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第八章 液体吸附与离子交换
液体吸附与离子交换的应用
1、 吸附 主要用在脱臭、 脱色、 沉淀、 澄清和除杂等工艺操作中。
2、 离子交换 常见于水的软化、 纯化、 产品提纯精制, 制品的浓缩分离等。
液体吸附 吸附操作是指流体与某种固体相接触时,固体能够有选择地将流体中的某些组分凝聚在其表面上,从而达到分离的目的。这些有吸附作用的固体称为吸附剂,在固体表面上被吸附的物质称为吸附质或吸附物。在吸附过程,气体或液体中的分子、 原子或离子传递到吸附剂固体的内外表面,依靠键或微弱的分
流动相( 气体和液体) 与多孔固体颗粒相接触, 流动子间力吸着于固体上。解吸是吸附的逆过程。
☆吸附单元操作相中一种或多种组份被吸附于固体颗粒上, 这种利用各组分吸附力不同, 从而使流动相中组份得以分离或纯化的单元操作。
多孔固体颗粒——吸附剂 被吸附组份——吸附质
吸附原理 吸附剂固体之因此能够吸附流体分子,是因为固体表面上的质点处于力场不平衡状态, 固体表面具有过剩的能即表面能,当固体与流体分子接触时,被吸附物质与固体之间由于某种吸附力的作用使固体与流体混合物中的某些组分产生吸附,从而降低了表面能。吸附过程所放出的热量,称为该物质在固体表面的吸附热。按吸附剂与吸附质之间作用力的不同,可将吸附过程分为物理吸附和化学吸附两类。常见的吸附类型及其主要特点
物理吸附 化学吸附
吸附作用力 分子间引力 化学键合力
选择性 较差 较高
所需活化能 低 高
吸附层 单层或多层 单层
达到平衡所需时间 快 慢
食品工业常见吸附剂 活性炭、 活性白土、 膨润土( 天然) 分子筛、 硅胶、 吸附树脂
活性炭 活性炭具有非极性表面,为疏水和亲有机物的吸附剂。它具有性能稳定、 抗腐蚀、 吸附容量大和解吸容易等优点。经过多次循环操作,仍可保持原有的吸附性能。活性炭用于于溶剂回收、 烃类气体的分馏、 各种油品和糖液的脱色、 水的净化等各个方面,也常见作催化剂的载体。活性炭是一种由含炭材料制成的外观呈黑色, 内部孔隙结构发达、 比表面积大、 吸附能力强的一类微晶质碳素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔。活性炭有一个共同的特性, 那就是”吸附性”。活性炭产生吸附性的原因就是因为它有发达的孔隙结构, 就象我们所见到的海绵一样, 在同等重量的条件下, 海绵比其它物体能吸收更多的水, 原因也是因为它具有发达的孔隙结构。但活性炭的这种孔隙结构是肉眼无法看见的, 因为她们只有1×10-12mm—10-5mm之间, 比一个分子大不了多少。活性炭孔隙发达的程度是难以想象的, 若取1克活性炭, 将里面所有的孔壁都展开成一个平面, 这个面积将达到1000平方米( 既比表面积为1000g/m2) ! 影响活性炭吸附性的主要因素就取决于内部孔隙结构的发达程度。
活性碳主要用途﹕用于液相吸附类活性碳
　•自来水, 工业用水, 电镀废水, 纯净水, 饮料, 食品, 医药用水净化及电子超纯水制备。
　•蔗糖、 木糖、 味精、 药品、 化工产品、 食品添加剂的脱色、 精制和去杂质纯化过滤　
　•油脂、 油品、 汽油、 柴油的脱色、 除杂、 除味、 酒类及饮料的净化、 除臭、 除杂
　•精细化工、 医药化工、 生物制药过程产品提纯、 精制、 脱色、 过滤。
　•环保工程废水、 生活废水净化、 脱色、 脱臭、 降COD
离子交换
基本概念 在吸附操作中, 极性吸附, 如果被吸附离子与吸附剂中的离子进行交换, 则称离子交换过程。离子交换过程实际上是特殊吸附过程。与吸附不同的是, 离子交换是化学过程。
离子交换剂 吸附剂——离子交换剂。
○阳离子交换剂——提供阳离子○阴离子交换剂——提供阴离子
v 分类
( 1) 阳离子交换剂和阴离子交换剂( 强、 弱)
( 2) 无机交换剂——沸石为代表 有机交换剂——碳质——磺化煤 合成—离子交换树脂
★离子交换树脂 是一种带活性集团的不溶性高分子化合物, 由两部分组成。离子交换本体和活性基团
①离子交换本体(R) 由高分子化合物和交联剂组成共聚体。交联剂使高分子化合物形成不溶网状结构。
②活性基团 是网状结构上的官能团, 其上带有可游离的离子, 称”反离子”。
