冷冻浓缩的基本原理.ppt

冷冻浓缩的基本原理,PPT模板下载：,汇报人：王佳学院：轻工食品学院学号：20142095113004联系电话箱：wjiajia_21,目录,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WE）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-G4、列出平衡关系：（G+（50-G）X1=（50-G）X250X1=（50-G）X2G=50-50X1/X2=50-50X10/45=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(progressivecrystallizationorlayercrystallization)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(suspensioncrystallization)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(suspensioncrystallization)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,2019/12/12,19,可编辑,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，m3t过滤时间，s滤液黏度，PasL冰床厚度，mK冰床透过率0冰床孔隙率dp冰晶平均粒径，mA冰床过滤面积，m2P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，BF浓度,G冰晶量夹带浓缩液量/单位质量冰晶,P浓缩液量BP浓度,总物料衡算F=P+G,溶质物料衡算FBF=PBP+GBP,二、冷冻浓缩的冻结方式分离过程（3）,可知：损失率随浓缩比（BP/BF）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FBF=PBP+GBP因PBPGBPFBFPBP或P/FBF/PBP,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(ProbabilisticMethod)-概率方法，也称为随机方法(StochasticMethod)，主要有蒙特卡罗法(MonteCarloMethod)和CA方法(CellularAutomatonMethod)等；确定性方法(DeterministicMethod)-确定性方法主要有前沿跟踪方法(FrontTrackingMethod)等；相场法(PhaseFieldMethod)。,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；-11或01，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（Fick）于1855年发现的。（1）早在1855年，菲克就提出了：在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusionflux，用J表示）与该截面处的浓度梯度(Concentrationgradient)成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大。这就是菲克第一定律。（2）菲克第二定律是在第一定律的基础上推导出来的。菲克第二定律指出，在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。,应用-橙汁冷冻浓缩动力学模型（3）,Powell法是一种非常稳健的非线性最优化算法，它是一种“共轭方向”法设A为nn阶实对称正定矩阵，如果有两个n维向量S1和S2满足:S1TAS2=0则称向量S1与S2对于矩阵A共轭。如果A为单位矩阵，则上式即成为，这样两个向量的点积（或称内积）为零，此二向量在几何上是正交的，它是共轭的一种特例。设A为对称正定矩阵，若一组非零向量S1，S2，Sn满足SiTASj=0则称向量系为关于矩阵A共轭。共扼向量的方向称为共轭方向。,应用-橙汁冷冻浓缩动力学模型（4）,龙格-库塔(Runge-Kutta)方法是一种在工程上应用广泛的高精度单步算法，用于数值求解微分方程。由于此算法精度高，采取措施对误差进行抑制，所以其实现原理也较复杂。该算法是构建在数学支持的基础之上的。对于一阶精度的拉格朗日中值定理有：对于微分方程：y=f(x,y)y(i+1)=y(i)+h*K1K1=f(xi,yi)当用点xi处的斜率近似值K1与右端点xi+1处的斜率K2的算术平均值作为平均斜率K*的近似值，那么就会得到二阶精度的改进拉格朗日中值定理：y(i+1)=y(i)+h*(K1+K2)/2K1=f(xi,yi)K2=f(x(i)+h,y(i)+h*K1)依次类推，如果在区间xi,xi+1内多预估几个点上的斜率值K1、K2、Km，并用他们的加权平均数作为平均斜率K*的近似值，显然能构造出具有很高精度的高阶计算公式。经数学推导、求解，可以得出四阶龙格库塔公式，也就是在工程中应用广泛的经典龙格库塔算法：y(i+1)=y(i)+h*(K1+2*K2+2*K3+K4)/6K1=f(x(i),y(i)K2=f(x(i)+h/2,y(i)+h*K1/2)K3=f(x(i)+h/2,y(i)+h*K2/2)K4=f(x(i)+h,y(i)+h*K3)通常所说的龙格-库塔法是指四阶而言的，我们可以仿二阶、三阶的情形推导出常用的标准四阶龙格-库塔法公式,应用-冷冻浓缩过程冰晶夹带溶质浓度分布模拟,应用-冷冻浓缩设备改进及冰晶生长的微观模拟,刮板式热交换器,旋转刮板式热交换器1料液出入口2加热剂(冷却剂)出入口3刮板4传热壁5料液通道6加热剂(冷却剂)通道7保温层8回转轴,参考文献,1、冷冻浓缩设备改进及冰晶生长的微观模拟高明才2、冷冻浓缩过程冰晶夹带溶质浓度分布模拟陈梅英3、橙汁冷冻浓缩动力学模型的研究方婷4、国内外冷冻浓缩的应用及研究进展王志岚5、食品冷冻加工技术李勇,5-WX100071前进冷冻浓缩控制方法6-WX100071一种冷冻浓缩后超低温发酵荔枝酒的酿造方法7-WX100071一种界面渐进冷冻浓缩方法8-WX100071外循环式冷冻浓缩器9-WX100071喷雾冷冻浓缩器10-WX100071果汁冷冻浓缩提取装置11-WX100071果汁冷冻浓缩装置12-WX100071冷冻浓缩液态