沉降、过滤、离心分离.ppt

2020/7/21,1,第二章 沉降、过滤、离心分离,概述 溶液 均 相 混合气体 混合物 (两种） 气-固 非均相 液-固 气-液,2020/7/21,2,液体 a.悬浮液 b.乳状液 c.泡沫液 （+固）（+液） （+气） 连续相 气体 气溶胶 （处于连续状态的一相） 混合物 （两相） 分散相 （处于分散状态的一相）,2020/7/21,3,非均相物的分离 1 沉降 分散相在连续相中运动。 2 过滤 连续相相对于分散相运动。 3 离心分离 依靠分离设备的旋转，使物系处于离心场下从而使悬浮液分离的操作。,2020/7/21,4,沉 降,定义：利用分散相与连续相之间的密度差，使分散相相对于连续相运动而实现分离的操作。 如果沉降在重力场中进行，就称为重力沉降。例如，将一桶含有泥砂的河水静置一段时间，水中的泥砂沉到桶底，就得到了比较清洁的水。这个过程就是重力沉降过程，作用原理就是泥砂的密度大于水。,2020/7/21,5,重力沉降的过程推动力-密度差 在食品工业中的应用： 液体澄清、悬浮液增稠、粒子分级、废气净化等。,2020/7/21,6,1流体对固体颗粒的绕流,a.理想流体绕流： 在A点和B点，动能为0，静压能最大; 在C点和D点，动能最大，静压能最小。,2020/7/21,7,b.实际流体绕流 由于实际流体存在粘性，所以产生粘性阻力，阻力损失大小与流速有关。 流速较慢时，边界层形成，产生粘性阻力； 流速较快时，边界层分离，在球体背后形成漩涡，造成形体阻力损失。,2020/7/21,8,流体作用于颗粒的曳力 其中，A是颗粒在流体流动方向上的投影面积，为流体密度，为阻力系数，其值是修正雷诺数 Rep 的函数。 其中，d p 为颗粒直径，、是流体的物性。,2020/7/21,9,已知Rep求的两种方法,1)计算法 层流区（Rep1) 过渡区（1 Rep 500 ) 湍流区（500Rep 2x105) 2)查图法（图2-2 P.102),2020/7/21,10,2 球形颗粒的自由沉降,在重力场中降落的球形粒子受以下三个力的作用： 重力： 浮力： 阻力： 当三个力达到平衡的时候，颗粒速度为沉降速度ut，整理得：,2020/7/21,11,由以上公式得知：要想求取沉降速度u t ，问题集中在阻力系数的求取上。无论是采用计算法还是查图法求 ，都必须首先知道修正雷诺数Rep, 而修正雷诺数Rep的求取又必须先知道沉降速度u t ，在这种情况下可采用试差法。,2020/7/21,12,求取沉降速度的试差法：假定沉降在某一区域内进行，由相应的公式求出沉降速度。最后由计算所得的沉降速度计算修正雷诺数Rep ，校核沉降是不是在假定区域内进行。,2020/7/21,13,1）Stokes定律 （适用于层流区） 2）Allen定律 （适用于过渡区） 3）Newton定律 （适用于湍流区）,2020/7/21,14,摩擦因数群法,A)把公式 整理成 等式右端与 u t 无关，可以直接求出。然后由图2-3（ P.104）查出Ret，再根据雷诺数的定义式反求沉降速度u t。 此公式用于已知d p,求Re p , 然后求u t 。,2020/7/21,15,B)或者整理成 同样由图2-3查出Ret，再根据雷诺数的定义式反求颗粒直径d p 。 此公式用于已知u t ,求Re p , 然后求d p 。,2020/7/21,16,3实际沉降过程,实际沉降过程中如果颗粒不是球形，如果再考虑到容器壁的影响、颗粒之间互相干扰的影响以及液滴或气泡沉降的情况，就要分别加以修正。 修正式为公式（2 - 12 2 16） 其中，球形度s的概念为：与颗粒等体积的球形粒子的表面积与颗粒的实际表面积之比。