第三章沉降過濾及流態(tài)化

第三章

沉降、過濾與流態(tài)化

掌握沉降的基本原理及基本計算方法；掌握過濾操作原理，過濾基本方程式及過濾計算；熟悉典型沉降、過濾設(shè)備結(jié)構(gòu)和特點；了解流態(tài)化技術(shù)原理，及在食品工業(yè)中的運用。本章重點和難點第三章

沉降、過濾與流態(tài)化概述均相物系(Homogeneoussystem):

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-homogeneoussystem):

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。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，如沉降、過濾。

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；也可用化學方法，如絡(luò)合萃取。非均相物系的分離方法：均相物系的分離：第一節(jié)

沉降

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。

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。

一、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.重力沉降速度

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

Fbs為顆粒密度也可表示為：圖3-1沉降顆粒受力情況

隨著顆粒向下沉降，u逐漸增大，a逐漸減少。

當u增到一定數(shù)值ui時，

a

=0。顆粒開始作勻速沉降運動。上式表明：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a=0時，令u=ut，則可得沉降速度計算式所以，顆粒的沉降過程分為兩個階段：加速階段；勻速階段。

通過量綱分析可知，是顆粒與流體相對運動時雷諾數(shù)Re的函數(shù)

隨Re變化的實驗測定結(jié)果，見圖3-2。圖3-2-Re關(guān)系曲線圖中φs表示顆粒的球形度，對于球形顆粒φs＝1。

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：ut與d有關(guān)。d愈大，ut則愈大。層流區(qū)與過渡區(qū)中，ut還與流體黏度有關(guān)。液體黏度約為氣體黏度的50倍，故顆粒在液體中的沉降速度比在氣體中的小很多。

層流區(qū)（10-4<Re<1）過渡區(qū)（1<Re<1000）湍流區(qū)(1000<Re<2×105）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，完成!求沉降速度通常采用試差法。2.沉降速度的求法：

另外，還有圖解法可以計算沉降速度，但該方法較少使用。同學們可以自行學習?！纠?-1】玉米淀粉懸浮液于20℃時水中，顆粒的直徑為6~21μm，其平均值為15μm，求沉降速度。假定吸水后淀粉顆粒的相對密度為1.02。

解：水在20℃時，μ=10-3Pa·s，ρs=1020kg/m3，假定在層流區(qū)沉降，則按斯托克斯公式：m/s校核雷諾數(shù)：<1.0原假設(shè)在層流區(qū)沉降正確，故沉降速度為2.45×10-6m/s有效可靠。

【例3-2】油和水的分離設(shè)計一一連續(xù)分離罐用于液態(tài)油的水洗之后，估計該罐所需的面積是多少？已知離開水洗罐的油是直徑為5.1×10-5m的球形液滴，進入分離罐的濃度為4kg水︰1kg油，要求離開分離罐的水是無油的。進料速度為1000kg/h，油的密度是894kg/m3，油和水的溫度均為38℃。采用斯托克斯定律(Stokes’Law)。解：從附錄中可以查出：38℃時水的黏度：0.7×10-3Pa·s；密度：992kg/m3；油滴的直徑：5.1×10-5m；

根據(jù)式(3-8)，據(jù)題意得：進料中水與油的質(zhì)量比=4；流出液體中要求水是無油的，即水與油的質(zhì)量比=0，dV/dt=液體中油的流速=1000/5=200kg/h，可以得到：m2

根據(jù)例3-2可以看出，沉降不僅用于密度大于液相的物質(zhì)向下沉的問題，也能用于密度小于液相向上浮的問題。這在食品工業(yè)中使用較多:乳制品加工過程中，如液態(tài)奶，就要防止油脂的上??；果汁加工過程中，也要防止密度小于水的物質(zhì)的上浮，這樣才能保證產(chǎn)品質(zhì)量。

防止油脂上浮的方法，將油脂的粒徑減小，可采用均質(zhì)的方法；也可增加溶液的黏度等等。

另外，也有在食品工業(yè)中從水中分離小的脂肪顆粒。首先在準備提供泡沫、有一定壓力的水中溶解空氣，然后突然釋放壓力，空氣以細小泡沫的形式出現(xiàn)在水中，并且與脂肪一起升到表面溢出槽。(1)顆粒直徑d:應(yīng)用：啤酒生產(chǎn)，采用絮狀酵母，d↑→ut↑↑，使啤酒易于分離和澄清。均質(zhì)乳化，

d↓→ut↓↓，使飲料不易分層。加絮凝劑，如水中加明礬，d↑→ut↑↑。(2)連續(xù)相的黏度：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-)：沉降速度與兩相密度差成正比，但在一定懸浮液的沉降分離中，密度差數(shù)值很難改變。

3.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，還有以下因素影響沉降速度：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)系可查表得到，Re中的d用當量直徑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。圖3-3降塵室的示意圖4.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t＝L/u沉降時間t0＝H/ut顆粒分離出來的條件是L/u≥H/ut降塵室的計算LHB凈化氣體含塵氣體uut

