ДЕАЭРАТОР И СПОСОБ ДЕАЭРАЦИИ
DEAERATOR AND DEAERATION METHOD

Область техники
Настоящее изобретение касается устройства и способа для деаэрации жидкости, преимущественно жидкого пищевого продукта или другого потребительского продукта.
Уровень техники
В области упаковки жидких продуктов деаэрация является хорошо установленной концепцией, и деаэрация включается в качестве существенного этапа в большинство перерабатывающих установок, например, в установки, где жидкий продукт принимают в виде объема на первом конце линии и выдают в виде индивидуальных упакованных контейнеров на другом конце линии. В объемном продукте количество растворенного кислорода соответствует концентрации насыщения при данном конкретном давлении и температуре. Полное количество кислорода может сильно превышать данное количество из-за предшествующей обработки продукта. Для некоторых продуктов это количество кислорода является приемлемым, но для других, и в частности фруктовых соков или продуктов с увеличенным сроком годности, количество растворенного кислорода необходимо снижать, чтобы не вызывать отрицательного воздействия на продукт.
Упрощая лежащую в основе теорию, которая, очевидно, является хорошо установленной и хорошо известной специалисту, растворимость газа, такого как кислород или азот, в жидкости будет зависеть от температуры и давления. При меньших температурах больше кислорода или азота может растворяться в жидкости, чем в случае более высокой температуры, т.е. концентрация насыщения выше при меньшей температуре. Для давления отношение является обратным, чем выше давление, тем выше концентрация насыщения. Это простое отношение устанавливает, что для того, чтобы деаэрировать жидкость, можно изменять температуру и/или давление. Также может быть очевидно, что деаэрацию как таковую не трудно выполнять путем простого выбора желаемой температуры и давления для конкретной концентрации насыщения в резервуаре, содержащем жидкость. Однако в коммерческой заполняющей машине деаэрация должна позволять обработку тысяч литров жидкого продукта в час с необходимостью энергетической эффективности, что делает неприменимым теоретический подход к достижению равновесия.
Установленным способом деаэрации жидкости является способ, называемый отгонкой. Путем подмешивания инертного газа, такого как диоксид углерода или азот, в деаэрируемую жидкость, будет оказываться воздействие на равновесие, и другие растворенные газы будут диффундировать в газофазный инертный газ. Будут формироваться пузырьки, и данная смесь будет покидать жидкость и может затем выпускаться. Этот способ обычно выполняется в отгоночных колонах, при этом поточное решение представлено еще в US 6981997. В раскрытых вариантах осуществления диоксид углерода вводят и подмешивают в сжатый и охлажденный поток деаэрируемой жидкости. После впрыскивания инертного газа поток направляют по трубе в редукционный клапан, ведущий в другую трубу, которая выводит в резервуар. В данном резервуаре диоксид углерода выходит вместе с другими газами, которые продиффундировали в газофазный диоксид углерода, а деаэрированная жидкость отводится из нижней части резервуара с помощью третьей трубы.
Способ деаэрации, обычно применяемый в основной области настоящего изобретения, использует вакуумную деаэрацию в расширительном резервуаре, присоединенном к вакууму. Конкретный уровень вакуума соответствует конкретной точке кипения жидкости. Жидкость переносится в расширительный резервуар с определенной температурой, которая на несколько градусов выше точки кипения, которую можно подстраивать с помощью вакуумного клапана. Когда жидкость входит в резервуар, температура сразу падает, так как жидкость кипит или мгновенно испаряется, и воздух (а также другие газы в жидкости) вытесняется. Пары жидкости снова конденсируются в холодных областях в верхней части резервуара, тогда как воздух, который выкипел, высасывается из резервуара вакуумным насосом. Деаэрированная жидкость выходит через отверстие в днище резервуара. Чтобы увеличить скорость отделения, жидкость можно вводить в расширительный резервуар в тангенциальном направлении, вызывая кружение.
Вышеописанные способы обеспечивают прекрасную деаэрацию жидкости. Однако всегда обдумывают усовершенствования, приводящие к улучшенной энергетической эффективности и улучшенной пространственной эффективности. Настоящее изобретение касается таких усовершенствований.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение касается системы для деаэрации жидкости. Данная система содержит средство для нагрева жидкости до заданной температуры, средство для сжатия жидкости, первую трубу для направления нагретой жидкости в разделительный резервуар, вакуумный насос для откачивания деаэрированных газов из разделительного резервуара, вторую трубу для направления деаэрированной жидкости из разделительного резервуара. По сравнению с традиционными вакуумными системами с мгновенным испарением система настоящего изобретения отличается тем, что она содержит смеситель для подмешивания инертного газа в жидкость в первой трубе, и что вакуумный насос приспособлен поддерживать давление разделения в разделяющем резервуаре, соответствующее давлению, немного выше, но насколько возможно близко к давлению пара жидкости при этой конкретной заданной температуре. Данное давление пара иногда называют "давление взрывного испарения", и в любом случае предполагаемым значением в данном контексте является давление, при котором жидкость начнет кипеть при заданной температуре. Исходя из другого решения предшествующего уровня техники можно мотивировать другую организацию преамбулы и отличительной части.