球形粒子的球形度为1。,2020/7/21,17,4 沉降分离设备及其计算,沉降器： 1间歇式 将悬浮液加入沉降器，一定时间后固体粒子就会沉于器底，分别将清液和沉淀引出，就完成了一次操作。 计算式 其中，q v 为清液体积（即间歇式沉降器的生 产能力）, A 0为沉降面积，u t为沉降速度。 缺点：生产能力小，劳动强度高，占地面积大。 优点：成本低廉。,2020/7/21,18,2020/7/21,19,2半连续式 进料连续，沉降连续，清液引出连续，沉淀层间歇排除。 （图2-5P.106） 生产能力（清液流量） 推导理论：液体在沉降槽内的停留时间应大于或等于沉降时间，使颗粒有足够的时间能够沉降下来。,2020/7/21,20,3连续式 进出料均为连续（图2-6 P.107) 生产能力（清液流量） 推导理论：液体向上的流动速度小于或等于颗粒的沉降速度，保证向上流动的清液不带走颗粒。 优点：处理量大，劳动强度低。 缺点: 一次性投资较高。,2020/7/21,21,三种沉降器的共同特点,沉降器的生产能力（清液体积或清液流量）与沉降器的高度无关，仅仅取决于颗粒的沉降速度以及沉降器的沉降面积。 根据这个特点，为了更有效地利用空间，可以将沉降器做成多层式的。 作业: 2-1，2，5,2020/7/21,22,过 滤,定义：以多孔物质为介质，在外力作用下使连续相通过介质的孔道，而分散相颗粒被截留，从而实现分离的操作。 在食品工程中的应用： 果汁、牛奶、酒类的过滤，用来除去其中的少量粒子；油脂精炼中的脱色，用白土吸附食用植物油中的色素，然后过滤去除白土；糖厂用碳酸钙吸附糖汁中的杂质，然后过滤得到清净糖汁。,2020/7/21,23,概念： 1过滤介质-为达到分离目的所采用的多孔介质。食品工业中常采取棉麻、合成纤维等材料织成的滤布； 2滤 浆-被过滤的悬浮液； 3滤 饼-滤浆过滤后得到的固体； 4滤 液-澄清液体。,2020/7/21,24,分 类,1饼层过滤-滤饼沉积于过滤介质上形成滤饼层，截留粒子，过滤介质起着支撑饼层的作用（图2-7P.108)。饼层过滤适合于处理固体含量较高的悬浮液； 2深床过滤-颗粒进入长而曲折的介质空隙中，并借以静电或表面力附着在孔道的壁面上。深床过滤适合于生产能力大而其中颗粒小而少的悬浮液。,2020/7/21,25,滤饼的压缩性 饼层过滤这一单元操作的推动力是滤饼两侧的压强差，随着过滤的进行，滤饼的厚度逐渐增大，从而滤液流动的阻力逐渐增大，两侧压强差增大。如果压强差增大时滤饼的结构不发生明显变化，即单位厚度滤饼层的阻力恒定不变，这类滤饼称为不可压缩滤饼，如硅藻土、碳酸钙等坚硬颗粒构成的滤饼就是不可压缩滤饼。反之，当滤饼两侧压强差增大，单位厚度饼层的流动阻力增大就称为可压缩滤饼。,2020/7/21,26,对于可压缩滤饼，为防止过滤阻力的迅速增大，在滤浆中添加硅藻土、活性炭等助滤剂，使可压缩滤饼变成不可压缩的，从而大大改善过滤状况。 下面推导过滤基本方程式，对过滤基本方程式积分，就可以得到各种操作条件下的过滤方程：,2020/7/21,27,由层流时的压降公式，可得床层空隙中的实际流速 其中，de为颗粒床层中孔道的当量直径， L为床层厚度， 为滤液通过滤饼层的压降， 为校正弯曲孔道的弯曲因数。,2020/7/21,28,而滤液平均流速u（滤液体积流量与床层横截面积之比）与u1的关系为： 其中， 称为空隙率，定义为单位体积床层中的空隙体积。,2020/7/21,29,而当量直径 其中，a 为颗粒的比表面，定义为单位体积颗粒所具有的表面积，单位m2/m3。