冷凍濃縮技術(shù)ppt課件.ppt

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1、冷凍濃縮技術(shù)3冷凍濃縮的應(yīng)用4冷凍濃縮的發(fā)展前景1基本理論和介紹2裝置系統(tǒng)welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience發(fā)展?fàn)顩r自上世紀(jì)50年代末學(xué)者們開始關(guān)注冷凍濃縮這一工藝以來,人類對冷凍濃縮技術(shù)的研究已有較長的歷史。荷蘭Eindhoven大學(xué)Thijssen等在70年代成功地利用奧斯特瓦爾德成熟效應(yīng)設(shè)置了再結(jié)晶過程造大冰晶,并建立了冰晶生長與種晶大小及添加量的數(shù)學(xué)模型,從此冷凍濃縮技術(shù)被應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。冷凍濃縮是利用冰與水溶液之間的固液相平衡原理,將水以固態(tài)方式從溶液中去除的一種濃縮方法

2、。具有可在低溫下操作;氣液界面小;微生物增殖、溶質(zhì)的劣化及揮發(fā)性芳香成分的損失可控制在極低的水平等優(yōu)點(diǎn)。冷凍濃縮是近年來發(fā)展迅速的一種濃縮方式。圖1為表示水溶液與冰之間的固液平衡關(guān)系的示意圖,圖中物系組成為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。與冷凍濃縮有關(guān)的是共晶點(diǎn)E(溶液組成wE)以左的部分。DE為溶液組成和冰點(diǎn)關(guān)系的凍結(jié)曲線,凍結(jié)曲線上側(cè)是溶液狀態(tài),下側(cè)是冰和溶液的共存狀態(tài)。在溫度T的狀態(tài)下,冷卻組成為wA的溶液到T時(shí),開始有冰晶析出,TA是溶液的冰點(diǎn),繼續(xù)冷卻至B點(diǎn),殘留溶液的組成增加為wB,凝固溫度降為TB,理論上講最終可濃縮至wE,這就是冷凍濃縮的原理。基本原理下圖所示,可分為冷卻過程、冰結(jié)晶生成與長大的

3、結(jié)晶過程及冰和濃縮液的分離過程。冷凍濃縮依結(jié)晶方式的不同可分為懸浮結(jié)晶冷凍濃縮法和漸進(jìn)冷凍濃縮法冷凍濃縮過程結(jié)晶過程結(jié)晶的大小不僅與結(jié)晶成本有關(guān),而且也與此后的分離有關(guān),因此,要降低結(jié)晶和分離的成本,減少溶質(zhì)的損失,必須要有適當(dāng)大小的冰晶。晶體的大小和數(shù)量與溶液冷卻速度和冰晶成長速度有關(guān),晶體成長速度與溶質(zhì)向晶面的擴(kuò)散作用和晶面上的析晶反應(yīng)作用有關(guān),因此,可利用結(jié)晶操作的條件來控制晶體大小和數(shù)量。結(jié)晶形式一種是在管式、板式、轉(zhuǎn)鼓式以及帶式設(shè)備中進(jìn)行的,稱為層狀凍結(jié)。這種凍結(jié)是晶層依次沉積在先前由同一溶液所形成的晶層之上,是—種單向的凍結(jié)。冰晶長成針狀或棒狀,帶有垂直于冷卻面的不規(guī)則斷面。層

4、狀凍結(jié)的特點(diǎn)懸浮凍結(jié)法另一種,發(fā)生在攪拌的晶體懸浮液中.稱為懸浮凍結(jié)。它是一種不斷排除在母液中懸浮的自由小冰晶,使母液濃度增加而實(shí)現(xiàn)濃縮的方法。以此為基礎(chǔ)制造的Grenco冷凍濃縮設(shè)備至今仍被作為冷凍濃縮設(shè)備的代表,其濃縮過程如圖3所示。懸浮凍結(jié)法該過程首先將被濃縮物料泵入刮板式熱交換器中,生成部分細(xì)微的冰結(jié)晶后送入再結(jié)晶罐,由于奧斯特瓦爾德效應(yīng),小冰晶融化,大冰晶成長,然后通過洗凈塔排除冰晶并用部分冰融解液沖液及回收冰晶表面附著的濃縮液,清洗液回流至進(jìn)料端,濃縮液則循環(huán)至所要求的組成后從結(jié)晶罐底部排出。這一方法用于速溶咖啡、速溶茶、濃縮橙汁等的生產(chǎn),得到了高質(zhì)量產(chǎn)品。但由于投資大、成本高

5、,引用該系統(tǒng)進(jìn)行冷凍濃縮加工的廠家很有限,還未能在更大的范圍內(nèi)推廣懸浮凍結(jié)的特點(diǎn)在懸浮凍結(jié)過程中,晶核形成速率與溶質(zhì)濃度成正比,并與溶液主體過冷度的平方成正比。由于結(jié)晶熱一般不可能均勻地從整個(gè)懸浮液中除去,所以總存在著局部的點(diǎn)其過冷度大于溶液主體的過冷度。從而在這些局部冷點(diǎn)處,晶核形成就比溶液主體快得多,而晶體成長就要慢一些。因此,提高攪拌速度,使溫度均勻化,減少這些冷點(diǎn)的數(shù)目,對控制晶核形成過多是有利的。在懸浮凍結(jié)操作中,如將小晶體懸浮液與大晶體懸浮液混合還一起,混合后的溶液主體溫度將介于大、小晶體的平衡溫度之間。由于此主體溫度高于小晶體的平衡溫度,小晶體就溶解,相反大晶體就會長大。因此

6、,若冷點(diǎn)處所產(chǎn)生的小晶核立即從該處移出并與含大晶體的溶液主體均勻混合,則所有小晶核將溶解。這種以消耗小晶體為代價(jià)而使大晶體成長的作用,常為工業(yè)懸浮凍結(jié)操作中所采用。由于在母液中形成大量的冰結(jié)晶,單位體積冰晶的表面積很大,所以懸浮結(jié)晶法的優(yōu)、缺點(diǎn)都非常突出。其優(yōu)點(diǎn)是能夠迅速形成潔凈的冰晶且濃縮終點(diǎn)較大,但是冰結(jié)晶與濃縮液的固液分離比較困難比較困難。為了方便分離,希望得到盡可能大的冰結(jié)晶以減少總的固液界面,因此需要使再結(jié)晶槽保持較小過冷卻度,以避免二次核的生成,以使冰結(jié)晶緩慢地成長,最后成較大的冰晶[6]。該過程對裝置和操作的要求均較高。同時(shí),由于低溫下濃縮液粘度大,也給固液分離增加了困難,在

7、目前采用的方法中,離心法和加壓法分離效果不佳,洗凈法回收效果較好[7],但是大量洗凈液的再濃縮會降低生產(chǎn)效率并使能耗增加。這些都是造成懸浮結(jié)晶法成本高的原因綜上所述對懸浮結(jié)晶法應(yīng)注意研究的問題有:增大冰晶直徑減小單位體積冰晶的表面積;更加有效地控制結(jié)晶過程,以避免二次核的生成。(2)分離過程對于冰晶一濃縮液的過濾分離,過濾床層為冰晶床通常濃縮液透過冰床的流動為層流,過濾速度的計(jì)算式為:由上式可以看出,在分離操作中,生產(chǎn)能

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