3食品工程原理ppt課件

1、 p均相物系均相物系(honogeneous system): 均相混均相混合物。物系內部各處均勻且無相界面。如合物。物系內部各處均勻且無相界面。如溶液和混合氣體都是均相物系。溶液和混合氣體都是均相物系。自然界的混合物分為兩大類：自然界的混合物分為兩大類：p非均相物系非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混合物。物系內部有隔開不同相的非均相混合物。物系內部有隔開不同相的界面存在，且界面兩側的物料性質有顯著界面存在，且界面兩側的物料性質有顯著差異。如：懸浮液、乳濁液、泡沫液屬于差異。如：懸浮液、乳濁液、泡沫液屬于液態(tài)非均相物系，含塵氣體、含霧氣體屬液態(tài)非均相物系，含

2、塵氣體、含霧氣體屬于氣態(tài)非均相物系。于氣態(tài)非均相物系。p分散相：分散相： 分散物質。在非均相物系中，處于分散分散物質。在非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質。狀態(tài)的物質。p連續(xù)相：連續(xù)相： 分散介質。包圍著分散物質而處于連續(xù)分散介質。包圍著分散物質而處于連續(xù)狀態(tài)的流體。狀態(tài)的流體。 要實現(xiàn)分離，必須使分散相和連續(xù)相之間發(fā)生相對運動。要實現(xiàn)分離，必須使分散相和連續(xù)相之間發(fā)生相對運動。因而，非均相物系的分離操作遵循流體力學的基本規(guī)律。因而，非均相物系的分離操作遵循流體力學的基本規(guī)律。p非均相物系的分離原理：非均相物系的分離原理： p非均相物系分離的理論基礎：非均相物系分離的理論基礎：根據(jù)兩相物理性質根

3、據(jù)兩相物理性質( (如密度等如密度等) )的不同而進行的分離。的不同而進行的分離。 由于非均相物的兩相間的密度等物理特性差異較由于非均相物的兩相間的密度等物理特性差異較大，因此常采用機械方法進行分離。按兩相運動方式大，因此常采用機械方法進行分離。按兩相運動方式的不同，機械分離大致分為沉降和過濾兩種操作。的不同，機械分離大致分為沉降和過濾兩種操作。 通常先造成一個兩相物系，再用機械分離的方法分通常先造成一個兩相物系，再用機械分離的方法分離，如蒸餾，萃取等。離，如蒸餾，萃取等。p非均相物系的分離方法：非均相物系的分離方法：p均相物系的分離：均相物系的分離：p 定義：定義：p沉降力場：重力、離心力。

4、沉降力場：重力、離心力。 在某種力場的作用下，利用分散物質與分散在某種力場的作用下，利用分散物質與分散介質的密度差異，使之發(fā)生相對運動而分離的介質的密度差異，使之發(fā)生相對運動而分離的單元操作。單元操作。p 沉降操作分類：重力沉降、離心沉降。沉降操作分類：重力沉降、離心沉降。在工業(yè)中的應用：在工業(yè)中的應用：液體的澄清；懸浮液的增稠；液體的澄清；懸浮液的增稠；顆粒的分級或分離。顆粒的分級或分離。圖圖 流體繞過顆粒的流動流體繞過顆粒的流動uFdFd與顆粒運動的方向相反與顆粒運動的方向相反 當流體相對于靜止的固體顆粒流動時，或者固體顆粒在靜止當流體相對于靜止的固體顆粒流動時，或者固體顆粒在靜止流體中移

5、動時，由于流體的粘性，兩者之間會產(chǎn)生作用力，這流體中移動時，由于流體的粘性，兩者之間會產(chǎn)生作用力，這種作用力通常稱為曳力種作用力通常稱為曳力drag force)或阻力?；蜃枇ΑＶ灰w粒與流體之間有相只要顆粒與流體之間有相對運動，就會產(chǎn)生阻力。對運動，就會產(chǎn)生阻力。對于一定的顆粒和流體，對于一定的顆粒和流體，只要相對運動速度相同，流只要相對運動速度相同，流體對顆粒的阻力就一樣。體對顆粒的阻力就一樣。 流體密度； 流體粘度； dp顆粒的當量直徑； A 顆粒在運動方向上的投影面積； u 顆粒與流體相對運動速度。 阻力系數(shù)，是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，由實驗確定。22uAFd)()(udRpe顆粒所受的阻力