,2020/7/21,30,将以上各式加以整理，可得 其中，K为康采尼因数，其值大小与滤饼空隙率、粒子形状、粒子大小等因素有关，通常取为5，所以，单位面积上的过滤速率 其中，r 为滤饼的比阻，定义为单位厚度床层的阻力，反映了颗粒床层的特性。R= r L为滤饼阻力，单位为1/m，它反映了滤饼床层对滤液流动的阻力大小。,2020/7/21,31,把过滤介质看作是厚度为Le的滤饼，上式可以改写为 定义r为单位压强差下的比阻，设 s 为滤饼的压缩性指数（几种典型物料的压缩性指数见表2-1 P.111），代入经验方程,2020/7/21,32,可得过滤基本方程 上式说明过滤速率（滤液的体积流量）与过滤压差的1- s次方成正比，该式适用于各种过滤情况。其中v 为每获得单位体积滤液所产生的滤饼体积。,2020/7/21,33,过滤基本方程式的应用,四种操作方式： 1恒压过滤 2恒速过滤 3先恒压后恒速过滤 4先恒速后恒压过滤,2020/7/21,34,恒压过滤,定义：在压强差恒定的条件下操作。 特点：随着过滤的进行，饼层逐渐加厚，阻力逐渐增加，过滤速率逐渐降低。 方程： 为单位面积上 的滤液量。,2020/7/21,35,当介质阻力被忽略(qe=0)时，可得 当过滤开始时，有 e 和qe 为介质常 数，反映过滤介质阻力的大小。 其中，过滤常数 单位 m2/s ，仅由 物料特性和过滤压差决定。 对于不可压缩滤饼,2020/7/21,36,公式的推导： 在过滤基本方程式中，对于一定的悬浮液、r、v均为常数，令 代入得 积分并将下列条件代入，整理可得以上恒压过滤方程。,2020/7/21,37,恒速过滤,定义：过滤速率恒定 特点：,2020/7/21,38,先恒速后恒压过滤,目的：开始时采用恒速，在阻力不太高时获得较多滤液，到时间R时，改为恒压过滤，以免压强过高。 方程：,注意：V为两个过程中获得的滤液总量。,2020/7/21,39,先恒压后恒压过滤,过程不连续，计算公式与先恒速后恒压相同，R同样代表中间点。,习题 2-9，10,2020/7/21,40,过滤设备与操作1板框压滤机 2叶滤机 3转筒真空过滤机,1板框压滤机 （图2-8 P.115）,工作原理：,2020/7/21,41,组装：一个板一个框交替排列。 板有两种-过滤板 和 洗涤板。 三者区别： 滤 框-空心，只有进口没有出口，出口在滤布上； 过滤板-实心，只有出口没有进口，进口在滤布上； 洗涤板-实心，既有进口又有出口，过滤时打开出口就成为过滤板，洗涤时关闭出口让洗液穿过滤布及滤框，洗涤滤饼后从对面过滤板上排出。 整体组装：一块板一个框； 对 于 板：一块洗涤一块过滤。,2020/7/21,42,特点:1）随着过滤的进行，饼层逐渐加厚，直至填充整个滤框，过滤就不能继续进行下去，必须卸饼，在卸饼之前用洗涤液对滤饼进行洗涤，以提高滤液的得率。综上所述，过滤-洗涤-卸饼-重装就构成了板框压滤机一次完整的操作，板框压滤机是间歇式操作的过滤设备。 2） 在过滤临近终了时，滤液所走的路径约为饼厚的一半，并且只穿过一层滤布，而接下来进行的洗涤过程中，洗液须穿过整个饼层厚度且穿过两层滤布。因此洗液通过的过滤面积为滤液的一半，而穿过的滤饼厚度为滤液的2倍，所以，当洗液的粘度与滤液接近时，洗涤速率约为最终过滤速率的四分之一。,2020/7/21,43,优点：结构简单，制造方便，过滤面积大，操作压差高（300 800 K Pa）； 缺点: 劳动强度大，效率低，滤布损耗大。 制造: 费用低，可选用铸铁、木材、玻璃钢、塑料等多种材料以适合不同物料。 适用范围：粘度大、颗粒度细、固体含量较低的难滤悬浮液。