非均相混合物的分离第三章第三章非均相混合物的分离3.1 3.1 筛分筛分 3.2 3.2 重力沉降重力沉降 3.3 3.3 过滤过滤 3.4 3.4 离心分离离心分离非均相混合物的分离3.1.1 3.1.1 粉碎粉碎 1 1粉碎方法及粉碎力粉碎方法及粉碎力 （1）粉碎机械的作用 固体物料在机械力的作用下，克服内部的凝聚力，分裂为尺寸更小的颗粒，这一过程称为粉碎操作。粉碎操作在食品加工中占有非常重要的地位，主要表现在以下几个方面：满足某些产品消费的需要。如小麦磨成面粉、稻谷碾成白米后才能食用。增加固体的表面积，以利于干燥、溶解等进一步加工。如蔬菜、水果等干燥前大多切成小块。组分的物料粉碎后混合，以利于提高混合的均匀度，满足工艺要求。如工程化、功能性食品的生产以及配合塑料的制造，原料粉碎是不可缺少的工艺。非均相混合物的分离 （2）粒度 颗粒的大小称为粒度，是表示固体粉碎程度的代表性尺寸。粉碎后的颗粒，不仅形状不一致，大小也不一致。球形颗粒的粒度以其直径表示。对于粒度不一致的非球形颗粒群体，只能用平均粒度来表示。平均粒度的计算方法因粒度及粒度分布的测定方法不同而不同。非均相混合物的分离 （3）粉碎力和粉碎方法 物料粉碎时受到的机械作用力通常有挤压力、冲击力和剪切力。根据施力种类与方式的不同，物料粉碎的基本方法包括压碎、劈裂、折断、磨削和冲击破碎等形式。各种粉碎机械所产生的粉碎力不是某一种单纯的力，而是几种力的组合。但对某一特定的设备，则可以是某一种力为主要的粉碎力。一般情况下，挤压力常用于坚硬物料的粗粉碎，如坚果的破壳。冲击力则作为常用的粉碎力用于食品原料的粉碎。剪切力则被广泛用于韧性物料的粉碎，如食品加工。非均相混合物的分离 2 2粉碎设备粉碎设备 （1）干法粉碎机械 锤式粉碎机械适用于中等硬度和脆性物料的中碎和细碎，一般原料粒径不能大于10mm，产品粒度可通过更换筛板来调节，通常不得细于200目，否则由于成品太细易堵塞筛孔。辊式粉碎机械是食品工业中使用最广泛的粉碎设备，它能适应食品加工和其他工业对物料粉碎操作的不同要求。辊式磨粉机广泛用于小麦制粉工业，也用于酿酒厂的原料破碎等工序。精磨机用于巧克力的研磨。非均相混合物的分离 气流式粉碎机械在精细化工行业应用较广，适用于药物和保健品的超微粉碎。它用于低熔点和热敏性物料的粉碎工艺，也用于粉碎和干燥，粉碎和混合等联合操作中。振动式粉碎机械只要用于微粉碎和超微粉碎，它既可用于干法处理，也可用于湿法处理。非均相混合物的分离 （2）湿法粉碎机械 高压均质机设备应用广泛，可以处理流动液态物料，并且在高黏度和低黏度产品之间转换时，无需更换工作部件。应用于奶、稀奶油、酸奶及其它乳制品、冰激凌、果汁、番茄制品、豆浆、调味品、布丁等食品加工中。胶体磨设备应用于果酱、花生蛋白、巧克力、牛奶、豆浆、调味酱料加工。非均相混合物的分离 （3）果蔬破碎机械 果蔬打浆机械用于果酱诸如苹果酱、番茄酱的生产流水线中。果蔬榨汁机械利用压力把固态物料中所含的液体压榨出来的固液分离机械。果蔬切割机械是使物料和切刀产生相对运动，达到将物料切断、切碎的目的。（4）肉类绞切和粉碎机械 （5）超微粉碎机械非均相混合物的分离3.1.2 3.1.2 筛分筛分 1 1筛分操作原理筛分操作原理 用筛面将颗粒大小不同的物料分成若干级别的操作称为筛分。用于筛分物料的机械称为筛分机械。筛分机械种类很多，按其运动方式，分为摇动筛、振动筛和回转筛等几种。非均相混合物的分离 （1）筛分效率 筛分效率是评价筛分操作质量好坏的指标。它是指筛分时实际筛下的筛下级别物料质量与原物料含同一级别物料质量之比。(3-1)式中 b筛分前物料中可筛过物的质量分数；c筛后筛上物料中可筛过物的质量分数。实际计算时，只要在筛分物料和筛上物料中分别取样，精确测定其筛下级别的含量，即可算出筛分效率。非均相混合物的分离 影响筛分效率的因素有：筛筛面面上上物物料料层层厚厚度度。料层越薄，筛下颗粒通过此层的时间越短，每一颗粒接触到筛孔的机会越多，筛分效率就越高。