《食品工程原理》课件 第二章 非均相混合物分离

第二章

非均相混合物的分离1第二章

非均相混合物的分离2第二章

非均相混合物的分离本章重点：（1）沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算和相关典型设备的选型。（2）过滤操作的原理，恒压过滤的计算、过滤常数的测定。（3）固体流态化的基本概念、流化床的主要特征及操作特性。本章难点：如何将理论上讨论的颗粒与流体间相对运动问题，运用于实现非均相物系分离、固体流态化技术及固体颗粒的气力输送等工业过程？3第二章

非均相混合物的分离主要内容2.1固体颗粒特性2.2固体颗粒在流体中运动时的阻力2.3沉降分离2.4过滤4第二章

非均相混合物的分离前言分离：根据混合物性质的不同采用不同的方法

混合物物系内各处组成均匀且不存在相界面。传质分离方法：蒸馏、吸收均相混合物非均相混合物

过程工业中，经常需将混合物加以分离。由两相或两相以上构成，相界面两侧物质的性质截然不同。机械方法分离。锅炉尾气除尘5第二章

非均相混合物的分离前言

非均相混合物由具有不同物理性质（如密度、黏度等）的分散物质和连续介质组成。处于分散状态的物质，如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡，称为分散相；包围分散物质且处于连续状态的物质称为分散介质或连续相。

非均相混合物的分离就是将不同的相分开，通常采用能耗较低的机械方法加以分离。6第二章

非均相混合物的分离

非均相混合物的分离的目的：（1）净化分散介质:原料气，废气、废液（2）回收分散物质本章只讨论分离非均相混合物所采用的机械分离方法。7第二章

非均相混合物的分离2.1固体颗粒特性主要参数：颗粒的形状、大小（体积）和表面积一、单一颗粒特性用直径（粒径）d表示大小颗粒体积V＝？颗粒表面积S＝？比表面积a＝？1.球形颗粒8第二章

非均相混合物的分离2.非球形颗粒（1）当量直径-根据实际颗粒与球体的某种等效性确定（2）形状系数（球形度）φs体积当量粒径de：实际颗粒的体积等于当量球形颗粒的体积表征颗粒的形状与球形的差异程度。定义式：φs=S/Sp

φs＜1

颗粒形状与球形差异越大，其值越小。

球形颗粒：其值等于1

9第二章

非均相混合物的分离颗粒体积＝？颗粒表面积＝？比表面积＝？

非球形颗粒，必须有两个参数才能确定其特性：

体积当量直径和形状系数10第二章

非均相混合物的分离二、颗粒群的特性---粒度分布和平均直径粒度分布：不同粒径范围内所含粒子的个数或质量。

筛分：泰勒标准筛，目数越大，孔径越小。

目数：一般指在1in×1in的面积内有多少网孔数，即筛网的网孔数。如200目，该物料能通过1in×1in内有200个网孔的筛网。目数越大，物料粒度越细；目数越小，物料粒度越粗。11第二章

非均相混合物的分离2.2固体颗粒在流体中运动时的阻力曳力或阻力：当流体以一定的速度绕过静止的固体颗粒流动时，黏性流体会对颗粒施加一定的阻力；反之，当固体颗粒在静止流体中移动时，流体同样会对颗粒施加作用力，这两种情况的作用力性质相同，称为~12第二章

非均相混合物的分离图流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反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。爬流(Creepingflow)：来流速度很小，流动很缓慢，颗粒迎流面与背流面的流线对称。13第二章

非均相混合物的分离

仿照管路阻力的计算，阻力与相对运动速度的平方成正比。——阻力系数（曳力系数）

、

——流体特性dp、u——颗粒特性颗粒在运动方向上的投影面积流体相对于颗粒运动时的雷诺数Ret14第二章

非均相混合物的分离不同球形度颗粒的实测数据如图3-2所示15第二章

非均相混合物的分离①层流区(Stokes区)

②过渡区(Allen区)

③湍流区(牛顿区)

球形颗粒，各区域的曲线可用不同的计算式表示：准确近似16第二章

非均相混合物的分离2.3沉降分离(Sedimentation)原理及设备沉降：在某种力场中利用分散相和连续相间密度之差，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。分为重力沉降和离心沉降。一、重力沉降（Gravitationalsedimentation）