即：滿足L/u＝H/ut

條件的粒徑當含塵氣體的體積流量為V時，

u=V/HBut≥V/BL則有或Vs≤

BLut＝A0ut一定粒徑的顆粒，沉降室的生產(chǎn)能力只與與降塵室的底面積A0和

ut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【例3-3】降塵室計算用降塵室除去玉米淀粉生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的淀粉粉塵(密度3500kg/m3)，操作條件下的氣體體積流量為6m3/s，密度為0.6kg/m3，黏度為0.03cP，降塵室高2m，寬2m，長5m。試求能100%除去的最小塵粒直徑。若將該降塵室用隔板分成10層（不計隔板厚度），而需完全除去的最小顆粒要求不變，則降塵室的氣體處理量為多大？若生產(chǎn)能力不變，則能100%除去的最小塵粒直徑為多大？解：①能100%除去的最小顆粒直徑假設(shè)沉降服從斯托克斯公式，則：

（a）將μ=0.03cP=3×10-5Pa·s；V=6m3/s；ρs=3500kg/m3；ρ=0.6kg/m3；A=2×5=10m2代入(1)式得：

檢驗雷諾準數(shù)：根據(jù)V=Aut，得：ut=V/A=6/10=0.6m/s可見假設(shè)正確。能100%除去的最小顆粒直徑為2.89×10-2mm。②若將該降塵室用隔板分成10層，且需完全除去的最小顆粒要求不變，即d不變，則從斯托克斯公式知ut也不變，于是，每一小室的氣體處理能力V=Aut不變，仍為6m3/s，故降塵室總的生產(chǎn)能力為：③將降塵室用隔板分成10層，而生產(chǎn)能力不變，則能100%除去的最小塵粒直徑為：（b）式中的V″為每一小室的氣體處理能力，V″=V/10=6/10=0.6m3/s；將式（a）與式（b）相比，得：d″=0.316×d=0.316×2.89×10-2=9.13×10-3mm

由計算可見，將該降塵室用隔板分成10層后，若需完全除去的最小顆粒要求不變，則降塵室的氣體處理量將變?yōu)樵瓉淼?0倍。若生產(chǎn)能力不變，則能100%除去的最小塵粒直徑變?yōu)樵瓉淼?/p>

。

二、離心沉降

離心沉降(Centrifugalsedimentation)：依靠慣性離心力的作用而實現(xiàn)的沉降，稱為離心沉降。

對兩相密度差較小，顆粒粒度較細的非均勻相系，可利用顆粒作圓周運動時的離心力以加快沉降過程。

1.離心沉降速度圖3-4顆粒在旋轉(zhuǎn)流場中的運動顆粒在離心力場中沉降時，在徑向沉降方向上受力分析。若這三個力達到平衡，則有u離心力

Fe阻力

FR向心力

Fb圖3-5顆粒在離心力場中的受力分析

在離心沉降分離中，當顆粒所受的流體阻力處于斯托克斯區(qū)，離心沉降速度為:

在層流沉降區(qū)，同一顆粒在同種介質(zhì)中所受離心力與重力之比為：

KC值稱為離心分離因素(Centrifugingfactor)，其數(shù)值的大小是反映離心分離設(shè)備性能的重要指標。KC越大，設(shè)備分離效率越高。

2.離心沉降的應(yīng)用

典型的應(yīng)用有：氣—固分離的旋風分離，如離心沉降

液—固分離的離心分離，如離心過濾

優(yōu)點：

離心沉降與重力沉降相比，具有生產(chǎn)能力大、分離效果好、制品純度高等特點。

特別適合于食品工業(yè)中含結(jié)晶(或顆粒)的懸浮液和乳濁液的分離，如蔗糖、味精、酵母、魚肉制品、果汁、牛奶、啤酒、飲料等的分離處理。3.旋風分離器(Cycloneseparator)

（1）旋風分離器的結(jié)構(gòu)與操作原理圖3-6旋風分離器（2）旋風分離器的性能①臨界粒徑(Criticalradiusofparticle)

旋風分離器的進氣口寬度旋風分離器的進口氣速氣流的有效旋轉(zhuǎn)圈數(shù)

臨界粒徑是判斷旋風分離器分離效率高低的重要依據(jù)。臨界粒徑越小，說明旋風分離器的分離性能越好。②分離效率(Separationefficiency)

總效率(Overallefficiency)是指進入旋風分離器的全部顆粒中被分離出來的質(zhì)量分率

按各種粒度分別表明其被分離下來的質(zhì)量分率稱為粒級效率。

粒級效率(Granularitygrading)為50%時顆粒的直徑，稱為分割粒徑d50。某些高效率旋風分離器的分割直徑可小至3~10μm。

粒級效率

通過實測旋風分離器進、出氣流中所含塵粒的濃度及粒度分布，可得粒級效率與顆粒直徑

di的對應(yīng)關(guān)系曲線，該曲線稱為粒級效率曲線。

粒級效率曲線(Graingradeefficiencycurve)

