1、第四章 颗粒与流体之间的相对运动,本章学习目的与要求,掌握颗粒与流体相对运动的基本理论，为食品流化加工、沉降分离加工等工艺设计、设备选型提供原理知识。 要求学生掌握流体绕过颗粒以及颗粒在流体中沉浮的速度和阻力计算方法。 分析并处理流化加工、气力输送、沉降和过虑中的工程实际问题。,固定床阶段,流化床阶段,气力输送阶段,4.1 流体绕过颗粒及颗粒床层的流动 受颗粒特性、流体特性的影响 4.1.1 颗粒床层的特性,单颗粒特性 球形和非球形 （ dev, des, dea, s） 非球形颗粒四个几何参数之间的关系？ 床层特性 空隙率 各向同性 比表面积 颗粒群的特性,频率函数分布函数,颗粒群的特性,A
2、 单颗粒的特性球形颗粒直径dp 非球形颗粒当量直径（体积等效直径、表面积等效直径、比表面积等效直径）,1 体积等效直径：使当量球形颗粒的体积 等于真实颗粒体积V 则体积当量直径 2 表面积等效直径：使当量球形颗粒的表面积 等于真实颗粒表面积S3 比表面积等效直径：使当量球形颗粒的比表面积 等于真实颗粒的比面积a,表征非球形颗粒与球形颗粒的差异程度,体积相同时，球形颗粒的表面积最小，,若已知体积当量直径dev,B颗粒群的特性 任何颗粒群具有某种粒度分布对于大于70m的颗粒，采用筛分分析。,颗粒群的平均直径 颗粒群具有的颗粒度分布，可用某个平均值或当量值来代替。通常以比表面积相等作为准则，实际颗粒
3、的平均直径dm,Xi为第i筛号上的筛余量质量分数 dpi为第i-1筛号与第i筛号筛分直径的算术平均值。,C 床层特性 （1）床层的空隙率 众多颗粒按某种方式堆积成固定床时，床层中颗粒堆积的疏密程度用表示。0.470.7,（2）各向同性 工业上的小颗粒床层通常是乱堆的，若颗粒是非球形，各颗粒的定向应是随机的，从而可以认为床层是各向同性的 床层截面上可供流体通过的空隙面积与床层截面之比在数值上,壁效应：壁面附近的空隙率总是大于床层内部，因阻力较小，流体在近壁处的流速必大于床层内部。 对于直径D较大可忽略，D/dp较小时，必须考虑 (3)床层的比表面 单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层的比表面 如
4、忽略因相互接触的减少,颗粒的粒度愈小，则通道数目愈多，通道截面积也愈小,粒度分布愈不均匀和表面愈粗糙的颗粒所形成的通道愈不规则,4.1 流体绕过颗粒及颗粒床层的流动,4.1.2流体绕球形颗粒的流动阻力（曳力）,理想流体,实际流体,仿照管内流动,FD总曳力,N Ap颗粒在流体流动方向上的投影面积,m2 流体密度,kg/m3 U流体的流速,m/s 曳力系数,无因次,实验证明是Re的函数 f(Rep) 颗粒雷诺数的定义为,dp颗粒直径（对非球形颗粒而言，则取等体积球形颗粒的当量直径）,球形颗粒（S 1）在不同雷诺数范围内,滞流区 过渡区 湍流区 边界层内为湍流区,修正雷诺数Rep关系,4.1.3 流
5、体通过颗粒床层的压降,固定床：当流体通过众多固体颗粒堆积而成的颗粒床层时，如果颗粒静止不动力，该床层就称为固定床。 流体通过具有复杂几何边界的床层压降等同于流体通过一组当量直径为de长度为le的均匀圆管（即毛细管）的压降,流体的空塔流速u：塔内没有填充物时的流速，通过床层孔道的实际流速ue为,整理后得,，定义床层雷诺数Reb,固定床层流动的摩擦系数,欧根研究了 与Reb的关系,欧根方程,对于非球形颗粒，以 代替式中的dp,欧根方程的误差为25，不适用于细长物体及环状填料,4.2 颗粒在流体中的流动,4.2.1颗粒沉降受力及形态,重力Fg； 浮力Fb； 曳力FD,Rep500,Rep 1,（1）
6、场力F 重力场 离心力场 r为颗粒作圆周运动的旋转半径，,uT和m分别为颗粒的旋转角速度、切向速度和质量，对球形颗粒 （2）浮力 在数值上等于同体积流体在力场中所受到的场力。流体的密度为 重力场 离心力 （3）曳力FD（即固体颗粒在流体中相对运动时所产生的阻力）u为颗粒相对于流体的运动速度,受力分析 沉降速度 对球形颗粒，加速度为零时：,4.2.2 固体颗粒的沉降速度,A自由沉降和沉降速度,沉降速度,滞流区（Rep 1）：过渡区（1Rep500）： 湍流区（500 Rep2105）：,斯托克斯公式、阿仑公式和牛顿公式,B 实际沉降速度,考虑器壁和其他颗粒对沉降速度的影响，在实际沉降过程中，应考