在重力场中利用连续相与分散相的密度差异而产生相对运动，使两相得以分离的过程称为重力沉降。17第二章

非均相混合物的分离

d，

s的球形颗粒，在密度为

的流体中自由沉降1.光滑球形颗粒在静止流体中的自由沉降Fb

浮力Fd

阻力

Fg

重力

以重力的方向为正方向自由沉降：颗粒浓度低，分散好，沉降过程中互不碰撞、互不影响。颗粒下沉18第二章

非均相混合物的分离重力：（N）浮力：（N）阻力：（N）阻力系数

t

u

u0加速段匀速段19第二章

非均相混合物的分离Fb

浮力Fd

阻力

Fg

重力颗粒做匀速运动，沉降速度恒定不变，该速度称为自由沉降速度。达到恒定的沉降速度时，合力为：（球形颗粒的自由沉降速度）20第二章

非均相混合物的分离（1）颗粒直径越大，沉降速度越大，大直径颗粒较小直径颗粒更容易沉降；（2）固体与流体的密度差越大，沉降也越快这正是非均相混合物机械分离的基本依据。影响沉降速度的其他因素：颗粒的体积分数：颗粒间相互作用明显壁效应：靠近器壁处沉降速度小于自由沉降速度颗粒形状的影响：球形或近球形颗粒>同体积的非球形颗粒讨论：21第二章

非均相混合物的分离

通过实验得到阻力系数与雷诺数的关系绘成算图,将他们回归成关联式为：

②过渡区（Allen区，1<Ret<1000）

③湍流区（牛顿区，1000<Ret）①层流区（Stokes区，10-4<Ret<1）

（Stokes定律）22第二章

非均相混合物的分离试差计算法步骤：假设沉降处于某一区域；计算ut；计算Re，校验区域；若符合，则正确，否则重新假设区域。23第二章

非均相混合物的分离2重力沉降设备1）降尘室（用于从气流中分离出尘粒的设备）

24第二章

非均相混合物的分离工作原理

沉降运动时间≤气体停留时间

分离降尘室最高点的颗粒所需沉降时间θt=H/ut气体在降尘室内停留时间θ=L/u

分离满足的条件（除尘条件）：θt≤θ讨论各因素对除尘优劣的影响。（H,L,d,Vs,操作条件等）25第二章

非均相混合物的分离分离所需最低沉降速度

即：Vs≤utA→除尘条件降尘室的生产能力：单位时间内通过降尘室的含尘气体的体积流量。即:Vs=BHu停留时间=沉降时间，有Lut=HuVs=BHu=BLut=AutA:降尘室底面积26第二章

非均相混合物的分离一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与底面积BL和ut有关，而与H无关。故沉降室应做成扁平形，或在室内均匀设置多层隔板,构成多层降尘室。气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把沉下来的尘粒重新卷起。一般u不超过3m/s。降尘室设计27第二章

非均相混合物的分离多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体若加入n个隔板，则：

生产能力—n倍提高！

工业上，隔板间距离一般为40～100mm。分离粒径为50-75微米的颗粒28第二章

非均相混合物的分离例3-2

拟采用降尘室回收常压炉气中所含的球形固体颗粒。降尘室底面积为10m2，宽和高均为2m。操作条件下，气体的密度为0.75kg/m3,黏度为2.6×10-5Pa·s；固体的密度为3000kg/m3

；降尘室的生产能力为3m3/s。试求：（1）理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径；（2）粒径为40微米的颗粒的回收率；（3）如欲完全回收直径为10微米的尘粒，在原降尘室内需设置多少层水平隔板？分析：29第二章

非均相混合物的分离解：（1）理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径在降尘室中能够完全被分离出来的最小颗粒的沉降速度为利用试差法。假定沉降在层流区，则用斯托克斯公式求最小颗粒直径，即：检验：所以上述假设成立，计算有效。30第二章

非均相混合物的分离（2）粒径为40微米的颗粒的回收率假设颗粒在炉气中分布是均匀的，则在气体的停留时间内颗粒的沉降高度与降尘室高度之比即为该尺寸颗粒的回收率31第二章

