兩種連續式冷凍濃縮分離裝置及其應用特性

郭全舉　陳東　謝繼紅　周長明

（天津科技大學機械工程學院)

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應用研究

兩種連續式冷凍濃縮分離裝置及其應用特性

郭全舉*陳東謝繼紅周長明

（天津科技大學機械工程學院)

冷凍濃縮分離技術具有能耗少、設備腐蝕弱、操作溫度低、濃縮產品質量好等優點，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用潛力。給出了兩種連續式冷凍濃縮分離裝置，介紹了其基本構成、工作原理、主要特點，并對冷凍濃縮分離裝置的能耗規律和需要解決的問題進行了分析。

冷凍濃縮分離盤管式刮片式能耗料液腐蝕

0　背景

冷凍濃縮分離技術是通過低溫方法使料液中的水結冰固化，從而實現水與濃縮液分離。該技術在果汁、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用效果[1-3]。

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

冷凍濃縮分離主要有兩條技術路線[6]，或者說有兩種方法，即懸浮結晶法和界面漸進法。懸浮結晶法是使料液過冷形成大量冰晶，從而實現料液的濃縮分離，冰晶的后處理復雜；界面漸進法是使料液流經冷表面，直接在冷表面上形成片狀冰，冰的后處理簡單。基于此，本文給出了兩種易于實現工業化生產的界面漸進型連續式冷凍濃縮分離裝置——盤管式冷凍濃縮分離裝置和內刮片式冷凍濃縮分離裝置，并分析了其基本構成、工作原理、主要特點。

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基本單元組成：結冰融冰單元、料液循環單元、冰水循環單元和料液預冷單元。結冰融冰單元由壓縮機、輔冷器、換向閥、換熱器2、節流閥、換熱器1組成；料液循環單元由料液罐、料液泵組成；冰水循環單元由冰水罐、冰水泵組成；料液預冷單元由換熱器3、濃液閥、冰水閥組成。裝置工作時料液循環單元、冰水循環單元和料液預冷單元是固定不動的，而結冰融冰單元作為一個整體可以通過液壓裝置升降和旋轉。

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工作的，每個運行周期可分為兩個運行階段：運行階段A和運行階段B。在運行階段A，換熱器1在料液罐中，換熱器2在冰水罐中，壓縮機工作，低溫低壓液態制冷劑進入換熱器1，制冷劑蒸發吸熱，換熱器1溫度降低，表面結冰，料液濃縮；高溫高壓氣態制冷劑進入換熱器2并與外面的冰進行熱交換使冰融化，產生冰水；當換熱器2表面的冰全部融化時，換熱器1表面結冰也達到了適宜厚度，運行階段A結束，壓縮機停機。然后，結冰融冰單元通過液壓裝置升起并旋轉180°再下降，使換熱器2進入料液罐，換熱器1進入冰水罐，裝置運行進入運行階段B，這時壓縮機工作，四通換向閥動作，低溫低壓液態制冷劑進入換熱器2，表面結冰，料液繼續濃縮；高溫高壓氣態制冷劑進入換熱器1并與表面的冰進行熱交換融冰，繼續產生冰水；當換熱器1表面冰融化完畢時，壓縮機停機，運行階段B結束，裝置完成一個工作周期。之后，裝置再升起并旋轉180°后下降，使換熱器1再進入料液罐，換熱器2再進入冰水罐，開始下一個運行周期。

結冰融冰單元工作時，料液循環單元、冰水循環單元、料液預冷單元均保持連續工作；其中料液罐中的料液濃度不斷增加，達到設定值時打開濃液閥排液，同時也打開冰水閥排水，原料液則通過換熱器3被濃縮液和冰水冷卻后補充入料液罐，維持料液罐內合理的液位和料液濃度。

盤管式冷凍濃縮分離裝置結構簡單，操作靈活，但由于是周期性連續工作，適用于小規模的料液濃縮分離。裝置的能耗、生產率等受換熱器1結冰速度、換熱器2融冰速度、運行周期等影響，需根據料液特性和濃縮分離要求進行工藝優化。