6、顆粒所受的阻力Fd可用下式計算可用下式計算 tRe/246 . 0Re/5 .18t44.0層流區(qū)斯托克斯層流區(qū)斯托克斯StokesStokes區(qū)，區(qū)，Re1Re1） 注意：其中斯托克斯區(qū)的計算式是準確的，其它兩個區(qū)域注意：其中斯托克斯區(qū)的計算式是準確的，其它兩個區(qū)域的計算式是近似的。的計算式是近似的。還與顆粒的球形度還與顆粒的球形度有關有關.過渡區(qū)艾侖過渡區(qū)艾侖AllenAllen區(qū)，區(qū)，1Re5001Re500）湍流區(qū)牛頓湍流區(qū)牛頓NewtonNewton區(qū)，區(qū)，500Re1.5500Re1.5105105） 自由沉降自由沉降free settling）：）： 單個顆粒在流體中沉單個顆粒在

7、流體中沉降，或者顆粒群在流體中分散得較好而顆粒之間互不降，或者顆粒群在流體中分散得較好而顆粒之間互不接觸互不碰撞的條件下沉降。接觸互不碰撞的條件下沉降。 ddumFFFdbg243)(udgddupppp根據(jù)牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運動基本方程式應為根據(jù)牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運動基本方程式應為:u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb2422udFpdgdFppg36gdFpb36 p p為顆粒密度為顆粒密度 隨著顆粒向下沉降，隨著顆粒向下沉降，u逐漸增大，逐漸增大，du/d 逐漸減少。逐漸減少。 當當u增到一定數(shù)值增到一定數(shù)值ui時，時，du/d =0。顆粒開始作勻速沉降運動。

8、顆粒開始作勻速沉降運動。3)(4pptgdu上式表明：上式表明：顆粒的沉降過程分為兩個階段：顆粒的沉降過程分為兩個階段：沉降速度沉降速度terminal velocity） ：也稱為終端速度，勻速階：也稱為終端速度，勻速階段顆粒相對于流體的運動速度。段顆粒相對于流體的運動速度。 當當du/d =0時，令時，令u= ut，則可得沉降速度計算，則可得沉降速度計算式式加速階段；加速階段；勻速階段。勻速階段。 將不同流動區(qū)域的阻力系數(shù)分別代入上式，得球形顆粒在各將不同流動區(qū)域的阻力系數(shù)分別代入上式，得球形顆粒在各區(qū)相應的沉降速度分別為：區(qū)相應的沉降速度分別為： 層流區(qū)Re1）18)(2ppgdtupp

9、tdgu3122225)(4ppdgtu)(3過渡區(qū)過渡區(qū)1Re5001Re500）湍流區(qū)湍流區(qū)500Re1.5500Re1.5105105）utut與與dpdp有關。有關。dpdp愈大，愈大，utut則愈大。則愈大。層流區(qū)與過渡區(qū)中，層流區(qū)與過渡區(qū)中，utut還與流體粘度有關。還與流體粘度有關。液體粘度約為氣體粘度的液體粘度約為氣體粘度的5050倍，故顆粒在液體中的沉降速倍，故顆粒在液體中的沉降速度比在氣體中的小很多。度比在氣體中的小很多。 假設流體流動類型；假設流體流動類型； 計算沉降速度；計算沉降速度； 計算計算ReRe，驗證與假設是否相符；，驗證與假設是否相符； 如果不相符，則轉。如果

10、相符，如果不相符，則轉。如果相符，OK !OK !求沉降速度通常采用試差法。求沉降速度通常采用試差法。例：計算直徑為例：計算直徑為9595m m，密度為，密度為3000kg/m33000kg/m3的固體顆的固體顆粒分別在粒分別在20 20 的空氣和水中的自由沉降速度。的空氣和水中的自由沉降速度。smugdtpp/10797. 9310005. 11881. 9)2 .9983000()1098(18)(362計算計算Re，核算流型：，核算流型：19244. 0Re33610005. 12 .99810797. 91095udp假設正確，計算有效。假設正確，計算有效。解：在解：在20 20 的水

