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1、0303食品工程原理食品工程原理p均均相相物物系系(honogeneous system):均均相相混混合合物物。物物系系内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。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：自然界的混合物分为两大类：p非非均均相相物物系系(non-honogeneous system): 非非均均相相混混合合物物。物物系系内内部部有有隔隔开开不不同同相相的的界界面面存存在在，且且界界面面两两侧侧的的物物料料性性质质有有显显著著差差异异。如如：悬悬浮浮液液、乳乳浊浊液液、泡泡沫沫液液属属于于液液态态非非均均相相物物系系，含尘气体、
2、含雾气体属于气态非均相物系。含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。第一节第一节概述概述p分散相分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散状分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。态的物质。p连续相连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续状分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。态的流体。非均相物系由分散相和连续相组成非均相物系由分散相和连续相组成非均相物系分离的意义非均相物系分离的意义1 1、收集分散物质或分散介质；、收集分散物质或分散介质； 如从干燥器出来的气体中回收固体颗粒，果汁如从干燥器出来的气体中回收固体颗粒，果汁 生产中回收果汁等。生产中回收果汁等。2 2、净化分散
3、介质，以满足后续生产工艺的要求；、净化分散介质，以满足后续生产工艺的要求； 如果汁的澄清等工艺。如果汁的澄清等工艺。3 3、环境保护和安全生产。、环境保护和安全生产。 如烟气的除尘，脱硫等。如烟气的除尘，脱硫等。要要实实现现分分离离，必必须须使使分分散散相相和和连连续续相相之之间间发发生生相相对对运运动动。因因此此，非非均均相相物物系系的的分分离离操操作作遵遵循循流流体体力力学学的的基本规律。基本规律。p非均相物系的分离原理：非均相物系的分离原理：p非均相物系分离的理论基础：非均相物系分离的理论基础：根据两相物理性质根据两相物理性质( (如密度等如密度等) )的不同而进行的分离。的不同而进行的
4、分离。由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用因此常采用机械方法机械方法进行分离。按两相运动方式的不进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为同，机械分离大致分为沉降和过滤沉降和过滤两种操作。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。离，如蒸馏，萃取等。p非均相物系的分离方法：非均相物系的分离方法：p均相物系的分离均相物系的分离：p 定义：定义：p沉降力场：重力、离心力。沉降力场：重力、离心力。 在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的在某种力场的
5、作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。p 沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。第二节第二节沉降沉降在工业中的应用：在工业中的应用：液体的澄清；悬浮液的增稠；液体的澄清；悬浮液的增稠；颗粒的分级或分离。颗粒的分级或分离。图图 流体绕过颗粒的流动流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反与颗粒运动的方向相反 当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这流体中移动时，由
