專利名稱：冷凍濃縮噴霧冷凍干燥裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于過程裝備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種冷凍濃縮噴霧冷凍干燥裝置， 該方法主要用于食品、生物制品、醫(yī)藥等高附加值產(chǎn)品的脫水造粒。
背景技術(shù)：
冷凍濃縮是近年來發(fā)展迅速的一種濃縮方式，由于在低溫常壓下操作，具有可阻 止不良化學(xué)變化和生物化學(xué)變化及風味、香氣和營養(yǎng)損失小等優(yōu)點，并且特別適用于濃縮 熱敏性液態(tài)食品、生物制藥、要求保留天然色香味的高檔飲品及中藥湯劑等。因此，冷凍濃 縮這一低能耗、可生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品的加工技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。目前工業(yè)生產(chǎn)上采用 的冷凍濃縮系統(tǒng)由冰核生成器、結(jié)晶器和冰晶分離器組成。被濃縮液首先在冰核生成器中 生成含有許多微小冰晶的低溫溶液，而后送到結(jié)晶器中通過奧斯特瓦爾德(Ostwald)效應(yīng) 長成大冰晶，濃縮液從結(jié)晶器底部送出，冰晶表面附著的濃縮液在冰晶分離器中用水沖洗 回收，沖洗液再送回進料端。在這種系統(tǒng)中，關(guān)鍵技術(shù)是怎樣使冰晶在結(jié)晶器中長到足夠大 而有效地分離冰晶和溶質(zhì)。本專利實用新型采用與國外研究機構(gòu)合作的方式共同開發(fā)冷凍 濃縮噴霧冷凍流化床干燥技術(shù)，使用國外專利，專利號566338 (新西蘭)，本冷凍濃縮技術(shù) 不同于市場上現(xiàn)有的商業(yè)技術(shù)，本裝置可以在一個容器內(nèi)完成冷凍濃縮過程，不需要將冷 凍產(chǎn)生的冰漿在不同容器之間進行轉(zhuǎn)移，同時試驗證明具有更低的能耗。噴霧冷凍技術(shù)是利用霧化裝置將濃縮后的溶液霧化成細小的液滴，液滴在低溫冷 凍介質(zhì)中被快速冷凍成細小顆粒，由于冷凍時間通常為幾十微秒鐘，冷凍速度快，易形成小 尺寸冰晶，能有效地減小對生物制品的細胞及其他功能結(jié)構(gòu)的破壞，并能快速形成穩(wěn)定的 固態(tài)組織，保證原產(chǎn)品的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，最大限度地保存原有產(chǎn)品的理化特性。常壓冷凍干燥在常壓下操作，干燥成的產(chǎn)品質(zhì)量接近真空冷凍干燥，好于常規(guī)熱 風干燥，具有較高的復(fù)水速度，較小的收縮率。真空冷凍干燥技術(shù)是將物料在較低溫度下凍 結(jié)成固態(tài)，然后在真空下使其中的水分不經(jīng)液態(tài)直接升華成氣態(tài)，最終使物料脫水的干燥 技術(shù)，是產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的液態(tài)食品、藥品和生物制品脫水保存所廣泛選用的干燥技術(shù)， 通常是將被干燥液態(tài)物料放入燒瓶、托盤等容器中，放入真空冷凍干燥機的干燥室內(nèi)進行 冷凍，然后在干燥室內(nèi)通過熱傳導(dǎo)方式提供在真空條件下水分升華所需的熱量，將水分從 冷凍的物料中升華分離，水蒸氣被捕集到與干燥室連通的真空排氣系統(tǒng)的冷凝器表面。