03食品工程原理.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,均相物系(honogeneoussystem):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：,非均相物系(non-honogeneoussystem):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,分散相：分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。,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。,非均相物系的分离原理：,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。,非均相物系的分离方法：,均相物系的分离：,定义：,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。,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。,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（dragforce)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，Re1）,注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个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，500Re1.5105）,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（freesettling）：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、重力沉降重力沉降(gravitysettling)：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,根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:,p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增到一定数值ui时，du/d=0。颗粒开始作匀速沉降运动。,上式表明：,颗粒的沉降过程分为两个阶段：,沉降速度（terminalvelocity）：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=ut，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沉降速度分别为：,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。,计算Re，核算流型：,假设正确，计算有效。,解：在20的水中：20水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.00510-3Pas,先设为层流区。,1)颗粒直径dp:,应用：啤酒生产，采用絮状酵母，dput，使啤酒易于分离和澄清。均质乳化，dput，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ut，易于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使ut，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。,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，但在层流区不明显。ut非球4050m5m，dpc50=12m0.5m达90%,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。,4旋液分离器(hydrauliccyclone),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：,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。,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,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-bowlcentrifuge）,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。,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-bowlcen