7、虑这些因素的影响，对沉降速度作修正。,颗粒形状的影响 容器壁的影响 干扰沉降 液滴或气泡沉降,4.3 固体流态化与气力输送,固定床阶段,流化床阶段,气力输送阶段,流化床：如果流体通过固定床层向上流动时，流速增加而且超过某一限度时，床层就要浮起，此时床层将具有许多固定床所没有的特性。这就是流化床。这种现象称为流态化。,4.3.1固体流态化,使微粒固体与气体或液体接触而转变成为类似流体状态的操作。 A 基本概念,a 流体经过固体颗粒床层流动时的三种状态 固定床阶段 流体以低流速向上流过颗粒床层时，为保持固定床状态，自下而上的最大空塔速度为：,液化床阶段,固体颗粒刚好悬浮在向上流动的流体中，床层被认
8、为开始流化这时的床层称为临界流化床或初始流化床。这时的流速称为临界流化速度。 速度继续增加，流化床阶段。,气力输送阶段 速度增加，不能再有稳定的固体颗粒床层，固体颗粒随流体夹带流出，这时的流体流速称为带出速度。 散式流化、聚式流化,b流化床主要特性及流化类型,充分流态化时呈现类似液体的性质,轻的物体浮起,表面保持平衡,固体颗粒自孔中喷出,床面拉平,简化模型压力降临界流化速度最大流化速度和流化操作速度,B 流化床的流体力学,压力降 与气速无关而始终保持定值，恒定压降是流化床重要优点，通过测量床层压降以判断床层流化的优劣。 节涌：P有大幅度的起伏波动。 沟流：存在局部死床，比计算值低 临界流化速度
9、,床层由均匀颗粒组成,非均匀颗粒组成,最大流化速度和流化操作速度,当床层的空塔速度达到颗粒的沉降速度时，大量颗粒将被流体带出，该速度称为最大流化速度，也称为带出速度。,粒子运动的绝对速度、垂直向上的流体速度、粒子的沉降速度,若 粒子“静止地”悬浮于流体中，此时流体速度 称为颗粒悬浮速度，在数值上等于颗粒的沉降速度 流化床最大流化速度，实质上就是颗粒的沉降速度，这是因为若流体速度大于 粒子就会以很小的速度 随气流带走。,球形颗粒,非球形颗粒 乘以C,滞流区，斯托克斯公式,对ut校正，校正系数查图得,流化操作速度在 之间，工业上常用操作速度0.21.0m/s. 流化数：操作速度与临界流化速度之比,
10、流化技术在食品工业中的应用 Fluidized heating or cooling Fluidized drying Fluidized granulation,C 常见流化床设备,Conic bottomed,Flat bottomed,Horizontal drying chambers,4.3.2 气力输送,当流体速度增大至等于或大于固体颗粒的带出速度时，则颗粒在流体中形成悬浮状态的稀相，并随流体一起带出，称为气力输送或水力输送。 根据颗粒在输送管内的密集程度不同，气力输送分为稀相输送和密相输送。衡量管内颗粒密集程度的常用参数是单位管道容积含有的颗粒质量，即颗粒的松密度。 气力输送中，
11、单位时间被输送物料的质量与输送空气的质量之比，称为混合比，也称为固气比，以R表示。,Conic bottomed,Flat bottomed,Horizontal drying chambers,气力输送原理,气源,颗粒进料与加速段,稳定输送阶段气源,气固分离器,气力输送,输送气流速度与流动状态的关系,气力输送,气体输送类型及装置 吸引式 低真空吸引 气源真空度13kPa 高真空吸引 气源真空度0.06kPa,气力输送,压送式 气源表压 0.050.2MPa,4.4 非均相混合物的分离,均相混合物：凡物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面。非均相混合物：凡物系内部有隔开两相的界面存在，而界面
12、两侧的物料性质截然不同。如悬浮液、乳浊液、含尘气体。非均相混合物中，处于分散状态的物质分散质，分散相包围着分散质而处于连续状态的物质分散介质,4.4.1沉降,降 尘 室,依靠某种力的作用，利用分散质与分散介质的密度差，使之发生相对运动而分离的过程，重力沉降与离心沉降,降尘室工作原理,停留时间：,颗粒被分离出的条件：,沉降时间：,尘粒在降尘室内的运动状态,重力沉降,应用 气体的除尘 悬浮液的增稠 固体物料的分级固体物料的分类,分级原理示意图,2. 沉降器（槽） 形状方形或锥形的沉降槽，沉淀池或长槽 操作方式间歇式，半连续式或连续式,清液向上流速沉降条件沉降器面积生产能力,B 离心沉降,离心沉降速
