《食品工程原理》PPT课件-2.ppt

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 非均相物系分离的意义 1、收集分散物质或分散介质； 如从干燥器出来的气体中回收固体颗粒，果汁 生产中回收果汁等。 2、净化分散介质，以满足后续生产工艺的要求； 如果汁的澄清等工艺。 3、环境保护和安全生产。 如烟气的除尘，脱硫等。 要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对 运动。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，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 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、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。 颗粒所受的阻力Fd可用下式计算 层流区（斯托克斯Stokes区，Re5 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，=1.8110-5Pas 1、确定进口气速：ui=20m/s (15-20m/s) 2、计算D和b：流量 V=Aui=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 3、 求dpc 4、求p 5、 求D，使dpc=6.5 m B=0.175，D=5B ，h=3D/5=3B=0.525，取ui=17m/s x=1.6，取x=2 D=5B=0.875，取D=800mm 6、 校核 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。 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、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，dpc50=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 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75300mm。 悬浮液进口速度一般为515m/s。 压力损失约为50200kPa。 分离的颗粒直径约为1040m。 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，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，均能沉降除去。 当颗粒的沉降处于斯托克斯区时，其沉降速度（径向）为 斯托克斯区的重力沉降速度为 积分边界边界条件：=0时，r=r1；=t时， r=r2。 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 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dpc之间的关系。 例：水中含有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1m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， 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)/(1810-3) =7.0910-7m/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