1、冷凍濃縮的基本原理PPT模板下載： 行業(yè)PPT模板： 節(jié)日PPT模板： PPT素材下載： PPT圖表下載： 優(yōu)秀PPT下載： PPT教程： Word教程： Excel教程： 資料下載： PPT課件下載： 范文下載： 試卷下載： 教案下載： 匯報(bào)人：王佳學(xué) 院：輕工食品學(xué)院學(xué) 號(hào)：20142095113004聯(lián)系電話 箱：wjiajia_目 錄 一、概述二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式三、冷凍濃縮的結(jié)晶四、相場(chǎng)法簡(jiǎn)介溫馨提示冷凍濃縮過(guò)程原料液冷卻結(jié)晶分離水濃縮液一、概述發(fā)展?fàn)顩r 自上世紀(jì)50年代末學(xué)者們開(kāi)始關(guān)注冷凍濃縮這一工藝以來(lái)，人類對(duì)冷凍濃縮技術(shù)的研究已有較長(zhǎng)的歷史。荷蘭Ei

2、ndhoven大學(xué)(埃因霍芬理工大學(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(guò)程造大冰晶，并建立了冰晶生長(zhǎng)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)。一、概述原理冷凍濃縮：利用冰與水溶液間固液相平衡原理的方法低溫冷凍溶液（?。┓蛛x冰+溶液冰（水）濃縮物一定溫度下成平衡部分水從溶液中結(jié)晶析出冰晶與濃縮液分離一、概述特點(diǎn)與適用性1、低溫操作，適用于熱敏性物料的濃縮2、水分除去從濃液到冰，適用于芳香性揮發(fā)物的保留（蒸發(fā)濃縮不行）3、濃縮物濃度受低共熔濃度和冰晶可分離程度的制約4、分離操作會(huì)造成一定的溶質(zhì)損失5、成本高，只適合于高比價(jià)產(chǎn)品的濃縮一、

3、概述冷凍濃縮的相平衡 圖1表示水溶液與冰之間的固液平衡關(guān)系圖，圖中物系組成為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。與冷凍濃縮有關(guān)的共晶點(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)室溶液狀態(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(kāi)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WB，凝固溫度降為T(mén)B，理論上講最終可濃縮至WE，這就是冷凍濃縮的原理。 把稀溶液降溫至水的冰點(diǎn)（凝固點(diǎn)）以下使得部分水凍結(jié)成冰晶，把冰晶分離出去從而得到濃縮液，濃縮液的濃縮程度可以用濃縮液的可溶性固形物含量(oBrix ) 表示。一、概述冷凍濃縮的相平衡從圖1

4、-2 可見(jiàn)，初始濃度為12.3%的蘋(píng)果汁冷卻至平衡溫度-12.3時(shí)，與冰晶平衡的濃縮液濃度為50% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))，此時(shí)冰晶量與濃縮液量之比為86:14，并且初始濃度愈低，冰晶量對(duì)濃縮液量的比值愈大。 一、概述冷凍濃縮的相平衡例右圖所示為若干食品的凍結(jié)曲線，其中一條為蘋(píng)果汁，若要將濃度為10%（質(zhì)量）的50kg蘋(píng)果汁冷卻到-10C，這時(shí)會(huì)有多少水分作為冰晶析出。解：1、據(jù)題意X1=10%2、查冷凍曲線，-10C時(shí)果汁所對(duì)應(yīng)的平衡濃度（X2）為45%（質(zhì)量）3、設(shè)冰量為G，則濃縮液量為50-G4、列出平衡關(guān)系：（G+（50-G）X1 = （50-G）X2 50X1 = （50-G）X2 G = 5

5、0-50 X1 /X2 = 50-50 X10 /45 = 50-11.11=38.89(kg)冷卻到-10C將有38.89kg冰晶析出二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式結(jié)晶形式二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式漸進(jìn)層狀結(jié)晶 漸進(jìn)層狀結(jié)晶 (progressive crystallization or layer crystallization)漸進(jìn)式凍結(jié)法 = 規(guī)格凍結(jié)法 = 層狀結(jié)晶法層狀凍結(jié)特點(diǎn)：隨著冷凍濃縮的進(jìn)行，溶液濃度逐漸增加，晶尖處溶液的過(guò)冷度逐漸降低，凍結(jié)速率或晶尖成長(zhǎng)速率也隨之降低，晶體直徑逐漸增大；在溶液濃度不變的情況下，晶體平均直徑與水分的分子擴(kuò)散系數(shù)及溶液的黏度有關(guān)。水分?jǐn)U散系數(shù)愈小，黏度越大

