食品工程原理非均相物系的分离2

第三章

非均相物系的分离

重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程难点：过滤基本方程的应用、过滤设备

均相物系(honogeneoussystem):

均相混合物。物系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。自然界的混合物分为两大类：非均相物系(non-honogeneoussystem):

非均相混合物。物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。第一节

概述分散相：分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。连续相：分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。非均相物系由分散相和连续相组成

要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。非均相物系的分离原理：

非均相物系分离的理论基础：根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。

通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分离，如蒸馏，萃取等。非均相物系的分离方法：均相物系的分离：非均相物系的分离过滤过滤介质:过滤采用的多孔物质；滤浆:所处理的悬浮液；滤液:通过多孔通道的液体；滤饼或滤渣:被截留的固体物质。以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。第二节

过滤

一、过滤操作的基本概念

1过滤(filtration)

滤浆(slurry)：原悬浮液。滤饼(filtercake)：截留的固体物质。过滤介质(filteringmedium)：多孔物质。滤液(filterate)：通过多孔通道的液体。过滤操作示意图(滤饼过滤)

滤饼过滤过程：刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液澄清。所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身，而非过滤介质。2过滤方式

过滤的操作基本方式有两种：滤饼过滤和深层过滤。

2.1滤饼过滤(cakefiltration)：饼层过滤架桥现象注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能够过发生。饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液。特点：颗粒(粒子)沉积于介质内部。深层过滤过滤对象：悬浮液中的固体颗粒小而少。过滤介质：堆积较厚的粒状床层。过滤原理：颗粒尺寸介质通道尺寸，颗粒通过细长而弯曲的孔道，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上。应用：适于处理生产能力大而悬浮液中颗粒小而且含量少的场合，如水处理和酒的过滤。2.2深层过滤(deepbedfiltration)：深床过滤织物介质(又称滤布)

由棉、毛、麻、丝等天然纤维及合成纤维制成的织物，以及玻璃丝、金属丝等织成的网；过滤介质的分类：堆积介质

由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成，多用于深床过滤；多孔固体介质

这类介质具有很多细微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量细微颗粒的悬浮液，如白酒等的精滤。3过滤介质过滤介质应具有如下性质：过滤介质的作用(滤饼过滤)：促使滤饼的形成，并支承滤饼。（1）多孔性，液体流过的阻力小；（2）有足够的强度；（3）耐腐蚀性和耐热性；（4）孔道大小适当，能发生架桥现象。不可压缩滤饼：若颗粒由不易变形的坚硬固体组成，则当压强差增大时，滤饼的结构不发生明显变化，单位厚度滤饼的流动阻力可视作恒定，这类滤饼称为不可压缩滤饼。随着过滤的进行，滤饼的厚度增大，滤液的流动阻力亦逐渐增大，导致滤饼两侧的压强差增大。滤饼的压缩性对压强差有较大影响。可压缩滤饼：若滤饼为胶体物质时，当压强差增大时，滤饼则被压紧，使单位厚度滤饼的流动阻力增大，此类滤饼称为可压缩滤饼。

4滤饼的压缩性和助滤剂助滤剂：对于可压缩滤饼，为了使过滤顺利进行，可以将质地坚硬而能形成疏松滤饼的另一种固体颗粒混入悬浮液或预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使得滤液畅流，该种颗粒状物质就称为助滤剂。常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩、石棉、炭粉等。助滤剂的基本要求：1、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及较低的流体阻力。2、具有化学稳定性。3、在操作压强范围内具有不可压缩性。

dpde

对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直径为de的细管，而细管的当量直径可由床层的空隙率和颗粒的比表面积来计算。二、过滤的基本理论

1滤液通过饼层的流动颗粒床层的特性可用空隙率、当量直径等物理量来描述。空隙率：单位体积床层中的空隙体积称为空隙率。式中ε——床层的空隙率，m3/m3。式中α——颗粒的比表面，m2/m3。比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积称为比表面积。2颗粒床层的特性依照康采尼(Kozeny)的建议,当量直径采用床层全部空隙体积与床层中固体颗粒的全部表面积之比床层中颗粒总表面积床层空隙总体积=ed滤液通过饼层的流动常属于滞流流型，可以仿照圆管内滞流流动的泊稷叶公式(哈根方程)来描述滤液通过滤饼的流动，则滤液通过饼床层的流速与压强降的关系为：式中u1—滤液在床层孔道中的流速，m/s；

L—床层厚度，m,

Δpc

—滤液通过滤饼层的压强降，pa；阻力与压强降成正比，因此可认为上式表达了过滤操作中滤液流速与阻力的关系。

在与过滤介质相垂直的方向上，床层空隙中的滤液流速u1与按整个床层截面积计算的滤液平均流速u之间的关系为：

上式中的比例常数K′与滤饼的空隙率、颗粒形状、排列及粒度范围诸因素有关。对于颗粒床层内的滞流流动，K′值可取为5。式中V——滤液量，m3；

θ——过滤时间，s；

A——过滤面积，m2。过滤速率为：任一瞬间的过滤速度为：过滤速度:单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，

m3/m2s。过滤速率:单位时间内获得的滤液体积，m3/s。3过滤速率R——滤饼阻力，1/m,其计算式为：对于不可压缩滤饼，滤饼层中的空隙率ε可视为常数，颗粒的形状、尺寸也不改变，因而比表面a亦为常数，则有式中r——滤饼的比阻，1/m2,其计算式为：R=rL4滤饼阻力比阻r单位厚度滤饼的阻力；在数值上等于粘度为1Pa·s的滤液以1m/s的平均流速通过厚度为1m的滤饼层时所产生的压强降；比阻反映了颗粒特性(形状、尺寸及床层空隙率)对滤液流动的影响；床层空隙率ε愈小及颗粒比表面a愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻滞作用也愈大。非均相物系的分离沉降Settling定义：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密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。第三节沉降图流体绕过颗粒的流动uFdFd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流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳力（dragforce)或阻力。只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样。一、颗粒运动时的阻力

