基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件

1、食品工程原理食品科學(xué)與工程專業(yè)本科教學(xué)課件食品工程原理2 基于動量傳遞的非均相物分離與分散基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件本章內(nèi)容2.1 顆粒的沉降分離2.2 過濾2.3 流化床操作和氣力輸送2.4 液體攪拌2.5 乳 化 2.6 氣流超微粉碎簡介本章內(nèi)容2.1 顆粒的沉降分離【學(xué)習(xí)要求】熟悉非均相物系分離與分散的基本概念；重點理解顆粒床層壓降損失和攪拌功率研究方法；熟練掌握過濾、沉降分離的基本原理與計算；理解流態(tài)化、氣力輸送、攪拌、均質(zhì)、篩分、超微粉碎等單元操作的概念、原理及特點；學(xué)會用圖0-1歸一主線系統(tǒng)化和簡化理解本章?！緦W(xué)習(xí)要求】熟悉非均相物系分離與分散的基本概念；2 基于動

2、量傳遞的非均相物系 分離與分散 在食品工程中，經(jīng)常涉及具有不同物理性質(zhì)（如密度）的分散相和連續(xù)介質(zhì)組成的非均相混合物(heterogeneous mixture)，其中的連續(xù)介質(zhì)應(yīng)是流體，如發(fā)酵醪液、固體懸浮液、乳濁液等非均相物系。2 基于動量傳遞的非均相物系 分離與分散 在食品處理非均相物系涉及的單元操作有沉降、過濾、攪拌、均質(zhì)、氣流粉碎等。這些單元操作的共同特點都是借助外部輸入的力或能量或流體流動獲得并傳遞動量，使物系發(fā)生相對運動，實現(xiàn)混合物系的分離或分散，因此這些操作的理論基礎(chǔ)仍隸屬于動量傳遞。 處理非均相物系涉及的單元操作有沉降、過濾、攪拌、均質(zhì)、氣流粉憑借外力作用使過程產(chǎn)生動量傳遞，

3、可使非均相物系得到分離，而憑借外力或能量或流動流體傳入的動量，可實現(xiàn)物料的混合、乳化、粉碎等分散性操作。憑借外力作用使過程產(chǎn)生動量傳遞，可使非均相物系得到分離，而憑在有流體參與的分散過程中，流動流體的剪切作用對分散至關(guān)重要，也即流動流體獲得和傳遞的動量是形成分散的主要原因，所以流體參與的分散過程仍屬動量傳遞過程。 在有流體參與的分散過程中，流動流體的剪切作用對分散至關(guān)重要，本章主要討論非均相物系分離和分散共性的動量傳遞成因、效果和動量通量算式建立方法。學(xué)習(xí)時應(yīng)把握動量傳遞的基本理論，結(jié)合非均相物系的特征，掌握所涉及單元操作的要點，根據(jù)圖0-1歸一主線的思想，系統(tǒng)化和簡化理解本章的內(nèi)容。本章主要

4、討論非均相物系分離和分散共性的動量傳遞成因、效果和動2.1 顆粒的沉降分離在外力場作用下，利用非均相物系分散相和連續(xù)相的密度差，使兩相發(fā)生相對運動而實現(xiàn)混合物分離的操作稱為沉降分離（settling separation）。根據(jù)外力場的不同，沉降分離分為重力沉降(gravity settling)和離心沉降(centrifugal settling)。描述本章問題涉及顆粒幾何特性的表征，如顆粒大小、表面積等性質(zhì)，故首先討論之。2.1 顆粒的沉降分離在外力場作用下，利用非均相物系2.1.1 顆粒及顆粒群的幾何特性2.1.1.1 單顆粒的幾何特性（1）球形顆粒 故單個球形顆粒以直徑dp即可全面表征

5、v、s、a。2.1.1 顆粒及顆粒群的幾何特性2.1.1.1 單（2）非球形顆粒試圖以某種直徑大小的當量球來表征非球顆粒，但要決定以什么準則來保證兩者在某種研究對象方面（本章研究對象 流動性即流動阻力與體積、表面積、比表面積有關(guān)）等效，故本章要指明當量球與非球顆粒在體積、表面積、比表面哪一方面等效。 （2）非球形顆粒 體積方面等效定義體積當量直徑 表面積方面等效定義表面積當量直徑 比表面方面等效定義比表面積當量直徑 體積方面等效定義體積當量直徑 表面積方面等效定義表面積dev、des、dea三者之間的關(guān)系：基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件非球

6、形顆粒，由dev和ev決定v、s、a：基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件思考：正方體以邊長l為dn時n=?，dev=?,ev=? （ n= 1， ev= 0.806）有了dev,ev：思考：正方體以邊長l為dn時n=?，dev=?,ev=?有了dn, n,v（一般通過m、密度知道v）使用dev比較簡便，只需再知ev就可知v、s、a。使用dn, n只能算出a，還需知v后才知s。使用dev比較簡便，只需再知ev就可知v、s、a。2.1.1.2 顆粒群的幾何特性顆粒群中的顆粒的尺寸不可能完全一樣，形成粒度分布。該分布可由篩分分析得到。標準篩系由金屬絲網(wǎng)編織而成。常用的泰勒制篩是以每英寸（in