同一型式且尺寸比例相同的旋風分離器

曲線相同，因此此曲線估算旋風分離器的效率較為方便。圖3-7標準旋風分離器的

曲線

③壓力降阻力系數(shù)標準旋風分離器為8操作溫度、顆粒密度、粒徑、進口氣速度及粉塵濃度等情況。

④影響旋風分離器性能的因素

（3）旋風分離器的選用優(yōu)點

結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，沒有活動部件，可用多種材料制造，操作條件范圍寬廣，分離效率較高

。一般用來除去氣流中直徑5μm以上的顆粒

。不足

不適用于處理黏性粉塵、含濕量高的粉塵及腐蝕性粉塵；氣量的波動對除塵效果及設(shè)備阻力的影響較大；直徑200μm以上的粗大顆粒，最好先用重力沉降法除去，以減少顆粒對分離器器壁的磨損。

直徑5μm以下的顆粒，需用袋濾器(Bagfilter)或濕法撲集(Wetcollector)

。旋風分離器的類型XLT/A型

XLP/B型

XLK型(擴散式)圖3-8旋風分離器的類型圖

首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的物性，結(jié)合各型設(shè)備的特點，選定旋風分離器的類型；

然后依據(jù)含塵氣的體積流量，要求達到的分離效率，允許的壓力降計算決定旋風分離器的型號與個數(shù)。

補充材料：

旋液分離器

旋液分離器又稱水力旋流器，是利用離心沉降原理從懸浮液中分離固體顆粒的設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)與操作原理和旋風分離器類似。

【例3-4】某淀粉廠的氣流干燥器每小時送出10000m3

帶有淀粉的熱空氣，擬采用擴散式旋風分離器收取其中的淀粉，要求壓降不超過1373Pa。已知氣體密度為1.0kg/m3。試選擇合適的型號。

解：

當

ui不變時，由書中式(3-24)可知：氣體通過旋風分離器的壓降與氣體密度成正比。故可將壓降折算成氣體密度為1.2kg/m3

時的數(shù)值：Δp=1373×1.2/1.0=1648(Pa)

查附錄，3號擴散式旋風分離器(直徑為370mm)在1570Pa的壓降下操作時，生產(chǎn)能力為2500m3/h，現(xiàn)要達到10000m3/h的生產(chǎn)能力，可采用4臺并聯(lián)。

也可以作出其他選擇，即選用的型號與臺數(shù)不同于上面方案。所有這些方案在滿足氣體處理量及不超過允許壓降的條件下，效率高低和費用大小將不同。合適的型號只能根據(jù)實際情況和經(jīng)驗確定。

4.離心機

(Centrifugalseparator)

（1）離心機可按其分離因素KC大小分為3類

常速離心機(Normalspeedcentrifuge)：KC<3000。主要用于分離顆粒不大的懸浮液和物料的脫水；高速離心機(Highspeedcentrifuge)：3000<KC<50000，主要用于分離乳狀和細粒懸浮液；超高速離心機(Ultraspeedcentrifuge)：KC>50000，主要用于分離極難分離的超微細粒的懸浮物系和高分子膠體懸浮液。

（2）離心機分類及在食品工業(yè)中的運用

沉降式離心機主要用于回收動植物蛋白；分離可可、咖啡、茶等濾漿，以及魚油去雜和魚肉制取等。螺旋沉降離心機在食品工業(yè)中運用到果汁澄清，淀粉與蛋白質(zhì)的分離，油脂分離，大豆分離蛋白的生產(chǎn)等等。過濾式離心機主要用于砂糖等結(jié)晶食品的精制、脫水蔬菜制品的預(yù)脫水、淀粉脫水、果蔬菜榨汁、回收植物蛋白以及冷凍濃縮的冰晶分離等場合。管式(超速)分離式分離機常用于動、植物油和魚油的脫水，果汁、蘋果漿、糖漿的澄清；倒錐式(超速)分離式分離機則廣泛用于牛奶的凈化和奶油的分離，動物脂肪、植物油、魚油脫水和澄清，果汁澄清等。碟式離心機主要用于果汁、乳品、油類、啤酒、酵母、油脂、淀粉、味精等食品工業(yè)生產(chǎn)過程，在不同行業(yè)分別有專用的碟式離心機。

第二節(jié)

過濾一、過濾操作的基本概念1.過濾(Filtration)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。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。圖3-9過濾操作示意圖(濾餅過濾)2.過濾方式(1)深床過濾(Deepbedfiltration)

(2)濾餅過濾(Cakefiltration)