Специалист хорошо осведомлен о том, что давление взрывного испарения, т.е. давление, при котором жидкость начнет кипеть при конкретной температуре, будет меняться с температурой жидкости. В этом смысле термин давление взрывного испарения является относительным термином. Однако, для каждой температуры оно является абсолютным и предсказуемым. Примеры будут даны в подробном описании вариантов осуществления.
Кроме того, "немного" не является абсолютным термином, и "немного выше" предназначено обозначать давление, очень близкое к давлению взрывного испарения, и идеей является использование давления, близкого к давлению взрывного испарения, в противоположность давлению, которое ниже или далеко от него, которые являются альтернативами предшествующего уровня техники, что подтверждает эта относительная формулировка. В абсолютном выражении, давление разделения должно быть выше давления взрывного испарения, но не превышать его больше чем на 0,1 бар, предпочтительно не больше чем на 0,05 бар и еще более предпочтительно оно должно быть настолько близко к давлению взрывного испарения, насколько возможно, не вызывая взрывного испарения. С точки зрения контроля и для специалиста в данной области, будет ясно показано, что если давление в разделительном резервуаре слишком низкое, это будет приводить к взрывному кипению и снижению температуры.
Избежание взрывного испарения (т.е. кипения) дает несколько преимуществ. Одно состоит в том, что ликвидируется конденсатор, требуемый в противном случае в разделительном резервуаре. Это сберегает пространство и энергию. Во время процесса взрывного испарения энергия берется из жидкости, что приводит к падению температуры. Это падение температуры необходимо компенсировать, и поэтому избежание взрывного испарения сберегает энергию в этом аспекте тоже. Однако взрывное испарение является очень эффективным путем деаэрации жидкости до необходимой степени, в особенности для мощностей, например, в литрах в минуту, которые значимы в настоящем контексте. Кипение также вызывает значительное выделение рассматриваемых газов. В некоторых случаях это внезапное и интенсивное выделение газов также может вызывать потерю запаха, если обрабатывают ароматические продукты, такие как фруктовые соки.
В настоящем изобретении добавление инертного газа в сжатую жидкость выше по ходу от разделительного резервуара приводит к надлежащей деаэрации до уровней кислорода ниже ч/млн даже без взрывного испарения при условии, что давление в разделительном резервуаре поддерживается близко к давлению взрывного испарения.
Согласно второму аспекту настоящее изобретение касается способа деаэрации жидкости, содержащего этапы:
направления жидкости по трубам к разделительному резервуару и от него,
нагрева жидкости выше по ходу от разделительного резервуара,
сжатия жидкости выше по ходу от разделительного резервуара,
подмешивания инертного газа в сжатую жидкость,
направления жидкости в разделительный резервуар,
регулировки давления в разделительном резервуаре к давлению немного выше давления взрывного испарения,
откачивания выделившихся газов из разделительного резервуара,
перекачивания деаэрированной жидкости из разделительного резервуара для дальнейшей обработки.
Дополнительные подробности и варианты осуществления будут раскрыты в подробном описании.
В одном или нескольких предпочтительных вариантах осуществления давление в разделительном резервуаре (давление разделения) поддерживают в пределах на 0,1 бар или, еще более предпочтительно в пределах на 0,05 бар выше давления взрывного испарения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематичное изображение системы деаэратора согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 представляет собой схематичное изображение системы деаэратора согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 представляет собой блок-схему, изображающую способ согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Описание вариантов осуществления
Некоторые части системы для обработки жидкости будут описаны со ссылкой на фиг. 1. Настоящее изобретение может формировать часть такой системы 100, хотя индивидуальные компоненты могут заменяться без отклонения от объема изобретения, заданного формулой изобретения.
