食品工程原理

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1、 第 三 章 非 均 相 物 系 的 分 离重 点 ： 过 滤 和 沉 降 的 基 本 理 论 、 基 本 方 程难 点 ： 过 滤 基 本 方 程 的 应 用 、 过 滤 设 备 p均 相 物 系 (honogeneous system): 均 相 混 合 物 。 物 系 内部 各 处 均 匀 且 无 相 界 面 。 如 溶 液 和 混 合 气 体 都 是 均 相 物 系 。自 然 界 的 混 合 物 分 为 两 大 类 ：p非 均 相 物 系 (non-honogeneous system): 非 均 相 混 合 物 。物 系 内 部 有 隔 开 不 同 相 的 界 面 存 在 ， 且 界

2、 面 两 侧 的 物 料 性 质 有显 著 差 异 。 如 ： 悬 浮 液 、 乳 浊 液 、 泡 沫 液 属 于 液 态 非 均 相 物 系 ，含 尘 气 体 、 含 雾 气 体 属 于 气 态 非 均 相 物 系 。第 一 节 概 述 p分 散 相 ： 分 散 物 质 。 在 非 均 相 物 系 中 ， 处 于 分 散状 态 的 物 质 。p连 续 相 ： 分 散 介 质 。 包 围 着 分 散 物 质 而 处 于 连 续状 态 的 流 体 。非 均 相 物 系 由 分 散 相 和 连 续 相 组 成 要 实 现 分 离 ， 必 须 使 分 散 相 和 连 续 相 之 间 发 生 相对 运

3、 动 。 因 此 ， 非 均 相 物 系 的 分 离 操 作 遵 循 流 体 力 学的 基 本 规 律 。p非 均 相 物 系 的 分 离 原 理 ： p非 均 相 物 系 分 离 的 理 论 基 础 ：根 据 两 相 物 理 性 质 (如 密 度 等 )的 不 同 而 进 行 的 分 离 。 由 于 非 均 相 物 的 两 相 间 的 密 度 等 物 理 特 性 差 异 较大 ， 因 此 常 采 用 机 械 方 法 进 行 分 离 。 按 两 相 运 动 方 式的 不 同 ， 机 械 分 离 大 致 分 为 沉 降 和 过 滤 两 种 操 作 。 通 常 先 造 成 一 个 两 相 物 系

4、， 再 用 机 械 分 离 的 方 法 分离 ， 如 蒸 馏 ， 萃 取 等 。p非 均 相 物 系 的 分 离 方 法 ：p均 相 物 系 的 分 离 ： p 定 义 ：p沉 降 力 场 ： 重 力 、 离 心 力 。 在 某 种 力 场 的 作 用 下 ， 利 用 分 散 物 质 与 分 散 介 质 的密 度 差 异 ， 使 之 发 生 相 对 运 动 而 分 离 的 单 元 操 作 。p 沉 降 操 作 分 类 ： 重 力 沉 降 、 离 心 沉 降 。第 二 节 沉 降在 工 业 中 的 应 用 ：液 体 的 澄 清 ； 悬 浮 液 的 增 稠 ；颗 粒 的 分 级 或 分 离 。 图

5、 流 体 绕 过 颗 粒 的 流 动u Fd Fd与 颗 粒 运 动 的 方 向 相 反 当 流 体 相 对 于 静 止 的 固 体 颗 粒 流 动 时 ， 或 者 固 体 颗 粒 在 静 止流 体 中 移 动 时 ， 由 于 流 体 的 粘 性 ， 两 者 之 间 会 产 生 作 用 力 ， 这种 作 用 力 通 常 称 为 曳 力 （ drag force)或 阻 力 。只 要 颗 粒 与 流 体 之 间 有 相对 运 动 ， 就 会 产 生 阻 力 。对 于 一 定 的 颗 粒 和 流 体 ，只 要 相 对 运 动 速 度 相 同 ， 流体 对 颗 粒 的 阻 力 就 一 样 。一 、

6、颗 粒 运 动 时 的 阻 力 流 体 密 度 ； 流 体 粘 度 ； dp 颗 粒 的 当 量 直 径 ； A 颗 粒 在 运 动 方 向 上 的 投 影 面 积 ； u 颗 粒 与 流 体 相 对 运 动 速 度 。 阻 力 系 数 ， 是 雷 诺 数 Re的 函 数 ， 由 实 验 确 定 。2 2uAF d )()( udR pe 颗 粒 所 受 的 阻 力 Fd可 用 下 式 计 算 tRe/24 6.0Re/5.18 t 44.0层 流 区 （ 斯 托 克 斯 Stokes区 ， Re1） 注 意 ： 其 中 斯 托 克 斯 区 的 计 算 式 是 准 确 的 ， 其 它 两 个

