食品工程原理第三章第1-3節(jié)

第三章沉降與過濾

第一節(jié)顆粒及顆粒床層的特性

一、顆粒的特性

1、顆粒的大小及形狀

(1)單一的顆粒

a球形顆粒球形粒子通常用直徑（粒徑）表示其大小。如：b非球形顆粒工業(yè)上遇到的固體顆粒大多數(shù)是非球形。

·體積當(dāng)量直徑de令實(shí)際顆粒的體積等于當(dāng)量球形顆粒的體積，則體積當(dāng)量直徑定義為

·表面積當(dāng)量直徑des。令實(shí)際顆粒的表面積等于當(dāng)量球形顆粒的表面積

則表面積當(dāng)量直徑定義為·比表面積當(dāng)量直徑dea。令實(shí)際顆粒的比表面積等于當(dāng)量球形顆粒的比表面積

則比面積當(dāng)量直徑定義為

(2)形狀系數(shù)形狀系數(shù)又稱球形度，它表征顆粒的形狀與球形的差異程度。

—顆粒的形狀系數(shù)或球形度—顆粒的表面積，m2—與該顆粒體積相等的圓球的表面積，m2由于體積相同時球形顆粒的表面積最小，因此，任何非球形顆粒的形狀系數(shù)皆小于1。

對于球形顆粒，。

顆粒形狀與球形差別愈大，值愈低。

對于非球形顆粒，必須有兩個參數(shù)才能確定其特征。通常選用體積當(dāng)量直徑和形狀系數(shù)來表征顆粒的體積、表面積和比表面積，即2、顆粒群的特性

（1）粒度分布不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個數(shù)或質(zhì)量，即粒徑分布。

（2）顆粒的平均粒徑設(shè)有一批大小不等的球形顆粒，其總質(zhì)量為G，經(jīng)篩分分析得到相鄰兩號篩之間的顆粒質(zhì)量為Gi，篩分直徑（即兩篩號篩孔的算術(shù)平均值）為di。根據(jù)比表面積相等原則，顆粒群的平均比表面積直徑可寫為：3、粒子的密度

單位體積內(nèi)的粒子質(zhì)量稱為密度。

若粒子體積不包括顆粒之間的空隙，則稱為粒子的真密度

若粒子所占體積包括顆粒之間的空隙，則測得的密度為堆積密度或表觀密度值小于真密度。

設(shè)計顆粒貯存設(shè)備及某些加工設(shè)備時，應(yīng)以堆積密度為準(zhǔn)。二、顆粒床層的特性

1、床層空隙率ε

2、床層的比表面積ab

床層比表面積也可根據(jù)堆積密度估算，即

3、床層的各向同性

工業(yè)上，小顆粒的床層用亂堆方法堆成，而非球形顆粒的定向是隨機(jī)的，因而可認(rèn)為床層是各向同性。各向同性床層的一個重要特點(diǎn)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ε。

實(shí)際上，壁面附近床層的空隙率總是大于床層內(nèi)部的，較多的流體必趨向近壁處流過，使床層截面上流體分布不均勻，這種現(xiàn)象稱為壁效應(yīng)。當(dāng)床層直徑D與顆粒直徑d之比較小時，壁效應(yīng)的影響尤為嚴(yán)重。第二節(jié)沉降過程

一、重力沉降受地球吸引力場的作用而發(fā)生的沉降過程稱為重力沉降。

1、沉降速度

(1)球形顆粒的自由沉降沉降顆粒的受力情況u重力Fg阻力Fd浮力Fb根據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律知：

