食品工程原理课件第四章颗粒与流体之间的相对流动

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1、第四章颗粒与流体之间的相对流动第一节流体绕过颗粒及颗粒床层的流动第二节颗粒在流体中的流动第三节固体流态化第四节非均相物系的分离4.1沉降4.2过滤本章重点内容固体的流态化过程，流化床的类似液体的性质；流化过程的阻力变化；重力沉降的基本原理，重力沉降速度的定义及其计算，降尘室的工艺计算；离心沉降的基本原理，离心沉降速度及其计算，旋风分离器的特点及计算；过滤操作的基本原理，恒压过滤方程式及其应用，过滤常数的计算方法，常用过滤机的结构、操作及洗涤特点、相关计算。1.1颗粒及颗粒床层的特性一、单个颗粒的性质形状规则的颗粒：大小：用

2、颗粒的某一个或某几个特征尺寸表示，如球形颗粒的大小用直径dp表示。比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，其单位为m2/m3，对球形颗粒为：第一节流体绕过颗粒及颗粒床层的流动形状不规则的颗粒：(1)颗粒的形状系数：表示颗粒的形状，最常用的形状系数是球形度Φs，它的定义式为：相同体积的不同形状颗粒中，球形颗粒的表面积最小，所以对非球形颗粒而言，总有φ<1。当然，对于球形颗粒，Φ=1。(2)颗粒的当量直径：a.等体积当量直径devb.等比表面积当量直径dea对于非球形颗粒，若体积当量直径为de:二、颗粒群的特性粒度分布(Part

3、iclesizedistributions)粒度分布测定方法：常用筛分法，再求其相应的平均特性参数。颗粒粒度(Particlesize)对于工业上常见的中等大小的混合颗粒，一般采用一套标准筛进行测量，这种方法称为筛分。用表格表示：筛孔尺寸——每层筛上颗粒质量。用图表示：各层筛网上颗粒的筛分尺寸——质量分率颗粒群的平均特性参数颗粒群的平均粒径有不同的表示法，常用等比表面积当量直径来表示颗粒的平均直径，则混合颗粒的平均比表面积αm为：由此可得颗粒群的比表面积平均当量直径dm为：三、颗粒床层的特性(1)床层的空隙率:单位体积颗粒

4、床层中空隙的体积（ε），即：ε是颗粒床层的一个重要特性，它反映了床层中颗粒堆集的紧密程度，其大小与颗粒的形状、粒度分布、装填方法、床层直径、所处的位置等有关。一般颗粒床层的空隙率为0.47～0.7。(2)床层的各向同性对于乱堆的颗粒床层，颗粒的定位是随机的，所以堆成的床层可认为各向同性，即从各个方位看，颗粒的堆积都是相同的。各向同性床层的一个重要特点：床层截面积上可供流体通过的自由截面(空隙截面)与床层截面之比在数值上等于空隙率ε。(3)床层通道特性固体颗粒堆积形成的孔道的形状是不规则的、细小曲折的。许多研究者将孔道视作流

5、道，并将其简化成长度为Le的一组平行细管，并规定：（1）细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面；（2）细管的全部流动等于颗粒床层的空隙容积。则这些虚拟细管的当量直径de为:影响床层通道特性的因素：与床层颗粒的特性有关。颗粒的粒度：粒度愈小则所形成的通道数目愈多，通道截面积也愈小；粒度分布的均匀性和颗粒表面状况：粒度分布愈不均匀和表面愈粗糙的颗粒所形成的通道就愈不规则，计算流体流动时应折算成当量直径(也称为水力直径)。1.2流体与颗粒间的相对运动一、流体绕过颗粒的流动图流体绕过颗粒的流动uFd当流体相对于静止的固体颗粒流动时，

6、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（dragforce)或阻力。(2)曳力系数流体沿一定方位绕过形状一定的颗粒时，影响曳力的因素可表示为：其中L为颗粒的特征尺寸，对于光滑球体，L即为颗粒的直径ds。应用因次分析可以得出关系式：修正雷诺数的定义为：注意:此式中dp为颗粒直径（对非球形颗粒而言，则取等体积球形颗粒的当量直径），μ、ρ为流体的物性。ξ-Rep间的关系，经实验测定如图3-1所示.图3-1流体绕固体颗粒流动时ξ-Rep关系层流区（斯托克斯Stokes区，Re≤

7、1）注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它三个区域的计算式是近似的。过渡区（艾仑Allen区，Re≤500）湍流区（牛顿Newton区，5002×105)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（球形颗粒）：二、流体通过颗粒床层的流动食品工业中，最常见的流体通过颗粒床层的流动操作有：（1）固定化酶反应：流体（如淀粉溶液等）通过固定床反应器进行，此时组成固定床的颗粒表面载有酶制剂；（2）过滤：悬浮液（如果汁、蔬菜汁及葡萄糖和味精生产中的含晶液体等）的过

8、滤，此时可将由悬浮液中所含的固体颗粒形成的滤饼看作固定床，滤液通过颗粒之间的空隙流动。1.流体通过颗粒床层的流动状态流体通过固体颗粒床层时，流动情况复杂，流速分布不均匀(与空管流动比)。流体在床层内的流动不流畅，产生的旋涡数目要比在直径与床层相等的空管中流动时多很多。流体在固定床内的流动状态由层流转为湍