11、中：的水中： 20 20 水的密度為水的密度為998.2kg/m3998.2kg/m3，粘度為，粘度為1.0051.00510-3 Pa10-3 Pas s先設為層流區(qū)。先設為層流區(qū)。 18)(2ppgdtu1) 1) 顆粒直徑顆粒直徑dp:dp:應用：應用：啤酒生產(chǎn)，采用絮狀酵母，啤酒生產(chǎn)，采用絮狀酵母，dput，使啤酒易于分離和澄，使啤酒易于分離和澄清。清。均質乳化，均質乳化， dput，使飲料不易分層。，使飲料不易分層。加絮凝劑，如水中加明礬。加絮凝劑，如水中加明礬。2) 2) 連續(xù)相的粘度連續(xù)相的粘度：應用：應用：加酶：清飲料中添加果膠酶，使加酶：清飲料中添加果膠酶，使 ut，易，易于

12、分離。于分離。增稠：濃飲料中添加增稠劑，使增稠：濃飲料中添加增稠劑，使 ut，不，不易分層。易分層。加熱：加熱：3) 兩相密度差兩相密度差( p-)：4) 顆粒形狀顆粒形狀在實際沉降中：在實際沉降中：非球形顆粒的形狀可用球形度非球形顆粒的形狀可用球形度s 來描述。來描述。pSSs s 球形度；球形度；S 顆粒的表面積，顆粒的表面積，m2；Sp 與顆粒體積相等的圓球的表面積，與顆粒體積相等的圓球的表面積，m2。 不同球形度下阻力系數(shù)與不同球形度下阻力系數(shù)與Re的關系見課本圖示，的關系見課本圖示，Re中的中的dp用當量直用當量直徑徑de代替。代替。球形度球形度s s越小，阻力系數(shù)越小，阻力系數(shù) 越

13、大，但在層流區(qū)不明顯。越大，但在層流區(qū)不明顯。utut非非球球utut球球 。對于細微顆粒對于細微顆粒(d0.5(d5 m，dpc50=12 m 。例：溫度為例：溫度為20，壓力為，壓力為0.101Mpa，流量為，流量為2.5m3/s的含塵空的含塵空氣，用標準旋風分離器除塵。粉塵密度為氣，用標準旋風分離器除塵。粉塵密度為2500kg/m3，試，試計算臨界粒徑。選擇合適的旋風分離器，使之能計算臨界粒徑。選擇合適的旋風分離器，使之能100%的分的分離出離出6.5m以上的粉塵。并計算壓損。以上的粉塵。并計算壓損。解：解： 20，0.101Mpa時空氣的：時空氣的： =1.21kg/m3，=1.811

14、0-5Pas1 1、確定進口氣速：、確定進口氣速：ui=20m/s (15-20m/s)ui=20m/s (15-20m/s)2 2、計算、計算D D和和b b：流量：流量 V=Aui=Bhu B=D/5,h=3D/5 V=Aui=Bhu B=D/5,h=3D/5 2.5=(D/5) 2.5=(D/5)(3D/5)(3D/5)20 20 D=1.041m D=1.041m 取取 D=1100 mm D=1100 mm此時此時550,160,220,1200,1100121DhBHDHsmuhBVi/2 .17)5/ 1 . 13()5/ 1 . 1 (5 . 23、 求求dpcmuNBdipp

15、c3 . 73)(32 .172500514. 322. 01081. 15kPaupi49.121.13 .82/22 .17223.8302121HHDDBh4、求、求p5、 求求D，使，使dpc=6.5 mmuNBdBippc5 . 63)(32 .172500514. 31081. 15B=0.175，D=5B ，h=3D/5=3B=0.525，取，取ui=17m/s 17525. 0175. 05 . 2xx=1.6，取，取x=2D=5B=0.875，取，取D=800mm6、 校核校核)/2015(/25.16)5/8 . 03()5/8 . 0(2/5 . 2smsmuhBVi所以

16、，所選分離器適用。所以，所選分離器適用。由由 V=bhu，b=D/5，h=3D/5，得，得調節(jié)流量實現(xiàn)調節(jié)流量實現(xiàn)由于分離器各部分的尺寸都是由于分離器各部分的尺寸都是D D的倍數(shù)，所以只要進口氣速的倍數(shù)，所以只要進口氣速uiui相同，不管多大的旋風分離器，其壓力損失都相同。相同，不管多大的旋風分離器，其壓力損失都相同。ippcuNBd)(3壓力損失相同時，小型分離器的壓力損失相同時，小型分離器的b=D/5b=D/5值較小，則小型分離值較小，則小型分離器的臨界粒徑較小。器的臨界粒徑較小。雙聯(lián)雙聯(lián)四聯(lián)四聯(lián) 用若干個小旋風分離器并來代替一個大旋風分離器，可以用若干個小旋風分離器并來代替一個大旋風分離

