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1、 第四章第四章 沉降与过滤沉降与过滤 食品生产常需对混合物进行分离，凡物系内部存在明显的相食品生产常需对混合物进行分离，凡物系内部存在明显的相界面且两侧物料性质不同的称为非均相物系。其中处于分散状界面且两侧物料性质不同的称为非均相物系。其中处于分散状态的物质称分散物质（分散相），处于连续状态的物质称分散态的物质称分散物质（分散相），处于连续状态的物质称分散介质（连续相）。具体分为：介质（连续相）。具体分为：液态非均相物系：液态非均相物系：液液固固（悬浮液），液（悬浮液），液液，液液，液气；气；气态非均相物系：气气态非均相物系：气固固（含尘气体），气（含尘气体），气液（雾、沫）。液（雾、沫）。特
2、点特点：两相具有不同的物性（密度、尺寸），受到外力作用时：两相具有不同的物性（密度、尺寸），受到外力作用时运动状态不同，因而可采用机械方法进行分离（运动状态不同，因而可采用机械方法进行分离（依据依据）。）。方法方法：在某种力的作用下使两相发生相对运动，即颗粒相对于：在某种力的作用下使两相发生相对运动，即颗粒相对于流体而运动的流体而运动的沉降沉降操作和流体相对于颗粒而运动的操作和流体相对于颗粒而运动的过滤过滤操作。操作。应用应用：生产的主要工序；净化物料；回收物质和环保要求。：生产的主要工序；净化物料；回收物质和环保要求。第一节第一节 重力沉降重力沉降 沉降是指在某种力的作用下，颗粒相对于流体产
3、生定向运动过程。依沉降是指在某种力的作用下，颗粒相对于流体产生定向运动过程。依据是两相密度不同，受到外力作用时运动速度不同发生相对运动。依靠重据是两相密度不同，受到外力作用时运动速度不同发生相对运动。依靠重力的沉降过程称为重力沉降，其进行的快慢程度用重力沉降速度衡量。力的沉降过程称为重力沉降，其进行的快慢程度用重力沉降速度衡量。一、一、重力沉降速度重力沉降速度1、球形颗粒的自由沉降、球形颗粒的自由沉降(自由沉降时受力自由沉降时受力)：当当du/d=0时的匀速降落速度时的匀速降落速度u0称为沉降速度，即：称为沉降速度，即：其中：其中：称为阻力系数，由实验测定。对球形颗粒：称为阻力系数，由实验测定
4、。对球形颗粒：（1）层流区（层流区（0.0001ReP1），），称为称为Stokes eq （2）过渡区（）过渡区（1ReP500），），称为称为Allen eq（3）湍流区（）湍流区（500ReP15000）称为称为Newton eq2、重力沉降速度重力沉降速度uo的计算的计算（1）试差法：）试差法：假设区域计算假设区域计算uo；计算计算ReP；判断假设正确否判断假设正确否（2）无因次数群判别法：令）无因次数群判别法：令 称为阿基米德数称为阿基米德数 层流时层流时 湍流时湍流时 二、影响重力沉降速度二、影响重力沉降速度uo的的因素因素 1、颗粒直径（层流区、颗粒直径（层流区uo=kd2，重力
5、沉降时加絮凝剂的原理）重力沉降时加絮凝剂的原理）；2、粘度影响（、粘度影响（uo；液固物系液固物系Tuo；气固物系气固物系Tuo）；）；3、颗粒形状（体积相同时，球形表面积最小，球形度颗粒形状（体积相同时，球形表面积最小，球形度 uo）；）；4、器壁效应（器壁效应（D/d100时，影响可忽略，否则需要修正）；时，影响可忽略，否则需要修正）；5、干扰沉降（当颗粒浓度、干扰沉降（当颗粒浓度1%时，用清液层相对器壁移动速度代替时，用清液层相对器壁移动速度代替uo计计算实际沉降过程）。算实际沉降过程）。三、重力沉降（悬浮液）设备三、重力沉降（悬浮液）设备 1、间歇式沉降器（澄清槽）生产能力、间歇式沉降
6、器（澄清槽）生产能力 2、半连续式沉降器、半连续式沉降器要求要求（1）悬浮液流动速度）悬浮液流动速度uLuc；流动截面要大，；流动截面要大，uL=qV/hob；（2）足够长高比足够长高比L/ho ，满足液体停留时间，满足液体停留时间 颗粒下沉时间。颗粒下沉时间。因而生产能力为：因而生产能力为：3、连续式沉降器连续式沉降器 要求：沉降面积要大，要求：沉降面积要大，uou1 生产能力：生产能力：qv=Aouo四、气溶胶的重力沉降设备四、气溶胶的重力沉降设备 1、立式沉降室、立式沉降室 2、卧式沉降室、卧式沉降室 生产能力生产能力 qvbLu0 一般采用多层结构，可除去一般采用多层结构，可除去50m