非均相混合物的分离（3）在原降尘室内需设置多少层水平隔板？由上面的计算可知，10微米颗粒的沉降必在层流区，可用斯托克斯公式计算沉降速度，即所以：取47层水平隔板隔板间距为32第二章

非均相混合物的分离

复核气体在多层降尘室内的流型：若忽略隔板厚度所占的空间，则气体的流速为：又因为：所以：即气体在降尘室内的流动为层流，设计合理33第二章

非均相混合物的分离2）沉降槽

提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体的重力沉降设备，又称增浓器或澄清器。可间歇或连续操作。

适用于处理量大而浓度不高且颗粒不慎细微的悬浮料浆。污水处理34第二章

非均相混合物的分离3）分级器（主要用于液固体系，矿产业）

利用不同粒径或不同密度的颗粒在流体中的沉降速度不同这一原理来实现它们分离的设备称为分级器

将沉降速度不同的两种颗粒倾倒到向上流动的水流中，若水的速度调整到在两者的沉降速度之间，则沉降速度较小的那部分颗粒便被漂走分出。35第二章

非均相混合物的分离2.4过滤分离原理及设备1、过滤操作原理2、过滤基本方程3、过滤过程计算：恒压过滤、恒速过滤4、过滤常数的测定5、过滤设备36第二章

非均相混合物的分离过滤介质:过滤采用的多孔物质；滤浆:所处理的悬浮液；滤液:通过多孔通道的液体；滤饼或滤渣:被截留的固体物质。

以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。一、过滤操作的基本概念

1过滤(filtration)

第二章

非均相混合物的分离滤浆(slurry)：原悬浮液。滤饼(filtercake)：截留的固体物质。过滤介质(filteringmedium)：多孔物质。滤液(filterate)：通过多孔通道的液体。过滤操作示意图(滤饼过滤)第二章

非均相混合物的分离

滤饼过滤过程：

刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液澄清。所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身，而非过滤介质。2.过滤方式第二章

非均相混合物的分离过滤的操作基本方式有两种：滤饼过滤和深层过滤。2.1滤饼过滤(cakefiltration)：饼层过滤架桥现象注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能够过发生。饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液。第二章

非均相混合物的分离特点：颗粒(粒子)沉积于介质内部。深层过滤过滤对象：悬浮液中的固体颗粒小而少。过滤介质：堆积较厚的粒状床层。过滤原理：颗粒尺寸

介质通道尺寸，颗粒通过细长而弯曲的孔道，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上。应用：适于处理生产能力大而悬浮液中颗粒小而且含量少的场合，如水处理和酒的过滤。2.2深层过滤(deepbedfiltration)：深床过滤第二章

非均相混合物的分离织物介质(又称滤布)

由棉、毛、麻、丝等天然纤维及合成纤维制成的织物，以及玻璃丝、金属丝等织成的网；过滤介质的分类：堆积介质

由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成，多用于深床过滤；多孔固体介质

这类介质具有很多细微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量细微颗粒的悬浮液，如白酒等的精滤。3.过滤介质第二章

非均相混合物的分离过滤介质应具有如下性质：

过滤介质的作用(滤饼过滤)：促使滤饼的形成，并支承滤饼。（1）多孔性，液体流过的阻力小；（2）有足够的强度；（3）耐腐蚀性和耐热性；（4）孔道大小适当，能发生架桥现象。第二章

非均相混合物的分离不可压缩滤饼：若颗粒由不易变形的坚硬固体组成，则当压强差增大时，滤饼的结构不发生明显变化，单位厚度滤饼的流动阻力可视作恒定，这类滤饼称为不可压缩滤饼。

随着过滤的进行，滤饼的厚度增大，滤液的流动阻力亦逐渐增大，导致滤饼两侧的压强差增大。滤饼的压缩性对压强差有较大影响。可压缩滤饼：若滤饼为胶体物质时，当压强差增大时，滤饼则被压紧，使单位厚度滤饼的流动阻力增大，此类滤饼称为可压缩滤饼。