7、，25.4mm）邊長上的孔數(shù)作為篩號或稱目數(shù)。幾種標準篩目數(shù)與孔的尺寸見教材p72表2-1。2.1.1.2 顆粒群的幾何特性顆粒群中的顆粒的尺寸泰勒篩每一篩號的金屬絲粗細和篩孔的凈寬是規(guī)定的，所用網(wǎng)線直徑可推算出，如100目的為0.107mm。通常相鄰兩篩號的篩孔尺寸之比約為20.5。通過某一號篩的量稱為篩過量，截留于篩面上的顆粒量稱為篩余量。泰勒篩每一篩號的金屬絲粗細和篩孔的凈寬是規(guī)定的，所用網(wǎng)線直徑篩分時將所選篩按目數(shù)大小排列，大孔排在上，小孔排在下，將物料置于頂篩，振蕩，稱取各篩面的物料、計量、分析。每兩篩面間顆粒的大小取兩篩孔徑的平均值。篩分時將所選篩按目數(shù)大小排列，大孔排在上，小孔排

8、在下，將物料（1）篩分分析結(jié)果的圖示分布函數(shù) 分布函數(shù)指粒徑小于指定值顆粒所占的質(zhì)量百分數(shù)（或個數(shù)等）（分率）。（1）篩分分析結(jié)果的圖示分布函數(shù) 頻率函數(shù)頻率函數(shù)基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件（2）顆粒群的平均直徑球形顆粒群的平均直徑 想以一個當量球來表征球形顆粒群的特性。用哪種平均方法與要研究的對象性質(zhì)有關(guān)。算述平均或調(diào)和平均都可采用。（2）顆粒群的平均直徑球形顆粒群的平均直徑 研究顆粒對流體的阻力一般與比表面積有關(guān)，希望一個球的比表面積6/dea能代替顆粒群所有顆粒比表面積的平均值。令wi=mi/m，mi是直徑為dpi顆粒的質(zhì)量，由篩分得到，推出下式： 研究顆粒對流體的阻力一般

9、與比表面積有關(guān)，希望一個球的比表面非球形顆粒群的平均直徑非球形顆粒群的平均直徑基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件e.e.（3）顆粒床層的空隙率、比表面積和各向同性床層空隙率 顆粒群填充成床層，具有空隙，用空隙率（porosity 或void fraction）定義這一性質(zhì) Vb為床層體積，m3；Vp為所有固體顆粒體積之和，m3 。（3）顆粒床層的空隙率、比表面積和各向同性床層空隙率 床層比表面積 單位床層體積具有的顆粒表面積稱為床層的比表面積ab，忽略顆粒間接觸面積，則有： 床層比表面積 床層的各向同性 設(shè)備足夠大或顆粒足夠小時，顆粒的床層用亂堆方法堆成，而非球形顆粒的定向是隨機的，因

10、而可認為床層是各向同性。特點是，床層橫截面上可供流體通過的自由截面（即空隙截面）與床層截面之比在數(shù)值上等于空隙率，但在壁面處是個例外，壁面處較大，故流體流動會趨向壁面，稱為“壁效應(yīng)（wall effect）”。 床層的各向同性 2.1.2 重力沉降沉降是指顆粒在流體中因某種推動力的作用（重力、離心力）而與流體發(fā)生相對運動，從而被分離的過程。分離過程的實質(zhì)還是流體經(jīng)顆粒的運動（因是相對運動，故可將顆?？醋鞑粍樱黧w經(jīng)顆粒流動流體的這一運動仍產(chǎn)生阻力，與顆粒所受阻力成作用力與反作用力。2.1.2 重力沉降沉降是指顆粒在流體中因某種推動力的基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件2.1.2.1 重

11、力沉降速度計算式的推導(dǎo)顆粒在流體中沉降，在顆粒較小時，在浮力和阻力作用下，顆粒的運動速度很快達到勻速，此速度即為顆粒的沉降速度。2.1.2.1 重力沉降速度計算式的推導(dǎo)顆粒在流體中沉降，基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件將代入ut的表達式，即可計算各區(qū)的沉降速度。 將代入ut的表達式，即可計算各區(qū)的沉降速度。 2.1.2.2 重力沉降速度的計算斯托克斯（Stokes）定律區(qū) 艾侖（Allen）定律區(qū) 牛頓（Newton）定律區(qū)2.1.2.2 重力沉降速度的計算斯托克斯（Stokes）沉降速度計算時，需知Ret，其中含ut，故需要試差。先假設(shè)一區(qū)，得ut后再校核。已知顆粒直徑和物性參數(shù)時

12、也可用Ar準數(shù)計算。沉降速度計算時，需知Ret，其中含ut，故需要試差。先假設(shè)一注意：等號的含義是“相當于、理解為”注意：等號的含義是“相當于、理解為”特征尺寸l為顆粒直徑，故有特征尺寸l為顆粒直徑，故有方法： ArRetut不要試差。當沉降是干擾沉降時，ut需要修正，自學(xué)教材加以了解，對影響ut因素進行分析。方法： ArRetut不要試差。當沉降是干擾沉降時，ut2.1.2.3 重力沉降設(shè)備計算降塵室原理如圖，A點顆粒要在降塵室中被分離的條件是在A落到室底面前，不能被氣流帶出，2.1.2.3 重力沉降設(shè)備計算降塵室原理如圖，A點顆粒要在基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件處理量Vs與H

