第六章 冷冻与结晶.ppt

与冷冻浓缩有关的是共晶点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，冻结曲线上侧是溶液状态，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为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 。 （1）结晶过程 结晶的大小不仅与结晶成本有关，而且也与此后的分离有关 ，因此，要降低结晶和分离的成本，减少溶质的损失，必须要有适当大小的冰晶。 晶体的大小和数量与溶液冷却速度和冰晶成长速度有关，晶体成长速度与溶质向晶面的扩散作用和晶面上的析晶反应作用有关，因此，可利用结晶操作的条件来控制晶体大小和数量。 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—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法。 层状冻结的特点 (1)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度也随之降低，晶体直径逐渐增大。 (2)在溶液浓度不变的情形下，晶体平均直径与水分的分子扩散系数及溶液的粘度有关。水分扩散系数愈小，粘度愈大，则平均直径愈小。 (3)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。 (4)水分冻结时，具有排斥溶质析出，保持冰晶纯净的现象，称为溶质脱除作用。这种脱除作用只有在极低的浓度下(例如1%)才明显发生。 (5)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lcm的条件下，才有可能产生溶质脱除的现象。 悬浮冻结的特点  在悬浮冻结过程中，晶核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，晶核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是有利的。 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还一起，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。 （2）分离过程 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：  由上式可以看出，在分离操作中，生产能力与浓缩液的粘度成反比，与冰晶粒度平 方成正比。 二 装置系统 1 结晶设备：管式、板式、搅拌夹套式、刮板式等热交换器，以及真空结晶器、内冷转鼓式结晶器、带式冷却结晶器等设备。 2分离设备：压滤机、过滤式离心机、洗涤塔，以及由这些设备组合而成的分离装置等。 （1）结晶装置 1 直接冷却式真空冻结器 在此冻结器中，溶液在绝对随力267Pa下沸腾，液温为-3℃。 优点：不必设置冷却面。 缺点：蒸发掉的部分芳香物质将随同蒸气或惰性气体一起逸出而损失。 在食品工业中，由于芳香物质的损失问题，直接冷却法冻结装置的应用受到限制。但是，这种冻结器若与适当的吸收器组合起来，可以显著减少芳香物质的损失。 2 内冷式结晶器 第 一种是产生固化悬浮液的结晶器，属于层状冻结。优点：因为部分固化，所以即使稀溶液也可浓缩到40％以上，具有洗涤简便的特点。 第二种是产生可泵送的浆液的结晶器。采用结晶操作和分离操作分开的方法。因冰晶很细，故冰晶和浓缩液分离很困难。 冷冻浓缩所采用的大多数内冷式结晶器多是属于第二种结晶器，并且刮板式换热器是第二种结晶器的典型运用之一 。 3 外冷式结晶器 第一种外冷式要求料液先经过外部冷却器作过冷处理，过冷度可高达6℃，然后此过冷而不含晶体的料液在结晶器内将其“冷量”放出。 第二种外冷式结晶