第五章 沉降与过滤-制药工程原理与设备

1、 第五章第五章 沉降与过滤沉降与过滤重点重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程：过滤和沉降的基本理论、基本方程难点难点：过滤基本方程的应用、过滤设备：过滤基本方程的应用、过滤设备p均相物系均相物系(honogeneous system): 均相混合物均相混合物。物系内。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。部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。自然界的混合物分为两大类：自然界的混合物分为两大类：p非均相物系非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混合物非均相混合物。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物系内部有隔开不

2、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，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。含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。 概述概述混合物混合物均相混合物：所需分离的物质在同一相中，不能用机械均相混合物：所需分离的物质在同一相中，不能用机械 的方法分离；的方法分离；非均相混合物：由分散物质和连续物质组成的一个以上非均相混合物：由分散物质和连续物质组成的一个以上的相，可以用机械的方的相，可以用机械的方 法分离。相界面两侧的物质性质法分离。相界面两侧的物质性质不同。不同。 固体固体固体：固体混合

3、固体：固体混合固体固体液体：悬浮液液体：悬浮液 固体固体气体：含尘气体气体：含尘气体 液体液体气体：含雾气体气体：含雾气体液体液体液体：乳浊液液体：乳浊液非均相混合物非均相混合物p分散相分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。状态的物质。p连续相连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。状态的流体。非均相物系由非均相物系由分散相分散相和和连续相连续相组成组成p非均相物系的分离原理非均相物系的分离原理： 根据两相物理性质根据两相物理性质( (如密度等如密度等) )的不同而进行的分离。的不同而进行的分

4、离。p非均相物系的分离方法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，因此常采用大，因此常采用机械方法机械方法进行分离。按两相运动方式进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为的不同，机械分离大致分为沉降和过滤沉降和过滤两种操作。两种操作。p 定义：定义：p沉降力场：沉降力场：重力重力、离心力离心力。 在某种力场的作用下，利用在某种力场的作用下，利用分散物质分散物质与与分散介质分散介质的的密度差异密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。，使之发生相对运动而分离的单元操作。p 沉降操作分类：沉降操作分类：重力沉降重力沉

5、降、离心沉降离心沉降。第一节第一节 沉降沉降 Settling图图 流体绕过颗粒的流动流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反与颗粒运动的方向相反 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种作用力通常称为曳力（drag force)drag force)或阻力。或阻力。只要颗粒与流体之间有相只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。对运动，就会产生阻力。对于一定的颗粒和流体，对于一定的颗粒和流体

6、，只要相对运动速度相同，流只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样。体对颗粒的阻力就一样。一、颗粒运动时的阻力一、颗粒运动时的阻力 流体密度；流体密度； 流体粘度；流体粘度； d dp p颗粒的当量直径；颗粒的当量直径； A A 颗粒在运动方向上的投影面积；颗粒在运动方向上的投影面积； u u 颗粒与流体相对运动速度。颗粒与流体相对运动速度。 阻力系数，是雷诺数阻力系数，是雷诺数ReRe的函数，由实验确定。的函数，由实验确定。22uAFd)()(udRpe颗粒所受的阻力颗粒所受的阻力Fd可用可用下式计算下式计算层流区层流区过渡区过渡区湍流区湍流区tRe/248 . 0Re/5 .18t44

7、.0 tRe/248 . 0Re/5 .18t44.0层流区层流区（斯托克斯（斯托克斯StokesStokes区，区，Re1Re1） 注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区域注意：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。的计算式是近似的。过渡区过渡区（艾仑（艾仑AllenAllen区，区，11Re500Re500）湍流区湍流区（牛顿（牛顿NewtonNewton区，区，500Re10500Re105 5） 图中曲线大致可分为三个区域，各区域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：的曲线可分别用不同的计算式表示为： 自由沉降自由沉降（f

8、ree settling）： 单个颗粒在流体中沉降，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。不碰撞的条件下沉降。 二二、重力沉降重力沉降 重力沉降重力沉降(gravity settling)：由地球由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降重力沉降。1 1 沉降速度沉降速度1.1 1.1 球形颗粒的自由沉降球形颗粒的自由沉降ddumFFFdbg243)(udgddupppp根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动

9、基本方程式应为:u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb2422udFpdgdFppg36gdFpb36 p p为颗粒密度为颗粒密度 随着颗粒向下沉降，随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，逐渐增大，du/d 逐渐减少。逐渐减少。 当当u增到一定数值增到一定数值ui时，时，du/d =0。颗粒开始作匀速沉降运动。颗粒开始作匀速沉降运动。3)(4pptgdu上式表明：上式表明：颗粒的沉降过程分为两个阶段：颗粒的沉降过程分为两个阶段：沉降速度沉降速度（terminal velocity） ：也称为终端速度，匀速阶段颗也称为终端速度，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。粒相对于流体的运动速度。 当当du/

10、d =0时，令时，令u= ut，则可得沉降速度计算式则可得沉降速度计算式加速阶段；加速阶段；匀速阶段。匀速阶段。 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：区相应的沉降速度分别为： 层流区（层流区（Re1）18)(2ppgdtupptdgu3122225)(4ppdgtu)(3过渡区（过渡区（11Re500Re500）湍流区（湍流区（500500Re10Re105 5）u ut t与与d dp p有关。有关。d dp p愈大，愈大，u ut t则愈大。则愈大。层流区与过渡区中，层流区与过渡区中，u ut t还