如: R-SO3H →H+, ( 反离子) → R-SO-3 ( 大分子带电基团)
( 1) 阳离子交换树脂 此类活性基团一般呈酸性, 反离子为阳离子。可与液相中阳离子发生交换。分强酸型和弱酸型。
①强酸型: 磺酸基-SO3H, 为代表, 特点, 性能稳定, 在酸碱和中性介质中工作 R-SO3H
②弱酸型: 以羧酸基 –COOH, 或酚基-◇-OH为代表。 特点, 在水中电解力较低, 交换速度慢, 适应中性碱性。 优点是官能团多, 交换容量大。
( 2) 阴离子交换树脂
此类活性基团一般呈碱性, 反离子为阴离子。可与液相中阴离子发生交换。
①强碱型: 以季胺基 –N( CH3) 3, 为代表。 特点, 性能稳定, 在酸碱和中性介质中工作。
②弱碱型: 以带伯胺 –NH2、 仲胺=NH, 为代表。 特点, 优点是官能团多, 交换容量大。在水中电解力较低, 交换速度慢, 。适应中性和酸性介质工作。
n 离子交换树脂分类
根据官能团分: 阳离子交换树脂 阴离子交换树脂 根据物理结构分: 凝胶类 大孔类
第九章 浸出和萃取
固—液称浸出或浸取; 液—液称萃取;
○浸出体系 是由三种组分组成, 即溶质A, 溶剂S和惰性固体B。
○三角形相图一般用等腰直角三角形相图表示三种组分组成。
三顶点分别表示三种纯组分, 三角形边上任一点表示一个二元混合物, 三角形内某一点则代表一个三元混合物。
读图法: 例M点, 做三边平行线FG、 HI与JK。BF( 或SG) 代表A的组成, AH( 或BI ) 代表S的组成, AJ ( 或SK) 代表B的组成, 三元混合物组成; xA= BF=0.30; xB= AJ=0.40; xS= AH=0.30 3种组分之和等于1, xA + xB + xS= 1.00
○影响浸出速率的因素
①固液接触表面积 固液接触表面积与浸出速率成正比。( 切片压碎)
②溶质浓度差 固体表层与外层溶液之间的溶质浓度差, 也与浸出速度呈正比。逆流法较并流法浸出效率高。
③温度 较高温度可提高溶质的扩散速度, 也能降低溶液的粘度, 对浸出有利。
④溶剂流速 流速大而且呈湍流流动状态时, 其浸出速率较大。
⑤溶剂的条件 浸出的目的是溶离, 因此溶剂的选择对浸出有很大影响, 应考虑;
⑥安全性及化学稳定性: 无毒, 不易分解, 不发生化学反应。溶解选择性: 溶剂对所选溶质应有高溶解度。溶剂的物理性质: 如密度、 表面张力、 其它等。
⑦溶剂回收的难易: 一般回收溶剂要用蒸馏法, 其过程消耗操作费用最多。
⑧经济指标:
1.3 浸出操作的流程(单级、 多级、 逆流多级图)
常采用三种基本流程即: 简单接触法、 多级接触法和连续微分逆流接触法。
( 1) 简单接触法 指分批式单级接触法, 使溶剂添加到装有物料的浸取器中, 经过搅拌浸出, 使浸出液与浸剩物加以分离后, 重复另一次同样操作。
( 2) 多级接触法 数组简单接触法浸出装置依序排列, 工作时每组称为一级, 其效率大于同量溶液一次浸出的原理。
( 3) 逆流多级接触法 将数个浸出装置串联, 物料F由第一级进入, 浸剩物作为第二级的物料L1, 依次类推。溶剂则从第n级进入, 第n级所获浸出液作为第n-1级的溶剂, 依次逆向而上, 其物料与溶剂互为逆向。
( 4) 连续微分逆流接触法 指在浸出装置内, 物料与溶剂互成逆向连续接触的浸出操作。
萃取: 也称溶剂萃取, 常指”液-液”萃取, 是分离液体混合物的一种重要单元操作。在液体混合物中加入与其不完全混溶的液体溶剂, 形成液-液两相, 利用各组分在所选溶剂中溶解度的差异而达到分离目的。
应用: 直接用于食品工业较少, 主要用于提取与其它物质混杂在一起的少量挥发性较小的物质。
萃取可在低温下进行, 故特别适用于热敏性物料的提取, 如维生素、 生物碱或色素的提取, 油脂的精炼等。
○萃取操作过程一般由三部分组成: ①萃取的液体混合物与溶剂充分混合, 溶质溶于溶剂中。②萃取结束后, 将过程中形成的萃取相和萃余相借助分离器将其分开。③萃取相经溶剂回收器, 以回收溶剂, 使之循环使用。
液—液相平衡关系
”液-液”萃取, 被萃取的物质从一相转移到另一相中, 属于传质过程, 有表示;
萃取剂即是溶剂, 用S表示。溶质即提取物, 用A表示。原溶剂即是原液体混合物中的溶剂, 用B表示。萃取相用E表示。萃余相用R表示。料液物用F表示
