《食品工程原理》第四章 沉降与过滤
食品工程原理沉降与过滤精讲
例（习题4，p.147 ）O/W 混合物，滴径 0.05mm, 油水
质量比1：4。温度38℃，料液流量 2t/h, 油的相对密度
为0.9，求沉降槽的沉降面积。（符 Stokes 定律）
解 dp = 5×10-5m
查38℃水：μw = 0.691 ×10-3Pa·s
则油滴
ρo
ρw = 993 kg/m 3 = 1000×0.9 = 900kg/m
4.7A 离心分离因数
离心力（ centrifugal force ）：
Fc ? mrω2 (N)
重力 Fg = mg
3. 过滤的推动力和阻力
过滤推动力是上下游的压力差 Δp 过滤按其推动力的来源分四类：
（1）重力过滤 一般 Δp<50kPa
（2）加压过滤 Δp可达 500kPa
（3）真空过滤 一般 Δp<85kPa
（4）离心过滤 Δp可↑103～104倍
4. 过滤的程序
（1）过滤阶段
（3）滤饼脱湿
（2）滤饼洗涤
应使 uL< uc
2. 沉降器尺寸
L ? h0 uL u0
L uL ? u0 h0
3. 生产能力 qv ? bh0u L
qv
?
bh0 u 0
L h0
?
u0bL
?
u0 A0
4.2C 连续式沉降器
分离条件为：
u0 ? u1
u1
设： qm－料液中固
体的质量流量 ,
kg s/s
C0－料液中清液含量 , kg L/kgs CR－增浓液的清液含量 , kgL/kgs
忽略过滤介质阻力， Ve= 0
V 2 ? kA 2 p1? st
食品工程原理课后题答案
序论1. 解：从附录查出：1kcal＝1.1622×10-3KW·h=1.1622W·h所以：K=42.99Kcal/（m2·h·℃）＝42.99Kcal/（m2·h·℃）×（1.1622W·h/1kcal）＝50w/（m2·℃）。
2.解：从附录查出：1kgf＝9.80665kg·m/s2，所以1000kg/m3＝1000kg/m3×[1kgf/(9.80665kg·m/s2)]=101.9kgf·s2/m4.3. 从附录查出：1mmHg=133.32Pa，1℃＝K－273.3。
则新旧单位的关系为：P＝P’/133.32; t ＝T－273.3。
代入原式得：lg（P’/133.32）＝6.421-352/（T－273.3+261）；化简得lgP=8.546－3.52/(T-12.3).4.解：塔顶产品的流量W塔顶＝W DA＋W DB+W DC=1000(0.25+0.25×96%+0.25×4%)=500Kmol/h。
所以，其组成为:X DA=0.25×1000/500=0.5；X DB=W DB/D=100×0.25×0.96/500=0.48；X DC=1－X DA－X DB＝1－0.5－0.48＝0.02。
塔底产品的流量：W塔底＝W总－W塔顶＝1000－500＝500 Kmol/h。
所以，塔底组成为：X WB=W WB/W=1000×0.25×4%/500=0.02；X WC=W WC/W=1000×0.25×96%/500=0.48；X WD=1－0.48－0.02＝0.55. 解：设混合后总质量为M，油的质量分数为X，则根据体积衡算V总＝V油＋V水得：MX/ρ油+ M（1－X）/ρ水＝M/ρ平均，代入数据得：1000×950X+810×950×(1－X)=810×1000 所以，X=0.22446. 解：根据热量守恒：△H NH3=△H HCL得：M NH3(H NH395℃－H NH330℃)=M HCL(H HCL10℃-H HCL2℃) 代入数据得：M HCL＝9735kg/h。
李云飞版食品工程原理第四章课后习题答案
假设谷物颗粒在滞流区沉降
则
但
∴假设不成立
又假设颗粒在湍流区沉降
则
此时
∴假设成立，颗粒沉降速度为0.218m/s
(2)ut’=0.1mm/s，假设沉降发生在滞流区
则
校核：
∴假设成立，此谷物的淀粉粒直径为2.14×10-5m
【4-3】气体中含有大小不等的尘粒，最小的粒子直径为10μm。已知气体流量为3000m3/h（标准态），温度为500℃，密度为0.43 kg/m3，粘度为3.6×10-5Pa•s，尘粒的密度为2000 kg/m3。今有一降尘室，共有5层，求每层的沉降面积。
查P325图4-44得：η=68%
【4-5】一降尘室长5m，宽3m，高4m，内部用隔板分成20层，用来回收含尘气体中的球形固体颗粒，操作条件下含尘气体的流量为36000 m3/h，气体密度为0.9kg/ m3，粘度为0.03mPa.s。尘粒密度为4300 kg/ m3，试求理论上能100%除去的最小颗粒直径。
解：（方法一）该沉降式离心分离机的结构如图所示。
依题意RA=0.04m，RB=0.4m，n=5400r/min=90r/s，H=0.3m，
20℃时，水的密度ρ=998kg/m3，粘度μ=0.001Pa.s
酵母由RA沉降至RB所需的沉降时间为：
酵母的停留时间取与流体在设备内的停留时间相同，即
当直径dp满足τt≤τr的酵母才能产生向鼓壁沉降的效果，此时处理量qV可有下式计算：
（方法二）已知水温20℃时，ρ=1000kg/m3，
μ=0.001Pa.s
设酵母颗粒在沉降过程处于层流，则沉降速度为：
其中， ，当r=0.04m时
食品工程原理重点
食品工程原理复习第一章 流体力学基础1.单元操作与三传理论的概念及关系。
不同食品的生产过程应用各种物理加工过程，根据他们的操作原理，可以归结为数个应用广泛的基本操作过程，如流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、制冷、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、粉碎、乳化萃取、吸附、干燥 等。
这些基本的物理过程称为 单元操作 动量传递：流体流动时，其内部发生动量传递，故流体流动过程也称为动量传递过程。
凡是遵循流体流动基本规律的单元操作，均可用动量传递的理论去研究。
热量传递 : 物体被加热或冷却的过程也称为物体的传热过程。
凡是遵循传热基本规律的单元操作，均可用热量传递的理论去研究。
质量传递 : 两相间物质的传递过程即为质量传递。
凡是遵循传质基本规律的单元操作，均可用质量传递的理论去研究。
单元操作与三传的关系“三传理论”是单元操作的理论基础，单元操作是“三传理论”的具体应用。
同时，“三传理论”和单元操作也是食品工程技术的理论和实践基础2.粘度的概念及牛顿内摩擦(粘性)定律。
牛顿黏性定律的数学表达式是y u d d μτ±= ，服从此定律的流体称为牛顿流体。
μ比例系数，其值随流体的不同而异，流体的黏性愈大，其值愈大。