13、無關(guān)，為出灰方便和不引起沉降的顆粒被擾動（氣流在層流區(qū)流動），H一般為40100mm，降塵室可做成多層。單層體積大，可分大于0.5mm顆粒，可用于預(yù)除塵。處理量Vs與H無關(guān)，為出灰方便和不引起沉降的顆粒被擾動（氣流2.1.3 離心沉降2.1.3.1 離心沉降速度計算式的推導(dǎo)2.1.3 離心沉降2.1.3.1 離心沉降速度計算基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件2.1.3.2 旋風(fēng)分離器內(nèi)外螺旋都將顆粒往外甩，分出大于5m的顆粒。（3m以下顆粒聚結(jié)去除用袋濾或濕法捕集）2.1.3.2 旋風(fēng)分離器內(nèi)外螺旋都將顆粒往外甩，臨界粒徑（理論上被完全分離的最小粒徑dc）假設(shè)流體等速運動，切向速度等于

14、進氣口ui，顆粒穿過進氣寬度B的氣層到達壁面被分離，顆粒作自由層流沉降。p-=p，旋轉(zhuǎn)顆粒R取平均值Rm 。臨界粒徑（理論上被完全分離的最小粒徑dc）基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件Ne在0.53.0，對標準Cyclone，Ne=5。Ne在0.53.0，對標準Cyclone，Ne=5。分離效率o和p（粒級）分離效率o和p（粒級）基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件（2）4臺串聯(lián)（2）4臺串聯(lián)基于動量傳遞的非均相物

15、系的分離與分散頁課件（3）4臺旋風(fēng)器并聯(lián)（3）4臺旋風(fēng)器并聯(lián)在Vs和p條件相同情況下，4臺并聯(lián)設(shè)備較小，效率與4臺串聯(lián)相當?；趧恿總鬟f的非均相物系的分離與分散頁課件2.1.3.3 旋液分離器旋液分離器是利用離心力的作用，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。其結(jié)構(gòu)及操作原理，與上面介紹的旋風(fēng)分離器相似。物料性質(zhì)不同，導(dǎo)致旋液分離器的直徑要比旋風(fēng)分離器小得多（達到同樣臨界粒徑）。2.1.3.3 旋液分離器旋液分離器是利用離心力的作2.2 過濾2.2.1 過濾的基本概念過濾是以某種多孔物質(zhì)（可以是顆粒床層）作為介質(zhì)（攔截面材料）來處理液固（或氣固）混合物的操作。在初步攔截形

16、成顆粒床層后，過濾主要發(fā)生在床層中。2.2 過濾2.2.1 過濾的基本概念此為濾餅過濾（主要討論）。 另有如細菌的小顆粒，通過 靜電、層流、撞擊攔截等作 用被棉花過濾等，為深層過 濾（不討論）。此為濾餅過濾（主要討論）。2.2.2 過濾的數(shù)學(xué)模型方法工業(yè)上過濾分離需要解決的問題是：利用什么樣的設(shè)備在多少時間內(nèi)能夠完成指定的分離任務(wù)，即能夠得到多少濾液或濾餅？濾液是通過濾餅流出的，也就是要知道通過濾餅的濾液流量或流速是多少，而流量或流速的計算與阻力有關(guān)。2.2.2 過濾的數(shù)學(xué)模型方法工業(yè)上過濾分離需要解決的問（1）過濾流體流動的描述濾餅的顆粒床層存在空隙，且四通八達、彎彎曲曲。流體通過此種流道的

17、流速較小，稱為爬流，所受阻力與顆粒的表面積有關(guān)，也與所提供空間大小有關(guān)。顯然，單位空隙體積（流體）所占有的顆粒表面積越小，則流動阻力越小，流量或流速應(yīng)該比較大。（1）過濾流體流動的描述（2）過濾流體流動的物理模型有了上述認識，可設(shè)想用一直管代替顆粒床層，直管的長度等于顆粒床層的高度，直管所具有的空間體積等于顆粒床層所具有的空隙體積，直管的內(nèi)表面積等于所有床層顆粒的表面積。（2）過濾流體流動的物理模型這樣，單位體積流體所具有的固體表面積在直管中和在顆粒床層中是相等的，流速差異不太大，流所受阻力有可能接近。這樣，單位體積流體所具有的固體表面積在直管中和在顆粒床層中是（3）過濾流體流動的數(shù)學(xué)模型當量

18、直管的直徑式中為床層空隙率（空隙體積/床層體積），a為顆粒的比表面積顆粒。（3）過濾流體流動的數(shù)學(xué)模型當量直管的直徑當量直管中的流動視為 層流，則由范寧公式：當量直管中的流動視為 康采尼在Rep/（1）10且0.5時得到爬流下： =160 /Ree ,Ree=deu1/ Rep=dpu/，Reb=deu1/(4)，三Re關(guān)系： Ree=4Reb=（4 /6）n Rep/（1），因n的數(shù)據(jù)不詳，故一般教材不用Reb或Ree表示范圍。我們的教材中對此進行了對比考證。 康采尼在Rep/（1）10且0.5時得到爬流下：歐根總結(jié)了多人的實驗數(shù)據(jù)，在1Rep/（1）2500(或0.67Ree1667)范圍