液-液相平衡关系在三角形相图上的表示
○组分三元物系即溶质A、 原溶剂B、 萃取剂S。分为以下三种情况:
☆ A可完全溶解于B和S中, 但B与S完全不互溶;
☆ A可完全溶解于B和S中, 但B与S则部分互溶;
☆ A、 B可完全互溶, 但B, S和A, S为两对部分互溶的组分。
第一种情况少见, 第三种情况麻烦, 应当避免, 第二种情况广泛, 讨论之。
溶解度曲线和联结线
○溶解度曲线 萃取三角形三元物系, 在LGJH‘D’L围成的范围内称两相区, 其内任意点反映两个不同组成相。曲线LC‘D’F‘G’。 H‘J称溶解度曲线。溶解度曲线经过实验测定, 可查
○联结线 在两相区内任意点M是混合物, 是两个互不相溶的液相, 其组成分别为R和E, 连接RME直线称联结线。
溶解度曲线的建立
在实验条件下, 在实验瓶内, 一定量的B中逐渐滴加S, 不断摇震使其溶解, 因B与S部分互溶, 故滴加到一定数量后, 混合液开始发生混浊, 既出现了溶剂相。即S在B中的饱和溶解度。在图中记L点。类似方法记J点。
在实验瓶内, 加入恰当的B与S, 使代表混合物的点如”C”等, 位于LJ之间, 经过一段时间后, 溶质A溶出, 逐渐加入A成为三元物系, 故组成点沿AC线变化。若加入A的量恰好使混合液由两相变为均一相, 相应点记为C’。C’为混溶点。如此改变B, S组成, 得一系列点, 连接点成曲线, 即为该三元物溶解度曲线。
三角形内分两个区域, 两相区( 曲线以内) 和单相区( 曲线以外) 。当平衡时, 如三元物系的组成点在两相区内时, 该物系就存在两个液相。
联结线两点一般称称共轭相, 其组成的两点位于溶解度曲线上, 如连RE点为一对共轭相, 萃取操作只能在两相区内。同一物系联结线倾斜方向相同。
混合物的和点和差点
E和R的量, 可从三角形相图中求取: 设△内任一点M表示混合液的总组成, M称和点, 而E和R则称差点。E、 M、 R在一条直线上, E和R的质量比:

超临界流体萃取
○超临界流体萃取 是以超临界状态下的流体作为溶剂, 利用该状态下的流体所具有的高渗透能力和高溶解能力萃取分离混合物的过程。
○应用 超临界二氧化碳萃取咖啡因, 啤酒呈味剂, 香料中精油等。 中国现引进十余套超临界流体萃取设备。 如宁夏的”银广夏”等。
超临界流体萃取的原理和特性
3.1.1 超临界流体的基本性质
○超临界流体概念(表9-2) 物质都有临界状态, 在此状态下, 气液界面消失, 体系性质均一, 不再分为气体和液体, 对应此时称临界温度( TC) 和临界压力( PC) , 在状态时, 向该状态气体加压, 气体不会液化, 只是密度增大, 具有类似液态性质, 同时还保留气体性能, 这种状态称为超临界流体。
○超临界流体基本性质 一般为低分子化合物。如烷、 烯、 醇等 密度、 粘度和扩散系数是超临界流体的基本性质, 超临界流体的。
☆密度接近于液体; ☆粘度接近于气体; ☆扩散系数介于气体和液体之间, 比液体大100倍左右。
○超临界流体优点
超临界流体具有与液体溶剂相近的溶解能力; 超临界流体的传质速率将远大于其处于液态下的溶剂速率且能够很快的达到萃取平衡。
超临界CO2流体的基本性质
右图为纯CO2的压力、 密度和温度关系图。
○读图:
A-Tp线—表示CO2气-固平衡的升华曲线。
B-Tp线—表示CO2液-固平衡熔融曲线。
Tp-Cp线—表示CO2气-液平衡蒸汽压曲线。
Cp为气-液-固三相共存的三相点。

○临界点: 沿气-液饱和曲线增加压力和温度则达到临界点Cp。物质在此状态下, 气液界面消失, 体系性质均一, 不再分为气体和液体, 相对应温度和压力称临界温度和临界压力。物质一般有其固定的临界点。
如CO2 : 临界点Tp31.06C, Pc7.39MPa。
○超临界状态: 当体系处于高于临界温度和临界压力时, 称超临界状态。此状态即非气体, 也非液体, 普遍称其为流体状态, 因此分离过程称超临界流体萃取。
○CO2流体密度 CO2临界温度接近室温, 临界压力比较适中, 临界密度ρ( 448kg/m3) 最高。因流体的溶解能力一般随密度增加而增加, 故CO2最适合。