所以称为粘滞系数或动力粘度，简称为粘度3.理想流体的概念及意义。
理想流体的粘度为零，不存在内摩擦力。
理想流体的假设，为工程研究带来方便。
4.热力体系：指某一由周围边界所限定的空间内的所有物质。
边界可以是真实的，也可以是虚拟的。
边界所限定空间的外部称为外界。
5.稳定流动：各截面上流体的有关参数（如流速、物性、压强）仅随位置而变化，不随时间而变。
6．流体在两截面间的管道内流动时, 其流动方向是从总能量大的截面流向总能量小的截面。
7.1kg理想流体在管道内作稳定流动而又没有外功加入时，其柏努利方程式的物理意义是其总机械能守恒，不同形式的机械能可以相互转换。
8. 实际流体与理想流体的主要区别在于实际流体具有黏性，实际流体柏努利方程与理想流体柏努利方程的主要区别在于实际流体柏努利方程中有阻力损失项。
食品工程原理复习资料-重要公式总结
食工原理复习资料单元操作：不同食品的生产过程使用各种物理加工过程，根据物理加工过程的各种操纵原理，可以归结为数个广泛的基本过程，这些基本过程称为单元操作。
特点：若干个单元操作串联起来组成的一个工艺过程称为物理性操作。
同一食品生产过程中可能会包含多个相同的单元操作。
单元操作用于不同的生产过程其基本原理相同，进行该操作的设备也可通用。
三传理论：单元操作按其理论基础可分为三类：流体流动过程，传热过程，传质过程，以上三个过程包含三个理论，称为三传理论。
（动量传递，热量传递，质量传递）。
物料衡算：根据质量守恒定律，以生产过程中或生产单元为研究对象，对其进出口处进行定量计算，称为物料衡算。
第一章 流体流动与输送设备流体：具有流动性的物体。
如气体，液体。
特征：具有流动性；抗剪和抗张能力很小；无固定形状，随容器形状而变化；在外力作用下其内部发生相对运动。
密度：单位体积流体的质量，称为流体的密度。
),(T p f =ρ压力：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，又称为压力。
在静止流体中，作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。
压力的单位：（1） 按压力的定义，其单位为N/m 2，或Pa ；（2） 以流体柱高度表示，如用米水柱或毫米汞柱等。
标准大气压的换算关系:1atm = 1.013×105Pa =760mmHg =10.33m H 2O压力的表示方法:表压 = 绝对压力 － 大气压力；真空度 = 大气压力 － 绝对压力 静力学基本方程：压力形式 )(2112z z g p p -+=ρ 能量形式 g z p g z p 2211+=+ρρ适用条件：在重力场中静止、连续的同种不可压缩流体。
（1）在重力场中，静止流体内部任一点的静压力与该点所在的垂直位置及流体的密度有关，而与该点所在的水平位置及容器的形状无关。
（2）在静止的、连续的同种液体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。
液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。
本科食品工程原理试题库
本科《食品工程原理》试题库填空：1）在食品工程上，如：流体输送、气体压缩、真空技术、搅拌、均质等操作都属于（动量单元操作）过程。
2）在食品工程上，如：传热、蒸发、冷冻等操作都属于（热量传递过程）。
3）在食品工程上象干燥、蒸馏、吸收、浸出等操作都属于（质量）传递过程。
4）食品工程上的单元操作,其特征是（物理性操作）。
5）食品工业的原料大多是（农）、（林）、（牧）、（副）、（渔）业的（动植物）产品，这些原料的（结构）和（成分）非常复杂。
6）食品工业的原料是活的（生物体），其成分不仅随（土壤）、（气候）等条件而变化，而且在（成熟）、（输送）和（贮藏）过程中也在不断变化。
7）食品工业原料的某些成分，如（蛋白质）、（酶）之类是生物（活性）物资，在加工条件下会引起（变性）、（钝化）甚至（破坏）。
8）食品工业原料的某些成分，如（色素）、（脂肪）等，在有氧气存在的条件下，会发生（变色）或（哈败）。
9）（热敏性）和易氧化（变质）是食品工业动植物原料的共有特点。
10）食品加工的目的，就在于如何抑制（微生物）和（酶）的活动，以便于提高制品的保藏性。
11）（浓缩）食品、（干制）食品、（冷冻）和（速冻）食品已成为目前食品加工工业的重要产品。
12）在食品工程中应用的物理量，使用国际单位制，它的基本单位有（m）（kg）、（s）、（K）、（mol）（cd）、（A）13) 1at=(735.6)mmHg=(10)mH2O=(1)Kg•f/cm2=(98070)Pa.14) 1atm=(760)mmHg=（10.33)mH2O=(1.033)kg••f/cm2=(1.013*105)Pa.15) 流体的物理性质有：(密度)、( 粘度 )、( 比热 )、( 压强 )和(可压缩性和温度膨胀性 )。
16) 对于同一种气体，有( 定压 )比热大于( 定容 )比热。
17) 流体的流动状态类型可用雷诺数来表示，当(Re<2000)时，流体流动属于(层流)，当(Re>4000)时，流体流动属于(湍流)，当(2000<Re<4000)之间时，流体流动属于(过渡状态)。
食品工程原理复习题(填空题)
kPa；另一设 kPa。 （当地大气压为 100
5. 某系统的绝对压力为 0.04MPa,若当地大气压力为 0.1MPa,则该系统的真 空度为（ A.0.1MPa ） B.0.14MPa C.0.04MPa D.0.06MPa
6 如下图所示的输水系统,若将 B 阀关小,而保持 A 阀、C 阀的开度不变,则总 管流速 u_________,压力表读数____________。
流 体 在 直 管 中 流 动 时 ， 阻 碍 流 体 流 动 的 阻 力 有 两
26 离心泵样本中标明允许吸上真空度 Hs 值，是指压力为 为
℃时输送清水条件下的实测值。
27. 20℃水在在内径为 100mm 的管道中流过时，其质量流量为 5×104kg/h，则 其体积流量为 m3/h， 流速为 m/s。 （假设水的密度为 1000kg/m3）
10.理想流体在一条水平圆管中作稳定流动，则直径大的截面比直径小的截 面，位能_____ ，静压能_____ ，动能_____。 A.大 B.小 C.相等
11.原用以输送水的离心泵现改用来输送密度为水的1.2 倍的水溶液， 水溶液 的其它性质可视为与水的相同。若管路布局等都不改变，则泵的流量将_____ ， 扬程将_____ ，泵出口处的压强将_____。 A.增大 B.减小 C.不变
C. u1Q1 u 2 Q2 ;
D.