(3)膜過濾（Membranefiltration

）深床過濾膜過濾將在后面的章節(jié)中講解濾餅過濾時發(fā)生“架橋”現(xiàn)象3.過濾介質(zhì)（1）對過濾介質(zhì)的性能要求過濾介質(zhì)的作用(濾餅過濾)：促使濾餅的形成，并支撐濾餅。

過濾介質(zhì)應(yīng)具有如下性能要求：

①多孔性，液體流過的阻力??；②有足夠的強度；③耐腐蝕性和耐熱性；④孔道大小適當，能發(fā)生架橋現(xiàn)象。（2）工業(yè)上常用的過濾介質(zhì)的種類

①織物介質(zhì)(又稱濾布)②堆積介質(zhì)

③多孔固體介質(zhì)

④多孔膜

顆粒活性炭多孔陶瓷濾芯3.過濾推動力和過濾阻力

過濾推動力是指由濾餅和過濾介質(zhì)所組成的過濾層兩側(cè)的壓力差。

壓力差的來源：

（1）懸浮液本身的液柱

（2）在懸浮液表面加壓或在懸浮液下方抽真空

（3）離心力。

過濾阻力是指濾液通過濾餅和過濾介質(zhì)時的流動阻力。

4.濾餅的壓縮性

當濾餅兩側(cè)的壓力差增大時，顆粒的形狀和顆粒間的空隙不會發(fā)生明顯變化，單位厚度床層的流動阻力可視作恒定。

當濾餅兩側(cè)的壓力差增大時，顆粒的形狀和顆粒間的空隙會有明顯的改變，單位厚度餅層的流動阻力隨壓力差增大而增大。

不可壓縮濾餅(Compressiblefiltercake)

可壓縮濾餅(Noncompressiblefiltercake)

5.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粒混入懸浮液或預(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具有化學穩(wěn)定性。③在操作壓強范圍內(nèi)具有不可壓縮性。二、過濾的基本方程ledebL圖3-10

過濾過程物理模型

將濾道簡化成一根根直管后，我們就可用第二章中介紹的流體直管內(nèi)阻力損失計算通式范寧（Fanning）公式來計算壓降即

濾道濾液流動為層流：床層壓降

工程上的壓降Δp常指床層壓降Δpc與阻力過濾壓降Δpm之和；而濾液V是床層阻力特征參數(shù)，過濾介質(zhì)阻力特征參數(shù)用當量體積

Ve

來表征

。通過轉(zhuǎn)換得到過濾速率基本方程為

：其中：q=V/A

qe=Ve/A

（1）（2）三、過濾過程計算1.恒壓過濾(Constantpressurefiltration)

定義：過濾操作在恒定壓強下進行時稱為恒壓過濾。濾餅不斷變厚；阻力逐漸增加；推動力Δp恒定；過濾速率逐漸變小。特點：恒壓過濾計算

對于指定濾漿的恒壓過濾，Δp、K為常數(shù)，對式(1)進行積分：

對式(2)進行積分：(4)式(3)和式(4)均為恒壓過濾方程（3）當過濾介質(zhì)的阻力忽略不計時：Ve=0，則有：

定義：當量時間

或上四式也稱為恒壓過濾方程式。

圖3-11恒壓過濾時V~t

的關(guān)系ttooetet+tet+tebV+VeVV+VeVVe

恒壓過濾方程式中的K稱為過濾常數(shù)，由物料特性及過濾壓強差決定。

2.恒速過濾(Constant-ratefiltration)

恒速過濾時以恒定的流率向過濾機供濾漿，以維持過濾速率不變。

由過濾特點可知，要保持過濾速度恒定，必須持續(xù)地提高過濾壓力，用于克服不斷增加的過濾阻力。

對于恒速過濾，即：

V=uRAt

q=uRt

恒速過濾時q-（或V-）關(guān)系為一直線。

3.先恒速，后恒壓過濾

先恒速后恒壓過濾是工業(yè)中常用的一種過濾方法。

在過濾時間從0到tR時，計算方法與恒速過濾相同。而從時間tR

到t時，得到的濾液量從VR到V，故積分式為：操作過程：開始，從0到tR時，采用恒速過濾，可在阻力還不太高時獲得較多的濾液。從tR到t時，改為恒壓過濾，以免壓強過高。

積分得

：

特別注意：上兩式中V為獲得的總濾液量，而不是恒壓階段獲得的濾液量。幾種操作方式下的過濾方程恒壓過濾恒速過濾先恒速后恒壓(V+Ve)2=KA2(t+te

)q=uRt(V2-VR2)+2Ve(V-VR)=KA2(t-tR)V2+2VVe=KA2tV=uRAt(q2-qR2)+2qe(q-qR)=K(t-tR)(q+qe)2=K(t+te

