1、食品工程原理食 品 科 学 与 工 程 专 业 本 科 教 学 课 件食 品 科 学 与 工 程 专 业 本 科 教 学 课 件第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2 基于动量传递的非均相物基于动量传递的非均相物分离与分散分离与分散第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散本章内容本章内容2.1 2.1 颗粒的沉降分离颗粒的沉降分离2.2 2.2 过滤过滤2.3 2.3 流化床操作和气力输送流化床操作和气力输送2.4 2.4 液体搅拌液体搅拌2.5 2.5 乳乳 化化 2.6 2.6 气流超微粉碎简介气流
2、超微粉碎简介第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散【学习要求学习要求】n 熟悉非均相物系分离与分散的基本概念；熟悉非均相物系分离与分散的基本概念；n 重点理解颗粒床层压降损失和搅拌功率研究方法；重点理解颗粒床层压降损失和搅拌功率研究方法；n 熟练掌握过滤、沉降分离的基本原理与计算；熟练掌握过滤、沉降分离的基本原理与计算；n 理解流态化、气力输送、搅拌、均质、筛分、超微理解流态化、气力输送、搅拌、均质、筛分、超微粉碎等单元操作的概念、原理及特点；粉碎等单元操作的概念、原理及特点；n 学会用图学会用图0-1归一主线系统化和简化理解本章。归一主线系统化和
3、简化理解本章。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2 基于动量传递的非均相物系基于动量传递的非均相物系 分离与分散分离与分散 n 在食品工程中，经常涉及具有不同物理性质（如在食品工程中，经常涉及具有不同物理性质（如密度）的分散相和连续介质组成的非均相混合物密度）的分散相和连续介质组成的非均相混合物(heterogeneous mixture)，其中的连续介质应是流，其中的连续介质应是流体，如发酵醪液、固体悬浮液、乳浊液等非均相体，如发酵醪液、固体悬浮液、乳浊液等非均相物系。物系。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均
4、相物系分离与分散n 处理非均相物系涉及的单元操作有沉降、过滤、处理非均相物系涉及的单元操作有沉降、过滤、搅拌、均质、气流粉碎等。搅拌、均质、气流粉碎等。n 这些单元操作的共同特点都是借助外部输入的力这些单元操作的共同特点都是借助外部输入的力或能量或流体流动获得并传递动量，使物系发生或能量或流体流动获得并传递动量，使物系发生相对运动，实现混合物系的分离或分散，因此这相对运动，实现混合物系的分离或分散，因此这些操作的理论基础仍隶属于动量传递。些操作的理论基础仍隶属于动量传递。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 凭借外力作用使过程产生动量传递，可使
5、非均相凭借外力作用使过程产生动量传递，可使非均相物系得到分离，而凭借外力或能量或流动流体传物系得到分离，而凭借外力或能量或流动流体传入的动量，可实现物料的混合、乳化、粉碎等分入的动量，可实现物料的混合、乳化、粉碎等分散性操作。散性操作。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 在有流体参与的分散过程中，流动流体的剪切作在有流体参与的分散过程中，流动流体的剪切作用对分散至关重要，也即流动流体获得和传递的用对分散至关重要，也即流动流体获得和传递的动量是形成分散的主要原因，所以流体参与的分动量是形成分散的主要原因，所以流体参与的分散过程仍属动量传递过程。
6、散过程仍属动量传递过程。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n本章主要讨论非均相物系分离和分散共性的动本章主要讨论非均相物系分离和分散共性的动量传递成因、效果和动量通量算式建立方法。量传递成因、效果和动量通量算式建立方法。n学习时应把握动量传递的基本理论，结合非均学习时应把握动量传递的基本理论，结合非均相物系的特征，掌握所涉及单元操作的要点，相物系的特征，掌握所涉及单元操作的要点，根据图根据图0-1归一主线的思想，系统化和简化理解归一主线的思想，系统化和简化理解本章的内容。本章的内容。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递
7、的非均相物系分离与分散2.1 颗粒的沉降分离颗粒的沉降分离n 在外力场作用下，利用非均相物系分散相和连续在外力场作用下，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（分离的操作称为沉降分离（settling separation）。）。n 根据外力场的不同，沉降分离分为重力沉降根据外力场的不同，沉降分离分为重力沉降(gravity settling)和离心沉降和离心沉降(centrifugal settling)。n 描述本章问题涉及颗粒几何特性的表征，如颗粒描述本章问题涉及颗粒几何特性的表征，如颗粒大小、