1
u1
2
u2
30 范宁公式的表达式为
，其(粘度)的物理意义是 。 ，动压
31 流体体积流量一定时，有效截面扩大，则流速
头 ，静压头 。(填增加、减少、不变) 32 离心泵在启动时应先将出口阀_______，目的是_____ ______________。 33 指 指 34 层流的特点 湍流的特点 35 。 ； 。 稳 定 流 动 是 ； 不稳定流动是
食品工程原理总复习
食品工程原理总复习食品工程原理总复习第0章引论1．什么是单元操作？2．食品工程原理是以哪三大传递为理论基础的？简述三大传递基本原理。
3．物料衡算所依据的基本定律是什么？解质量衡算问题采取的方法步骤。
4．能量衡算所依据的基本定律是什么？要会进行物料、能量衡算。
第一章流体流动1．流体的密度和压力定义。
气体密度的标准状态表示方法？2．气体混合物和液体混合物的平均密度如何确定？3．绝对压力Pab、表压Pg和真空度Pvm的定义。
4．液体静力学的基本方程，其适用条件是什么？5．什么是静压能，静压头？位压能和位压头？6．压力测量过程中使用的U型管压差计和微差压差计的原理。
7．食品工厂中如何利用流体静力学基本方程检测贮罐中液体存量和确定液封高度？8．流体的流量和流速的定义。
如何估算管道内径？9．什么是稳定流动和不稳定流动？流体流动的连续性方程及其含义。
10．柏努利方程及其含义。
位能、静压能和动能的表示方式。
11．实际流体的柏努利方程，以及有效功率和实际功率的定义。
12．计算管道中流体的流量以及输送设备的功率。
13．什么是牛顿粘性定律？动力黏度和运动黏度的定义。
14．什么是牛顿流体？非牛顿流体？举例说明在食品工业中的牛顿流体和非牛顿流体。
15．雷诺实验和雷诺数是表示流体的何种现象？16．流体在圆管内层流流动时的速度分布及平均速度表述，泊稷叶方程。
17．湍流的速度分布的近似表达式。
18．计算直管阻力的公式—范宁公式。
19．层流和湍流时的摩擦因数如何确定？20．管路系统中局部阻力的计算方法有哪两种？具体如何计算？21．管路计算问题（重点是简单管路，复杂管路）22．流体的流量测定的流量计有哪些？简述其原理。
第二章流体输送1．简述离心泵的工作原理。
什么是“气缚”现象？2．离心泵主要部件有哪些？有何特点？3．离心泵的主要性能参数有哪些？4．离心泵的特性曲线是指那三条关系曲线？5．影响离心泵特性曲线的因素有哪些？6．离心泵在安装时应考虑那些因素？什么是“气蚀”现象？7．如何确定离心泵的工作点？结合工作点试述流量调节方法。
食品工程原理
单元操作：包含在不同食品加工工艺中的同一类基本工序称为单元操作。
静压强：单位流体面积上所受的垂直压力，称为流体的静压强。
流量：单位时间内流过管道任一截面的流体量称为流量。
过滤：过滤是使流体通过过滤介质分离固体颗粒的一种单元操作。
沉降分离：在外力场作用下，利用非均相物系分散相和连续相的密度差，使两相发生相对运动而实现混合物分离的操作称为沉降分离。
传热：是指两个物体之间或同一物体的两个不同部位之间由于温度不同而引起的热量移动。
蒸馏：蒸馏是利用组分挥发度的不同将液体混合物分离成较纯组分的单元操作。
理论板：理论板是指离开塔板的蒸气和液体呈平衡的塔板。
恒摩尔：是指易挥发组分与难挥发组分的摩尔气化潜热相等，其他热效应则可忽略不计或相互抵消，这样液体汽化和气体冷凝所需的热量刚好相互补偿，使得流经每一块塔板的气液两相摩尔流率保持不变。
吸收：用适当的液体和混合气体接触，使混合气体中的一个或几个组分溶解于液体，从而实现混合气体组分的分离，这种利用各组分溶解度不同而分离气体混合物的操作称为吸收。
分子蒸馏：是一种在高真空状态下进行分离操作的非平衡蒸馏过程。
反应型催化精馏：是以反应为主、精馏为辅的过程。
冷冻浓缩：是利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理来实现分离的方法。
电渗析：电渗析是指在直流电场作用下，溶液中的荷电离子选择性的定向迁移，透过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术。
课程的研究方法：实验研究方法（经验法）、数学模型法（半经验半理论法）。
离心泵的优点：结构简单，操作容易，便于调节和自控；流量均匀，效率较高；流量和压头的实用范围较广；适用于输送腐蚀性或含有悬浮物的液体。
基本部件：旋转的叶轮和固定的泵壳。
过滤的程序：过滤阶段，采用恒速、恒压或先恒速后恒压方式；滤饼洗涤，除去或回收滤液；滤饼干燥，去除颗粒中的液体；卸除滤饼，可以间歇操作，也可连续操作。
提高流化质量的措施：分布板应有足够阻力；在流化床的不同高度上设置若干层水平挡板、挡钢或垂直管束等内部构件；采用小粒径、宽度分布的颗粒。
中国农业大学《食品工程原理》课件第4章
固定床阶段
流化床阶段 气（液）力输送阶段
（1）固定床阶段 流体以低流速向上流过颗粒床层时， 流体只是通过静止固体颗粒间的空隙 流动，这时的床层称为固定床。 （2）流化床阶段 流体的流速逐步增大，乃至流体通过 床层的压力降大致等于床层的净重力 时，固体颗粒刚好悬浮在向上流动的 流体中，床层开始流化，这时的床层 称为临界流化床，流化以后的床层就 称为流化床。
1.3 流体通过颗粒床层的流动 流体通过固定床的压降由下式给出： 球形颗粒：