筛筛下下颗颗粒粒质质量量分分数数、颗颗粒粒级级别别和和形形状状。筛下颗粒的质量分数越高，物料被筛落的速度越快，料层减薄得越快，筛分效率就越高。筛下颗粒中粒度小于筛孔直径34的易筛粒越多难筛粒越少，筛分效率就越高。球形颗粒比扁平、不规则的颗粒容易筛落。若颗粒过于细微，由于凝聚力、附着力作用，筛分效率很低。物物料料含含水水量量。物料不够干时，粉状颗粒受凝聚力、附着力作用，易结成团堵塞筛孔，筛分效率大降。但当含水量超过一定值时，使干粉料变为湿泥浆而达到湿筛条件时，筛分效率便超过干筛。此外，筛孔形状、筛面种类、筛分机械的运动方式、加料量的多少及均匀程度也直接影响筛分效率。非均相混合物的分离 （2）筛面和筛制 用于筛分操作的筛面，按其构造不同分为三种，即栅筛、板筛和编织筛。栅栅筛筛。栅筛由许多钢质棒组成，中间穿以若干根带螺栓的钢条，在栅棒之间套上一定尺寸的支隔横管，以保持栅棒间的间隙大小。栅筛结构简单，通常用于物料的去杂粗筛。板板筛筛。板筛是由薄钢板冲孔制成的，薄钢板的厚度常为0.51.5 mm，孔的形状有圆形、长圆形和方形等几种。筛孔最好是上小下大。呈锥形，这样可以减少堵塞。筛孔多采用交错排列，以提高筛分效率。板筛的优点是孔眼固定不变，分级准确，同时坚固、刚硬，使用期限长。非均相混合物的分离 编编织织筛筛。编织筛又称筛网，它是由筛丝编织而成的。制作筛丝的材料要耐腐蚀，有较好的强度和柔软性常用的由低碳镀锌钢丝编织而成，筛网通常为方孔或矩形孔，最小孔径可达300目以上(目是英制中表示孔密度的规格，300目就是每英寸长度有300孔)。一般120目以下的金属丝编织的筛网可以用平纹织法，超过120目就必须用斜纹织法，编织筛网不仅用于粉粒料筛分，也常用于过滤作业。编织筛的优点是轻便价廉，筛面利用系数大，同时由于筛丝的交叠，表面凹凸不平，有利于物料的离析，颗粒通过能力强。主要缺点是刚度、强度差，易于变形破裂，只适用于负荷不大的场合。使用编织筛时，周围还需有张紧结构。非均相混合物的分离 筛网规格的表示方法有两种：一种以每英寸长度内的筛孔数表示，称为网目数，简称网目，以M表示；另一种以每厘米长度内的筛孔数表示，称为筛网的号数，简称筛号，以N表示。两者之间有如下近似关系：(3-2)非均相混合物的分离 2 2筛分设备筛分设备 (1)摇动筛 工工作作原原理理。摇动筛是在重力、惯性力以及物料与筛面之间的摩擦力的作用下，物料与筛面之间产生不对称的相对运动而进行连续筛分。按筛面的运动规律不同，摇动筛可分为直线摇动筛、平面摇晃筛和差动筛。摇动筛的特点摇动筛的特点。由于筛面是平面的，因而全部筛面都在工作，工作效率较高，同时结构简单，制造和安装比较容易，更换筛面方便，适于多种物料的分级。其缺点是动力平衡较差、运行时连杆机构易损坏、噪声较大等。非均相混合物的分离 （2）振动筛 振动筛是由筛机产生高频振动而实现筛分操作的。由于振动筛筛面具有强烈的高频振动，筛孔几乎完全不会被物料堵塞，故筛分效率高，生产能力大，筛面利用率高。振动筛结构也简单，占地面积小，重量轻，动力消耗低，价格低，应用范围较广，特别适用于细粒物料和浆料的筛分操作。应用较多的是惯性振动筛、偏心振动筛和电磁振动筛。下面介绍惯性振动筛。非均相混合物的分离 振动筛的构造和工作原理振动筛的构造和工作原理 筛框安装在弹簧上，带有圆盘的主轴由安装在筛框上的一对轴承座支承，圆盘共有两只，其上装有偏心轮，构成筛机的振动器。当主轴旋转时，由于离心力的作用，使整个传动机构随筛框一起振动，从而使物料在筛面上产生剧烈的相对运动，实现筛分目的。非均相混合物的分离 振动筛的使用振动筛的使用 a刚安装的新筛和长期搁置未用的振动筛在使用前必须检验电动机的绝缘是否良好。b筛网一定要在筛框上均匀地张紧，使筛网能和筛框以相同的频率和振幅振动而不发生抖动和筛网的局部下垂，这样可保证良好的筛分效果，同时又可延长筛网的使用寿命。c要随时清除筛网上的杂物，下班前要将筛网清理干净。经常检查筛网，发现筛网变形及破损应及时修整、更换。