液体夹带是冷冻脱盐中试装置中的主要限制因素。当冰晶将浓缩卤水带入固相时，融化后的产物会含有残留盐分，从而降低饮用水的纯度和可用产量。产物含盐量可近似为 ε = σβ，其中 σ 是残留卤水中的含盐量，β 是冰中残留卤水的质量分数。
冰本身可能相对纯净，但残留的卤水使收获的固体成为不纯净的产物。因此，通过更好的分离、洗涤和循环工艺减少液体残留，可以提高纯度并显著增加饮用水的回收率。
夹带如何改变产物
残留卤水将盐分带入冰流中
在冷冻过程中，会形成相对纯净的冰晶，而盐分则被排斥到剩余的液态卤水中。由于机械收获和分离并不理想，部分卤水会残留在晶体表面或晶间空隙中。
当冰融化时，残留的液体成为产水流的一部分。因此，仅靠融化无法去除其中溶解的盐分。
产物盐度取决于两个变量
简化关系式为：
[ \varepsilon = \sigma \beta ]
其中：
- ε = 融化产物中的含盐量
- σ = 残留卤水的含盐量
- β = 分离出的冰中残留卤水的质量分数
这意味着，当卤水浓度很高时，即使是少量的残留液体也会导致产物盐度无法达标。
纯度通常由最差的分离步骤决定
结晶器可能产生高纯度的冰，但最终产物质量取决于结晶器、固液分离器、洗涤阶段和融化器的综合性能。
将冰流视为完全干燥的质量平衡计算会高估脱盐性能。中试装置的计算必须包含这些单元操作中水和盐的流动。
夹带如何降低饮用水产量
部分冰可能需要处理或弃置
如果收获的冰含有过多的盐分，融化后的水流可能超过规定的饮用水限值。这些水可能需要额外的处理、稀释或部分弃置，而不能计入可用产物。
因此，即使收获的冰的总质量保持不变，夹带也会降低有效产量。
残留量的微小变化会产生巨大的操作影响
主要参考资料提供了一个100 kg/min 进料的案例：将残留卤水从 1.0 wt% 降低到 0.5 wt%，可以在保持所需纯度的同时，将饮用水产量从约 30 kg/min 提高到 65 kg/min。
这并非通用的生产比例；实际数值取决于进料盐度、冰分数、卤水浓度、分离效率、洗涤用水量和产物规格。该示例确实证明了跨越纯度阈值在操作上的非线性重要性。
产量和纯度是耦合的
较低的夹带通过 ε = σβ 直接提高纯度。它也间接提高了产量，因为需要弃置或进行进一步处理的融化冰量减少了。
对于中试装置评估，产量应报告为饮用水回收率，而不仅仅是收获的冰的质量。
中试装置应如何模拟夹带
定义跨越所有相关单元的系统边界
一个有用的平衡应包括冷却或结晶单元、除冰器、洗涤循环管线和融化器。必须将分离器出口处随冰残留的卤水作为固相流中的独立液体贡献进行跟踪。
这可以防止盐分在随冰物理转移时从平衡中“消失”。
独立跟踪水和盐
模型至少应跟踪：
- 进入和离开每个单元的总水量
- 进入和离开每个单元的盐量
- 残留卤水中的含盐量
- 冰中的残留卤水比例
- 洗涤水的添加和循环
- 产水流和弃置卤水流
仅凭总质量平衡无法预测产物纯度，因为它无法揭示盐分的去向。
测量而非假设残留量
β 的值应根据中试数据或经过验证的分离模型进行估算。它会随晶体尺寸、冰床深度、分离器负载、表面排水、搅拌和操作条件而变化。
使用 1.0 wt% 等标称值可能有助于初步设计，但敏感性分析也应测试更低和更高的残留水平。
分离和洗涤策略
改进机械固液分离
离心机、撇渣器、排水区和其他固液分离设备可以减少随冰排出的卤水量。其目的是在不造成过度冰损失的情况下去除自由液体和表面相关液体。