13、度,uT为切向速度,离心分离因素：,Kc越大，设备分离效果越好,滞流,离心沉降设备,旋风分离结构与操作原理,一般用来除去气流中直径中直径5m以上的颗粒，而不适用于处理黏性粉尘，含湿量高的粉尘及腐蚀性粉尘。直径200 m以上的粗大颗粒，先用重力沉降法除去。 评价旋风分离器：气体经过旋风分离器的压降，分离效率压强降 进口气速ui保持在1525m/s 一般阻力系数为常数58，压强降5002000pa,旋风分离的性能,临界直径分离效率 总效率粒级效率,C1、C2分别为旋风分离器进、出口气体含尘浓度,C1i、C2i分别为进、出口气体中粒径在第i小段范围内的颗粒浓度,分类,按分离因素分为3类 A 常速离心
14、机：KC3000，主要用于分离颗粒不大的悬浮液和物料的脱水 B 高速离心机：3000KC50000，主要用于分离乳状和细粒悬浮液 C 起高速离心机：KC50000，主要用于分离极难分离的超微细粒的悬浮物系和高分子胶体悬浮液。,(2)离心机,过滤操作的基本概念 过滤介质 滤饼 滤浆 滤液 助滤剂 过滤阻力、推动力典型过滤操作程序过滤 滤饼洗涤 滤饼去湿 滤饼卸除,4.4.2 过滤,过滤是以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的连续相液体通过介质的孔道，分散相固体颗粒被截留在介质上，从而实现固/液分离的操作。即利用多孔物质将悬浮液中的固体粒子截留，达到液、固分离目的的操作。多孔介质称为过
15、滤介质，悬浮液称为滤浆，被截留的固体粒子层称为滤饼，得到的清液称为滤液。 根据外力的不同可以将过滤分为重力过滤、离心过滤、压力过滤和真空过滤。,过滤介质：促使滤饼形成并支承滤饼，化学稳定性，有适当的表面特性，使形成的滤饼易卸除，多孔性，孔径适中，阻力小。一定的机械强度，不易穿破，无毒，不易滋生微生物，易清洗消毒，耐腐蚀等。 “架桥现象” 滤饼的空隙结构不随压力而变称为不可压缩滤饼。 如果由易变形的颗粒组成的滤饼，其空隙结构会随操作压强而变化，在压力作用下产生不同程度的变形，使滤液通过滤饼层的通道缩小，阻力增大，这类滤饼的空隙结构随压力而变化称为可压缩滤饼。,助滤剂：是一种为了提高过滤速度，在过
16、滤前预先覆盖在滤布上或添加于滤浆中的物质。 食品生产中常采用的助滤剂有硅藻土，活性炭，石棉，锯屑等。 过滤阻力：由过滤介质阻力和滤饼阻力两部分组成。 过滤的推动力：过滤层（滤饼与过滤介质）两侧的压强差,常见的过滤设备,板框压滤机,叶滤机,转鼓真空过滤机,过滤基本方程,过滤速度r 为滤饼的比阻，单位厚度床层的阻力 1/m2 滤饼阻力 则上式变为： 同理 R= rL为滤饼阻力 Rm过滤介质的阻力,过滤阻力过滤阻力是R与Rm之和过滤基本方程其中， ，s为滤饼的压缩指数（0s1）， 对于不可压缩滤饼s0。k称为滤饼常数，K过滤常数,与滤浆物性有关，与压差有关，在恒压过滤时，才是一常数，m2/s,每获得
17、单位体积滤液，得到体积为的滤饼,恒压过滤方程恒速过滤方程先恒速后恒压过滤方程过滤常数,间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系,取一系列q和值作图可得K和qe,滤饼的洗涤,板框压滤机叶滤机,生产能力,VW洗涤水用量,拟用一台板框压滤机过滤悬浮液，板框尺寸为 ，有40个滤框。在P3105Pa下恒压过滤。待滤框充满滤渣后用清水洗涤滤饼，洗涤水量为滤液体积的1/10.已知每立方米滤液形成0.025m3滤饼，操作条件下过滤常数，求：1.过滤时间，2.洗涤时间，3.若每次装卸清理的辅助时间为60，求此压滤机的生产能力,解：先确定K值,1.过滤时间 框内滤饼总体积 滤液体积 过滤面积,2.洗涤时间,3.生产能力Q,连续过滤机的计算,过滤计算,转鼓转速为每秒n转，则每个操作周期,则1个周期内的过滤时间,若忽略过滤介质阻力,用转筒真空过滤机过滤某悬浮液，过滤机转鼓直径为1m，转鼓长度0.7m，浸没角130，转鼓转速0.18r/min，在真空度66.7kPa下操作。悬浮液的过滤常数k=9.90107m2/(skPa)，滤饼不可压缩。试估计此过滤机的生产能力。,（4）过滤机的生产能力,（1）过滤面积A,（2）过滤常数K,解：生产能力,滤饼不可压缩，即,所以,（3）转鼓浸没分数（浸没度）：,
