《食品工程原理2》教案 （第44次课2学时) 一、授课题目 第七章非均相物系分离 第一节概述 第二节过滤 一、过滤操作的基本概念 二、过滤的基本理论 二、教学目的和要求 学习本次内容，要求学生了解非均相物系的基本概念，了解过滤的基本概念，理解 过滤的基本理论。 三、教学重点和难点 重点： 过滤的基本理论 难点： 过滤的基本理论 四、主要参考资料 姚玉英主编化工原理（新版）（上下册）.天津大学出版社，天津，2000。 五、教学过程 第1贞共28负（第七章非均相物系的分离）
第七章非均相物系的分离 第一节概述 一、混合物分类 1、均相物系homogeneous system):均相混合物。物系内部各处物料性质均匀而不存在相 养面的物系。如溶液和混合气体都是均相物系。 2、非均相物系(mon-homogeneous system):非均相混合物。物系内部有隔开不同相的养面 存在，且券面两侧的物料性质有显著养异。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。 二、非均相物系 1、组成 非均相物系由分散相和连续相组成。 (1)分散质（分散相：internal phase):非均相混合物中，处于分散状态的物质 (2)分散介质（连续相：dispersing medium):包围着分散质而处于连续状态的物质 注意：对于乳浊液，一般混合的两液体中体积分率大的为连续相。 2、非均相物系的分离原理 根据两相物理性质（如密度、颗粒大小等）的不同而进行的分离。 3、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 4、非均相物系的分离方法 由于非均相物的两相问的密度等物理特性养异较大，因此常采用机械方法mechanical sepcration)进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降(settling and sedimentation)和过滤(filtration)两种操作。 5、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2贞共28贞（第七章什均相物系的分离
第二节过滤 一、过滤操作的基木概念 1、过滤(filtration) 以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固 体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。 >过滤介质：过滤采用的多孔物质 >滤浆(slurry):所处理的悬浮液 >滤液(filterate):通过多孔通道的液体： >滤饼或滤渣(ilter cake):被裁留的固体物质。 2、过滤方式 过滤的操作基本方式有两种：滤饼过滤和深层过滤。 (I)滤饼过滤eake filtration):饼层过滤 过滤过程： >刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。 >开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液澄清 >所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身，而非过滤介质。 第3贞共28贞（第七章非均相物系的分离》
注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象"能够过发生。 饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮波。 (2)深层过滤(deep bed filtration):深床过滤 >特点：颗粒（粒子）沉积于介质内部。 深层过滤 >过滤对象：悬浮液中的固体颗粒小而少 >过滤介质：堆积较厚的粒状床层。 >过滤原理：颗粒尺寸应用：适于处理生产能力大而悬浮液中颗粒小而且含量少的场合，如水处理和酒 的过滤。 3、过滤介质 (1)织物介质（又称滤布） 由棉、毛、麻、丝等天然纤维及合成纤维制成的织物，以及玻璃丝、金属丝等织成的 网： (2)堆积介质 由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成，多用于深床过滤： (3)多孔固体介质 这类介质具有很多细微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量细微颗粒的悬 第4贞共28贞（第七章均相物系的分离》
浮液，如白酒等的精滤 4、滤饼的压缩性 随着过滤的进行，滤饼的厚度增大，滤液的流动阻力亦逐渐增大，导致滤饼两侧的压 强美增大。滤饼的压缩性对压强养有较大影响。 不可压缩滤饼：若颗粒由不易变形的坚使固体组成，则当压强关增大时，滤饼的结构 不发生明显变化，单位厚度滤饼的流动阻力可视作恒定，这类滤饼称为不可压缩滤饼。 可压缩滤饼：若滤饼为胶体物质时，当压强关增大时，滤饼则被压紧，使单位厚度滤 饼的流动阻力增大，此类滤饼称为可压缩滤饼。 5、助滤剂 (1)定义 助滤剂：对于可压缩虑饼，为了使过滤顶利进行，可以将质地坚硬而能形成疏松滤饼 的另一种固体颗粒混入悬浮液或预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使得滤液畅流，该 种颗粒状物质就称为助滤剂， (2)助滤剂的基本要求 >能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及较低的流体阻力： 一具有化学稳定性： >在操作压强范围内具有不可压缩性。 (3)常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩、石棉、炭粉等。 二、过滤的基本理论 1、滤液通过饼层的流动 对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直径为d。的细管，而细管的当 量直径可由床层的空隙率和颗粒的比表面积来计算。 2、颗粒床层的特性 颗粒床层的特性可用空隙率、当量直径等物理量来描述。 第5负共28贞（第七章非均相物系的分离》