Начиная от положения выше по ходу, система 100 содержит бак 102 или другую систему для содержания или обеспечения обрабатываемой жидкости. Данная система также содержит насос 104 для увеличения давления в жидкости, подвергающий ее повышенному давлению. На чертеже это показано как поточный насос 104, однако специалист поймет, что сжатие можно выполнять многочисленными способами. Часто используют центробежный насос, однако в случаях, когда продукт может повреждаться механическим воздействием центробежного насоса, может быть использован насос, который имеет более мягкое взаимодействие с жидкостью. Примером может быть фруктовый сок с мякотью, в случае которого может быть использован лопастный насос. Давление в жидкости, таким образом, увеличивается до нескольких бар, обычно меньше чем 5 бар, и одним примером давления в жидкости было 3,7 бар, и давление азота было немного выше. После этого в жидкость добавляют азот, что изображено позицией 112 на фиг. 1. Чтобы распределять азот эффективным образом, используют статический смеситель 106. Статические смесители хорошо известны специалистам, и основным принципом их работы является то, что впрыснутый поток текучей среды повторно делится, изгибается, частично или полностью собирается и делится снова, и статические смесители могут предлагать эффективное смешение потока текучей среды при относительно низких потерях давления. Опять же, существует много типов статических смесителей, и в настоящем варианте осуществления использовали коммерчески доступный смеситель 106, обычно применяемый, чтобы подмешивать диоксид углерода в напитки. Выбирали особый тип, так как это был статический смеситель, имеющий хорошую эффективность смешения и низкие потери давления. Другие примеры могут включать в себя смесители на основе принципа Вентури или смесители, использующие различные организации сопла. Количество азота будет очевидно меняться с массовым потоком через систему 100, однако несколько примеров даются в конце этого описания. Исходя из этих примеров, специалист сможет найти подходящие параметры для конкретной ситуации.
Нагрев жидкости можно выполнять до или после добавления азота, и обычно его выполняют путем использования теплообменника 108. Жидкость предварительно нагревают приблизительно до 50-70°C, и в выполненных тестах аттестации ее нагревали до 55°C, 60°C и 65°C соответственно.
Выбор типа теплообменника не важен для исполнения настоящего изобретения как такового, однако с точки зрения материала и для приложений в области обработки продуктов питания существуют постановления, которым необходимо следовать. Эти постановления считаются хорошо известными специалисту и могут применяться к любому компоненту предлагаемой системы, по меньшей мере находящемуся в контакте с продуктом. Термопара или другой температурный датчик находится в потоке, выходящем из теплообменника, чтобы обеспечивать тонкую регулировку температуры жидкости, которая затем будет "хорошо заданной температурой".
После нагрева и перемешивания поток жидкости и растворенного газа направляют в разделительный резервуар 114, в который он входит через декомпресионный клапан 110. Давление внутри разделительного резервуара 114 регулируют вакуумным насосом 116, и для каждой температуры его устанавливают так, чтобы поддерживать чуть выше давления пара или давления взрывного испарения (давление, при котором жидкость начинает кипеть при данной конкретной температуре). Тщательный контроль температуры обеспечивает возможность применять относительно простой вакуумный клапан для контроля давления внутри разделительного резервуара 114. Регулировку вакуума внутри разделительного резервуара можно также выполнять более активным образом с контуром обратной связи, включающим контроль вакуумного насоса, а также контроль декомпрессионного клапана 110, если это считается необходимым. Тот факт, что жидкость не кипит в резервуаре, позволяет использовать разделительный резервуар значительно меньший, чем в случае, если в резервуаре происходит взрывное испарение или кипение. Кроме того, так как нет испарения жидкости, нет необходимости в конденсаторе, что дополнительно снижает размер резервуара, а также соответствующий расход энергии.
Вакуумный насос 116 откачивает газ из верхней части разделительного резервуара 114, тогда как деаэрированная жидкость откачивается со дна резервуара путем использования насоса 118 для дальнейшей обработки, например, пастеризации, гомогенизации и др. Вакуумный насос 116 сам не обязан создавать очень высокий вакуум и не должен справляться с особенно большими количествами газов.
Ряд экспериментов проводили с целью аттестации, два из которых описаны ниже как пример 1 и пример 2.
Пример 1
Деаэрировали воду с потоком 4000 л/ч. Азот впрыскивали выше по ходу от предварительного нагревателя, в котором воду нагревали до 55-65°C с шагом 5°C. Давление до декомпрессионного клапана было приблизительно 3,7 бар, а давление в разделительном резервуаре было приблизительно 0,22 бар, 0,26 бар и 0,32 бар соответственно, соответствуя давлению немного выше давления пара при конкретной температуре. Уровень кислорода в деаэрированной жидкости контролировали как функцию добавления азота в интервале 0-457 нл/ч. Содержание кислорода до деаэрации было приблизительно 9 ч./млн, а после деаэрации содержание кислорода было 0,58 ч./млн, 0,52 ч./млн и 0,65 ч./млн соответственно.
Пример 2
Яблочный сок (12,7 брикс) деаэрировали в таких же условиях, как в случае примера 1. При температуре 60°C, давлении разделения 0,26 бар, немного выше давления взрывного испарения, сок деаэрировали от приблизительно 9 ч./млн до менее 1 ч./млн.