,2020/7/21,44,2叶滤机 （图2-11 P.117）,工作原理：,2020/7/21,45,特点：1）因为洗液的路径与滤液相同，且通过的过滤面积相等，所以当洗液粘度与滤液接近时，洗涤速率与过滤终了速率相等。 2）同样是间歇操作设备。 优点：劳动强度小，占地面积小，洗涤速率高 缺点：构造复杂，制造成本高，压差较小，通常不超过400K Pa。 适用范围：过滤周期较长的操作。,2020/7/21,46,转筒真空过滤机 工作原理： 过滤区（减压） 滤液吸干区 （减压） 洗涤区（减压） 洗后吸干区 （减压） 吹缩卸料区 （压缩空气） VI 滤布再生区 （压缩空气）,2020/7/21,47,特点：连续操作 优点：1机械化程度高； 2适用于各种物料； 3可以调节转速控制过滤效果。 缺点：1过滤推动力小（仅利用真空，最大压差不超过80 k Pa）； 2制造加工复杂。,2020/7/21,48,各种过滤机在食品厂的应用,糖厂-碳酸钙粒子吸附糖汁中的杂质，然后用转筒真空过滤机或者板框压滤机过滤； 淀粉厂-淀粉脱水、面筋悬浮液用转筒真空过滤机过滤； 油厂-油脂制取和精炼中，用板框压滤机去除种子碎片，用叶滤机去除脱色白土； 啤酒厂-用板框压滤机过滤麦芽汁，在发酵后回收酵母； 酒厂、果汁厂-用流线式过滤机去除葡萄酒、果汁中的微生物，澄清液体食品。 选用原则：滤浆性质、洗涤要求和费用综合考虑。,2020/7/21,49,过滤机的工艺计算,1洗涤速率的计算 洗涤速率-单位时间内消耗的洗涤液体积。 因为洗涤液不含固相，在洗涤过程中滤饼厚度不变，如果洗涤在恒压条件下进行，则既是恒压洗涤，又是恒速洗涤。 若洗涤压差与过滤时相同，洗涤液粘度与滤液大致相等，则对于叶滤机和转筒真空过滤机，洗涤速率=过滤终了时的速率。即 此公式由式2- 40 和2-41推导,2020/7/21,50,对于板框压滤机，在同样条件下则有： 洗涤速率=1/4过滤终了速率 即,2020/7/21,51,2间歇过滤机的生产能力 生产能力-单位时间内获得的滤液体积 间歇过滤机的过滤循环包括： a工作时间（过滤时间+洗涤时间） b辅助时间（卸饼时间+清理重装时间） 因此，生产能力 其中，V为每一次循环得到的滤液总量（m3/h)。 洗涤时间 其中VW为洗液体积。,2020/7/21,52,3连续过滤机的生产能力 设转鼓表面浸入滤浆中的部分所占比例为浸没度，即 因为只有浸没部分在滤浆中过滤，所以过滤时间为 其中，n为转鼓转速，单位为r / min； 0为转鼓旋转一圈所用时间，单位为s。,2020/7/21,53,转筒真空过滤机在恒压条件下操作，根据恒压过滤方程（2-42），当滤布即过滤介质的阻力被忽略时，可得转筒真空过滤机的生产能力为 习题2-12，13,2020/7/21,54,离 心 分 离,定义：利用离心力分离固-液、液-液、液-液-固物料的操作。 在食品工业上用途广泛：制糖、制盐、淀粉工业、油脂工业、啤酒果汁饮料等的加工都要用到此项操作。 主要设备：离心机 特点：推动力大，分离能力强，结构紧凑。,2020/7/21,55,转鼓周壁开孔，固体颗粒被筛 网 截流，液体经过鼓壁甩离。适用于固相含量较多，颗粒较粗的悬浮液； 离心沉降：固体颗粒先向鼓壁沉降成渣，澄清液由鼓顶溢出甩离，适用于固体含量较少，颗 粒较细的悬浮液； 离心分离：转鼓周壁无孔，转速更高。乳浊液在离心力作用下分为两层，相对密度大的紧贴鼓壁形成外层，相对密度小的在里层，在不同部位分别将清-重两相引出，适用于乳浊液，即 液-液分离。 共同点：转鼓快速旋转。,离心过滤：,分 类,2020/7/21,56,1离心分离理论,如图2-16（2）P.123:随转鼓作高速旋转的颗粒（质量为m）， 径向受力为 其中，n为转鼓的转速 垂直方向受力为,2020/7/21,57,二者之比为离心机的分离因数，表明离心机的分离能力: R为转鼓半径，为转鼓的角速度。 