食品工程原理03非均相物系

第三章非均相物系的分离重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程难点：过滤基本方程的应用、过滤设备均相物系(honogeneoussystem):均相混合物。物系内部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。自然界的混合物分为两大类：非均相物系(non-honogeneoussystem):非均相混合物。物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。第一节概述分散相：分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。连续相：分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。非均相物系由分散相和连续相组成要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。非均相物系的分离原理：非均相物系分离的理论基础：根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分离，如蒸馏，萃取等。非均相物系的分离方法：均相物系的分离：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。第二节过滤一、过滤操作的基本概念1过滤(filtration)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)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。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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。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。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。床层总体积床层空隙体积式中α——颗粒的比表面，m2/m3。颗粒体积颗粒表面积a比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积称为比表面积。2颗粒床层的特性依照康采尼(Kozeny)的建议,当量直径采用床层全部空隙体积与床层中固体颗粒的全部表面积之比床层中颗粒总表面积床层空隙总体积edade)1(Lpduce)(21232dlupAF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。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：uu1)()1(1223LpaKuc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。ade)1(Lpduce)(21)()1(5223LpaAddVuc)()1(5223LpAaddVc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R——滤饼阻力，1/m,其计算式为：RprLpAddVcc322)1(5ar)()1(5223LpaAddVuc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。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、恒压过滤若维持过滤速率恒定，这样的过滤操作方式称为恒速过滤。常数RuqAVAddV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、恒速过滤先恒速后恒压过滤是工业中常用的一种过滤方法。RRdpkAdVVVsVVe12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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、吸滤和离心过滤板框压滤机（间歇操作）转筒真空过滤机（连续操作）过滤式离心机八、过滤设备结构：滤板、滤框、夹紧机构、机架等组成。滤板：凹凸不平的表面，凸部用来支撑滤布，凹槽是滤液的流道。滤板右上角的圆孔，是滤浆通道；左上角的圆孔，是洗水通道。洗涤板：左上角的洗水通道与两侧表面的凹槽相通，使洗水流进凹槽；非洗涤板：洗水通道与两侧表面的凹槽不相通。1板框压滤机下载为了避免这两种板和框的安装次序有错，在铸造时常在板与框的外侧面分别铸有一个、两个或三个小钮。非洗涤板为一钮板，框带两个钮板，框带两个钮，洗涤板为三钮板。滤框：滤浆通道：滤框右上角的圆孔洗水通道：滤框左上角的圆孔滤浆洗水滤板滤框洗板滤布板框过滤机板框过滤机的操作是间歇式的，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸渣、整理五个阶段。过滤过程1)、装合：将板与框按1-2-3-2-1-2-3的顺序，滤板的两侧表面放上滤布，然后用手动的或机动的压紧装置固定，使板与框紧密接触。2)、过滤：用泵把滤浆送进右上角的滤浆通道，由通道流进每个滤框里。滤液穿过滤布沿滤板的凹槽流至每个滤板下角的阀门排出。固体颗粒积存在滤框内形成滤饼，直到框内充满滤饼为止。3)、洗涤：将洗水送入洗水通道，经洗涤板左上角的洗水进口，进入板的两侧表面的凹槽中。然后，洗水横穿滤布和滤饼，最后由非洗涤板下角的滤液出口排出。在此阶段中，洗涤板下角的滤液出口阀门关闭。4)、卸渣、整理打开板框，卸出滤饼，洗涤滤布及板、框。在洗液粘度与滤液粘度相近的情况下，且在压差相同时，洗涤速率约为过滤终了速率的1/4。为什么？结构简单，价格低廉，占地面积小，过滤面积大。可根据需要增减滤板的数量，调节过滤能力。对物料的适应能力较强，由于操作压力较高（3~10kg/cm2），对颗粒细小而液体粘度较大的滤浆，也能适用。间歇操作，生产能力低，卸渣清洗和组装阶段需用人力操作，劳动强度大，所以它只适用于小规模生产。近年出现了各种自动操作的板框压滤机，使劳动强度得到减轻。板框压滤机的特点：结构：转筒，扇形格(18格)；滤室；分配头；动盘(18个孔，分别与扇形格的18个通道相连)；定盘(三个凹槽：滤液真空凹槽、洗水真空凹槽、压缩空气凹槽，分别将动盘的18个孔道分成三个通道)；金属网；滤布；滤浆槽。工作过程转筒真空过滤机结构示意图动盘定盘转筒金属网滤布滤饼搅拌器洗涤喷头料浆槽刮刀2转筒真空过滤机（rotary-drumvacuumfilter）110987654321817161514131112动盘转筒及分配头的结构工作过程定盘18格分成6个工作区1区(1~7格)：过滤区；2区(8~10格)：滤液吸干区；3区(12~13格)：洗涤区；4区(14格)：洗后吸干区；5区(16格)：吹松卸渣区；6区(17格)：滤布再生区。过滤区(1~2区)，f槽;洗涤区(3~4区)，g槽;干燥卸渣区(5~6区)，h槽;f槽h槽g槽自动连续操作；适用于处理量大，固体颗粒含量较多的滤浆；真空下操作，其过滤推动力较低(最高只有1atm)，对于滤饼阻力较大的物料适应能力较差。转筒旋转时，藉分配头的作用，能使转筒旋转一周的过程中，每个小过滤室可依次进行过滤、洗涤、吸干、吹松卸渣等项操作。整个转筒圆周在任何瞬间都划分为:特点：工作过程过滤区;洗涤区;干燥卸渣区。结构：1.悬筐式离心机(suspended-basketcentrifuge)转鼓滤饼滤布滤网离心过滤机工作原理图转鼓(上有小孔，亦称悬框)；滤网；滤布；机架。原理：由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、滤网及滤筐而流出。3离心过滤机（centrifugalfilter）过滤方程及压力的计算采用恒压过滤方程式：(q+qe)2=K(+e)HRA2)(3332rRpRfAVqA——过滤面积，m2；H——转筒高度，m;R——转筒半径，m；p——过滤推动力，Pa。r——任意处滤饼半径，m。在离心力作用下液体沿加料斗的锥形面流动，均匀地沿圆周分散到滤筐的过滤段。滤液透过滤网而形成滤渣