由 于物料在升華脫水以前先經(jīng)凍結(jié)，形成穩(wěn)定的固體骨架，所得到的多孔結(jié)構(gòu)的干制品具有 很高的空隙率，收縮小，原始形態(tài)得以保持，無表面硬化的現(xiàn)象并具有理想的速溶性和快速 復(fù)水性；真空、低溫條件下工作，最大限度地降低了由于氧化所帶來的理化指標的降低，比 如酶褐變等。目前，國內(nèi)尚未有冷凍濃縮噴霧冷凍造粒常壓冷凍流化床干燥技術(shù)的研究和專 利出現(xiàn)。國外雖然有提出將濃縮液冷凍噴霧干燥技術(shù)專利，但沒有類似的成套系統(tǒng)；如 US6862890專利中提到將液體直接噴霧到低溫液體中冷凍干燥，沒有能量綜合利用及組合干燥技術(shù)。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的就是為解決低濃度溶液的干燥造粒工作，提供一種集冷凍濃 縮、噴霧冷凍造粒、流化床常壓冷凍干燥的冷凍濃縮噴霧冷凍干燥裝置，具有節(jié)能高效，產(chǎn) 品品質(zhì)高，干燥時間短等優(yōu)點。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案一種冷凍濃縮噴霧冷凍干燥裝置，它包括料液存儲裝置，料液存儲裝置與冷凍濃 縮裝置連接，冷凍濃縮裝置的出料端與噴霧冷凍塔連接，廢液端與水冷箱連接；噴霧冷凍塔 與流化床連接，流化床與除塵器連接，流化床和除塵器的出料端接成品區(qū)；除塵器與送風裝 置連接；送風裝置與冷卻裝置連接，冷卻裝置分別與噴霧冷凍塔和換熱裝置連接，換熱裝置 通過加熱裝置與流化床連接；在水冷箱、換熱裝置和冷卻裝置內(nèi)設(shè)有相互連接的多級熱泵 系統(tǒng)。所述多級熱泵系統(tǒng)包括三級熱泵，其中一級熱泵與水冷箱連接；二級熱泵與換熱 裝置連接；三級熱泵冷卻裝置連接。所述料液存儲裝置與冷凍濃縮裝置間通過給料泵I連接；冷凍濃縮裝置與噴霧冷 凍塔間通過給料泵II連接。 所述噴霧冷凍塔的噴霧冷凍造粒的溫度在-40 -60°c。所述流化床的冷凍干燥溫度在溶液共晶點以下2 ;TC。所述換熱裝置為空氣換熱器；所述冷卻裝置為空氣冷卻器；所述加熱裝置為電加 熱器。采用冷凍濃縮噴霧冷凍干燥裝置的冷凍干燥工藝，它的步驟為步驟1，開啟冷凍濃縮裝置，料液送入冷凍濃縮裝置，在設(shè)定時間內(nèi)完成冷凍濃縮 過程，料液被分離成高濃度溶液和廢水，高濃度溶液的固形物含量不超過40%;溶液送入噴 霧冷凍塔，廢水送入水冷箱，水冷箱設(shè)有一級熱泵；水冷箱作為二級熱泵的冷源和一級熱泵 的熱源；步驟2，在冷凍濃縮裝置工作后1小時，開啟一級熱泵、二級熱泵和三級熱泵，將整 個系統(tǒng)的溫度降低至系統(tǒng)工作溫度；步驟3，濃縮后的溶液送入噴霧冷凍塔，進行冷凍造粒；經(jīng)過噴霧冷凍塔造粒后的 冷凍顆粒進入流化床進行常壓冷凍干燥；步驟4，部分干燥顆粒被流化冷風帶出流化床，冷風帶走的顆粒經(jīng)過除塵器的過濾 將顆粒分離出來，同流化床干燥后的物料的一起被作為成品排出；除塵器的尾氣則通過處 理后再次利用。