食品工程原理非均相物系的分離2

第三章

非均相物系的分離

重點：過濾和沉降的基本理論、基本方程難點：過濾基本方程的應(yīng)用、過濾設(shè)備

均相物系(honogeneoussystem):

均相混合物。物系內(nèi)部各處均勻且無相界面。如溶液和混合氣體都是均相物系。自然界的混合物分為兩大類：非均相物系(non-honogeneoussystem):

非均相混合物。物系內(nèi)部有隔開不同相的界面存在，且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)有顯著差異。如：懸浮液、乳濁液、泡沫液屬于液態(tài)非均相物系，含塵氣體、含霧氣體屬于氣態(tài)非均相物系。第一節(jié)

概述分散相：分散物質(zhì)。在非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。連續(xù)相：分散介質(zhì)。包圍著分散物質(zhì)而處于連續(xù)狀態(tài)的流體。非均相物系由分散相和連續(xù)相組成

要實現(xiàn)分離，必須使分散相和連續(xù)相之間發(fā)生相對運動。因此，非均相物系的分離操作遵循流體力學(xué)的基本規(guī)律。非均相物系的分離原理：

非均相物系分離的理論基礎(chǔ)：根據(jù)兩相物理性質(zhì)(如密度等)的不同而進行的分離。由于非均相物的兩相間的密度等物理特性差異較大，因此常采用機械方法進行分離。按兩相運動方式的不同，機械分離大致分為沉降和過濾兩種操作。

通常先造成一個兩相物系，再用機械分離的方法分離，如蒸餾，萃取等。非均相物系的分離方法：均相物系的分離：非均相物系的分離過濾過濾介質(zhì):過濾采用的多孔物質(zhì)；濾漿:所處理的懸浮液；濾液:通過多孔通道的液體；濾餅或濾渣:被截留的固體物質(zhì)。以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)，在外力的作用下，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，從而實現(xiàn)固液分離的單元操作。第二節(jié)

過濾

一、過濾操作的基本概念

1過濾(filtration)

濾漿(slurry)：原懸浮液。濾餅(filtercake)：截留的固體物質(zhì)。過濾介質(zhì)(filteringmedium)：多孔物質(zhì)。濾液(filterate)：通過多孔通道的液體。過濾操作示意圖(濾餅過濾)

濾餅過濾過程：剛開始：有細小顆粒通過孔道，濾液混濁。開始后：迅速發(fā)生“架橋現(xiàn)象”，顆粒被攔截，濾液澄清。所以，在濾餅過濾時真正起過濾作用的是濾餅本身，而非過濾介質(zhì)。2過濾方式

過濾的操作基本方式有兩種：濾餅過濾和深層過濾。

2.1濾餅過濾(cakefiltration)：餅層過濾架橋現(xiàn)象注意：所選過濾介質(zhì)的孔道尺寸一定要使“架橋現(xiàn)象”能夠過發(fā)生。餅層過濾適于處理固體含量較高的懸浮液。特點：顆粒(粒子)沉積于介質(zhì)內(nèi)部。深層過濾過濾對象：懸浮液中的固體顆粒小而少。過濾介質(zhì)：堆積較厚的粒狀床層。過濾原理：顆粒尺寸介質(zhì)通道尺寸，顆粒通過細長而彎曲的孔道，靠靜電和分子的作用力附著在介質(zhì)孔道上。應(yīng)用：適于處理生產(chǎn)能力大而懸浮液中顆粒小而且含量少的場合，如水處理和酒的過濾。2.2深層過濾(deepbedfiltration)：深床過濾織物介質(zhì)(又稱濾布)

由棉、毛、麻、絲等天然纖維及合成纖維制成的織物，以及玻璃絲、金屬絲等織成的網(wǎng)；過濾介質(zhì)的分類：堆積介質(zhì)

由各種固體顆粒（細砂、硅藻土等）堆積而成，多用于深床過濾；多孔固體介質(zhì)