上式表明转鼓半径一定时，转速越高,离心机的分离因数越高，分离效果越好。,2020/7/21,58,2转鼓内液体的表面、体积和压力,表面 离心机的转鼓里充满悬浮液图2-16（1） 图2-16（2） 图2-17（1）P.123 当转鼓以的角速度匀速旋转时，液面上任意质点A，其质量为d m , 回转半径 r ,离鼓底高度 h ,受力为： 离心力 重力 由图可见,2020/7/21,59,积分得 说明液体表面 为一旋转抛物面。 转速加大时，周围升得更高，中心下降得更低，直至与鼓底接触（ h0 = 0 ）; 若转速继续增大，中心移至鼓底之下（ h0 0 ）图-16（3）;直至转速极大，重力相对于离心力太小可以忽略时，液面就趋近于圆柱面图2-16（4）。,2020/7/21,60,体积 当 h 0时，公式（2-63） 当 h 0时，公式（2-64） 离心机正常工作时，液体体积为空心圆柱体的体积。 压力 在鼓壁的不同高度处离心力产生的压强不同，正常工作中，离心机的 液面为圆柱面，离心机压强近似为常数。,2020/7/21,61,3乳浊液的分离,乳浊液随转鼓高速旋转（转速4000r/min以上），重相形成外层，轻相形成内层，分界面半径 r t，溢流堰保持分界面的位置。,分界面的平衡依据:挡板上下鼓壁上的离心压力大小相等。,2020/7/21,62,离心机的种类,按分离因数K划分： 常速K5000 适用于超细粒悬浮液和高分 子胶体悬浮液,2020/7/21,63,按操作原理划分： 过滤式、沉降式、离心式。 按操作方法划分： 间歇式-卸料时必须停车，人工卸料，有三足式、上悬式； 连续式-整个操作连续化，有螺旋卸料式、活塞推料式。,2020/7/21,64,碟式分离机的工作原理,2020/7/21,65,转速 5 500 10 000 r p m 生产能力： 式（2-86） P.139 其余沉降式、过滤式离心机自看。,习题 2-16，17,2020/7/21,66,气溶胶分离,气溶胶-固体或液体微粒悬浮在气体介质中形成的气态分散系统。 气溶胶的分离方法： 1重力沉降-气体输送管道截面积突然扩大，使气流减速，让颗粒有足够的时间从气流中沉降下来。（P.142图2-37卧式，P.144图2-39立式）,2020/7/21,67,2惯性分离-使气流急速转向或冲击在挡板上再急速转向，其中的颗粒由于惯性效应运动轨迹发生偏差，从而使两者分离。（P.145图2-40、2-41） 3旋风分离-利用惯性力进行气溶胶分离。 4过滤除尘-气溶胶通过多孔材料，其颗粒在过滤表面被捕集并逐渐形成粉尘层，此粉尘层也成为信得过材料，从而提高了捕集效率，然后定期清灰。,2020/7/21,68,旋风分离器,1用途：奶粉、蛋粉加工过程以及气流输送和气流干燥。 2工作原理：,2020/7/21,69,3性能（ 附录三 P.700）包括生产能力、分离效率、压降 4计算： 1）临界粒径-能够被完全分离的最小粒径。临界粒径越小，说明分离效果越好。 求取：设颗粒在分离器内的自由沉降在层流状态下进行，根据 Stockes 定律，沉降速度,2020/7/21,70,到达器壁的时间（设颗粒在其内穿过厚度为整个进气宽度的气流层到达壁面）,2020/7/21,71,令气流旋转圈数为N（标准旋风分离器N=5），则颗粒在器内的运行距离为 停留时间为,2020/7/21,72,临界粒径的颗粒所需要的沉降时间与停留时间相等，即在停留时间内刚好够它沉降下来：,则有 由此式可以看出，B越大，能够分离的颗粒越大，分离效果越差，而B与D成正比，所以旋风分离器的尺寸都不大。