双超声耦合强化溶液结晶成核的研究

发布时间：2017-08-15 00:20

  本文关键词：双超声耦合强化溶液结晶成核的研究

  更多相关文章： 超声 无水葡萄糖 结晶成核 空化泡 动力学模型 机理

【摘要】：溶液结晶技术在许多领域有着广泛的应用,其中结晶成核是溶液结晶的关键环节。葡萄糖是自然界分布最广且最为重要的一种单糖,是生命活动中不可缺少的物质,是人体能量的主要来源。工业上生产的结晶葡萄糖有含水α-葡萄糖、无水α-葡萄糖和无水β-葡萄糖三种,其中无水葡萄糖相对于含水葡萄糖,品质更佳,纯度更高,能量加倍,更能增强人体免疫力,在食品工业、医药卫生等方面具有重要的应用价值。因此,强化无水葡萄糖溶液的结晶成核技术具有重要的研究和开发价值。现有的工业上生产无水葡萄糖主要采用加入晶种真空蒸发结晶的方法,该方法存在要求大量晶种,增加成本并且要求晶种大小均匀适中等弊端。为了克服这些弊端,超声波技术被引入溶液结晶成核的研究中,因其在溶液结晶成核方面表现出独特的优势已经被广泛应用。超声强化溶液结晶成核的研究中绝大多数都是采用单超声辐照方式,单超声辐照声场不够均匀,较易产生驻波。双超声能够增大传质表面积,显著增加空化效果,减少由于驻波造成的“死角”。本文将双超声强化技术引入溶液结晶成核,以提高成核速率并得到良好的晶核,并对双超声强化效果的机理进行研究。在单超声和双超声条件下分别研究了溶液浓度、超声电功率和超声作用时间对成核速率的影响,并对单超声和双超声作用的晶核形态进行对比。研究结果表明:超声在一定的条件下可以强化无水葡萄糖溶液结晶成核。在同等条件下,双超声和单超声相比,降低了溶液结晶成核的初始浓度,提高了成核速率,并且得到的晶核粒度均匀,具有协同作用。双超声强化溶液结晶成核技术是一种快速、高效、节能的方法。根据Rayleigh-Plesset方程模型并对其进行修改建立双超声激励空化泡动力学模型,利用MATLAB软件提供的Runge-Kutta算法进行数值求解。考察一些声场参数、液体的物理参数等以及频率、相位差、声强的不同耦合方式对双超声激励空化泡动力学过程的影响。结果表明:在其他条件相同的情况下,双超声比单超声的Rmax/R0的相应比值要大,空化效果明显增强。当双超声相位差为0(即双超声的组合为sin-sin)时,空化泡生长最大。空化泡Rmax/R0的比值随着初始半径的增大而减小,空化的剧烈程度变弱;随着超声波总声强的增大,空化的剧烈程度变强;随着流体压力或者液体粘滞系数的增大,空化的剧烈程度变弱。在取得同等空化效果下,双超声可降低总声强,对初始半径较大的泡核及流体压力和粘度相对较大时,依然能产生瞬态空化效果。采用相同频率低频超声组合的空化强度最强;保持双超声初相位相同,避免两者反相,以及超声声强组合平均分配等,有利于提高空化效果。当采用不同频率组合激励时,要根据实验条件选择合适的双超声频率组合、相位差和声强的分配,才能起到协同强化作用。最后运用碘量法对双超声空化产额进行测定,结果表明双超声的空化产额高于单超声空化产额的代数和。在小试试验研究的基础上,进行了双超声的不断放大试验。结果表明:随着溶液体积的增大,溶液的成核速率及晶核的均匀度有所下降,但适当的添加搅拌,可起到良好的协同作用。放大试验和小试试验相比较,随着溶液体积的增加,探头式超声的作用效果不理想,可以考虑选择不同频率的发散式超声组合的方式强化效果。
【关键词】：超声 无水葡萄糖 结晶成核 空化泡 动力学模型 机理
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ026.5
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 溶液结晶成核过程简介12-14
• 1.1.1 晶核形成机理12-13
• 1.1.2 葡萄糖溶液简介13-14
• 1.2 糖液的传统起晶方法14-15
• 1.2.1 自然起晶法14
• 1.2.2 刺激起晶法14
• 1.2.3 晶种起晶法14-15
• 1.3 超声起晶技术15-21
• 1.3.1 超声波起晶的原理15-16
• 1.3.2 超声波设备简介16-20
• 1.3.3 超声结晶技术的应用及发展20-21
• 1.4 双超声起晶技术21-23
• 1.4.1 双超声技术国内外研究概况21-22
• 1.4.2 双超声起晶设备22-23
• 1.5 本课题的研究目的、研究内容及研究目标23-26
• 1.5.1 本课题的研究目的与意义23-24
• 1.5.2 本课题的主要研究内容24-25
• 1.5.3 本课题的研究目标25-26
• 第二章 双超声强化无水葡萄糖溶液结晶成核的研究26-36
• 2.1 引言26
• 2.2 实验材料26-27
• 2.3 实验仪器及设备27-28
• 2.3.1 实验主要仪器27
• 2.3.2 实验设备27-28
• 2.4 实验操作步骤28-30
• 2.5 实验方法30-31
• 2.5.1 溶液浓度对成核速率的影响30
• 2.5.2 超声电功率对成核速率的影响30-31
• 2.5.3 超声作用时间对成核速率的影响31
• 2.5.4 超声波对晶体粒度及晶型的影响31
• 2.6 结果与讨论31-35
• 2.6.1 溶液浓度对成核速率的影响31-32
• 2.6.2 超声电功率对成核速率的影响32-34
• 2.6.3 超声作用时间对成核速率的影响34
• 2.6.4 超声波对晶体粒度及晶型的影响34-35
• 2.7 本章小结35-36
• 第三章 双超声激励空化泡动力学模型及机理研究36-54
• 3.1 引言36
• 3.2 双超声激励空化气泡动力学模型的建立及求解36-38
• 3.2.1 双超声空化气泡动力学基本方程36-37
• 3.2.2 运动方程的求解37-38
• 3.3 双超声激励空化泡动力学过程分析38-50
• 3.3.1 单因素影响分析38-45
• 3.3.2 耦合因素影响分析45-50
• 3.4 空化产额的测定50-52
• 3.4.1 实验设备50
• 3.4.2 实验方法50-51
• 3.4.3 超声作用时间对空化产额的影响51
• 3.4.4 超声电功率对空化产额的影响51-52
• 3.5 本章小结52-54
• 第四章 放大试验54-62
• 4.1 引言54
• 4.2 双超声强化成核装置54-56
• 4.2.1 200-1500m L成核装置装置图和实物图54-55
• 4.2.2 2L成核装置实物图55-56
• 4.3 双超声放大试验56-61
• 4.3.1 200mL试验操作及结果分析56-57
• 4.3.2 500mL试验操作及结果分析57
• 4.3.3 1500mL试验操作及结果分析57-58
• 4.3.4 2L试验操作及结果分析58-61
• 4.4 本章小结61-62
• 结论与展望62-65
• 一、结论62-63
• 二、本论文的创新之处63
• 三、展望63-65
• 参考文献65-71
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果71-72
• 致谢72-73
• 附件73

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