P (1 ) (1 ) 2 150 3 2 u 1.75 3 u L dP dP
2
非球形颗粒用φSdP代替dP即可。 式中u为流体的空床流速，m/s。
当ReP＜20时，等式右方第二项可 略去，即此时粘滞力起主导作用； 当 ReP＞1000时，右方第一项可略 去，即此时惯性力起主导 作用。
下面介绍几个ut的计算式： ①球形颗粒，且RePt <0.4时
dP (P )g ut 18
2
当RePt>0.4，则应对ut校正，校正 系数ft可由图4-17查出。 ②球形颗粒，且0.4<RePt <500时
4( P ) 2 g 2 ut dP 225
3 d P ( P )g 2 33.7 0.0408 33.7 2
1 2
式中：dP为颗粒的平均粒径，m； ρ，μ为流体的物性。 注意，求umf最可靠的方法是实验的方 法，见下例题。
［例4-3］ 某气、固流化床反应器在 350℃、压强1.52×105 Pa条件下操作。 此时气体的粘度为μ=3.13×10-5 Pa.s， 密度=0.85kg/m3，催化剂颗粒直径为 0.45 mm，密度为1200 kg/m3。为确定 其临界流化速度，现用该催化剂颗粒 及30 ℃、常压下的空气进行流化实验， 测得临界流化速度为0.049 m/s，求操 作状态下的临界流化速度。
食品工程原理总结
食品工程原理第4章颗粒与流体之间的相对流动球形颗粒的表示方法：用直径d全面表示。
非球形颗粒的表示方法：1）体积等效直径2）表面积等效直径3）比表面积等效直径颗粒群的特性：任何颗粒群都具有某种粒度分布。
颗粒粒度的测量方法：筛分法、显微镜法、沉降法、电阻变化法、光散射与衍射法、比表面积法。
固体流态化的概念和状态：概念：流体通过固定床层向上流动时的流速增加而且超过某一限度时，床层浮起的现象称为固体流态化。
状态：流体经过固体颗粒床层的三种状态：当流体自下而上通过固体颗粒床层时，根据颗粒特性和流体速度的不同，存在三种状态: 固定床阶段、流化床阶段、气力输送阶段过滤常数包括：1)滤饼常数2）过滤常数：与滤浆物性和过滤操作压差有关。
只有在恒压过滤是才能成为常数。
第5章液体搅拌调匀度：指一种或几种组分的浓度或其他物理量和温度等在搅拌体系内的均匀性。
混合的均匀度的表示：分隔尺度：混合物各个局部小区域体积的平均值。
可以反映混合物的混合程度。
分隔尺度愈大，表示物料分散情况愈差。
分隔强度：混合物各个局部小区域的浓度与整个混合物的平均浓度的偏差的平均值。
可以反映混合物的混合程度。
分隔强度愈大，表示物料混合愈不充分。
混合的原理：1）对流混合；2）扩散混合；3）剪力混合混合速率：指混合过程中物料的实际状态与其中组分达到完全随机分配状态之间差异消失的速率。
乳化：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，包含混合和均质化。
它是一种液体以微小球滴或固型微粒子（称分散相）均匀分散在另一种液体（称连续相）之中的现象。
乳化机理：由于乳化剂具有表面活性，它向分散相-连续相的界面吸附，使界面能降低，防止两相恢复原状。
此外，因乳化剂分子膜将液滴包住，可防止碰撞的液滴彼此又合并。
同时由于形成表面双电层，使液滴在相互接近时，因电的相斥作用防止凝聚。
乳化剂的这种作用使原热力学不稳定体系的乳液可以保持为稳定体系。
第6章粉碎和筛分粒度：颗粒的大小称为粒度。
04169食品工程原理大纲
第一章流体流动和输送（*计算题）（一）课程内容化工、生物、食品、环境等许多生产领域中的处理对象多为流体，掌握流体流动的规律是解决流体输送以及研究传热、传质过程及设备的重要基础。
本章重点讨论流体流动的基本原理，并运用基本原理分析和解决流体输送过程的计算问题。
（二）学习要求要求通过对本章的学习能理解和掌握流体和流体流动的一些基本概念和基本原理，掌握运用基本原理分析和解决流体输送过程的基本计算问题。
（三）考核知识点和考核要求第一节流体的物理性质[1]了解：流体的压缩性。
[2]理解：连续性假定；流体的密度；流体的黏度。
[3]掌握：牛顿黏性定律。
第二节流体静力学[1]了解：体积力；表面力[2]理解：流体压强的度量。
[3]掌握：压强的静力学测量。
[4]熟练掌握：流体静力学基本方程。
第三节流体流动的基本概念[1]了解：边界层和边界层的分离。
[2]理解：稳态与非稳态流动；流量与流速；流动的形态与雷诺数。
[3]掌握：层流与湍流的特性。
第四节流体流动的质量衡算和能量衡算[1]掌握：质量衡算；能量衡算。
[2]熟练掌握：连续性方程；柏努利方程的应用。
（①大计算题）第五节流体流动的阻力[1]了解：直管阻力损失的实验研究；因次分析法。
[2]理解：直管阻力；局部阻力；当量直径[3]掌握：层流时的速度分布；湍流的速度分布；局部阻力损失的计算。
[4]熟练掌握：直管阻力损失的计算；（大计算题）第六节流体输送管路的计算[1]了解：分支管路计算。
[2]理解：管路特性曲线。
[3]掌握：管径的确定；并联管路计算。
[4]熟练掌握：简单管路计算；管路特性方程。
第七节流速和流量的测定[1]了解：文丘里流量计[2]理解：皮托管、孔板流量计和转子流量计的原理。
[3]掌握：毕托管、孔板流量计和转子流量计的计算方法。
第八节非牛顿流体的流动[1]了解：非牛顿流体及其流动特点第九节液体输送机械[1]了解：离心泵的类型；往复泵、隔膜泵、齿轮泵、螺杆泵、漩涡泵的工作原理和特点。