ρ——流体密度；μ——流体粘度；

dp——颗粒的当量直径；

A——颗粒在运动方向上的投影面积；

u——颗粒与流体相对运动速度。

——阻力系数，是雷诺数Re的函数，由实验确定。颗粒所受的阻力Fd可用下式计算

层流区（斯托克斯Stokes区，10-4<Re<1）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。过渡区（艾仑Allen区，1<Re<103）湍流区（牛顿Newton区，103<Re<105）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：

自由沉降（freesettling）：

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条件下沉降。

二、重力沉降

重力沉降(gravitysettling)：由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降。

1沉降速度

1.1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:u重力Fg阻力Fd浮力Fbp为颗粒密度随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，du/d

逐渐减少。当u增到一定数值ui时，du/d=0。颗粒开始作匀速沉降运动。上式表明：颗粒的沉降过程分为两个阶段：沉降速度（terminalvelocity）：也称为终端速度，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。当du/d

=0时，令u=ut，则可得沉降速度计算式加速阶段；匀速阶段。将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在各区相应的沉降速度分别为：

层流区（Re<1）过渡区（1<Re<500）湍流区（500<Re<105）ut与dp有关。dp愈大，ut则愈大。层流区与过渡区中，ut还与流体粘度有关。液体粘度约为气体粘度的50倍，故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多。假设流体流动类型；计算沉降速度；计算Re，验证与假设是否相符；如果不相符，则转①。如果相符，OK!求沉降速度通常采用试差法。沉降速度的求法：

例：计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20℃的空气和水中的自由沉降速度。计算Re，核算流型：假设正确，计算有效。解：在20℃的水中：20℃水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.005×10-3Pas先设为层流区。

1)颗粒直径dp:应用：啤酒生产，采用絮状酵母，dp↑→ut↑↑，使啤酒易于分离和澄清。均质乳化，dp↓→ut↓↓，使饮料不易分层。加絮凝剂，如水中加明矾。2)连续相的粘度：应用：加酶：清饮料中添加果胶酶，使

↓→ut↑，易于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使

↑→ut↓，不易分层。加热：3)两相密度差(

p-)：2影响沉降速度的因素(以层流区为例)

4)

颗粒形状在实际沉降中：非球形颗粒的形状可用球形度s

来描述。s——球形度；S——颗粒的表面积，m2；Sp——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Re的关系见课本图示，Re中的dp用当量直径de代替。球形度s越小，阻力系数

越大，但在层流区不明显。ut非球<ut球。对于细微颗粒(d<0.5m)，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式计算ut；沉降公式可用于沉降和上浮等情况。注意：6)干扰沉降（hinderedsettling）：

当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降速度比自由沉降的小。5)壁效应

(walleffect)：

当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。降尘室：利用重力降分离含尘气体中尘粒的设备。是一种最原始的分离方法。一般作为预分离之用，分离粒径较大的尘粒。降尘室的示意图3降尘室假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速u相同；停留时间＝l/u沉降时间t＝H/ut颗粒分离出来的条件是l/u≥H/utlHb净化气体含尘气体uut降尘室的计算即：满足L/u＝H/ut

条件的粒径当含尘气体的体积流量为Vs时，

u=Vs/Hb故与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度为utc=Vs/

blut≥Vs/lb则有或Vs≤

blut

临界沉降速度utc是流量和面积的函数。临界粒径dpc（criticalparticlediameter）：能100％除去的最小粒径。当尘粒的沉降速度小，处于斯托克斯区时，临界粒径为一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与与底面积bl和utc有关，而与H无关。故沉降室应做成扁平形，或在室内均匀设置多层隔板。气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把沉下来的尘粒重新卷起。一般u不超过3m/s。由此可知：当降尘室用水平隔板分为N层，则每层高度为H/N。水平速度u不变。此时：多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体尘粒沉降高度为原来的1/N倍；utc降为原来的1/N倍(utc=Vs/

bl)；临界粒径为原来的倍()；一般可分离20μm以上的颗粒。多层隔板降尘室排灰不方便。继续例：用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为0.799kg/m3，粘度为2.53×10-5Pa·s，流量为5.0×104

m3/h。粉尘的密度为2000kg/m3。试求粉尘的临界直径。解：与临界直径对应的临界沉降速度为假设流型属于过渡区，粉尘的临界直径为校核流型故属于过渡区，与假设相符。

Vs≤

blut

1)计算ut：2)确定低面积和b,l：3)确定沉降距离H已知含尘气体的流量，粉尘的排放标准，气固两相的物理参数。沉降室的设计计算沉聚（sedimentation）：悬浮液放在大型容器里，其中的固体颗粒在重力下沉降，得到澄清液与稠浆的操作。澄清：当原液中固体颗粒的浓度较低，而为了