等速階段中顆粒相對于流體的運(yùn)動速度ut稱為沉降速度。當(dāng)a=0時，u=u0

(2)阻力系數(shù)ζ

通過因次分析可知ζ是顆粒與流體相對運(yùn)動時雷諾準(zhǔn)數(shù)Rep的函數(shù)。

滯流區(qū)10-4<Rep<1

過渡區(qū)1<Rep<103

湍流區(qū)103<Rep<2×105

(3)影響沉降速度的因素

·顆粒直徑理論上沉降速度與粒徑的平方成正比

·分散介質(zhì)粘度

沉降速度與介質(zhì)的粘度成反比

·兩相密度差

沉降速度與兩相密度差成正比

實(shí)際上，介質(zhì)并非無限量，沉降都是在有限容器中進(jìn)行，因此，實(shí)際沉降速度還受下面諸因素的影響:

-顆粒形狀球形顆粒對任何方向的來流都具有相同的投影面積；偏離球形愈大，阻力因數(shù)愈大。

-壁效應(yīng)在實(shí)際有限的容器中進(jìn)行沉降，器壁對顆粒沉降有阻滯作用，使沉降速度較自由沉降速度為小，這種影響稱為壁效應(yīng)；

-干擾沉降當(dāng)非均勻混合物中分散顆粒較多，顆粒之間互相距離較近時，顆粒間的碰撞和摩擦作用會消耗動能，即增加了阻力因數(shù)，使沉降速度較自由沉降時低，這種沉降稱為干擾沉降。懸浮液的沉聚一般為干擾沉降，其濃度愈高，此種現(xiàn)象愈顯著。(4)沉降速度的計算

a、試差法

b、摩擦數(shù)群法例

鮮牛乳中脂肪球的平均直徑約為5μm，20℃時，脂肪球的密度為1010kg/m3,脫脂乳的密度為1035kg/m3，粘度為2.12×10-3Pa·s，試求脂肪球在脫脂乳中的沉降速度。

解：（1）假定在過渡區(qū)，按該區(qū)的Allen公式得：u0值即為所求的沉降速度，負(fù)號表示脂肪球向上浮（2）用直接法求算

由K<2.62，可知沉降在層流區(qū)，按Stokes公式計算，得u0=-1.61×10-7m/s2、重力沉降設(shè)備

降塵室：借重力沉降從氣流中分離出塵粒的設(shè)備稱為降塵室。

l:降塵室的長度

H:降塵室的高度

b:降塵室的寬度

u:氣體在降塵室的

水平通過速度

qv:降塵室的生產(chǎn)能力lHb凈化氣體qv含塵氣體uut演示位于降塵室最高點(diǎn)的顆粒沉降至室底需要的時間為

氣體通過降塵室的時間為

例擬采用降塵室回收常壓爐氣中所含的球形固體顆粒。降塵室底面積為10m2，寬和高均為2m。操作條件下，氣體的密度為0.75kg/m3，粘度為2.6×10-5Pa·s；固體的密度為3000kg/m3；降塵室的生產(chǎn)能力為3m3/s。試求(1)理論上能完全捕集下來的最小顆粒直徑；(2)粒徑為40

μm的顆粒的回收百分率；(3)如欲完全回收直徑為10

μm的塵粒，在原降塵室內(nèi)需設(shè)置多少層水平隔板？解：(1)理論上能完全捕集下來的最小顆粒

(2)假設(shè)顆粒在爐氣中的分布是均勻的

(3)需設(shè)置的水平隔板層數(shù)

3、懸浮液的沉聚過程BBACDDDCAA4、沉降設(shè)備及其計算

(1)間歇式沉降槽

設(shè)h0—清液層高度，m

V—清液相的容積，m3

t0—沉降時間，s

u0—沉降速度，m/s

A0—沉降面積，m2

生產(chǎn)能力qv為

進(jìn)料沉淀h0(2)半連續(xù)式沉降槽

(3)連續(xù)式沉降槽

若進(jìn)入連續(xù)沉降槽的料漿體積流量為qv，m3/s，其中固相體積分率為ef，底流中固相體積分率為ec，則：

底流中固相體積流量=qvef

底流的體積流量=qvef

/

ec

若懸浮液中固相濃度以單位體積內(nèi)的固相質(zhì)量c表示時，上式變?yōu)椋?/p>

c—任一橫截面上的固相濃度，kg(固)/m3(懸浮液)

cc—沉渣中的固相濃度，kg(固)/m3(沉渣)