8、表面积等性质，故首先讨论之。大小、表面积等性质，故首先讨论之。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.1.1 颗粒及颗粒群的几何特性颗粒及颗粒群的几何特性2.1.1.1 单颗粒的几何特性单颗粒的几何特性（1）球形颗粒）球形颗粒 故单个球形颗粒以直径故单个球形颗粒以直径dp即可全面表征即可全面表征v、s、a。32326/66pppppvdsddsavdd表比表面第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散（2）非球形颗粒）非球形颗粒试图以某种直径大小的当量球来表征非球颗粒，试图以某种直径大小的当量球来表征非球
9、颗粒，但要决定以什么准则来保证两者在某种研究对象但要决定以什么准则来保证两者在某种研究对象方面（本章研究对象方面（本章研究对象 流动性即流动阻力与体积、流动性即流动阻力与体积、表面积、比表面积有关）等效，故本章要指明当表面积、比表面积有关）等效，故本章要指明当量球与非球颗粒在体积、表面积、比表面哪一方量球与非球颗粒在体积、表面积、比表面哪一方面等效。面等效。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散336/,/6evevdvvd2/esesdsds6/6/eaeadada 体积方面等效定义体积当量直径体积方面等效定义体积当量直径 表面积方面等效定义表面
10、积当量直径表面积方面等效定义表面积当量直径 比表面方面等效定义比表面积当量直径比表面方面等效定义比表面积当量直径 第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n dev、des、dea三者之间的关系：三者之间的关系：23322266eseaeveveveaevesesdsadvddddddd第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2222evevevesesdddd与非球颗粒体积相等的球的表面积实际颗粒的表面积1,eaevevesevevdddd第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非
11、均相物系分离与分散n 非球形颗粒，由非球形颗粒，由dev和和ev决定决定v、s、a：666eaev evn nsavddd 令第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 思考：正方体以边长思考：正方体以边长l为为dn时时n=?，dev=?,ev=?（n=1，ev=0.806）n 有了有了dev,ev：316evvd66eaevevadd222evevesevevddsd第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 有了有了dn,n,v（一般通过（一般通过m、密度、密度知道知道v）6n nsavd eanndd
12、n 使用使用dev比较简便，只需再知比较简便，只需再知ev就可知就可知v、s、a。n 使用使用dn,n只能算出只能算出a，还需知，还需知v后才知后才知s。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.1.1.2 颗粒群的几何特性颗粒群的几何特性n 颗粒群中的颗粒的尺寸不可能完全一样，形成粒颗粒群中的颗粒的尺寸不可能完全一样，形成粒度分布。该分布可由筛分分析得到。度分布。该分布可由筛分分析得到。n 标准筛系由金属丝网编织而成。常用的泰勒制筛标准筛系由金属丝网编织而成。常用的泰勒制筛是以每英寸（是以每英寸（in，25.4mm）边长上的孔数作为筛）边长上的孔
13、数作为筛号或称目数。号或称目数。n 几种标准筛目数与孔的尺寸见教材几种标准筛目数与孔的尺寸见教材p72表表2-1。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 泰勒筛每一筛号的金属丝粗细和筛孔的净宽是规泰勒筛每一筛号的金属丝粗细和筛孔的净宽是规定的，所用网线直径可推算出，如定的，所用网线直径可推算出，如100目的为目的为0.107mm。n 通常相邻两筛号的筛孔尺寸之比约为通常相邻两筛号的筛孔尺寸之比约为20.5。通过某。通过某一号筛的量称为筛过量，截留于筛面上的颗粒量一号筛的量称为筛过量，截留于筛面上的颗粒量称为筛余量。称为筛余量。第第2 2章章 基于
14、动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 筛分时将所选筛按目数大小排列，大孔排在上，筛分时将所选筛按目数大小排列，大孔排在上，小孔排在下，将物料置于顶筛，振荡，称取各筛小孔排在下，将物料置于顶筛，振荡，称取各筛面的物料、计量、分析。每两筛面间颗粒的大小面的物料、计量、分析。每两筛面间颗粒的大小取两筛孔径的平均值。取两筛孔径的平均值。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散（1）筛分分析结果的图示）筛分分析结果的图示分布函数分布函数 分布函数指粒径小于指定值颗粒所占的质量百分分布函数指粒径小于指定值颗粒所占的质量百分数（或个数
