冷冻浓缩的基本原理概要课件

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录,一、概述,二、冷冻浓缩的冻结方式,三、冷冻浓缩的结晶,四、相场法简介,温馨提示,冷冻浓缩过程,原料液,冷却,结晶,分离,水,浓缩液,一、概述发展状况,自上世纪,50,年代末学者们开始关注冷冻浓缩这一工艺以来,人类对冷冻浓缩技术的研究已有较长的历史。,荷兰,Eindhoven,大学,(,埃因霍芬理工大学,),Thijssen,等在,70,年代成功地利用奥斯特瓦尔德成熟效应设置了再结晶过程造大冰晶,并建立了冰晶生长与种晶大小及添加量的数学模型,从此冷冻浓缩技术被应用于工业化生产。,一、概述原理,冷冻浓缩:利用冰与水溶液间固液相平衡原理的方法,低温冷冻,溶液,(稀),分离,冰,+,溶液,冰(水),浓缩物,一定温度下,成平衡,部分水从溶液中,结晶析出,冰晶与浓缩液,分离,一、概述特点与适用性,1,、,低温操作,,适用于,热敏性物料,的浓缩,2,、水分除去从浓液到冰,适用于,芳香性挥发物的保留,(蒸发浓缩不行),3,、浓缩物浓度受,低共熔浓度,和,冰晶可分离程度,的制约,4,、分离操作会造成一定的,溶质损失,5,、成本高,只适合于,高比价产品,的浓缩,一、概述冷冻浓缩的相平衡,图,1,表示水溶液与冰之间的固液平衡关系图,图中物系组成为质量分数。与冷冻浓缩有关的共晶点,E,(溶液组成,W,E,)以左的部分。,DE,为溶液组成和冰点关系的冻结曲线,冻结曲线上侧室溶液状态,下侧是冰和溶液的共存状态。在温度,T,的状态下,冷却组成为,WA,的溶液到,T,时,开始有冰晶析出,,TA,是溶液的冰点,继续冷却至,B,点,残留溶液的组成增加,WB,,凝固温度降为,TB,,理论上讲最终可浓缩至,WE,,这就是冷冻浓缩的原理。,把稀溶液降温至水的冰点(凝固点)以下使得部分水冻结成冰晶,把冰晶分离出去从而得到浓缩液,浓缩液的浓缩程度可以用浓缩液的可溶性固形物含量,(oBrix),表示。,一、概述冷冻浓缩的相平衡,从图,1-2,可见,初始浓度为,12.3%,的苹果汁冷却至平衡温度,-12.3,时,与冰晶平衡的浓缩液浓度为,50%(,质量分数,),,此时冰晶量与浓缩液量之比为,86:14,,并且初始浓度愈低,冰晶量对浓缩液量的比值愈大。,一、概述冷冻浓缩的相平衡,例,右图所示为若干食品的冻结曲线,其中一条为苹果汁,若要将浓度为,10%,(质量)的,50kg,苹果汁冷却到,-10C,,这时会有多少水分作为冰晶析出。,解:,1,、据题意,X1=10%,2,、查冷冻曲线,,-10C,时果汁所对应的,平衡浓度(,X2,)为,45%,(质量),3,、设冰量为,G,,则浓缩液量为,50-G,4,、列出平衡关系:,(,G+,(,50-G,),X,1,=,(,50-G,),X,2,50X,1,=,(,50-G,),X,2,G=50-50 X,1,/X,2,=50-50 X10,/45,=50-11.11=38.89(kg),冷却到,-10C,将有,38.89kg,冰晶析出,二、冷冻浓缩的冻结方式结晶形式,一种是在管式、板式、转鼓式以及带式设备中进行的,称为,层状冻结,。这种冻结是晶层依次沉积在先前由同一溶液所形成的晶层之上,是一种单向的冻结。冰晶长成针状或棒状,带有垂直于冷却面的不规则断面。,另一种,发生在搅拌的晶体悬浮液中,称为,悬浮冻,结。它是一种不断排除在母液中悬浮的自由小冰晶,使母液浓度增加而实现浓缩的方式。