17、器，可以提高分離效率。提高分離效率?；覊m灰塵凈化氣體凈化氣體含塵氣體含塵氣體 構造構造 濾袋、骨架、機濾袋、骨架、機殼、清灰裝置、灰斗、殼、清灰裝置、灰斗、排灰閥。排灰閥。2. 工作過程工作過程含塵氣體進入袋濾器；含塵氣體進入袋濾器；氣體通過濾袋，經(jīng)頂部氣體通過濾袋，經(jīng)頂部排出；排出；灰塵被截留；灰塵被截留；聚集一定厚度灰塵后，聚集一定厚度灰塵后，壓縮空氣通入，濾袋振動，壓縮空氣通入，濾袋振動，灰塵落下；灰塵落下；灰塵經(jīng)過排灰閥排除?；覊m經(jīng)過排灰閥排除。壓縮空氣壓縮空氣骨架骨架濾袋濾袋機殼機殼清灰裝置清灰裝置排灰閥排灰閥灰斗灰斗清灰原則清灰原則及時清灰；及時清灰；不徹底清灰。不徹底清灰。 含塵

18、氣體的分離系統(tǒng)含塵氣體的分離系統(tǒng)4050 m 5 m，dpc50=12 m 0.5 m達達90%灰塵灰塵含塵氣體含塵氣體凈化氣體凈化氣體灰塵灰塵灰塵灰塵重力沉降室重力沉降室旋風分離器旋風分離器袋濾器袋濾器離心風機離心風機 利用離心力的作用，使懸浮液中固體顆粒增稠或使粒徑不同及密度不同利用離心力的作用，使懸浮液中固體顆粒增稠或使粒徑不同及密度不同的顆粒進行分級。的顆粒進行分級。結構和工作原理：結構和工作原理：與旋風分離器相似。與旋風分離器相似。l懸浮液從圓筒上部的切向進口進入器內，旋轉向下流動。懸浮液從圓筒上部的切向進口進入器內，旋轉向下流動。工作過程：工作過程：l液流中的顆粒受離心力作用，沉降

19、到器壁，并隨液流下降液流中的顆粒受離心力作用，沉降到器壁，并隨液流下降到錐形底的出口，成為較稠的懸浮液而排出，稱為底流。到錐形底的出口，成為較稠的懸浮液而排出，稱為底流。l澄清的液體或含有較小較輕顆粒的液體，則形成向上的內澄清的液體或含有較小較輕顆粒的液體，則形成向上的內旋流，經(jīng)上部中心管從頂部溢流管排出，稱為溢流。旋流，經(jīng)上部中心管從頂部溢流管排出，稱為溢流。 液體的粘度約為氣體的液體的粘度約為氣體的50倍，液體的倍，液體的(p-)比氣體的小，懸比氣體的小，懸浮液的進口速度也比含塵氣體的小，所以同樣大小和密度的顆粒，浮液的進口速度也比含塵氣體的小，所以同樣大小和密度的顆粒，沉降速度遠小于含塵

20、氣體在旋風分離器中的沉降速度。沉降速度遠小于含塵氣體在旋風分離器中的沉降速度。 要達到同樣的臨界粒徑要求，則旋液分離器的直徑要比旋風分離要達到同樣的臨界粒徑要求，則旋液分離器的直徑要比旋風分離器小很多。器小很多。 特點特點旋液分離器的圓筒直徑一般為旋液分離器的圓筒直徑一般為75300mm。懸浮液進口速度一般為懸浮液進口速度一般為515m/s。壓力損失約為壓力損失約為50200kPa。分離的顆粒直徑約為分離的顆粒直徑約為1040m。主要技術參數(shù)主要技術參數(shù) p特點：特點：離心分離因數(shù)可達離心分離因數(shù)可達1300013000，也有高達，也有高達105105的超速離心機。的超速離心機。轉鼓內裝有三個