11、与流体粘度有关。还与流体粘度有关。液体粘度约为气体粘度的液体粘度约为气体粘度的5050倍，故颗粒在液体中的沉降速倍，故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多。度比在气体中的小很多。1.1.假设流体流动类型；假设流体流动类型；2.2.计算沉降速度；计算沉降速度；3.3.计算计算ReRe，验证与假设是否相符；验证与假设是否相符；4.4.如果不相符，则转。如果相符，如果不相符，则转。如果相符，OK !OK !求沉降速度通常采用试差法。求沉降速度通常采用试差法。沉降速度的求法：沉降速度的求法： 例：计算直径为例：计算直径为9595 m m，密度为密度为30003000kg/mkg/m3 3的固体颗粒

12、的固体颗粒分别在分别在20 20 的空气和水中的自由沉降速度。的空气和水中的自由沉降速度。smugdtpp/10797. 9310005. 11881. 9)2 .9983000()1098(18)(362计算计算Re，核算流型：核算流型：19244. 0Re33610005. 12 .99810797. 91095udp假设正确，计算有效。假设正确，计算有效。解：在解：在20 20 的水中：的水中： 20 20 水的密度为水的密度为998.2998.2kg/mkg/m3 3，粘度为粘度为1.0051.0051010-3 -3 PaPa s s先设为层流区。先设为层流区。 18)(2ppgdt

13、u1) 1) 颗粒直径颗粒直径d dp p: :应用：应用：啤酒生产，采用絮状酵母，啤酒生产，采用絮状酵母，dpu ut t，使啤酒易于分离和澄清。使啤酒易于分离和澄清。均质乳化，均质乳化， dput，使饮料不易分层。使饮料不易分层。加絮凝剂，如水中加明矾。加絮凝剂，如水中加明矾。2) 2) 连续相的粘度连续相的粘度 ：应用：应用：加酶：清饮料中添加果胶酶，使加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ut，易于分离。易于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ut，不易分层。不易分层。加热：加热：2 2 影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素( (以层流区为例以层流区为例) ) 4)

14、 颗粒形状颗粒形状在实际沉降中：在实际沉降中：非球形颗粒的形状可用球形度非球形颗粒的形状可用球形度 s 来描述。来描述。pSSs s 球形度；球形度；S 颗粒的表面积，颗粒的表面积，m2；Sp 与颗粒体积相等的圆球的表面积，与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。 不同球形度下阻力系数与不同球形度下阻力系数与ReRe的关系见课本图示，的关系见课本图示，ReRe中的中的d dp p用当量直径用当量直径d de e代替。代替。球形度球形度 s s越小，阻力系数越小，阻力系数 越大，但在层流区不明显。越大，但在层流区不明显。u ut t非球非球 u ut t球球 。对于细微颗粒对于细微颗粒( (d d0

15、.575 m以上颗粒以上颗粒-用于除去用于除去510 m 颗粒颗粒 降尘室：利用重力沉降分离含尘气体中尘粒的设备，降尘室：利用重力沉降分离含尘气体中尘粒的设备，是一种最是一种最原始的分离方法。一般作为预分离之用，分离粒径较大的尘粒。原始的分离方法。一般作为预分离之用，分离粒径较大的尘粒。降尘室的示意图降尘室的示意图降尘室降尘室假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速 u 相同；相同；停留时间停留时间Tl/u沉降时间沉降时间TtH/ ut颗粒分离出来的条件是颗粒分离出来的条件是 l/uH/ utlHb净化气体净化气体含尘气体含尘气体uut降尘室的计算降尘室的计算增

16、稠器（沉降槽） 加料加料清液溢流清液溢流水平水平清液清液挡板挡板 耙耙 稠浆稠浆 连续式沉降槽请点击观看动画请点击观看动画结构：结构：除尘原理：除尘原理：用于分离出液用于分离出液- -固混合物固混合物与降尘室一样，与降尘室一样，沉降槽的生产能沉降槽的生产能力是由截面积来力是由截面积来保证的，与其高保证的，与其高度无关。故沉降度无关。故沉降槽多为扁平状。槽多为扁平状。 与降尘室相同与降尘室相同【例 3-1】 有一玉米淀粉水悬浮液，温度C200，淀粉颗粒平均直径为m15，淀粉颗粒吸水后的密度为3mkg1020，试求颗粒的沉降速度。 解：先假定沉降在层流区进行，故 18)(20gduPP 已知：36

17、mkg1020,m1015m15Ppd 查出C200的水的sPa10005.1,mkg2 .99833代入上式得： 163260sm1066.2807.910005.118)2 .9981020()1015(u 检验 Re 值：11096. 310005. 12 .9981066. 21015Re53660udP 计算结果表明， 与假设相符， 故算得的160sm1066. 2u 正确。 第二节第二节 离心沉降离心沉降离心沉降是靠惯性离心力作用而实现的沉降过程。特点：沉降速度快，分离效果好主要设备：分离气固非均相混合物设备：旋风分离器分离液固非均相混合物设备：旋液分离器，沉降离心机离心沉降：离心

18、沉降： 依靠惯性离心力的作用而实现依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程的沉降过程 适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。相物系。 重力场重力场离心力场离心力场力场强度力场强度重力加速度重力加速度g gu uT T2 2/R/R 方向方向指向地心指向地心 沿旋转半径从中心指向外周沿旋转半径从中心指向外周 Fg=mg 2TCuFmR作用力作用力 惯性离心力场与重力场的区别惯性离心力场与重力场的区别 一、离心力作用下的沉降速度一、离心力作用下的沉降速度r r1 1r r2 2A Ar rC CB Bu ur ru uu ut t颗粒在旋转流体中的