7、区 域的 计 算 式 是 近 似 的 。 还 与 颗 粒 的 球 形 度 有 关 .过 渡 区 （ 艾 仑 Allen区 ， 1Re500）湍 流 区 （ 牛 顿 Newton区 ， 500Re1.5 105）图 中 曲 线 大 致 可 分 为 三 个 区 域 ， 各 区 域 的 曲 线 可 分 别 用 不 同的 计 算 式 表 示 为 ： 自 由 沉 降 （ free settling） ： 单 个 颗 粒 在 流 体 中 沉 降 ， 或者 颗 粒 群 在 流 体 中 分 散 得 较 好 而 颗 粒 之 间 互 不 接 触 互 不 碰 撞 的条 件 下 沉 降 。 二 、 重 力 沉 降 重

8、 力 沉 降 (gravity settling)： 由 地 球 引 力 作 用 而 发生 的 颗 粒 沉 降 过 程 ， 称 为 重 力 沉 降 。1 沉 降 速 度1.1 球 形 颗 粒 的 自 由 沉 降 ddumFFF dbg 243)( udgddu pppp 根 据 牛 顿 第 二 定 律 ， 颗 粒 的 重 力 沉 降 运 动 基 本 方 程 式 应 为 :u 重 力 Fg阻 力 Fd浮 力 Fb 24 22 udF pd gdF ppg 36 gdF pb 36p为 颗 粒 密 度 随 着 颗 粒 向 下 沉 降 ， u逐 渐 增 大 ， du/d 逐 渐 减 少 。 当 u增

9、 到 一 定 数 值 ui时 ， du/d =0。 颗 粒 开 始 作 匀 速 沉 降 运 动 。 3 )(4 ppt gdu 上 式 表 明 ：颗 粒 的 沉 降 过 程 分 为 两 个 阶 段 ：沉 降 速 度 （ terminal velocity） ： 也 称 为 终 端 速 度 ， 匀 速 阶 段 颗粒 相 对 于 流 体 的 运 动 速 度 。 当 du/d =0时 ， 令 u= u t， 则 可 得 沉 降 速 度 计 算 式加 速 阶 段 ；匀 速 阶 段 。 将 不 同 流 动 区 域 的 阻 力 系 数 分 别 代 入 上 式 ， 得 球 形 颗 粒 在 各区 相 应 的

10、沉 降 速 度 分 别 为 ： 层 流 区 （ Re1） 18 )(2 ppgdtu ppt dgu 3122225 )(4 pp dgtu )(3 过 渡 区 （ 1Re500）湍 流 区 （ 500Re1.5 105）ut与 dp有 关 。 dp愈 大 ， ut则 愈 大 。层 流 区 与 过 渡 区 中 ， ut还 与 流 体 粘 度 有 关 。液 体 粘 度 约 为 气 体 粘 度 的 50倍 ， 故 颗 粒 在 液 体 中 的 沉 降 速度 比 在 气 体 中 的 小 很 多 。 假 设 流 体 流 动 类 型 ； 计 算 沉 降 速 度 ； 计 算 Re， 验 证 与 假 设 是

11、否 相 符 ； 如 果 不 相 符 ， 则 转 。 如 果 相 符 ， OK !求 沉 降 速 度 通 常 采 用 试 差 法 。沉 降 速 度 的 求 法 ： 例 ： 计 算 直 径 为 95m， 密 度 为 3000kg/m3的 固 体 颗 粒分 别 在 20 的 空 气 和 水 中 的 自 由 沉 降 速 度 。 smu gdt pp /10797.9 310005.118 81.9)2.9983000()1098(18 )( 362 计 算 Re， 核 算 流 型 ： 19244.0Re 3 36 10005.1 2.99810797.91095 udp假 设 正 确 ， 计 算 有

12、效 。解 ： 在 20 的 水 中 ： 20 水 的 密 度 为 998.2kg/m3， 粘 度 为1.005 10-3 Pas先 设 为 层 流 区 。 1) 颗 粒 直 径 dp:应 用 ：啤 酒 生 产 ， 采 用 絮 状 酵 母 ， dp ut ， 使 啤 酒 易 于 分 离 和 澄 清 。均 质 乳 化 ， dp ut ， 使 饮 料 不 易 分 层 。加 絮 凝 剂 ， 如 水 中 加 明 矾 。2) 连 续 相 的 粘 度 ：应 用 ：加 酶 ： 清 饮 料 中 添 加 果 胶 酶 ， 使 u t ， 易 于 分 离 。增 稠 ： 浓 饮 料 中 添 加 增 稠 剂 ， 使 ut

