化工原理-第三章沉降与过滤

食品工程原理

第三章非均相物系分离第一节:概述

第二节:重力沉降

第三节:离心沉降

第四节:过滤

重点

过滤和沉降的基本理论及方程

难点

过滤基本方程的应用、过滤设备的操作原理

第一节概述

一、自然界中混合物的分类

二、非均相物系分离的目的

三、非均相物系分离的原则

四、非均相物系分离的理论基础

五、物系分离的方法

混合物

均相混合物非均相混合物物系内部各处物料性质均匀而且不存在

相界面的混合物。

例如：互溶溶液及混合气体

物系内部有隔开两相的界面存在且界面

两侧的物料性质截然不同的混合物。

固体颗粒和气体构成的含尘气体

固体颗粒和液体构成的悬浮液

不互溶液体构成的乳浊液

液体颗粒和气体构成的含雾气体非均相混合物一、自然界中混合物的分类

一、自然界中混合物的分类

非均相物系分散物质处于分散状态的物质

如：分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡

分散相介质包围着分散相物质且处于连续状态的流体

如：气态非均相物系中的气体

液态非均相物系中的连续液体

分散相连续相

二、非均相物系分离的目的

二、非均相物系分离的目的

回收分散物质

味精的精制，乳清蛋白的分离

净制分散介质

空气的净化，含固体颗粒净化，啤酒的净化等 劳动保护与环境卫生

离心分离粉尘

三、非均相物系分离的原则

三、非均相物系分离的原则

根据两相物理性质(如密度等)的

不同进行分离

四、非均相物系分离的理论基础

四、非均相物系分离的理论基础

分散相和连续相间发生相对运动而实现分离

非均相物系的分离操作遵循流体

力学的基本规律

五、物系分离的方法

五、物系分离的方法分离机械分离沉降过滤

不同的物理性质连续相与分散相

发生相对运动的方式分散相和连续相

通常先将其变成一个两相物系，再用机械方法分离，如蒸馏，萃取等

非均相物系的分离方法

均相物系的分离

第二节重力沉降

一、颗粒运动时的阻力

二、沉降速度

三、降尘室

沉降：在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。

作用力

重力

惯性离心力重力沉降离心沉降

一、颗粒运动时的阻力

一、颗粒运动时的阻力流体绕过颗粒的流动

u

F d

z F d 与颗粒的运动方向相反

z 颗粒与流体间有相对运动z 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相等流体相对于静止的固体颗粒流动时，或固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的黏性，两者间会产生作用力，这种作用力常称为曳力(drag force)或阻力

ρ：流体密度；μ：流体粘度；d p ：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；

ζ：阻力系数，是Re 的函数，由实验确定

2

2

u

A

F

d

ρζ=)

(

)(μ

ρ

φφζu d R p e ==颗粒所受的阻力F d 可用下式计算

图中曲线大致可分为三个区域，各区域的计算式分别为

t

Re /24=ζRe

10=

ξ44

.0=ζ 层流区(斯托克斯Stokes 区，10-4

斯托克斯区的是准确计算式，另两个区是近似计算式

过渡区(艾仑Allen 区，2

湍流区(牛顿Newton 区，500

1. 球形颗粒的自由沉降

自由沉降(free settling)：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、互不碰撞条件下的沉降

二、沉降速度二、沉降速度

τ

d du

m

F F F d b g =−−2

43)(

u d g d du p

p p p ρζρρρρτ−−=根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式

u

重力F g

阻力F d 浮力F b

2

4

2

2

u d F p d ρπζ

=g d F p p g ρπ

3

6

=g

d F p b ρπ

3

6

=

ρp 为颗粒密度

¾

随着颗粒向下沉降，u 逐渐增大，du/d τ逐渐减少

ζρ

ρρ3)

(4−=

p p t gd u 上式表明

颗粒的沉降过程包括

¾加速阶段沉降速度(terminal velocity)或终端速度：匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度

当du/d τ=0时令u= u t ，可得沉降速度计算式

¾当u 增到一定数值u t 时du/d τ=0，颗粒作匀速沉降运动

¾匀速阶段

对于球形颗粒，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层流区(Re<2)μ

ρρ18)

(2

−=

p p

gd

t u p

p t d

g u 3

122225)(4⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡−=μρρρρ

ρρp

p d g t u )(3−=

湍流区(500

¾液体μ约为气体的50倍，故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多