15、等）（分率）数（或个数等）（分率）。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散频率函数频率函数第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散（2）颗粒群的平均直径）颗粒群的平均直径球形颗粒群的平均直径球形颗粒群的平均直径 想以一个当量球来表征球形颗粒群的特性。用哪想以一个当量球来表征球形颗粒群的特性。用哪种平均方法与要研究的对象性质有关。算述平均种平均方法与要研究的对象性质有关。算述平均或调和平均都可采用。或调和平均都可采用。第第2
16、 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 研究颗粒对流体的阻力一般与比表面积有关，希研究颗粒对流体的阻力一般与比表面积有关，希望一个球的比表面积望一个球的比表面积6/dea能代替颗粒群所有颗粒能代替颗粒群所有颗粒比表面积的平均值。令比表面积的平均值。令wi=mi/m，mi是直径为是直径为dpi颗颗粒的质量，由筛分得到，推出下式：粒的质量，由筛分得到，推出下式：661iiiieapeapwwdddd 第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散非球形颗粒群的平均直径非球形颗粒群的平均直径第第2 2章章 基于动量传递的
17、非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散e.第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散（3）颗粒床层的空隙率、比表面积和各向同性）颗粒床层的空隙率、比表面积和各向同性n床层空隙率床层空隙率 颗粒群填充成床层，具有空隙，用空隙率颗粒群填充成床层，具有空隙，用空隙率（porosity 或或void fraction）定义这一性质）定义这一性质 Vb为床层体积，为床层体积，m3；Vp为所有固体颗粒体积之为所有固体颗粒体积之和，和，m3。bpb()/VVV第第2
18、2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n床层比表面积床层比表面积 单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层的比表单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层的比表面积面积ab，忽略颗粒间接触面积，则有：，忽略颗粒间接触面积，则有：bp(1)aa第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n床层的各向同性床层的各向同性 设备足够大或颗粒足够小时，颗粒的床层用乱堆设备足够大或颗粒足够小时，颗粒的床层用乱堆方法堆成，而非球形颗粒的定向是随机的，因方法堆成，而非球形颗粒的定向是随机的，因而可认为床层是各向同性。特点是，床层横截而可认为床
19、层是各向同性。特点是，床层横截面上可供流体通过的自由截面（即空隙截面）面上可供流体通过的自由截面（即空隙截面）与床层截面之比在数值上等于空隙率与床层截面之比在数值上等于空隙率，但在壁，但在壁面处是个例外，壁面处面处是个例外，壁面处较大，故流体流动会趋较大，故流体流动会趋向壁面，称为向壁面，称为“壁效应（壁效应（wall effect）”。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.1.2 重力沉降重力沉降n 沉降是指颗粒在流体中因某种推动力的作用（重沉降是指颗粒在流体中因某种推动力的作用（重力、离心力）而与流体发生相对运动，从而被分力、离心力）而与流
20、体发生相对运动，从而被分离的过程。分离过程的实质还是流体经颗粒的运离的过程。分离过程的实质还是流体经颗粒的运动（因是相对运动，故可将颗粒看作不动，流体动（因是相对运动，故可将颗粒看作不动，流体经颗粒流动流体的这一运动仍产生阻力，与颗粒经颗粒流动流体的这一运动仍产生阻力，与颗粒所受阻力成作用力与反作用力。所受阻力成作用力与反作用力。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.1.2.1 重力沉降速度计算式的推导重力沉降速度计算式的推导n 颗粒在流体中沉降，在颗粒较小时，
21、在浮力和阻颗粒在流体中沉降，在颗粒较小时，在浮力和阻力作用下，颗粒的运动速度很快达到匀速，此速力作用下，颗粒的运动速度很快达到匀速，此速度即为颗粒的沉降速度。度即为颗粒的沉降速度。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散23321116642tpudgdgd4 g()3ptdu第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散0.618.51Re1000500Rett也有按照划分的Allen区:将将代入代入ut的表达式，即可计算各区的沉降速度。的表达式，即可计算各区的沉降速度。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系