13、， 不 易 分 层 。加 热 ：3) 两 相 密 度 差 ( p-)： 2 影 响 沉 降 速 度 的 因 素 (以 层 流 区 为 例 ) 4) 颗 粒 形 状在 实 际 沉 降 中 ：非 球 形 颗 粒 的 形 状 可 用 球 形 度 s 来 描 述 。pSSs s 球 形 度 ；S 颗 粒 的 表 面 积 ， m2；Sp 与 颗 粒 体 积 相 等 的 圆 球 的 表 面 积 ， m2。 不 同 球 形 度 下 阻 力 系 数 与 Re的 关 系 见 课 本 图 示 ， Re中 的dp用 当 量 直 径 de代 替 。球 形 度 s越 小 ， 阻 力 系 数 越 大 ， 但 在 层 流

14、区 不 明 显 。 ut非 球 ut球 。对 于 细 微 颗 粒 (d5 m， dpc50=12 m 。主 要 技 术 参 数 例 ： 温 度 为 20 ， 压 力 为 0.101Mpa， 流 量 为 2.5m3/s的 含 尘空 气 ， 用 标 准 旋 风 分 离 器 除 尘 。 粉 尘 密 度 为 2500kg/m3， 试计 算 临 界 粒 径 。 选 择 合 适 的 旋 风 分 离 器 ， 使 之 能 100%的 分离 出 6.5m以 上 的 粉 尘 。 并 计 算 压 损 。解 ： 20 ， 0.101Mpa时 空 气 的 ： =1.21kg/m3， =1.81 10-5Pas1、 确

15、定 进 口 气 速 ： ui=20m/s (15-20m/s)2、 计 算 D和 b： 流 量 V=Au i=Bhu B=D/5,h=3D/5 2.5=(D/5) (3D/5) 20 D=1.041m 取 D=1100 mm 旋 风 分 离 器 的 选 用 此 时 550,160,220,1200,1100 121 DhBHDH smu hBVi /2.17)5/1.13()5/1.1( 5.2 3、 求 dpc muN Bd ippc 3.73)(3 2.172500514.3 22.01081.1 5 kPaup i 49.121.13.82/ 22.172 2 3.830 2121 HH

16、D DBh4、 求 p5、 求 D， 使 dpc=6.5 m muN Bd Bippc 5.63)(3 2.172500514.3 1081.1 5 B=0.175， D=5B ， h=3D/5=3B=0.525， 取 ui=17m/s 17525.0175.05.2 xx=1.6， 取 x=2D=5B=0.875， 取 D=800mm6、 校 核 )/2015(/25.16 )5/8.03()5/8.0( 2/5.2 smsmu hBVi 所 以 ， 所 选 分 离 器 适 用 。由 V=bhu， b=D/5， h=3D/5， 得 调 节 流 量 实 现 由 于 分 离 器 各 部 分 的

17、尺 寸 都 是 D的 倍 数 ， 所 以 只 要 进 口 气 速ui相 同 ， 不 管 多 大 的 旋 风 分 离 器 ， 其 压 力 损 失 都 相 同 。 ippc uN Bd )(3 压 力 损 失 相 同 时 ， 小 型 分 离 器 的 b=D/5值 较 小 ， 则 小 型 分 离器 的 临 界 粒 径 较 小 。 旋 风 分 离 器 的 使 用 双 联 四 联 用 若 干 个 小 旋 风 分 离 器 并 来 代 替 一 个 大 旋 风 分 离器 ， 可 以 提 高 分 离 效 率 。 灰 尘 净 化 气 体含 尘 气 体1. 结 构 滤 袋 、 骨 架 、 机 壳 、 清灰 装 置

18、、 灰 斗 、 排 灰 阀 。2. 工 作 过 程含 尘 气 体 进 入 袋 滤 器 ；气 体 通 过 滤 袋 ， 经 顶 部排 出 ；灰 尘 被 截 留 ； 聚 集 一 定 厚 度 灰 尘 后 ，压 缩 空 气 通 入 ， 滤 袋 振 动 ，灰 尘 落 下 ；灰 尘 经 过 排 灰 阀 排 除 。 压 缩 空 气骨 架滤 袋机 壳清 灰 装 置排 灰 阀灰 斗清 灰 原 则及 时 清 灰 ；不 彻 底 清 灰 。袋 滤 器 含 尘 气 体 的 分 离 系 统4050 m 5 m， d pc50=12 m 0.5 m达 90%灰 尘含 尘 气 体 净 化 气 体灰 尘 灰 尘重 力 沉 降 室