(1)空隙率：单位体积床层中的空隙体积称为空隙率。 式中e一床层的空隙率，mm (2)比表面积：单位休积颗粒所具有的表面积称为比表面积。 。=粒表面积 颗粒体积 式中a 一颗粒的比表面，mm (3)当量直径d 依照第一章中非圆形管的当量直径定义，当量直径为： 又4长水力术径4到能聚 故对颗粒床层直径应可写出： 女流道面积流道长度 流道容积 润湿周边长×流道长度 式中d。一床层流道的当量直径，m 3、过滤速率 滤液通过饼层的流动常属于滞流流型，可以仿照圆管内滞流流动的泊稷叶公式（哈根 方程)来描述滤液通过滤饼的流动，则滤液通过饼床层的流速与压强降的关系为： F=tA=△p=2地 d (p) 式中山一滤液在床层孔道中的流速，ms: L一床层厚度，m △p。一滤波通过滤饼层的压强降，pa: 阻力与压强降成正比，因此可认为 上式表达了过滤操作中滤液流速与阻力 44 的关系。 1 ￡3 在与过滤介质相垂直的方向上，朱4x4,(△p】 L 层空隙中的滤液流速山，与按整个床层截 面积计算的滤液平均流速！之间的关系4，：-8d E 为： 第6贞共28贞（第七章非均相物系的分离
上式中的比例常数K'与滤饼的空隙率、颗粒形状、排列及粒度范围诸因素有关。对 于颗粒床层内的滞流流动，K'值可取为5。 (1)过滤速度：单位时问内通过单位过滤面积的滤液体积，mm.s。 任一瞬问的过滤速度为： 3 drsa(-sy uL 式中 V一滤液量，m: 一过滤时问，s: A一过滤面积，m:△p。一滤液通过滤饼层的压强降，。 (2)过滤速率：单位时问内获得的滤液体积，ms。 过滤速率为： dv Ape u-Adr-sd (-8)HL 4、滤饼阻力 对于不可压缩滤饼，滤饼层中的空隙率ε可视为常数，颗粒的形状、尺寸也不改变， 因而比表血a亦为常数，则有 Ado-5a(1-s)uL → dWp。_p Ade urL uR 式中一滤饼的比阻(speeifie cake rc),lm,其计算式为：，=5a0-e 3 R一滤饼阻力(cake resistance),l/m,其计算式为：R=rL 比阻r >单位厚度滤饼的阻力： ~在数值上等于粘度为1Pa·s的滤液以1ms的平均流速通过厚度为lm的 滤饼层时所产生的压强降： >比阻反映了颗粒特性（形状、尺寸及床层空隙率）对滤液流动的影响： 一床层空隙率：愈小及颗粒比表面a愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻 滞作用也愈大。 5、过滤介质的阻力 通常把过滤介质的阻力视为常数，仿照滤液穿过滤饼层的速度方程则可写出滤液穿过 过滤介质层的速度关系式： 第7贞共28贞（第七章均相物系的分离）
d厂=△P2式中：4pm一过滤介质上、下游两侧的压猫若，Pa: AdruR Rm一过滤介质阻力，m。 说明： (1)由于很难划定过滤介质与滤饼之间的分界面，更难测定分界面处的压强，在操 作过程中总是把过滤介质与滤饼联合起米考虑。通常，滤饼与滤布的面积相同。所以两层 中的过滤速度应相等，则： dWp.+pa=」 △p Adr L(R+R)L(R+R 式中4一滤饼与滤布两侧的总压强慕，称为过滤压强差。 上式表明，可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来表示过滤推动力，用两层的 阻力之和来表示总阻力。 (2)假设：RL。,即假设用一层厚度为L.的滤饼层代替过滤介质，则： △D △D Ad0 u(rL+rL.)ur(L+L.) 式中L —过滤介质的当量滤饼厚度，或称虚拟滤饼厚度，m。 注意：在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，L为定值：但同一介质 在不同的过滤操作中，L值不同。 第8贞共28贞（第七章什均相物系的分离）
《食品工程原理2》教案 (第45次课2学时) 一、授课题目 第四章非均相物系分离 第二节过滤 三、过滤基本方程式 四、恒压过滤 五、恒速过滤 六、先恒速后恒压过滤 七、过滤常数的测定 二、教学目的和要求 学习本次内容，要求学生了解恒压过滤、恒速过滤、先恒速后恒压过滤的定义，理 解过滤常数的测定方法，掌握过滤基本方程式，掌握恒压过滤、恒速过滤和先恒速后恒 压过滤的方程式。 三、教学重点和难点 重点： 三种过滤方式的方程式 难点： 三种过滤方式的方程式 四、主要参考资料 姚玉英主编化工原理（新版）（上下册）.天津大学出版社，天津，2000。 五、教学过程 第10负共28负（第3章均相物系的分离）
三、过滤基本方程式 推导：设每扶得lm滤液得到的滤饼体积为vm,则有 LA=vV及LA=vV。,式中，V为当量滤液体积. dv △P A△P Adr ur(L+L)uru(v+V.) d 或 A△P dr= uru(V+V) 当滤饼可压缩时，有：r=r'（△P) 式中，r为单位压强差下滤饼的比阻：s为滤饼的压缩性指数，0≤s<1,由实验 确定。对不可压缩滤饼，s=0。 将r的表达式代入可得过滤基本方程： dv A△P-S dt uru(V+V.) 滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次： V—滤液体积，m: V。一过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积： 单位压强美下滤饼的比阻，1m2: △p一过滤压强差，Pa: s滤饼的压缩性指数，无因此。一般情况下，=01。对于不可压缩滤饼，50 上式称为过滤基本方程式，它对各种过滤情况均适用。 对于一定的悬浮液，若4，r'及v可视为常数，令 1 k ur'v 式中：k 表征过滤物料特性的常数，m4/(Ns)。 dkA△P-s 过滤基本方程可写成：dxW+V) 第11负共28贞（第3章非均相物系的分离）