6、于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳力种作用力通常称为曳力（drag force)drag force)或阻力。或阻力。只要颗粒与流体之间有相只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。对运动，就会产生阻力。对于一定的颗粒和流体，对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，流只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样。体对颗粒的阻力就一样。一、颗粒运动时的阻力一、颗粒运动时的阻力 流体密度；流体密度； 流体粘度；流体粘度； d dp p颗粒的当量直径；颗粒的当量直径； A A 颗粒在运动方向上的投影面积；颗粒在运动方向上的投影面积； u u 颗粒与流体相对运动速度。颗粒与
7、流体相对运动速度。 阻力系数，是雷诺数阻力系数，是雷诺数ReRe的函数，由实验确定。的函数，由实验确定。颗粒所受的阻力颗粒所受的阻力Fd可用可用下式计算下式计算层流区（斯托克斯层流区（斯托克斯StokesStokes区，区，Re1Re1） 注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区域的注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区域的计算式是近似的。计算式是近似的。还与颗粒的还与颗粒的球形度球形度有关有关.过渡区（艾仑过渡区（艾仑AllenAllen区，区，11Re500Re500）湍流区（牛顿湍流区（牛顿NewtonNewton区，区，500Re1.510500Re1.5105 5）
8、图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同的计算式表示为：的计算式表示为：的计算式表示为：的计算式表示为： 自由沉降自由沉降（free settling）： 单个颗粒在流体中沉降，或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的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的条件下沉降。条件下沉降。 二二、重力沉降重力沉降重力沉降重力沉降重力沉降重力沉降( (gravity settling)
9、gravity settling)：由地球引力作用而由地球引力作用而由地球引力作用而由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降。1 1 1 1 沉降速度沉降速度沉降速度沉降速度1.1 1.1 1.1 1.1 球形颗粒的自由沉降球形颗粒的自由沉降球形颗粒的自由沉降球形颗粒的自由沉降根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb p p为颗粒密度为颗粒密度随着颗粒向下沉降，随着颗粒向下沉降，u逐渐增
10、大，逐渐增大，du/d 逐渐减少。逐渐减少。当当u增到一定数值增到一定数值ui时，时，du/d =0。颗粒开始作匀速沉降运动。颗粒开始作匀速沉降运动。上式表明：上式表明：颗粒的沉降过程分为两个阶段：颗粒的沉降过程分为两个阶段：沉降速度沉降速度（terminal velocity） ：也称为终端速度，匀速阶段颗也称为终端速度，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。粒相对于流体的运动速度。 当当du/d =0时，令时，令u= ut，则可得沉降速度计算式则可得沉降速度计算式加速阶段；加速阶段；匀速阶段。匀速阶段。 将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在
11、球形颗粒在各各区相应的沉降速度分别为：区相应的沉降速度分别为： 层流区（层流区（Re1）过渡区（过渡区（11Re500Re500）湍流区（湍流区（500500Re1.510Re1.5105 5）u ut t与与d dp p有关。有关。d dp p愈大，愈大，u ut t则愈大。则愈大。层流区与过渡区中，层流区与过渡区中，u ut t还与流体粘度有关。还与流体粘度有关。液体粘度约为气体粘度的液体粘度约为气体粘度的5050倍，故颗粒在液体中的沉降速倍，故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多。度比在气体中的小很多。假设流体流动类型；假设流体流动类型；计算沉降速度；计算沉降速度；计算计算ReRe，
12、验证与假设是否相符；验证与假设是否相符；如果不相符，则转如果不相符，则转。如果相符，。如果相符，OK !OK !求沉降速度通常采用试差法。求沉降速度通常采用试差法。沉降速度的求法：沉降速度的求法： 例：计算直径为例：计算直径为9595 m m，密度为密度为30003000kg/mkg/m3 3的固体颗粒的固体颗粒分别在分别在20 20 的空气和水中的自由沉降速度。的空气和水中的自由沉降速度。计算计算Re，核算流型：核算流型：假设正确，计算有效。假设正确，计算有效。解：在解：在20 20 的水中：的水中： 20 20 水的密度为水的密度为998.2998.2kg/mkg/m3 3，粘度为粘度为1
