【食品工程原理课件】第三章 机械分离.doc

第三章 机械分离总学时：5【学习要求】通过本章的学习能掌握流体与粒子相对运动的基本概念和原理，理解沉降和过滤单元操作的原理；掌握沉降和过滤过程及设备的计算。举例：结晶的方法提纯产品，需要将晶体与母液分离；用溶剂萃取的方法从天然产物中提取生物活性物质，需要将溶液与固体杂质分离。第一节 流体与粒子的相对运动【考核知识点和考核要求】了解：曳力和曳力系数；当量直径；形态系数；流体通过固定床的流动理解：颗粒的自由沉降和沉降速度掌握：沉降速度计算【本节课时分配】2节【具体讲授内容】一、颗粒在流体中运动（一）曳力和曳力系数（了解）曳力：流体与分散于其中的固体颗粒之间有相对运动时，将产生相互作用的作用力，流体对颗粒表面施加的力称为曳力。范宁摩擦因子将流体流经管壁面时所受到的壁面剪应力与流体的动量通量直接关联。（单位体积）流体与分散于其中的固体颗粒之间的相对运动也可参照上述公式。考虑到颗粒表面的复杂性，不用剪应力而用颗粒总曳力代替，将定义为颗粒在流体流动方向上的投影面积，用曳力系数代替范宁摩擦因子。这样就有：（流体与颗粒的相对速度，m/s）上式曳力系数是颗粒雷诺数的函数，的定义为：=（颗粒直径）曳力系数是颗粒雷诺数见下图。（其中1代表球形颗粒，）该曲线分为四个区域，每个区域可用相应的公式表示。（1），为层流区：1.颗粒在滞流区沉降时，介质对颗粒的阻力系数与沉降雷诺数Rep的关系为（ ）。（2），为过渡区：（3），为湍流区：（4），为湍流边界层区。曳力系数下降呈不规则的变化，大约保持在0.1。（二）颗粒的自由沉降与沉降速度（理解，掌握）球形颗粒在流体中的受力有：向下的重力：（颗粒直径；颗粒密度）向上的浮力：（流体的密度）向上的曳力：分析：颗粒所受的重力和浮力均与流速无关，但曳力与流速有关。随着流速的增加，颗粒所受曳力增加，颗粒沉降的加速度随之逐渐减小。当达到合力为0时，加速度降为0，颗粒与流体之间保持匀速运动，这个速度称为颗粒的沉降速度（）。当匀速时，三力之间存在以下关系：=+整理得：根据曳力系数在不同的雷诺数区域内表示式不同，分别代入上式得：（1），为层流区：（斯托克斯公式）1一球形石英颗粒，在空气中按斯托克斯定律沉降，若空气温度由20升至50，则其沉降速度将（ ）。(上升/下降/不变)（2），为过渡区：（阿伦公式）（3），为湍流区：（牛顿公式）三个区域的公式要求记住。由于在计算出之前，的大小也未知。所以计算沉降速度常用试差法。方法：先假设沉降在某一区域，根据相应的公式，计算沉降速度，然后检验是否在该区域。（一般当颗粒直径较小时，其沉降通常处于层流区）颗粒在流体中的沉降速度是颗粒在流体中的相对速度。颗粒在流体中的绝对速度与流体的流动状态直接相关，当流体以流速向上流动时，三个速度之间的关系为：=-（注意：向上流动为正）当=0时（流体静止），=-颗粒向下运动；当=时，=0，颗粒静止地悬浮在流体中；而当时，0颗粒向上运动；当时，0颗粒向下运动。例题：直径为100m的少量玻璃珠分散于20清水中，已知玻璃珠的密度=2500kg/m3，水的密度=998.2 kg/m3，水的黏度=0.001Pas。试求（1）玻璃珠的沉降速度；（2）若水以0.02m/s的速度向上流动，水中玻璃珠的绝对速度是多少？解：（1）少量玻璃珠分散于水中，其沉降运动可视为自由沉降。