在冷冻脱盐过程中，液体夹带会直接降低产品纯度和表观水回收率。当收获的冰晶保留了一部分浓缩卤水时，卤水中的溶解盐会随冰一起进入融化器。如果保留液体分数为 (\beta)，且保留卤水的含盐质量分数为 (\sigma)，假设冰本身含盐量可忽略不计，则融化后的产品含盐分数约为 (\varepsilon=\beta\sigma)。
核心要点：分离后的冰并非自动不含盐。真实的中试装置平衡必须将冰流视为纯冰加上夹带的卤水，并必须在制冰机、分离器和融化器周围定义边界，以准确预测产品盐度和可回收水量。
夹带如何改变分离性能
保留的卤水将盐分带入产品中
在固液分离过程中，冰晶可能会在颗粒之间、空隙内部或表面保留液体。这些液体含有溶解盐，并随名义上的冰流一起移动。
当冰融化时，保留的卤水成为脱盐水产品的一部分。即使冰形成过程中的脱盐效果良好，结果仍会出现残留盐度。
产品盐度取决于两个变量
设：
- (\beta) = 收获冰流中保留液体的质量分数
- (\sigma) = 保留卤水中的含盐质量分数
- (\varepsilon) = 融化产品中的含盐质量分数
在假设冰晶不含盐的理想情况下：
[ \varepsilon=\beta\sigma ]
这种关系表明，当卤水浓度很高时，即使少量的夹带液体也会产生巨大影响。
对于饮用水产品 (0.05) wt% 的含盐量限制：
[ \varepsilon \leq 0.0005 ]
因此，允许的夹带量受以下条件限制：
[ \beta \leq \frac{0.0005}{\sigma} ]
保留的卤水浓度越高，可接受的液体保留量就越低。
分离效率不仅仅是脱盐率
分离器可以产生外观上干净的冰，但在产品质量方面表现可能很差。相关指标包括：
- 冰回收率
- 水回收率
- 脱盐率
- 融化产品盐度
- 液体保留量或滤饼含水率
- 随废卤水流失的盐分
夹带可能会使固体流看起来具有很高的质量回收率，同时减少符合产品规格的水量。
如何在质量平衡中表示夹带
首先定义单元操作边界
一个有效的中试装置边界包括三个关联的操作：
- 制冰机或结晶器出口，此处存在冰和卤水
- 固液分离器，此处从冰中除去自由卤水
- 融化器，此处分离出的冰转化为产品水
除非已测量液体保留量或特意假设其为零，否则平衡计算不应将分离器出口视为纯冰。
将收获的冰分为两部分
设 (P) 为离开分离器的收获冰流的总质量流量。将其表示为：
[ P=P_{\text{ice}}+P_{\text{retained brine}} ]
如果 (\beta) 是保留卤水的质量分数：
[ P_{\text{retained brine}}=\beta P ]
[ P_{\text{ice}}=(1-\beta)P ]
这种拆分是对理想质量平衡的核心修正。
分别追踪水和盐
保留的卤水包含：
[ \text{盐流量}=\beta P\sigma ]
[ \text{水流量}=\beta P(1-\sigma) ]
无盐冰贡献：
[ \text{水流量}=(1-\beta)P ]
因此，融化后的产品流包含：
[ \text{总盐}=\beta P\sigma ]
[ \text{总水}=P(1-\beta\sigma) ]
其总质量为 (P)。因此：
[ \varepsilon=\frac{\beta P\sigma}{P}=\beta\sigma ]
这种组分平衡比单纯的总质量平衡更有信息量，因为即使产品质量不合格，总质量也是守恒的。
单独平衡废卤水
如果 (F) 是进入制冰机或结晶器的进料，则总平衡可写为：
[ F=P+B ]
其中 (B) 是离开定义系统边界的卤水流。组分平衡为：
[ F_{\text{water}}=P_{\text{water}}+B_{\text{water}} ]
[ F_{\text{salt}}=P_{\text{salt}}+B_{\text{salt}} ]
对于现实模型，产品中的盐分不为零：
[ P_{\text{salt}}=\beta P\sigma ]
必须从送往废卤水的盐分中减去该盐分。设置 (P_{\text{salt}}=0) 会人为地夸大脱盐率并低估卤水盐度。
为什么微小的保留量变化会产生不成比例的影响
夹带同时影响纯度和可用产量
减少 (\beta) 可降低进入融化器的盐分。它还可以增加成为规格级产品的进料水比例，因为需要废弃、稀释或循环的产品水更少。
当产品规格接近预测盐度时，这种影响尤为重要。分离器性能的微小变化可能使产品从合格变为不合格。
中试装置的说明性意义