食品工程原理课件之过滤
5. 过滤介质的阻力 近似：阻力相当厚度为Le的一层滤饼 rLe
6. 总推动力与总阻力
dV
Ad
p1Βιβλιοθήκη rLp2rLep
rL rLe
p
R Re
返回
7. 过滤速度的两种具体表达形式
认为:
AL=cV
系数：c=AL/V —获取单位体积滤液所得滤饼体积
R rL rcV / A
Re rLe rcVe / A
rc r'c'
返回
另一写法
q2 2qqe K
其中 说明
q V / A qe Ve / A
①过滤方程式——V~的关系，抛物线
②关于过滤常数K和qe——滤饼的(不)可压缩性，
p ~ , K0 r K, qe ~ p
③ K, qe~p的关系
平均r(r’)~p: r r0 ps r' r'0 ps
④ 遇到刮刀 —卸渣
⑤两凹槽之间的空白处：没有通道 ——停工—两区不 致串通
主要优缺点：
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3.2.3 过滤基本理论
一、 颗粒床层的物理模型与基本参数 颗粒床层一组平行细管—流体通道 ①细管内表面=床层颗粒的全部表面 ②细管的总体积=床层空隙体积
基本参数
①空隙率：床层的空隙体积/床层的总体积
②比表面积S0：颗粒表面积/颗粒体积 ③孔道(细管)平均长度l：床层厚度，即l=K0L
——支撑滤饼或截留颗粒，通过滤液 返回
—要求流动阻力小，机械强度高
①织物介质—滤布(织物、网)，5~65m，工业应用广泛 ②堆积介质—固体颗粒或纤维等堆积，—深层过滤 ③多孔固体介质：具有微细孔道的固体，1~3m ④多孔膜：有机膜、无机膜，1m以下
食品工程原理思考题与习题参考答案
思考题与习题参考答案绪论一、填空1、经济核算2、物料衡算、经济核算、能量核算、物系的平衡关系、传递速率3、液体输送、离心沉降、混合、热交换、蒸发、喷雾干燥二、简答1、在食品工程原理中，将这些用于食品生产工艺过程所共有的基本物理操作过程成为单元操作。
例如，奶粉的加工从原料乳的验收开始，需要经过预热杀菌、调配、真空浓缩、过滤、喷雾干燥等过程；再如，酱油的加工，也包含大豆的浸泡、加热、杀菌、过滤等工序，这两种产品的原料、产品形式、加工工艺都有较大的不同，但却包含了流体的输送、物质的分离、加热等相同的物理操作过程。
2、“三传理论”即动量传递、热量传递和质量传递。
（1）动量传递理论。
随着对单元操作的不断深入研究，人们认识到流体流动是一种动量传递现象，也就是流体在流动过程中，其内部发生动量传递。
所以凡是遵循流体流动基本规律的单元操作都可以用动量传递理论去研究。
（2）热量传递理论。
物体在加热或者冷却的过程中都伴随着热量的传递。
凡是遵循传热基本规律的单元操作都可以用热量传递的理论去研究。
（3）质量传递理论。
两相间物质的传递过程即为质量传递。
凡是遵循传质基本规律的单元操作都可以用质量传递的理论去研究。
例如，啤酒的灭菌（热量传递），麦芽的制备（动量传递，热量传递，质量传递）等。
三传理论是单元操作的理论基础，单元操作是三传理论具体应用。
3、单元操作中常用的基本概念有物料衡算、能量衡算、物系的平衡关系、传递速率和经济核算。
物料衡算遵循质量守恒定律，是指对于一个生产加工过程，输入的物料总量必定等于输出的物料总质量与积累物料质量之和。
能量衡算的依据是能量守恒定律，进入过程的热量等于离开的热量和热量损失之和。
平衡状态是自然界中广泛存在的现象。
平衡关系可用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能达到的限度。
过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递速率增大时，设备尺寸可以减小。
为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。
食品科学概论 第四章 食品工程原理_OK
2021/7/3
第一节 食品的热加工原理 第二节 食品的干燥原理 第三节 食品的浓缩原理 第四节 食品的分离原理 第五节 食品的粉碎与筛分原理 第六节 食品的搅拌混合、均质和乳化原理 第七节 食品的冷冻原理 第八节 食品的膜分离原理
1
第一节 食品的热加工原理
一、传热的基本概念和原理
•接触干燥：被干燥物料与加热面处于密切接触状态，蒸发 水分的能量来自传导方式进行的干燥
•冷冻干燥：是一种特殊形式的真空干燥方法。物料水分则 是在固态下即从冰晶体直接升华成水蒸气，因此冷冻干燥 又称为升华干燥。
•辐射干燥：热量通过电磁波的形式由辐射加热器传递给食 品材料表面，再通过材料自身的热量传递，使内部的水分 汽化，达到干燥的目的。
辐射传热:物体以发射电磁波形式传递能量的过程称为 辐射，被传递的能量称为辐射能。物体可由不同的原因产 生电磁波，其中因热的原因引起的电磁波辐射，即为热辐 射。
3
二、高温对微生物菌群的影响
当食品中微生物菌群与高温接触时，各个微生物细 胞的变化和微生物活力的降低使得微生物数量随着时间 的增加而减少，这可通过标准微生物学方法进行定量测 定。在所给定的高温下，随着时间的增加，微生物数量 以对数减少。在微生物与高温初始接触的短时间内，营 养细胞数量之间的差异与细菌芽孢数量相比是明显的。 营养细胞受热后数量急速下降，而细菌芽孢数量的减少 会有一定时间的滞后期。然而减少的模型是相同的。
