食品工程原理,主讲：刘云宏,Unit Operations in Food Engineering,第二节 流态化和气力输送,一、流态化现象,（一）流体流过颗粒床层的三个阶段,1．固定床状态,2．流化床状态,3．气力（或水力）输送状态,固定床 流化床 气力输送,1、固定床阶段 流体速度很小时，固体颗粒静止不动，流体从颗粒间的缝隙中穿过2、流化床阶段,固定床操作到C点后，床层状态开始发生质变，颗粒开始悬浮于流体中，床层颗粒往各个方向做不规则运动，并且具有与流体同样的流动性，称为流态化状态如果流化操作至D点后继续增大流速，则固体颗粒随同流体一起从流化管中带出3、气力（或水力）输送阶段,理想情况下的Dp-u关系,实际情况下的Dp-u关系,（1）存在一个“驼峰”BCD，原因：初始时颗粒排列紧密 （2）DE线右端向上倾斜，原因：颗粒间碰撞和颗粒与器壁摩擦引起的损失 （3）有波动（气固系统），原因：气泡运动、破裂,（二）流化床的主要特征 （1）流化床具有类似于液体的性质2）固体颗粒处于悬浮状态，并作不停的剧烈运动颗粒得到强烈的混合，传热和传质均非常迅速 （3）颗粒间和颗粒与器壁间产生强烈的碰撞和摩擦，颗粒可能因碰撞而破碎，器壁会磨损，流动阻力增加。
（4）小颗粒比大颗粒更容易流态化 （5）在气——固流化床中，由于气泡的运动，气体与颗粒的接触时间是不均匀的以气泡形式通过床层的气体，其接触时间较短，而乳化相中的气体与颗粒的接触时间较长三）聚式和散式流态化,在液-固系统，当流速增大到临界流化速度以上时，床层就平稳而逐渐的膨胀，空隙率逐渐变大 散式流态化 液体是均匀而稳定的从固定颗粒的间隙中穿过，而固定颗粒是彼此散开的床层比较均匀， 床层具有稳定的上界面， 在极限速度未到达之前，压力降基本保持不变 这样的床层称为散式流化床或平稳流化床这种现象，称为散式流态化散式流态化,聚式流态化流化床没有一个稳定的上界面，界面以每秒数次的效率上下波动，压力降也随之波动 从现象来看，出现一部分气体以“鼓泡”高速流经床层穿过床层的鼓泡到达床面后即破裂，并向上溅起固体颗粒 另外，床层中的固体颗粒也产生激烈的运动，发生颗粒间的混合和搅拌作用特别是在更高气速下，运动变得更为活跃这种床层称为聚式流化床，或称鼓泡流化床，上述现象称为聚式流态化聚式流态化,只要床层有一个清晰的上界面，气体和液体流化床都可以认为是密相流化床，但是流速高到足以超过固体颗粒的极限速度时，床层的上截面也就消失，并可以观察到夹带现象，固体颗粒随流体从床层中带出。
这种现象称稀相流化床密相流态化和稀相流态化,（四）沟流和腾涌,,1．沟流 流体通过床层时分布不均匀，有大量流体没有与固体颗粒很好地接触就通过床层在有沟流的床层中，压降始终低于Dp，其差值表示沟流的严重程度造成沟流的原因主要是气体分布不均匀、气速过小、粒度过细、密度过大等，其中分布板的合理与否特别重要2．腾涌 腾涌状态主要发生在气—固流化床中如果床层高度与直径之比过大，气速过高时，就会产生气泡的相互聚合，形成大气泡当气泡直径长大到与床径相等时，就将床层分成几段，成为一段气泡一段颗粒层的相互间隔，颗粒层被气泡向上推动，到达上部后气泡破裂引起部分颗粒分散下落，这就是腾涌现象二、流化床的主要特性,（一）流化床的压降 当固体颗粒床操作的流速达到临界流化速度umf时，颗粒悬浮在流体中，与此相应的床层空隙率为emf此时，重力、浮力和流体阻力互成平衡，即：Dp=Lmf(1-emf)(rs-rf)g 在临界点之后，压降Dp保持近似定值：Dp=Lmf(1-emf)(rs-rf)g=L(1-e)(rs-rf)g,,,Lmf(1-emf)g=L(1-e),（二）临界流化速度 流体以层流流经固定床时的压降公式由欧根方程给出：,在颗粒很小（Rep<20）时右边第二项可以忽略不计：,对工业上的常见情形，(1-emf)/jA2emf3≈11,,,当Rep>1000时，欧根方程的第一项可以忽略不计：,更可靠的方法是做实验，测定临界流化速度。