)Δp=at+bq2+2qqe=Kt上式表明：dt/dq與q成直線關(guān)系，直線斜率為2/K，截距為2qe/K2(q+qe)dq=Kdt(q+qe

)2=K(t+te

)微分上式得qdt/dq2qe/K由斜率=2/K，求出K;由截距=2qe/K，求出qe；由q2+2qqe=Kt，

t=0，q=0，求出te=

qe2/K。測定時采用恒壓試驗，恒壓過濾方程為：

4.過濾常數(shù)的測定圖3-12

dt/dq~q線

采用Δt/Δq代替dt/dq，在過濾面積一定時，記錄下時間τ和累計的濾液量V，并由此計算一系列q值，然后作圖，求出直線斜率和截距。最后算出過濾常數(shù)K和qe。qt/q2qe/K注意：橫坐標q的取值。實驗數(shù)據(jù)處理圖3-13t/q~q線【例3-5】過濾常數(shù)測定玉米淀粉與水的懸浮液在恒定壓差1.17×105Pa及25℃下進行過濾，試驗結(jié)果列于表3-1，過濾面積為400cm2，求此壓差下的過濾常數(shù)K和qe。表3-1恒壓過濾試驗中的V~τ數(shù)據(jù)過濾時間τ(s)6.819.034.553.476.0102.0濾液體積V(L)0.51.01.52.02.53.0解：根據(jù)恒速過濾方程，以及q=V/A將表3-1數(shù)據(jù)整理成表3-2：表3-2t/q~q關(guān)系t(s)6.819.034.553.476.0102.0q(m3/m2)0.01250.0250.03750.050.06250.075τ/q(s/m)544.0760.0920.01068.01216.01360.0將t/q~q關(guān)系繪于圖3-14，得一直線，從圖上讀得：斜率：=12896(s/m2)截距：=410(s/m)故：K=1.55×10-4(m2/s)==0.032(m3/m2)圖3-14t/q~q關(guān)系繪于圖四、過濾機械與計算

工業(yè)上使用的典型過濾設(shè)備：按操作方式分類：間歇過濾機、連續(xù)過濾機按操作壓強差分類：壓濾、吸濾和離心過濾板框壓濾機（間歇操作）轉(zhuǎn)筒真空過濾機（連續(xù)操作）過濾式離心機1.過濾機械

結(jié)構(gòu)：濾板、濾框、夾緊機構(gòu)、機架等組成。濾液懸浮液1—固定頭2—濾板3—濾框4—濾布5—壓緊裝置圖3-15板框壓濾機（1）板框式壓濾機(Plateandframefilterpress)濾板：凹凸不平的表面，凸部用來支撐濾布，凹槽是濾液的流道。濾板右上角的圓孔，是濾漿通道；左上角的圓孔，是洗水通道。洗滌板：左上角的洗水通道與兩側(cè)表面的凹槽相通，

使洗水流進凹槽；非洗滌板：洗水通道與兩側(cè)表面的凹槽不相通。濾框：濾漿通道：濾框右上角的圓孔洗水通道：濾框左上角的圓孔濾板和濾框

為了避免這兩種板和框的安裝次序有錯，在鑄造時常在板與框的外側(cè)面分別鑄有一個、兩個或三個小鈕。非洗滌板為一鈕板，濾框為兩個鈕板，洗滌板為三鈕板。1—懸浮液通道2—洗滌液入口通道3—濾液通道

4—洗滌液出口通道5-鈕數(shù)圖3-16濾板和濾框示意圖(c)洗滌板(a)非洗滌板(b)濾框5濾漿洗水非洗滌板濾框洗滌板濾布

板框過濾機的操作是間歇式的，每個操作循環(huán)由裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理五個階段。過濾過程①裝合：

將板與框按1-2-3-2-1-2-3的順序，濾板的兩側(cè)表面放上濾布，然后用手動的或機動的壓緊裝置固定，使板與框緊密接觸。

②過濾：

用泵把濾漿送進右上角的濾漿通道，由通道流進每個濾框里。濾液穿過濾布沿濾板的凹槽流至每個濾板下角的閥門排出。固體顆粒積存在濾框內(nèi)形成濾餅，直到框內(nèi)充滿濾餅為止。③洗滌：

將洗水送入洗水通道，經(jīng)洗滌板左上角的洗水進口，進入板的兩側(cè)表面的凹槽中。然后，洗水橫穿濾布和濾餅，最后由非洗滌板下角的濾液出口排出。在此階段中，洗滌板下角的濾液出口閥門關(guān)閉。④卸渣、整理

打開板框，卸出濾餅，洗滌濾布及板、框。

在洗液黏度與濾液黏度相近的情況下，且在壓差相同時，洗滌速率約為過濾終了速率的1/4。板框壓濾機板框壓濾機的特點優(yōu)點

結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，占地面積小，過濾面積大?？筛鶕?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。缺點

間歇操作，生產(chǎn)能力低，勞動強度大，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，使勞動強度得到減輕。（2）轉(zhuǎn)筒真空過濾機（Rotary-drumvacuumfilter）結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)筒，扇形格(18格)；