CO2流体密度变化规律: ①在超临界区域, CO2流体密度能够在很宽的范围内变化, 从150-900kg/m3。 ②在临界点附近, 压力或温度的微小变化, 能够大幅度改变流体的密度。
超临界流体萃取的缺点 最大弱点就是溶解量比较小, 需要增加溶剂的循环次数才能得到足够的萃取量。因此增加超临界流体对溶质的溶解度, 是实际应用的关键。
超临界流体萃取技术的应用前景
○超临界流体萃取技术优点
较低温度操作; 能稳定地处理对温度敏感物质; 产品不含残留溶剂; 经过调节温度和压力溶剂的溶解度可得到改变, 可选择地分离非挥发物; 溶剂回收简单, 无毒无害, 无污染; 具有杀菌保鲜作用; 二氧化碳不燃烧, 安全可靠。
第十章 膜分离
膜的适用范围
微滤 0.1～10mm: 细菌、 煤灰、 发酵细胞、 颜料、 蛋白等
超滤 0.005～ 0.1mm: 蛋白、 颜料、 多糖、 大分子 纳滤 0.0005～0.005mm: 低聚糖、 染料、 多价离子
反渗透0.0001～0.001mm: 电解质、 大于100Da的有机溶质水小于100Da的有机溶质
膜分离 是利用具有一定选择透过性的过滤介质, 依靠其两侧存在的能量差作为推动力, 利用混合物中各组分在过滤介质中迁移速率的不同来实现物质的分离和纯化的单元操作。
根据推动力本质的不同, 具体分4类: ①以静压力差为推动力的过程。②以蒸汽分压差为动力的过程。③以浓度差为推动力的过程。④以电位差为推动力的过程。
1.2.1 以静压力差为推动力的过程
有: 微滤( MF) 、 超微( UF) 、 纳滤( NF) 、 反渗透( RO) 。
( 1) 微滤( MF) 利用孔径0.02~10μm的多孔来过滤含有微粒的溶液, 将微粒从溶液中除去。适用于微生物、 细胞碎片、 微细沉淀物等。
( 2) 超微( UF) 利用孔径0.001~ 0.02μm的超滤膜来过滤含有大分子物质或微细粒子的溶液。适用于分离、 纯化和浓缩一些大分子物质, 如蛋白、 多糖、 抗生素等。
( 3) 纳滤( NF) 是介于超滤和反渗透之间的一种膜分离技术。膜具有纳米孔径和对不同价态的阴离子存在Donnan效应, 可让溶液中低价离子透过而截流高价离子和数百分子量的有机小分子。食品工业中应用于果汁浓缩、 乳糖分离等方面。
( 4) 反渗透( RO) 利用反渗透膜对溶剂的选择性, 对溶液施加压力、 克服溶剂的渗透压, 使溶剂反渗透膜而从溶液中分离出来。应用方面如, 海水脱盐、 超纯水、 从发酵液中分离乙醇、 丁醇和丙醇等。
1.2.2 以蒸汽分压差为推动力的过程
有两种情况, 膜蒸馏( MD) 和渗透蒸发( PV) 。
( 1) 膜蒸馏 利用一张疏水性的微孔膜把温度不同的冷热两股溶液分隔开, 由于膜两侧存在一定的温度差, 可使热侧的水透过膜进入冷侧。
传质过程: 水分子在热侧膜表面处蒸发形成水蒸气; 水蒸气透过膜的微孔从膜表面的热侧扩散到冷侧; 传递到冷侧膜表面的水蒸气重新冷凝成水。膜蒸馏的主要优点是能够在极高的浓度下进行。现应用于高纯水、 溶液脱水和挥发性有机溶液的分离。
( 2) 渗透蒸发 渗透蒸发分离机理分为三部分, 被分离物质在膜表面上被有选择地吸附并溶解; 以扩散的形式在膜内渗透; 在膜的另一侧, 由于低压汽化脱附而与膜分开。
1.2.3 以浓度为推动力的过程( 渗析)
是利用多孔膜两侧溶液的浓度差使溶质从浓度高的一侧经过膜孔扩散到浓度低的一侧, 从而得到分离的过程。主要应用血液( 人工肾) 的解毒等。
1.2.4 以电位差为推动力的过程( 电渗析)
是基于离子交换膜对阴阳离子的选择性, 在直流电场的作用下使阴阳离子分别透过相应的膜以达到从溶液中分离电解质的目的。透过快的组分

透过慢的组分

推动力
膜
浓差极化示意图

反渗透的基本原理
渗透是由于化学位梯度的存在而引起的自发扩散现象。
反渗透的浓差极化现象
2.3.1 浓差极化现象
由于反渗透膜具选择性, 允许溶剂经过, 这样在膜高压侧表面上的溶质逐渐积累, 当其浓度增大到超过溶液主体中溶质时, 就形成了膜表面与溶液主体的浓度梯度, 引起溶质从
膜表面向溶液主体扩散, 称浓差极化现象。

2.3.2 浓差极化对反渗透操作的影响
①膜表面溶质浓度增大, 使表面溶质渗透通量增多, 导致分离效率降低。
②膜表面溶质浓度增大, 使表面溶质渗透压增高, 水的渗透通量降低。
③膜表面局部浓度增大, 使表面溶液趋于饱和, 易形成结晶或凝胶, 堵塞孔道。