d注意进口处物料的分布，尽量减小物料对筛网的冲击延长筛网使用寿命。(3)回转筛 回转筛是一种筛面作回转运动的筛分机械。非均相混合物的分离3.2 3.2 重力沉降重力沉降 3.2.1 3.2.1 重力沉降理论重力沉降理论 1 1重力沉降原理重力沉降原理 颗粒沉降运动中的受力分析：（1）重力和离心力 当固体处于流体中时，只要两者的密度有差异，则在重力场中颗粒将在重力方向与流体作相对运动；在离心力场中与流体在离心力方向上作相对运动。直径为d 的球形颗粒受到的重力为：，其中 为颗粒密度。直径为d 的球形颗粒受到的离心力为：，其方向是从圆心指向外。非均相混合物的分离 （2）浮力 颗粒处于流体中，无论运动与否，都会受到浮力。流体处于重力场中，颗粒受到的浮力等于：，其中 为流体介质的密度。流体在离心力场中时，颗粒也要受到一个类似于重力场中浮力的力：。非均相混合物的分离 （3）阻力 颗粒作沉降运动时受到两种阻力，即表皮阻力和形体阻力。当颗粒运动速度很小时，流体对球的运动阻力主要是黏性摩擦或表皮阻力。若速度增加，便有旋涡出现，即发生边界层分离，表皮阻力让位于形体阻力。阻力大小的计算仿照管路阻力的计算，即认为阻力与相对运动速度的平方成正比。对于直径为d的球形颗粒：，其中 为阻力系数，为流体介质的密度，为粒子与介质的相对运动速度。非均相混合物的分离 2 2重力沉降速度重力沉降速度 （1）重力沉降速度 重力场中，颗粒在流体中受到重力、浮力和阻力，这些力会使颗粒产生一个加速度，根据牛顿第二定律：重力-浮力-阻力=颗粒质量加速度。当颗粒在流体中做匀速运动时，(3-3)非均相混合物的分离 事实上，颗粒从静止开始作沉降运动时，分为加速和匀速两个阶段。速度越大，阻力越大，加速度越小；加速度为零时颗粒便作匀速运动，其速度称为沉降速度。一般而言，对小颗粒，加速阶段时间很短，通常忽略，可以认为沉降过程是匀速的。令颗粒所受合力为零，便可解出沉降速度 （3-4）非均相混合物的分离 上述计算沉降速度的方法，是在下列条件下建立的：颗粒为球形；颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略；颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响。非均相混合物的分离 （2）阻力系数 使用式（3-4）计算沉降速度首先要知道阻力系数，通过因次分析法可知它是颗粒与流体相对运动雷诺数的函数：，而 。计算 时d 应为足以表征颗粒大小的长度，对球形颗粒而言，就是它的直径。根据实验结果作出的阻力系数与雷诺准数的关系如图3-1所示，其变化规律可以分成四段，用不同的公式表示。第一段的表达式是准确的，其它几段是近似的。非均相混合物的分离 层流区层流区。(3-5)沉降操作中所涉及的颗粒一般都很小，通常在0.3以内，故式（3-5）很常用。过渡区（过渡区（AllenAllen区）区）。(3-6)非均相混合物的分离 湍流区（牛顿区）。湍流区（牛顿区）。(3-7)区区。后，骤然下降，在 范围内可近似取 。非均相混合物的分离图3-1 球形颗粒沉降阻力系数图非均相混合物的分离 （4）公式（3-4）使用方法 如果根据已知条件能够确定沉降处在哪个区，则可直接用该区的公式进行计算。如果不能确定流动处在哪个区，则应采用试差法：即先假定流动处于层流区，用式（3-5）求出沉降速度 ，然后再计算雷诺数 ；如果 1，便改用相应的公式计算 ，新算出的 也要检验，直到确认所用的公式正确为止。非均相混合物的分离 通过实验整理数据得到 (3-8)其中，称为阿基米德准数，。计算时先根据已知条件计算 ，然后由式（3-8）计算 ，最后根据 反算出沉降速度 。上述公式，若将重力加速度改为离心加速度，则都可用于离心力场中沉降速度的计算。非均相混合物的分离3.2.2 3.2.2 颗粒与流体的分离颗粒与流体的分离 1 1颗粒在气体中的沉降过程、沉降设备及其计算颗粒在气体中的沉降过程、沉降设备及其计算 图3-2 降尘室 非均相混合物的分离