濾室；分配頭；動盤(18個孔，分別與扇形格的18個通道相連)；定盤(三個凹槽：濾液真空凹槽、洗水真空凹槽、壓縮空氣凹槽，分別將動盤的18個孔道分成三個通道)；金屬網(wǎng)；濾布；濾漿槽。圖3-17轉(zhuǎn)筒真空過濾機結(jié)構(gòu)示意圖動盤定盤轉(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，借分配頭的作用，能使轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周的過程中，每個小過濾室可依次進行過濾、洗滌、吸干、吹松卸渣等項操作。整個轉(zhuǎn)筒圓周在任何瞬間都劃分為:特點：

工作過程過濾區(qū);洗滌區(qū);干燥卸渣區(qū)。2.過濾計算洗滌速率:操作條件與過濾終了相同，則：生產(chǎn)能力：其中：單位時間獲得的濾液量操作周期＝過濾時間+洗滌時間+輔助時間洗滌時間：

【例3-6】用一臺BMS48/810-25板框過濾機在恒壓下過濾含硅藻土的懸浮液，共有37個框，過濾常數(shù)K=10-4m2/s，

qe=0.01m3/m2，τe=1s。若已知單位面積上通過的濾液量為0.15m3/m2，所用的洗滌水量為濾液量的1/5，求：①過濾面積和濾框內(nèi)的總?cè)萘浚虎谶^濾所需的時間；③洗滌時間。

解：①過濾面積

A=0.81×0.81×37×2=48.6m2

濾框總?cè)莘e

VZ=0.81×0.81×37×0.025=0.607m3

②過濾時間

根據(jù)解得：

t=255s=4.25min③洗滌時間對于連續(xù)式過濾機的計算

浸沒度φ

：轉(zhuǎn)筒真空過濾機的轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分數(shù)

以轉(zhuǎn)筒真空過濾機為例，轉(zhuǎn)筒在任何時候總有一部分表面浸沒在濾漿中進行過濾。

有效過濾時間t：某一瞬時開始進入濾漿中的轉(zhuǎn)筒表面，經(jīng)過過濾區(qū)，最后從濾漿中出來，這一段時間為該表面旋轉(zhuǎn)一周的有效過濾時間。

過濾時間t為:

假設(shè)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為nr/s，則轉(zhuǎn)一周的時間為:∑t=1/n

連續(xù)過濾機都是恒壓過濾機，故每轉(zhuǎn)一周的濾液量可按恒壓過濾方程計算。

忽略過濾介質(zhì)阻力

【例3-7】密度為1116kg/m3的懸浮液，于400mmHg的真空度下用小型轉(zhuǎn)筒真空過濾機作實驗測得過濾常數(shù)K=5.15×10-6m2/s，每送出1m3濾液所得的濾餅中含固相594kg，固相密度為1500kg/m3，液相為水。

現(xiàn)用直徑為1.75m，長0.98m的轉(zhuǎn)筒真空過濾機進行生產(chǎn)，轉(zhuǎn)速為1r/min，浸沒角為125.5°，濾布阻力可忽略，濾餅為不可壓縮。求：①過濾機的生產(chǎn)能力Q；②轉(zhuǎn)筒表面的濾餅厚度L。解：①生產(chǎn)能力Q轉(zhuǎn)筒過濾面積：A=π×轉(zhuǎn)筒直徑×轉(zhuǎn)筒長度

=π×1.75×0.98=5.38m2轉(zhuǎn)筒的浸沒角：φ=125.5/360=0.349

②濾餅厚度L

欲求濾餅厚度，應(yīng)先通過物料衡算求得濾餅體積與濾液體積之比。以1m3懸浮液為基準，設(shè)其中固相質(zhì)量分率為，則：解得

x=0.312故知：1m3懸浮液中固相質(zhì)量=1116×0.312=348kg1m3懸浮液所得濾液體積=348/594=0.586m31m3懸浮液所得濾餅體積=1-0.586=0.414m3轉(zhuǎn)數(shù)

n=1/60r/s過濾常數(shù)K=5.15×10-6m2/s于是：v=0.414/0.586=0.706m3/m3轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)一周所得濾液量為：

V=Qt=Q/n=9.31×10-4×60=5.58×10-2m3

相應(yīng)濾餅的體積為：VZ=v·V=0.706×5.58×10-2=0.0394m3故濾餅的厚度為：L＝

VZ/A=0.0394/5.38=0.0073m=7.3mm第三節(jié)

流態(tài)化與氣力輸送

如果流體通過固定床層向上流動時的流速增加而且超過某一限度時，床層就要浮起，此時床層將具有許多固定床所沒有的特性，這就是流化床(Fluidizedbed)。這種將固體顆粒分散在氣體或液體中，使整個體系成為類似于流體體系的操作稱為流態(tài)化(Fluidization)。在食品工業(yè)中主要用于加熱、速凍、干燥、造粒、混合、洗滌、浸出等場合，在干燥造粒中的應(yīng)用尤為廣泛。

