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1食品工程原理2第三章非均相物系分离第一节:概述第二节:重力沉降第三节:离心沉降第四节:过滤3过滤基本方程的应用、过滤设备的操作原理重点过滤和沉降的基本理论及方程难点4第一节概述一、自然界中混合物的分类二、非均相物系分离的目的三、非均相物系分离的原则四、非均相物系分离的理论基础五、物系分离的方法5混合物均相混合物非均相混合物物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。例如：互溶溶液及混合气体物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。固体颗粒和气体构成的含尘气体固体颗粒和液体构成的悬浮液不互溶液体构成的乳浊液液体颗粒和气体构成的含雾气体非均相混合物一、自然界中混合物的分类一、自然界中混合物的分类6非均相物系分散物质处于分散状态的物质如：分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡分散相介质包围着分散相物质且处于连续状态的流体如：气态非均相物系中的气体液态非均相物系中的连续液体分散相连续相7二、非均相物系分离的目的二、非均相物系分离的目的回收分散物质净制分散介质劳动保护与环境卫生空气的净化，含固体颗粒净化，啤酒的净化等离心分离粉尘味精的精制，乳清蛋白的分离8三、非均相物系分离的原则三、非均相物系分离的原则根据两相物理性质(如密度等)的不同进行分离9四、非均相物系分离的理论基础四、非均相物系分离的理论基础分散相和连续相间发生相对运动而实现分离非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律10五、物系分离的方法五、物系分离的方法分离机械分离沉降过滤不同的物理性质连续相与分散相发生相对运动的方式分散相和连续相通常先将其变成一个两相物系，再用机械方法分离，如蒸馏，萃取等非均相物系的分离方法均相物系的分离11第二节重力沉降一、颗粒运动时的阻力二、沉降速度三、降尘室12沉降：在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。作用力重力惯性离心力重力沉降离心沉降13一、颗粒运动时的阻力一、颗粒运动时的阻力流体绕过颗粒的流动uFdzFd与颗粒的运动方向相反z颗粒与流体间有相对运动z对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就相等流体相对于静止的固体颗粒流动时，或固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的黏性，两者间会产生作用力，这种作用力常称为曳力(dragforce)或阻力14ρ：流体密度；μ：流体粘度；dp：颗粒的当量直径；A：颗粒在运动方向上的投影面积；u：颗粒与流体相对运动速度；ζ：阻力系数，是Re的函数，由实验确定22uAFdρζ=)()(μρφφζudRpe==颗粒所受的阻力Fd可用下式计算1516图中曲线大致可分为三个区域，各区域的计算式分别为tRe/24=ζRe10=ξ44.0=ζ层流区(斯托克斯Stokes区，10-4Re2)斯托克斯区的是准确计算式，另两个区是近似计算式过渡区(艾仑Allen区，2Re500)湍流区(牛顿Newton区，500Re2×105)171.球形颗粒的自由沉降自由沉降(freesettling)：单个颗粒在流体中沉降，或者颗粒群在流体中分散得较好而颗粒之间互不接触、互不碰撞条件下的沉降二、沉降速度二、沉降速度18τddumFFFdbg=−−243)(udgdduppppρζρρρρτ−−=根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式u重力Fg阻力Fd浮力Fb2422udFpdρπζ=gdFppgρπ36=gdFpbρπ36=ρp为颗粒密度19¾随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，du/dτ逐渐减少ζρρρ3)(4−=pptgdu上式表明颗粒的沉降过程包括¾加速阶段沉降速度(terminalvelocity)或终端速度：匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度当du/dτ=0时令u=ut，可得沉降速度计算式¾当u增到一定数值ut时du/dτ=0，颗粒作匀速沉降运动¾匀速阶段20对于球形颗粒，将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在各区相应的沉降速度层流区(Re2)μρρ18)(2−=ppgdtupptdgu3122225)(4⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−=μρρρρρρppdgtu)(3−=湍流区(500Re105)过渡区(2Re500)¾ut与dp有关，dp愈大，ut愈大¾层流区和过渡区中，ut还与μ有关¾液体μ约为气体的50倍，故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多212.沉降速度的求法¾假设流体流动类型¾计算沉降速度¾计算Re，验证与假设是否相符¾如不相符，重新假设；如相符，结果有效通常采用试差法假设沉降属于层流区()μρρ182−=pptgduutμρdut=ReRetRe＜1tut为所求Re＞1艾伦公式t求ut判断……适合为止22计算直径为95μm，密度为3000kg/m3的固体颗粒在20℃水中的自由沉降速度smugdtpp/10797.9310005.11881.9)2.9983000()1098(18)(362−×××−××−×===−−μρρ计算Re，核算流型19244.0Re33610005.12.99810797.91095===−−−×××××μρudp假设正确，计算有效解：对20℃的水，ρ=998.2kg/m3，μ=1.005×10-3Pa⋅s假设为层流区233.