④严重时会使膜表面上形成伪膜, 使膜功能完全丧失。
○改变操作条件控制浓度极化:
① 增加原料液的流速; ② 适当提高操作温度;
3.3 超滤的浓差极化现象
3.3.1 超滤的浓差极化现象 超滤过程中, 水透过而大分子溶质被截留, 聚积在膜处使附近浓度升高, 为浓差极化。超滤浓差极化现象比反渗透更严重。
3.3.2 减轻反渗透和超滤浓差极化的方法
( 1) 回收率控制 高回收率会使极化程度增加, 因此回收率应控制在较低的状况下。
( 2) 流动型态和流程控制 流动型态分层流、 平流和湍流, 层流极化程度增大, 湍流最小
为了减少极化状态, 应加强湍流。
( 3) 填料法 将直径29~100 μm的小球放入被处理液体中, 令其共同流经反渗透器以减小浓差极化层厚度而增大渗透通量。
( 4) 设置湍流促进器 是指可强化流动型态的各类障碍物。
电渗析
基本原理
电渗析用于处理电解质溶液。在直流电场作用下, 溶液中的离子选择性地经过离子交换膜的过程。
盐水脱盐应用:
在正负两极间交替排列阳离子交换膜和阴离子交换膜, 称膜堆, 依次构成浓缩室和淡化室。
渗析的基本原理 膜两侧溶液中的溶质或溶剂在浓度差的推动下透过膜。
电渗析的基本原理 溶液中的离子在电位差的推动下, 经过荷电膜而同其它不带电的组分分开。
电渗析过程的基本原理: 阳膜: 带负电的阳离子传递膜 阴膜: 带正电的阴离子传递膜
液膜分离技术 由于固体膜存在选择性低和通量小的缺点, 故人们试图用改变固体高分子膜的状态, 使穿过膜的扩散系数增大、 膜的厚度变小,从而使透过速度跃增,并再现生物膜的高度选择性迁移。这样,在60年代中期诞生了一种新的膜分离技术－液膜分离法(Liquid membrane separation),又称液膜萃取法(Liquid membrane extraction), 这是一种以液膜为分离介质、 以浓度差为推动力的膜分离操作。它与溶剂萃取虽然机理不同、 但都属于液-液系统的传质分离过程。
5.4 液膜分离技术的特点
○分离速度较快。因液膜薄, 乳化滴小, 故表面积大。 ○较高选择性。○设备简单。
第十一章 溶液浓缩
溶液浓缩
1 蒸发2 结晶3 冷冻结晶
1.1 蒸发操作及其特点
○蒸发操作: 使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽, 从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作。
生蒸汽: 蒸发操作中热源常采用新鲜的饱和水蒸汽。二次蒸汽: 从溶液中蒸出的蒸汽称二次蒸汽。
单效蒸发: 二次蒸汽在蒸发过程中应不断被 移出, 若将二次蒸汽直接冷凝, 而不利用其
冷凝热的操作。
多效蒸发: 若将二次蒸汽利用其冷凝热的操作。
○蒸汽压力: 蒸发操作可在加压、 常压、 低压条件下进行。○真空蒸发: 工业上蒸发操作在减压下进行的操作。
真空蒸发特点:
①沸点下降。 ②总传热温系数下降。因粘度增加, 提高了总传热温差 ③蒸发操作费用提高。
○蒸发过程特点
( 1) 传热性质: 属于壁面两侧流体均有相变化的恒温差的传热过程。
( 2) 溶液性质: 有些溶液在蒸发中有结晶析出, 易结垢和生泡沫, 高温易分解, 粘度增加等。
( 3) 溶液沸点改变: 含有不挥发性溶质的溶液, 随着时间延长, 溶液沸点会增加。
( 4) 泡沫夹带: 二次蒸汽中夹带大量液沫, 冷凝前必须除去。
( 5) 能源利用: 蒸发时产生大量二次蒸汽, 如何利用它的潜热应考虑。
○食品物料蒸发具有的特点
( 1) 热敏性: 因是生物物料, 在高温下或长时间易破坏, 发生变质、 氧化作用, 应严格控制温度和加热时间。( 2) 腐蚀性: 果酸等能对设备造成腐蚀, 设计时应考虑耐酸材料。( 3) 粘稠性: 生物多是大分子, 粘度较高, 随蒸发粘度还会增加。( 4) 泡沫性, 某些食品在沸腾时易形成稳定的泡沫, 可使用表面活性剂加以控制。( 5) 结垢性: 食品中的钙、 镁等离子沉淀, 糖、 蛋白等变性, 焦化等, 成垢。( 6) 易挥发性: 液体食品中的芳香成分和风味成分比水大。
1.2.1 溶液的沸点和温度差损失
