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是非球形。

·體積當量直徑de令實際顆粒的體積等于當量球形顆粒的體積，則體積當量直徑定義為

·表面積當量直徑des。令實際顆粒的表面積等于當量球形顆粒的表面積

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

則比面積當量直徑定義為

(2)形狀系數形狀系數又稱球形度，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，必須有兩個參數才能確定其特征。通常選用體積當量直徑和形狀系數來表征顆粒的體積、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所含粒子的個數或質量，即粒徑分布。

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

單位體積內的粒子質量稱為密度。

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。

設計顆粒貯存設備及某些加工設備時，應以堆積密度為準。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的，因而可認為床層是各向同性。各向同性床層的一個重要特點是，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值上等于空隙率ε。

實際上，壁面附近床層的空隙率總是大于床層內部的，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，這種現象稱為壁效應。當床層直徑D與顆粒直徑d之比較小時，壁效應的影響尤為嚴重。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根據牛頓第二運動定律知：

等速階段中顆粒相對于流體的運動速度ut稱為沉降速度。當a=0時，u=u0

(2)阻力系數ζ

通過因次分析可知ζ是顆粒與流體相對運動時雷諾準數Rep的函數。

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

·分散介質粘度

沉降速度與介質的粘度成反比

·兩相密度差

沉降速度與兩相密度差成正比

實際上，介質并非無限量，沉降都是在有限容器中進行，因此，實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，阻力因數愈大。

-壁效應在實際有限的容器中進行沉降，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；

-干擾沉降當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，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，此種現象愈顯著。(4)沉降速度的計算

a、試差法

b、摩擦數群法例

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，負號表示脂肪球向上?。?）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、重力沉降設備

降塵室：借重力沉降從氣流中分離出塵粒的設備稱為降塵室。

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:降塵室的生產能力lHb凈化氣體qv含塵氣體uut演示位于降塵室最高點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，在原降塵室內需設置多少層水平隔板？解：(1)理論上能完全捕集下來的最小顆粒

(2)假設顆粒在爐氣中的分布是均勻的

(3)需設置的水平隔板層數

3、懸浮液的沉聚過程BBACDDDCAA4、沉降設備及其計算

(1)間歇式沉降槽

設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

生產能力qv為

進料沉淀h0(2)半連續(xù)式沉降槽

(3)連續(xù)式沉降槽

若進入連續(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的固相質量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—進料中固相的質量流量，kg/s若懸浮液中固相濃度以固、液質量比的形式表示時，即

X—任一橫截面上的固、液質量比，kg(固)/kg(液體)

Xc—沉渣中的固、液質量比，kg(固)/kg(液體)

壓緊區(qū)容積=底流體積流量×壓緊時間

實際沉降槽高度=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。通過間歇沉降試驗測得數據：

若料漿質量流量為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、離心機內的沉降

(1)離心機的概念

Kc稱為分離因素

(2)離心沉降速度

mωrR(3)離心沉降時間

rhr2r12、離心機內的液體分離r4r3r2r1混合液進入重液輕液擋板3、離心分離設備

(1)三足式離心機(2)臥式刮刀卸料離心機

（3）活塞推料離心機

(4)管式高速離心機123(5)碟片式離心機(6)沉降式離心機

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

去旋風分離器氣體液體可調錐(4)電凈制

2、氣溶膠的離心沉降

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

a、進入旋風分離器的氣流嚴格按螺旋形路線作等速運動，其切向速度等于進口氣速ui

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

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。采用標準型式的旋風分離器，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為介質，在外力作用下，使懸浮液中的液體通過介質的孔道，而固體顆粒被截留在介質上，從而實現固、液分離的操作。過濾操作采用的多孔物質稱為濾漿濾餅介質濾液過濾介質，所處理的懸浮液稱為濾漿，通過多孔通道的液體稱為濾液，被截留的固體物質稱為濾餅或濾渣。1、過濾方式

（1）深層過濾

（2）餅層過濾

2、過濾介質

過濾介質是濾餅的支承物，它應具有足夠的機械強度和盡可能小的流動阻力，同時，還應具有相應的耐腐蝕性和耐熱性。

a、織物介質（濾布）

b、堆積介質

c、多孔固體介質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，則當濾餅兩側的壓強差增大時，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。如果當濾餅兩側的壓強差增大時，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，有時將某種質地堅硬而能形成疏松餅層的另一種固體顆?；烊霊腋∫夯蝾A涂于過濾介質上，以形成疏松餅層，使濾液得以暢流。這種預混或預涂的粒狀物質稱為助濾劑。

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

顆粒床層的當量直徑可寫出：

床層體積=1×1=1m3

假設細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。

令：r=5a2(1-ε)2/ε3

4、過濾介質的阻力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與當時已經獲得的濾液體積V

之間的關系應為

三、恒壓過濾

若過濾操作是在恒定壓強差下進行的，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，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當過濾介質阻力可以忽略時，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

、

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

1、恒壓下、、的測定

恒壓過濾方程為2、壓縮性指數s的測定

濾漿洗水濾板濾框洗板濾布板框過濾機七、過濾設備

1、板框過濾機

演示結構簡單，價格低廉，占地面積小，過濾面積大。并可根據需要增減濾板的數量，調節(jié)過濾能力。對物料的適應能力較強，由于操作壓力較高，對顆粒細小而液體粘度較大的濾漿，也能適用。間歇操作，生產能力低，卸渣清洗和組裝階段需用人力操作，勞動強度大，所以它只適用于小規(guī)模生產。近年出現了各種自動操作的板框壓濾機，使勞動強度得到減輕。板框壓濾機的特點2、轉筒真空過濾機轉筒真空過濾機是工業(yè)上應用較廣的連續(xù)操作的過濾機。轉筒真空過濾機結構示意圖工作過程動盤定盤轉筒金屬網濾布濾餅攪拌器洗滌噴頭料漿槽刮刀110987654321817161514131112動盤轉筒及分配頭的結構轉筒真空過濾機工作過程定盤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能力較差。轉筒旋轉時，藉分配頭的作用，能使轉筒旋轉一周的過程中，每個小過濾室可依次進行過濾、洗滌、吸干、吹松卸渣等項操作。

整個轉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：

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，或凈化構成濾餅的顆粒。

單位時間內消耗的洗水容積稱為洗滌速率，以表示。葉濾機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，即當洗水粘度、洗水表壓與濾液粘度、過濾壓強差有明顯差異時，所需的洗滌時間可按下式進行校正：

九、過濾機的生產能力

過濾機的生產能力通常是指單位時間獲得的濾液體積。

1、間歇過濾機的生產