所述步驟3中，干燥過程為料液進入噴霧冷凍模塊進行噴霧冷凍造粒，噴霧冷 凍造粒的溫度控制在-40 -60°C，在低溫狀態(tài)下，噴霧產(chǎn)生的顆粒瞬間被冷凍；最后冷凍 顆粒連同冷凍氣流輸送到流化床中，進入流化床，冷凍干燥的溫度控制在溶液共晶點以下 2 3°C，完成干燥過程；在整個系統(tǒng)中存在不同溫度的操作，各個模塊熱量利用通過三級 熱泵相連接，以達到能量綜合利用的效果。所述冷凍干燥溫度在-10 -20°C。[0021]所述步驟4中，除塵器排出的尾氣再利用過程為冷氣由風機送入空氣冷氣器將 空氣冷卻至-40 -60°C，濕空氣中的水分被脫除；然后氣體分成兩股，一股氣體作為噴霧 冷凍提供冷量所用，另一股作為流化床流化使用的氣體，這一股空氣進入空氣換熱器中，這 里是三級熱泵的冷凝器端，三級熱泵將空氣冷卻器中的熱量轉(zhuǎn)移至空氣換熱器中，同時為 防止空氣被加熱的溫度過高，通過二級熱泵，將空氣換熱器中多余的熱量轉(zhuǎn)移出去，而在外 界環(huán)境溫度低于-20°C時通過電加熱器來調(diào)節(jié)流化氣體的溫度，保證進入流化床的氣體溫 度在溶液共晶點以下2 3°C ；最后經(jīng)過流化床的流化氣體和噴霧冷凍塔的冷凍空氣一起 進入除塵器完成循環(huán)。本實用新型其工作過程為低濃度液體進入冷凍濃縮裝置，將低濃度液體濃縮至 合適的濃度，一般不會超過40%的固形物含量；然后進入噴霧冷凍模塊進行噴霧冷凍造 粒，噴霧冷凍造粒的溫度控制在-40 -60°C，在低溫狀態(tài)下，噴霧產(chǎn)生的顆?？梢运查g被 冷凍，冷凍時間為數(shù)十毫秒；最后冷凍顆粒連同冷凍氣流通過特殊的裝置被輸送到流化床 中，進入流化床冷凍干燥模塊，冷凍干燥的溫度控制在溶液共晶點以下2 ;TC，即一般 在-10 -20°C，完成干燥過程，干燥完成后的物料連同除塵器收集的物料經(jīng)卸料閥排出。 在整個系統(tǒng)中存在不同溫度的操作，各個模塊熱量利用通過多級熱泵系統(tǒng)相連接，以達到 能量綜合利用的效果。本實用新型的冷凍濃縮裝置具有如下優(yōu)點(1) 可以連續(xù)操作；(2) 最高可將溶液濃縮至固形物含量達55% (以糖度為基準)；(3) 除去冷凍冰中的固形物含量小于50ppm，冰晶融化后產(chǎn)生的基本是純水；(4) 排除的廢水溫度在0°C左右，可作為其他設(shè)備的冷源使用。經(jīng)過冷凍濃縮過程，低濃度溶液中的大量水分被去除假設(shè)原來的溶液濃度為 5%，經(jīng)過濃縮后的濃度變?yōu)?0%，則其中87. 5%的水分被分離出來，大大減少了溶液的質(zhì)量， 降低了干燥成本。該冷凍濃縮、噴霧冷凍造粒、流化床常壓冷凍干燥方法具有以下優(yōu)點1、系統(tǒng)集成化程度高；本方法的系統(tǒng)解決了從低濃度溶液到干燥制粉造粒的整套 工藝，一體化完成。2、低溫噴霧冷凍干燥，能減小對生物制品的細胞及其他功能結(jié)構(gòu)的破壞，保證原 產(chǎn)品微觀孔隙結(jié)構(gòu)，最大限度保存原有產(chǎn)品的理化特性，降低常規(guī)低溫冷凍造成的質(zhì)量退 化，產(chǎn)品質(zhì)量品質(zhì)較高。3、在常壓流態(tài)化(普通流化床或是脈動流化床)冷凍干燥中，產(chǎn)品顆?；旌戏植季?勻，產(chǎn)品的流動性高，粒度分布可以調(diào)節(jié)。4、能量利用率高。系統(tǒng)中針對不同環(huán)節(jié)所需的不同溫度調(diào)節(jié)設(shè)計了 3個熱泵循環(huán) 系統(tǒng)，使能量得到充分利用。5、實現(xiàn)冷凍濃縮、冷凍噴霧造粒和流化床干燥，系統(tǒng)為密閉操作，連續(xù)運行對環(huán)境 無污染。6、適應(yīng)性強。本系統(tǒng)可在高溫條件(夏季)和低溫條件(冬季)下完成操作，通過自 動控制系統(tǒng)可以進行簡單的調(diào)節(jié)即可在不同外界溫度條件下工作。