假设沉降属层流，沉降速度为：=0.00818m/s核对=0.8171可见层流假设成立。（2）=-=0.02-0.00818=0.0182m/s说明玻璃珠在流体中以绝对速度0.0182m/s向上运动注意：一般考试时都是在层流。（三）非球形颗粒的当量直径与形态系数（了解）1、当量直径（1）等体积当量直径 （2）等表面积当量直径 2、形状系数（将球形颗粒的比表面积与体积相等的非球形颗粒比表面积之比）非球形颗粒1，体积相同时，比表面积相差越大，球形度越小。球形度越小，曳力系数越大，说明颗粒所受的曳力越大。1.球形粒子的球形度( )；非球形粒子的球形度（ ）。A. 等于1； B. 小于1； C. 大于1 第二节 沉降【考核知识点和考核要求】了解：自由沉降和干扰沉降理解：离心沉降速度；旋风分离器原理和性能。掌握：降沉室计算【本节课时分配】1.5节【具体讲授内容】沉降是利用流体中固体颗粒或液滴与流体间的密度差，使悬浮在流体中的固体颗粒借助于外场力产生定向运动，从而实现与流体相分离或使颗粒相增稠，流体相澄清的单元操作。分为重力沉降、离心沉降和电沉降。一、重力沉降（一）自由沉降与干扰沉降（了解）重力沉降颗粒在重力作用下的自然沉降。自由沉降颗粒之间互不干扰的沉降。（多数为层流沉降）第一节研究过当沉降处于层流区域时，沉降速度，由公式可知道：沉降速度正比于沉降推动力和颗粒粒径的平方。沉降速度决定了两相分离的难易程度。低密度的细颗粒难分离。干扰沉降当流体中颗粒的含量较高时，只要所含颗粒粒径大小相差不超过6倍，颗粒沉降时会彼此相互影响，所有的颗粒将以大致相同的速度沉降，此时颗粒的沉降为干扰沉降。主要原因是颗粒与颗粒之间相互碰撞产生动量交换，使大颗粒沉降受阻滞而小颗粒被加速。1.颗粒的自由沉降速度ut小于其干扰沉降速度。（ ）2.自由沉降的意思是( )。(A)颗粒在沉降过程中受到的流体阻力可忽略不计(B)颗粒开始的降落速度为零，没有附加一个初始速度(C)颗粒在降落的方向上只受重力作用，没有离心力等的作用(D)颗粒间不发生碰撞或接触的情况下的沉降过程 （二）降尘室（掌握）当含粉尘的气体通过降尘室时，固体粒子一方面随气流向前运动，一方面向下沉降。若气流以均匀速度向前运动，则粒子的运动轨迹为抛物线。为使尘粒在离开降尘室前就沉降至器底，应有：（1）在此条件下：降尘室的生产能力（2）由上式：降尘室的生产能力与其高度无关。因此在生产中常常采用扁平形状或一室多板结构。公式（1）和（2）是确定降尘室结构尺寸的依据。（注意：以上结论成立的条件是气体的运动为层流，即雷诺数小于2000）1降尘室与沉降槽均为气固或液固两相分离设备，它们的生产能力与该设备的（ ）有关，与（ ）无关。2.在长为L，高为H 的降尘室中，颗粒的沉降速度为ut，气体通过降尘室的水平流速为u，则颗粒能在降尘室内分离的条件是：（ ）。 A. L/uH/ut B. L/utH/u C . L/utH/u; D. L/uH/ut 3、欲提高降尘室的生产能力，主要的措施是（ ）。A. 提高降尘室的高度； B. 延长沉降时间； C. 增大沉降面积 4.含尘气体通过长为4 m，宽为3 m，高为1 m的除尘室，已知颗粒的沉降速度为0.03 m/s，则该除尘室的生产能力为 m3/s。5.降尘室的生产能力( )。