7、以上颗粒。以上颗粒。第二节第二节 过滤过滤一、基本概念：一、基本概念：在一定在一定推动力推动力作用下，借一作用下，借一种能截留固粒而使液体通过的种能截留固粒而使液体通过的多孔性介质多孔性介质，将，将固粒从悬浮液中分离的操作称过滤（实质固粒从悬浮液中分离的操作称过滤（实质:液体液体相对于固粒的运动过程，相对于固粒的运动过程，依据依据:两相尺寸差异）两相尺寸差异）。工业操作术语工业操作术语:滤浆、滤饼（渣）、过滤介质、滤液滤浆、滤饼（渣）、过滤介质、滤液1、过滤方式：、过滤方式：按颗粒被截留形式按颗粒被截留形式-滤饼、深层（床）过滤；滤饼、深层（床）过滤；按推动力按推动力-重力、加压或真空、离心过
8、滤。重力、加压或真空、离心过滤。2、过滤介质：、过滤介质：作用截留固粒、支承滤饼，要求多孔具有强度、阻力小作用截留固粒、支承滤饼，要求多孔具有强度、阻力小 常用：织物介质（滤布）、粒状介质、多孔性固体介质常用：织物介质（滤布）、粒状介质、多孔性固体介质3、滤饼、滤饼：可压缩滤饼和不可压缩滤饼：可压缩滤饼和不可压缩滤饼(实际过滤阻力主要集中在滤饼中）实际过滤阻力主要集中在滤饼中）4、过滤操作过程、过滤操作过程：过滤：过滤洗涤洗涤脱湿脱湿卸饼卸饼清洗（可间歇、连续）清洗（可间歇、连续）二、过滤基本方程式二、过滤基本方程式 用用过滤速率过滤速率和过滤速度来表示：和过滤速度来表示：（m3/h）（m3/
9、m2h）1、过滤过程数学模型、过滤过程数学模型 由由PoiseuillePoiseuille方程式方程式滤液在滤饼中的流速滤液在滤饼中的流速:用用L代替代替l，dV/Adt代替代替u，引入系数引入系数k、r：r滤饼的比阻，滤饼的比阻，1/m22、滤液通过过滤介质流动模型：、滤液通过过滤介质流动模型：Le过滤介质当量厚度过滤介质当量厚度,m 3、过滤基本方程式：、过滤基本方程式：（由于（由于L变化不可测，采用可测值变化不可测，采用可测值V代替代替L）设设 x=（kg）m3滤饼滤饼m3滤液滤液，称为滤浆的稠度，称为滤浆的稠度，则：则：LAxV；L=KxVA，Le=KxVeA ；（Ve 过滤介质当量
10、滤液体积，过滤介质当量滤液体积，m3）考虑到滤饼的可压缩性，根据实验：考虑到滤饼的可压缩性，根据实验：r=r1ps ；s滤饼的压缩性系数，滤饼的压缩性系数，s=01，对不可压缩滤饼，对不可压缩滤饼s=0。因而过滤基本方程式：因而过滤基本方程式：三、恒压过滤过程的计算三、恒压过滤过程的计算特点特点：推动力恒定，阻力不断增大，速率逐渐下降。：推动力恒定，阻力不断增大，速率逐渐下降。计算内容：得到一定滤液时需时间，确定过滤机大小和台数。计算内容：得到一定滤液时需时间，确定过滤机大小和台数。令令 k=（r1x）1 为表征滤浆特性的常数；为表征滤浆特性的常数；K=2kp1-s 为过滤常数，为过滤常数，m
11、2/s；则得恒压过滤速率方程式：则得恒压过滤速率方程式：积分上式得下列恒压过滤方程式，根据情况选用。积分上式得下列恒压过滤方程式，根据情况选用。1、V2+2VVe=KA2t （积分范围：积分范围：tete+t，VeVe+V）2、Ve2=KA2te （虚拟积分范围：（虚拟积分范围：0te，0Ve）3、（V+Ve）2=KA2（t+te）4、V2=KA2t （当过滤介质阻力不计时）（当过滤介质阻力不计时）若令若令 q=VA，qe=VeA，得另一形式方程式：，得另一形式方程式：q2+2qqe=Kt，qe2=Kte，（，（q+qe）=K（t+te），），q2=Kt若为恒速过滤若为恒速过滤（速率恒定，阻力