圖1是本實用新型冷凍濃縮、噴霧冷凍造粒、流化床常壓冷凍干燥裝置系統(tǒng)的示 意圖。其中，1、物料罐；2、給料泵I ；3，冷凍濃縮裝置；4，給料泵II ；5，噴霧冷凍塔；6，流 化床；7，除塵器；8，電加熱器；9，一級熱泵；10，水冷箱；11，二級熱泵；12，空氣換熱器；13， 三級熱泵；14，空氣冷卻器；15，風機。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明。圖1中，它包括料液存儲裝置即物料罐1，物料罐1通過給料泵12送入冷凍濃縮裝 置3，冷凍濃縮裝置3經(jīng)給料泵114與噴霧冷凍塔5連接；噴霧冷凍塔5與流化床6連接， 流化床6與除塵器7連接，除塵器7的尾氣經(jīng)風機15送入空氣冷卻器14，冷卻器14分別與 噴霧冷凍塔5和空氣換熱器12連接，空氣換熱器12經(jīng)電加熱器8與流化床6連接。冷凍 濃縮裝置3與水冷箱10連接。在水冷箱10與一級熱泵9連接，空氣換熱器12與二級熱泵 11連接，空氣冷卻器14與三級熱泵13連接。各級熱泵間彼此連接。本實用新型的工藝步驟為步驟1，開啟冷凍濃縮裝置，料液送入冷凍濃縮裝置，在設(shè)定時間內(nèi)完成冷凍濃縮 過程，料液被分離成高濃度溶液和廢水，高濃度溶液的固形物含量不超過40%;溶液送入噴 霧冷凍塔，廢水送入水冷箱，水冷箱設(shè)有一級熱泵，設(shè)置一級熱泵9是為了避免水冷箱10中 的水溫過高，以致影響二級熱泵的正常工作；水冷箱用于二級熱泵的冷源和一級熱泵的熱 源；步驟2，在冷凍濃縮裝置工作后1小時，開啟一級熱泵、二級熱泵和三級熱泵，將整 個系統(tǒng)的溫度降低至系統(tǒng)工作溫度；步驟3，濃縮后的溶液送入噴霧冷凍塔，進行冷凍造粒；經(jīng)過噴霧冷凍塔造粒后 的冷凍顆粒進入流化床進行常壓冷凍干燥；干燥過程為料液進入噴霧冷凍模塊進行噴 霧冷凍造粒，噴霧冷凍造粒的溫度控制在-40 _60°C，在低溫狀態(tài)下，噴霧產(chǎn)生的顆粒 瞬間被冷凍；最后冷凍顆粒連同冷凍氣流輸送到流化床中，進入流化床，冷凍干燥的溫度 控制在溶液共晶點以下2 ；rc，完成干燥過程；在整個系統(tǒng)中存在不同溫度的操作，各 個模塊熱量利用通過三級熱泵相連接，以達到能量綜合利用的效果。其中，冷凍干燥溫度 在-10 -20°c。步驟4，部分干燥顆粒被流化冷風帶出流化床，冷風帶走的顆粒經(jīng)過除塵器的過濾 將顆粒分離出來，同流化床干燥后的物料的一起被作為成品經(jīng)卸料閥排出；除塵器的尾氣 則通過處理后再次利用。在整個系統(tǒng)中存在不同溫度的操作，各個模塊熱量利用通過多級 熱泵系統(tǒng)相連接，以達到能量綜合利用的效果。除塵器排出的尾氣再利用過程為冷氣由風機送入空氣冷氣器將空氣冷卻 至-40 -60°C，濕空氣中的水分被脫除；然后氣體分成兩股，一股氣體作為噴霧冷凍提供 冷量所用，另一股作為流化床流化使用的氣體，這一股空氣進入空氣換熱器中，這里是三級 熱泵的冷凝器端，三級熱泵將空氣冷卻器中的熱量轉(zhuǎn)移至空氣換熱器中，同時為防止空氣 被加熱的溫度過高，通過二級熱泵，將空氣換熱器中多余的熱量轉(zhuǎn)移出去，而在外界環(huán)境溫 度低于-20°C時通過電加熱器來調(diào)節(jié)流化氣體的溫度，保證進入流化床的氣體溫度在溶液共晶點以下2 3°C ；最后經(jīng)過流化床的流化氣體和噴霧冷凍塔的冷凍空氣一起進入除塵 器完成循環(huán)。