13、.005101.00510-3 -3 PaPa s s先设为层流区。先设为层流区。 1) 1) 颗粒直径颗粒直径d dp p: :应用：应用：啤酒生产，采用絮状酵母，啤酒生产，采用絮状酵母，dpu ut t，使啤酒易于分离和澄清。使啤酒易于分离和澄清。均质乳化，均质乳化， dput，使饮料不易分层。使饮料不易分层。加絮凝剂，如水中加明矾。加絮凝剂，如水中加明矾。2) 2) 连续相的粘度连续相的粘度 ：应用：应用：加酶：清饮料中添加果胶酶，使加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ut，易于分离。易于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ut，不易分层。不易分层。加热：加热：3)
14、两相密度差两相密度差( p- )：2 2 2 2 影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素( ( ( (以层流区为例以层流区为例以层流区为例以层流区为例) ) ) ) 4) 颗粒形状颗粒形状在实际沉降中：在实际沉降中：非球形颗粒的形状可用球形度非球形颗粒的形状可用球形度 s 来描述。来描述。 s 球形度；球形度；S 颗粒的表面积，颗粒的表面积，m2；Sp与颗粒体积相等的圆球的表面积，与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。不同球形度下阻力系数与不同球形度下阻力系数与ReRe的关系见课本图示，的关系见课本图示，ReRe中的中的d dp p用当量直径用当量直径d de
15、e代替。代替。球形度球形度 s s越小，阻力系数越小，阻力系数 越大，但在层流区不明显。越大，但在层流区不明显。u ut t非球非球 u ut t球球 。对于细微颗粒对于细微颗粒( (d d0.55 m，dpc50=12 m。主要技术参数主要技术参数例：温度为例：温度为20，压力为，压力为0.1010.101Mpa，流量为流量为2.52.5m m3 3/s/s的含尘空的含尘空气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为25002500kg/mkg/m3 3，试计试计算临界粒径。选择合适的旋风分离器，使之能算临界粒径。选择合适的旋风分离器，使之能100%100%的分离
16、的分离出出6.56.5 m以上的粉尘。并计算压损。以上的粉尘。并计算压损。解：解：20，0.101Mpa时空气的：时空气的： =1.21kg/m3， =1.811010-5-5PaPa s s1 1、确定进口气速：、确定进口气速：u ui i=20m/s (15-20m/s)=20m/s (15-20m/s)2 2、计算、计算D D和和b b：流量流量 V=AuV=Aui=Bhu=Bhu B=D/5,h=3D/5 B=D/5,h=3D/5 2.5=(D/5)2.5=(D/5)(3D/5)(3D/5)20 20 D=1.041m D=1.041m 取取 D=1100 mmD=1100 mm旋风分
17、离器的选用旋风分离器的选用此时此时3、求求dpc4、求、求 p5、求求D，使使dpc=6.5 mB=0.175，D=5B，h=3D/5=3B=0.525，取取ui=17m/sx=1.6，取取x=2D=5B=0.875，取取D=800mm6、校核校核所以，所选分离器适用。所以，所选分离器适用。由由V=bhu，b=D/5，h=3D/5，得得调节流量实现调节流量实现由于分离器各部分的尺寸都是由于分离器各部分的尺寸都是D D的倍数，所以只要进口气速的倍数，所以只要进口气速u ui i相同，不管多大的旋风分离器，其压力损失都相同。相同，不管多大的旋风分离器，其压力损失都相同。压力损失相同时，小型分离器的
18、压力损失相同时，小型分离器的b=D/5b=D/5值较小，则小型分离器值较小，则小型分离器的临界粒径较小。的临界粒径较小。旋风分离器的使用旋风分离器的使用双联双联四联四联 用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离器，可以提高分离效率。器，可以提高分离效率。灰尘灰尘净化气体净化气体含尘气体含尘气体1.结构结构滤袋、骨架、机壳、清滤袋、骨架、机壳、清灰装置、灰斗、排灰阀。灰装置、灰斗、排灰阀。2.工作过程工作过程含尘气体进入袋滤器；含尘气体进入袋滤器；气体通过滤袋，经顶部气体通过滤袋，经顶部排出；排出；灰尘被截留；灰尘被截留；聚集一定厚度灰尘后，聚集一定厚