19、內(nèi)驗證了模型正確，并得到=133.44/Ree+2.32康采尼式中系數(shù)160與直管層流的64不同，說明物理模型的直管中的流動與顆粒床層的流體實際流動還是有差異的,主要是流速有差異、速度分布有差異，從而形成阻力的差異。歐根總結(jié)了多人的實驗數(shù)據(jù)，在1Rep/（1）2500 由于Kozeny和Ergun用實驗求證了，與實際情況一致，故由此建立的半經(jīng)驗理論模型是可以用于過濾流體流動的阻力計算的，從而可得到過濾流體的流量或流速。系數(shù)不同，是由于床層的對不同的實驗者來說，要做到一致是不可能的。 代入范寧公式，得到康采尼方程和歐根方程：代入范寧公式，得到康采尼方程和歐根方程：基于動量傳遞的非均相物系的分離與

20、分散頁課件2.2.3 過濾基本方程式由康采尼公式：2.2.3 過濾基本方程式由康采尼公式：基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件上式即為過濾過程的基本方程。k是常數(shù)，K與p+有關(guān)，若為恒壓差過濾，則K為常數(shù)，若為恒速過濾（p+逐漸變大），則K是指p+時的值（開始濾餅沒有，為防堵介質(zhì)的眼，p+要求小，然后逐漸加大至指定，通常先采用恒速，然后轉(zhuǎn)向恒壓）。上式即為過濾過程的基本方程。k是常數(shù)，K與p+有關(guān)，若為恒2.2.4 過濾過程計算（1）恒壓過濾方程2.2.4 過濾過程計算（1）恒壓過濾方程基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件（2）恒速過濾設(shè)恒速過濾至累計濾液量為V，時間為，對應(yīng)壓差為

21、p+，則壓差為p+時的速率，恒壓方程第二項開始都除以2，K對應(yīng)于p+的K, p+一直在變化。（2）恒速過濾壓差為p+時的速率，恒壓方程第二項開始都除以（3）先恒速后恒壓過濾為防濾布受堵p+ 先小，隨過濾進行再慢慢增大保證dV/d恒定，后再轉(zhuǎn)入恒壓過濾。設(shè)恒壓前過濾液量為VR，時間為R ，為使用恒壓過濾方程，將恒壓前的過程等量成恒壓過濾，濾液量仍為VR，但時間為 。（3）先恒速后恒壓過濾設(shè)整個過濾過程所獲總濾液量為V，轉(zhuǎn)入恒壓后的操作時間為， （VVR）為轉(zhuǎn)入恒壓后所獲濾液量，為實際恒壓過濾時間。設(shè)整個過濾過程所獲總濾液量為V，轉(zhuǎn)入恒壓后的操作時間為， 2.2.5 過濾常數(shù)的測定K、Ve、e 、

22、s及r稱為過濾常數(shù)，需要通過實驗測定。將恒壓過濾方程式改寫為/VV成線性關(guān)系，直線斜率為1/（KA2），截距為2Ve/（KA2）。2.2.5 過濾常數(shù)的測定K、Ve、e 、s及r稱實驗中只要在某一壓差的恒壓過濾中測出不同的過濾時間及與之對應(yīng)的累積濾液量V即可。測s,r由 實驗中只要在某一壓差的恒壓過濾中測出不同的過濾時間及與之對基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件2.2.6 過濾機械及其計算2.2.6.1 過濾機板框過濾機、葉濾機和轉(zhuǎn)鼓真空過濾機，最后一種為連續(xù)過濾設(shè)備，前兩種為間歇生產(chǎn)設(shè)備。2.2.6 過濾機械及其計算2.2.6.1 過濾機（1）板框過濾機由正方形洗板（1鈕標記）、框（

23、2鈕）、洗板（3鈕）按1-2-3-2-1-2-3-2序列排列而成，框兩面用濾布覆蓋，構(gòu)成濾餅腔。板和濾布四角均開有圓孔、圓孔和板面和框內(nèi)的通道是側(cè)入小孔或內(nèi)開小孔。（1）板框過濾機基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件非洗板在1處開孔至板面上，洗板在2、3處開孔至板面上，框在4處有內(nèi)孔。非洗板在1處開孔至板面上，洗板在2、3處開孔至板面上，框在4基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件過濾流程知：過濾時，每個框有兩個面出濾液，故過濾面積為框一面面積的兩倍，濾液行程只有框厚的一半。而在橫穿洗滌時洗水從框的右邊進從左邊出，故洗滌面積是框的一個面的面積

24、，而行程為框厚?？梢姍M穿洗滌只有過濾終了時速率的1/4。過濾流程知：過濾時，每個框有兩個面出濾液，故過濾面積為框一面(38)105Pa構(gòu)造簡單、過濾面積大、占地省、勞動強度大。型號BMS20/635-25可加壓，濾布整理麻煩。(38)105Pa構(gòu)造簡單、過濾面積大、占地省、勞動強度（2）葉濾機由許多濾葉作為過濾元件、密封在容器中過濾。濾葉由金屬多孔板或金屬網(wǎng)制造，外置濾布。操作條件好，過渡速度大，但造價較高。（2）葉濾機（3）轉(zhuǎn)筒真空過濾機一個周內(nèi)經(jīng)過濾，洗滌、吸干、吹松、卸料，540m2，浸沒30%40%，0.13r/min，濾餅厚度在40mm以內(nèi)，懸浮液濃度30%左右，生產(chǎn)能力大、投資高、