19、运动颗粒在旋转流体中的运动当一个球形颗粒绕中心轴作圆周运动当一个球形颗粒绕中心轴作圆周运动时，就产生惯性离心力。时，就产生惯性离心力。如图：球体直径为如图：球体直径为d d，切向运动速度，切向运动速度为为u ut t，球体距中心，球体距中心o o点的距离为点的距离为r r，球形，球形颗粒颗粒s，流体，流体。则颗粒在图示位置受三个力作用则颗粒在图示位置受三个力作用: :o()惯性离心力从中心指向外周阻力 与离心力方向相反向心力 指向中心轴 点 相当于重力场中浮力达平衡时，颗粒在径向上相对于流体的运动速度就是离达平衡时，颗粒在径向上相对于流体的运动速度就是离心沉降速度心沉降速度u ur r惯性离心

20、力向心力惯性离心力向心力= =阻力阻力236TcppuFdR离心力 236TbpuFdR浮 力 2422rpdudF阻力2223u()0642pTrppdudR颗粒在离心力场中沉降时，在径向沉降方向上受力分析。颗粒在离心力场中沉降时，在径向沉降方向上受力分析。若这三个力达到平衡，则有若这三个力达到平衡，则有u离心力离心力 Fc阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb颗粒在离心力场中的受力分析颗粒在离心力场中的受力分析2 2 离心沉降速度离心沉降速度24()3ppTrduuR离心沉降速度：颗粒在径向上相对于流体的速度，就是这个位离心沉降速度：颗粒在径向上相对于流体的速度，就是这个位置上的离心沉降速度置上的离

21、心沉降速度。 在离心沉降分离中，当颗粒所受的流体阻力处于斯托克斯区，在离心沉降分离中，当颗粒所受的流体阻力处于斯托克斯区，离心沉降速度为离心沉降速度为: :22p()18pTrduuR24R e4(10R e1)2p()18ptdug与重力沉降比较与重力沉降比较2()urTctuKuR g重KcKc叫离心分离因数，表明同一颗粒在同一介质中离心场强度与重力叫离心分离因数，表明同一颗粒在同一介质中离心场强度与重力场强度之比，无因次，是离心分离设备的重要性能参数。场强度之比，无因次，是离心分离设备的重要性能参数。 注意：注意：离心沉降与重力沉降的类比。离心沉降与重力沉降的类比。比较比较u ur r，

22、u ut t：U Ur r：是颗粒绝对运动速度在径向上的分量，方向沿径向向外，：是颗粒绝对运动速度在径向上的分量，方向沿径向向外，随随r r方向及大小而变化，不是恒值。由于颗粒和流体同时做圆方向及大小而变化，不是恒值。由于颗粒和流体同时做圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的螺旋线。周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径向上的离心沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径向上的分量。分量。 u ut t：恒值，方向向下：恒值，方向向下旋风分离器用于分离气体中的固体颗粒旋风分离器用于分离气体中的固体颗粒旋液分离器用于分离

23、液体中的固体颗粒旋液分离器用于分离液体中的固体颗粒 重力沉降重力沉降 离心沉降离心沉降 降尘室用于分离气体中的固体颗粒降尘室用于分离气体中的固体颗粒增稠器用于分离液体中的固体颗粒增稠器用于分离液体中的固体颗粒 旋风分离器是利用离心力作用净制气体的设备。旋风分离器是利用离心力作用净制气体的设备。 其结构简单，制造方便；其结构简单，制造方便；分离效率高；分离效率高；可用于高温含尘气体的分离；可用于高温含尘气体的分离；特点：特点：结构：结构：外圆筒；外圆筒；内圆筒；内圆筒；锥形筒。锥形筒。3 3 旋风分离器旋风分离器( (cyclone separator)cyclone separator)含尘气

24、体从圆筒上部长方形切线含尘气体从圆筒上部长方形切线进口进入。入口气速约为进口进入。入口气速约为1520m/s。含尘气体沿圆筒内壁作旋转流动。含尘气体沿圆筒内壁作旋转流动。颗粒的离心力较大，被甩向外层，颗粒的离心力较大，被甩向外层，气流在内层。气固得以分离。气流在内层。气固得以分离。在圆锥部分，旋转半径缩小而切在圆锥部分，旋转半径缩小而切向速度增大，气流与颗粒作下螺旋向速度增大，气流与颗粒作下螺旋运动。运动。在圆锥的底部附近，气流转为上在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动，最后由上部出口管排升旋转运动，最后由上部出口管排出；出；固相沿内壁落入灰斗。固相沿内壁落入灰斗。外圆筒外圆筒内圆筒内圆筒锥

25、形筒锥形筒切向入口切向入口关风器关风器(防止空气进入防止空气进入)含尘气体含尘气体固相固相净化气体净化气体外螺旋外螺旋内螺旋内螺旋工作过程工作过程标准旋风分离器的尺寸标准旋风分离器的尺寸4/8/,2,22/, 4/, 2/2211DDDSDHDHDDDBDhH1H2SBDD1hui双联双联四联四联 用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离器，可以提高分离效率。器，可以提高分离效率。 利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径不同利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径不同及密度不同的颗粒进行分级。及密度不同的颗粒进行分级。结构和工作原理