补充参考资料描述了一个 100 kg/min 进料的示例，其中将保留卤水从 1.0 wt% 降低到 0.5 wt% 可显著增加饮用水产量，报告值从约 30 kg/min 变为 65 kg/min。
这些值应被视为说明性系统结果，而非通用的性能因素。实际改进取决于卤水盐度、冰分数、分离器设计、洗涤损失、循环和产品质量截止点。
分离数据必须包括保留量
仅测量回收冰的质量是不够的。中试装置还应通过以下测量值估算冰中保留的液体：
- 分离冰的含水率或液体含量
- 保留液体的盐浓度
- 融化产品的盐浓度
- 冰、产品水和废卤水的流量
测得的产品盐度也可作为一致性检查：
[ \beta \approx \frac{\varepsilon}{\sigma} ]
此估算仅在 (\varepsilon=\beta\sigma) 背后的假设合理时有效。
控制夹带的操作因素
分离器性能
改进排水、延长排水时间、适当的离心和有效的固液分离可以减少随冰携带的自由卤水。
然而，更强的分离也可能增加冰损失或能耗。操作目标不仅仅是最大化干固体，而是最大化符合规格的水回收率。
洗涤或置换步骤
增强的洗涤步骤可以从冰表面置换浓缩卤水并减少盐分携带。洗涤液本身必须包含在平衡中，因为它会稀释产品、增加需水量或产生额外的卤水流。
如果融化的冰太多或必须丢弃太多的洗涤水，洗涤可能会提高纯度但降低净回收率。
冰的形态和处理
晶体尺寸、团聚、表面积和压实度影响附着在固相上的液体量。因此，结晶和分离之间的处理条件会改变 (\beta) 的有效值。
对于中试研究，应在用于生成性能数据的相同操作条件下测量保留量。
理解权衡
较低的夹带量与较高的冰损失
积极的分离可以去除更多的卤水，但也可能去除或融化更多的冰。只有当相应的固体水损失不超过纯度提升时，较低的 (\beta) 才有益。
正确的优化目标通常是饮用水生产率，而不是单纯的分离器干燥度。
产品纯度与工艺简单性
将所有回收的冰视为纯冰简化了计算，但会产生乐观的预测。包括夹带需要更多的测量，但它提供了一个可以解释不合格产品并支持放大的模型。
对于教育单元，非理想模型特别有价值，因为它将设备性能与组分平衡联系起来。
表观回收率与真实回收率
如果大部分进料水保留在必须随后废弃的夹带卤水中，那么高冰流流量可能会产生误导。回收率应使用明确定义的基准来报告，例如：
- 进入冰流的总水
- 作为融化产品回收的水
- 作为低于盐度限制的产品回收的水
当产品盐度由规格控制时，这些是不同的量。
将 (\beta) 视为常数
使用固定的保留值（如 1.0 wt%）对于初始模型是可接受的，但不一定适用于所有操作条件。保留量可能会随进料速率、晶体特性、分离器设置和洗涤条件而变化。
敏感性计算应评估预测的产品流量和盐度在现实的 (\beta) 范围内如何变化。
如何将其应用于您的中试装置
首先测量或估算保留卤水的分数及其盐浓度，然后在制冰机、分离器和融化器上使用组分（而不仅仅是总）质量平衡。
- 如果您的主要重点是产品纯度： 计算 (\varepsilon=\beta\sigma) 并验证融化产品是否保持在指定的盐度限制以下。
- 如果您的主要重点是饮用水回收率： 优化分离器和洗涤条件以生产规格级水，而不是单纯追求最大冰流质量。
- 如果您的主要重点是准确的质量平衡建模： 将收获的冰表示为独立的冰和夹带卤水部分，并独立追踪水和盐。
- 如果您的主要重点是放大或设备比较： 在每种操作条件下测量液体保留量，并比较 (\beta)、产品盐度和可用回收率的变化。
- 如果您的主要重点是中试装置教学： 使用夹带项来演示即使在总质量守恒的情况下，非理想分离器如何改变操作性能。
准确的夹带测量将名义上的冰回收率计算转化为对脱盐水质量和产量的可靠预测。
总结表：
| 关键因素 | 影响 | 推荐方法 |
|---|---|---|
| 保留卤水分数 (β) | 增加产品盐度并降低可用水回收率 | 在每种操作条件下测量液体保留量 |
| 卤水含盐分数 (σ) | 更高的盐度使微小的夹带更具破坏性 | 分析保留卤水的盐浓度 |
| 产品盐度 (ε) | 指示融化的冰是否符合规格 | 使用 ε = βσ 并通过产品测试进行验证 |
| 质量平衡 | 假设纯冰会夸大脱盐率和回收率 | 分别追踪冰、水和盐 |
| 分离器操作 | 排水、离心和停留时间影响夹带 | 针对规格级水进行优化，而非仅针对干燥度 |
| 洗涤和处理 | 可减少盐分携带，但会增加需水量或冰损失 | 将洗涤流、循环和损失包含在平衡中 |
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