○ 溶液沸点的升高: 在一定压力下, 溶液的沸点较纯水的高, 两者沸点之差称溶液沸点的升高。同一溶液沸点升高随浓度增加和液柱升高而上升。设加热蒸汽温度为T, 二次蒸汽温度为T’, 溶液沸点为t, 则总温差为: △t0=T-T’实际传热温差: △t =T-t○温度差损失: 两者之差为蒸发器温度差损失
△ =△t0 - △t = t -T’
○造成温度差损失的原因( 1) 因溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失△‘ 因溶液含不挥发溶质, 其蒸汽压比纯水低, 因此溶液沸点比纯水高, 即沸点升高。
( 2) 由液层静压效应而引起的温度差损失△‘‘ 蒸发器内沸腾一般先在加热管附近开始, 处于不同深度的溶液受到不同的静压强, 因此溶液内部的沸点比液面处高。两者之差即为由液层静压引起的温度差损失。
分析: 溶液内部平均压强 Pm=Po+ghρ/2 △‘‘=tm-to ( 相对应Po和Pm)
一般tm和to可直接由Po和Pm查水的饱和温
( 3) 由于管路流动阻力而引起的差损失△‘‘‘
在多效蒸发中二次蒸汽由前效经管路输送, 因管道阻力使二次蒸汽压稍有下降, 温度也相应下降, 一般约1度。这种损失即为因管路流动阻力而引起的差损失△‘‘‘。
1.3.1 多效蒸发原理
多效蒸发时要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效低, 引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质, 即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器, 仅第一效需要消耗生蒸汽。一般多效蒸发装置的末效或后几效总是在真空下操作, 由于各效( 末效除外) 的二次蒸汽都作为下一效的加热蒸汽, 故提高了生蒸汽的利用率, 即经济性。
错误观点: 多效蒸发器的生产能力是单效蒸发器的若干倍。
多效蒸发流程
1 顺流法 蒸气和料液的流动方向一致, 均从第一效到末效。
Ø 在操作过程中, 蒸发室的压强依效序递减, 料液在效间流动不需用泵;
Ø 料液的沸点依效序递降, 使前效料进入后效时放出显热, 供一部分水汽化;
Ø 料液的浓度依效序递增, 高浓度料液在低温下蒸发, 对热敏性物料有利。
○结晶: 是液相或气相生成形状一定、 分子有规律排列的晶体现象。是利用溶质之间溶解度的差别进行分离纯化的一种扩散分离操作。
2.1.1.2 结晶过程
( 1) 结晶过程 溶质从溶液中结晶出来, 要经历两个步骤。
○成核: 首先要产生被称为晶核的微小晶粒作为结晶的核心。○晶体成长: 晶核长大, 成为宏观的晶体。
( 2) 结晶条件
○必须以浓度差即溶液的过饱和度作为推动力。○溶液的过饱和度大小直接影响成核和晶体成长过程的快慢。○过程的快慢影响晶体产品的粒度分布。
2.1.1.4 过饱和溶液与介稳区
○过饱和溶液: 浓度恰好等于溶质的溶解度, 即达到固、 液平衡称为饱和溶液; 而溶液含有超过饱和量的溶质, 为过饱和溶液。饱和溶液与过饱和溶液的浓度差称为过饱度。溶液的过饱度和是结晶过程的推动力。
○介稳区:完全纯净的过饱和溶液在不受任何干扰及刺激的条件, 则可在相当长时间内保持过饱和状态而不变, 称之为介稳状态。介稳态是一个范围和区域。
○过饱和与结晶关系: 见图１１－１９。
AB线为具有正溶解度特性的溶解度曲线, CD线表示溶液过饱和且能自发产生晶核的浓度曲线, 称超溶解度曲线。将右图分三个区, 即稳定区、 介稳区和不稳区。
○应用各种结晶法的注意 ①若冷却或蒸发过快, 得到大量小晶体; 若冷却或蒸发过慢, 则得到大晶体。 ②对溶液充分搅拌, 可保持晶体大小均匀。 ③连续结晶操作可保持晶体大小符合要求。④为保持晶体粒度, 采用冷却 时应力求冷却均匀。
○冷冻浓缩:
是利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理的一种浓缩方法。即当溶液中所含溶质浓度低于共熔浓度时, 则冷却结果为溶剂( 水份) 成晶体( 冰) 析出, 随着溶剂成晶体析出的同时, 余下溶液中的溶质浓度显然提高了, 此即是冷冻浓缩的原理。
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