22、分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.1.2.2 重力沉降速度的计算重力沉降速度的计算n 斯托克斯（斯托克斯（Stokes）定律区）定律区 p2t()18dgun 艾仑（艾仑（Allen）定律区）定律区 n 牛顿（牛顿（Newton）定律区）定律区p0.6tt()0.27Redgupt()1.74dgu第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 沉降速度计算时，需知沉降速度计算时，需知Ret，其中含，其中含ut，故需要试，故需要试差。先假设一区，得差。先假设一区，得ut后再校核。后再校核。n 已知颗粒直径和物性参数时也可用已知颗粒直径和物性
23、参数时也可用Ar准数计算。准数计算。2rpaAG重力相对密度差粘力第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散22222222224233222ag l AglGuuAllglg lg lg lv 重力粘力注意：等号的含义是注意：等号的含义是“相当于、理解为相当于、理解为”第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 特征尺寸特征尺寸l为颗粒直径，故有为颗粒直径，故有32322222222()()r()()()sssggdg dAdugdduRe 5r2 10180.6rttAReReA在有较好精度第第2 2章章
24、 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 方法：方法：ArRetut不要试差。当沉降是干扰沉不要试差。当沉降是干扰沉降时，降时，ut需要修正，自学教材加以了解，对影响需要修正，自学教材加以了解，对影响ut因素进行分析。因素进行分析。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.1.2.3 重力沉降设备计算重力沉降设备计算n 降尘室原理如图，降尘室原理如图，A点颗粒要在降尘室中被分离点颗粒要在降尘室中被分离的条件是在的条件是在A落到室底面前，不能被气流带出，落到室底面前，不能被气流带出，第第2 2章章 基于动量传递的非均相
25、物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 处理量处理量Vs与与H无关，为出灰方便和不引起沉降的无关，为出灰方便和不引起沉降的颗粒被扰动（气流在层流区流动），颗粒被扰动（气流在层流区流动），H一般为一般为40100mm，降尘室可做成多层。单层体积大，降尘室可做成多层。单层体积大，可分大于可分大于0.5mm颗粒，可用于预除尘。颗粒，可用于预除尘。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.1.3 离心沉降离心沉降2.1.3.1 离心沉降速度计算式的推导离心沉降速
26、度计算式的推导第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散222332106642TTrpuuudddRR 224()g3pTTrduuuRR 被代替第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.1.3.2 旋风分离器旋风分离器n 内外螺旋都将颗粒往外甩，内外螺旋都将颗粒往外甩，分出大于分出大于5m的颗粒。的颗粒。（3m以下颗粒聚结去除以下颗粒聚结去除用袋滤或湿法捕集）用袋滤或湿法捕集）第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散临界粒径（理论上被完全分离的最小粒径临界粒径
27、（理论上被完全分离的最小粒径dc）假设流体等速运动，切向速度等于进气口假设流体等速运动，切向速度等于进气口ui，颗，颗粒穿过进气宽度粒穿过进气宽度B的气层到达壁面被分离，颗粒的气层到达壁面被分离，颗粒作自由层流沉降。作自由层流沉降。p-=p，旋转颗粒，旋转颗粒R取平均值取平均值Rm。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散22p18irmduuR第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散221829mmeccp iiep iRBRNBdduuNunNe在在0.53.0，对标准，对标准Cyclone，Ne=5。
28、第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散分离效率分离效率o和和p（粒级）（粒级）第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散22,17808.0 1.219.26m/s22iiiuupu解：(1)第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均
29、相物系分离与分散第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散（2）4台串联台串联第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散55060.27(1.8 10)0.577/9.63(1100 1.2)8.46 10 m 8.46md第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散（3）4台旋风器并联台旋风器并联3110.40.1m/s,1780Pa44ssiVVp第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散在在Vs和和p条件相同情况下，条件相同