➢ 维生素的变化: 高温对食品物料中的维生素均有不同 程度的破坏。
➢ 食品色泽的改变: 由于高温作用，在物料干燥过程中， 食品原有的色泽发生变化。碳水化合物参与的酶促褐变与 非酶促褐变反应是干制食品变成黄色、褐色或黑色的主要 原因。温度越高，处理时间越长，色素变化量越多。
(食品工程原理)04_颗粒与流体之间的相对流动
3、 ξ －ReP间的关系
经实验测定如图所示，图中φs≠1的曲线为非球形颗粒的情况
3、 ξ －ReP间的关系
图4-6 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：
层流区（斯托克斯Stokes区，10-4<Rep<1） 24 / Re p
过渡区（艾仑Allen区，1<Rep<103）
ut 1.74
dP(P )g
此式称为牛顿公式
ReP
dPu
三、沉降速度的求法
(1)求沉降速度通常采用试差法。
① 假设流体流动类型；
② 计算沉降速度；
③ 计算 Ret
dPut
，验证与假设是否相符；
④ 如果不相符，则转①。如果相符，OK !
对于以μm计的小颗粒，常在滞流区沉降。
流道容积 流道表面积
de
4 流道容积 流道表面积
4 床层总体积 床层内颗粒体积
a
（床层总体4积
床层总体积 - 床层空隙容积）
a
（1
-
4 床层空隙容积
床层总体积
4 ） a (1 )a
d
p
二、 流体绕球形颗粒的流动 FD 1、流体对颗粒的作用力（阻力）
VP g
d P 3
6
g
u
浮力 Fb
(3)阻力FD-↑
FD
AP
u 2
2
(dP2 )
4
u 2
2
重力 Fg
二、 固体颗粒沉降速度
由牛顿第二定律， Fg Fb FD ma
d P 3
6
食品工程原理课件沉降与过滤
2、自由沉降阶段
加速阶段（短时）
匀速阶段（长时）
3、颗粒沉降速度：也称为终端速度，是匀速 阶段颗粒相对于流体的运动速度。 沉降速度计算式:
u0
4 gd p ( p ) 3
阻力因数ξ与Rep（颗粒与流体相对运动时的 雷诺数）有关：
d 2 (s )g 层流区：ut 18
二、非均相混合物（物系）分类 按连续相、分散相状态状态不同，分 为：悬浮液、乳浊（状）液、泡沫液、气 溶胶、溶胶。 三、分离非均相混合物的目的 1、制取中间产品 2、提高制品的纯度 3、回收有用物质 4、环境保护与安全生产 5、食品的保藏手段
第一节：重力沉降
一、沉降概述 1、定义 利用固体颗粒或液滴与流体间的密 度差，在外力作用下，两相物质发生相对 运动，而实现分离的单元操作。 2、外力：重力、离心力。 3、沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。
滤框与滤板
非洗涤板
滤框
洗涤板
滤浆
洗水
滤布
板框过滤机
2、过滤过程
间歇式，每个操作循环由装合、过滤、 洗涤、脱湿卸渣、整理五个阶段。 （1）装合 将板与框按 1-2-3-2-1-2-3的顺序， 滤板的两侧表面放上滤布，然后用手动的 或机动的压紧装置固定，使板与框紧密接 触。
（2）过滤 用泵把滤浆送进右上角的滤浆通道，由 通道流进每个滤框里。滤液穿过滤布沿滤板 的凹槽流至每个滤板下角的阀门排出（明流 式）。固体颗粒积存在滤框内形成滤饼，直 到框内充满滤饼为止。
表1 数据表
过滤时间t/s 600 1200 1800 2400 3000
滤液量V/m3
0.023
0.037
食品工程原理过滤实验报告
食品工程原理实验报告过滤实验1 实验目的（1） 了解板框过滤机的构造、流程和操作方法；（2） 测定某一压力下过滤方程的过滤常数K 、q e 、τe 值，增进对过滤理论的理解； （3） 测定洗涤速率与最终过滤速率间的关系。
2 基本原理恒压过滤是在恒定压力下，使悬浮液中的液体通过介质产生滤液，而固体粒子被过滤介质截留，形成一定厚度的滤饼，从而达到液－固分离的目的操作。
当过滤介质阻力及滤饼阻力都不能忽略时，恒压过滤方程如下：()()e E KA V V ττ+=+22 （5－1）sV ssm K m A m V m V e e e 的过滤时间，相当于得到滤液：过滤时间，：过滤常数，：过滤面积，即虚拟滤液体积，滤渣时得到的滤液量，：形成滤布阻力的一层时间内获得的滤液量，：在:/2233τττ或者()()e e K q q ττ+=+2 （5－2）且已知 q=V/A(m 3/m 2)； qe=V e /A(m 3/m 2) 2.1 过滤常数K 、q e 、τe 的测定方法将式（5－2）微分得直线e q Kq K dq d 22+=τ （5—3） 由于dq d τ难以测得，实际可用q ∆∆/τ代替。
即=∆∆q τe q Kq K 22+，以q ∆∆τ为纵坐标，以q 为横坐标作图，得到一条直线。
直线的斜率为K 2，截距为e q K2，进而可求出K 、e q 的值；再以0,0==τq 代入式（5－2），即可求得e τ。
2.2 洗涤速率与最终过滤速率关系的测定在一定压强下，洗涤速率是恒定不变的，因此它的测定比较容易。
它可以在水流量流出正常后开始计量，计量多少也可根据需要决定。
洗涤速率()w dVd τ为单位时间所得的洗液量。
