03食品工讲义程原理

1.005×10-3 Pas
先设为层流区。
u 9 .7 1 9m 0 7 /s d p 2 (p ) g ( 9 1 8 6 ) 0 ( 3 0 9.2 0 ) 9 9 .8 0 81
tLeabharlann 181 1 .0 8 1 0 3 0 5
3
计算Re，核算流型：
Redpu
95 10 69.79 17 0 39 1.00 15 0 3
精品jing
03食品工程原理
第一节 概述
自然界的混合物分为两大类：
均相物系(honogeneous system): 均相混合物。物系内
部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。
非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混合物。
物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有 显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系， 含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。
一、颗粒运动时的阻力
当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止 流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这
种作用力通常称为曳力（drag force)或阻力。
Fd
u
➢Fd与颗粒运动的方向相反
➢只要颗粒与流体之间有相 对运动，就会产生阻力。
图 流体绕过颗粒的流动
➢对于一定的颗粒和流体， 只要相对运动速度相同，流 体对颗粒的阻力就一样。
均相物系的分离：
通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分 离，如蒸馏，萃取等。
第二节 沉降
定义： 在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的
密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。 沉降力场：重力、离心力。 沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。 在工业中的应用： 液体的澄清；悬浮液的增稠； 颗粒的分级或分离。
非均相物系由分散相和连续相组成
分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散 状态的物质。
连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续 状态的流体。
非均相物系分离的意义
1、收集分散物质或分散介质； 如从干燥器出来的气体中回收固体颗粒，果汁
生产中回收果汁等。 2、净化分散介质，以满足后续生产工艺的要求；
重力沉降(gravity settling)：由地球引力作用而发 生的颗粒沉降过程，称为重力沉降。 1 沉降速度
1.1 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的 条件下沉降。
阻力 Fd
Fg 6dp3pg
➢加速阶段； ➢匀速阶段。
沉降速度（terminal velocity） ：也称为终端速度，匀速阶段颗
粒相对于流体的运动速度。
当du/d =0时，令u= ut，则可得沉降速度计算式
ut
4gdp(p ) 3
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
区相应的沉降速度分别为：
层流区（Re<1）
沉降速度的求法：
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Re，验证与假设是否相符；
④ 如果不相符，则转①。如果相符，OK !
例：计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒
分别在20 ℃的空气和水中的自由沉降速度。
解：在20 ℃的水中： 20 ℃水的密度为998.2kg/m3，粘度为
u gdp2(p)
t
18
过渡区（1<Re<500）
1
ut
4g22(2p5)2
3
dp
湍流区（500<Re<1.5×105）
u 3g(p)dp
t
➢ut与dp有关。dp愈大，ut则愈大。
➢层流区与过渡区中，ut还与流体粘度有关。
➢液体粘度约为气体粘度的50倍，故颗粒在液体中的沉降速
度比在气体中的小很多。
➢层流区（斯托克斯Stokes区，Re<1） ➢过渡区（艾仑Allen区，1<Re<500）
24/Ret 18.5/Rt0e.6
➢湍流区（牛顿Newton区，500<Re<1.5×105） 0.44
注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区域 的计算式是近似的。ξ还与颗粒的球形度ψ有关.
二、重力沉降
应用：
➢加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ↓→ut↑，易于分离。 ➢增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ↑→ut↓，不易分层。 ➢加热：
3) 两相密度差( p-)：
在实际沉降中：
4) 颗粒形状
非球形颗粒的形状可用球形度s 来描述。
s
S Sp
s—— 球形度；
S —— 颗粒的表面积，m2；
Sp—— 与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。
如果汁的澄清等工艺。 3、环境保护和安全生产。
如烟气的除尘，脱硫等。
非均相物系的分离原理：
根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。
非均相物系分离的理论基础：
要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相 对运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学 的基本规律。
非均相物系的分离方法：
由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较 大，因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式 的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。
u
浮力 Fb
Fb
6
dp3
g
重力 Fg
Fd
dp2
4
u2
2
p为颗粒密度
根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:
Fg FbFd mddu
du(p)g 3u2
d p
4dpp
上式表明：
➢ 随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，du/d 逐渐减少。
➢ 当u增到一定数值ui时，du/d =0。颗粒开始作匀速沉降运动。 颗粒的沉降过程分为两个阶段：
颗粒所受的阻力Fd可用下式计算
Fd
A u2
2
(Re)(dpu)
ρ——流体密度； μ—— 流体粘度； dp——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。 —— 阻力系数，是雷诺数Re的函数，由实验确定。
图中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：
9 .2 80.924 14
假设正确，计算有效。
2 影响沉降速度的因素(以层流区为例)
1) 颗粒直径dp:
u gdp2(p)
t
18
应用：
➢啤酒生产，采用絮状酵母，dp↑→ut↑↑，使啤酒易于分离和澄清。
➢均质乳化， dp↓→ut↓↓，使饮料不易分层。
➢加絮凝剂，如水中加明矾。
2) 连续相的粘度：