12、增大，（速率恒定，阻力增大，推动力增大，推动力增大，K不为常数）不为常数）一般实际的过滤过程为先恒速过滤后恒压过滤。一般实际的过滤过程为先恒速过滤后恒压过滤。例：对例：对2m2过滤面积的过滤机进行恒压过滤，测得前过滤面积的过滤机进行恒压过滤，测得前10分钟和后分钟和后10分钟时分别得滤液量分钟时分别得滤液量0.m3和和0.2m3，求过滤基本方程式。，求过滤基本方程式。四、过滤常数的测定四、过滤常数的测定1、K和和qe的测定的测定改写方程式改写方程式q2+2qqe=Kt 为：为：令令 Y=tq，m=1K，X=q，b=2qeK，则则 Y=mX+b 中：中：2、测定测定k和和s 将将K=2kp1-s
13、取取对数，在不同对数，在不同pi下下测得测得Ki，然后然后回归得到回归得到k和和s。五、过滤设备五、过滤设备 1、板框过滤机板框过滤机 由过滤板由过滤板滤框滤框洗涤板洗涤板滤框滤框过滤板过滤板滤滤框框交替排列组成。过滤时滤浆进入滤框，滤液穿过两侧滤交替排列组成。过滤时滤浆进入滤框，滤液穿过两侧滤布从滤框排出，滤饼被截留在滤框内；洗涤时洗水从洗涤板进布从滤框排出，滤饼被截留在滤框内；洗涤时洗水从洗涤板进入，横穿过滤布入，横穿过滤布滤饼滤饼滤布后排出。特点：为间歇式过滤设滤布后排出。特点：为间歇式过滤设备，结构简单，操作方便，过滤面积大且可调整，缺点过滤和备，结构简单，操作方便，过滤面积大且可调整
14、，缺点过滤和洗涤时间长。型号表示：洗涤时间长。型号表示：BMS 20/63525 过滤面积计算：过滤面积计算：A=2LBZ （m2）滤框容积（滤饼体积）：滤框容积（滤饼体积）：VZ=L BZ （m3）2、转筒真空过滤机转筒真空过滤机 在水平安装的中空转筒（内部分成若在水平安装的中空转筒（内部分成若干扇形格室，分别与转动盘上的一个孔相通）表面上覆盖滤干扇形格室，分别与转动盘上的一个孔相通）表面上覆盖滤布，部分浸入滤浆槽中缓慢转动，借分配头的作用使转筒表布，部分浸入滤浆槽中缓慢转动，借分配头的作用使转筒表面依次进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼的操作。特点操面依次进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼的操
15、作。特点操作连续自动化进行，处理量大，但对滤浆的适应能力差。作连续自动化进行，处理量大，但对滤浆的适应能力差。过滤面积计算：过滤面积计算：A=DL （m2）滤饼体积：滤饼体积：VZ=DL （m3）板框过滤机的结构及其过滤、洗涤过程板框过滤机的结构及其过滤、洗涤过程2、转筒真空过滤机、转筒真空过滤机 在水平安装的中空转筒（内部分成若在水平安装的中空转筒（内部分成若干扇形格室，分别与转动盘上的一个孔相通）表面上覆盖滤布，干扇形格室，分别与转动盘上的一个孔相通）表面上覆盖滤布，下部浸入滤浆槽中缓慢转动，借分配头的作用使转筒表面依次下部浸入滤浆槽中缓慢转动，借分配头的作用使转筒表面依次进行过滤、沥干、
16、洗涤、吸干、吹松、卸饼的操作。特点操作进行过滤、沥干、洗涤、吸干、吹松、卸饼的操作。特点操作连续自动化进行，处理量大，但对滤浆的适应能力差。连续自动化进行，处理量大，但对滤浆的适应能力差。过滤面积过滤面积A=DL（m2）；）；滤饼体积滤饼体积VZ=DL （m3）六、滤饼的洗涤六、滤饼的洗涤 目的目的：净化滤饼；回收滤液。：净化滤饼；回收滤液。特点特点：滤饼厚、推动力和阻力恒定，洗涤速率恒定：滤饼厚、推动力和阻力恒定，洗涤速率恒定 计算内容计算内容：得到一定洗液时需时间：得到一定洗液时需时间 对板框过滤机，采用横穿洗涤法：对板框过滤机，采用横穿洗涤法：对转筒真空过滤机，采用置换洗涤对转筒真空过滤
17、机，采用置换洗涤法：法：七、过滤机的生产能力七、过滤机的生产能力 目的：为计算处理一定量的滤浆时选择过滤机的大小目的：为计算处理一定量的滤浆时选择过滤机的大小和台数（以单位时间得到滤液量表示）和台数（以单位时间得到滤液量表示）对板框过滤机对板框过滤机，过滤、洗涤、，过滤、洗涤、清洗组装为一循环，故：清洗组装为一循环，故：对转筒真空过滤机，旋转一周过滤有效时间对转筒真空过滤机，旋转一周过滤有效时间 得滤液：得滤液：故：故：当过滤介质阻力不计时：当过滤介质阻力不计时：例题例题：采用：采用25个框的个框的BMY20/63525型板框过滤机恒压型板框过滤机恒压过滤某悬浮液，已知过滤某悬浮液，已知K=4