三）最大流化速度和流化操作速度 最大流化速度在数值上等于颗粒的沉降速度如果Rep>0.4，则可按下图所示的校正系数对ut进行修正如果颗粒为球形,,对于非球形颗粒还要乘以如下的校正系数C：C=0.843lg(jA/0.065),ut/umf比值的大小可作为流化操作是否机动灵活的 一项指标 对细颗粒，Rep1000： ut/umf=8.72 大颗粒的ut/umf比值较小，说明其操作灵活性较小 颗粒为差 ut/umf之比值常在10：1和90：1之间 操作速度与临界流化速度之比称为流化数，即：K=u/umf,,[例4-5]具有某种粒度分布的面粉，其平均直径dp=200mm， 密度rp=1400kg/m3假设球形度jA=1，床层的临界空隙率 emf=0.4以空气为流化介质，其性质是mf=0.0178mPa.s， rf=1.204kg/m3为避免粉粒的带出，求床层中允许的空气 最小速度和最大速度 解：,Repmf=dpumfrf/mf=0.0002×0.0219×1.204/(0.0178×10-3)=0.296<20 故umf不需作校正ut=dp2g(rp-rf)/18m=0.00022×9.81×(1400-1.204)/(18×0.0178×10-3)=1.71 m/s Rept=dputrf/mf=0.0002×1.71×1.204/(0.0178×10-3)=23.1 大于0.4，需查图进行修正 由图查得修正系数为0.55 故得修正后的带出速度为： ut=1.71×0.55=0.941m/s,2．流化床的分离高度,,,,,夹带分离高度是指夹带接近于常数的气体出口处距床层料面的高度。
由图可看出，对于给定的粒子和流化，气速加倍时，TDH增加约70%而对一定的气速，TDH则随床径的增大而减小固体流态化操作的优点： ①颗粒流动平稳，类似液体，故可实现连续自动控制， ②固体颗粒迅速混合，使整个流化床内处于等温状态；③流体和颗粒之间的传热和传质速率较其它接触方式为高；④整个床层与浸没物体之间的传热速率高流态化操作也有一些缺点:由于两相都发生混合，使床内物料的浓度趋于均一，因而降低了平均推动力另外，因为颗粒的相互撞击以及颗粒与器壁的撞击造成大量的磨损，形成细小的粉尘气力输送：气体速度大于带出速度，固体颗粒被气流带出优点：1.避免物料飞扬、受潮、受污染；2.可同时进行粉碎、分级、加热、冷却或干燥等；3.可灵活安排管路，占地面积小；4.设备紧凑，易于连续，自动化操作 缺点：1.动力消耗大；2.颗粒尺寸受限制（小于30 mm）；3.物料易破碎，管壁亦受磨损；4.不适用于粘附性呈高速运动亦产生静电的物体四、气力输送,（一）颗粒在垂直管中和水平管中的悬浮 在垂直管内，颗粒的受力情况完全与沉降中一样在水平管内，气流运动方向与颗粒的重力方向相垂直，颗粒所以能克服重力而悬浮于流体中，主要是由于如下几种力作用的结果：（1）气体在垂直方向的分速度产生垂直向上的力； （2）气流沿管截面存在速度分布，管中心处速度最大，愈靠近管壁，速度愈低。