26、：结构和工作原理：与旋风分离器相似。与旋风分离器相似。4 4 旋液分离器旋液分离器( (hydraulic cyclone)hydraulic cyclone)l悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内，旋转向下流动。悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内，旋转向下流动。工作过程：工作过程：l液流中的颗粒受离心力作用，沉降到器壁，并随液流下降液流中的颗粒受离心力作用，沉降到器壁，并随液流下降到锥形底的出口，成为较稠的悬浮液而排出，称为底流。到锥形底的出口，成为较稠的悬浮液而排出，称为底流。l澄清的液体或含有较小较轻颗粒的液体，则形成向上的内澄清的液体或含有较小较轻颗粒的液体，则形成向上的内旋流，经上部中

27、心管从顶部溢流管排出，称为溢流。旋流，经上部中心管从顶部溢流管排出，称为溢流。 5 5 沉降式离心机沉降式离心机 沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液的机械。的机械。 5.1 5.1 管式离心机（管式离心机（tubular-bowl centrifugetubular-bowl centrifuge） 转鼓由转轴带动旋转。转鼓由转轴带动旋转。乳浊液由底部进入，在转鼓乳浊液由底部进入，在转鼓内从下向上流动过程中，由内从下向上流动过程中，由于两种液体的密度不同而分于两种液体的密度不同而分成内、外两液层。外层为重成内、外两液层。外层为重

28、液层，内层为轻液层。到达液层，内层为轻液层。到达顶部后，轻液与重液分别从顶部后，轻液与重液分别从各自的溢流口排出。各自的溢流口排出。 分离乳浊液的碟式离心机分离乳浊液的碟式离心机：碟片上开有小孔。乳浊液通碟片上开有小孔。乳浊液通过小孔流到碟片的间隙。在过小孔流到碟片的间隙。在离心力作用下，重液沿着每离心力作用下，重液沿着每个碟片的斜面沉降，并向转个碟片的斜面沉降，并向转鼓内壁移动，由重液出口连鼓内壁移动，由重液出口连续排出。而轻液沿着每个碟续排出。而轻液沿着每个碟片的斜面向上移动，汇集后片的斜面向上移动，汇集后由轻液出口排出。由轻液出口排出。 主要分离乳浊液中轻、重两液相，例如油类脱水、牛乳脱

29、主要分离乳浊液中轻、重两液相，例如油类脱水、牛乳脱脂等；也可以澄清含少量细小颗粒固体的悬浮液。脂等；也可以澄清含少量细小颗粒固体的悬浮液。5.2 5.2 碟式离心机（碟式离心机（disk-bowl centrifugedisk-bowl centrifuge）工作原理：工作原理： 离心机离心机 烦人壳体内设有可高速旋转的烦人壳体内设有可高速旋转的 转鼓，鼓壁转鼓，鼓壁上开有许多小孔，内侧衬有一层或多层滤布。工作时，上开有许多小孔，内侧衬有一层或多层滤布。工作时，液体在离心力的作用下穿过滤布及壁上的小孔而排出，液体在离心力的作用下穿过滤布及壁上的小孔而排出，颗粒被截留于滤布表面。颗粒被截留于滤布

30、表面。5.3 5.3 三足式离心机三足式离心机造价低廉，抗震性好，结构简单，操作方便。分离粒径为0.05 5mm。特点：特点：过滤介质过滤介质: 过滤采用的多孔物质；过滤采用的多孔物质；滤浆滤浆: 所处理的悬浮液；所处理的悬浮液；滤液滤液: 通过多孔通道的液体；通过多孔通道的液体；滤饼或滤渣滤饼或滤渣: 被截留的固体物质。被截留的固体物质。 以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中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。实现固液分离的单元操作。 第三节

31、第三节 过过 滤滤一、基本概念一、基本概念1 过滤过滤(filtration) 滤浆滤浆(slurry)：原悬浮液。原悬浮液。滤饼滤饼(filter cake)：截留的固体物质。截留的固体物质。过滤介质过滤介质(filtering medium)：多孔物质。多孔物质。滤液滤液(filterate)：通过多孔通道的液体。通过多孔通道的液体。过滤操作示意图过滤操作示意图( (滤饼过滤滤饼过滤) ) 滤饼过滤过程：滤饼过滤过程：(食用油脱色后出去活性炭和漂白土、牛奶去杂）食用油脱色后出去活性炭和漂白土、牛奶去杂） 刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。 开始后：

32、迅速发生开始后：迅速发生“架桥现象架桥现象”，颗粒被拦，颗粒被拦截，滤液澄清。截，滤液澄清。 所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤所以，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。饼本身，而非过滤介质。2 过滤方式过滤方式过滤的操作基本方式有两种：过滤的操作基本方式有两种： 滤饼过滤滤饼过滤和和深层过滤深层过滤2.1 2.1 滤饼过滤滤饼过滤( (cake filtration)cake filtration)：饼层过滤饼层过滤架桥现象架桥现象注意注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象架桥现象”能够能够过发生。过发生。饼层过滤适于处理固体含量

33、较高的悬浮液。饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液。特点特点：颗粒：颗粒( (粒子粒子) )沉积于介质内部。沉积于介质内部。深层过滤深层过滤过滤对象过滤对象：悬浮液中的固体颗粒小而少。：悬浮液中的固体颗粒小而少。过滤介质过滤介质：堆积较厚的粒状床层。：堆积较厚的粒状床层。过滤原理过滤原理：颗粒尺寸：颗粒尺寸 介质通道尺寸，介质通道尺寸，颗粒通过细长而弯曲的孔道，靠静电和分颗粒通过细长而弯曲的孔道，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道壁上子的作用力附着在介质孔道壁上, ,无无滤饼滤饼堆积堆积。应用应用：适于处理生产能力大而悬浮液中：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，如水处理和酒颗