季節(jié)適應(yīng)性在寒冷的冬季，外界溫度比較低，則有可能不需要開啟一級熱泵9，而二級熱泵11 也可能不需要向外界搬運很多的熱量，甚至在一些地區(qū)二級熱泵11就不需要工作，那么為 了保證流化空氣的容濕能力則需要加熱冷空氣，這時開啟電加熱器8就可以繼續(xù)工作；而 在氣溫較高的夏季，則不需要電加熱器8的工作，而使用一級熱泵9、二級熱泵11和三級熱 泵13來工作。
權(quán)利要求一種冷凍濃縮噴霧冷凍干燥裝置，其特征是，它包括料液存儲裝置，料液存儲裝置與冷凍濃縮裝置連接，冷凍濃縮裝置的出料端與噴霧冷凍塔連接，廢液端與水冷箱連接；噴霧冷凍塔與流化床連接，流化床與除塵器連接，流化床和除塵器的出料端接成品區(qū)；除塵器與送風裝置連接；送風裝置與冷卻裝置連接，冷卻裝置分別與噴霧冷凍塔和換熱裝置連接，換熱裝置通過加熱裝置與流化床連接；在水冷箱、換熱裝置和冷卻裝置內(nèi)設(shè)有相互連接的多級熱泵系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的冷凍濃縮噴霧冷凍干燥裝置，其特征是，所述多級熱泵系統(tǒng)包 括三級熱泵，其中一級熱泵與水冷箱連接；二級熱泵與換熱裝置連接；三級熱泵冷卻裝置 連接。
3.如權(quán)利要求1所述的冷凍濃縮噴霧冷凍干燥裝置，其特征是，所述料液存儲裝置與 冷凍濃縮裝置間通過給料泵I連接；冷凍濃縮裝置與噴霧冷凍塔之間通過給料泵II連接。
4 .如權(quán)利要求1所述的冷凍濃縮噴霧冷凍干燥裝置，其特征是，所述噴霧冷凍塔的噴 霧冷凍造粒的溫度在-40 -60°C。
5.如權(quán)利要求1所述的冷凍濃縮噴霧冷凍干燥裝置，其特征是，所述流化床的冷凍干 燥溫度在溶液共晶點以下2 ；TC。
6.如權(quán)利要求1或2所述的冷凍濃縮噴霧冷凍干燥裝置，其特征是，所述換熱裝置為空 氣換熱器；所述冷卻裝置為空氣冷卻器；所述加熱裝置為電加熱器。
專利摘要本實用新型涉及一種冷凍濃縮噴霧冷凍干燥裝置。它集冷凍濃縮、噴霧冷凍造粒、流化床常壓冷凍干燥的裝置，具有節(jié)能高效，產(chǎn)品品質(zhì)高，干燥時間短等優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)為它包括料液存儲裝置，料液存儲裝置與冷凍濃縮裝置連接，冷凍濃縮裝置的出料端與噴霧冷凍塔連接，廢液端與水冷箱連接；噴霧冷凍塔與流化床連接，流化床與除塵器連接，流化床和除塵器的出料端接成品區(qū)；除塵器與送風裝置連接；送風裝置與冷卻裝置連接，冷卻裝置分別與噴霧冷凍塔和換熱裝置連接，換熱裝置經(jīng)過加熱裝置與流化床連接；在水冷箱、換熱裝置和冷卻裝置內(nèi)設(shè)有相互連接的多級熱泵系統(tǒng)。
文檔編號F26B5/06GK201621934SQ20102013098
公開日2010年11月3日 申請日期2010年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月15日
發(fā)明者傅憲輝, 李翔宇, 李勝, 楊曉艷, 王保瑞, 蘇偉光 申請人:山東天力干燥設(shè)備有限公司