25、過濾面積A不大，推動力有限。（3）轉(zhuǎn)筒真空過濾機2.2.6.2 過濾機生產(chǎn)能力（1）間歇過濾機的計算板框過濾機過濾面積： 濾葉兩側(cè)表面均用于過濾2.2.6.2 過濾機生產(chǎn)能力（1）間歇過濾機的計算板框過濾機容積： 濾葉兩側(cè)表面外均堆積濾渣。操作周期T=F+W+D（過濾、洗滌、輔助時間）板框過濾機容積： 生產(chǎn)能力：過濾時間： 生產(chǎn)能力：洗滌時間：葉濾機采用置換法洗滌，洗水與過濾終了時的濾液流過的路徑基本相同，而且洗滌面積與過濾面積也相同，故洗滌速率大致等于過濾終了時的過濾速率，為 洗滌時間：板框壓濾機采用橫穿法洗滌，洗水橫穿兩層濾布及整個厚度的濾餅，流經(jīng)濾餅的路徑約為過濾終了時濾液流動路徑的兩倍

26、，而供洗水流通的面積又僅為過濾面積的一半，故洗滌速率(dV/d)w為過濾終了時的1/4倍，即為 板框壓濾機采用橫穿法洗滌，洗水橫穿兩層濾布及整個厚度的濾餅，洗滌時間合并表示：b為比例系數(shù)，對板框橫穿洗滌為8 V w/V，對葉濾機置換洗滌為2 V w/V，V w/V為洗水濾液比。洗滌時間合并表示：b為比例系數(shù)，對板框橫穿洗滌為8 V w/板框過濾機并不是將框充滿才停止操作，生產(chǎn)能力需要進行優(yōu)化。恒壓過濾終了時將F、W代入生產(chǎn)能力表達式，令d(1/Q)/dV=0得極小值點，此時板框過濾機并不是將框充滿才停止操作，生產(chǎn)能力需要進行優(yōu)化。恒（2）連續(xù)過濾機的計算以轉(zhuǎn)鼓真空過濾機為例進行說明。被浸入表面

27、與筒中心點形成扇形，其中心角為浸沒角，/360則為浸沒度，指表面浸入的分率。（2）連續(xù)過濾機的計算過濾面積和過濾時間按兩種方法確定方法1：過濾面積和過濾時間按兩種方法確定方法1：方法2：方法2：例題：某板框壓濾機在恒壓條件下過濾含硅藻土的懸浮液。過濾機的濾框尺為81081025mm共有37個框。已測出過濾常數(shù)K=10-4m2/s，qe=0.01m3/m2，e=1s。若已知單位面積上通過的濾液量為0.15m3/m2，所用的洗滌水量為濾液量的1/5，求：例題：某板框壓濾機在恒壓條件下過濾含硅藻土的懸浮液。過濾機的（1）過濾面積和濾框內(nèi)的總?cè)萘?；?）過濾所需的時間；（3）洗滌時間（橫穿洗滌）；（4

28、）若卸和重裝時間為15min，求Q；（5）求最佳生產(chǎn)能力時單位過濾面積上的濾液量。（1）過濾面積和濾框內(nèi)的總?cè)萘浚唤猓?解： （3）洗滌時間：（3）洗滌時間：基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件例題：以國產(chǎn)GP2-1型轉(zhuǎn)鼓真空過濾機過濾某懸浮液。過濾機規(guī)格：D=1m，L=0.7m，浸沒角=130，n=0.18r/min,真空度500mmHg，過濾某懸浮液之過濾常數(shù)k=1.3210-7m2/(smmHg)，Ve=0，且濾餅不可壓縮。試估算此機生產(chǎn)能力。例題：以國產(chǎn)GP2-1型轉(zhuǎn)鼓真空過濾機過濾某懸浮液。過濾機規(guī)解法1 一個周期內(nèi) 解法1解法2： 基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件A

29、上每一點過濾時間 此面在此時間內(nèi)的濾液量： A上每一點過濾時間 過濾過程由A面經(jīng)F時間過濾這一操作連續(xù)組成故基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件例題：每升水中含25g某種固體顆粒。已知固體顆粒密度為2930kg/m3，測得濕餅密度1930kg/m3。求每得到1m3濾液時形成濾餅的體積是多少m3？（即求=?m3餅/m3濾液）例題：每升水中含25g某種固體顆粒。已知固體顆粒密度為293 解：以1m3濾液為基準，設(shè)每m3濾液可得濾餅，則需1+濾漿（懸浮液） 解：以1m3濾液為基準，設(shè)每m3濾液可基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件例題：密度為1116kg/ m3 的懸浮液，于400mmH

30、g的真空度下用小型轉(zhuǎn)筒真空過濾機過濾，測得的過濾常數(shù)K=5.1510-6m2/s，每送出m3 濾液所得的濾餅中含有固相594kg，固相密度為1500kg液相為水?，F(xiàn)用D=1.75m，L=0.98m的轉(zhuǎn)筒真空過濾機進行生產(chǎn)n=1 r/min，浸沒角度為125.5，濾布阻力可略。濾餅為不可壓縮。求：（1）過濾機生產(chǎn)能力Q；（2）轉(zhuǎn)筒表面的濾餅厚度L。例題：密度為1116kg/ m3 的懸浮液，于400mmHg解：（1）以一個周期為計算基準，過濾面積A0=DL=3.141.750.98=5.38m2 過濾時間： 解：（1）以一個周期為計算基準，過濾面積A0=DL=3.1基于動量傳遞的非均相物系的分離