18、10-5 m2/s，Ve=0.6 m3，x=0.08，过滤完毕用相当于滤液过滤完毕用相当于滤液10%的清水进行洗涤的清水进行洗涤（条件同过滤），辅助操作时间为（条件同过滤），辅助操作时间为20分钟。分钟。计算过计算过滤机的生产能力；滤机的生产能力；如果生产过程要求处理悬浮液如果生产过程要求处理悬浮液13m3/h，计算需要过滤机台数。，计算需要过滤机台数。解：解：A=20.635225 （m2）VZ=0.63520.02525 （m3）第三节第三节 离心分离离心分离 依靠惯性离心力的作用进行沉降和过滤的操作依靠惯性离心力的作用进行沉降和过滤的操作,称为离心称为离心分离。分离。特点特点:离心力可以
19、改变使分离快速进行离心力可以改变使分离快速进行;设备体积小。产设备体积小。产生离心力的生离心力的方法方法：依靠机械的高速旋转；依靠机械的高速旋转；通过物料运动方向改变通过物料运动方向改变造成旋转流而产生。造成旋转流而产生。一、离心分离原理一、离心分离原理 旋转物料产生离心力旋转物料产生离心力FC=mr2，（对离心机，（对离心机，=2n，FC=42mrn2；对切向速度为；对切向速度为u1的圆筒形容器，的圆筒形容器，u1=r，FC=m u12/r）。在旋转过程颗粒密度大于流体，受到的离心力大，）。在旋转过程颗粒密度大于流体，受到的离心力大，速度快，可穿越流体层与流体发生相对运动实现分离。速度快，可
20、穿越流体层与流体发生相对运动实现分离。在离心分离中，用同一颗粒受到的离心力与重力的比值表在离心分离中，用同一颗粒受到的离心力与重力的比值表示离心分离强度的大小，称离心分离因数，即示离心分离强度的大小，称离心分离因数，即 KC=FC/Fg （对（对离心机，离心机，KC=42rn2/g；对切向速度为对切向速度为u1的圆筒形容器，的圆筒形容器，KC=u12/rg）。）。因因g固定由此只要固定由此只要改变离心机的改变离心机的n，r或进圆筒或进圆筒形容器的切向速度形容器的切向速度u1，都可以提高都可以提高KC。二、离心沉降速度二、离心沉降速度 离心沉降一般颗粒很小，颗粒在径向上相对于流体的运动速度，称为
21、离离心沉降一般颗粒很小，颗粒在径向上相对于流体的运动速度，称为离心沉降速度，表示为：心沉降速度，表示为：分离因数分离因数 区别区别大小大小方向方向 可改变可改变三、离心分离的特点三、离心分离的特点1、液体的自由表面为旋转抛物面、液体的自由表面为旋转抛物面 2、液体内部的压强分布、液体内部的压强分布 对任意半径对任意半径r（r1rr2）处，压强）处，压强：3、两相液体分层界面、两相液体分层界面 四、离心机四、离心机主要部件为转鼓，垂直或水平安装在轴上，分为：主要部件为转鼓，垂直或水平安装在轴上，分为：（1）离心过滤：鼓壁开孔，内铺滤布，截留固粒液体通过；）离心过滤：鼓壁开孔，内铺滤布，截留固粒液
22、体通过；（2）离心沉降：鼓壁无孔，固粒沉降在鼓壁液体由顶端引出；）离心沉降：鼓壁无孔，固粒沉降在鼓壁液体由顶端引出；（3）离心分离：鼓壁无孔，转速特高，用于乳浊液的分离。）离心分离：鼓壁无孔，转速特高，用于乳浊液的分离。1、过滤式离心机、过滤式离心机 2、沉降式离心机、沉降式离心机 3、分离式离心机、分离式离心机 第四节第四节 气溶胶的分离气溶胶的分离（纳米和微米级的分离）（纳米和微米级的分离）一、旋风分离器一、旋风分离器 1、构造和工作原理、构造和工作原理 2、性能、性能 （1）临界直径：）临界直径：（2）压强降：）压强降：（3）分离效率：）分离效率：二、沉降室二、沉降室 1、立式沉降室、立式沉降室 2、卧式沉降室、卧式沉降室 生产能力生产能力 qvbLu0 一般采用多层结构，可除去一般采用多层结构，可除去50m以上颗粒。以上颗粒。三、惯性分离器三、惯性分离器 四四、袋滤器、袋滤器分离含尘气体中的固体颗粒分离含尘气体中的固体颗粒