30、情况下，4台并联设备较小，台并联设备较小，效率与效率与4台串联相当。台串联相当。55060.27 1.8 100.204/19.26(1100 1.2)3.55 10 m 3.55md第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.1.3.3 旋液分离器旋液分离器n旋液分离器是利用离心力的作用，使悬浮液中旋液分离器是利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径不同及密度不同的颗粒固体颗粒增稠或使粒径不同及密度不同的颗粒进行分级。其结构及操作原理，与上面介绍的进行分级。其结构及操作原理，与上面介绍的旋风分离器相似。旋风分离器相似。n物料性质不同，导致旋
31、液分离器的直径要比旋物料性质不同，导致旋液分离器的直径要比旋风分离器小得多（达到同样临界粒径）。风分离器小得多（达到同样临界粒径）。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.2 过滤过滤2.2.1 2.2.1 过滤的基本概念过滤的基本概念n过滤是以某种多孔物质（可以是颗粒床层）作过滤是以某种多孔物质（可以是颗粒床层）作为介质（拦截面材料）来处理液固（或气固）为介质（拦截面材料）来处理液固（或气固）混合物的操作。在初步拦截形成颗粒床层后，混合物的操作。在初步拦截形成颗粒床层后，过滤主要发生在床层中。过滤主要发生在床层中。第第2 2章章 基于动量传递的
32、非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 此为滤饼过滤（主要讨论）。此为滤饼过滤（主要讨论）。另有如细菌的小颗粒，通过另有如细菌的小颗粒，通过 静电、层流、撞击拦截等作静电、层流、撞击拦截等作 用被棉花过滤等，为深层过用被棉花过滤等，为深层过 滤（不讨论）。滤（不讨论）。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.2.2 2.2.2 过滤的数学模型方法过滤的数学模型方法n工业上过滤分离需要解决的问题是：利用什么工业上过滤分离需要解决的问题是：利用什么样的设备在多少时间内能够完成指定的分离任样的设备在多少时间内能够完成指定的分离任务，即
33、能够得到多少滤液或滤饼？务，即能够得到多少滤液或滤饼？n滤液是通过滤饼流出的，也就是要知道通过滤滤液是通过滤饼流出的，也就是要知道通过滤饼的滤液流量或流速是多少，而流量或流速的饼的滤液流量或流速是多少，而流量或流速的计算与阻力有关。计算与阻力有关。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散（1）过滤流体流动的描述）过滤流体流动的描述滤饼的颗粒床层存在空隙，且四通八达、弯弯曲滤饼的颗粒床层存在空隙，且四通八达、弯弯曲曲。流体通过此种流道的流速较小，称为爬流，曲。流体通过此种流道的流速较小，称为爬流，所受阻力与颗粒的表面积有关，也与所提供空间所受阻力与颗粒
34、的表面积有关，也与所提供空间大小有关。显然，单位空隙体积（流体）所占有大小有关。显然，单位空隙体积（流体）所占有的颗粒表面积越小，则流动阻力越小，流量或流的颗粒表面积越小，则流动阻力越小，流量或流速应该比较大。速应该比较大。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散（2）过滤流体流动的物理模型）过滤流体流动的物理模型有了上述认识，可设想用一直管代替颗粒床层，有了上述认识，可设想用一直管代替颗粒床层，直管的长度等于颗粒床层的高度，直管所具有的直管的长度等于颗粒床层的高度，直管所具有的空间体积等于颗粒床层所具有的空隙体积，直管空间体积等于颗粒床层所具有的空
35、隙体积，直管的内表面积等于所有床层颗粒的表面积。的内表面积等于所有床层颗粒的表面积。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 这样，单位体积流体所具有的固体表面积在直管这样，单位体积流体所具有的固体表面积在直管中和在颗粒床层中是相等的，流速差异不太大，中和在颗粒床层中是相等的，流速差异不太大，流所受阻力有可能接近。流所受阻力有可能接近。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散（3）过滤流体流动的数学模型）过滤流体流动的数学模型当量直管的直径当量直管的直径n 式中为床层空隙率（空隙体积式中为床层空隙率（空隙
36、体积/床层体积），床层体积），a为为颗粒的比表面积颗粒。颗粒的比表面积颗粒。31m4444(1)eda由物理模型按床层体积计流道截面积流通截面积流道长度流体润湿周边流体润湿周边流道长度流道容积流道表面积第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 当量直管中的流动视为当量直管中的流动视为 层流，则由范宁公式：层流，则由范宁公式：212eupLd第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 康采尼在康采尼在Rep/（1）10且且0.5时得到爬流下：时得到爬流下：=160/Ree,Ree=deu1/n Rep=dp