(A)只与沉降面积A和颗粒沉降速度ut有关(B)与A，uT及降尘室高度H有关(C)只与沉降面积A有关(D)只与ut和H有关6.降尘室宽度增加一倍，其它条件不变，则其生产能力_。A)增加1倍 B)增加2倍 C）不变 D)无法判断二、离心沉降（一）离心沉降速度（理解）小颗粒沉降速度很小，从而用重力沉降难于分离。若将颗粒置于离心场中，则其沉降速度可大大提高，使分离效率提高。粒子在流体中向心方向上受到三个力：离心力、向心力和曳力。当三者合力为0时（即：离心力=向心力+曳力），求得离心沉降速度为：（不要求记忆）（ 切向速度）对细小粒子，其沉降处于斯托克斯区，将该区曳力系数代入上式就得：分离因素公式表明：提高转速和减小旋转半径均可使离心分离因素增大，效率高。1、离心分离机随着转鼓直径的增大其离心分离因数越（ ）。 关于离心分离速度应注意：方向指向外周不是常数，常取平均值，作常数处理只是沉降速度的径向分量，另有切向分量。（二）旋风分离器的原理（理解）设备静止不动，流体在设备内旋转，流体的切向速度可看作为常数。可用于分离气-固体系和液-固体系。前者称为旋风分离器，后者称为旋液分离器。（离心机）原理：含尘气体以较高的线速度沿切向进入，在外筒与排气管之间形成旋转向下的外旋流，到达锥底后以相同的旋向折转向上，形成内旋流，到上部排气管流出。颗粒在内、外旋转流场中受离心力作用向器壁方向抛出，沿壁面下落到排灰口排出，气体得到净化。注意：器内的静压强在管壁附近最高，往中心逐渐降低（往中心动能加大），在气芯处为负压。因此如果出口密封不良，已收集的粉尘会被重新扬起，严重降低分离效率。（三）旋风分离器的性能（理解）主要性能指标为分离效率和流体阻力损失。1、分离效率分离效率是衡量气流在旋风分离器内净化程度的指标。表示方法有两种：总效率和分效率。总效率指旋风分离器除掉的总的颗粒质量占进口含尘气体中全部颗粒质量的分率。分效率（粒级效率）根据颗粒的粒径大小分级，将入口气体中某一粒级di的颗粒被旋风分离器除掉的分率。工业上通常用总效率表示旋风分离器的分离效率。但是有缺陷。工程上更多地采用分割直径d50来评价旋风分离器的性能。d50是粒子分级效率为50%的颗粒直径。2、阻力损失阻力损失包括：气体膨胀或压缩引起的不可逆机械能损失；消耗于气流旋转的加速度损失；摩擦阻力损失以及各部位的局部阻力损失等。阻力损失阻力损失与入口速度成正比，其系数接近定值。分析：通过提高入口速度ut虽然可以提高分离效率，但阻力损失取成平方地增加了，这往往不经济。一般将气体通过旋风分离器的压降控制在0.52kpa，即将入口气速限制在1525m/s范围内，而采取缩小直径、多台并联的方式以满足分离效率与处理大气量的要求。1.评价旋风分离器分离性能的参数主要有：_和 。第三节 过滤【考核知识点和考核要求】了解：过滤介质；滤饼过滤与深层过滤；过滤的操作方式。理解：滤饼的压缩性和助滤剂。掌握：过滤设备；过滤计算。【本节课时分配】1.5节【具体讲授内容】一、过滤操作基本概念（一）过滤介质（了解）定义：利用多孔介质使固液分离的操作。推动力：重力、离心力、压差过滤介质有：织物介质（滤布）、多孔材料、固体颗粒床层、多孔膜（二）滤饼过滤与深层过滤（了解）工业常用过滤方法：深层过滤、滤饼过滤滤饼过滤：（表面过滤）使用织物、多孔材料或膜等作为过滤介质。过滤介质不一定要小于颗粒直径架桥现象。真正起过滤作用的是滤饼本身，所以也称滤饼过滤。