4.滤饼的压缩性和助滤剂第二章

非均相混合物的分离助滤剂：对于可压缩滤饼，为了使过滤顺利进行，可以将质地坚硬而能形成疏松滤饼的另一种固体颗粒混入悬浮液或预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使得滤液畅流，该种颗粒状物质就称为助滤剂。常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩、石棉、炭粉等。助滤剂的基本要求：（1）能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及较低的流体阻力。（2）具有化学稳定性。（3）在操作压强范围内具有不可压缩性。第二章

非均相混合物的分离

dpde

对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直径为de的细管，而细管的当量直径可由床层的空隙率和颗粒的比表面积来计算。二、过滤的基本理论

1.滤液通过饼层的流动第二章

非均相混合物的分离①细管内表面=床层颗粒的全部表面②细管的总体积=床层空隙体积颗粒床层的特性可用空隙率、当量直径等物理量来描述。空隙率：单位体积床层中的空隙体积称为空隙率。式中ε——床层的空隙率，m3/m3。式中α——颗粒的比表面，m2/m3。比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积称为比表面积。2.颗粒床层的特性第二章

非均相混合物的分离依照第一章中非圆形管的当量直径定义，当量直径为：式中de——床层流道的当量直径，m故对颗粒床层直径应可写出：第二章

非均相混合物的分离

滤液通过饼层的流动常属于滞流流型，可以仿照圆管内滞流流动的泊稷叶公式(哈根方程)来描述滤液通过滤饼的流动，则滤液通过饼床层的流速与压强降的关系为：式中u1—滤液在床层孔道中的流速，m/s；

L—床层厚度，m,

Δpc—滤液通过滤饼层的压强降，pa；

阻力与压强降成正比，因此可认为上式表达了过滤操作中滤液流速与阻力的关系。第二章

非均相混合物的分离

在与过滤介质相垂直的方向上，床层空隙中的滤液流速u1与按整个床层截面积计算的滤液平均流速u之间的关系为：

上式中的比例常数K′与滤饼的空隙率、颗粒形状、排列及粒度范围诸因素有关。对于颗粒床层内的滞流流动，K′值可取为5。第二章

非均相混合物的分离式中V——滤液量，m3；

θ——过滤时间，s；

A——过滤面积，m2。过滤速率为：任一瞬间的过滤速度为：过滤速度:

单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，m3/m2

s。过滤速率:

单位时间内获得的滤液体积，m3/s。3过滤速率第二章

非均相混合物的分离R——滤饼阻力，1/m,其计算式为：

对于不可压缩滤饼，滤饼层中的空隙率ε可视为常数，颗粒的形状、尺寸也不改变，因而比表面a亦为常数，则有式中r——滤饼的比阻，1/m2,其计算式为：R=rL4滤饼阻力第二章

非均相混合物的分离比阻r单位厚度滤饼的阻力；在数值上等于粘度为1Pa·s的滤液以1m/s的平均流速通过厚度为1m的滤饼层时所产生的压强降；比阻反映了颗粒特性(形状、尺寸及床层空隙率)对滤液流动的影响；床层空隙率ε愈小及颗粒比表面a愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻滞作用也愈大。第二章

非均相混合物的分离

通常把过滤介质的阻力视为常数，仿照滤液穿过滤饼层的速度方程则可写出滤液穿过过滤介质层的速度关系式：式中Δpm——过滤介质上、下游两侧的压强差，Pa；

Rm——过滤介质阻力，l/m

由于很难划定过滤介质与滤饼之间的分界面，更难测定分界面处的压强，在操作过程中总是把过滤介质与滤饼联合起来考虑。5.过滤介质的阻力第二章

非均相混合物的分离

通常，滤饼与滤布的面积相同。所以两层中的过滤速度应相等，则：

上式表明，可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来表示过滤推动力，用两层的阻力之和来表示总阻力。式中：Δp—滤饼与滤布两侧的总压强差，称为过滤压强差。第二章

非均相混合物的分离

假设：厚度为Le的滤饼产生的阻力与滤布相同，而过程仍能完全按照原来的速率进行，则：rLe=Rm

在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，Le为定值；但同一介质在不同的过滤操作中，Le值不同。式中Le——过滤介质的当量滤饼厚度，或称虚拟滤饼厚度，m。

第二章

非均相混合物的分离式中：v—滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次。LA=vV

若每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为vm3，则任一瞬间的滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积V之间的关系为：