6、，則平均直徑愈小；在平行的晶體之間存在著液層，此液層厚度與濃度有關(guān)。當(dāng)溶液濃度低于20%時(shí)，濃度增加，厚度也增加。但當(dāng)濃度大于20%時(shí)，則厚度將保持不變；水分凍結(jié)時(shí)，具有排斥溶質(zhì)析出，保持冰晶純凈的現(xiàn)象，稱之為溶質(zhì)脫除作用。這種脫除作用只有在極低的濃度下（例如1%）才明顯發(fā)生；只有在極緩慢的凍結(jié)條件下，例如晶體成長(zhǎng)速度為每天1cm或小于1cm的條件下，才有可能產(chǎn)生溶質(zhì)脫除的現(xiàn)象。二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式懸浮凍結(jié)（1）懸浮結(jié)晶 (suspension crystallization)懸浮凍結(jié)的特點(diǎn) 在懸浮凍結(jié)過(guò)程中，晶體形成速率與溶質(zhì)濃度成正比，并與溶液主體過(guò)冷度的平方成正比。由于結(jié)晶熱一般不可能

7、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(guò)冷度大于溶液主體的過(guò)冷度。從而在這些局部冷點(diǎn)處，晶體形成就比溶液主體快得多，而晶體成長(zhǎng)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(duì)控制晶核形成過(guò)多時(shí)有利的。二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式懸浮凍結(jié)（2）懸浮結(jié)晶 (suspension crystallization)懸浮凍結(jié)的特點(diǎn) 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在一起，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(huì)長(zhǎng)大。 因此，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

8、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(zhǎng)的作用，常為工業(yè)懸浮凍結(jié)操作中所采用。二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式懸浮凍結(jié)（3）懸浮凍結(jié)（發(fā)生在受攪拌的冰晶懸浮液） 影響晶體粒度的因素 懸浮凍結(jié)中的晶核形成速率 懸浮凍結(jié)中的過(guò)冷度不均勻 平衡溫度概念 臨界直徑概念 大小不同晶體混合液的主體溶液二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式懸浮凍結(jié)（4）大小不同晶體混合液的主體溶液 溫度介于大小晶體平衡溫度之間 主體溫度高于小晶體平衡溫度，?。▉喤R界）晶體會(huì)溶解 主題溫度低于大晶體平衡溫度，大（超臨界）晶體會(huì)長(zhǎng)大 晶體溶解或長(zhǎng)大速率隨晶體本身尺寸差值的增加而增加 冷點(diǎn)處小晶體若立即與大晶體液合并，小晶體完全溶

9、解工業(yè)懸浮凍結(jié)操作中常用的手段二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式懸浮凍結(jié)（5）連續(xù)操作的葡萄糖的實(shí)驗(yàn)：溶質(zhì)濃度、溶液主體過(guò)冷度和晶體在結(jié)晶器內(nèi)停留時(shí)間都會(huì)對(duì)晶體粒度有影響影響晶體粒度的因素二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式懸浮凍結(jié)（6）與溶質(zhì)濃度成正比與溶液主體過(guò)冷度的平方成正比懸浮凍結(jié)中的晶核形成速率二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式懸浮凍結(jié)（7）原因：結(jié)晶熱不能均勻地從整個(gè)懸浮液中除去表現(xiàn)形為：局部點(diǎn)過(guò)冷度大于溶液主體過(guò)冷度結(jié)果：過(guò)冷度大的，晶核形成快，晶體成長(zhǎng)慢緩和方法：提高攪拌速度，使溫度均勻化，減少冷點(diǎn)數(shù)目，控制晶核形成懸浮凍結(jié)中的過(guò)冷度不均勻二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式懸浮凍結(jié)（10）平衡溫度：一定濃度的溶液與晶體平衡的溫

10、度 與晶體大小有關(guān)，但并不一定就是冰點(diǎn) 只有當(dāng)晶體相當(dāng)大時(shí)，才等于冰點(diǎn) 小晶體的平衡溫度低于大晶體的平衡溫度概念二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式懸浮凍結(jié)（11）臨界直徑：在一定的溶液過(guò)冷度下，與溶液成平衡的晶體直徑 小于此直徑的稱亞臨界直徑 大于此直徑的稱超臨界直徑臨界直徑概念二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式分離過(guò)程（1） 對(duì)于冰晶一濃縮液的過(guò)濾分離，過(guò)濾床層為冰晶床通常濃縮液透過(guò)冰床的流動(dòng)為層流，過(guò)濾速度的計(jì)算式為： V濾液體積，m3 t過(guò)濾時(shí)間，s 濾液黏度，Pas L 冰床厚度，m K 冰床透過(guò)率 0 冰床孔隙率dp 冰晶平均粒徑，m A 冰床過(guò)濾面積，m2P冰床上、下游壓力差，Pa 由上式可以看出，在分離