适用于含固体量较高（大于1%）的场合。深层过滤：深层过滤一般应用于介质层较厚的滤床类（如沙层、硅藻土等）作为过滤介质。颗粒小于介质孔隙进入到介质内部，在长而曲折的孔道中被截留并附着在介质上。深层过滤无滤饼形成，主要用于净化含固体含量很少的（小于1%）的流体。如水的净化、烟气除尘等。（三）滤饼的压缩性和助滤剂（理解）滤饼分为：可压缩滤饼和不可压缩滤饼。如可压缩，则空隙率减小，导致阻力增加。（对过滤不利，要避免）滤饼的可压缩性用压缩指数s表示，s为一小于1的常数。s越小，滤饼的可压缩性越低。不可压缩滤饼s=0。加助滤剂以增加过滤速率。助滤剂的加法有两种：直接以一定比例加到滤浆中一起过滤。若过滤的目的是回收固体物此法便不适用。将助滤剂预先涂在滤布上，然后再进行过滤。此法称为预涂。助滤剂是一种坚硬而形状不规则的小颗粒，能形成结构疏松而且几乎是不可压缩的滤饼。常用作助滤剂的物质有：硅藻土、珍珠岩、炭粉、石棉粉等。1.助滤剂的作用是 。（A）形成疏松饼层，使滤液得以畅流；（B）帮助介质拦截固体颗粒；（C）使得滤饼密实并具有一定的刚性（D）降低滤液粘度，减少流动阻力；2.对于不可压缩性滤饼，当过滤压差增大时，滤饼的比阻_A)增大B)减小C）不变 D)不确定 （四）过滤的操作方式（了解）分为：间歇式和连续式两种。滤饼过滤包括了过滤、洗涤、卸料和处理过滤介质等三个不同阶段，很多情况下是分阶段间歇操作。不少自动化的过滤机也可以连续操作完成全部或其中部分阶段。即使连续操作，这三个阶段仍然各有其操作特性。二、过滤设备（掌握）（一）板框压滤机原理：通过直接给悬浮液加压而实现过滤。过程：链接板框压滤试验动画板框压滤机是间歇式过滤设备。洗涤液的行程（包括滤饼和滤布）约为过滤终了时滤液行程的2倍，而流通面积却为其1/2，因此，洗涤速率为最终过滤终了速率的1/4；主要适用于含固体量较多的悬浮液过滤。1.板框压滤机洗涤速率与最终过滤速率之比为_。(A) 1 (B)1/2 (C) 1/4 (D)1/3（二）叶滤机叶滤机为间歇式过滤设备。叶滤机的洗涤速度与最终过滤速度相等。1.叶滤机洗涤速率与最终过滤速率的比值为( )。A . 1/2 B. 1/4 C .1/3 D . 1 （三）转筒真空过滤机连续式过滤设备转筒旋转一周，分别完成过滤、洗涤与脱水、吹松和卸渣四步操作。1.回转真空过滤机，整个转鼓回转操作时大致可分为（ ），（ ），（ ）和（ ）四个区域。回转真空过滤机每通过以上四个区域一次，就完成一个工作循环。2.以下过滤机是连续式过滤机( )。(A)箱式叶滤机 (B)真空叶滤机 (C)回转真空过滤机 (D)板框压滤机三、过滤计算（掌握）（一）过滤基本方程过滤速度的定义：单位时间内通过单位过滤面积的滤液量，即过滤通量。（代表过滤设备生产强度的关键参数）过滤通量遵循如下规律：（滤液在滤饼空隙中的流动属于层流）经过一系列的推导，得到过滤基本方程：令滤饼常数则过滤基本方程为： 式中：A过滤面积；=+（滤饼压降+过滤介质的压降）s恒小于1的滤饼压缩指数滤饼在单位压差下的比阻与单位体积滤液相当的滤饼体积流体的黏度滤液体积滤饼当量滤液体积（过滤介质转化为滤饼的厚度Le，Le厚度下相当于滤液的体积）由过滤基本方程可知：随着过滤介质表面上的滤饼层厚度的增加（滤液体积与之成正比增加），过滤阻力也随之增加，若保持过