基于物料介电特性醇类物质快速分离的研究

论文摘要

本课题研究了利用微波真空加热技术对液体物料中的低浓度醇类物质进行分离,主要以乙醇和甲醇为例,研究出了分离动力学数学模型,并对二者的分离效果进行了比较,然后将该技术应用于低醇黄酒的生产,并对生产出的低醇黄酒的品质、特性进行了检测和评定,最后对小型连续性微波真空分离设备进行展望。甲醇和乙醇的整个微波真空分离过程,可分为两段:恒速段和降速段,恒速段的速率可依据能量平衡方程计算,而降速段不能根据能量平衡方程计算,从经验角度出发,找出影响分离常数的主要因素,赋予它们各因素指数的乘积关系,然后利用实验结果回归得到各指数和未知常数。分析不同微波真空条件下的分离曲线得出,分离速率随微波功率和真空压力的增大而增大。另外,溶液中的甲醇和乙醇含量并不能降至零,而是降到其所能达到的最低浓度后基本保持不变,这主要和它们本身的化学性质以及分子间作用力有关。对相同浓度的甲醇和乙醇水溶液进行实验,研究二者的温度分布和温度变化情况。实验表明,整个加热过程主要分为两个阶段,第一阶段为均匀加热段,在该阶段,溶液的温度线性增至接近该真空度下水的饱和温度,此阶段基本没有水分和醇的蒸发,且均匀加热段的时间非常短;第二阶段为温度缓慢上升段,在该阶段,水分和醇大量从溶液内部蒸发迁出,几乎没有阻力;分离后期,当醇的浓度降至最低时,溶液中水分继续吸收微波能,温度继续缓慢上升。甲醇和乙醇均属于低碳醇化合物,但是因为二者的介电特性不同,所以吸收微波的能力不同,导致分离速率的不同,在相同的微波真空操作条件下,单一的乙醇和甲醇水溶液中后者的分离速率要大于前者,而在甲醇和乙醇的混合溶液中,乙醇分离速率比单一的乙醇水溶液中乙醇分离速率略有增大,甲醇的分离速率与单一的甲醇水溶液的分离速率相比增加的比较明显。将微波真空分离技术应用于经过正常发酵生产的黄酒,对其中的低浓度乙醇进行分离,通过正交实验找出乙醇含量降至最低的条件,进而达到制取低醇黄酒的目的,并与蒸馏法制得的低醇黄酒进行比较。微波真空法制得的低醇黄酒不仅效果好、所需时间短,而且颜色基本没有变化,而蒸馏法所需时间长,颜色明显加深,而且所达到效果并不理想。应用固相微萃取,气-质联谱技术对两种方法处理前后黄酒中的挥发性风味成分及其含量的变化进行了检测和比较,结果显示,其挥发性成分含量有一些变化,但不影响黄酒固有的风味。应用微波真空分离技术对稀溶液中的醇类物质进行分离是可行的,但是,间歇式微波真空分离设备效率低下,所以,研制小型连续式微波真空分离设备是非常有必要的,连续性设备不仅分离速度快,可以极大地提高生产能力,而且比间歇式设备能够达到更好的分离效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 物料介电特性的介绍
• 1.1.1 介电特性的基本概念
• 1.1.2 介电加热原理
• 1.1.3 介电加热的特点
• 1.1.4 水和几种常用醇类物质的介电特性
• 1.2 课题的背景和意义
• 1.2.1 分离技术的研究进展
• 1.2.2 微波技术在化工分离领域的应用研究
• 1.2.3 醇类物质分离的国内外研究现状
• 1.3 微波真空分离技术的研究进展及应用
• 1.3.1 微波真空分离技术的特点
• 1.3.2 微波真空分离试验装置及设备的研究进展
• 1.3.3 微波真空分离技术的应用
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第二章 微波真空分离低浓度乙醇水溶液的动力学研究
• 2.1 前言
• 2.1.1 微波分离动力学研究的意义
• 2.1.2 微波真空分离动力学模型研究的现状
• 2.2 数学模型
• 2.3 材料和设备
• 2.3.1 实验材料
• 2.3.2 实验仪器
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 微波输出功率的测量
• 2.4.2 样品制备和乙醇含量测定
• 2.5 结果与讨论
• 2.5.1 分离数学模型的研究
• 2.5.2 微波功率对分离曲线的影响
• 2.5.3 真空度对曲线的影响
• 2.5.4 加热过程中乙醇及水分含量随温度的变化
• 2.6 本章小结
• 第三章 低浓度甲醇水溶液的分离以及和乙醇的比较
• 3.1 前言
• 3.2 数学模型
• 3.3 材料和设备
• 3.3.1 实验材料
• 3.3.2 实验仪器
• 3.4 实验方法
• 3.4.1 样品制备和甲醇含量测定
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 分离数学模型的研究
• 3.5.2 微波功率对甲醇分离曲线的影响
• 3.5.3 真空度对甲醇分离曲线的影响
• 3.5.4 加热过程中甲醇及水分含量随温度的变化
• 3.6 甲醇和乙醇的比较
• 3.6.1 不同溶液中甲醇和乙醇含量的比较
• 3.6.2 混合溶液中甲醇和乙醇含量的比较
• 3.7 本章小结
• 第四章 微波真空分离技术在低醇黄酒生产中的应用
• 4.1 前言
• 4.1.1 黄酒的分类及感官要求
• 4.1.2 黄酒的香味成分
• 4.2 材料和设备
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 仪器和设备
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 标准曲线的制备
• 4.3.2 蒸馏法处理黄酒
• 4.3.3 微波真空法处理黄酒
• 4.4 结果与讨论
• 4.5 黄酒处理前后的比较
• 4.5.1 检测方法
• 4.5.2 黄酒处理前后颜色的变化
• 4.5.3 黄酒处理前后挥发性风味成分的保留情况
• 4.6 本章小结
• 第五章 连续式微波真空分离设备的展望
• 5.1 前言
• 5.2 主要部件设计
• 5.2.1 设备的组成
• 5.2.2 主要部件设计原理
• 5.3 本章小节
• 结论
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢
• 参考文献