11、操作中，生產(chǎn)能力與濃縮液的黏度成反比，與冰晶粒度平方成正比。二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式分離過(guò)程（2）分離設(shè)備的物料衡算冷凍濃縮設(shè)備F料液量，BF濃度G 冰晶量 夾帶濃縮液量/單位質(zhì)量冰晶P 濃縮液量BP 濃度總物料衡算F = P + G溶質(zhì)物料衡算FBF = PBP + GBP二、冷凍濃縮的凍結(jié)方式分離過(guò)程（3） 可知：損失率隨濃縮比（ BP/ BF ）增大而增大。也即隨濃縮比增大分離不完全性增加?？偽锪虾馑鉌 = P + G 溶質(zhì)物料衡算FBF = PBP + GBP因PBP GBP FBF PBP 或 P/F BF/ PBP三、冷凍濃縮的結(jié)晶 冷凍濃縮的結(jié)晶是水的結(jié)晶，同一般溶質(zhì)冷卻結(jié)晶過(guò)程一

12、樣，被濃縮溶液中的水分也是利用冷卻除去結(jié)晶熱而使水的冰晶體析出。 冷凍濃縮過(guò)程中，過(guò)冷度是水結(jié)冰的推動(dòng)力，在溶液過(guò)冷度低值范圍內(nèi)，晶體成長(zhǎng)速率與過(guò)冷度成正比。要求冰晶有適當(dāng)大小，這與結(jié)晶成本及隨后的分離過(guò)程有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)晶操作成本隨晶體大小的增大而增大。分離操作與生產(chǎn)能力緊密相關(guān)，分離操作所需費(fèi)用以及因冰晶夾帶所引起的果汁損失，一般隨冰晶大小的的增大而大幅減小。因此需確定一個(gè)合理的冰晶體大小，使結(jié)晶與分離的成本相應(yīng)降低，減少溶質(zhì)的損失，此冰晶的大小稱為合理的冰晶大小。 三、冷凍濃縮的結(jié)晶影響最優(yōu)冰晶體尺寸的因素 結(jié)晶形式 結(jié)晶條件 分離型式 濃縮液的價(jià)值（往往是主要因素）濃縮液價(jià)值愈高，要

13、求溶質(zhì)損失愈少，就要求冰晶體的體積較大。四、相場(chǎng)法簡(jiǎn)介常用的微觀組織數(shù)值模擬方法主要有三類: 概率方法(Probabilistic Method)-概率方法，也稱為隨機(jī)方法(Stochastic Method)，主要有蒙特卡羅法(Monte Carlo Method)和 CA 方法(Cellular Automaton Method)等； 確定性方法(Deterministic Method)-確定性方法主要有前沿跟蹤方法(Front Tracking Method)等； 相場(chǎng)法(Phase Field Method)。四、相場(chǎng)法簡(jiǎn)介 在 80 年代，為克服前沿跟蹤法的一些缺點(diǎn)，相場(chǎng)法即被提出

14、。相場(chǎng)法引入相場(chǎng)變量。當(dāng)=1時(shí)表示固相；=-1或0時(shí)，表示液相；-11或01，表示界面。 考慮有序化勢(shì)與熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力的綜合作用建立相場(chǎng)方程，其解可描述固液界面的形態(tài)和界面的移動(dòng)，從而避免了跟蹤復(fù)雜固/液界面。 此外，相場(chǎng)法通過(guò)相場(chǎng)與溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)、流場(chǎng)及其它外部場(chǎng)的藕合，有效地將微觀與宏觀尺度結(jié)合起來(lái)。 相場(chǎng)法的不足是計(jì)算量比較大，可模擬的尺度較小(最大可達(dá)幾十個(gè)微米)。 相場(chǎng)模擬也稱為直接的微觀組織模擬。應(yīng)用-橙汁冷凍濃縮動(dòng)力學(xué)模型（1）應(yīng)用-橙汁冷凍濃縮動(dòng)力學(xué)模型（2）菲克定律，是描述物質(zhì)擴(kuò)散現(xiàn)象的宏觀規(guī)律，這是生理學(xué)家菲克（Fick）于1855年發(fā)現(xiàn)的。（1）早在1855年，菲克就提出了