21、縱向平板，以使料液迅速達到與轉鼓相同的轉鼓內裝有三個縱向平板，以使料液迅速達到與轉鼓相同的角速度。角速度。適用于于分離乳濁液及含細顆粒的稀懸浮液。適用于于分離乳濁液及含細顆粒的稀懸浮液。p分離乳濁液的管式離心機操作原理分離乳濁液的管式離心機操作原理 轉鼓由轉軸帶動旋轉。乳濁液由底部進入，在轉鼓內從下轉鼓由轉軸帶動旋轉。乳濁液由底部進入，在轉鼓內從下向上流動過程中，由于兩種液體的密度不同而分成內、外兩液向上流動過程中，由于兩種液體的密度不同而分成內、外兩液層。外層為重液層，內層為輕液層。到達頂部后，輕液與重液層。外層為重液層，內層為輕液層。到達頂部后，輕液與重液分別從各自的溢流口排出。分別從各自

22、的溢流口排出。p分離懸浮液的管式離心機操作原理分離懸浮液的管式離心機操作原理 流量流量Vs為懸浮液從底部進入，懸浮液是由密度為為懸浮液從底部進入，懸浮液是由密度為的與密的與密度為度為p的少量顆粒形成的。假設轉鼓內的液體以轉鼓的旋轉的少量顆粒形成的。假設轉鼓內的液體以轉鼓的旋轉角速度角速度隨著轉鼓旋轉。液體由下向上流動過程中，顆粒由液隨著轉鼓旋轉。液體由下向上流動過程中，顆粒由液面面r1處沉降到轉鼓內表面處沉降到轉鼓內表面r2處。凡沉降所需時間小于式等于在處。凡沉降所需時間小于式等于在轉鼓內停留時間的顆粒，均能沉降除去。轉鼓內停留時間的顆粒，均能沉降除去。當顆粒的沉降處于斯托克斯區(qū)時，其沉降速度

23、徑向為當顆粒的沉降處于斯托克斯區(qū)時，其沉降速度徑向為2218)(rdddrpp18)(2pptgdu斯托克斯區(qū)的重力沉降速度為斯托克斯區(qū)的重力沉降速度為rdrugdt2積分邊界邊界條件：積分邊界邊界條件：=0時，時，r=r1；=t時，時， r=r2。122lnrrugttsVhrr)(2122轉鼓內的液體流量轉鼓內的持液量取顆粒的停留時間等于流體在轉鼓內的停留時間，即取顆粒的停留時間等于流體在轉鼓內的停留時間，即對上式積分，得沉降時間對上式積分，得沉降時間h h轉鼓長度轉鼓長度 對于一定的懸浮液處理量Vs，只有粒徑dp滿足條件t的顆粒，才能全部除去。根據(jù)t=，可得12212222ln18)(r

24、rrrdhVpcps1221222lnrrrrguhVts式中式中ut的為重力沉降速度。的為重力沉降速度。所以當顆粒為臨界粒徑所以當顆粒為臨界粒徑dpc時，懸浮液的處理量為時，懸浮液的處理量為 以上兩式表示懸浮液處理量以上兩式表示懸浮液處理量Vs與轉鼓尺寸與轉鼓尺寸r1、r2及及h）、）、轉鼓角速度轉鼓角速度及顆粒臨界直徑及顆粒臨界直徑dpc之間的關系。之間的關系。例：水中含有極少量細小顆粒的懸浮液，想用管式例：水中含有極少量細小顆粒的懸浮液，想用管式高速離心機分離，使其中高速離心機分離，使其中1m1m以上的顆粒全部除去。以上的顆粒全部除去。試求最大的懸浮液進料量為多少。離心機轉鼓尺寸試求最大

25、的懸浮液進料量為多少。離心機轉鼓尺寸為：為：r1=5cmr1=5cm、r2=8cmr2=8cm，h=60cmh=60cm。轉鼓的轉數(shù)為。轉鼓的轉數(shù)為12000rpm12000rpm。懸浮液溫度為。懸浮液溫度為2020，顆粒的密度為，顆粒的密度為23000kg/m323000kg/m3。解：查得水在解：查得水在20時的時的 =10-3Pas，=1000kg/m3，hmsmrrrrguhVts/44.6/1079.105.008.0ln05.008.081.9)1009.7()1257)(6 .0(ln33322721221222轉鼓的旋轉角速度轉鼓的旋轉角速度 =2N/60=2(12000)/60=1257rad/s重力沉降速度重力沉降速度 ut=gdp2(p-)/18 =9.81(10-6)2(2300-1000