19、度灰尘后，压缩空气通入，滤袋振动，压缩空气通入，滤袋振动，灰尘落下；灰尘落下；灰尘经过排灰阀排除。灰尘经过排灰阀排除。压缩空气压缩空气骨架骨架滤袋滤袋机壳机壳清灰装置清灰装置排灰阀排灰阀灰斗灰斗清灰原则清灰原则及时清灰；及时清灰；不彻底清灰。不彻底清灰。袋滤器袋滤器含尘气体的分离系统含尘气体的分离系统4050 m5 m，dpc50=12 m0.5 m达达90%灰尘灰尘含尘气体含尘气体净化气体净化气体灰尘灰尘灰尘灰尘重力沉降室重力沉降室旋风分离器旋风分离器袋滤器袋滤器离心风机离心风机利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径不同利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径不同及密度不同
20、的颗粒进行分级。及密度不同的颗粒进行分级。结构和工作原理：结构和工作原理：与旋风分离器相似。与旋风分离器相似。4 4 旋液分离器旋液分离器( (hydraulic cyclone)hydraulic cyclone)l悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内，旋转向下流动。悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内，旋转向下流动。工作过程：工作过程：l液流中的颗粒受离心力作用，沉降到器壁，并随液流下降液流中的颗粒受离心力作用，沉降到器壁，并随液流下降到锥形底的出口，成为较稠的悬浮液而排出，称为底流。到锥形底的出口，成为较稠的悬浮液而排出，称为底流。l澄清的液体或含有较小较轻颗粒的液体，则形成向上的内澄清的液
21、体或含有较小较轻颗粒的液体，则形成向上的内旋流，经上部中心管从顶部溢流管排出，称为溢流。旋流，经上部中心管从顶部溢流管排出，称为溢流。液体的粘度约为气体的液体的粘度约为气体的50倍，液体的倍，液体的(p-)比气体的小，悬浮液的进口比气体的小，悬浮液的进口速度也比含尘气体的小，所以同样大小和密度的颗粒，速度也比含尘气体的小，所以同样大小和密度的颗粒，沉降速度远小于含尘气体在旋风分离器中的沉降速度。沉降速度远小于含尘气体在旋风分离器中的沉降速度。要达到同样的临界粒径要求，则旋液分离器的直径要比旋风分离器小很多。要达到同样的临界粒径要求，则旋液分离器的直径要比旋风分离器小很多。特点特点旋液分离器的圆
22、筒直径一般为旋液分离器的圆筒直径一般为75300mm。悬浮液进口速度一般为悬浮液进口速度一般为515m/s。压力损失约为压力损失约为50200kPa。分离的颗粒直径约为分离的颗粒直径约为1040 m m。主要技术参数主要技术参数 p特点：特点：离心分离因数可达离心分离因数可达1300013000，也有高达，也有高达10105 5的超速离心机。的超速离心机。转鼓内装有三个纵向平板，以使料液迅速达到与转鼓相同的转鼓内装有三个纵向平板，以使料液迅速达到与转鼓相同的角速度。角速度。适用于于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液。适用于于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液。5 5 5 5 沉降式离心机沉降式离心机沉
23、降式离心机沉降式离心机 沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液的机械。的机械。的机械。的机械。 5.1 5.1 5.1 5.1 管式离心机（管式离心机（管式离心机（管式离心机（tubular-bowl centrifugetubular-bowl centrifugetubular-bowl centrifugetubular-bowl centrifuge）p分离乳浊液的管式离心机操作原理分离乳浊液的管式离心机操作原理 转鼓由转轴带
24、动旋转。乳浊液由底部进入，在转鼓内从下转鼓由转轴带动旋转。乳浊液由底部进入，在转鼓内从下向上流动过程中，由于两种液体的密度不同而分成内、外两液向上流动过程中，由于两种液体的密度不同而分成内、外两液层。外层为重液层，内层为轻液层。到达顶部后，轻液与重液层。外层为重液层，内层为轻液层。到达顶部后，轻液与重液分别从各自的溢流口排出。分别从各自的溢流口排出。p分离悬浮液的管式离心机操作原理分离悬浮液的管式离心机操作原理流量流量Vs为悬浮液从底部进入，悬浮液是由密度为为悬浮液从底部进入，悬浮液是由密度为的与密度的与密度为为p的少量颗粒形成的。假设转鼓内的液体以转鼓的旋转角速的少量颗粒形成的。假设转鼓内的