流態(tài)化操作具有以下特點：

優(yōu)點：

顆粒流動平衡，類似液體，故可實現(xiàn)連續(xù)自動控制；固體顆粒迅速混合，流體和顆粒之間的傳熱和傳質(zhì)速率較其他接觸方式為高。

缺點：床層內(nèi)的物料的濃度趨于均一，降低了平均傳質(zhì)推動力；顆粒的相互撞擊以及顆粒與器壁的撞擊造成顆粒大量的磨損，會形成細小的粉塵。

一、固體流態(tài)化基本概念流體經(jīng)過固體顆粒床層流動時的3種狀態(tài)：固定床階段

流化床階段

氣（液）力輸送階段1.流態(tài)化現(xiàn)象圖3-18流體經(jīng)過固體顆粒床層流動時的3種狀態(tài)(1)固定床階段

特點：通過床層的流速低；顆粒受的曳力小，顆粒之間緊密相接，靜止不動；床層高度不變；u↑，流體通過床層的阻力↑。(2)流化床階段

特點：當u↑一定值時，(顆粒的)曳力接近凈重力（重力減去浮力），或者流體通過床層的阻力接近單位截面床層的重量時，顆粒開始浮動，但仍未脫離原來的位置。在此狀態(tài)時，

u稍稍↑，顆粒便互相離開，床層的高度也會有所提高，則這時的狀態(tài)稱為起始流化狀態(tài)或臨界流化狀態(tài)，對應(yīng)的流速稱為起始流化速度(umf)或最小流化速度

。在臨界流化狀態(tài)時，繼續(xù)↑u

，則顆粒間的距離增大，顆粒作劇烈的隨機運動，這個階段稱為流化床階段(沸騰床)。在流化床階段，隨流體空床流速的增加，床層高度增高，床層的空隙率也增大，使顆粒間的流體流速保持不變；此時床層空隙中的流速=顆粒的沉降速度，同時床層的阻力幾乎保持不變，等于單位截面床層的重量。流化床階段還有一個特點是床層有明顯的上界面。(3)氣力（或液力）輸送階段

特點：當流體流速（空塔速度u）=顆粒的沉降速度時，顆粒被流體帶出器外，床層的上界面消失，此時的流速稱為流化床的帶出速度，流速高于帶出速度后，為流體輸送階段。2.散式流化和聚式流化

（1）

散式流化（液—固系統(tǒng)）

固體顆粒均勻地分散在流化介質(zhì)中，亦稱均勻流化或理想流化。特點：①在流化過程中有一個明顯的臨界流態(tài)化點和臨界流化速度；②流化床層的壓降為一常數(shù)：③床層有一個平穩(wěn)的上界面；④流態(tài)化床層的空隙率在任何流速下都有一個代表性的均勻值。不因床層內(nèi)的位置而變化。通常兩相密度差小的系統(tǒng)趨向散式流化，故大多數(shù)液—固流化屬于“散式流化”。圖3-19散式流化（2）聚式流化（氣—固系統(tǒng)）通常兩相密度差較大的系統(tǒng)趨向于聚式流化。如氣固系統(tǒng)往往成為聚式流化。聚式流化床一般存在兩相：

連續(xù)相：是由空隙小而固體濃度大的氣固均勻混合物構(gòu)成。

氣泡相：是夾帶有少量固體顆粒而以氣泡形式通過床層的不連續(xù)相。

特點：床層內(nèi)各點處不再處處相等，床層無穩(wěn)定的上界面，上界面以某種頻率做上下波動，床層壓降也隨之做相應(yīng)波動。圖3-20聚式流化

判斷流化形式（散式或聚式流化）的依據(jù)：

弗魯特準數(shù)

當0.13<Frmf<1.3時難以判別,用此式判別：

3.流化床的類似液體的特性流化床中的流-固運動很象沸騰著的液體，并且在很多方面表現(xiàn)出類似于液體的性質(zhì)，如下圖所示。圖3-21流化床的液體特性4.流化床的主要特點(1)流化床中的兩相流動床內(nèi)各處溫度或濃度均勻一致，避免局部過熱。但傳熱、傳質(zhì)推動力下降。原因:在同一截面各處流體速度不完全相同，顆?？偸巧舷伦魍鶑?fù)循環(huán)運動；同時還作雜亂無章的不規(guī)則運動。流化床內(nèi)部分流體也有相應(yīng)的循環(huán)和混合現(xiàn)象。

(2)流化床有類似液體的特點流化床具有類似液體的流動性，故使操作易于實現(xiàn)連續(xù)化與自動化。(3)流化床的不正?，F(xiàn)象溝流現(xiàn)象在大直徑床層中，由于顆粒堆積不勻或氣體初始分布不良，可在床內(nèi)局部地方形成溝流。此時，大量氣體經(jīng)過局部地區(qū)的溝道上升，如圖示，而床層的其余部分處于固定床狀態(tài)而未被流化。△p