31、與分散頁課件（2）1m3濾液可同時得到v m3濾餅，一個周期內(nèi)濾餅體積為 0.7070.0558=0.0394m3=A0 =0.0394/5.38=7.33mm（2）1m3濾液可同時得到v m3濾餅，2.2.7 離心過濾機計算（補充離心機計算）在離心力場中，Stokes區(qū)公式中的g被2Rg代替（R為顆粒旋轉(zhuǎn)半徑）KC =2R/g表示分離因數(shù)，對離心機而言， 3000KC5000高速, KC5000超高速。離心機可用于沉降、分離兩種密度不同的乳濁液及過濾。計算的理論基礎(chǔ)是前述流體經(jīng)顆粒流動阻力計算。2.2.7 離心過濾機計算（補充離心機計算）在離心力（1） 離心機內(nèi)的沉降忽略開機初始和停機過程，

32、液面為圓柱面，假設(shè)服從Stokes區(qū)（小顆粒）沉降速度為ur沉降最長距離為r2-r1（1） 離心機內(nèi)的沉降忽略開機初始和停機過程，液面為基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件為r2與r1的對數(shù)平均值 為r2與r1的對數(shù)平均值 為半徑r2,r1處ut的對數(shù)平均值?；趧恿總鬟f的非均相物系的分離與分散頁課件（2） 離心機內(nèi)的分離乳濁液在離心機中因密度差而發(fā)生分離，輕液在內(nèi)，重液(h)在外，要有足夠時間分層，又要有合適的液體溢流堰位置，使分層液體不再混合。r3求?。涸O(shè)重力影響不計，液面為圓柱面，=Vl/Vh（輕重液體積之比）（2） 離心機內(nèi)的分離乳濁液在離心機中因密度差而發(fā)生離心機的內(nèi)壁r2處溢

33、流堰下的擋板上下壓強平衡可求擋板位置r3基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件下方壓強：擋板上方r2處壓強：下方壓強：擋板上方r2處壓強：由上三式相加，得到：分層時間可按沉降估算，并計算生產(chǎn)能力Q。 由上三式相加，得到：（3） 離心過濾懸浮液濃度不高時，過濾面積可視為常數(shù)A=2r2H（r2為轉(zhuǎn)鼓半徑），壓差（3） 離心過濾懸浮液濃度不高時，過濾面積可視為常數(shù)2.3 流化床操作和氣力輸送流體自下而上流過顆粒床層，流速較小時是類似過濾的固定床操作，而流速大到一定程度、顆粒成流態(tài)化狀態(tài)，氣體實際流速u1等于ut，流速再增加，顆粒則被流體帶走 (u1 ut)，稱氣力輸送。此類操作的理論基礎(chǔ)仍然是流

34、體經(jīng)顆粒的流動的流體力學(xué)行為。2.3 流化床操作和氣力輸送流體自下而上流過顆粒床2.3.1 流態(tài)化操作（1）壓強降當氣體表觀氣速u升高，氣體向上實際流速u1大到一定程度后，顆粒向上的由流體摩擦作用的力等于顆粒凈重力時，顆粒浮起，使得u1保持不變。2.3.1 流態(tài)化操作（1）壓強降當氣體表觀氣速u升顆粒受流體向上摩擦力不變，即床層壓降（流體壓降，所受阻力表現(xiàn)）不變，為恒壓強降。實際壓強降略微向上斜，流體與器壁有摩擦，使顆粒發(fā)生碰撞等因素造成流化床內(nèi)混合激烈，軸向混合好，有顆粒和流體的循環(huán)運動，溫度、濃度均勻，但會對反應(yīng)推動力形成影響（）。顆粒受流體向上摩擦力不變，即床層壓降（流體壓降，所受阻力表

35、現(xiàn)流化床具有恒定壓強降的性質(zhì)（理論上），當Re在0.681320時， 流化床具有恒定壓強降的性質(zhì)（理論上），當Re在0.6813流化床不正常的操作狀態(tài)有騰涌和溝流需防范。流化床不正常的操作狀態(tài)有騰涌和溝流需防范。（2）臨界流化速度（由Ergun方程計算）（2）臨界流化速度（由Ergun方程計算）a=6/(ndn)，n為名義球形度,dn為名義尺寸，在Rep=dut/大致小于20時,忽略慣性項（后項）Rep大致大于1000時，忽略粘性項。a=6/(ndn)，n為名義球形度,dn為名義尺寸，在R基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件（3）帶出速度 等于沉降速度：d為相當數(shù)量的最小顆粒直徑。（3）

36、帶出速度（4）操作范圍（4）操作范圍2.3.2 氣力輸送氣體在管內(nèi)流動，當速度增大至等于或大于固體顆粒的帶出速度時，顆粒在流體中形成懸浮狀態(tài)的稀相，并隨流體一起帶出，稱為氣力輸送(pneumatic conveying)。作為輸送介質(zhì)的氣體，最常用的是空氣，但在輸送易燃易爆粉料時，也可采用其他惰性氣體。2.3.2 氣力輸送氣體在管內(nèi)流動，當速度增大至等于氣力輸送的優(yōu)點和缺點請閱讀教材p100。在食品工業(yè)中，氣力輸送有廣泛的應(yīng)用，特別是固體顆粒與粉末如糖、茶葉、鹽、谷物、面粉、奶粉、淀粉等食品輸送。氣力輸送的優(yōu)點和缺點請閱讀教材p100。基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件2.4 液體攪拌