19、 旋 风 分 离 器 袋 滤 器离 心 风 机 利 用 离 心 力 的 作 用 ， 使 悬 浮 液 中 固 体 颗 粒 增 稠 或 使 粒 径 不 同及 密 度 不 同 的 颗 粒 进 行 分 级 。结 构 和 工 作 原 理 ：与 旋 风 分 离 器 相 似 。4 旋 液 分 离 器 (hydraulic cyclone) l悬 浮 液 从 圆 筒 上 部 的 切 向 进 口 进 入 器 内 ， 旋 转 向 下 流 动 。工 作 过 程 ：l液 流 中 的 颗 粒 受 离 心 力 作 用 ， 沉 降 到 器 壁 ， 并 随 液 流 下 降到 锥 形 底 的 出 口 ， 成 为 较 稠 的 悬

20、 浮 液 而 排 出 ， 称 为 底 流 。l澄 清 的 液 体 或 含 有 较 小 较 轻 颗 粒 的 液 体 ， 则 形 成 向 上 的 内旋 流 ， 经 上 部 中 心 管 从 顶 部 溢 流 管 排 出 ， 称 为 溢 流 。 液 体 的 粘 度 约 为 气 体 的 50倍 ， 液 体 的 (p-)比 气 体 的 小 ， 悬 浮 液 的 进 口 速度 也 比 含 尘 气 体 的 小 ， 所 以 同 样 大 小 和 密 度 的 颗 粒 ，沉 降 速 度 远 小 于 含 尘 气 体 在 旋 风 分 离 器 中 的 沉 降 速 度 。 要 达 到 同 样 的 临 界 粒 径 要 求 ， 则

21、旋 液 分 离 器 的 直 径 要 比 旋 风 分 离 器 小 很 多 。 特 点 旋 液 分 离 器 的 圆 筒 直 径 一 般 为 75 300mm。悬 浮 液 进 口 速 度 一 般 为 5 15m/s。压 力 损 失 约 为 50 200kPa。分 离 的 颗 粒 直 径 约 为 10 40m。主 要 技 术 参 数 p特 点 ：离 心 分 离 因 数 可 达 13000， 也 有 高 达 105的 超 速 离 心 机 。转 鼓 内 装 有 三 个 纵 向 平 板 ， 以 使 料 液 迅 速 达 到 与 转 鼓 相 同 的角 速 度 。适 用 于 于 分 离 乳 浊 液 及 含 细 颗

22、 粒 的 稀 悬 浮 液 。5 沉 降 式 离 心 机 沉 降 式 离 心 机 是 利 用 离 心 沉 降 的 原 理 分 离 悬 浮 液 或 乳 浊 液的 机 械 。 5.1 管 式 离 心 机 （ tubular-bowl centrifuge） p分 离 乳 浊 液 的 管 式 离 心 机 操 作 原 理 转 鼓 由 转 轴 带 动 旋 转 。 乳 浊 液 由 底 部 进 入 ， 在 转 鼓 内 从 下向 上 流 动 过 程 中 ， 由 于 两 种 液 体 的 密 度 不 同 而 分 成 内 、 外 两 液层 。 外 层 为 重 液 层 ， 内 层 为 轻 液 层 。 到 达 顶 部 后

23、 ， 轻 液 与 重 液分 别 从 各 自 的 溢 流 口 排 出 。p分 离 悬 浮 液 的 管 式 离 心 机 操 作 原 理 流 量 Vs为 悬 浮 液 从 底 部 进 入 ， 悬 浮 液 是 由 密 度 为 的 与 密 度为 p的 少 量 颗 粒 形 成 的 。 假 设 转 鼓 内 的 液 体 以 转 鼓 的 旋 转 角 速度 随 着 转 鼓 旋 转 。 液 体 由 下 向 上 流 动 过 程 中 ， 颗 粒 由 液 面 r1处 沉 降 到 转 鼓 内 表 面 r2处 。 凡 沉 降 所 需 时 间 小 于 式 等 于 在 转 鼓内 停 留 时 间 的 颗 粒 ， 均 能 沉 降 除

24、去 。 当 颗 粒 的 沉 降 处 于 斯 托 克 斯 区 时 ， 其 沉 降 速 度 （ 径 向 ） 为22 18 )( rdddr pp 18)( 2 ppt gdu斯 托 克 斯 区 的 重 力 沉 降 速 度 为 rdrugd t 2 积 分 边 界 边 界 条 件 ： =0时 ， r=r1； = t时 ， r=r2。122 ln rrug tt sV hrr )( 2122 转 鼓 内 的 液 体 流 量转 鼓 内 的 持 液 量取 颗 粒 的 停 留 时 间 等 于 流 体 在 转 鼓 内 的 停 留 时 间 ， 即 对 上 式 积 分 ， 得 沉 降 时 间h转 鼓 长 度 对