若处理气体量大，就要把多个小尺寸的旋风分离器并联使用。,2020/7/21,73,2）分离效率 两种表示方法： 粒级效率 p -按粒子大小分别表示的分离百分率 总效率 0 -所有粒子被分离下来的质量百分率 分别表示的原因：气流中粒子大小不同，粒径越大分离效率越高，反之，粒径越小分离效率越低。,2020/7/21,74,粒级效率曲线 -粒级效率与颗粒直径之间的关系,通常用粒级效率 p和 粒径比 d / d50的关系来标绘(图2-44 P.148） 分割粒径 d50-分离效率为50%的颗粒粒径 由图2-44 可以看出，当粒径比d / d50=1时，粒级效率 p=50% ，正说明了分割粒径d50的含义；当d / d50的值升高时，即大颗粒的情况下， p也升高，说明颗粒越大分离效率越高。,2020/7/21,75,计算： 同一形式、尺寸比例相同的旋风分离器粒级效率曲线相同 总效率可以实测进出口气体的粒子浓度加以计算，也可以通过下式计算,2020/7/21,76,3）压降 压降是评价旋风分离器的重要指标，压降升高说明能耗升高，压降也是选择风机的依据，一般为5002000Pa。 计算式 其中称为旋风分离器的阻力系数。同一形式、尺寸比例相同的旋风分离器阻力系数相同。,2020/7/21,77,4）选型 尽量选用标准形式 = 8 进气口宽B = D/4 进气口高h = D/2 所谓选型，就是根据物料性质和分离任务选定旋风分离器的形式，然后根据含尘气体的体积流量，要求达到的分离效率和允许压降确定旋风分离器的尺寸和个数及其联接方式。 三种常用旋风分离器的性能指标列于附录三P.700,选用时注意密度的换算以及单位的统一。,2020/7/21,78,例题2-4,用标准旋风分离器除去气流中的尘粒。已知 s=1100 kg / m3, d p =5m, =1.2kg/m3, =1.8 10-5 Pas, q v=0.8m3/s, p =1780Pa, 求：三种方案的分离效率和设备尺寸 （1）单台 （2）2台串联 （3）2台并联,2020/7/21,79,（1）单台 a.由式2-105求入口气体流速ui 按照标准=8，代入1780=8 ui2/2， 求得 u i =19.26m/s b.求分离器直径D 按照标准旋风分离器的尺寸关系， 有q v / u i= A = hB= D/2 D/4 =D2/8 解得D = 0.576m 至此，设备尺寸已定。,解：,2020/7/21,80,c.由式2-103求出分割粒径 d50=5.98 10-6 m d.求粒径比d /d50，查图2-44， 得粒级效率 p=40% 答：单台分离器D = 0.576m， p= 40%。,2020/7/21,81,(2)2台串联,每台旋风分离器的允许压降为单台的1/2。 p = 1780 / 2 = 890 Pa 由式2-105得 u i = 13.62 m /s D=0.686m, d50=7.75 10-6 m, 求得粒径比d /d50=0.645，查图2-44， 得每台粒级效率 p=28% 2台总效率为 p=1-(1-0.28)(1-0.28)=48% 答：2台串联，分离器D = 0.686m，总效率 p=48%。,2020/7/21,82,（3）2台并联，每台流量减半，压降不变 u i =19.26 m /s D=(8 0.4/19.26)1/2=0.408 m d50=5.027 10-6 m 求得粒径比d /d50=0.994，查图2-44， 得每台粒级效率也就是系统总的粒级效率 p=50% 答：2台并联，分离器D = 0.408m， 总效率 p=50%。,