37、使兩種或兩種以上不同物質(zhì)相互分散、混雜以達到一定的均勻度的單元操作，稱為混合(mixing)。在混合中，各組分的分配可以是分子狀態(tài)，也可以是質(zhì)點狀態(tài)。常見的混合單元操作是液體與液體、固體與液體、固體與固體的混合。在食品工業(yè)中，混合操作主要是為制備均勻混合物，也有的為通過物質(zhì)混合促進傳質(zhì)和傳熱或其他物理量的混合。2.4 液體攪拌使兩種或兩種以上不同物質(zhì)相互分散、混混合體系中，一相為液體時的分散操作為液體攪拌(agitation)。液體攪拌的目的為互溶液體的混和、不互溶液體的分散和接觸、氣液接觸、固體顆粒在液體中懸浮以及強化液體與器壁的傳熱等。因攪拌的本質(zhì)都是流體獲得動量并進行傳遞，發(fā)生分散作用，

38、均相可作為非均相的一個特例看，故對均相物系的攪拌也一并加以討論?；旌象w系中，一相為液體時的分散操作為液體攪拌(agitati（1）調(diào)勻度 物質(zhì)混合的調(diào)勻度是指一種或幾種組分在攪拌體系內(nèi)的均勻性。樣品A的濃度cA與容器中樣品A的平均濃度cA0偏差越大，說明混合的均勻性越差，為此可引入調(diào)勻度I的概念來表示樣品與均勻狀態(tài)之間的偏離程度： 2.4.1 混合效果度量（1）調(diào)勻度2.4.1 混合效果度量調(diào)勻度I1在攪拌釜有代表性的各處取樣分析，所得樣品調(diào)勻度的算術(shù)平均值，即得攪拌釜內(nèi)樣品的平均調(diào)勻度調(diào)勻度I1（2）偏離均勻強度各次取樣所得到的cA與混合均勻時cA0有差異，差值的大小代表了偏離均勻的程度。此

39、偏離均勻強度用標準方差表示：（2）偏離均勻強度當值cA0未知時,用cA的多個取樣的平均值代替，而用方差計算偏離強度，即當值cA0未知時,用cA的多個取樣的平均值代替，而用方差計算（3）取樣尺度取樣尺度是指取樣分析混合效果時所取體積的大小。如果取樣尺度向微觀水平靠近，也能得到某組分的調(diào)勻度接近1，說明該組分的平均團聚體或顆粒比取樣體積更小，即該組分團聚體或顆粒已經(jīng)被減至很小的尺寸，已經(jīng)接近或甚至達到微觀水平。（3）取樣尺度在給出調(diào)勻度的同時，一并給出得到該調(diào)勻度的取樣體積，既可評價混合均勻的程度，又可評價某組分團聚體或顆粒尺度被減小的程度。若混合要求達到微觀均勻，則團聚體或顆粒的尺度必然處于微觀

40、尺度水平。在給出調(diào)勻度的同時，一并給出得到該調(diào)勻度的取樣體積，既可評價對不可能達到分子尺度均勻的某些液體攪拌，混合程度愈高，則意味著調(diào)勻度愈高、取樣尺度愈小。調(diào)勻度和取樣尺度由攪拌對象和操作要求定。過高的要求代表機械設(shè)備投入和生產(chǎn)動力消耗的增加，需酌情處理。對不可能達到分子尺度均勻的某些液體攪拌，混合程度愈高，則意味一種機理是在釜內(nèi)形成一個循環(huán)流動，稱為總體流動，總體流動將液體破碎成較大的液團并帶至釜內(nèi)各處，造成大尺度上的均勻混合，對液團的尺寸沒有要求，但必須將產(chǎn)生的液團分布到釜內(nèi)的每一角落，同時要盡量消除死區(qū)，這就要求相應(yīng)的攪拌器應(yīng)提供大的流量。2.4.2 混合機理一種機理是在釜內(nèi)形成一個循

41、環(huán)流動，稱為總體流動，總體流動將液另一種機理是總體流動為高度湍流，將產(chǎn)生高強度和小尺寸的旋渦，該種旋渦對液體有強烈的剪切破碎作用，從而產(chǎn)生小尺度的混合。應(yīng)注意液滴合并、氣泡分散和固體顆粒分散的特殊性及應(yīng)對方法。 2.4.2 混合機理另一種機理是總體流動為高度湍流，將產(chǎn)生高強度和小尺寸的旋渦，（1）槳葉式（2）旋槳式（3）渦輪式（4）適合大粘度液體的攪拌器（錨式、框式和螺帶式等 ）（注意它們的特點，從大流量或高剪切作用考慮）2.4.3 機械攪拌的攪拌器有機械攪拌、氣流攪拌等。機械攪拌的攪拌器有：（1）槳葉式2.4.3 機械攪拌的攪拌器液流湍動的強弱可由攪拌器所產(chǎn)生的壓頭（對單位重量流體所提供的能