25、于 一 定 的 悬 浮 液 处 理 量 Vs， 只 有 粒 径 dp满 足 条 件 t的颗 粒 ， 才 能 全 部 除 去 。 根 据 t=， 可 得 12 212222 ln18 )( rrrrdhV pcps 12 21222 ln rrrrg uhV ts 式 中 ut的 为 重 力 沉 降 速 度 。所 以 当 颗 粒 为 临 界 粒 径 dpc时 ， 悬 浮 液 的 处 理 量 为 以 上 两 式 表 示 悬 浮 液 处 理 量 Vs与 转 鼓 尺 寸 （ r1、 r2及 h） 、转 鼓 角 速 度 及 颗 粒 临 界 直 径 d pc之 间 的 关 系 。 例 ： 水 中 含 有

26、极 少 量 细 小 颗 粒 的 悬 浮 液 ， 想 用 管 式高 速 离 心 机 分 离 ， 使 其 中 1 m以 上 的 颗 粒 全 部 除 去 。试 求 最 大 的 悬 浮 液 进 料 量 为 多 少 。 离 心 机 转 鼓 尺 寸为 ： r1=5cm、 r2=8cm， h=60cm。 转 鼓 的 转 数 为12000rpm。 悬 浮 液 温 度 为 20 ， 颗 粒 的 密 度 为23000kg/m3。 解 ： 查 得 水 在 20 时 的 =10-3Pas， =1000kg/m3， hmsm rrrrg uhV ts /44.6/1079.1 05.0 08.0ln 05.008.08

27、1.9 )1009.7()1257)(6.0( ln 333 2272 12 21222 转 鼓 的 旋 转 角 速 度 =2N/60=2(12000)/60=1257rad/s重 力 沉 降 速 度 ut=gdp2(p-)/18 =9.81(10-6)2(2300-1000)/(18 10-3) =7.09 10-7m/s悬 浮 液 的 进 料 量 为 分 离 乳 浊 液 的 碟 式 离 心 机 ： 碟 片 上 开 有 小 孔 。 乳 浊 液 通 过 小孔 流 到 碟 片 的 间 隙 。 在 离 心 力 作 用 下 ， 重 液 沿 着 每 个 碟 片 的 斜 面沉 降 ， 并 向 转 鼓 内

28、 壁 移 动 ， 由 重 液 出 口 连 续 排 出 。 而 轻 液 沿 着 每个 碟 片 的 斜 面 向 上 移 动 ， 汇 集 后 由 轻 液 出 口 排 出 。 主 要 分 离 乳 浊 液 中 轻 、 重 两 液 相 ， 例 如 油 类 脱 水 、 牛 乳 脱脂 等 ； 也 可 以 澄 清 含 少 量 细 小 颗 粒 固 体 的 悬 浮 液 。 澄 清 悬 浮 液 用 的 碟 式 离 心 沉 降 机 ： 碟 片 上 不 开 孔 。 只 有 一 个清 液 排 出 口 。 沉 积 在 转 鼓 内 壁 上 的 沉 渣 ， 间 歇 排 出 。 只 适 用 于固 体 颗 粒 含 量 很 少 的 悬

29、 浮 液 。 当 固 体 颗 粒 含 量 较 多 时 ， 可 采 用具 有 喷 嘴 排 渣 的 碟 式 离 心 沉 降 机 ， 例 如 淀 粉 的 分 离 。5.2 碟 式 离 心 机 （ disk-bowl centrifuge） 工 作 原 理 ： 转 鼓 内 有 可 旋 转 的 螺 旋 输 送 器 ， 其 转 数 比 转 鼓 的 转 数 稍低 。 悬 浮 液 通 过 螺 旋 输 送 器 的 空 心 轴 进 入 机 内 中 部 。 沉 积 在转 鼓 壁 面 渣 ， 被 螺 旋 输 送 器 沿 斜 面 向 上 推 到 排 出 口 而 排 出 。澄 清 液 从 转 鼓 另 一 端 溢 流 出 去 。用 途 ： 用 于 分 离 固 体 颗 粒 含 量 较 多 的 悬 浮 液 ， 其 生 产 能 力 较 大 。也 可 以 在 高 温 、 高 压 下 操 作 ， 例 如 催 化 剂 回 收 。5.3 螺 旋 式 离 心 机 （ scroll-type centrifuge）