這類介質(zhì)具有很多細微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量細微顆粒的懸浮液，如白酒等的精濾。3過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)應(yīng)具有如下性質(zhì)：過濾介質(zhì)的作用(濾餅過濾)：促使濾餅的形成，并支承濾餅。（1）多孔性，液體流過的阻力小；（2）有足夠的強度；（3）耐腐蝕性和耐熱性；（4）孔道大小適當(dāng)，能發(fā)生架橋現(xiàn)象。不可壓縮濾餅：若顆粒由不易變形的堅硬固體組成，則當(dāng)壓強差增大時，濾餅的結(jié)構(gòu)不發(fā)生明顯變化，單位厚度濾餅的流動阻力可視作恒定，這類濾餅稱為不可壓縮濾餅。隨著過濾的進行，濾餅的厚度增大，濾液的流動阻力亦逐漸增大，導(dǎo)致濾餅兩側(cè)的壓強差增大。濾餅的壓縮性對壓強差有較大影響?？蓧嚎s濾餅：若濾餅為膠體物質(zhì)時，當(dāng)壓強差增大時，濾餅則被壓緊，使單位厚度濾餅的流動阻力增大，此類濾餅稱為可壓縮濾餅。

4濾餅的壓縮性和助濾劑助濾劑：對于可壓縮濾餅，為了使過濾順利進行，可以將質(zhì)地堅硬而能形成疏松濾餅的另一種固體顆?；烊霊腋∫夯蝾A(yù)涂于過濾介質(zhì)上，以形成疏松餅層，使得濾液暢流，該種顆粒狀物質(zhì)就稱為助濾劑。常用的助濾劑：硅藻土、珍珠巖、石棉、炭粉等。助濾劑的基本要求：1、能形成多孔餅層的剛性顆粒，使濾餅有良好的滲透性及較低的流體阻力。2、具有化學(xué)穩(wěn)定性。3、在操作壓強范圍內(nèi)具有不可壓縮性。

dpde

對于顆粒層中不規(guī)則的通道，可以簡化成由一組當(dāng)量直徑為de的細管，而細管的當(dāng)量直徑可由床層的空隙率和顆粒的比表面積來計算。二、過濾的基本理論

1濾液通過餅層的流動顆粒床層的特性可用空隙率、當(dāng)量直徑等物理量來描述?？障堵剩簡挝惑w積床層中的空隙體積稱為空隙率。式中ε——床層的空隙率，m3/m3。式中α——顆粒的比表面，m2/m3。比表面積：單位體積顆粒所具有的表面積稱為比表面積。2顆粒床層的特性依照康采尼(Kozeny)的建議,當(dāng)量直徑采用床層全部空隙體積與床層中固體顆粒的全部表面積之比床層中顆?？偙砻娣e床層空隙總體積=ed濾液通過餅層的流動常屬于滯流流型，可以仿照圓管內(nèi)滯流流動的泊稷葉公式(哈根方程)來描述濾液通過濾餅的流動，則濾液通過餅床層的流速與壓強降的關(guān)系為：式中u1—濾液在床層孔道中的流速，m/s；

L—床層厚度，m,

Δpc

—濾液通過濾餅層的壓強降，pa；阻力與壓強降成正比，因此可認為上式表達了過濾操作中濾液流速與阻力的關(guān)系。

在與過濾介質(zhì)相垂直的方向上，床層空隙中的濾液流速u1與按整個床層截面積計算的濾液平均流速u之間的關(guān)系為：

上式中的比例常數(shù)K′與濾餅的空隙率、顆粒形狀、排列及粒度范圍諸因素有關(guān)。對于顆粒床層內(nèi)的滯流流動，K′值可取為5。式中V——濾液量，m3；

θ——過濾時間，s；

A——過濾面積，m2。過濾速率為：任一瞬間的過濾速度為：過濾速度:單位時間內(nèi)通過單位過濾面積的濾液體積，

m3/m2s。過濾速率:單位時間內(nèi)獲得的濾液體積，m3/s。3過濾速率R——濾餅阻力，1/m,其計算式為：對于不可壓縮濾餅，濾餅層中的空隙率ε可視為常數(shù)，顆粒的形狀、尺寸也不改變，因而比表面a亦為常數(shù)，則有式中r——濾餅的比阻，1/m2,其計算式為：R=rL4濾餅阻力比阻r單位厚度濾餅的阻力；在數(shù)值上等于粘度為1Pa·s的濾液以1m/s的平均流速通過厚度為1m的濾餅層時所產(chǎn)生的壓強降；比阻反映了顆粒特性(形狀、尺寸及床層空隙率)對濾液流動的影響；床層空隙率ε愈小及顆粒比表面a愈大，則床層愈致密，對流體流動的阻滯作用也愈大。非均相物系的分離沉降Settling定義：沉降力場：重力、離心力。