○冷冻浓缩应用( 优点) : 适用于热敏性食品的浓缩, 可防止食品中芳香物质的挥发损失。
○冷冻浓缩主要缺点:
①冷冻浓缩过程本身不杀菌灭酶。 ②制品受低共熔浓度限制, 受冰晶与浓缩液分离的难易程度影响。浓度越高, 粘度越大, 分离越难。 ③过程中会造成不可避免的溶质损失。
3.1.2.2 层状冻结方法
○过程: 是一种单向冻结, 在管式、 板式以及转鼓式、 带式设备中进行。晶层依次沉积在先前由同一溶液形成的晶层之上, 一般为针状或棒状。
○特点①随浓度渐增, 晶尖处过冷度逐渐降低, 晶尖生长减慢, 晶体直径逐渐增大。②晶体平均直径与水分的分子扩散系数及溶液的粘度有关, 粘度越大, 平均直径越小。 ③在平行的晶体间存在着液层, 此层厚度与浓度有关。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。
3.1.2.2 悬浮冻结方法
是在受搅拌的冰晶悬浮液中进行的。如是连续操作, 则晶体粒度与溶液浓度、 主体过冷度、 晶体停留时间等有关。
○悬浮冻结影响因素 ①提高溶质浓度, 冰晶成长速率降低②在溶液过冷度低值范围内, 成长速率与主体过冷度成正比。③晶体尺寸大于50μm时, 成长速率不随晶体大小而变。④连续晶体生产, 平均晶体粒度与停留时间成正比。
○悬浮冻结 在悬浮冻结操作中, 如将小冰晶悬浮液与大冰晶悬浮液混合, 主体温度将介于大、 小晶体的平衡温度之间。由于主体温度高于小晶体的平衡温度, 小晶体溶解; 相反大晶体长大。
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溶液混合, 则因此小晶核溶解, 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所采用。
第十二章 食品干燥
○食品干燥主要应用: 食品干燥是食品储藏加工中的主要技术之一, 经过干燥将食品中的大部分水分除去, 达到降低水分活性, 抑制微生物生长与繁殖, 延长食品储藏期的目的。
○食品干燥方法: ( 1) 导热干燥: 热经过与食品材料接触的加热面直接导入, 使材料中的水分汽化排除, 达到干燥的目的。导热干燥要求加热面与食品材料接触良好, 否则会产生过热、 焦化等现象。多用于加热液体食品。( 2) 辐射干燥: 热量经过电磁波的形式由辐射加热器传递给食品材料表面, 再经过材料自身的热量传递, 使内部的水分汽化。常见于具有较大面积的材料加热, 在食品工业应用较多, 除了具有脱水作用外, 还有杀菌作用。( 3) 介电加热干燥: 在高频电场中, 食品材料中的水分子处于高速旋转与震动, 由此产生的热量使水分汽化, 达到干燥的目的。高频加热—频率300 ~ 300 000MHz。微波加热—915MHz和2450MHz。水的介电常数比其它高, 而物料内部水分比表面多, 吸能多, 因此内部温度高于表面, 传热与传质方向一致, 干燥时间大大缩短, 这是特点。( 4) 对流干燥: 热量以对流的方式传递给湿物料, 使食品材料中的水分汽化, 以达到干燥的目的。一般传热介质是湿空气。对流干燥成本低, 是食品工业上应用最普遍的干燥技术。是本章重点。
湿空气: 是干空气和水蒸气的混合物。在食品干燥中, 湿空气起着传热与传质的作用, 即湿空气将热量传输给食品, 食品受热后蒸发出来的水分再由湿空气携带出去。
1.1 绝对湿度和相对湿度
绝对湿度: 单位体积湿空气中水蒸气的含量。
相对湿度: 湿空气中水蒸气在未达到饱和状态之前, 常具有吸湿能力, 为了表征湿空气的吸湿能力, 用”湿度比”概念, 即相对湿度。
1.5 干球温度和湿球温度
干球温度: 在湿空气中, 用一般温度计所测得的温度称为该空气的干球温度T, 即该空气的真实温度。
湿球温度: 若将温度计的感温部分包以湿纱布, 置于一定温度和湿度的湿空气中, 经一段时间达到稳定后, 温度计所反映的温度就不再是湿空气的真实温度, 而是另一低于干球温度的温度, 称该湿空气的湿球温度。
○湿球温度形成原理
湿纱布所含水分对主体湿空气而言是少量的, 少量的水与大量的空气相接触都会使水温变化而达到稳定的空气湿球温度。由于湿纱布上液态水表面始终存在着一层被水蒸气所饱和的空气层, 此层湿含量必大于外围不饱和湿空气的湿含量, 水分即不断汽化并向空气中传递, 同时水分汽化需吸热, 使水温降低, 形成与外边的温差, 同时 空气热又会传到水中。最后空气传热恰好等于水滴汽化热, 水温维持不便, 即湿球温度。湿球温度是湿空气的一项基本状态参数。