由于气流的速度梯度，颗粒存在着旋转根据玛格纽斯效应，逆气流方向的一侧方所受的压强高于顺气流一侧方的压强，管中下部的颗粒在此压强下被悬浮；,（3）颗粒形状的不规则， 气流推力在垂直方向上产 生分力； （4）颗粒间的相互碰撞 或颗粒与管壁间的碰撞， 使颗粒跳跃，或受到反作 用力在垂直方向上的分 力的作用二）颗粒在水平管中的运动状态,悬浮流 底密流 疏密流,停滞流 部分流 柱塞流,,1—吸嘴 2—输料管 3—分离器 4—降尘器 5—二级分离器 6—风机,吸引式气力输送装置,1—旋转加料器 2—鼓风机 3—料斗 4—输料管 5—分离器 6—除尘器,压送式气力输送装置,1. 气力输送的供料器,（1）吸嘴,（1）单管形 （2）单筒形 （3）倾斜形 （4）喇叭形双筒,（四）气体输送系统的组成,（2）旋转式加料器,（1）结构简图 （2）供料量与圆周速度的关系 （3）hv与n的关系,1——叶轮 2——机壳 A——粉料 B——小麦类物料,（3）螺旋式加料器,1——加料室 2——压缩空气管 3——螺旋 4——闸门 5——喷嘴 6——混合室 7——输料管,（4）喷射式加料器,1—压缩空气进口 2—料斗 3—喷嘴,（5）空气槽,1——进料口 2——空气进口 3——多孔板,2. 固体颗粒回收系统 一般多采用旋风分离器作为回收装置。
1——旋风分离器入口 2——一级分离器 3——二级分离器 4——正常床层料面 5——物料入口 6——物料出口 7——空气入口,,第四节 均质和乳化,一、概述,均质（匀浆）：使悬浮液（或乳化液）体系中的分散物质微粒化、均匀化的处理过程 可使粒度降至显微或亚显微级水平，使粒度分布变窄乳化：分散相是液体时，使分散相微粒化、均匀化的过程将两种通常不互溶的液体进行密切混合的一种特殊的液体混合操作分散相粒子尺度 达不到胶体状态密度差重力沉降 分层,,,分散相粒子尺度 达到胶体状态0.001~0.1微米之间 稳定,,分散相含量较高时， 粒度越小——黏度越大 粒度越小，分散越均匀——食品风味越强，口感越细腻 粒度越小——体内酶系作用效率越高——吸收率越高,,,,,普通粉碎，只能达到上百微米级 均质，0.5微米级，（还有利于细胞破碎，便于提取有效成分,二、乳化液的类型和稳定性,（一）乳化液的构成类型 食品乳化液的类型： 水包油型 与 油包水型牛奶 黄油 冰激凌 人造奶油乳化液分散相液滴的直径：一般在0.1到10mm之间 均质机生产的乳化制品中脂肪球直径为0.5微米以下,,,（二）乳化液的流变与稳定性,乳化液的稳定性通常以乳化液分散相的上升（或沉降、絮凝）和聚合的速度来衡量。
乳化液的流变特性影响因素 连续相液体特性连续相为水相，乳化液黏度较低连续相为油相，乳化液黏度较高 分散相体积分数分散相体积分数升高，降低乳化液流动性,,,,,,,分散相液滴聚结的原因是在两相的界面处存在着自由能，自由能与单位体积乳化液内两相间的界面积成正比，因而与分散相液滴的大小成反比 力图通过收缩界面使两相间保持最小接触面积，从而降低自由能分散相液滴趋于球形体是这种作用的表现形式之一液滴自发并合成大滴是这种收缩界面效应的另一表现形式,为稳定乳化液——分散相液滴直径足够小——消除两相间的界面张力（加入乳化剂）,液滴的大小 两相密度差 粘度分散相液滴的粘度高时，可减慢液滴间的合并连续相粘度高时，减慢分散相的上升、下降速度增大粘度可阻碍液滴互相碰撞，因此可添加增稠剂一般温度越高，粘度越低——乳化产品及时降温，低温保存粒子的电荷液滴带同种电荷，相互排斥，阻止合并使用离子型表面活性剂或食盐之类的电解质做乳化剂，可增加分散相液滴的带电性，促进乳化液稳定,影响乳化液稳定性的因素：,（三）食品乳化剂 食品乳化剂必须具备： 无毒、无味、无色， 可降低表面张力， 可很快地吸附在界面上形成稳固的膜， 不易发生化学变化， 亲水基和憎水基之间有适当的平衡， 可稳定乳化液， 可产生大的电动势， 在低浓度时也可有效地发挥作用， 价格便宜。
大分子食品乳化剂：又可以分为蛋白质、多糖取代物 小分子食品乳化剂：脂肪酸的多醇衍生物，又可以分为离子型、非离子型和两性型 固体粉末：最典型的是芥末稳定性取决于界面膜的机械强度）,乳化剂的亲脂性越强，越能降低界面张力 但表面积增加，使油最终在水中乳化的结果是界面张力增加上百万数量级,。