～

u的關(guān)系為△p

低于單位面積上的凈重力。溝流現(xiàn)象的出現(xiàn)主要與顆粒的特性和氣體分布板有關(guān)。顆粒過細、密度過大，易于黏結(jié)的顆粒，以及氣體在分布板的初始分布不均勻，都宜引起溝流。溝流現(xiàn)象圖3-22床層發(fā)生溝流后的△p

～

u關(guān)系節(jié)涌現(xiàn)象(騰涌現(xiàn)象)床高：床徑的比值（長徑比）過大（床層為細長形），或氣速過高時導(dǎo)致小氣泡合并成大氣泡的現(xiàn)象；當氣泡直徑=床層直徑時，則床層被形成相互間隔的氣泡與顆粒層；顆粒層被氣泡向上推動，到達上部后氣泡崩裂，而顆粒又分散下落，這種現(xiàn)象稱為節(jié)涌現(xiàn)象。如圖3-23所示：圖3-23節(jié)涌（騰涌）出現(xiàn)節(jié)涌現(xiàn)象時，由于顆粒層與器壁的摩擦造成壓強降大于理論值，而氣泡破裂值又低于理論值，因而

△p

～

u圖上表現(xiàn)為△p在理論值附近作大幅度的波動，如圖所示：床層發(fā)生節(jié)涌現(xiàn)象時，氣固兩相接觸不良，且使容器受顆粒磨損加劇，同時引起設(shè)備振動。防止節(jié)涌現(xiàn)象的措施：實際操作中應(yīng)采用適宜的床層高度/床徑之比值，以及適宜的操作氣速。圖3-24床層發(fā)生節(jié)涌后的

△p

～

u關(guān)系二、流化床的流體力學1.流化床的壓降

忽略床層與器壁的摩擦阻力，在垂直方向上，作用在床層上有三個力：

①重力↓，②浮力↑，③推力↑。

三力平衡：式中：L，A——床層的高度和截面積；

ε——床層空隙率。床層壓降為：若流化介質(zhì)為氣體，則即對氣體流化床有：式中：m——床中固體顆粒的總質(zhì)量，kg。

顯然，在流化床階段，流體通過床層的壓降為定值。

流體通過床層的壓降(壓力降)ΔP與空塔速度u的關(guān)系如下圖所示：圖3-25△p

～

u關(guān)系

AB段為固定床階段，Δp與u在對數(shù)坐標上成直線關(guān)系；

BC段為流化床階段，Δp基本不變；

CD段為氣力輸送階段，氣體流速到達帶出速度時，顆粒被帶走，床層的空隙率快速增大，因而氣體流動的壓降隨之驟然下降。

如果床內(nèi)出現(xiàn)不良現(xiàn)象（節(jié)涌、溝流），通過床的壓降將會波動。2.臨界流化速度臨界流化速度（最小流化速度）umf

臨界流化速度與空床雷諾數(shù)等有關(guān)。

下面介紹幾個umf的計算式：

①當

Re≤20時

②當

Re≥1000時③0<Re<∞，有：

式中：de——顆粒的平均粒徑，m；

ρ，μ——流體的物性。

注意，求umf最可靠的方法是實驗的方法，見下例題。

【例3-8】某氣、固流化床反應(yīng)器在350℃、壓強1.52×105Pa條件下操作。此時氣體的黏度為μ=3.13×10-5Pa.s，密度=0.85kg/m3，催化劑顆粒直徑為0.45mm，密度為1200kg/m3。為確定其臨界流化速度，現(xiàn)用該催化劑顆粒及30℃、常壓下的空氣進行流化實驗，測得臨界流化速度為0.049m/s，求操作狀態(tài)下的臨界流化速度。解：查得30℃、常壓下的空氣的黏度和密度分別為：

μ′=1.86×10-5Pa·s，密度ρ′=1.17kg/m3

實驗條件下的雷諾數(shù)

由

得：

3.最大流化速度和流化操作速度最大流化速度=顆粒的沉降速度ut

一般食品的懸浮速度（顆粒的沉降速度）見表3-3。

下面介紹幾個

ut的計算式：

①球形顆粒，且Re<0.4時當Re>0.4，則可按教材圖3-26所示的校正系數(shù)對ut進行修正。②對于非球形顆粒，還要乘以如下的校正系數(shù)C

注意：在計算umf

時，顆粒直徑取床層中實際顆粒粒度分布的平均直徑，而計算

ut時須用具有相當數(shù)量的最小顆粒的粒度。

操作彈性：

ut/umf比值的大小。

對于細顆粒，Re<0.4，

有ut/umf=91.6

對于大顆粒，Re>1000，有ut/umf=8.61

可見，小顆粒比大顆粒的操作彈性大。一般

ut/umf值在10～90之間。