34、粒小而且含量少的场合，如水处理和酒的过滤。的过滤。2.2 深层过滤深层过滤(deep bed filtration)： 又称深床过滤（又称深床过滤（啤酒、果汁、色拉油过滤）啤酒、果汁、色拉油过滤）织物介质织物介质(又称滤布又称滤布) 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；及玻璃丝、金属丝等织成的网；过滤介质的分类：过滤介质的分类：堆积介质堆积介质(又称粒状介质）又称粒状介质） 由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成，由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成， 多用于多用于深床过滤；深床过滤；多孔固体介质

35、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。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浮液，如白酒等的精滤。多用于含少量细微颗粒的悬浮液，如白酒等的精滤。3 3 过滤介质过滤介质过滤介质应具有如下性质：过滤介质应具有如下性质： 过滤介质的作用过滤介质的作用( (滤饼过滤滤饼过滤) )： 促使滤饼的形成，并支承滤饼。促使滤饼的形成，并支承滤饼。（1 1）多孔性，液体流过的阻力小；）多孔性，液体流过的阻力小；（2 2）有足够的强度；）有足够的强度；（3 3）耐腐蚀性和耐热性；）耐腐蚀性和耐热性；（4 4）孔道大小适当，能发生架桥现象。）孔道大小适

36、当，能发生架桥现象。不可压缩滤饼不可压缩滤饼：若颗粒由不易变形的坚硬固体组成，则当若颗粒由不易变形的坚硬固体组成，则当压强差增大时，滤饼的结构不发生明显变化，单位厚度滤饼压强差增大时，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。的流动阻力可视作恒定，这类滤饼称为不可压缩滤饼。 随着过滤的进行，滤饼的厚度增大，滤液的流动阻力亦逐随着过滤的进行，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差增大。滤饼的压缩性对压强差渐增大，导致滤饼两侧的压强差增大。滤饼的压缩性对压强差有较大影响。有较大影响。可压缩滤饼可压缩滤饼：若滤饼为胶体物质时，当压强

37、差增大时，滤若滤饼为胶体物质时，当压强差增大时，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。为可压缩滤饼。 4 滤饼的压缩性和助滤剂滤饼的压缩性和助滤剂助滤剂助滤剂：对于可压缩滤饼，为了使过滤顺利进行，可以将对于可压缩滤饼，为了使过滤顺利进行，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。颗粒状物质就称为助滤剂。常用的助滤剂常用的

38、助滤剂：硅藻土、珍珠岩、石棉、炭粉等。硅藻土、珍珠岩、石棉、炭粉等。助滤剂的基本要求：助滤剂的基本要求：1 1、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及、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。较低的流体阻力。2 2、具有化学稳定性。、具有化学稳定性。3 3、在操作压强范围内具有不可压缩性。、在操作压强范围内具有不可压缩性。 dpde 对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直径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为d de e的细管，而细管的当量直径可由床层的空隙率和颗粒的的细管，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。比

39、表面积来计算。二、过滤的基本理论二、过滤的基本理论1 滤液通过饼层的流动滤液通过饼层的流动颗粒床层的特性可用颗粒床层的特性可用空隙率、当量直径空隙率、当量直径等物理量来描述。等物理量来描述。空隙率空隙率：单位体积床层中的空隙体积称为空隙率。单位体积床层中的空隙体积称为空隙率。式中式中 床层的空隙率，床层的空隙率，m3/m3。床层总体积床层空隙体积式中式中 颗粒的比表面，颗粒的比表面，m2/m3。颗粒体积颗粒表面积a比表面积比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积称为比表面积。单位体积颗粒所具有的表面积称为比表面积。2 颗粒床层的特性颗粒床层的特性322()5(1)cpdVuAdaL式中式中 V 滤

40、液量，滤液量，m3； t 过滤时间，过滤时间，s； A 过滤面积，过滤面积，m2。任一瞬间的过滤速度为：任一瞬间的过滤速度为：过滤速度过滤速度: :单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积， m3/m2 s。3 过滤速率过滤速率R R滤饼阻力，滤饼阻力，1/1/m, m, 其计算式为：其计算式为：322)1(5ar由滤饼阻力和过滤介质阻力两部分组成，单位厚度滤饼由滤饼阻力和过滤介质阻力两部分组成，单位厚度滤饼所具有的阻力称为比阻，所具有的阻力称为比阻，r表示，反映颗粒形状、尺寸及表示，反映颗粒形状、尺寸及床层孔隙率对滤液流动的影响。若滤饼厚度为床层孔隙率对滤液

41、流动的影响。若滤饼厚度为L，滤饼阻，滤饼阻力为力为式中式中 r r滤饼的比阻，滤饼的比阻，1/1/m m2 2, ,对于不可压缩滤饼，对于不可压缩滤饼，其计算式其计算式为：为：R=rL4 过滤阻力过滤阻力R=rLe过滤介质阻力：过滤介质阻力：LeLe当量滤饼厚度，即与当量滤饼厚度，即与 过滤介质阻力相当的滤饼层厚度过滤介质阻力相当的滤饼层厚度()()cmmmppdVpAdRRRR 上式表明，可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来上式表明，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。实际操表示过滤推动力，用两层的阻力之和来表示总阻力。实际操作时，分为作