G—進(jìn)料中固相的質(zhì)量流量，kg/s若懸浮液中固相濃度以固、液質(zhì)量比的形式表示時，即

X—任一橫截面上的固、液質(zhì)量比，kg(固)/kg(液體)

Xc—沉渣中的固、液質(zhì)量比，kg(固)/kg(液體)

壓緊區(qū)容積=底流體積流量×壓緊時間

實(shí)際沉降槽高度=h+0.75h+1~2m

例料漿中1kg固體帶有5kg水，要在一連續(xù)沉降槽中增稠到1kg固體只帶1.5kg水。通過間歇沉降試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)：

若料漿質(zhì)量流量為8kg/s，固相密度為2100kg/m3，又知沉降所需壓緊時間為4小時，試確定沉降槽的主要尺寸。液固比1/Xkg(液)/kg（固）5.04.23.73.12.5表觀沉降速度U0.mm/s0.20.120.0940.070.05解：(1)沉降槽面積A5.03.52.00×10-41.75×1044.22.71.2×10-42.25×1043.72.20.94×10-42.34×1043.11.60.7×10-42.29×1042.51.00.5×10-42.00×104(2)沉降槽高度二、離心沉降

1、離心機(jī)內(nèi)的沉降

(1)離心機(jī)的概念

Kc稱為分離因素

(2)離心沉降速度

mωrR(3)離心沉降時間

rhr2r12、離心機(jī)內(nèi)的液體分離r4r3r2r1混合液進(jìn)入重液輕液擋板3、離心分離設(shè)備

(1)三足式離心機(jī)(2)臥式刮刀卸料離心機(jī)

（3）活塞推料離心機(jī)

(4)管式高速離心機(jī)123(5)碟片式離心機(jī)(6)沉降式離心機(jī)

三、氣溶膠的分離

1、氣溶膠中懸浮物的一般分離方法

(1)過濾凈制灰塵凈化氣體含塵氣體壓縮空氣骨架濾袋機(jī)殼清灰裝置排灰閥灰斗(2)慣性分離器

含塵氣體凈化氣體(3)濕法凈制

去旋風(fēng)分離器氣體液體可調(diào)錐(4)電凈制

2、氣溶膠的離心沉降

(1)氣溶膠在旋風(fēng)分離器中的運(yùn)動含塵氣體從圓筒上部長方形切線進(jìn)口進(jìn)入。入口氣速約為15～20m/s。含塵氣體沿圓筒內(nèi)壁作旋轉(zhuǎn)流動。顆粒的離心力較大，被甩向外層，氣流在內(nèi)層。氣固得以分離。在圓錐部分，旋轉(zhuǎn)半徑縮小而切向速度增大，氣流與顆粒作下螺旋運(yùn)動。在圓錐的底部附近，氣流轉(zhuǎn)為上升旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，最后由上部出口管排出；固相沿內(nèi)壁落入灰斗。外圓筒內(nèi)圓筒錐形筒切向入口關(guān)風(fēng)器(防止空氣進(jìn)入)外圓筒內(nèi)圓筒錐形筒切向入口關(guān)風(fēng)器(防止空氣進(jìn)入)含塵氣體固相凈化氣體外螺旋內(nèi)螺旋(2)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)和性能H1H2SBDD1AD2臨界直徑指在旋風(fēng)分離器中能被完全分離下來的最小顆粒直徑。假設(shè)：

a、進(jìn)入旋風(fēng)分離器的氣流嚴(yán)格按螺旋形路線作等速運(yùn)動，其切向速度等于進(jìn)口氣速ui

b、顆粒向器壁沉降時，必須穿過厚度等于整個進(jìn)氣口寬度B的氣流層，方能到達(dá)壁面而被分離。

c、顆粒在滯流情況下作自由沉降，其徑向沉降速度可用下式計算

例已知含塵氣體中塵粒密度為2300kg/m3，氣體溫度為500℃(μf=0.036cp)，流量為1000m3/h。采用標(biāo)準(zhǔn)型式的旋風(fēng)分離器，取D=400mm，其他尺寸按圖上所列的比例來決定，試估計臨界粒徑dc。解分離效率總效率分效率壓強(qiáng)降第三節(jié)過濾