42、量）大小反映。消耗的能量越大，液流中旋渦運動越劇烈，內(nèi)部剪應(yīng)力越大，即湍動程度越高。強化湍動的措施:提高攪拌器轉(zhuǎn)速，防止液體圓周運動，增加導(dǎo)流筒等。液流湍動的強弱可由攪拌器所產(chǎn)生的壓頭（對單位重量流體所提供的攪拌器的功率用量綱分析規(guī)劃實驗測定求。攪拌功率N應(yīng)是、n、d、g以及尺寸等的函數(shù)，即 N=f（、n、d、g、1、2、） (是攪拌器的有關(guān)量綱1即無因次尺寸，見教材p106)2.4.4 攪拌器的功率攪拌器的功率用量綱分析規(guī)劃實驗測定求。2.4.4 攪拌器的功根據(jù)定理，選定量綱相互獨立的三個物理量、n、d作為初始變量，利用量綱分析法可將上式轉(zhuǎn)化為量綱1形式根據(jù)定理，選定量綱相互獨立的三個物理量

43、、n、d作為初始變Eu=N/（n3d5）稱為功率準數(shù)，也稱歐拉數(shù)準數(shù)，代表施加于攪拌液體的力。 ReM= d2 n/稱為雷諾準數(shù)，代表施加力與粘性曳力之比。 Fr= d n2/g稱為佛魯?shù)拢‵roude）準數(shù)，代表施加力與重力之比。Eu=N/（n3d5）稱為功率準數(shù)，也稱歐拉數(shù)準數(shù)，代表施對安裝擋板的攪拌裝置，系列幾何相似的攪拌裝置，不需考慮g的影響，1、2、都為常數(shù)，簡化式為 對安裝擋板的攪拌裝置，系列幾何相似的攪拌裝置，不需考慮g的影具體關(guān)系還需通過實驗確定，有關(guān)設(shè)計手冊中，列有不同情況下的攪拌裝置的功率曲線或經(jīng)驗公式，供工程上選擇使用。查閱這些圖表或經(jīng)驗公式時，要注意攪拌液體的流型、攪拌

44、器的形式、容器直徑對攪拌器各部分的尺寸比例、液層深度等條件的限制，正確計算攪拌功率。具體關(guān)系還需通過實驗確定，有關(guān)設(shè)計手冊中，列有不同情況下的攪教材圖2-22所示給出的是全擋板、尺寸比例符合規(guī)定比例關(guān)系(即幾何相似)的各種攪拌裝置的功率曲線，其誤差約為20。層流和高度湍流時各有簡化算式，見教材。 教材圖2-22所示給出的是全擋板、尺寸比例符合規(guī)定比例關(guān)系(基于動量傳遞的非均相物系的分離與分散頁課件上述功率曲線是對單一液體測定的。對于非均相的液一液或液一固系統(tǒng)，用上述功率曲線進行計算時，須用混合物的平均密度和修正粘度以代替單一液體的密度、粘度。氣一液兩相系統(tǒng)的攪拌功率與充氣量也有關(guān)，也須進行修正

45、。各項修正方法可從有關(guān)設(shè)計手冊中查到。上述功率曲線是對單一液體測定的。攪拌器的傳動機械效率粗略估計可取0.80.85，其啟動時的功耗相當于正常運轉(zhuǎn)的23倍，選電機時應(yīng)予注意。例題請自學(xué)教材p107例題2-8。攪拌器的放大有一定的準則，參見教材p108,自學(xué)解決。攪拌器的傳動機械效率粗略估計可取0.80.85，其啟動時的攪拌器與離心泵的葉片相似，其功率的實驗求取法掩蓋了難于求取流體動量通量的實質(zhì)。采用了量綱分析規(guī)劃實驗的方法測出功率曲線，掩蓋了難于理論求解動量通量的實質(zhì)，故攪拌器的動量通量的表達采用的是圖0-1歸一主線所示的（2）和（4）相結(jié)合的方法。攪拌器與離心泵的葉片相似，其功率的實驗求取法

46、掩蓋了難于求取流2.5 乳 化 食品工業(yè)上，大多數(shù)乳化液均為水相與油相的混合物。水相與油相通常不是純水和純油，如水相可為含水溶性的鹽、糖或其他蛋白質(zhì)有機物和膠體的水溶液，油相也可為含油溶性的烴類、蠟、樹脂和其他物質(zhì)的油溶液。 2.5 乳 化 食品工業(yè)上，大多數(shù)乳化液均為水相與油相的當油相和水相混合時，有可能得到兩種不同的乳濁液：油為分散相的，稱為油/水(O/W)乳化液，例如牛奶；水為分散相的，稱為水/油(W/O)浮化液，例如奶油，人造奶油是由油脂、水及其他添加劑(如奶、調(diào)味料食鹽、香料、防腐劑等)的混合物。 當油相和水相混合時，有可能得到兩種不同的乳濁液：油為分散相的所謂乳化(emulsification)是將一種液相(或含微細固體粒子)以微小球滴或微粒子(稱分散相)穩(wěn)定分散在另一種不相溶的液相(稱連續(xù)相)中的過程，其產(chǎn)品為乳化液。為了獲得穩(wěn)定的乳化液，必須添加第三種物質(zhì)，這種能使分散相分散并能使乳化液穩(wěn)定的物質(zhì)稱為乳化劑。所謂乳化(emulsification)是將一種液相(或含微 乳化液穩(wěn)定性的主要因素為：粒徑 沉降速度與滴徑的平方成正比（乳化液如果微?；_12m即可望有較好的穩(wěn)定性。為防止大顆粒的強烈吸附和合并小液滴的傾向，進行微粒化的同時，有必要均質(zhì)化，如牛奶均質(zhì)。 乳化液穩(wěn)定性的主要因素為：兩相密度差 沉降速度與兩相密度差成正比，如清涼