42、时，分为恒压过滤恒压过滤和恒速过滤。和恒速过滤。式中：式中：p 滤饼与滤布两侧的总压强差，称为滤饼与滤布两侧的总压强差，称为过滤压强差过滤压强差。4 过滤推动力过滤推动力为克服过滤过程中的阻力，必须施加一定的外力，如：为克服过滤过程中的阻力，必须施加一定的外力，如：重力、离心力和压强差等，即过滤推动力。制药化工中重力、离心力和压强差等，即过滤推动力。制药化工中常以压强差为推动力。通常，滤饼与滤布的面积相同。常以压强差为推动力。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：所以两层中的过滤速度应相等，则：p定义定义：过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。：过滤操作在恒定压强下进行

43、时称为恒压过滤。滤饼不断变厚；滤饼不断变厚；阻力逐渐增加；阻力逐渐增加；推动力推动力p p 恒定；恒定；过滤速率逐渐变小。过滤速率逐渐变小。p特点特点：三、恒压过滤三、恒压过滤对于一定的悬浮液，设每获得对于一定的悬浮液，设每获得1m1m3 3滤液所形成滤饼的体积滤液所形成滤饼的体积为为m m3 3，则滤饼厚度则滤饼厚度L L：v v 滤饼体积与相应的滤液体积之比，滤饼体积与相应的滤液体积之比，m m3 3/ m/ m3 3 即：即： 恒压过滤方程式的推导恒压过滤方程式的推导VLA若生成厚度为若生成厚度为LeLe的滤饼层所获得的滤液体积为的滤饼层所获得的滤液体积为VeVe，则：，则：LAVeeV

44、LAV Ve e过滤介质的虚拟滤液体积或当量滤液体积，过滤介质的虚拟滤液体积或当量滤液体积，m m3 3 恒压过滤方程式的推导恒压过滤方程式的推导对于不可压缩滤饼，可以导出下列关系式：对于不可压缩滤饼，可以导出下列关系式：22ee=VKA22e+2V V=VKA虚拟过滤时间，即获得体积为虚拟过滤时间，即获得体积为VeVe的滤液所需时间，的滤液所需时间，s s eKK过滤常数，由物料特性及过滤压强差决定，过滤常数，由物料特性及过滤压强差决定， m m2 2/ s/ s ，对于不可压缩滤饼，对于不可压缩滤饼，K K与压强差与压强差PP成正比。成正比。恒压过滤方程恒压过滤方程22ee=+VVKA 令

45、令 q=V/A，qe=Ve/A恒压过滤方程变为：恒压过滤方程变为：2eeq =K2eq +2q q=K2eeqq=+K qe介质常数，其值反应反应过滤介质阻力的大小，介质常数，其值反应反应过滤介质阻力的大小， m3/m2当过滤介质的阻力可忽略，即当过滤介质的阻力可忽略，即qe和和 均为零时：均为零时：e2q =K 工业上使用的典型过滤设备：工业上使用的典型过滤设备：按操作方式分类按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机：间歇过滤机、连续过滤机按操作压强差分类按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤：压滤、吸滤和离心过滤板框压滤机（间歇操作）板框压滤机（间歇操作）转筒真空过滤机（连续操作）转筒真空过

46、滤机（连续操作）过滤式离心机过滤式离心机四、过滤设备四、过滤设备结构结构：滤板、滤框、夹紧机构、机架等组成。滤板、滤框、夹紧机构、机架等组成。滤板滤板：凹凸不平的表面，凸部用来支撑滤布，凹槽是滤：凹凸不平的表面，凸部用来支撑滤布，凹槽是滤液的流道。液的流道。滤板右上角的圆孔，是滤浆通道；左上角的圆滤板右上角的圆孔，是滤浆通道；左上角的圆孔，是洗水通道。孔，是洗水通道。洗涤板洗涤板：左上角的洗水通道与两侧表面的凹槽相通，左上角的洗水通道与两侧表面的凹槽相通， 使洗水流进凹槽；使洗水流进凹槽；非洗涤板非洗涤板：洗水通道与两侧表面的凹槽不相通。洗水通道与两侧表面的凹槽不相通。1 板框压滤机板框压滤机

47、 为了避免这两种板和框的安装次序有错，在铸造时常在板为了避免这两种板和框的安装次序有错，在铸造时常在板与框的外侧面分别铸有一个、两个或三个小钮。非洗涤板为一与框的外侧面分别铸有一个、两个或三个小钮。非洗涤板为一钮板，框带两个钮板，框带两个钮，洗涤板为三钮板。钮板，框带两个钮板，框带两个钮，洗涤板为三钮板。滤框滤框：滤浆通道滤浆通道：滤框右上角的圆孔滤框右上角的圆孔洗水通道洗水通道：滤框左上角的圆孔滤框左上角的圆孔滤浆滤浆洗水洗水滤板滤板滤框滤框洗板洗板滤布滤布板框过滤机板框过滤机 板框过滤机的操作是间歇式的，每个操作循板框过滤机的操作是间歇式的，每个操作循环由环由装合装合、过滤过滤、洗涤洗涤、