一、過濾操作的基本概念

過濾是以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)，在外力作用下，使懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)固、液分離的操作。過濾操作采用的多孔物質(zhì)稱為濾漿濾餅介質(zhì)濾液過濾介質(zhì)，所處理的懸浮液稱為濾漿，通過多孔通道的液體稱為濾液，被截留的固體物質(zhì)稱為濾餅或?yàn)V渣。1、過濾方式

（1）深層過濾

（2）餅層過濾

2、過濾介質(zhì)

過濾介質(zhì)是濾餅的支承物，它應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和盡可能小的流動阻力，同時，還應(yīng)具有相應(yīng)的耐腐蝕性和耐熱性。

a、織物介質(zhì)（濾布）

b、堆積介質(zhì)

c、多孔固體介質(zhì)3、濾餅的壓縮性和助濾劑

顆粒如果是不易變形的堅硬固體，則當(dāng)濾餅兩側(cè)的壓強(qiáng)差增大時，顆粒的形狀和顆粒間的空隙都不發(fā)生明顯變化，單位厚度床層的流動阻力可視作恒定，這類濾餅稱為不可壓縮濾餅。如果當(dāng)濾餅兩側(cè)的壓強(qiáng)差增大時，顆粒的形狀和顆粒間的空隙便有明顯的改變，單位厚度餅層的流動阻力隨壓強(qiáng)差加高而增大，這種濾餅稱為可壓縮濾餅。為了減少可壓縮濾餅的流動阻力，有時將某種質(zhì)地堅硬而能形成疏松餅層的另一種固體顆?；烊霊腋∫夯蝾A(yù)涂于過濾介質(zhì)上，以形成疏松餅層，使濾液得以暢流。這種預(yù)混或預(yù)涂的粒狀物質(zhì)稱為助濾劑。