2　內刮片式冷凍濃縮分離裝置

內刮片式冷凍濃縮分離裝置的基本構成如圖2所示。由圖2可見，內刮片式冷凍濃縮分離裝置也由四個基本單元組成：結冰融冰單元、料液循環單元、冰水循環單元和料液預冷單元。結冰融冰單元由壓縮機、輔冷器、融冰器、節流閥、結冰器、刮刀組成；料液循環單元由料液池、料液泵、噴頭組成；冰水循環單元由冰水池、冰水泵組成；料液預冷單元由預冷器、濃液閥、冰水閥組成。

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

內刮片式冷凍濃縮分離裝置的刮刀是旋轉部件，要求與結冰器表面有良好的尺寸配合，裝置制造要求較高。但裝置工作時沒有周期性波動，工況穩定性好，操作管理方便，較適用于中大規模的料液濃縮分離。裝置的能耗、生產率等指標主要受結冰器內制冷劑溫度、刮刀旋轉速度等影響，也需根據料液特性和濃縮分離要求進行工藝優化。

圖2　內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冰融冰單元中壓縮機的能耗，該能耗又與結冰耗冷量和結冰融冰單元的制冷系數有關。結冰耗冷量取決于冰水產量，而制冷系數COPR與結冰器中制冷劑的蒸發溫度TE、融冰器中制冷劑的冷凝溫度TC有關，其近似計算式為：

制取1 t融冰水所需能耗PCOM的近似計算式為：

式中COPR——結冰融冰單元的制冷系數，無因次；

TE——結冰器中制冷劑的蒸發溫度，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——水的結冰潛熱，MJ/t。

冷凍濃縮分離裝置運行時，結冰器中制冷劑的蒸發溫度通常為-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，結冰融冰單元的制冷系數和噸水能耗如圖3和圖4所示。

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

圖3　結冰融冰單元的制冷系數變化規律

由圖4可見，結冰融冰單元的噸水能耗與蒸發溫度、冷凝溫度近似呈線性關系，噸水能耗隨著蒸發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，提高蒸發溫度、降低冷凝溫度均有利于降低機組能耗，但為了獲得較好的結冰速率，溫差應保持在合適范圍，即蒸發溫度控制在-10℃左右、冷凝溫度控制在4℃左右較為適宜。

圖4　結冰融冰單元的噸水能耗變化規律

（2）適用料液特性

料液濃度較高時，料液的冰點溫度隨之降低，這會導致結冰器中制冷劑的蒸發溫度偏低，裝置運行的能耗較大。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行時，結冰器表面所結冰中往往夾帶有溶質成分，夾帶量與料液組成、結冰器表面溫度等有關。因此冷凍濃縮分離裝置適于料液結冰時夾帶量較小，或者含有所夾帶成分的融冰水可再利用的場合。

4　結論與建議

冷凍濃縮分離技術具有能耗低、濃縮產品質量好等優點。盤管式和內刮片式兩種連續式冷凍濃縮分離裝置均可實現料液的連續處理，且具有結構簡單、操作靈活等優點，可通過對制冷劑蒸發溫度和冷凝溫度的優化控制，獲得較經濟的運行效果。

連續式冷凍濃縮分離裝置進一步需要解決的問題有：引入多級或多效方法進一步降低能耗；優化結冰器、融冰器、壓縮機等關鍵部件，實現結冰融冰單元在制冷劑冷凝溫度和蒸發溫度之差較小時的高效運行；掌握料液結冰時溶質的夾帶規律，實現融冰水中溶質夾帶量的可控。

[1]李鳳美，郭意如.果汁冷凍濃縮技術對果酒品質的影響 [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.冷凍濃縮技術的應用與研究簡介[J].化學工業與工程，1999，16(3):151-156.

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

[6]陳東，謝繼紅，趙義旭，等.一種連續冷凍濃縮裝置及其應用分析 [J].食品與機械，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。