37、u/，Reb=deu1/(4)，三，三Re关系：关系：Ree=4Reb=（4/6）n Rep/（1），因），因n的数据的数据不详，故一般教材不用不详，故一般教材不用Reb或或Ree表示范围。我们表示范围。我们的教材中对此进行了对比考证。的教材中对此进行了对比考证。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 欧根总结了多人的实验数据，在欧根总结了多人的实验数据，在1Rep/（1）2500(或或0.67Ree1667)范围内验证了模型正确，范围内验证了模型正确，并得到并得到=133.44/Ree+2.32n 康采尼康采尼式中系数式中系数160与直管层流的
38、与直管层流的64不同，说明不同，说明物理模型的直管中的流动与颗粒床层的流体实际物理模型的直管中的流动与颗粒床层的流体实际流动还是有差异的流动还是有差异的,主要是流速有差异、速度分布主要是流速有差异、速度分布有差异，从而形成阻力的差异。有差异，从而形成阻力的差异。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散 由于由于Kozeny和和Ergun用实验求证了用实验求证了，与实际情况，与实际情况一致，故由此建立的半经验理论模型是可以用于一致，故由此建立的半经验理论模型是可以用于过滤流体流动的阻力计算的，从而可得到过滤流过滤流体流动的阻力计算的，从而可得到过滤流体
39、的流量或流速。系数不同，是由于床层的体的流量或流速。系数不同，是由于床层的对不对不同的实验者来说，要做到一致是不可能的。同的实验者来说，要做到一致是不可能的。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 代入范宁公式，得到康采尼方程和欧根方程：代入范宁公式，得到康采尼方程和欧根方程：22111601602244(1)(1)eeuupLLd uduaa 第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2235(1)pauL2122233133.442.32Re2(1)(1)4.170.29eeupLdaauu Re/(
40、1)20,Re/(1)1000,pp后项忽略前项忽略第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.2.3 过滤基本方程式过滤基本方程式n由康采尼公式：由康采尼公式：223(1)(1)15(1)()()()sCmCessr r peeepppuaLr LrLppApdVr L Lr L LrvV VAd 第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散(1)2(1)12(1)22()2 2()2()ssker vskpKeedVApdr v VVkApKAVVVV 定义定义第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与
41、分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 上式即为过滤过程的基本方程。上式即为过滤过程的基本方程。k是常数，是常数，K与与p+有关，若为恒压差过滤，则有关，若为恒压差过滤，则K为常数，若为恒为常数，若为恒速过滤（速过滤（p+逐渐变大），则逐渐变大），则K是指是指p+时的值（时的值（开始滤饼没有，为防堵介质的眼，开始滤饼没有，为防堵介质的眼，p+要求小，然要求小，然后逐渐加大至指定，通常先采用恒速，然后转向后逐渐加大至指定，通常先采用恒速，然后转向恒压）。恒压）。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.2.4 2.2.4 过滤过程计算过滤过程计算（
42、1）恒压过滤方程）恒压过滤方程2200 2()2()dd2()d()eeeVV VeeeVdVKAdV VV VVKAV VV V222eVVVKA第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散22()()eeVVKA第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散edd2()VKAVVV22e2KVVVA（2）恒速过滤）恒速过滤n设恒速过滤至累计滤液量为设恒速过滤至累计滤液量为V，时间为，时间为，对应压差，对应压差为为p+，则，则n 压差为压差为p+时的速率，恒压方程第二项开始都除时的速率，恒压方程第二项开始都除以以2