在某種力場的作用下，利用分散物質(zhì)與分散介質(zhì)的密度差異，使之發(fā)生相對運動而分離的單元操作。沉降操作分類：重力沉降、離心沉降。第三節(jié)沉降圖流體繞過顆粒的流動uFdFd與顆粒運動的方向相反當(dāng)流體相對于靜止的固體顆粒流動時，或者固體顆粒在靜止流體中移動時，由于流體的粘性，兩者之間會產(chǎn)生作用力，這種作用力通常稱為曳力（dragforce)或阻力。只要顆粒與流體之間有相對運動，就會產(chǎn)生阻力。對于一定的顆粒和流體，只要相對運動速度相同，流體對顆粒的阻力就一樣。一、顆粒運動時的阻力

ρ——流體密度；μ——流體粘度；

dp——顆粒的當(dāng)量直徑；

A——顆粒在運動方向上的投影面積；

u——顆粒與流體相對運動速度。

——阻力系數(shù)，是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，由實驗確定。顆粒所受的阻力Fd可用下式計算

層流區(qū)（斯托克斯Stokes區(qū)，10-4<Re<1）注意：其中斯托克斯區(qū)的計算式是準(zhǔn)確的，其它兩個區(qū)域的計算式是近似的。過渡區(qū)（艾侖Allen區(qū)，1<Re<103）湍流區(qū)（牛頓Newton區(qū)，103<Re<105）圖中曲線大致可分為三個區(qū)域，各區(qū)域的曲線可分別用不同的計算式表示為：

自由沉降（freesettling）：

單個顆粒在流體中沉降，或者顆粒群在流體中分散得較好而顆粒之間互不接觸互不碰撞的條件下沉降。

二、重力沉降

重力沉降(gravitysettling)：由地球引力作用而發(fā)生的顆粒沉降過程，稱為重力沉降。

1沉降速度

1.1球形顆粒的自由沉降

根據(jù)牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運動基本方程式應(yīng)為:u重力Fg阻力Fd浮力Fbp為顆粒密度隨著顆粒向下沉降，u逐漸增大，du/d

逐漸減少。當(dāng)u增到一定數(shù)值ui時，du/d=0。顆粒開始作勻速沉降運動。上式表明：顆粒的沉降過程分為兩個階段：沉降速度（terminalvelocity）：也稱為終端速度，勻速階段顆粒相對于流體的運動速度。當(dāng)du/d

=0時，令u=ut，則可得沉降速度計算式加速階段；勻速階段。將不同流動區(qū)域的阻力系數(shù)分別代入上式，得球形顆粒在各區(qū)相應(yīng)的沉降速度分別為：

層流區(qū)（Re<1）過渡區(qū)（1<Re<500）湍流區(qū)（500<Re<105）ut與dp有關(guān)。dp愈大，ut則愈大。層流區(qū)與過渡區(qū)中，ut還與流體粘度有關(guān)。液體粘度約為氣體粘度的50倍，故顆粒在液體中的沉降速度比在氣體中的小很多。假設(shè)流體流動類型；計算沉降速度；計算Re，驗證與假設(shè)是否相符；如果不相符，則轉(zhuǎn)①。如果相符，OK!求沉降速度通常采用試差法。沉降速度的求法：

例：計算直徑為95m，密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20℃的空氣和水中的自由沉降速度。計算Re，核算流型：假設(shè)正確，計算有效。解：在20℃的水中：20℃水的密度為998.2kg/m3，粘度為1.005×10-3Pas先設(shè)為層流區(qū)。

1)顆粒直徑dp:應(yīng)用：啤酒生產(chǎn)，采用絮狀酵母，dp↑→ut↑↑，使啤酒易于分離和澄清。均質(zhì)乳化，dp↓→ut↓↓，使飲料不易分層。加絮凝劑，如水中加明礬。2)連續(xù)相的粘度：應(yīng)用：加酶：清飲料中添加果膠酶，使

