在实验室小型冷冻浓缩装置的基础上,建成冷冻浓缩中试装置,并以贡丸水煮液为试验原料,系统地研究了影响中试装置结晶强度及冰晶纯度的因素,确定各影响因素的工艺参数;并将中试装置与小型实验室装置进行对比,检验装置扩大的冷冻浓缩效果;随后以PLC为控制元件,设计浓缩中试装置的自动化控制系统,并完成连续式冷冻浓缩,为冷冻浓缩装置的进一步改进提供参考。本文开展的研究简介如下:1.扩建后的冷冻浓缩中试装置,以贡丸水煮液为试验材料,研究冷媒温度、冷媒流量、刮刀转速和果汁泵流量对其结晶强度和冰晶纯度的影响。结果表明:选择合理的刮刀转速,可以提高中试装置的结晶强度,合理的刮刀转速为130r/min到150r/min之间;合适的果汁泵流量,可以及时将结晶罐内生产的冰晶排到生长罐进行生长,同时可以降低果汁泵本身的热损耗,合理的流量为0.72m3/h到1.08m3/h;较大的冷媒流量可以提高结晶罐的热传递系数,提高结晶强度。对于本装置,冷媒流量达到最大7.41m3/h时,结晶强度达到最大;较低的冷媒温度,可以增大冷媒与待浓缩物料的温差,提高冷量传递的推动力,结晶强度提高。本中试装置在制冷温度达到最低-23℃时,结晶强度达到最大;通过正交试验,同步改变刮刀转速、果汁泵流量、冷媒流量和冷媒温度,可以使本中试装置的结晶强度达到最高,在刮刀转速140r/min、果汁循环流量1.44m3/h、冷媒流量7.41m3/h及冷媒温度-23℃时,浓缩物料为可溶性固形物含量为5°Bx的贡丸水煮液,中试装置每小时的出冰量为16.16㎏,冰晶可溶性固形物含量为0.39°Bx;自动化控制系统采用PLC,避免继电器控制器带来的控制滞后,以及调整不方面的缺点,此外,程序是自主编程,可以随时根据生产需要而调整,有利于今后的进一步改进。2.以贡丸水煮液为试验材料,同时以结晶强度和冰晶纯度为指标,研究冷媒温度、刮刀转速、果汁浓度及取冰时间对中试装置和实验室小型装置的影响,考核冷冻浓缩中试装置浓缩效果是否接近或优于小型冷冻浓缩装置,以检验设计是否合理、可行。结果表明:中试装置用乙二醇溶液取代氯化钙溶液,能提高换热器的换热效率;足够高的刮刀转速才能匹配高效率的换热器工作,且所得冰晶重量增长倍数大于换热器面积扩大的倍数,同时有效降低了冰晶所夹带的可溶性固形物含量;溶液浓度提高后,足够大的冰晶生长罐体积能降低中试装置中的冰晶二次成核概率;适宜的取冰时间能有效降低能耗,合适的冰晶生长罐体积有利于小冰晶利用奥斯特瓦尔德效应长成大冰晶,从而减缓装置的结晶强度下降趋势,且所得冰晶纯度提高,中试装置扩大是成功的。3.在前期试验的基础上,采用PLC设计中试装置的自动化控制系统,并研究中试装置的连续式冷冻浓缩。结果表明:通过溶液的冰点曲线和冻结率曲线来确定贡丸水煮液的冷冻浓缩终点;适当调整搅拌器转速,可以实现中心排冰法与手工操作相同的排冰速度;通过使用PLC控制系统,实现了本冷冻浓缩中试装置的自动化控制,对于可溶性固形物含量为10°Bx的贡丸水煮液,经过32小时浓缩后,浓度达35.36°Bx;贡丸水煮液的连续式冷冻浓缩冰晶生长动力学模型为:0 .9 9 6 7, m axdd m t i = 0 .1 8 5 5 m i (1 mmii);适当降低冷媒温度,可以提高单位时间内冷冻浓缩的出冰量及冷量效率;当冷媒温度降低到-23℃时,冷冻浓缩的冷量效率可以达到69.0%,此时的出冰量为16.16㎏/h;中试冷冻浓缩装置单位面积出冰量为42.89㎏/m2*h,而小型冷冻浓缩装置单位面积出冰量为17.93㎏/m2*h,在使用相同材料的情况下,通过改变外部工作条件,可以提高结晶罐的单位面积出冰量。