43、，K对应于对应于p+的的K,p+一直在变化。一直在变化。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散（3）先恒速后恒压过滤）先恒速后恒压过滤为防滤布受堵为防滤布受堵p+先小，随过滤进行再慢慢增大先小，随过滤进行再慢慢增大保证保证dV/d恒定，后再转入恒压过滤。设恒压前过恒定，后再转入恒压过滤。设恒压前过滤液量为滤液量为VR，时间为，时间为R，为使用恒压过滤方程，为使用恒压过滤方程，将恒压前的过程等量成恒压过滤，滤液量仍为将恒压前的过程等量成恒压过滤，滤液量仍为VR，但时间为，但时间为 。R第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非
44、均相物系分离与分散n 设整个过滤过程所获总滤液量为设整个过滤过程所获总滤液量为V，转入恒压后的，转入恒压后的操作时间为操作时间为，RRR2e2()ddVVVVVKA 222ReR()2()VVV VVKAn（VVR）为转入恒压后所获滤液量，）为转入恒压后所获滤液量，为实际恒为实际恒压过滤时间。压过滤时间。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.2.5 2.2.5 过滤常数的测定过滤常数的测定n K、Ve、e、s及及r称为过滤常数，需要通过实验称为过滤常数，需要通过实验测定。将恒压过滤方程式改写为测定。将恒压过滤方程式改写为n/VV成线性关系，直线
45、斜率为成线性关系，直线斜率为1/（KA2），截距），截距为为2Ve/（KA2）。）。e2221VVVKAKA第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 实验中只要在某一压差的恒压过滤中测出不同的实验中只要在某一压差的恒压过滤中测出不同的过滤时间过滤时间及与之对应的累积滤液量及与之对应的累积滤液量V即可。即可。n 测测s,r由由(1)2,lglg(2)(1)lgsKkpKksp第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.2.6
46、 2.2.6 过滤机械及其计算过滤机械及其计算2.2.6.1 过滤机过滤机n 板框过滤机、叶滤机和转鼓真空过滤机，最后一板框过滤机、叶滤机和转鼓真空过滤机，最后一种为连续过滤设备，前两种为间歇生产设备。种为连续过滤设备，前两种为间歇生产设备。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散（1）板框过滤机）板框过滤机由正方形洗板（由正方形洗板（1钮标记）、框（钮标记）、框（2钮）、洗板（钮）、洗板（3钮）按钮）按1-2-3-2-1-2-3-2序列排列而成，框两面用序列排列而成，框两面用滤布覆盖，构成滤饼腔。板和滤布四角均开有圆滤布覆盖，构成滤饼腔。板和滤布四
47、角均开有圆孔、圆孔和板面和框内的通道是侧入小孔或内开孔、圆孔和板面和框内的通道是侧入小孔或内开小孔。小孔。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 非洗板在非洗板在1处开孔至板面上，洗板在处开孔至板面上，洗板在2、3处开孔至处开孔至板面上，框在板面上，框在4处有内孔。处有内孔。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散第第2 2章章 基于动量
48、传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n 过滤流程知：过滤时，每个框有两个面出滤液，过滤流程知：过滤时，每个框有两个面出滤液，故过滤面积为框一面面积的两倍，滤液行程只有故过滤面积为框一面面积的两倍，滤液行程只有框厚的一半。而在横穿洗涤时洗水从框的右边进框厚的一半。而在横穿洗涤时洗水从框的右边进从左边出，故洗涤面积是框的一个面的面积，而从左边出，故洗涤面积是框的一个面的面积，而行程为框厚。可见横穿洗涤只有过滤终了时速率行程为框厚。可见横穿洗涤只有过滤终了时速率的的1/4。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散n(38)105Pa
49、构造简单、过滤面积大、占地省、构造简单、过滤面积大、占地省、劳动强度大。型号劳动强度大。型号BMS20/635-25可加压，滤布整可加压，滤布整理麻烦。理麻烦。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散（2）叶滤机）叶滤机n 由许多滤叶作为过滤元件、密封在容器中过滤。由许多滤叶作为过滤元件、密封在容器中过滤。滤叶由金属多孔板或金属网制造，外置滤布。滤叶由金属多孔板或金属网制造，外置滤布。n 操作条件好，过渡速度大，但造价较高。操作条件好，过渡速度大，但造价较高。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散（3）转
50、筒真空过滤机）转筒真空过滤机一个周内经过滤，洗涤、吸干、吹松、卸料，一个周内经过滤，洗涤、吸干、吹松、卸料，540m2，浸没，浸没30%40%，0.13r/min，滤饼厚度，滤饼厚度在在40mm以内，悬浮液浓度以内，悬浮液浓度30%左右，生产能力左右，生产能力大、投资高、过滤面积大、投资高、过滤面积A不大，推动力有限。不大，推动力有限。第第2 2章章 基于动量传递的非均相物系分离与分散基于动量传递的非均相物系分离与分散2.2.6.2 2.2.6.2 过滤机生产能力过滤机生产能力（1）间歇过滤机的计算）间歇过滤机的计算板框过滤机过滤面积：板框过滤机过滤面积：滤叶两侧表面均用于过滤滤叶两侧表面均用