↓→ut↑，易于分離。增稠：濃飲料中添加增稠劑，使

↑→ut↓，不易分層。加熱：3)兩相密度差(

p-)：2影響沉降速度的因素(以層流區(qū)為例)

4)

顆粒形狀在實際沉降中：非球形顆粒的形狀可用球形度s

來描述。s——球形度；S——顆粒的表面積，m2；Sp——與顆粒體積相等的圓球的表面積，m2。

不同球形度下阻力系數(shù)與Re的關(guān)系見課本圖示，Re中的dp用當(dāng)量直徑de代替。球形度s越小，阻力系數(shù)

越大，但在層流區(qū)不明顯。ut非球<ut球。對于細微顆粒(d<0.5m)，應(yīng)考慮分子熱運動的影響，不能用沉降公式計算ut；沉降公式可用于沉降和上浮等情況。注意：6)干擾沉降（hinderedsettling）：

當(dāng)非均相物系中的顆粒較多，顆粒之間相互距離較近時，顆粒沉降會受到其它顆粒的影響，這種沉降稱為干擾沉降。干擾沉降速度比自由沉降的小。5)壁效應(yīng)

(walleffect)：

當(dāng)顆粒在靠近器壁的位置沉降時，由于器壁的影響，其沉降速度較自由沉降速度小，這種影響稱為壁效應(yīng)。降塵室：利用重力降分離含塵氣體中塵粒的設(shè)備。是一種最原始的分離方法。一般作為預(yù)分離之用，分離粒徑較大的塵粒。降塵室的示意圖3降塵室假設(shè)顆粒運動的水平分速度與氣體的流速u相同；停留時間＝l/u沉降時間t＝H/ut顆粒分離出來的條件是l/u≥H/utlHb凈化氣體含塵氣體uut降塵室的計算即：滿足L/u＝H/ut

條件的粒徑當(dāng)含塵氣體的體積流量為Vs時，

u=Vs/Hb故與臨界粒徑dpc相對應(yīng)的臨界沉降速度為utc=Vs/

blut≥Vs/lb則有或Vs≤

blut

臨界沉降速度utc是流量和面積的函數(shù)。臨界粒徑dpc（criticalparticlediameter）：能100％除去的最小粒徑。當(dāng)塵粒的沉降速度小，處于斯托克斯區(qū)時，臨界粒徑為一定粒徑的顆粒，沉降室的生產(chǎn)能力只與與底面積bl和utc有關(guān)，而與H無關(guān)。故沉降室應(yīng)做成扁平形，或在室內(nèi)均勻設(shè)置多層隔板。氣速u不能太大，以免干擾顆粒沉降，或把沉下來的塵粒重新卷起。一般u不超過3m/s。由此可知：當(dāng)降塵室用水平隔板分為N層，則每層高度為H/N。水平速度u不變。此時：多層隔板降塵室示意圖含塵氣體粉塵隔板凈化氣體塵粒沉降高度為原來的1/N倍；utc降為原來的1/N倍(utc=Vs/

bl)；臨界粒徑為原來的倍()；一般可分離20μm以上的顆粒。多層隔板降塵室排灰不方便。繼續(xù)例：用高2m、寬2.5m、長5m的重力降塵室分離空氣中的粉塵。在操作條件下空氣的密度為0.799kg/m3，粘度為2.53×10-5Pa·s，流量為5.0×104

m3/h。粉塵的密度為2000kg/m3。試求粉塵的臨界直徑。解：與臨界直徑對應(yīng)的臨界沉降速度為假設(shè)流型屬于過渡區(qū)，粉塵的臨界直徑為校核流型故屬于過渡區(qū)，與假設(shè)相符。

Vs≤

blut

1)計算ut：2)確定低面積和b,l：3)確定沉降距離H已知含塵氣體的流量，粉塵的排放標(biāo)準(zhǔn)，氣固兩相的物理參數(shù)。沉降室的設(shè)計計算沉聚（sedimentation）：懸浮液放在大型容器里，其中的固體顆粒在重力下沉降，得到澄清液與稠漿的操作。澄清：當(dāng)原液中固體顆粒的濃度較低，而為了