二、過濾基本方程式

1、濾液通過餅層的流動

de=4×水力半徑

=4×管道截面積÷潤濕周邊

顆粒床層的當(dāng)量直徑可寫出：

床層體積=1×1=1m3

假設(shè)細(xì)管的全部流動空間等于床層的空隙體積，故

流道容積=1×ε=εm3

若忽略床層中因顆粒相互接觸而彼此覆蓋的表面積，則

流道表面積=顆粒體積×顆粒比表面

=1×（1-ε）am2

所以床層的當(dāng)量直徑為

由于濾液通過餅層的流動常屬于滯流流型，則

K’=5,于是

2、過濾速率

前面討論的u為單位時間通過單位過濾面積的濾液體積，稱為過濾速度。

單位時間獲得的濾液體積稱為過濾速率。

3、濾餅的阻力

對于不可壓縮濾餅，ε，d，a為常數(shù)。

令：r=5a2(1-ε)2/ε3

4、過濾介質(zhì)的阻力5、過濾基本方程式

若每獲得1m3濾液所形成的濾餅體積為vm3,則任一瞬間的濾餅厚度L與當(dāng)時已經(jīng)獲得的濾液體積V

之間的關(guān)系應(yīng)為

三、恒壓過濾

若過濾操作是在恒定壓強(qiáng)差下進(jìn)行的，則稱為恒壓過濾。

對于一定的懸浮液，若μ，r’及v可視為常數(shù)，令

過濾時間濾液體積0→te0→Vete

→t+

te

Ve→V+

Ve積分上二式，并令：

上式稱為恒壓過濾方程式（拋物線方程）。

V當(dāng)過濾介質(zhì)阻力可以忽略時，Ve=0,te=0,則：

VeV+VeV+VeVOOetett+tet+tet四、恒速過濾五、先恒速后恒壓過濾

對于恒壓階段的V-t關(guān)系，即

若令

、分別代表升壓階段終了瞬間的濾液體積及過濾時間，則上式的積分形式為

此式即為恒壓階段的過濾方程，式中

、

分別代表轉(zhuǎn)入恒壓操作后所獲得的濾液體積及所經(jīng)歷的過濾時間。六、過濾常數(shù)的測定

1、恒壓下、、的測定

恒壓過濾方程為2、壓縮性指數(shù)s的測定

濾漿洗水濾板濾框洗板濾布板框過濾機(jī)七、過濾設(shè)備

1、板框過濾機(jī)

演示結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，占地面積小，過濾面積大。并可根據(jù)需要增減濾板的數(shù)量，調(diào)節(jié)過濾能力。對物料的適應(yīng)能力較強(qiáng)，由于操作壓力較高，對顆粒細(xì)小而液體粘度較大的濾漿，也能適用。間歇操作，生產(chǎn)能力低，卸渣清洗和組裝階段需用人力操作，勞動強(qiáng)度大，所以它只適用于小規(guī)模生產(chǎn)。近年出現(xiàn)了各種自動操作的板框壓濾機(jī)，使勞動強(qiáng)度得到減輕。板框壓濾機(jī)的特點(diǎn)2、轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)是工業(yè)上應(yīng)用較廣的連續(xù)操作的過濾機(jī)。轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖工作過程動盤定盤轉(zhuǎn)筒金屬網(wǎng)濾布濾餅攪拌器洗滌噴頭料漿槽刮刀110987654321817161514131112動盤轉(zhuǎn)筒及分配頭的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)工作過程定盤18格分成6個工作區(qū)1區(qū)(1~7格)：過濾區(qū)；2區(qū)(8~10格)：濾液吸干區(qū)；3區(qū)(12~13格)：洗滌區(qū)；4區(qū)(14格)：洗后吸干區(qū)；5區(qū)(16格)：吹松卸渣區(qū)；6區(qū)(17格)：濾布再生區(qū)。過濾區(qū)(1~2區(qū))，f槽;

洗滌區(qū)(3~4區(qū))，g槽

;干燥卸渣區(qū)(5~6區(qū))，h

槽;f槽h槽g槽自動連續(xù)操作；適用于處理量大，固體顆粒含量較多的濾漿；真空下操作，其過濾推動力較低(最高只有1atm)，對于濾餅阻力較大的物料適應(yīng)能力較差。轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)時，藉分配頭的作用，能使轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周的過程中，每個小過濾室可依次進(jìn)行過濾、洗滌、吸干、吹松卸渣等項(xiàng)操作。

整個轉(zhuǎn)筒圓周在任何瞬間都劃分為:過濾區(qū);洗滌區(qū);干燥卸渣區(qū)。特點(diǎn)：

工作過程：八、濾餅的洗滌

洗滌濾餅的目的在于回收滯留在顆?？p隙間的濾液，或凈化構(gòu)成濾餅的顆粒。

單位時間內(nèi)消耗的洗水容積稱為洗滌速率，以表示。葉濾機(jī)等所采用的是置換洗滌法，洗水與過濾終了時的濾液流過的路徑基本相同，故板框壓濾機(jī)采用的是橫穿洗滌法，洗水橫穿兩層濾布及整個厚度的濾餅，流徑和長度約為過濾終了時濾液流動路徑的兩倍，而供洗水流通的面積又僅為過濾面積的一半，即當(dāng)洗水粘度、洗水表壓與濾液粘度、過濾壓強(qiáng)差有明顯差異時，所需的洗滌時間可按下式進(jìn)行校正：

九、過濾機(jī)的生產(chǎn)能力

過濾機(jī)的生產(chǎn)能力通常是指單位時間獲得的濾液體積。

1、間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)