1.6 露点温度
露点温度Td是不饱和空气在其总压和湿度保持不变的情况下, 而被冷却降温达到饱和状态时的温度。
○湿物料的形态
①散粒状: 如谷物、 各种油料种子; ②晶体: 经过滤分离后的各种晶体, 如葡萄糖、 柠檬酸、 盐等。③块状: 如马铃薯、 胡萝卜、 面包等; ④片状: 如果蔬、 肉类切片、 饼干等。⑤条状: 马铃薯条、 豆角⑥粉末状: 淀粉、 奶粉⑦膏糊状: 如芝麻糊⑧液态: 各种液体、 悬浮液和乳浊液。
( 2) 物料中水分含量表示法
①干基水分: 为食品中含有水质量与干物质的质量之比。②湿基水分: 湿基水分Mw以湿物料的质量为分母③两者换算关系:
湿物料中水分的活度
○湿物料中水分的活度: 指湿物料在排除水分和吸收水分的能力和数量。对干燥速率有决定作用, 是湿物料干燥的主要指标。水分活度=水分蒸汽压P/纯水蒸汽压Ps对于纯水, 活度a0=1, 对于物料水a＜1。一般大于0.95时, 细菌繁殖很快, 低于此值则受明显抑制。低于0.75时, 可认为生命活动停止。
○平衡水分 当湿物料与一定温度和湿度的空气相接触时, 湿物料将排除或吸收水分。湿物料与空气充分接触后, 温度等于空气温度, 物料中水分份压等于空气中水蒸汽份压。当水分活度大于空气相对湿度时, 物料将失去水分。否则相反。
平衡水分Me: 物料与一定状态的空气成平衡时, 最终必有一水分含量与之对应, 称平衡水分。
5.1 物料干燥机理
( 1) 物料干燥过程的推动力和阻力
○干燥过程推动力 水分梯度推动力: 当湿物料受热干燥时, 水分汽化是从表面进行, 逐渐形成从物料内部到表面的水分梯度。从而物料内部的水分就以此梯度为推动力, 逐渐向表面转移。温度梯度推动力: 物料内部温度梯度也能够使物料内部水分发生迁移, 称为热湿导。由于温度不均, 水分将从温度高处向温度低处转移。方向是由外向内。两种梯度均存在于物料内部, 两者代数和;
○推动力方向 对于热风干燥和一般辐射干燥, 物料内部温度梯度与水分梯度方向相反。对于接触干
燥和微波加热干燥, 两种梯度方向一致。
○物料水分外部扩散 水分在物料内部扩散至表面后, 便在表面汽化, 并向气相中传递。
( 2) 表面汽化控制和内部扩散控制
水分的内部扩散和外部扩散是同时进行的。但在不同干燥过程的不同时期, 控制干燥速率的机理不一定相同。这是由于物料的结构、 性质、 温度以及气相情况的影响所致。
水分扩散速率的快慢是控制过程的关键。取决于表面汽化控制和内部扩散控制。
5.2 干燥速率和干燥特性曲线
○干燥速率: 是单位时间内被干燥物料所能汽化的水分。
表示式:
○干燥特性曲线: 包括水分随时间而变化曲线; 温度随时间而变化曲线; 及干燥速率随时间而变化曲线。
曲线特点: 典型干燥工艺包括预热、 等速干燥、 降速干燥、 缓苏及冷却五个阶段。
①预热阶段: 物料受热升温, 水分变化很小, 干燥速率迅速增加。②等速干燥阶段: 物料温度达到干燥空气的湿球温度, 物料水分直线下降。③降速干燥阶段: 物料水分显著减少, 表面汽化大于内部, 干燥速率下降, 物料迅速升温。④缓速干燥阶段: 物料为保温堆放状态, 物料内外热量较均匀。⑤冷却阶段: 物料温度要求下降到不高于环境温度5°左右。

喷雾干燥器( spray dryer)
原理: 用喷雾器将稀料液喷成细雾滴分散于热气流中, 使水分迅速蒸发而达到干燥的目的。一般雾滴直径为10~60um, 每升溶液具有100~600m2的蒸发面积。
优点: 干燥时间短, 适于热敏性物料; 所得产品为空心颗粒, 溶解性好, 质量高; 操作稳定; 能连续、 自动化生产; 由料液直接获得粉末产品, 省去了蒸发、 结晶、 分离和粉碎操作。
缺点: 体积传热系数低; 设备体积庞大; 操作弹性较小, 热利用律低、 能耗大。
喷雾干燥特点:
( 1) 干燥速度快、 时间短 由于液体被雾化成几十微米大小的液滴, 因此液体表面积很大。与高温热介质接触, 故热交换和传质交换非常迅速。
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