最好的设备不一定是产生最干燥固体的设备。它还必须保持晶体回收率、避免过度的能源消耗，并在中试装置的吞吐量下可靠运行。
在融化前洗涤冰
冰洗涤步骤可以置换晶体表面和间隙空间中的浓缩卤水。在所述配置中，一小部分融化产水（约为 5%）在洁净冰进入融化器之前被循环用于洗涤冰床。
洗涤流必须包含在水和盐的平衡中。洗涤可以显著提高产物纯度，但它并非没有代价：必须考虑循环流量、卤水置换、混合以及可能的产物损失。
利用循环作为纯化工具
洗涤循环将分离问题从单纯的去除湿冰转变为用更清洁的液体置换浓缩液体。这类似于其他单元操作中的固液洗涤，其有效性取决于接触、排水、混合和洗涤液的体积。
中试测试应确定循环水是否到达了所有相关的冰表面，以及被置换的卤水是否被有效去除，而不是重新分布。
理解权衡
较低的残留量可能会降低冰的回收率
更强力的分离可以去除更多的卤水，但也可能带走细小的冰晶或增加机械损失。以牺牲大量冰损失为代价来最小化 β 的工艺可能无法最大化饮用水回收率。
因此，正确的目标是最大化合规产水量，而不是孤立地追求最低液体残留。
洗涤会消耗产水
循环部分融化水可以改善除盐效果，但这些水可能不会立即作为最终产物出现。净收益取决于去除了多少盐、回收了多少洗涤水，以及洗涤流是否成为卤水排放的一部分。
卤水浓度在操作过程中可能会发生变化
ε = σβ 的关系表明，降低 β 只是降低产物盐度的途径之一。如果卤水变得更浓，恒定的残留比例仍可能产生更高的 ε。
因此，操作条件必须同时控制残留液体量和残留液体成分。
热力学非理想性是另一个问题
夹带是机械分离问题，而相平衡非理想性涉及平衡状态下固相和液相的组成。即使表面卤水被有效去除，活性效应或异常的液相线和固相线行为也可能限制纯化效果。
然而，对于普通的冷冻脱盐中试研究，残留在冰上的含盐液体通常是主要的实际纯度限制因素。
为您的目标做出正确的选择
最有用的中试装置策略取决于优先级是纯度、产量还是工艺理解。
- 如果您的首要重点是最大化饮用水纯度： 通过改进排水和冰洗涤来降低 β，然后根据产物规格验证最终含盐量。
- 如果您的首要重点是饮用水回收率： 同时优化分离和洗涤，以确保较低的卤水夹带不会导致过多的冰损失或洗涤水弃置。
- 如果您的首要重点是精确的中试装置建模： 定义跨越结晶器、分离器、洗涤循环和融化器的边界，并分别进行水和盐的平衡计算。
- 如果您的首要重点是设备选择： 基于净合规产水量而非单纯的分离效率来比较离心、撇渣、排水和洗涤。
通过将夹带的卤水视为可测量的工艺流而非偶然的杂质，中试装置可以预测并提高冷冻脱盐的纯度和饮用水产量。
总结表：
| 关键因素 | 对产物的影响 | 中试装置的应对措施 |
|---|---|---|
| 残留卤水比例 (β) | 较高的 β 会增加产物盐度并降低合规水回收率 | 改进排水和固液分离 |
| 残留卤水浓度 (σ) | 更浓的卤水会提高融化冰中的含盐量 | 控制卤水浓度和操作条件 |
| 冰洗涤 | 置换晶体表面和空隙中的卤水 | 优化洗涤流量、接触、排水和循环 |
| 分离设备 | 影响卤水去除、冰损失、能耗和可靠性 | 比较离心机、撇渣器和排水系统 |
| 工艺建模 | 仅凭总质量平衡可能会高估饮用水产量 | 跟踪结晶器、分离器、洗涤线和融化器中的水和盐 |
| 性能目标 | 最低夹带并不总是能实现最大回收率 | 优化最大合规饮用水产量 |
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