25、液体以转鼓的旋转角速度度随着转鼓旋转。液体由下向上流动过程中，颗粒由液面随着转鼓旋转。液体由下向上流动过程中，颗粒由液面r1处沉降到转鼓内表面处沉降到转鼓内表面r2处。凡沉降所需时间小于式等于在转鼓处。凡沉降所需时间小于式等于在转鼓内停留时间的颗粒，均能沉降除去。内停留时间的颗粒，均能沉降除去。当颗粒的沉降处于斯托克斯区时，其沉降速度（径向）为当颗粒的沉降处于斯托克斯区时，其沉降速度（径向）为斯托克斯区的重力沉降速度为斯托克斯区的重力沉降速度为积分边界积分边界边界条件：边界条件：=0=0时，时，r=rr=r1 1；=t t时，时， r=rr=r2 2。取颗粒的停留时间等于流体在转鼓内的停留时间
26、，即取颗粒的停留时间等于流体在转鼓内的停留时间，即对上式积分，得沉降时间对上式积分，得沉降时间h h转鼓长度转鼓长度 对于一定的悬浮液处理量对于一定的悬浮液处理量Vs，只有粒径只有粒径dp满足条件满足条件t的的颗粒，才能全部除去。根据颗粒，才能全部除去。根据t=，可得可得式中式中ut的为重力沉降速度。的为重力沉降速度。所以当颗粒为临界粒径所以当颗粒为临界粒径dpc时，悬浮液的处理量为时，悬浮液的处理量为以上两式表示悬浮液处理量以上两式表示悬浮液处理量Vs与转鼓尺寸（与转鼓尺寸（r1、r2及及h）、）、转鼓角速度转鼓角速度及颗粒临界直径及颗粒临界直径dpc之间的关系。之间的关系。例：水中含有极少
27、量细小颗粒的悬浮液，想用管式高例：水中含有极少量细小颗粒的悬浮液，想用管式高速离心机分离，使其中速离心机分离，使其中1 1mm以上的颗粒全部除去。试以上的颗粒全部除去。试求最大的悬浮液进料量为多少。离心机转鼓尺寸为：求最大的悬浮液进料量为多少。离心机转鼓尺寸为：r r1 1=5cm=5cm、r r2 2=8cm=8cm，h=60cmh=60cm。转鼓的转数为转鼓的转数为1200012000rpmrpm。悬浮液温度为悬浮液温度为2020，颗粒的密度为，颗粒的密度为2300023000kg/mkg/m3 3。解：查得水在解：查得水在20时的时的=10-3Pas，=1000kg/m3，转鼓的旋转角速
28、度转鼓的旋转角速度=2N/60=2(12000)/60=1257rad/s重力沉降速度重力沉降速度ut=gdp2(p-)/18=9.81(10-6)2(2300-1000)/(1810-3)=7.0910-7m/s悬浮液的进料量为悬浮液的进料量为分离乳浊液的碟式离心机分离乳浊液的碟式离心机：碟片上开有小孔。乳浊液通过小孔：碟片上开有小孔。乳浊液通过小孔流到碟片的间隙。在离心力作用下，重液沿着每个碟片的斜面沉流到碟片的间隙。在离心力作用下，重液沿着每个碟片的斜面沉降，并向转鼓内壁移动，由重液出口连续排出。而轻液沿着每个降，并向转鼓内壁移动，由重液出口连续排出。而轻液沿着每个碟片的斜面向上移动，汇
29、集后由轻液出口排出。碟片的斜面向上移动，汇集后由轻液出口排出。主要分离乳浊液中轻、重两液相，例如油类脱水、牛乳脱主要分离乳浊液中轻、重两液相，例如油类脱水、牛乳脱脂等；也可以澄清含少量细小颗粒固体的悬浮液。脂等；也可以澄清含少量细小颗粒固体的悬浮液。澄清悬浮液用的碟式离心沉降机澄清悬浮液用的碟式离心沉降机：碟片上不开孔。只有一个：碟片上不开孔。只有一个清液排出口。沉积在转鼓内壁上的沉渣，间歇排出。只适用于清液排出口。沉积在转鼓内壁上的沉渣，间歇排出。只适用于固体颗粒含量很少的悬浮液。当固体颗粒含量较多时，可采用固体颗粒含量很少的悬浮液。当固体颗粒含量较多时，可采用具有喷嘴排渣的碟式离心沉降机，
30、例如淀粉的分离。具有喷嘴排渣的碟式离心沉降机，例如淀粉的分离。5.2 5.2 5.2 5.2 碟式离心机（碟式离心机（碟式离心机（碟式离心机（disk-bowl centrifugedisk-bowl centrifugedisk-bowl centrifugedisk-bowl centrifuge）工作原理：工作原理：转鼓内有可旋转的螺旋输送器，其转数比转鼓的转数稍转鼓内有可旋转的螺旋输送器，其转数比转鼓的转数稍低。悬浮液通过螺旋输送器的空心轴进入机内中部。沉积在低。悬浮液通过螺旋输送器的空心轴进入机内中部。沉积在转鼓壁面渣，被螺旋输送器沿斜面向上推到排出口而排出。转鼓壁面渣，被螺旋输送器
31、沿斜面向上推到排出口而排出。澄清液从转鼓另一端溢流出去。澄清液从转鼓另一端溢流出去。用途：用途：用于分离固体颗粒含量较多的悬浮液，其生产能力较大。用于分离固体颗粒含量较多的悬浮液，其生产能力较大。也可以在高温、高压下操作，例如催化剂回收。也可以在高温、高压下操作，例如催化剂回收。5.3 5.3 5.3 5.3 螺旋式离心机（螺旋式离心机（螺旋式离心机（螺旋式离心机（scroll-type centrifugescroll-type centrifugescroll-type centrifugescroll-type centrifuge）第三章第三章完完结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！128