显然：()W w WV dVd ττ= 式中：W V ——洗液量，3m ；W τ——洗涤时间，s 。
W V ，W τ 均可由试验测得，即可算出()w dV d τ最终过滤速率的测定则比较困难，因为它是一个变数，为了测得比较准确，我们建议过滤操作要进行到滤框全部被滤渣充满才停止（可以从滤液量显著减少来估计，此时滤液出口出的液流由满管变成残状而下）。
课后习题答案 食品工程原理
d pu ρ
μ
∴ξ的影响因素有颗粒的形状、大小、流体的性质和速度。
【4-2】答： 斯托克斯定律区的沉降速度与各物理量的关系为
ut =
2 dp (ρ p − ρ )g
18μ
其应用的前提是球形颗粒在重力场中处于滞流区 (Re p 或 Re t < 1) 。 颗粒的加速段在小颗粒沉降的条件下可以忽略，而近似认为颗粒始终以 u t 下降。因为小颗 粒沉降的加速阶段很短，加速所经历的距离也很小，故可忽略不计。 【 4-3 】 解 ： 依 题 意 查 附 录 可 得 20 ℃ 空 气 的 密 度 、 粘 度 分 别 为
其中 L为颗粒的特征尺寸，对于光滑球体，L 即为颗粒的直径dp。 仿照管内流动的方法处理，可得出 2 ρu FD=ξAp 2 应用因次分析可以得出关系式：
ξ = f (Re p )
这说明球形颗粒的曳力系数ξ与颗粒运动雷诺数Rep之间的关系随颗粒形状及流体流动 的相对方位而异，一般需由实验测定。 由此可定义阻力系数（曳力系数）ξ为颗粒运动雷诺数Rep的函数。 ∵ Rep=
dV kA2 Δp1−s = dτ (V + Ve )
即
dq k Δp1 − s = dτ (q + qe ) dq k Δp K = = dτ q 2q
（A）
上式写成 当滤布阻力可忽略， 滤饼不可压缩时， s=0， qe=0， （1） 恒速时， u=
dq = 常数 = u R ， 则 q=uτ dτ u2 τ k
A Δp 1− s AΔp A Δp dV 可知： = = = dτ μr ' ( L + Le ) μr ( L + Le ) μ ( R + Rm )
dV 受以下因素影响：过滤的总压力降△p、滤饼的阻力R与过滤介质的阻力 dτ Rm、分散介质的粘度μ、过滤面积A。
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18μ = -1.96×10-4 m/s (上浮) qv 4.48 104 2 A0 2.29 m u0 1.96 104
u0
d ρ p ρg
2
2 5 105 900 993 9.81
1 s
t = 1h, V1 = 2.5m3, p1 = 105Pa, s = 0.6 得 2kA2 = 0.0625
V2 2kA p
2
2
3.52 2kA2 p2
1 s 2
t
0.4 1 0.0625p2
10.6
p2 = 5.38×105 Pa
(538kPa)
4-6 过滤设备
u1
CR－增浓液的清液含量, kgL/kgs
（1）清液流量 qm (C0 C R ) qv ρ
(m /s)
3
（2） 清液向上流速
qv qm (C0 C R ) u1 A0 ρA0 (m/s)
（3） 沉降面积A0 由连续沉降条件：u1 u0 qm (C0 C R ) u0 ρA0
颗粒受向下重力Fg，向上浮力Fb,向上阻力Fd 三 力平衡： Fg Fb Fd 2 Fb Fd π 3 π 3 π 2 u0 d ρ p g d ρg ζ d ρ 6 6 4 2 1 1 2 d(ρ p ρ)g ζρu 0 6 8
u0
4d(ρ p ρ)g 3ζρ
Fg
设：Le－过滤介质的当量厚度 Δpm dV Adt r' μLe
3.过滤基本方程
Δpc Δpm dV Adt r' μ(L Le )
令：
p pc pm
dV Δp Adt r' μ(L Le )
为了减少变量，寻找V~L关系
设： x—获得单位体积滤液所形成干滤饼的质量 LA xV 写成等式： L=K〞xV/A
4-3 气溶胶的重力沉降
4.3A 立式沉降室 4.3B 卧式沉降室
由地球引力作用而产生的分散质颗粒沉降过程， 称为重力沉降（gravity settling）
4-1 颗粒在流体中的运动 4.1A 颗粒与流体相对运动时所受的力
流体绕过球形体的运动
理想流体绕流
实际流体绕流
实际流体有黏度,对颗粒会产生曳力（drag force）
4.6A 板框压滤机
（plate-and -frame filter press）
1.构造与工作原理
属间歇式加压过滤设备 由许多交替排列的滤板和滤框组成
2—滤框 3—滤板
7—滤布 8—滤浆入口
9—滤液出口
滤板分两种 过滤板：与洗液通道不通 洗涤板：与洗液通道相通 过滤时二者作用相同
洗涤时二者作用不同：洗液由洗涤板入 由过滤板出
u0 1.74
d(ρ p ρ)g ρ
2.沉降速度的求算
u0←ζ ←Rep ←u0 ? (1) 试差法 先假定u01→ Rep→ ζ→ u02
(2) 复验法
先假定流型区域→ u0 再代入Rep式求Rep复验 (3) 直接法 ρ(ρp ρ)g 1 3 K d[ ] μ2
K
层流区
2.62
2
uc
4d(ρ p ρ)gμs 3ζρ
应使
uL< uc
2.沉降器尺寸
L h0 uL u0
3.生产能力 qv bh0 uL
L qv bh0 u0 u0bL u0 A0 h0
L uL u0 h0