48、卸渣卸渣、整理整理五个阶段五个阶段。过滤过程过滤过程1)1)、装合、装合： 将板与框按将板与框按 1-2-3-2-1-2-3 1-2-3-2-1-2-3的顺序，的顺序，滤板的两侧表面放上滤滤板的两侧表面放上滤布，布，然后用手动的或机动的压紧装置固定，使板与框紧密接触。然后用手动的或机动的压紧装置固定，使板与框紧密接触。 2)2)、过滤、过滤： 用泵把滤浆送进用泵把滤浆送进右上角右上角的滤浆通道，由通道流进每个滤框里。的滤浆通道，由通道流进每个滤框里。滤液穿过滤布沿滤板的凹槽流至每个滤板下角的阀门排出。固体滤液穿过滤布沿滤板的凹槽流至每个滤板下角的阀门排出。固体颗粒积存在滤框内形成滤饼，直到框内

49、充满滤饼为止。颗粒积存在滤框内形成滤饼，直到框内充满滤饼为止。3)3)、洗涤、洗涤： 将洗水送入洗水通道，经洗涤板左上角的洗水进口，进入板将洗水送入洗水通道，经洗涤板左上角的洗水进口，进入板的两侧表面的凹槽中。然后，洗水横穿滤布和滤饼，最后由非的两侧表面的凹槽中。然后，洗水横穿滤布和滤饼，最后由非洗涤板下角的滤液出口排出。在此阶段中，洗涤板下角的滤液洗涤板下角的滤液出口排出。在此阶段中，洗涤板下角的滤液出口阀门关闭。出口阀门关闭。4)4)、卸渣、整理、卸渣、整理 打开板框，卸出滤饼，洗涤滤布及板、框。打开板框，卸出滤饼，洗涤滤布及板、框。 在洗液粘度与滤液粘度相近的情况下，且在压差相同时，在洗

50、液粘度与滤液粘度相近的情况下，且在压差相同时，洗涤液需穿越两层滤布及整个板框内的滤饼层，其流经长洗涤液需穿越两层滤布及整个板框内的滤饼层，其流经长度为过滤终了时滤液流经长度的度为过滤终了时滤液流经长度的2 2倍，而流通截面积缺只有倍，而流通截面积缺只有后者的一半，故洗涤速率约为过滤终了速率的后者的一半，故洗涤速率约为过滤终了速率的1/41/4。结构简单，价格低廉，占地面积小，过滤面积大。结构简单，价格低廉，占地面积小，过滤面积大。可根据需要增减滤板的数量，调节过滤能力。可根据需要增减滤板的数量，调节过滤能力。对物料的适应能力较强，由于操作压力较高对物料的适应能力较强，由于操作压力较高（310k

51、g/cm2 ），），对颗粒细小而液体粘度较大的滤浆，也能对颗粒细小而液体粘度较大的滤浆，也能适用。适用。间歇操作，生产能力低，卸渣清洗和组装阶段需用人力操作，间歇操作，生产能力低，卸渣清洗和组装阶段需用人力操作，劳动强度大，所以它只适用于小规模生产。劳动强度大，所以它只适用于小规模生产。近年出现了各种自动操作的板框压滤机，使劳动强度得到减近年出现了各种自动操作的板框压滤机，使劳动强度得到减轻。轻。板框压滤机的特点：板框压滤机的特点：结构：结构：p转筒转筒，扇形格，扇形格(18格格)； 滤室滤室；分配头分配头；动盘动盘(18个孔，分别与扇形个孔，分别与扇形格的格的18个通道相连个通道相连)；定盘

52、定盘(三个凹槽：滤液真空三个凹槽：滤液真空凹槽、洗水真空凹槽、压缩空凹槽、洗水真空凹槽、压缩空气凹槽，分别将动盘的气凹槽，分别将动盘的18个孔个孔道分成三个通道道分成三个通道)；p金属网金属网；p滤布滤布；p滤浆槽滤浆槽。工作过程工作过程转筒真空过滤机结构示意图转筒真空过滤机结构示意图动盘动盘定盘定盘转筒转筒金属网金属网滤布滤布滤饼滤饼搅拌器搅拌器洗涤喷头洗涤喷头料浆槽料浆槽刮刀刮刀2 2 转筒真空过滤机转筒真空过滤机（rotary-drum vacuum filterrotary-drum vacuum filter）110987654321817161514131112动盘动盘转筒及分配头

53、的结构转筒及分配头的结构工作过程工作过程定盘定盘18格分成格分成6个工作区个工作区1区区(17格格)：过滤区；：过滤区；2区区(810格格)：滤液吸干区；：滤液吸干区；3区区(1213格格)：洗涤区；：洗涤区；4区区(14格格)：洗后吸干区；：洗后吸干区；5区区(16格格)：吹松卸渣区；：吹松卸渣区；6区区(17格格)：滤布再生区。：滤布再生区。l过滤区过滤区(12区区)，f 槽槽; l洗涤区洗涤区(34区区)，g槽槽 ;l干燥卸渣区干燥卸渣区(56区区)，h 槽槽;f 槽槽h 槽槽g 槽槽自动连续操作；自动连续操作；适用于处理量大，固体颗粒含量较多的滤浆；适用于处理量大，固体颗粒含量较多的滤

