻浓缩的研究 [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]刘凌，薛毅，张瑾.冷冻浓缩技术的应用与研究简介[J].化学工业与工程，1999，16(3):151-156.

[5]崔明学，刘凌．2种浓缩方法对柠檬汁特性影响的比较[J]．食品与发酵工业，2004，30(1)：1-4．

[6]陈东，谢继红，赵义旭，等.一种连续冷冻浓缩装置及其应用分析 [J].食品与机械，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）

*郭全举，男，1989年生，硕士研究生。天津市，300222。