,二、冷冻浓缩的冻结方式,渐进层状结晶,渐进层状结晶,(progressive crystallization or layer crystallization),渐进式冻结法,=,规格冻结法,=,层状结晶法,层状冻结特点:,随着冷冻浓缩的进行,溶液浓度逐渐增加,晶尖处溶液的过冷度逐渐降低,冻结速率或晶尖成长速率也随之降低,晶体直径逐渐增大;,在溶液浓度不变的情况下,晶体平均直径与水分的分子扩散系数及溶液的黏度有关。水分扩散系数愈小,黏度越大,则平均直径愈小;,在平行的晶体之间存在着液层,此液层厚度与浓度有关。当溶液浓度低于,20,%,时,浓度增加,厚度也增加。但当浓度大于,20%,时,则厚度将保持不变;,水分冻结时,具有排斥溶质析出,保持冰晶纯净的现象,称之为溶质脱除作用。这种脱除作用只有在极低的浓度下(例如,1%,)才明显发生;,只有在极缓慢的冻结条件下,例如晶体成长速度为每天,1cm,或小于,1cm,的条件下,才有可能产生溶质脱除的现象。,二、冷冻浓缩的冻结方式悬浮冻结(1),悬浮结晶,(suspension crystallization),悬浮冻结的特点,在悬浮冻结过程中,晶体形成速率与溶质浓度成正比,并与溶液主体过冷度的平方成正比。由于结晶热一般不可能均匀地从整个悬浮液中除去,所以总存在着局部的点其过冷度大于溶液主体的过冷度。从而在这些局部冷点处,晶体形成就比溶液主体快得多,而晶体成长就要慢一些。因此,提高搅拌速度,使温度均匀化,减少这些冷点的数目,对控制晶核形成过多时有利的。,二、冷冻浓缩的冻结方式悬浮冻结(2),悬浮结晶,(suspension crystallization),悬浮冻结的特点,在悬浮冻结操作中,如将小晶体悬浮液与大晶体悬浮液混合在一起,混合后的溶液主体温度将介于大、小晶体的平衡温度之间。由于此主体温度高于小 晶体的平衡温度,小晶体就溶解,相反大晶体就会长大。,因此,若冷点处所产生的小晶核立即从该处移出并与含大晶体的溶液主体均匀混合,则所有小晶核将溶解。这种以消耗小晶体为代价而使大晶体成长的作用,常为工业悬浮冻结操作中所采用。,二、冷冻浓缩的冻结方式悬浮冻结(3),悬浮冻结(发生在受搅拌的冰晶悬浮液),影响晶体粒度的因素,悬浮冻结中的晶核形成速率,悬浮冻结中的过冷度不均匀,平衡温度概念,临界直径概念,大小不同晶体混合液的主体溶液,二、冷冻浓缩的冻结方式悬浮冻结(4),大小不同晶体混合液的主体溶液,温度介于大小晶体平衡温度之间,主体温度高于小晶体平衡温度,小(亚临界)晶体会溶解,主题温度低于大晶体平衡温度,大(超临界)晶体会长大,晶体溶解或长大速率随晶体本身尺寸差值的增加而增加,冷点处小晶体若立即与大晶体液合并,小晶体完全溶解,工业悬浮冻结操作中常用的手段,二、冷冻浓缩的冻结方式悬浮冻结(5),连续操作的葡萄糖的实验:,溶质浓度,、,溶液主体过冷度,和,晶体在结晶器内停留时间,都会对晶体粒度有影响,影响晶体粒度的因素,二、冷冻浓缩的冻结方式悬浮冻结(6),与溶质浓度成正比,与溶液主体过冷度的平方成正比,悬浮冻结中的晶核形成速率,二、冷冻浓缩的冻结方式悬浮冻结(7),原因:结晶热不能均匀地从整个悬浮液中除去,表现形为:,局部点过冷度,大于,溶液主体过冷度,结果:过冷度大的,,晶核形成快,,晶体成长慢,缓和方法:提高搅拌速度,使温度均匀化,减少冷点数目,,控制晶核形成,悬浮冻结中的过冷度不均匀,二、冷冻浓缩的冻结方式悬浮冻结(10),平衡温度:一定浓度的,溶液与晶体平衡,的温度,与晶体大小有关,但并不一定就是冰点,只有当晶体相当大时,才等于冰点,小晶体的平衡温度低于大晶体的,平衡温度概念,二、冷冻浓缩的冻结方式悬浮冻结(11),临界直径:在一定的溶液过冷度下,与,溶液成平衡的晶体直径,小于此直径的称亚临界直径,大于此直径的称超临界直径,临界直径概念,二、冷冻浓缩的冻结方式分离过程(1),对于冰晶一浓缩液的过滤分离,过滤床层为冰晶床通常浓缩液透过冰床的流动为层流,过滤速度的计算式为:,V,滤液体积,,m,3,t,过滤时间,,s ,滤液黏度,,Pas,L,冰床厚度,,m K,冰床透过率,0,冰床孔隙率,d,p,冰晶平均粒径,,m A,冰床过滤面积,,m,2,P,冰床上、下游压力差,,Pa,由上式可以看出,在分离操作中,生产能力与浓缩液的黏度成反比,与冰晶粒度平方成正比。,二、冷冻浓缩的冻结方式分离过程(2),分离设备的物料衡算,冷冻浓缩设备,F,料液量,,B,F,浓度,G,冰晶量,夹带浓缩液量,/,单位质量冰晶,P,浓缩液量,B,P,浓度,总物料衡算,F=P+G,溶质物料衡算,FB,F,=PB,P,+G,B,P,二、冷冻浓缩的冻结方式分离过程(3),可知:损失率,随浓缩比(,B,P,/B,F,)增大而增大。也即随浓缩比增大分离不完全性增加。,总物料衡算,F=P+G,溶质物料衡算,FB,F,=PB,P,+G,B,P,因,PB,P,G,B,P,FB,F,PB,P,或,P/F B,F,/PB,P,三、冷冻浓缩的结晶,冷冻浓缩的结晶是水的结晶,同一般溶质冷却结晶过程一样,被浓缩溶液中的水分也是利用冷却除去结晶热而使水的冰晶体析出。,冷冻浓缩过程中,过冷度是水结冰的推动力,在溶液过冷度低值范围内,晶体成长速率与过冷度成正比。要求冰晶有适当大小,这与结晶成本及随后的分离过程有关。一般来说,,结晶操作成本随晶体大小的增大而增大,。分离操作与生产能力紧密相关,分离操作所需费用以及因冰晶夹带所引起的果汁损失,一般随冰晶大小的的增大而大幅减小。因此需确定一个合理的冰晶体大小,使结晶与分离的成本相应降低,减少溶质的损失,此冰晶的大小称为合理的冰晶大小。,三、冷冻浓缩的结晶,影响最优冰晶体尺寸的因素,结晶形式,结晶条件,分离型式,浓缩液的价值(往往是主要因素),浓缩液价值愈高,要求溶质损失愈少,就要求冰晶体的体积较大。,四、相场法简介,常用的微观组织数值模拟方法主要有三类,:,概率方法,(Probabilistic Method)-,概率方法,也称为随机方法,(Stochastic Method),,主要有蒙特卡罗法,(Monte Carlo Method),和,CA,方法,(Cellular Automaton Method),等;,确定性方法,(Deterministic Method)-,确定性方法主要有前沿跟踪方法,(Front Tracking Method),等;,相场法,(Phase Field Method),。,四、相场法简介,在,80,年代,为克服前沿跟踪法的一些缺点,相场法即被提出。相场法引入相场变量,。,当,=1,时表示固相;,=-1,或,0,时,表示液相;,-1,1,或,0,1,,,表示界面。,考虑有序化势与热力学驱动力的综合作用建立相场方程,其解可描述固液界面的形态和界面的移动,从而避免了跟踪复杂固,/,液界面。,此外,相场法通过相场与温度场、溶质场、流场及其它外部场的藕合,有效地将微观与宏观尺度结合起来。,相场法的不足是计算量比较大,可模拟的尺度较小,(,最大可达几十个微米,),。,相场模拟也称为直接的微观组织模拟。,应用,-,橙汁冷冻浓缩动力学模型(,1,),应用,-,橙汁冷冻浓缩动力学模型(,2,),菲克定律,,是描述物质扩散现象的宏观规律,这是生理学家菲克(,Fi
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