В третьем примере апельсиновый сок из концентрата деаэрировали в таких же условиях, как в случае примеров 1 и 2, показывая равно благоприятные результаты. В еще одном ряде примеров аналогичные проверки проводили, как представлено выше, однако добавление азота перемещали в положение ниже по ходу от предварительного нагревателя, что схематично изображено на фиг. 2. Эта конфигурация демонстрировала результаты, подобные ранее упомянутому ряду примеров. Численные обозначения, использованные на фиг. 2, идентичны обозначениям на фиг. 1, и дополнительное описание считается излишним.
В данный примерах объемное отношение инертного газа (азота) к деаэрируемой жидкости было приблизительно 1/9 или меньше (0-457 нл/ч азота и 4000 л/ч деаэрируемой жидкости). В качестве общего правила, эффективность деаэрации улучшалась в направлении более высокого конца данного интервала, что делает доступным еще более высокие отношения. Количество кислорода, остающееся в деаэрированном продукте, будет решающим фактором для определения требуемого количества добавленного азота. Также как температура, так и давление будут влиять на растворимость азота в жидкости, и добавленное количество должно и будет в большинстве случаев превышать количество, предсказанное как теоретическое количество на основании растворимости, даже если только немного. Такой подход основывается на условиях, при которых добавляют азот, т.е. при повышенном давлении. Когда жидкость проходит декомпрессионный клапан и давление падает, растворимость будет падать, и азот будет вытесняться из жидкости вместе с кислородом (и другими рассматриваемыми газами).
В примерах, где азот впрыскивали ниже по ходу от предварительного нагревателя, время пребывания растворенного азота до декомпрессии было приблизительно 10 с или меньше. В примерах, где азот впрыскивали выше по ходу от предварительного нагревателя, время пребывания увеличивалось. Однако, с точки зрения эффективности деаэрации нет существенного различия между ними.
Фиг. 3 изображает упрощенную блок-схему способа согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг. 3 этап 1 соответствует обеспечению деаэрируемой жидкости, где данная жидкость имеет повышенное давление; этап 2 соответствует подмешиванию инертного газа в деаэрируемую жидкость; этап 3 соответствует декомпрессии жидкости с растворенным газом в разделительном резервуаре посредством декомпрессионного клапана; этап 4 соответствует регулировке давления внутри разделительного резервуара, так что оно остается немного выше давления взрывного испарения для данной жидкости; этап 5 соответствует откачке деаэрированной жидкости из разделительного резервуара для дальнейшей обработки.
Дополнительный этап нагрева деаэрируемой жидкости до хорошо заданной температуры может быть включен в предлагаемый способ согласно одному или нескольким вариантам его осуществления. Если это технически исполнимо, этапы данного способа могут происходить в другом порядке.
Данный способ является непрерывным способом, выполняемым для непрерывного потока деаэрируемой жидкости, в противоположность способам, использующим различные типы сохраняющих баков, в которых жидкость хранится в течение определенного периода времени в контролируемой атмосфере. Можно возразить, что существует время сохранения в связи с разделительным резервуаром, используемым в настоящем изобретении, однако с возможным исключением начальной последовательности до достижения равновесия, поток в разделительный резервуар уравновешивается потоком из разделительного резервуара. Время пребывания жидкости в разделительном резервуаре во время стационарной работы составляет порядка нескольких секунд. В этом контексте время пребывания определяется как время, которое жидкость проводит в переделах входа и выхода разделительного резервуара.
В раскрытых здесь вариантах осуществления мощность системы составляет приблизительно 4000 л/ч, однако эта мощность является только примером. В коммерческом приложении мощность может варьировать от приблизительно 3000 л/ч до приблизительно 50000 л/ч, однако для приложения данного изобретения мощность может быть выше, а также ниже, чем этот конкретный интервал.
Упоминаемая выше жидкость, главным образом, относится к жидкости, предназначенной для пищевых продуктов и, преимущественно, напитков, таких как вода, соки, лимонад и др. Однако специалист поймет, что другие потребительские продукты могут обрабатываться в системе согласно изобретению.
Хотя данное изобретение описано со ссылкой на предпочтительный вариант осуществления, будет понятно, что различные изменения возможны внутри объема данного изобретения.
В этом описании, если определенно не указано иное, слово 'или' применяется в смысле оператора, который возвращает истинное значение, когда удовлетворяют любое или оба из указанных условий, в противоположность оператору 'исключительное или', который требует, что удовлетворяет только одно из условий. Слово 'содержащий' используется в смысле 'включающий', а не в смысле 'состоящий из'.