结晶洗涤柱分离冰晶与粘稠母液的操作原理及动态特性分析

This research targets the freeze concentration of thermal sensitive aqueous solutions, such as bio-product/liquids, raw milks and fruit juices etc, in which the solution is de-watered under the freezing point and is segregated in its crystalline state, i.e. ice from the solution. Under this theme, we studied the hard core concepts and the multi-disciplinary subjects including heat transfer, ice crystallization and its nucleation kinetics, as well as the fluid dynamics in porous ice-bed. We also paid special attention to correlate the phenomena of porous media, such as "viscous fingering" and "channelling", to the operation of wash column for ice-liquid separation. We therefore successfully revealed the operating principle of the wash column and proposed the criterion of stability of the wash front. The experimental test of the established freeze concentration system showed that the de-watering capacity is 20 kg/hr; the energy consumption is only 50% of the conventional multi-effect vacuum evaporation. This is because the freezing heat of water is only 334.1 kg/kg at 0 ?C, but the evaporating heat of water is over 2415.78 kJ/kg at 70 ?C, the former is only 1/7 of the latter. Moreover and most importantly, all the thermal sensitive components/nutrients are preserved in this concentration/de-watering process.

本项目以热敏性水溶液（如生化制品、原奶乳液、果汁等）冷冻浓缩过程所产生的（冰晶）晶体堆积床的洗涤和提纯为研究对象，以冰晶与浓缩母液的分离和提纯所涉及的科学问题为核心，把冷冻浓缩及其分离提纯过程作为涉及传热学、结晶与成核动力学、以及多孔介质流体力学等多学科交叉问题来加以研究。本项目综合运用结晶动力学，热力学，传热学和多孔介质流体力学的原理和方法，提出一种新的"结晶洗涤柱"方法，用以分离和提纯冰晶和母液。本项目将针在'结晶洗涤柱'的多孔介质现象，如粘性指进效应（viscous fingering）和隧道效应（channeling），揭示其分离提纯冰晶的机理、以及导致粘性指进和隧道效应的判据。进而揭示冷冻浓缩所必须把握的各个关键环节如制冰（成核）、熟化（结晶）、洗涤（分离提纯）之间的内在联系及其规律。为发展新一代冷冻浓缩技术奠定理论和实验基础。

冷冻浓缩是处理热敏性水溶液的有效方法，是食品、制药工业的重要方向和课题。而冰晶与浓缩母液的分离和提纯是冷冻浓缩的关键步骤。本项目开展了对热敏性水溶液（如果汁、乳液）的冷冻浓缩的研究和探索。综合运用水溶液的结晶学，传热学，热力学和多孔介质流体力学的原理和方法，完成了以下几个部分的工作：.一. 用结晶-洗涤柱（塔）分离冰晶和浓缩母液。研究了冷冻浓缩过程所产生的流态化冰晶的输送和压缩、并形成冰晶堆积床的物理方法。.二. 以冰晶堆积床的洗涤和提纯为研究对象，以及所涉及的科学问题为核心，对该过程所涉及的多孔介质流体力学问题，提出并验证了稳定洗涤前沿的4个判据：.(1)流体静力学稳定性判据，在重力场条件下，因水和母液的比重差，洗涤水须自上而下以活塞流置换出冰床中的浓缩母液。.(2)多孔介质中流体力学稳定性判据，用水置换出冰床中的母液时，洗涤前沿移动的速度必须小于临界速度，才能避免发生所谓“粘性指进”效应（viscous fingering），避免水与母液的互混。 .(3) 结晶学判据，须以摄氏零度的水洗涤冰床，洗涤前沿的冰晶必须发生结晶作用而不是融化作用，才能避免冰晶融蚀所造成的隧道效应（channeling）。.(4)在冰床中洗涤水与浓缩母液的迁移率之比（mobility ratio）M<1，迁移率是多孔介质的渗透率K与流体的粘度之比。当M>1代表两种流体的界面不稳定，导致粘性指进发生。.三. 基于上述的成果，完成了智能化的冷冻浓缩设备（冷冻浓缩仪）原型机的研发，申报了4个专利。该原型机内置了可扩展的冷冻浓缩数据库（目前含15种常见的食品溶液）。可根据溶液的种类智能控制。计划申报国际专利。.四. 完成了原型机的互联网/移动互联网连接，以及手机APP远程监控程序的研发和应用验证。.五. 该原型机参加了2015年在东莞市举行的国际科技合作周展出。.本研究揭示了冷冻浓缩所必须把握的各个关键环节如制冰（成核）、熟化（结晶）、洗涤（分离提纯）之间的内在联系及其规律。为发展新一代冷冻浓缩技术奠定了理论和实验基础。