54、浆；真空下操作，其过滤推动力较低真空下操作，其过滤推动力较低( (最高只有最高只有1 1atm)atm)，对于滤对于滤饼阻力较大的物料适应能力较差饼阻力较大的物料适应能力较差。 转筒旋转时，藉分配头的作用，能使转转筒旋转时，藉分配头的作用，能使转筒旋转一周的过程中，每个扇形格室可依次筒旋转一周的过程中，每个扇形格室可依次进行进行过滤过滤、洗涤洗涤、吸干吸干、吹松卸渣吹松卸渣等项操作。等项操作。整个转筒圆周在任何瞬间都划分为整个转筒圆周在任何瞬间都划分为: :特点：特点：工作过程工作过程过滤区过滤区;洗涤区洗涤区;干燥卸渣区干燥卸渣区。2、叶滤机属间歇式属间歇式洗涤和装卸过程均较方便，洗涤和装卸

55、过程均较方便，占地面积小，过滤速度大，占地面积小，过滤速度大，但滤饼的厚度一般不均匀，但滤饼的厚度一般不均匀，设备造价较高。设备造价较高。滤叶滤叶一个操作循环：一个操作循环：过滤、洗涤、卸渣、整理重装过滤、洗涤、卸渣、整理重装 特点：特点： 滤 浆 滤 液 滤 叶 的 构 造结构：结构：请点击观看动画请点击观看动画五、滤饼洗涤五、滤饼洗涤 滤饼存有间隙，其内存有一定量的滤液，生产中一般需对滤饼存有间隙，其内存有一定量的滤液，生产中一般需对滤饼进行洗涤，通常洗涤液为清液，因此，滤饼层的厚度不滤饼进行洗涤，通常洗涤液为清液，因此，滤饼层的厚度不变，若操作压强差恒定，则洗涤液的体积流量恒定。洗涤速变

56、，若操作压强差恒定，则洗涤液的体积流量恒定。洗涤速率为：率为：WWWVdVd VW为洗涤过程所消耗的洗涤液体积，为洗涤过程所消耗的洗涤液体积，m3； 为洗涤时间，为洗涤时间，sW 对于板框压滤机，对于板框压滤机， 洗涤时间以下式计算：洗涤时间以下式计算：288eWeWWVV Vqq VKAKA五、板框压滤机的生产能力五、板框压滤机的生产能力板框压滤机的每一生产循环包括过滤、洗涤、卸渣、清洗和板框压滤机的每一生产循环包括过滤、洗涤、卸渣、清洗和重装等操作，是典型的间歇操作，其生产能力计算式：重装等操作，是典型的间歇操作，其生产能力计算式：WDVVQT V为一个生产周期中所得到的洗涤液体积，为一个

57、生产周期中所得到的洗涤液体积，m3； 、 分分别一个生产周期内的洗涤时间和辅助操作时间（卸渣、清洗和别一个生产周期内的洗涤时间和辅助操作时间（卸渣、清洗和重装），重装），s。WD2zwDALBZVLBZVQ总过滤面积总过滤面积框内总容积框内总容积操作周期操作周期生产能力生产能力间歇过滤机的计算间歇过滤机的计算过滤时间过滤时间 =V=V2 2+2VeV/KA+2VeV/KA2 2由由q q2 2+q+qe eq=Kq=K =q =q2 2+q+qe eq/Kq/K洗涤时间洗涤时间 =8(V =8(V2 2+V+Ve e)V)Vw w/KA/KA2 2Wn例例1 1：以某板框式压滤机在恒压条件下过

58、滤含硅藻：以某板框式压滤机在恒压条件下过滤含硅藻土的悬浮夜。过滤机的滤框尺寸为土的悬浮夜。过滤机的滤框尺寸为81081081081025(25(mm)mm)，共有共有3 33 3个框。已测出过滤常个框。已测出过滤常数数K K=10-4m=10-4m2 2/s/s，qe=0.01mqe=0.01m3 3/ /m m2 2。若已知侧到得滤液若已知侧到得滤液体积为体积为8.668.66，所用洗水量为滤液量的，所用洗水量为滤液量的1/1/6 6。求：。求：n 1) 1) 过滤面积和滤框内的总容量；过滤面积和滤框内的总容量；n 2) 2) 过滤所需的时间；过滤所需的时间；n 3) 3) 洗涤时间；洗涤时

59、间；例例2 2：以某板框式压滤机在恒压条件下过滤含硅藻：以某板框式压滤机在恒压条件下过滤含硅藻土的悬浮夜。过滤机的滤框尺寸为土的悬浮夜。过滤机的滤框尺寸为81081081081025(25(mm)mm)，共有共有3737个框。已测出过滤常个框。已测出过滤常数数K K=10=10-4-4m m2 2/s/s，qe=0.01mqe=0.01m3 3/ /m m2 2，t te=1se=1s。若已知单位若已知单位面积上通过的滤液量为面积上通过的滤液量为0.150.15m m3 3/m/m2 2，所用洗水量为所用洗水量为滤液量的滤液量的1/51/5。求：。求： 1) 1) 过滤面积和滤框内的总容量；过

60、滤面积和滤框内的总容量； 2) 2) 过滤所需的时间；过滤所需的时间； 3) 3) 洗涤时间；洗涤时间； 4) 4) 生产能力生产能力Q(td=15minQ(td=15min) )。生产能力：是指单位时间内获得的滤液量。生产能力：是指单位时间内获得的滤液量。解：解：1) 1) 过滤面积过滤面积 A=2LBZ=2A=2LBZ=20.810.810.810.8137=48.6m37=48.6m2 2 滤框总容积滤框总容积 V Vz z=LB=LB Z=0.81Z=0.810.810.810.0250.02537=0.607m37=0.607m3 3 3330.15 48.6255 348 15 6