15、：在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量（稱為擴(kuò)散通量Diffusion flux，用J表示）與該截面處的濃度梯度(Concentration gradient)成正比，也就是說(shuō)，濃度梯度越大，擴(kuò)散通量越大。這就是菲克第一定律。（2）菲克第二定律是在第一定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)的。菲克第二定 律指出，在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程中，在距離x處，濃度隨時(shí)間的變化率等于該處的擴(kuò)散通量隨距離變化率的負(fù)值。應(yīng)用-橙汁冷凍濃縮動(dòng)力學(xué)模型（3）Powell法是一種非常穩(wěn)健的非線性最優(yōu)化算法，它是一種“共軛方向”法設(shè)A為 nn 階實(shí)對(duì)稱正定矩陣，如果有兩個(gè) n 維向量S1和S2滿足:S1TAS2 = 0

16、則稱向量S1與S2對(duì)于矩陣A共軛。如果A為單位矩陣，則上式即成為，這樣兩個(gè)向量的點(diǎn)積（或稱內(nèi)積）為零，此二向量在幾何上是正交的，它是共軛的一種特例。設(shè)A為對(duì)稱正定矩陣，若一組非零向量S1，S2，Sn滿足SiTASj = 0則稱向量系為關(guān)于矩陣A共軛。共扼向量的方向稱為共軛方向。應(yīng)用-橙汁冷凍濃縮動(dòng)力學(xué)模型（4） 龍格-庫(kù)塔(Runge-Kutta)方法是一種在工程上應(yīng)用廣泛的高精度單步算法，用于數(shù)值求解微分方程。由于此算法精度高，采取措施對(duì)誤差進(jìn)行抑制，所以其實(shí)現(xiàn)原理也較復(fù)雜。該算法是構(gòu)建在數(shù)學(xué)支持的基礎(chǔ)之上的。對(duì)于一階精度的拉格朗日中值定理有：對(duì)于微分方程：y=f(x,y) y(i+1)=y

17、(i)+h*K1 K1=f(xi,yi) 當(dāng)用點(diǎn)xi處的斜率近似值K1與右端點(diǎn)xi+1處的斜率K2的算術(shù)平均值作為平均斜率K*的近似值，那么就會(huì)得到二階精度的改進(jìn)拉格朗日中值定理： y(i+1)=y(i)+h*( K1+ K2)/2 K1=f(xi,yi) K2=f(x(i)+h,y(i)+h*K1) 依次類推，如果在區(qū)間xi,xi+1內(nèi)多預(yù)估幾個(gè)點(diǎn)上的斜率值K1、K2、Km，并用他們的加權(quán)平均數(shù)作為平均斜率K*的近似值，顯然能構(gòu)造出具有很高精度的高階計(jì)算公式。經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)、求解，可以得出四階龍格庫(kù)塔公式，也就是在工程中應(yīng)用廣泛的經(jīng)典龍格庫(kù)塔算法：y(i+1)=y(i)+h*( K1+ 2*K2

18、 +2*K3+ K4)/6 K1=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) 通常所說(shuō)的龍格-庫(kù)塔法是指四階而言的，我們可以仿二階、三階的情形推導(dǎo)出常用的標(biāo)準(zhǔn)四階龍格-庫(kù)塔法公式應(yīng)用-冷凍濃縮過(guò)程冰晶夾帶溶質(zhì)濃度分布模擬 應(yīng)用-冷凍濃縮設(shè)備改進(jìn)及冰晶生長(zhǎng)的微觀模擬刮板式熱交換器 旋轉(zhuǎn)刮板式熱交換器1料液出入口 2加熱劑(冷卻劑)出入口 3刮板 4傳熱壁 5料液通道 6加熱劑(冷卻劑)通道 7保溫層 8回轉(zhuǎn)軸 參考文獻(xiàn)1、冷凍濃縮設(shè)備改進(jìn)及冰晶生長(zhǎng)的微觀模擬 高明才2、冷凍濃縮過(guò)程冰晶夾帶溶質(zhì)濃度分布模擬 陳梅英3、橙汁冷凍濃縮動(dòng)力學(xué)模型的研究 方 婷4、國(guó)內(nèi)外冷凍濃縮的應(yīng)用及研究進(jìn)展 王志嵐5、食品冷凍加工技術(shù) 李勇5-WX100071 前進(jìn)冷凍濃縮控制方法前進(jìn)冷凍濃縮控制方法 6-WX100071 一種冷凍濃縮后超低溫發(fā)酵荔枝酒的釀造方法一種冷凍濃縮后超低溫發(fā)酵荔枝酒的釀造方法 7-WX100071 一種界面漸進(jìn)冷凍濃縮方