同理，如生成厚度为Le的滤饼所应获得的滤液体积以Ve来表示，则式中Ve——过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3。三、过滤基本方程式第二章

非均相混合物的分离

注意：在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定的悬浮液时，Ve为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，Ve不同。上式适用于不可压缩滤饼。

第二章

非均相混合物的分离对于可压缩滤饼其比阻r与压强差有关。上式称为过滤基本方程式，它对各种过滤情况均适用。式中r′——单位压强下滤饼的比阻，1/m2

Δp——过滤压强差，pas——滤饼的压缩性指数，无因此。一般情况下，

s=0~1。对于不可压缩滤饼，s=0。根据上两式可得r=r′(Δp)s第二章

非均相混合物的分离定义：过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。滤饼不断变厚；阻力逐渐增加；推动力Δp恒定；过滤速率逐渐变小。过滤操作的两种典型方式：恒压过滤和恒速过滤。特点：四、恒压过滤第二章

非均相混合物的分离对于一定的悬浮液，若μ、r′及v可视为常数，令(V+Ve)dV=kA2Δp1-sd

式中：k——表征过滤物料特性的常数，m4/（N

s）。过滤基本方程可写成：恒压过滤方程式的推导第二章

非均相混合物的分离积分条件

=0,V=0;

=

e,V=Ve;

=

,V=V(1)和(2)式都称为恒压过滤方程式。令K=2kΔp1-s当

=0时，则V=0(V+Ve)2=KA2(

+

e)（1）Ve2=KA2

eV2+2VVe=KA2

（2）第二章

非均相混合物的分离又令q=V/A，qe=Ve/A

恒压过滤方程式中的K称为过滤常数，由物料特性及过滤压强差决定。

恒压过滤时V~

的关系

ooe

e

+

e

+

ebV+VeVV+VeVVe

(q+qe)2=K(

+

e)q2+2qqe=K

上两式也称为恒压过滤方程式。第二章

非均相混合物的分离若维持过滤速率恒定，这样的过滤操作方式称为恒速过滤。恒速过滤时q-

（或V-

）关系为一直线。

q=uR

V=uRA

恒速过滤时的过滤速度为：五、恒速过滤第二章

非均相混合物的分离

在一定的操作条件下，μ、r、v、uR、qe均为常数，故有：对不可压缩滤饼，由过滤基本方程可写出：

上式表明：对于不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其压强差随过滤时间成直线增加。所以，在实践中很少采用完全恒速过滤的方法。

Δp=μrvuR2θ+μrvuRqe=a

+b

第二章

非均相混合物的分离先恒速后恒压过滤是工业中常用的一种过滤方法。

在过滤时间从0到

R时，计算方法与恒速过滤相同。而从时间

R

到

时，得到的滤液量从VR到V，故积分式为：操作过程：开始，从0到

R

时，采用恒速过滤，可在阻力还不太高时获得较多的滤液。从

R到

时，改为恒压过滤，以免压强过高。六、先恒速后恒压过滤第二章

非均相混合物的分离积分并将K=2kΔp1-s代入得

特别注意：上两式中V为获得的总滤液量，而不是恒压阶段获得的滤液量。第二章

非均相混合物的分离几种操作方式下的过滤方程恒压过滤恒速过滤先恒速后恒压(V+Ve)2=KA2(

+

)eq=uR

(V2-VR2)+2Ve(V-VR)=KA2(

-

R)V2+2VVe=KA2

V=uRA

(q2-qR2)+2qe(q-qR)=K(

-

R)(q+qe)2=K(

+

e)Δp=a

+bq2+2qqe=K

第二章

非均相混合物的分离上式表明：d

/dq与q成直线关系，直线斜率为2/K，截距为2qe/K2(q+qe)dq=Kd

(q+qe)2=K(

+

e)微分上式得qd

/dt2qe/K由斜率=2/K，求出K;由截距=2qe/K，求出qe；由q2+2qqe=K

，

=0，q=0，求出

e=

qe2/K。测定时采用恒压试验，恒压过滤方程为：

七、过滤常数的测定第二章

非均相混合物的分离

工业上使用的典型过滤设备：按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过