影响沉降速度的因素(以层流区为例)μρρ18)(2−=ppgdtu3.1颗粒直径dp啤酒生产，采用絮状酵母，dp↑→ut↑↑，易于分离和澄清3.2连续相的粘度μ加酶：清饮料中添加果胶酶，μ↓→ut↑，易于分离3.3两相密度差(ρp-ρ)均质乳化，dp↓→ut↓↓，使饮料不易分层加絮凝剂使溶液澄清，如水中加明矾增稠：浓饮料中添加增稠剂，μ↑→ut↓，不易分层243.4颗粒形状非球形颗粒的形状可用球形度φs来描述pSSs=φφs：球形度；S：颗粒的表面积，m2；Sp：与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2φs越小，ξ越大，但在层流区不明显，ut非球ut球对d0.5μm的细微颗粒，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式计算ut；沉降公式可用于沉降和上浮等情况253.6干扰沉降(hinderedsettling)3.5壁效应(walleffect)当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应当非均相物系中的颗粒较多，颗粒间的相互距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降速度比自由沉降的小26z利用重力降分离含尘气体中尘粒的设备降尘室的示意图z是一种昀原始的分离方法，一般作为预分离，分离粒径较大的尘粒三、降尘室三、降尘室27假设颗粒水平运动的分速度与气体的流速u相同lHb净化气体含尘气体uut1.降尘室的计算停留时间θ＝L/u沉降时间θt＝H/ut颗粒分离出来的条件为L/u≥H/ut282临界粒径dpc(criticalparticlediameter)能100％除去的最小粒径，即满足L/u＝H/ut的粒径当含尘气体的体积流量为qvs时，u=qvs/HW故与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度ut≥qvs/WL则有或qvs≤WLututc=qvs/WL即临界沉降速度utc是流量和面积的函数29当尘粒的沉降速度小，处于斯托克斯区时WLqgdvppc⋅−=)(18ρρμz对一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与底面积WL和utc有关，与H无关z沉降室应做成扁平形或在室内均匀设置多层隔板z气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降或把沉下来的尘粒重新卷起，一般u≤3m/s30降尘室用水平隔板分为N层，每层高度为H/N，水平速度u不变多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体¾尘粒沉降高度为原来的1/N倍WLqgdvppc⋅−=)(18ρρμN/1¾utc降为原来的1/N倍(utc=qv/WL)¾临界粒径为原来的倍¾一般可分离20μm以上的颗粒，排灰不方便31用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。操作条件下空气的密度为0.799kg/m3，粘度为2.53×10-5Pa·s，流量为5.0×104m3/h。粉尘的密度为2000kg/m3。试求粉尘的临界直径。smWLquvstc/11.155.23600/100.54=××==解：与临界直径对应的临界沉降速度32假设流型属于过渡区，粉尘的临界直径mmgugudptcptcpcμρμρρρμρ1581058.1)100.2()81.9(4779.01053.222511.14225)(4225431232531223122=×=⎥⎦⎤⎢⎣⎡××××=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡≈⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−=−−4.51053.2779.011.11058.1Re54=××××==−−μρtcpcud校核流型属于过渡区，与假设相符333沉降室的设计计算μρρ18)(2−=ppgdtuqvs≤WLuttsvuqWL≥tuHuL≥uLutH≤z计算utz确定底面积、W和Lz确定沉降距离H已知含尘气体的流量，粉尘的排放标准，气固两相的物理参数344.1增稠器4.悬浮液的沉聚z沉聚(sedimentation)：悬浮液放在大型容器里，其中的固体颗粒在重力下沉降，得到澄清液与稠浆的操作z澄清：当原液中固体颗粒的浓度较低，而为了得到澄清液时的操作，所用设备称为澄清器(clarifier)z增稠器(thickener)：从较稠的原液中尽可能把液体分离出来而得到稠浆的设备354.2絮凝剂z溶胶：含有直径小于1μm的颗粒的液体为促进细小颗粒絮凝成较大颗粒以增大沉降速度，可往溶胶中加入少量电解质z絮凝剂(coagulant)：能促进溶胶中微粒絮凝的物质常用絮凝剂明矾、三氧化铝、绿矾(硫酸亚铁)和三氯化铁等，一般用量为40～200×10-6(质量)36第三节离心沉降(centrifugalsettling)一、离心分离因素二、离心沉降速度三、旋风分离器四、旋液分离器五、沉降式离心机37依靠离心力的作用使流体中的颗粒产生沉降运动，称为离心沉降(centrifugalsettling)离心沉降(centrifugalsettling)382)30/N(2πωmrmrFc==离心分离因数：离心力与重力之比如果r为颗粒到旋转轴中心的距离，Kc值可作为衡量离心机分离能力的尺度。分离因素的极值与转动部件的材料强度有关。Kc=rω2/g≈rN2/900一、离心分离因数(separationfactor)K一、离心分离因数(separationfactor)K39236ωρπrdFppc=离心力236ωρπrdFpb=浮力2)(422τρπζddrdFpd⋅=阻力02)(4)(62222=⋅−−τρπζρρωπddrdrdppp若这三个力达到平衡，有颗粒在离心力场中沉降时，径向沉降方向上受力分析u离心力Fe阻力Fd浮力Fb颗粒在离心力场中的受力分析二、离心沉降速度二、离心沉降速度40在一定条件下，重力沉降速度一定，而离心沉降速度随着颗粒在半径方向上的位置不同而变化2218)(ωμρρτrdddrpp−=颗粒在径向上相对于流体的速度ctgrtrKuuu==2ω离心沉降分离中，当颗粒所受的流体阻力处于斯托克斯区，离心沉降速度23)(4ωζρρρτrdddrpp−=41利用离心力作用净化气体的设备z结构简单，制造方便结构z分离效率高z可用于高温含尘气体的分离特点z外圆筒、内圆筒和锥形筒三、旋风分离器(cycloneseparator)三、旋风分离器(cycloneseparator)42z含尘气体切线进入，速度约为15～20m/s外圆筒内圆筒锥形筒切向入口关风器(防止空气进入)含尘气体固相净化气体外螺旋内螺旋z沿筒壁旋转流动，离心力较大的颗粒被甩向外层，气流在内层，气固分离z在圆锥部分，旋转半径缩小，切向速度增大，气流与颗粒向下螺旋运动z在圆锥底部附近，气流转为上升旋转运动，最后由上部出口排出z固相沿内壁落入灰斗工作过程43ui：进口气流的流速，m/s；b：入口宽度(沉降距离)，m；n：气流旋转的圈数，计算时通常取n=5ipp