4.2C 连续式沉降器
分离条件为：
u0 u1
设：qm－料液中固 体的质量流量, kgs/s C0－料液中清液含量, kgL/kgs
第 四 章
沉 降 与 过 滤
Settling and Filtration
第一节 重力沉降 第二节 过 滤 第三节 离心分离
第一节
重力沉降
4-1 颗粒在流体中的运动
4.1A 颗粒与流体相对运动时所受的力 4.1B 沉降速度
4-2 悬浮液的重力沉降
4.2A 间歇式沉降器 4.2B 半连续式沉降器 4.2C 连续式沉降器
（Stockes区） （Rep<1） 24 ζ Re p
（2）过渡区
（Allen区） （1< Rep<500） 18.5 ζ Re 0.6 p
Rep
（3）湍流区（500< Rep<1.5×105）， Newton区
ζ 0.44
4.1B 沉降速度 1.球形颗粒的自由沉降（ free settling）
横向 滤液通过半厚度滤饼和1层滤布
洗液通过全厚度滤饼和2层滤布
2.计算
（1）过滤面积 A
A=2LBZ Z—滤框数 （m2）
（2）滤框内容积 Vz
Vz LBδZ (m3 )
（3）过滤时间
恒压过滤按 V 2 2VeV 2kA2 p1s t 恒速过滤按 V 2 VeV kA2 p1s t
这是球形颗粒自由沉降速度的一般公式
(1) 层流区的Stokes定律： 1 1 2 d(ρ p ρ)g ζρu 0 6 8 24 du0 ρ ζ Re p Re p μ d 2 (ρ p ρ)g u0 18μ
(2) 过渡区的Allen定律： 5 d 1.6 (ρ p ρ)g 7 u0 0.154[ 0.4 0.6 ] d μ (3)湍流区的Newton 定律：
层流时曳力
duρ Re p μ
π 2 A d 4
π 2 μ u2 Fd 24 d ( )ρ 4 duρ 2
Fd 3πμdu
(N)
令
称修正雷诺数 为球形颗粒投影面积，m2 称为阻力因数
2
24 ζ Re p
u Fd ζAρ 2
非层流时，ζ～Rep 关系可实验求得
（1）层流区
本 次 习 题
p.147～148
2
3
4.5B 恒压过滤和恒速过滤
以过滤表压力 p 代替压力差Δp
dV A2 p dt rμx(V Ve )
代入 r r1 p s
dV A 2 p 1s dt r1μx(V Ve )
令：
1 k r1 μx
dV kA2 p1 s dt V Ve
3.过滤的推动力和阻力
过滤推动力是上下游的压力差Δp
过滤按其推动力的来源分四类：
（1）重力过滤 一般 Δp<50kPa （2）加压过滤 Δp可达 500kPa （3）真空过滤 一般 Δp<85kPa （4）离心过滤 Δp可↑103～104倍
4.过滤的程序
（1）过滤阶段 （3）滤饼脱湿
（2）滤饼洗涤
1．恒压过滤
V
0
(V Ve )dV kA p
2
1 s
忽略过滤介质阻力，Ve= 0
V 2VeV 2kA p t
2 2
1 s
dt
0
t
V 2kA p t 2. 恒速过滤
2 2
1 s
V 2 VeV kA2 p1s t
V kA2 p1 s t V Ve
dV kA2 p1 s dt V Ve
qm (C0 C R ) A0 ρu0 （4）生产能力
qm (C0 C R ) qv A0 u0 ρ
(m2 )
(m3 /s)
4-3 气溶胶的重力Байду номын сангаас降
4.3A 立式沉降室
u1<< u0 qv 4qv u1 βu0 2 A0 πD 圆筒部分直径：
(β 1 )
D
4qv qv 1.13 βπu0 βu0
4.3B 卧式沉降室 必要条件： tL t0
例（习题4，p.147）O/W混合物，滴径0.05mm,油水
质量比1：4。温度38℃，料液流量2t/h,油的相对密度 为0.9，求沉降槽的沉降面积。（符Stokes定律） 解 dp = 5×10-5m μw = 0.691×10-3Pa· s 查38℃水： ρw = 993 kg/m3 则油滴 ρo = 1000×0.9 = 900kg/m3
圆筒部分高度：H1=(1.0~2.0)D
L h0 h0 u0 u L uL u0 L qv qv u0 uL bL bh0 临界粒径 dc ：恰能100％沉降分离的颗粒粒径 qv u0 c bL 18μ qv d c2 (ρ p ρ)g dc u0 c (ρp ρ)g bL 18 μ 降尘室用水平隔板分为N层， dc 降至原 1/N
（4）洗涤时间
4V2 Ve tw Vw 2 1 s kA p
4.6B 转鼓真空过滤机 1.构造与工作原理
是工业上应用较广的连续操作过滤机 整个操作周期分为6步，同时在转鼓I~VI的 不同区域进行。 I 过滤区
II 滤液吸干区
III 洗涤区 IV 洗后吸干区 V 吹松卸料区 VI 滤布再生区 分配头
4.5A 过滤基本方程
过滤推动力 过滤速率 过滤阻力
1. 过滤速度与滤饼阻力
Poiseuille方程
d1 Δpc u 32μl
2
2
(m/s)
过滤速度： dV K' d1 Δpc Adt 32μL 2 令： 1 K' d1 r' 32 dV ΔPc 则有： Adt r' μL
2.过滤速度与介质阻力
dV Δp Adt K r μx(V Ve )/A
令：r = K〞r′,则可得 过滤基本方程：
dV A Δp dt rμx(V Ve )
2